降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法

摘要

本发明提供了一种降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法，降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法包括以下步骤：步骤1、使激光在起弧端沿母材的法线入射，并使该激光在焊接方向行进第一设定距离，随后在第一设定时间内改变该激光的入射方向，使该激光的入射方向与焊接方向之间呈钝角；步骤2、在该收弧端，该激光在沿该焊接方向行进第二设定距离内改变入射方向，使该激光的入射方向与焊接方向呈锐角。上述方法可以达到提高激光焊接可靠性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体是一种降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法。

背景技术

目前激光焊接通常采用的方式有：热导焊与深熔焊。激光深熔焊接是在高密度的 光子束轰击的情况下，金属熔化，随着能量的持续输入，部分金属被电离，进而产生 了金属蒸汽，高密度的金属蒸汽瞬间以超音速的速率向四周喷射，因此产生了巨大的 反冲力，形成激光深熔焊接的“小孔”。其中，在熔透的情况下，金属蒸汽可以增加 一个向焊缝背面喷射的出口，因而金属蒸汽团在“小孔”中密集程度会随着背宽比(焊 缝正面与背面宽度之比)增大而增大，但是在非熔透的激光深熔焊接中，这种喷射方 式导致“小孔”中的部分金属蒸汽无法线焊缝背面喷射而积聚于“小孔”的根部，并 且随着焊接进行，“小孔”不断向前推移，部分金属蒸汽因得不到及时的逸出而形成 焊接缺陷。

通常情况下，激光深熔焊接主要采用以下两种方法：其一，为了尽可能的增加激 光的吸收率，焊接过程中全程采用激光垂直工件表面技术；其二，为了降低激光的反 射，保护激光设备，而采用全程激光倾斜入射的方式。

实际中，采用这两种工艺来焊接，若其截面宏观形貌表现为未焊透特征、表面未 焊透的堆焊、多道窄间隙焊接以及背宽比(正面焊缝宽度与背面焊缝的宽度之比)大 于1:1全熔透焊接等，其起弧和收弧的焊缝根部均表现为的气孔率偏大，有的甚至呈 现链状气孔，不能满足焊接接头标准，达不到焊接结构力学以及结构完整性的要求。

现有技术的缺点：1、现有技术中激光深熔焊接在起弧和收弧时，基本保持激光 与待焊母材呈相互垂直状态分布或与焊接过程一样保持同样的倾斜角度，因此宏观上 深熔焊接的“小孔”与母材也呈同样分布状态，因此在母材未被焊透的情况下，“小 孔”内部的金属蒸汽会强烈的喷射而大量逸散，但是对于根部的蒸汽逸散会受到半固 态的熔池的阻碍而难以逸出，因此在焊接过程中一旦形成此类蒸汽团，就会大大增加 焊接接头中会残留下来形成气孔缺陷的可能性。

2、激光深熔焊接过程中，起弧端与收弧端接头根部气孔缺陷的存在会对接头形 成不连续基体，因此会造成接头中明显的应力集中，进而会造成接头动载力学性能的 大大降低。

3、激光全程垂直的深熔焊接增大了焊缝收弧端出现气孔的可能性，全程倾斜会 因收弧端熔池金属来不及回填而导致“缺肉”，因此就会导致微裂纹的产生。

发明内容

为了克服现有技术中的激光焊接在起弧端和收弧端存在气孔和微裂纹的缺陷，本 发明提供了一种降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法，达到提高激光焊接可靠性的目 的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种降低起弧和收弧缺陷的激光焊 接方法，降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法包括以下步骤：步骤1、使激光在起弧 端沿母材的法线入射，并使该激光在焊接方向行进第一设定距离，随后在第一设定时 间内改变该激光的入射方向，使该激光的入射方向与焊接方向之间呈钝角；步骤2、 在该收弧端，该激光在沿该焊接方向行进第二设定距离内改变入射方向，使该激光的 入射方向与焊接方向呈锐角。

