一种气柱辅助激光焊接厚板的方法与流程

本发明涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种气柱辅助激光焊接厚板的方法。

背景技术：

激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度的焊接方法，是激光加工技术应用的重要方面之一，激光技术应用于焊接中极大地推动了焊接技术的发展，激光焊接由于具有焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单等优点，在工业领域得到广泛应用。

激光焊接分为两种模式：激光热传导焊和激光深熔焊接。激光热传导焊类似于钨极氩弧焊，焊接效率较低。激光深熔焊接是采用高能量密度（大于10⁶w/cm²）激光束照射到材料表面，材料快速熔化、汽化，甚至形成等离子体，巨大的材料蒸发汽化压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成“匙孔”，又称为“小孔”，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射，小孔持续维持，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固形成焊缝。

随着近来高功率高亮度激光的商业化应用，使得采用激光单道焊接厚板成为可能。激光深熔焊接类似于电子束焊接，存在小孔效应，焊接小孔沿着焊接方向不断推移，而小孔前沿的熔融金属在金属蒸汽的反冲压力下，形成向两侧、环小孔流淌的侧向金属流，两股侧向金属流在小孔后方汇聚，熔融金属沿焊接反方向流动，随着焊接过程的进行，小孔后方焊接熔池长度不断增大，最长可达数十毫米。随着小孔后方焊接熔池表面温度不断降低，表面张力变大，小孔后方熔池堆积的熔融金属沿焊接方向的流动受阻，从而在焊缝表面冷却形成驼峰。

技术实现要素：

本发明针对激光自熔焊接厚板成形过程中，易出现表面驼峰等焊接缺陷，提供一种气柱辅助激光焊接厚板的方法，具有良好的焊接效果，且工艺简单。

本发明提供一种气柱辅助激光焊接厚板的方法，包括如下步骤：

步骤1、提供需要焊接的第一工件与第二工件，第一工件与第二工件均为不锈钢板。

步骤2、将第一工件和第二工件准确对接与夹紧。

步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器、传输光纤、机械手、通过传输光纤与激光发生器连接且安装于焊接机械手的激光焊接头、保护气喷嘴，激光焊接头、保护气喷嘴能相对工件移动。

步骤4、提供气柱系统，气柱系统包括第一气体喷枪、第二气体喷枪、空气加热器、第一阀门、第二阀门，第一气体喷枪、第二气体喷枪通过固定支架连接在激光焊接头上，空气加热器通过螺纹连接在第二气体喷枪的外圆周上，第一阀门、第二阀门安装在气体喷枪的进气口，第一气体喷枪、第二气体喷枪能相对工件相对移动。

步骤5、启动激光焊接系统，激光束垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一工件和第二工件上。

步骤6、启动气柱系统，惰性气体经专用的喷枪喷射到焊接熔池表面，气体喷枪与激光束同步移动，完成焊接过程。

在其中一实施例中，步骤1中，工件厚度t>12mm。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的激光束激光功率大于10kw，焊接速度为0.3～0.8m/min。

在其中一实施例中，步骤4中，第一气体喷枪、第二气体喷枪通过固定支架连接在激光焊接头上，第一气体喷枪、第二气体喷枪沿着焊接方向串行排列。

在其中一实施例中，步骤4中，气柱系统中，第一气体喷枪轴线和激光焊接头聚焦形成的激光束中心线之间距离d1为3～6mm，第二气体喷枪轴线和第一气体喷枪轴线的距离d2为5～7mm。

在其中一实施例中，第一气体喷枪和第二气体喷枪的喷嘴到工件表面的垂直距离h1均为2～5mm。

在其中一实施例中，步骤4中，气柱系统中，第一气体喷枪、第二气体喷枪喷射的气体为惰性气体，如氩气。

在其中一实施例中，步骤4中，气柱系统中，第一气体喷枪、第二气体喷枪喷射的惰性气体垂直于工件上表面喷向焊接熔池。

在其中一实施例中，步骤4中，气柱系统中，第一阀门、第二阀门控制气流量大小，第一气体喷枪、第二气体喷枪喷射的气流量分别为10～15l/min，5～8l/min。

在其中一实施例中，步骤4中，空气加热器用于加热第二气体喷枪喷射的惰性气体。

在其中一实施例中，步骤4中，第一气体喷枪和第二气体喷枪出口直径d均为0.8～1.2mm。

本发明的有益效果是：

1）在本发明中，采用气柱系统喷射的惰性气体作用于焊接熔池，使焊接熔池产生预期的变形，改变了焊接熔池表面张力大小与分布，依据马兰戈尼效应，使得小孔后沿熔融金属向后流动变为向焊接深度方向流动，小孔后沿的焊接熔池变短变深，进而有效避免了焊缝表面驼峰和钉子头焊缝的产生。

