激光焊接羽輝控制和熔池保護方法及裝置與流程

本發明涉及一種焊接方法，屬于激光材料加工技術領域，尤其涉及一種激光焊接羽輝控制和熔池保護方法及裝置。

背景技術：

激光焊接具有能量密度高、焊接效率高、熱輸入量小、焊接變形小、焊接過程中無需直接接觸等顯著的優點，被認為是21世紀最為先進的材料連接技術之一，獲得了廣泛的應用。近年來，固體激光器(如光纖激光、碟片激光和nd:yag激光)有了長足發展，這類激光器在材料加工方面的優勢也越來越明顯。以光纖激光器為例，它具有電光轉換效率高、輸出功率高、光束質量高、加工柔性高、運行成本低等綜合優勢，為材料加工提供了一種優質熱源。

羽輝是這類激光焊接中一種固有的物理現象，對焊接過程存在明顯的負面影響。一方面，羽輝中的微粒對入射激光存在吸收和散射效應，故而明顯的減小焊接熔深和影響焊接過程的穩定性。另一方面，這類激光焊接過程蒸發劇烈，孔內噴發羽輝的速度可達250m/s，遠高于噴嘴中流向熔池的保護氣流速。向上噴發的羽輝對保護氣流的擾動勢必將影響保護氣對熔池的保護效果。因此，控制激光焊接羽輝對焊接過程的負面影響具有重要的科學意義和工程應用價值，包括提高焊接中激光的能量利用率、提高生產效率、提高焊接過程穩定性、降低焊接缺陷的產生、以及提高焊縫成形和熔池保護效果等方面。

利用橫向氣簾可以吹除羽輝，但熔池上方的高速氣流對焊接熔池的擾動，將對焊接過程穩定和熔池保護等方面引入負面影響。采用氣管側吸的方式可以吸走羽輝，但是吸氣產生的負壓將導致空氣流向熔池區域，影響熔池保護。采用真空焊接可以抑制羽輝的產生、且保護效果很好，但真空焊接降低了激光焊接的柔性，且提高了加工成本。激光電弧復合焊接可以通過電弧燒除羽輝、消除羽輝的負面效應，但該方法也降低了激光焊接的柔韌性，且增加了熱輸入量和擴大了熱作用區，將導致焊接接頭性能降低和工件熱變形增大等問題。為了克服上述問題，本發明提出一種抑制羽輝、同時保護熔池的方法與裝置。該方法及裝置即可提高激光能量的利用率和焊接效率、改善焊接過程的穩定性，又可保護焊接熔池，且對傳統激光焊接的柔韌性沒有負面影響。

技術實現要素：

本發明的目的在于不影響傳統激光焊接柔性和加工成本的情況下，提供一種控制羽輝并保護熔池的方法和裝置。其中焊接裝置包括聚焦激光束、同軸雙層噴嘴及抽氣系統、保護氣系統。工件為焊接對象，羽輝、深熔小孔、焊接熔池和焊縫是在焊接過程中形成；焊接時，激光束作用于工件，抽氣裝置連接于雙層噴嘴的內管；雙層噴嘴的內管出口處置于小孔口附近，通過抽氣裝置給予孔口負壓環境，并吸走羽輝；雙層噴嘴的外管通以保護氣體氣流覆蓋在焊接熔池上。

本發明采用在常規側吹保護噴嘴的中心附加小口徑內管，形成雙層噴嘴。雙層噴嘴的內管提供負壓并吸走羽輝的方法，凈化光束到板面的傳輸通道，降低羽輝對激光的負面影響，不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以顯著改善焊接過程穩定性和焊縫成形，且不對熔池保護引入負面影響。一方面，小孔內氣壓高于大氣壓，噴嘴內管直徑較小，提供的負壓(吸氣量)有限；可達到內管口負壓抵消小孔口孔內蒸氣噴發引起的局部高壓、并吸走羽輝，同時對外部環境不產生影響或影響較小的目的。另一方面，噴嘴外管提供的保護氣流可防止空氣中的氧氣對熔池產生影響。此外，該方法是在常規側吹保護噴嘴內部再附加內管，并不影響傳統的激光焊接方式，故而充分保持了激光焊接的特點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種側置的、同軸雙層噴嘴內管吸羽輝和外管通保護氣流的激光焊接方法及裝置，焊接過程中激光的能量用于熔化工件實現深熔焊接、形成焊縫，抽氣裝置與雙層噴嘴內管連接，內管口置于小孔口上方吸走羽輝，故而減小或消除激光光路中的羽輝，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，同時顯著改善焊接過程穩定性，大幅減少焊接飛濺。噴嘴的外管通保護氣流保護焊接熔池。該方法及裝置完整的保持了傳統激光焊接的特點。