进一步地，步骤1包括：第一设定时间为0.05S。

进一步地，步骤1包括：钝角为100°至120°。

进一步地，步骤1包括：钝角为100°至110°。

进一步地，步骤2包括：在第二设定时间内改变激光的入射方向，第二设定时间 为0.05S。

进一步地，该激光沿该焊接方向的焊接速度为2.4m/s。

进一步地，在步骤2中，锐角为80°至90°。

进一步地，第一设定距离小于等于3mm。

进一步地，第二设定距离为3mm。

进一步地，降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法采用机械调节方式或者振镜调控 方式来改变激光的入射方向。

本发明的有益效果是，通过在起弧端和收弧端改变激光与母材之间的相互作用角 度，来调控焊接过程中熔池和小孔的形态，从而解决熔化焊接过程中易在起弧端和收 弧端产生缺陷的问题，避免在起弧端和收弧端出现激光焊接过程的不稳定，达到提高 激光焊接可靠性的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明激光焊接方法的原理图。

图中附图标记：10、母材；11、起弧端；12、收弧端；21、初始入射方向；22、 倾斜入射方向；24、收弧入射方向；30、法线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法，降 低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法包括以下步骤：步骤1、使激光在起弧端11沿母 材20的法线30入射，并使该激光在焊接方向行进第一设定距离d1，随后在第一设 定时间内改变该激光的入射方向，使该激光的入射方向与焊接方向之间呈钝角(即该 激光的入射方向与激光焊头前方之间呈钝角)；保持步骤1中该激光的入射方向不变， 并按照该焊接方向行进至收弧端12的起始处；步骤2、在该收弧端12，该激光在沿 该焊接方向行进第二设定距离d2内改变入射方向，使该激光的入射方向与焊接方向 呈锐角(即该激光的入射方向与激光焊头前方之间呈锐角)。

通过在起弧端11和收弧端12改变激光与母材10之间的相互作用角度，来调控 焊接过程中熔池和小孔的形态，从而解决熔化焊接过程中易在起弧端11和收弧端12 产生缺陷的问题，避免在起弧端11和收弧端12出现激光焊接过程的不稳定，达到提 高激光焊接可靠性的目的。

步骤1具体如下：如图1所示，在起弧端11(CD段)，激光以初始入射方向21 从图1中的C点移动至D点，该初始入射方向21与母材10的法线30相同，该激光 在从C点移动至D点的距离为d1。当该激光到达D点处时，开始一边逆时针转变入 射角度一边沿焊接方向继续行进，具体是该激光从D点处的初始入射方向21转变为 进行至E点的倾斜入射方向22，该激光从D点行进至E点处的时间为第一设定时间。 其中，本实施例中的d1距离为小于等于3mm，第一设定时间小于等于0.05S。上述 倾斜入射方向22与初始入射方向21之间的夹角为A，10°≤A≤30°。上述倾斜入 射方向22与焊接方向的夹角范围是100°至120°。该焊接方向为图1中最上侧的箭 头所指的从左向右的方向。

然后，该激光在到达E点后继续沿焊接方向朝向F点行进，在该进行的过程中， 该激光保持倾斜入射方向22。

需要说明的是，当母材10选取不同材料时，需要根据母材10的选材不同对应调 整倾斜入射方向22和初始入射方向21之间的夹角A的取值。例如，选取激光焊接 熔深小于5mm的钛合金时，夹角A的取值范围是10°至30°。选取熔深小于5mm 的不锈钢时，夹角A的取值范围是10°至30°。选取熔深小于5mm的铝合金时， 夹角A的取值范围是10°至20°，对应的，倾斜入射方向22与焊接方向之间的夹 角大小为100°至110°。当然，不同金属可以根据不同的物理冶金特性，进而改变 倾斜入射方向22的角度，以此来调节焊接过程中控制气孔的稳定性。

在起弧端11和收弧端12分别有能量的增益和衰减过程，因此在起弧端11激光 的垂直入射有助于激光的吸收，而快速形成深熔焊接“小孔”、熔池，但是在其形成 小于3mm的“小孔”、熔池后，采用激光连续倾斜入射，形成倾斜“小孔”，改变了 金属蒸汽的喷发方向以及喷发通道，有助于金属蒸汽的喷散。

