本發(fā)明涉及一種焊接方法，屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光焊接羽輝控制和熔池保護(hù)方法及裝置。

背景技術(shù)：

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(wú)需直接接觸等顯著的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最為先進(jìn)的材料連接技術(shù)之一，獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，固體激光器(如光纖激光、碟片激光和nd:yag激光)有了長(zhǎng)足發(fā)展，這類激光器在材料加工方面的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。以光纖激光器為例，它具有電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率高、光束質(zhì)量高、加工柔性高、運(yùn)行成本低等綜合優(yōu)勢(shì)，為材料加工提供了一種優(yōu)質(zhì)熱源。

羽輝是這類激光焊接中一種固有的物理現(xiàn)象，對(duì)焊接過程存在明顯的負(fù)面影響。一方面，羽輝中的微粒對(duì)入射激光存在吸收和散射效應(yīng)，故而明顯的減小焊接熔深和影響焊接過程的穩(wěn)定性。另一方面，這類激光焊接過程蒸發(fā)劇烈，孔內(nèi)噴發(fā)羽輝的速度可達(dá)250m/s，遠(yuǎn)高于噴嘴中流向熔池的保護(hù)氣流速。向上噴發(fā)的羽輝對(duì)保護(hù)氣流的擾動(dòng)勢(shì)必將影響保護(hù)氣對(duì)熔池的保護(hù)效果。因此，控制激光焊接羽輝對(duì)焊接過程的負(fù)面影響具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，包括提高焊接中激光的能量利用率、提高生產(chǎn)效率、提高焊接過程穩(wěn)定性、降低焊接缺陷的產(chǎn)生、以及提高焊縫成形和熔池保護(hù)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(duì)焊接熔池的擾動(dòng)，將對(duì)焊接過程穩(wěn)定和熔池保護(hù)等方面引入負(fù)面影響。采用氣管側(cè)吸的方式可以吸走羽輝，但是吸氣產(chǎn)生的負(fù)壓將導(dǎo)致空氣流向熔池區(qū)域，影響熔池保護(hù)。采用真空焊接可以抑制羽輝的產(chǎn)生、且保護(hù)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(fù)合焊接可以通過電弧燒除羽輝、消除羽輝的負(fù)面效應(yīng)，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(kuò)大了熱作用區(qū)，將導(dǎo)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(fā)明提出一種抑制羽輝、同時(shí)保護(hù)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(wěn)定性，又可保護(hù)焊接熔池，且對(duì)傳統(tǒng)激光焊接的柔韌性沒有負(fù)面影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于不影響傳統(tǒng)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(hù)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(tǒng)、保護(hù)氣系統(tǒng)。工件為焊接對(duì)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(shí)，激光束作用于工件，抽氣裝置連接于雙層噴嘴的內(nèi)管；雙層噴嘴的內(nèi)管出口處置于小孔口附近，通過抽氣裝置給予孔口負(fù)壓環(huán)境，并吸走羽輝；雙層噴嘴的外管通以保護(hù)氣體氣流覆蓋在焊接熔池上。

本發(fā)明采用在常規(guī)側(cè)吹保護(hù)噴嘴的中心附加小口徑內(nèi)管，形成雙層噴嘴。雙層噴嘴的內(nèi)管提供負(fù)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(duì)激光的負(fù)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(wěn)定性和焊縫成形，且不對(duì)熔池保護(hù)引入負(fù)面影響。一方面，小孔內(nèi)氣壓高于大氣壓，噴嘴內(nèi)管直徑較小，提供的負(fù)壓(吸氣量)有限；可達(dá)到內(nèi)管口負(fù)壓抵消小孔口孔內(nèi)蒸氣噴發(fā)引起的局部高壓、并吸走羽輝，同時(shí)對(duì)外部環(huán)境不產(chǎn)生影響或影響較小的目的。另一方面，噴嘴外管提供的保護(hù)氣流可防止空氣中的氧氣對(duì)熔池產(chǎn)生影響。此外，該方法是在常規(guī)側(cè)吹保護(hù)噴嘴內(nèi)部再附加內(nèi)管，并不影響傳統(tǒng)的激光焊接方式，故而充分保持了激光焊接的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種側(cè)置的、同軸雙層噴嘴內(nèi)管吸羽輝和外管通保護(hù)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(shí)現(xiàn)深熔焊接、形成焊縫，抽氣裝置與雙層噴嘴內(nèi)管連接，內(nèi)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(shí)顯著改善焊接過程穩(wěn)定性，大幅減少焊接飛濺。噴嘴的外管通保護(hù)氣流保護(hù)焊接熔池。該方法及裝置完整的保持了傳統(tǒng)激光焊接的特點(diǎn)。