激光束為固體激光(光纖激光、nd:yag激光和碟片激光)或半導體激光；同軸雙層噴嘴與激光光軸的夾角為5°～90°，其軸向與焊接方向的夾角為0°～180°；噴嘴內管內徑為0.5mm～3mm，外管內徑為4mm～20mm；出口處，沿軸線上內管口比外管口長0.5mm～15mm；內外管口平面可平行于熔池表面，也可垂直于噴嘴軸向，或介于二者之間。抽氣裝置經雙層噴嘴的內管在小孔口附件區域產生的局部氣壓為1×10^-2pa～1.01×10⁵pa，通過閥門控制。雙層噴嘴外管通保護氣流量為1l/min～50l/min。可正離焦、負離焦或零離焦焊接；也適用于激光填絲焊和脈沖激光焊接。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：雙層噴嘴輔助激光焊接時，抽氣裝置連接內管提供負壓，并吸走羽輝；外管通保護氣流保護熔池。該方法不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，顯著改善焊接過程穩定性和焊縫成形，而且可防止焊縫氧化，提高焊縫保護效果。該方法不改變傳統激光焊接的加工柔韌性，充分保持了傳統激光焊接的特點。

附圖說明

圖1為本焊接方法焊接裝置示意圖。

圖2(a)為單保護氣流保護激光焊接焊縫表面效果圖。

圖2(b)為采用本發明焊接焊縫表面效果圖。

圖3(a)為單保護氣流保護激光焊接焊縫橫截面效果圖。

圖3(b)為采用本發明焊接焊縫橫截面效果圖。

圖4(a)為單保護氣流保護激光焊接羽輝形態圖。

圖4(b)為采用本發明焊接羽輝形態圖。

圖中：1、焊接工件，2、保護氣流，3、深熔小孔，4、羽輝，5、激光束，6、聚焦鏡，7、激光器，8、光路系統，9、同軸雙層噴嘴，10、內管，11、外管，12、抽氣管路，13、抽氣氣閥，14、抽氣裝置，15、保護氣氣閥，16、保護氣導管，17、保護氣瓶，18、熔池和焊縫。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。

圖1為同軸雙層噴嘴控制羽輝和保護熔池的激光焊接裝置示意圖，其中焊接裝置包括激光束5、同軸雙層噴嘴9(包括內管10和外管11)、提供負壓的抽氣裝置14和提供保護氣的氣瓶17，其中工件1為焊接對象，深熔小孔3、羽輝4、焊接熔池和焊縫18是在焊接過程中形成的；焊接時，激光束5作用于工件1，雙層噴嘴9和激光束5的位置相對固定；負氣壓和保護氣流2分別產生于同軸雙層噴嘴的內管10和外管11；焊接過程中激光的能量用于熔化工件1實現深熔焊接小孔3和熔池18，抽氣裝置14與內管10共同作用，提供負壓吸走光路中的羽輝4，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，同時顯著改善焊接過程穩定性，大幅減少焊接飛濺。由于保護氣流2作用于焊接熔池18，有效的保護了熔池18。因此，該方法完整的保持了傳統激光焊接的特點、不影響其原有的加工柔性。

激光束5為固體激光(光纖激光、yag激光和disc激光)或半導體激光；同軸雙層噴嘴9的內管10與抽氣裝置14經抽氣管路12連接，其壓強為1×10^-2pa～1.01×10⁵pa，通過氣閥13控制；外管11中通保護氣流2，其流量為1l/min～50l/min；同軸雙層噴嘴9與激光束5的夾角為5°～90°，其在板面上的投影與焊接方向的夾角為0°～180°；噴嘴內管內徑為0.5mm～3mm，外管內徑為4mm～20mm；出口處，沿軸線上內管口比外管口長0.5mm～15mm；內外管口平面可平行于熔池表面，也可垂直于噴嘴軸向，或者介于二者之間。

本實施例中，工件為10mm厚的工業純鐵，實驗采用的激光器為yls-6000光纖激光器，其波長為1.07μm；保護氣體為氬氣；焊接工藝參數為：激光功率5kw，焊接速度2m/min，同軸雙層噴嘴與光軸的夾角為45°，其在焊接板材表面的投影與焊接方向的夾角為0°。圖2(a)為單噴嘴保護氣流保護激光焊接焊縫表面效果圖，圖2(b)為采用本發明所得到的焊縫表面效果圖，對比發現采用本發明進行焊接顯著提高了焊接過程穩定性，焊縫更窄，焊縫成形改善明顯，且提高了焊縫的保護效果；圖3(b)為采用本發明所得到的焊縫橫截面，在相同的激光功率和焊接速度情況下，焊接熔深比單噴嘴保護光纖激光焊接(見圖3(a))的熔深顯著提高，而熔寬則縮小。可見，采用本發明能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，同時保持了傳統激光焊接的特點；圖4(a)所示為單噴嘴保護光纖激光焊接時所產生的羽輝形態；采用本發明焊接羽輝體積明顯減小，特別是光路中羽輝的體積，如圖4(b)所示。可見采用本發明噴嘴內管吸走了羽輝，減小羽輝對入射激光的負面影響，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，穩定焊接過程，改善焊縫成形；同時，焊縫的保護效果明顯提高。

本發明的熔深可顯著提高達30％以上。保護氣能采用氦氣、氬氣和氮氣等惰性氣體。

以上所述，僅為本發明一種具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭示的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。