激光焊接羽辉控制和熔池保护方法及装置与流程

本发明涉及一种焊接方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种激光焊接羽辉控制和熔池保护方法及装置。

背景技术：

激光焊接具有能量密度高、焊接效率高、热输入量小、焊接变形小、焊接过程中无需直接接触等显著的优点，被认为是21世纪最为先进的材料连接技术之一，获得了广泛的应用。近年来，固体激光器(如光纤激光、碟片激光和nd:yag激光)有了长足发展，这类激光器在材料加工方面的优势也越来越明显。以光纤激光器为例，它具有电光转换效率高、输出功率高、光束质量高、加工柔性高、运行成本低等综合优势，为材料加工提供了一种优质热源。

羽辉是这类激光焊接中一种固有的物理现象，对焊接过程存在明显的负面影响。一方面，羽辉中的微粒对入射激光存在吸收和散射效应，故而明显的减小焊接熔深和影响焊接过程的稳定性。另一方面，这类激光焊接过程蒸发剧烈，孔内喷发羽辉的速度可达250m/s，远高于喷嘴中流向熔池的保护气流速。向上喷发的羽辉对保护气流的扰动势必将影响保护气对熔池的保护效果。因此，控制激光焊接羽辉对焊接过程的负面影响具有重要的科学意义和工程应用价值，包括提高焊接中激光的能量利用率、提高生产效率、提高焊接过程稳定性、降低焊接缺陷的产生、以及提高焊缝成形和熔池保护效果等方面。

利用横向气帘可以吹除羽辉，但熔池上方的高速气流对焊接熔池的扰动，将对焊接过程稳定和熔池保护等方面引入负面影响。采用气管侧吸的方式可以吸走羽辉，但是吸气产生的负压将导致空气流向熔池区域，影响熔池保护。采用真空焊接可以抑制羽辉的产生、且保护效果很好，但真空焊接降低了激光焊接的柔性，且提高了加工成本。激光电弧复合焊接可以通过电弧烧除羽辉、消除羽辉的负面效应，但该方法也降低了激光焊接的柔韧性，且增加了热输入量和扩大了热作用区，将导致焊接接头性能降低和工件热变形增大等问题。为了克服上述问题，本发明提出一种抑制羽辉、同时保护熔池的方法与装置。该方法及装置即可提高激光能量的利用率和焊接效率、改善焊接过程的稳定性，又可保护焊接熔池，且对传统激光焊接的柔韧性没有负面影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于不影响传统激光焊接柔性和加工成本的情况下，提供一种控制羽辉并保护熔池的方法和装置。其中焊接装置包括聚焦激光束、同轴双层喷嘴及抽气系统、保护气系统。工件为焊接对象，羽辉、深熔小孔、焊接熔池和焊缝是在焊接过程中形成；焊接时，激光束作用于工件，抽气装置连接于双层喷嘴的内管；双层喷嘴的内管出口处置于小孔口附近，通过抽气装置给予孔口负压环境，并吸走羽辉；双层喷嘴的外管通以保护气体气流覆盖在焊接熔池上。

本发明采用在常规侧吹保护喷嘴的中心附加小口径内管，形成双层喷嘴。双层喷嘴的内管提供负压并吸走羽辉的方法，净化光束到板面的传输通道，降低羽辉对激光的负面影响，不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可以显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形，且不对熔池保护引入负面影响。一方面，小孔内气压高于大气压，喷嘴内管直径较小，提供的负压(吸气量)有限；可达到内管口负压抵消小孔口孔内蒸气喷发引起的局部高压、并吸走羽辉，同时对外部环境不产生影响或影响较小的目的。另一方面，喷嘴外管提供的保护气流可防止空气中的氧气对熔池产生影响。此外，该方法是在常规侧吹保护喷嘴内部再附加内管，并不影响传统的激光焊接方式，故而充分保持了激光焊接的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种侧置的、同轴双层喷嘴内管吸羽辉和外管通保护气流的激光焊接方法及装置，焊接过程中激光的能量用于熔化工件实现深熔焊接、形成焊缝，抽气装置与双层喷嘴内管连接，内管口置于小孔口上方吸走羽辉，故而减小或消除激光光路中的羽辉，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，同时显著改善焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅。喷嘴的外管通保护气流保护焊接熔池。该方法及装置完整的保持了传统激光焊接的特点。

