一种激光镜像焊接方法与流程

本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种激光镜像焊接方法。

背景技术：

激光焊接技术具有焊接效率高，焊缝成形性好、焊接能量集中、热影响区窄、焊后残余应力低、气密性好等优点在航空航天领域被广泛应用。但是当焊接厚度较大时，为了达到较大的熔深需要很大的热输入，而过大的热输入导致焊件变形增大，残余应力增加，严重的会导致热裂纹倾向增大，产生较多裂纹，导致焊件失效。目前比较常用的双面焊有双面电弧焊、激光-电弧双面焊、激光双面焊接(不同步)，但由于双面电弧焊焊缝较宽、熔深较小；激光-电弧双面焊熔池不对称，激光侧熔池形状深而细，电弧侧熔池形状浅而大；激光双面焊接(不同步)得到的焊缝中熔池不贯通，并且当激光焊完其中一面时，焊缝背面容易因焊接变形导致间隙增大，影响焊接质量甚至出现无法焊接的情况。

因此，在对平板进行焊接时，现有的焊接方法在焊接变形、焊后残余应力、焊缝熔深等方面均存在一定的不足，这些不足在单热源单侧焊接中显得尤为明显，因而亟需一种能够增大熔深、减小变形、减小残余应力的激光焊接方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的激光焊接中焊接质量不够高、焊后变形较大、焊后残余应力较大等缺陷，提出一种激光镜像焊接方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种激光镜像焊接方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

第一步：对需要焊接的平板进行焊接区域局部清洗，若平板表面有氧化层，需要对氧化层进行处理。

第二步：利用相同材料的平板进行单侧激光焊接参数摸索实验，得到熔深为板厚三分之一时的激光功率，并且确定合适的激光入射角度。

第三步：将需要焊接的平板在水平放置的情况下进行点焊预固定，保证两块板直接装备间隙小于0.15mm。

第四步：将点焊预固定后的对接试板进行垂直于水平面位置的装夹。

第五步：调节焊接机器人位置，使得激光焊接头位于对接试板两侧对称位置，并进一步调整激光焊接头的位置，使得激光束的焦点位于平板对接的对接处。

第六步：通过机器人联动系统控制两个激光头同时出光，并且以相同的速度、方向同步开始焊接。

在焊接时，为了保证两束激光可以相汇聚形成贯通熔池，需要保证两束激光的同步。为了保证实验的安全性，需要对激光入射角度进行一定偏转。激光入射角度的范围为与试板夹角0到180°之间。焊接过程中，在焊缝的外侧对已焊接的位置吹送可冷却该位置并防止其被氧化的保护气体。此外，熔池为液态金属受到重力的因素会向下板流淌，为了获得较好的焊缝成形，将保护气位置调整至由下向上吹。焊接过程中两束激光时刻保持同步，但两束激光的功率可以相等也可以不相等。通过改变焊接过程中的焊接位置，实现四种不同位置下的焊接，分别为横焊、向上立焊、向下立焊、平焊+仰焊。

所述的一种激光镜像焊接方法采用激光焊接，包括激光填丝焊接和激光不填丝焊接。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的激光镜像焊接方法，不仅能够有效解决为达到较大熔深而增大热输入导致焊缝质量下降的问题，还能够保证焊后变形较小，同时还减小了焊后残余应力，有助于提高焊件的成品率以及焊件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的激光镜像焊接方法的示意图。

图2为本发明中的焊接前后焊缝区域的变化示意图。

图中：1-12kw激光器、2-激光焊接头、3-分光器、4-平板、5-双保护气管、6-双激光束、7-专用夹具、8-工作平台、9-装配间隙、10-贯通熔池。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参考图1、2所示，本发明的激光镜像焊接方法包括12kw激光器1、激光焊接头2、分光器3、平板4、双保护气管5、双激光束6、专用夹具7、工作平台8、装配间隙9和贯通熔池10。

由激光器1产生的激光通过分光器3分为功率相等的两束激光，并传输至激光头2。分别从两个激光头射出激光束6。两束激光的入射角度应关于焊件镜像对称。但应当理解，本发明中，两束激光的激光入射角度只要关于焊件镜像对称即为镜像焊接范畴，激光束与焊件的角度可以改变，并且不影响该镜像焊接的实施。其中，分光器3可以根据实际焊接需求分配并调节两束激光所占总激光功率的能量比。

