一种轴向点环多焦点激光焊接方法

本发明属于激光焊接，更具体地，涉及一种轴向点环多焦点激光焊接方法。

背景技术：

1、铝合金、镁合金、钛合金等轻合金中厚壁构件具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在轨道交通、航空航天、船海工程等领域得到广泛应用。相较于传统的电弧焊和电子束焊接方法，激光束焊接具有能量密度高、熔合宽度窄、热影响区小、焊接效率高、对焊接环境要求少等优点，为轻合金中厚壁构件焊接提供了有效手段。在中厚板轻合金高功率焊接过程中，激光束作用于工件表面产生巨大的蒸汽反冲压力，形成细长小孔，由于轻合金板材自身物性参数、焊接过程失稳及板厚影响，导致焊缝气孔缺陷严重，显著降低焊接接头的力学性能。因此，开发合适的焊接工艺、抑制焊缝气孔缺陷、提高接头力学性能是亟待解决的关键问题。

2、针对上述问题，已有研究表明，采用激光搅拌焊接工艺，通过对熔池的快速搅拌作用，将产生的气泡搅拌至小孔下方，实现小孔与气泡重熔，从而降低焊缝中气孔缺陷。然而，该方法并未从源头上解决气泡生成，而且，由于能量的分散，导致形成小孔需要更大的能量热输入，也会导致焊缝侧偏。也有部分学者采用可调环形光束焊接工艺，通过保持小孔开口打开的时间，从而稳定小孔。但是，此类研究多用于解决轻合金薄板或不锈钢厚板的飞溅和气孔问题，尚未应用于解决轻合金中厚板激光焊接小孔失稳导致气孔缺陷频发的现象。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，旨在解决中厚板轻合金高功率激光焊接过程小孔易失稳致使焊缝气孔缺陷严重的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，包括：

3、将激光器发射出的点环激光束通过光学元件进行多焦点激光整形，使得整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，且中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠；其中，所述点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成；所述环光束焦平面与合束面之间的距离小于熔深；

4、采用整形后的激光束进行焊接。

5、进一步地，在焊接过程中，当中心光束作用于待焊工件时产生小孔，中心光束焦平面中心光斑熔化桥接熔融金属层以贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，合束面光斑维持熔深。

6、进一步地，以环光束焦平面为基准面，进行零离焦设置。

7、进一步地，通过一面非球面反射镜进行多焦点激光整形。

8、进一步地，中心光束与环光束的能量均呈高斯分布。

9、进一步地，焊接前，对待焊工件表面进行打磨，去除氧化层，并擦拭已打磨完毕的待焊工件，去除油污、表面残留物；将待焊工件固定在焊接平台上，逆时针偏转焊接头，使其与焊接平面垂直方向成0°～15°夹角，并进行焊接路径设置。

10、进一步地，以堆焊形式进行焊接，且以99.99％的氩气作为焊接保护气体。

11、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

12、相比于传统焊接方法中，点环激光束的中心光束焦平面、环光束焦平面、合束面通常是重合的情况，本发明中点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成，且通过光学元件整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠。如此，通过合束面光斑维持熔深，中心光束焦平面中心光斑贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，可有效降低高功率激光焊接小孔坍塌频率，稳定焊接过程，抑制焊缝气孔缺陷。

技术特征：

1.一种轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，当中心光束作用于待焊工件时产生小孔，中心光束焦平面中心光斑熔化桥接熔融金属层以贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，合束面光斑维持熔深。

3.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，以环光束焦平面为基准面，进行零离焦设置。

4.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，通过一面非球面反射镜进行多焦点激光整形。

5.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，中心光束与环光束的能量均呈高斯分布。

6.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，焊接前，对待焊工件表面进行打磨，去除氧化层，并擦拭已打磨完毕的待焊工件，去除油污、表面残留物；将待焊工件固定在焊接平台上，逆时针偏转焊接头，使其与焊接平面垂直方向成0°～15°夹角，并进行焊接路径设置。

7.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，以堆焊形式进行焊接，且以99.99％的氩气作为焊接保护气体。

技术总结
本发明公开了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。相比于传统焊接方法中，点环激光束的中心光束焦平面、环光束焦平面、合束面通常是重合的情况，本发明中点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成，且通过光学元件整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠。如此，通过合束面光斑维持熔深，中心光束焦平面中心光斑贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，可有效降低高功率激光焊接小孔坍塌频率，稳定焊接过程，抑制焊缝气孔缺陷。

技术研发人员：蒋平,杨露,耿韶宁,秦应雄,李硕,王建庄
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13