激光束为固体激光(光纤激光、nd:yag激光和碟片激光)或半导体激光；同轴双层喷嘴与激光光轴的夹角为5°～90°，其轴向与焊接方向的夹角为0°～180°；喷嘴内管内径为0.5mm～3mm，外管内径为4mm～20mm；出口处，沿轴线上内管口比外管口长0.5mm～15mm；内外管口平面可平行于熔池表面，也可垂直于喷嘴轴向，或介于二者之间。抽气装置经双层喷嘴的内管在小孔口附件区域产生的局部气压为1×10^-2pa～1.01×10⁵pa，通过阀门控制。双层喷嘴外管通保护气流量为1l/min～50l/min。可正离焦、负离焦或零离焦焊接；也适用于激光填丝焊和脉冲激光焊接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：双层喷嘴辅助激光焊接时，抽气装置连接内管提供负压，并吸走羽辉；外管通保护气流保护熔池。该方法不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，显著改善焊接过程稳定性和焊缝成形，而且可防止焊缝氧化，提高焊缝保护效果。该方法不改变传统激光焊接的加工柔韧性，充分保持了传统激光焊接的特点。

附图说明

图1为本焊接方法焊接装置示意图。

图2(a)为单保护气流保护激光焊接焊缝表面效果图。

图2(b)为采用本发明焊接焊缝表面效果图。

图3(a)为单保护气流保护激光焊接焊缝横截面效果图。

图3(b)为采用本发明焊接焊缝横截面效果图。

图4(a)为单保护气流保护激光焊接羽辉形态图。

图4(b)为采用本发明焊接羽辉形态图。

图中：1、焊接工件，2、保护气流，3、深熔小孔，4、羽辉，5、激光束，6、聚焦镜，7、激光器，8、光路系统，9、同轴双层喷嘴，10、内管，11、外管，12、抽气管路，13、抽气气阀，14、抽气装置，15、保护气气阀，16、保护气导管，17、保护气瓶，18、熔池和焊缝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

图1为同轴双层喷嘴控制羽辉和保护熔池的激光焊接装置示意图，其中焊接装置包括激光束5、同轴双层喷嘴9(包括内管10和外管11)、提供负压的抽气装置14和提供保护气的气瓶17，其中工件1为焊接对象，深熔小孔3、羽辉4、焊接熔池和焊缝18是在焊接过程中形成的；焊接时，激光束5作用于工件1，双层喷嘴9和激光束5的位置相对固定；负气压和保护气流2分别产生于同轴双层喷嘴的内管10和外管11；焊接过程中激光的能量用于熔化工件1实现深熔焊接小孔3和熔池18，抽气装置14与内管10共同作用，提供负压吸走光路中的羽辉4，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，同时显著改善焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅。由于保护气流2作用于焊接熔池18，有效的保护了熔池18。因此，该方法完整的保持了传统激光焊接的特点、不影响其原有的加工柔性。

激光束5为固体激光(光纤激光、yag激光和disc激光)或半导体激光；同轴双层喷嘴9的内管10与抽气装置14经抽气管路12连接，其压强为1×10^-2pa～1.01×10⁵pa，通过气阀13控制；外管11中通保护气流2，其流量为1l/min～50l/min；同轴双层喷嘴9与激光束5的夹角为5°～90°，其在板面上的投影与焊接方向的夹角为0°～180°；喷嘴内管内径为0.5mm～3mm，外管内径为4mm～20mm；出口处，沿轴线上内管口比外管口长0.5mm～15mm；内外管口平面可平行于熔池表面，也可垂直于喷嘴轴向，或者介于二者之间。

本实施例中，工件为10mm厚的工业纯铁，实验采用的激光器为yls-6000光纤激光器，其波长为1.07μm；保护气体为氩气；焊接工艺参数为：激光功率5kw，焊接速度2m/min，同轴双层喷嘴与光轴的夹角为45°，其在焊接板材表面的投影与焊接方向的夹角为0°。图2(a)为单喷嘴保护气流保护激光焊接焊缝表面效果图，图2(b)为采用本发明所得到的焊缝表面效果图，对比发现采用本发明进行焊接显著提高了焊接过程稳定性，焊缝更窄，焊缝成形改善明显，且提高了焊缝的保护效果；图3(b)为采用本发明所得到的焊缝横截面，在相同的激光功率和焊接速度情况下，焊接熔深比单喷嘴保护光纤激光焊接(见图3(a))的熔深显著提高，而熔宽则缩小。可见，采用本发明能够提高激光的能量利用率和焊接效率，同时保持了传统激光焊接的特点；图4(a)所示为单喷嘴保护光纤激光焊接时所产生的羽辉形态；采用本发明焊接羽辉体积明显减小，特别是光路中羽辉的体积，如图4(b)所示。可见采用本发明喷嘴内管吸走了羽辉，减小羽辉对入射激光的负面影响，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，稳定焊接过程，改善焊缝成形；同时，焊缝的保护效果明显提高。

本发明的熔深可显著提高达30％以上。保护气能采用氦气、氩气和氮气等惰性气体。

以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。