一种非常规低温气体保护激光焊接方法与流程

本发明涉及材料加工工程领域，尤其是一种非常规低温气体保护激光焊接方法。

背景技术：

随着制造业的迅猛发展和焊接技术的不断进步，焊接结构得到了广泛的使用。在现代焊接技术中，质量、效率、低成本是焊接工业生产中的重要指标，并且随着航天、航空事业、交通运输、海洋工程等的快速发展，每年需要大量的焊接工作量。对于高质量高效低成本的焊接方法提出了更高的要求。

激光作为“二十一世纪最有发展潜力的焊接技术”之一，由于其具有能量密度高，焊缝质量好，深宽比大，热影响区小，焊接变形小，而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点，已经在工业生产中得到广泛的应用。世界上很多的知名汽车企业如奔驰、大众已经从上世纪八十年代开始就研究了激光焊接技术对汽车的应用，主要包括了车身、侧框、车顶灯部位的钒金材料的焊接。九十年代更多的知名汽车制造商如福特、通用也加入了激光焊接技术。另外激光焊接技术也应用在轮船制造中，激光焊接轮船上的甲板可减小焊接变形，国外最高可以完成十厘米厚的船板焊接。

但目前激光焊接过程中，一般都是没有保护气体、或者是采用常规的Ar、或He气作为保护气体；但是，焊接过程中，不管是否采用保护气体，都会产生激光等离子体，由于激光等离子体本身不稳定，从而影响其焊接稳定性，可能造成成形不稳定、内部气孔等焊接缺陷。等离子体显著膨胀后吸收激光能量，会导致焊缝熔深明显下降。因此，针对激光焊接过程中产生的激光等离子体，目前一般抑制措施为采用具有高电离能的He气、侧吹保护气、或者脉冲激光的方式来抑制等离子体的大小。但氦气成本最高，而采用侧吹保护气体时为了避免侧吹气体对熔池的影响，一般距焊缝熔池有一定距离，导致对等离子体抑制效果有限。基于此，本发明提出了一种低温气体保护的激光焊接方法。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有常规激光焊接过程易产生激光等离子体，导致焊接过程不稳定，容易产生成形不连续、以及焊接气孔等缺陷问题，而提供一种低温气体保护的激光焊接方法。

本发明旨在采用低温气体保护的激光焊接方法，在常规激光焊接的基础上，对焊接保护气送气装置进行改进，具体实现方式包括：

1、将普通的塑料送气管线改为绝热保温的低温气体输送管线，直接使用绝热气瓶内的低温气体。

2、或使用其他装置对气体进行冷却如使用制冷机/冷风机对保护气瓶及输气管线进行冷却，可使保护气温度由室温降低至零下五十度左右；使用冷却浴(所能提供的温度范围通常为13至-196℃)对保护气瓶进行冷却，达到更低温度。

本发明的一种非常规低温气体保护激光焊接方法，具体实施方案如下：

步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口、U型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

步骤二：利用夹具将激光头与送丝机构刚性固定；

步骤三：设置焊接工艺参数:

焊接速度为0.5～5m/min，激光功率为2000～6000W，离焦量为-3～+3，若填充焊丝，则送丝速度为0.2～1.0m/min；保护气采用Ar气、He气或二者的混合气，保护气流量为5～20L/min，保护气温度为-30℃～-160℃；

步骤四：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后激光稳定1s后，控制机器人使得激光头运动，即完成焊接过程。

本发明相比于常规激光焊接有以下几点优势：

1、焊缝组织细化，由于焊缝冷却速度大大提高，焊接接头组织进一步细化，拉伸性能和硬度有所提高。

2、抑制气孔及热裂纹，由于熔池冷却速度提高，有利于抑制常规激光焊时熔合线位置易产生的冶金型气孔，减少焊接缺陷；

3、提高焊接过程稳定性，由于低温保护气对熔池及其附近进行保护及冷却，可有效降低激光等离子体温度，从而使其密度降低，抑制其周期性波动幅度。

4、增加激光吸收率，降低焊接成本。由于激光等离子体对激光能量具有一定的吸收、散射、反射等损耗，通过采用低温保护气体可以一直等离子体，降低激光能量的损耗，从而提高焊缝熔深。

附图说明

图1为实施例2的常规激光焊接背面成形图；

图2为实施例2的常规激光焊接宏观金相图；

图3为实施例1的本发明方法焊接背面成形图；

图4为实施例1的本发明方法焊接宏观金相图；

图5为实施例2的常规激光焊接气孔检测图；

图6为实施例1的本发明方法焊接气孔检测图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种非常规低温气体保护激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：焊接前，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口、U型坡口或Y型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

步骤二：利用夹具将激光头与送丝机构刚性固定；

步骤三：设置焊接工艺参数:

焊接速度为0.5～5m/min，激光功率为2000～6000W，离焦量为-3～+3，若填充焊丝，则送丝速度为0.2～1.0m/min；保护气采用Ar气、He气或二者的混合气，保护气流量为5～20L/min，保护气温度为-30℃～-160℃；

步骤四：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后激光稳定1s后，控制机器人使得激光头运动，即完成焊接过程。

本实施方式所使用的激光器可以采用CO₂气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器，其中以采用光纤传输的YAG固体激光器最佳，因为其更加高效和环保；其他设备包括，1台KUKA机器人，焊接过程中工艺参数的调整通过KUKA机器人编程实现；1台福尼斯送丝机，以保证焊丝精确送进。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的待焊工件为钢、铝或钛合金。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气温度为-50℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气温度为-70℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气温度为-90℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气温度为-110℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气温度为-130℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保护气是通过低温气体管进行输送的。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的-30℃～-160℃的保护气温度是通过制冷机或冷风机对装有保护气的瓶及低温气体管进行冷却得到的。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接工艺参数:焊接速度为1～5m/min，激光功率为4000～6000W，离焦量为-3～+3，若填充焊丝，则送丝速度为0.2～1.0m/min；保护气采用Ar气、He气或二者的混合气，保护气流量为5～20L/min，保护气温度为-60℃～-160℃。其它与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果:

分别利用本发明的方法及常规激光焊接方法焊接3mm厚镁合金。

具体实验方法如下：

实施例1

采用本发明的方法焊接3mm厚镁合金对接接头：

一种非常规低温气体保护激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成I型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨和清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，对接间隙0～0.5mm；

步骤二：利用夹具将激光头与送丝机构刚性固定；

步骤三：设置焊接工艺参数:

焊接速度为3m/min，激光功率为2000W，离焦量为+1，保护气采用Ar气，保护气流量为10L/min，保护气温度为-50℃；

步骤四：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后激光稳定1s后，控制机器人使得激光头运动，即完成焊接过程。

实施例2

常规激光焊接3mm厚镁合金对接接头：

步骤一：焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成I型坡口，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，对接间隙0～0.5mm；

步骤二:利用特制夹具将激光头刚性固定在KUKA机器人上；

步骤三:设置焊接工艺参数:

焊接速度3.0m/min，激光功率2000W，离焦量+1，保护气采用Ar气，流量在10L/min，Ar气为常温。

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后激光稳定1s后，控制机器人使得激光头运动完成焊接过程。

图1至图6分别为实施例1和2焊接3mm厚镁合金对接接头的焊缝成形、横截面金相、X光检测结果，可以看出当采用实施例1本发明方法进行焊接时，成形稳定，未出现未熔透、不连续、余高不足等现象。