采用瞬间改变激光的入射方向的焊接方法，能够让激光能量被金属材料表面吸 收，而且大部分能量传递方向倾向于和激光入射方向同向的电子吸收，进而瞬间形成 倾斜“小孔”，让激光能量被金属材料表面吸收，而且大部分能量传递方向倾向于和 激光入射方向同向的电子吸收，进而形成倾斜“小孔”，倾斜角度是因为钛合金、不 锈钢以及铝合金形成的焊接熔池的表面张力较大，因此需倾斜的角度较大些，而低碳 钢熔池的表面张力相对来说比较小，因此采用的角度可以适当的小些。此方法在起弧 端11即使有少量气孔淹没在熔池中没有逸出，但在后续激光跟进的情况下也会较易 逸出。

对于本实施例的步骤2，如图1所示，当激光保持倾斜入射方向22不变并沿焊 接方向行进到收弧端12(FG段)的起始处F点时，该激光开始一边顺时针转变入射 角度一边沿焊接方向继续行进，具体是该激光从F点处的倾斜入射方向22转变为进 行至G点的收弧入射方向24，该激光在到达G点后收弧完成焊接。该激光从F点行 进至G点的距离为d2，该激光从F点行进至G点的时间为第二设定时间。在本实施 例中的d1距离为小于等于3mm，第二设定时间为小于等于0.05S，收弧入射方向24 与母材10的法线30之间的夹角B为大于0°且小于等于10°，对应的，收弧入射 方向24与焊接方向之间的锐角大小为大于等于80°且小于90°。

需要说明的是，本发明实施例中的第二设定距离d2为3mm。激光沿该焊接方向 的焊接速度为2.4m/s。

由于激光在收弧端12之前的倾斜入射会形成倾斜的“小孔”，因此：倾斜的“小 孔”下端的部分金属蒸汽会因“小孔”的“轴线”与焊接方向也呈钝角这个原因造成 以下问题(激光倾斜入射方向22与焊接方向呈钝角)：首先，小孔前沿的金属蒸汽会 对因母材10金属壁垒效应而无法逸出.其次，钝角倾斜的“小孔”或之前一直是垂直 (激光入射方向与母材10之间的夹角)的“小孔”均会在收弧端表现因“缺肉”而 出现微裂纹。但是当把激光的入射方向由原来的倾斜入射方向22瞬间改为收弧入射 方向24后，因熔池得到金属的及时回填而减少了“缺肉”，因为也降低了收弧端12 的微裂纹，同时因为激光入射方向的转变；最后，到收弧端(小于3mm)采用锐角 入射有助于与在收弧之前的倾斜“小孔”合并形成“V”形熔池，也使得收弧端12 的深熔焊接“小孔”根部的金属蒸汽逸出通道变得通畅，更有助于收弧端12处气体 的逸散，因此，降低了收弧端12的焊接缺陷(裂纹与气孔)。

优选地，本发明实施例中的降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法可以采用机械调 节方式或者振镜调控方式来改变激光的入射方向。尤其在利用振镜来调控下实现激光 束的来回偏转，会获得更佳的效果。以上述方式来调控激光束的偏摆方向可以实现焊 缝起弧端11和收弧端12低缺陷率。

需要说明的是，本发明实施例所提及的降低起弧和收弧缺陷的激光焊接方法还可 以推衍到电子束深熔焊接以及其他相似的熔透与未熔透焊接(深宽比大于1:1)，以及 厚板窄间隙焊接中控制焊缝收弧端与起弧端缺陷的应用中。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过在 起弧端和收弧端改变激光与母材之间的相互作用角度，来调控焊接过程中熔池和小孔 的形态，从而解决熔化焊接过程中易在起弧端和收弧端产生缺陷的问题，避免在起弧 端和收弧端出现激光焊接过程的不稳定，达到提高激光焊接可靠性的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。