激光束為固體激光(光纖激光、nd:yag激光和碟片激光)或半導(dǎo)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(nèi)管內(nèi)徑為0.5mm～3mm，外管內(nèi)徑為4mm～20mm；出口處，沿軸線上內(nèi)管口比外管口長(zhǎng)0.5mm～15mm；內(nèi)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(jīng)雙層噴嘴的內(nèi)管在小孔口附件區(qū)域產(chǎn)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(hù)氣流量為1l/min～50l/min?？烧x焦、負(fù)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：雙層噴嘴輔助激光焊接時(shí)，抽氣裝置連接內(nèi)管提供負(fù)壓，并吸走羽輝；外管通保護(hù)氣流保護(hù)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(wěn)定性和焊縫成形，而且可防止焊縫氧化，提高焊縫保護(hù)效果。該方法不改變傳統(tǒng)激光焊接的加工柔韌性，充分保持了傳統(tǒng)激光焊接的特點(diǎn)。

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(hù)氣流保護(hù)激光焊接焊縫表面效果圖。

圖2(b)為采用本發(fā)明焊接焊縫表面效果圖。

圖3(a)為單保護(hù)氣流保護(hù)激光焊接焊縫橫截面效果圖。

圖3(b)為采用本發(fā)明焊接焊縫橫截面效果圖。

圖4(a)為單保護(hù)氣流保護(hù)激光焊接羽輝形態(tài)圖。

圖4(b)為采用本發(fā)明焊接羽輝形態(tài)圖。

圖中：1、焊接工件，2、保護(hù)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(tǒng)，9、同軸雙層噴嘴，10、內(nèi)管，11、外管，12、抽氣管路，13、抽氣氣閥，14、抽氣裝置，15、保護(hù)氣氣閥，16、保護(hù)氣導(dǎo)管，17、保護(hù)氣瓶，18、熔池和焊縫。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

圖1為同軸雙層噴嘴控制羽輝和保護(hù)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(nèi)管10和外管11)、提供負(fù)壓的抽氣裝置14和提供保護(hù)氣的氣瓶17，其中工件1為焊接對(duì)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(shí)，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(duì)固定；負(fù)氣壓和保護(hù)氣流2分別產(chǎn)生于同軸雙層噴嘴的內(nèi)管10和外管11；焊接過程中激光的能量用于熔化工件1實(shí)現(xiàn)深熔焊接小孔3和熔池18，抽氣裝置14與內(nèi)管10共同作用，提供負(fù)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(shí)顯著改善焊接過程穩(wěn)定性，大幅減少焊接飛濺。由于保護(hù)氣流2作用于焊接熔池18，有效的保護(hù)了熔池18。因此，該方法完整的保持了傳統(tǒng)激光焊接的特點(diǎn)、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(dǎo)體激光；同軸雙層噴嘴9的內(nèi)管10與抽氣裝置14經(jīng)抽氣管路12連接，其壓強(qiáng)為1×10^-2pa～1.01×10⁵pa，通過氣閥13控制；外管11中通保護(hù)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(nèi)管內(nèi)徑為0.5mm～3mm，外管內(nèi)徑為4mm～20mm；出口處，沿軸線上內(nèi)管口比外管口長(zhǎng)0.5mm～15mm；內(nèi)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(shí)施例中，工件為10mm厚的工業(yè)純鐵，實(shí)驗(yàn)采用的激光器為yls-6000光纖激光器，其波長(zhǎng)為1.07μm；保護(hù)氣體為氬氣；焊接工藝參數(shù)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(hù)氣流保護(hù)激光焊接焊縫表面效果圖，圖2(b)為采用本發(fā)明所得到的焊縫表面效果圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明進(jìn)行焊接顯著提高了焊接過程穩(wěn)定性，焊縫更窄，焊縫成形改善明顯，且提高了焊縫的保護(hù)效果；圖3(b)為采用本發(fā)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(hù)光纖激光焊接(見圖3(a))的熔深顯著提高，而熔寬則縮小?？梢?，采用本發(fā)明能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，同時(shí)保持了傳統(tǒng)激光焊接的特點(diǎn)；圖4(a)所示為單噴嘴保護(hù)光纖激光焊接時(shí)所產(chǎn)生的羽輝形態(tài)；采用本發(fā)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?？梢姴捎帽景l(fā)明噴嘴內(nèi)管吸走了羽輝，減小羽輝對(duì)入射激光的負(fù)面影響，從而提高激光的能量利用率和焊接效率，穩(wěn)定焊接過程，改善焊縫成形；同時(shí)，焊縫的保護(hù)效果明顯提高。

本發(fā)明的熔深可顯著提高達(dá)30％以上。保護(hù)氣能采用氦氣、氬氣和氮?dú)獾榷栊詺怏w。

以上所述，僅為本發(fā)明一種具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。