2）在本发明中，采用加热的惰性气体作用于焊接熔池，对焊接熔池表面具有保护和保温作用，可以防止焊接熔池表面过早凝固，减小表面张力使焊接熔池回流铺展，进一步避免了焊缝表面驼峰的形成。

附图说明

图1是本发明实施例一种气柱辅助激光焊接厚板的方法所涉及的设备与工作布置示意图。

图2是图1所示方法中焊接区纵截面示意图。

图3是表面驼峰形成时激光焊接熔池纵截面示意图。

图4是单个气体喷枪示意图。

图5是单个空气加热器示意图。

其中：1-第一工件，2-第二工件，3-激光发生器，4-传输光纤，5-机械手，6-激光焊接头，7-固定支架，8-保护气喷嘴，9-激光束，10-第一气体喷枪，11-第一阀门，12-第二阀门，13-第二气体喷枪，14-空气加热器，15-小孔，16-第一气柱小孔，17-第二气柱小孔，18-焊接熔池，19-凝固的焊缝，20-焊接熔池流动方向。

具体实施方式

以下将结合附图以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1-4所示，本发明实施例提供了一种气柱辅助激光焊接厚板的方法包括如下步骤。

步骤1、提供需要焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2均为不锈钢板。

可选的，工件厚度t>12mm。

步骤2、将第一工件1和第二工件2准确对接与夹紧。

步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器3、传输光纤4、机械手5、通过传输光纤4与激光发生器3连接且安装于焊接机械手5的激光焊接头6，保护气喷嘴8、激光焊接头6能相对工件移动。

可选的，激光焊接头6聚焦形成的激光束9激光功率为10kw，焊接速度为0.5～0.8m/min，激光功率密度10⁵～10⁶w/cm²。

步骤4、提供气柱系统，气柱系统包括第一气体喷枪10、第二气体喷枪13、空气加热器14、第一阀门11、第二阀门12，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13通过固定支架7连接在激光焊接头6上，空气加热器14通过螺纹连接在第二气体喷枪13的外圆周上，第一阀门11、第二阀门12分别安装在第一气体喷枪13和第二气体喷枪10的进气口，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13能相对工件相对移动。

可选的，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13通过固定支架7连接在激光焊接头6上，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13沿着焊接方向串行排列。

可选的，气柱系统中，第一气体喷枪10轴线和激光焊接头6聚焦形成的激光束9中心线之间距离d1为3～6mm，第二气体喷枪13轴线和第一气体喷枪10轴线的距离d2为5～7mm。

可选的，第一气体喷枪10和第二气体喷枪13的喷嘴到工件表面的垂直距离h1均为2～5mm。

可选的，气柱系统中，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13喷射的气体为惰性气体，如氩气。

可选的，气柱系统中，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13喷射的惰性气体垂直喷向焊接熔池18上表面。

可选的，气柱系统中，第一阀门11、第二阀门12控制气流量大小，第一气体喷枪10、第二气体喷枪13喷射的气流量分别为10～15l/min，5～8l/min。

可选的，空气加热器14主要用于加热第二气体喷枪13喷射的惰性气体。

可选的，第一气体喷枪10和第二气体喷枪13出口直径d均为0.8～1.2mm。

步骤5、启动激光焊接系统，激光束9垂直辐射工件上表面，激光束9聚焦光斑大小平均分布在第一工件1和第二工件2上。

步骤6、启动气柱系统，惰性气体经专用的喷枪喷射到焊接熔池18表面，气体喷枪与激光束9同步移动，完成焊接过程。

在本发明中，采用气柱系统喷射的惰性气体作用于焊接熔池18，使焊接熔池18产生预期的变形，改变了焊接熔池18表面张力大小与分布，依据马兰戈尼效应，使得小孔15后沿熔融金属向后流动变为向焊接深度方向流动，小孔15后沿的焊接熔池18变短变深，进而有效避免了焊缝表面驼峰和钉子头焊缝的产生。

在本发明中，采用加热的惰性气体作用于焊接熔池18，对焊接熔池18表面具有保护和保温作用，可以防止焊接熔池18表面过早凝固，减小表面张力使焊接熔池18回流铺展，进一步避免了焊缝表面驼峰的形成。