一种激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法及装置与流程

本发明属于焊缝缺陷抑制领域，更具体地，涉及一种激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法及装置。

背景技术：

焊缝背面驼峰缺陷是激光焊接过程中的常见缺陷，焊缝背面驼峰缺陷指激光焊接焊缝背面成形不均匀，出现间歇性下塌，焊缝背面成形呈驼峰状。在驼峰缺陷形成的同时，由于熔化金属在驼峰处的聚集，还会导致焊缝下凹、咬边及未熔合等缺陷的产生，严重影响接头的性能和寿命，激光焊接的驼峰缺陷已成为限制其应用的重要工艺障碍。

驼峰缺陷的产生与熔池的受力状态和流动行为密切相关。在激光焊接过程中，由于存在激光热作用造成的材料熔化、气化及等离子体化等物理过程，导致熔池受到重力、熔体流动冲击力、羽辉喷发反作用力及表面张力等多种力的动态作用，其中，熔池重力、熔体流动冲击力和羽辉喷发反作用力等力的作用会促进熔化金属向焊缝背面流动，而熔池背面的表面张力则会阻碍熔化金属向焊缝背面流动，而当熔池背面的表面张力不足以持续平衡熔池重力、熔体流动冲击力及羽辉喷发反作用力等力的作用时，就会间歇性地产生熔化金属向焊缝背面流动并聚集凝固的现象，导致驼峰缺陷的形成。

因此，如何有效调控焊接过程熔池的受力状态和流动行为是驼峰缺陷抑制的关键。目前，现有的驼峰缺陷抑制方法主要包括真空辅助焊接法和电磁辅助焊接法：真空辅助焊接法即在真空环境下进行激光焊接，该条件下一方面熔池的重力显著减小，另一方面光致羽辉的数量大幅降低使得其对熔池的反作用力也显著减小，上述两方面因素的共同作用抑制了熔池向焊缝背面的流动，进而抑制驼峰缺陷的产生；电磁辅助焊接法通过对待焊工件通电并外加磁场形成作用于熔池的洛伦兹力，补偿熔池背面表面张力的不足，维持熔池的受力平衡，抑制熔池向焊缝背面的流动，进而抑制驼峰缺陷的产生。

但是真空辅助焊接法需要真空环境才能实现驼峰缺陷的抑制，导致其焊件结构和尺寸受真空室环境限制、成本较高，难以满足工业生产的实际需求；电磁辅助焊接法需要在外加电场和磁场环境的协同作用下才能实现驼峰缺陷的抑制，其工艺与设备复杂、电磁输出稳定性控制困难，亦难以满足工业生产的实际需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法及装置，其目的在于，通过外加横吹气流抑制驼峰缺陷的新方法，无需真空和电磁等辅助环境和设备，仅依靠在熔池上方外加横吹气流即可达到改善熔池受力状态和流动行为、抑制驼峰缺陷产生的目的，为激光焊接驼峰缺陷的抑制提供一种简单实用的新方法，可适应工业生产的实际需求。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法，包括如下步骤：

激光焊接时，在熔池上方外加横吹气流，使熔池上方和下方因伯努利效应形成压强差，产生的差压力作用于熔池，从而抑制熔池向焊缝背面的流动，进而抑制焊缝背面驼峰缺陷的产生。

作为进一步优选的，通过控制熔池上方横吹气流的作用位置和喷出速度，调整熔池上方与下方的压强差。

作为进一步优选的，所述横吹气流方向与工件焊接面平行，横吹气流的喷出速度不大于150m/s。

作为进一步优选的，所述横吹气流采用压缩空气、氦气或氩气。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法的装置，包括气流喷嘴，该气流喷嘴上部和下部分别设置有一个调节片，通过调整上部调节片和下部调节片间的距离，实现对气流加载位置和速度的有效控制，进而抑制焊缝背面驼峰缺陷的产生。

