一种基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法与流程

本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法。

背景技术：

激光焊接具有高能量密度、能量可精确控制、焊接单位热输入量低、焊缝深宽比大、焊接变形小等优势，被誉为21世纪最先进的焊接技术之一。目前，激光焊接已广泛用于航空、航天、核能、电子等多个领域，涉及到众多大、中、小型薄壁壳体的焊接和各类容器的焊封，涉及的精密产品的连接可靠性要求高。

随着激光器束流品质的不断发展，激光束斑过小对焊接接头的制造和装配提出了很高的精度要求，即使这样也容易造成某些精密件的焊封效果差，产品合格率低。另外一方面激光器束流品质的提升也造成了束斑能量过于集中，在激光深熔焊接过程中小孔蒸发剧烈和熔池震荡严重，造成激光焊接表面成形质量较差，咬边和凸凹不平时有发生。因此对提升激光焊接焊缝表面质量和密封性能的激光修饰焊接提出了迫切需求。

现有的激光修饰焊接均是采用激光离焦焊接进行的，这种方式存在明显的不足，一是在焊宽方向上仍是近高斯的能量分布，使得修饰焊接时仍是焊缝中心修饰能量大，而焊缝两侧修饰的能量小，无法达到切实修复咬边等边沿缺陷和提高焊封性能的目的，二是激光离焦后采用热导焊焊接其熔宽明显小于深熔焊的焊宽，无法达到修复整条焊缝的要求。因此，当前亟需发展一种基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法。

本发明的基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法，其特点是：所述的焊接方法包括以下步骤：

a.使用激光器通过聚焦镜焊接待焊金属工件，得到焊缝ⅰ；

b.将聚焦镜的镜头更换为积分镜，激光器的发射激光经所述的积分镜后的出射激光的激光束斑能量分布为近矩形，矩形的宽度为l1，矩形的高度为l2，l1≥l2；

c.出射激光继续沿焊缝ⅰ进行激光修饰焊接得到焊缝ⅱ。

所述的激光器为co2气体激光器、nd:yag激光器或光纤激光器中的一种。

所述的待焊金属工件的材料为不锈钢、碳钢、铝合金或钛合金中的一种。

所述的步骤a、c焊接时的焊接接头形式为插接、对接或搭接中的一种。

所述的步骤a、c焊接时的保护气体为氦气、氩气、氮气或氦气氩气混合气体中的一种。

本发明的基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法是一种新型的激光修饰焊接方法，该焊接方法将激光能量在焊宽方向上的高斯分布展宽为近平均能量分布，实现了在原焊宽范围或更宽范围内的修饰焊，修复了原激光焊道的表面或近表面的咬边、凹坑、凸点、表面/近表面气孔等缺陷，提高了激光焊接的焊接质量和密封性能，避免了激光离焦修饰焊接时激光能量无法充分利用的不足，提升了激光焊封质量，具有广阔的推广价值。

附图说明

图1为本发明的基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法中的积分镜前后激光能量分布示意图；

图2为激光修饰焊接前的焊缝表面形貌的扫描电镜图；

图3为激光修饰焊接前的焊缝横截面的光学显微镜图；

图4为激光修饰焊接前的焊缝表面形貌的扫描电镜图；

图5为激光修饰焊接前的焊缝横截面的光学显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

本发明的基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法，其特点是：所述的焊接方法包括以下步骤：

a.使用激光器通过聚焦镜焊接待焊金属工件，得到焊缝ⅰ；

b.将聚焦镜的镜头更换为积分镜，激光器的发射激光经所述的积分镜后的出射激光的激光束斑能量分布为近矩形，矩形的宽度为l1，矩形的高度为l2，l1≥l2；

c.出射激光继续沿焊缝ⅰ进行激光修饰焊接得到焊缝ⅱ。

所述的为co2气体激光器、nd:yag激光器或光纤激光器中的一种。

所述的待焊金属工件的材料为不锈钢、碳钢、铝合金或钛合金中的一种。

所述的步骤a、c焊接时的焊接接头形式为插接、对接或搭接中的一种。

所述的步骤a、c焊接时的保护气体为氦气、氩气、氮气或氦气氩气混合气体中的一种。

实施例1

a.使用co2气体激光器通过聚焦镜焊接待焊的hr-2不锈钢导管组件，采用氩气作熔池保护气，得到焊缝ⅰ。该待焊金属工件的接头形式为插接接头，其中导管为φ4×1，接头外径为φ8；所采用的聚焦镜头为普通的cu聚焦反射镜，焦距为150mm；待焊接的金属工件为hr-2不锈钢，其化学成分(wt%)如下:c≤0.045%，si≤1.00%，mn≤8~10%，p≤0.015%，s≤0.035%，ni=5.5~8.0%，cr=19~21.5%，n=0.2~0.36%。，其余为fe和不可避免的杂质。

b.将聚焦镜的镜头更换为积分镜，激光器的发射激光经所述的积分镜后的出射激光的激光束斑能量分布为近矩形（图1），矩形的宽度为l1=2mm，矩形的高度为l2=1mm，该积分镜的材料为cu，焦距为150mm，入射光口径为φ19mm。

c.然后采用更换的积分镜，出射激光继续沿焊缝ⅰ进行激光修饰焊接得到焊缝ⅱ。采用氩气作熔池保护气，采用co2气体激光器作为激光源进行激光修饰焊接，激光模式为脉冲模式，脉冲频率50hz，脉冲占空比20%，激光功率p=1.4kw，焊接速度v=0.2m/min，离焦量f=0mm，激光焊接起焊角度10°,正式焊角度365°和收弧角度30°。

修饰焊接后对焊缝表面形貌和接头的密封性能进行检测。焊前的凹坑、咬边和飞溅点等表面缺陷（图2），经修饰焊接后，焊缝表面均匀平整（图4），焊缝表面缺陷得到了修复。焊接前深熔焊深而窄的焊缝（图3），经过修饰焊接后，焊缝上部焊宽明显增加，导管部位和接头部位均达到了有效连接（图5）。通过对导管组件充氦气至3mpa，采用氦检漏仪进行气密性检查，以漏率小于1.5×10^-9pa.m³/s为检测标准，进行100件的批量试验，结果发现修饰焊后检漏合格率从67%提高到100%，提高了构件的密封性能，避免了因找正不良或加工、装配误差焊偏而导致的构件泄露现象。

本实施例的激光器还可以变更为nd:yag激光器或光纤激光器。

本实施例的待焊金属工件的材料还可以为碳钢、铝合金或钛合金。

本实施例的步骤a、c焊接时的焊接接头形式还可以为对接或搭接。

本实施例的步骤a、c焊接时的保护气体为氦气、氮气或氦气氩气混合气体。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于束斑能量分布调控的激光修饰焊接方法，所述的焊接方法将激光能量在焊宽方向上的高斯分布展宽为近平均能量分布，实现了在原焊宽范围或更宽范围内的修饰焊，修复了原激光焊道的表面或近表面的咬边、凹坑、凸点、表面/近表面气孔等缺陷，提高了激光焊接的焊接质量和密封性能，避免了激光离焦修饰焊接时激光能量无法充分利用的不足，提升了激光焊封质量，具有广阔的推广价值。

技术研发人员：沈显峰;滕文华;张伟超;雷华东;王亚荣
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所
技术研发日：2017.05.02
技术公布日：2017.08.18