第一步：由于大多数材料表面存在氧化层，氧化层的存在会影响焊接质量，降低性能，因此对需要焊接的平板4进行焊接区域局部清洗，根据氧化层情况确定清洗方式为机械打磨或者化学清洗、再用酒精擦拭并烘干。

第二步：采用相同材料、相同规格的平板4进行单侧激光焊接参数摸索实验，逐渐调节激光功率，当单侧激光焊接熔深达到板厚三分之一时，初步确定该参数为镜像焊接参数；并且根据实际的焊接需求确定合适的激光入射角度。

第三步：首先将需要焊接的平板在水平装夹下进行点焊预固定，采用正式焊接功率三分之一的连续激光或脉冲激光进行点焊。根据实际需要，选择单面点焊或者双面点焊，保证点焊后两块平板之间的间隙小于0.15mm。

第四步：利用专用夹具7将点焊预固定后的对接平板4垂直于工作台8装夹。

第五步：调节焊接机器人位置，使得激光焊接头2位于对接平板4两侧对称位置，并进一步微调激光焊接头2的位置，使得激光束的焦点位于平板对接的对接处。

第六步：激光器1产生的激光通过分光器3分为功率相等的两束激光，并传输至激光头2，同时从两个激光头射出功率相等的激光束6。并且通过机器人联动系统控制两个激光头以相同的速度、方向同步开始焊接。在焊接时，为了双激光束6可以相汇聚形成贯通熔池，对双激光束6的同步性有很高的要求。为了保证实验的安全性，需要对双激光束6进行一定偏转。激光入射角度的范围为与试板夹角0到180°之间。焊接过程中，双保护气管5在焊缝的外侧对已焊接的位置吹送可冷却该位置并防止其被氧化的保护气体。此外，熔池为液态金属受到重力的因素会向下板流淌，为了获得较好的焊缝成形，将保护气位置调整至由下向上吹。焊接过程中两束激光时刻保持同步，但两束激光的功率可以根据实际焊接需求选择合适的能量配比。通过改变焊接过程中的焊接位置，实现四种不同位置下的焊接，分别为横焊、向上立焊、向下立焊、平焊+仰焊。

焊接过程示意图如图2所示，原先的装配间隙9在两个激光束6的作用下形成贯通熔池10。当两束激光6运动到焊缝末端时，激光头2停止出光，完成镜像焊接。所述的一种激光镜像焊接方法采用激光焊接，包括激光填丝焊接和激光不填丝焊接。

实施例1

第一步：选择厚度为6mm的2219铝合金材料进行试验，铝合金材料表面存在致密氧化层，氧化层的存在会影响焊接质量，降低性能，因此对2219平板4进行焊接区域局部清洗，采用机械打磨的方式将氧化成去除，再用酒精擦拭并烘干。

第二步：采用相同规格的2219平板4进行单侧激光焊接参数摸索实验，逐渐调节激光功率至2000w时，单侧激光焊接熔深达到板厚三分之一时，初步确定该参数为镜像焊接参数；并且确定合适的激光入射角度为5°。

第三步：首先将需要焊接的平板在水平装夹下进行点焊预固定，采用770w的连续激光点焊。根据实际需要，选择双面点焊，焊后测量两块板之间的间隙为0.1mm。

第四步：利用专用夹具7将点焊预固定后的2219对接平板4垂直于工作台8装夹。

第五步：调节焊接机器人位置，使得激光焊接头2位于对接平板4两侧对称位置，并进一步微调激光焊接头2的位置，使得激光束的焦点位于平板对接的对接处。

第六步：激光器1产生的激光通过分光器3分为两束功率为2000w的激光，并传输至激光头2，同时从两个激光头射出激光束6。并且通过机器人联动系统控制两个激光头以1.8m/min的速度、同方向开始焊接。在焊接时，为了双激光束6可以相汇聚形成贯通熔池，对双激光束6的同步性有很高的要求。为了保证实验的安全性，需要对双激光束6进行一定偏转。激光入射角度为与试板夹角5°。焊接过程中，双保护气管5在焊缝的外侧对已焊接的位置吹送可冷却该位置并防止其被氧化的保护气体，保护区流量为15l/min。此外，熔池为液态金属受到重力的因素会向下板流淌，为了获得较好的焊缝成形，将保护气位置调整至由下向上吹。通过改变焊接过程中的焊接位置，实现四种不同位置下的焊接，分别为横焊、向上立焊、向下立焊、平焊+仰焊，本实施例中选用的焊接位置为横焊。焊后得到的焊缝成形良好，具有贯通熔池，残余应力较小且焊接变形也更小。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。