作为进一步优选的，所述上部调节片和下部调节片间调整前的距离为10mm，可调整的范围为0mm～10mm。

作为进一步优选的，所述调节片采用金属材料制成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过外加横吹气流抑制驼峰缺陷的新方法，在无需真空和电磁等辅助环境和设备，仅依靠在熔池上方外加横吹气流并通过调整气流加载位置和速度等参数，即可达到改善熔池受力状态和流动行为、抑制驼峰缺陷产生的目的，为激光焊接驼峰缺陷的抑制提供一种成本低廉、工艺简单、过程稳定、质量可靠、适应性强的工艺方法，以适应工业生产的实际需求，极大程度地提升激光焊接的质量和效率。

2.本发明方法与真空辅助焊接法相比，该方法具有焊接结构和尺寸适应性强、成本低廉等优势；与电磁辅助焊接法相比，该方法具有工艺与设备简单、可控性好等优势。

3.本发明的气流发生装置对气流吹出位置和速度均可调可控，可对熔池产生不同程度的伯努利效应，以满足不同焊接工况和工艺条件下的驼峰缺陷抑制需求。

4.本发明调节片采用金属材料制成，以保证其耐用性；同时对上下的金属片间调整前的距离进行设置，使其可调整的范围较广，易于形成不同的气流速度和覆盖面积，保证驼峰缺陷抑制效果。

附图说明

图1为本发明实施例激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法原理图；

图2为本发明实施例激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制装置结构示意图；

图3为图2的右视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种激光焊接焊缝背面驼峰缺陷抑制方法，如图1所示，包括如下步骤：

激光焊接时，无需真空和电磁等辅助环境和设备，仅需在熔池上方外加高速横吹气流，使熔池上方和下方因伯努利效应(即流体速度加快时，物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加)形成压强差，产生的差压力作用于熔池，从而抑制熔池向焊缝背面的流动，进而抑制焊缝背面驼峰缺陷的产生。

具体的，因为焊接过程中熔池所受的重力、熔体流动冲击力、金属蒸汽反冲压力等的具体值都是波动且不可测得的，因此只能通过不断调整气流位置和速度等参数，去匹配不同焊接工况，找到可以保证熔池受力平衡的气流参数，才能抑制缺陷产生。故本发明根据熔池所受重力、冲击力及羽辉反作用力的大小改变气流喷嘴的空间位置、气流量以及喷嘴面积参数，从而控制熔池上方横吹气流的作用位置和喷出速度，进而调整熔池上方与下方的压强差及其对熔池产生的差压力大小，以补偿熔池表面张力的不足，平衡熔池重力、熔体流动冲击力及羽辉喷发反作用力等力的作用，抑制熔池向焊缝背面的流动，形成可满足不同工艺条件下熔池受力状态和流动行为调控需求的气流控制策略，实现不同工艺条件下焊缝背面驼峰缺陷的有效抑制。

进一步的，所述横吹气流方向与工件焊接面平行，横吹气流的喷出速度不大于150m/s。

进一步的，所述横吹气流采用压缩空气、氦气或氩气。

由于在不同焊接工况和工艺条件下，熔池所受重力、熔体流动冲击力及羽辉喷发反作用力等力的作用不同，因此，为保证本方法具有良好的工况和工艺适应性，通过外加高速横吹气流伯努利效应产生的差压力需要具有良好的可调性与可控性，为此，本发明还设计一种特制气流喷嘴，该气流喷嘴内上部和下部分别设置有一个调节片，通过调整上部调节片和下部调节片间的距离，实现对气流加载位置和速度的有效控制，从而对熔池产生不同程度的差压力作用，保证方法的适应性和可靠性。

具体的，如图2和图3所示，分别为图1中喷嘴的正视图和右视图，喷嘴为方形，由四个金属片组成，相当于把方形喷嘴前端的四条棱割开，左右的金属片不可调节，上下的金属片可调节，通过对上下的金属片施加外力使其发生形变，从而改变金属片间的距离，进而改变喷口的面积和气体喷出的速度。

进一步的，上下的金属片间调整前的距离为10mm，可调整的范围为0mm～10mm，具体根据实际焊接过程中的熔池大小进行设计调整，从而形成不同的气流速度和覆盖面积，保证驼峰缺陷抑制效果；金属片的材料为钢、铝、铜等均可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。