一种减少焊接飞溅的光纤激光焊接方法

摘要

本发明属于激光焊接技术领域，特别涉及一种减少焊接飞溅的光纤激光焊接方法。该方法采用三角波脉冲调制激光功率，其中，脉冲峰值功率5-10kW，基值功率2-4kW，脉冲频率15-125Hz，三角波脉冲上升沿时间3-7ms。本发明通过调制激光功率，提高了激光小孔稳定性，减少了焊接飞溅。

说明书

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，特别涉及一种减少焊接飞溅的光 纤激光焊接方法。

背景技术

激光深熔焊接时，激光辐射照度大于10⁶W/cm²，材料在高能量密 度的激光束作用下迅速熔化、汽化，形成激光小孔。由于小孔的存在， 激光束能量能够深入到材料内部而形成深而窄的焊缝，因此激光深熔 焊接被认为是一种较为理想的焊接方法。

作为新一代的激光，光纤激光具有较高的电光转换效率、较好的 光束质量以及较低的操作费用等优点，光纤激光深熔焊接得到了越来 越多的关注和应用。然而，焊接缺陷的形成是光纤激光深熔焊主要的 问题之一，其中焊接飞溅是一种主要的焊接缺陷。与CO₂激光、Nd： YAG激光相比，光纤激光焊接飞溅倾向更大，程度更为严重。光纤激 光焊接飞溅的产生可分为两类：一类是高焊接速度条件下(焊接速度 一般高于3.0m/min)，激光小孔内金属蒸汽向小孔开口处斜后方喷发 而出，强大的作用力致使小孔后方的熔池表面凸起，飞溅由凸起熔融 金属脱离熔池而形成；另一类是较慢焊接速度条件下(焊接速度一般 低于2.0m/min)，小孔内金属蒸汽喷发的作用力使小孔开口处前沿的 熔池凸起，熔融金属脱离熔池，形成了飞溅。这两类光纤激光焊接飞 溅的形成存在较大的差异。现有技术中针对高速光纤激光焊接飞溅问 题，开展了许多研究工作，分析了焊接飞溅的形成原因，并从保护气 体(流量和方向)、工艺参数和熔池行为相互影响方面，提出了解决 思路和方法。但是，目前尚未较好的解决较慢速光纤激光焊接飞溅问 题，降低了焊接质量，限制了光纤激光焊接尤其是中厚板高功率光纤 激光焊接的应用。因此，在中厚板高功率光纤激光焊接过程中，如何 减少较慢焊接速度下的焊接飞溅成为亟待解决的问题。

现有研究报道和专利文献表明，激光功率三角波脉冲调制主要用 来解决激光深熔焊(多为CO₂激光和Nd：YAG激光焊接)小孔型气 孔问题。激光焊接过程中，通过对激光功率的三角波调制，改变了焊 接熔池流动行为，从而减小了小孔型气孔倾向。目前，脉冲调制尤其 是三角波脉冲调制对激光焊接飞溅的影响尚无公开的数据和报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少光纤激光焊接飞溅的方法，解决现 有较慢速高功率光纤激光焊接飞溅的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种减少焊接飞溅的光纤激光焊接方法，是将光纤激 光功率调制成三角波脉冲，其中，脉冲峰值功率5-10kW，基值功率2- 4kW，脉冲频率15-125Hz，三角波脉冲上升沿时间3-7ms。

优选地，所述脉冲频率为60Hz。

所述光纤激光功率的三角波脉冲的由以下函数式表示：

$\left(\begin{array}{cc}P\left(t\right)=\frac{t}{T_0}(P_{\max }-P_{\min })+P_{\min }=\frac{t}{T_0}{P}_{\max }+\frac{T_0-t}{T_0}{P}_{\min }& (0\le t\le T_0)\\ P\left(t\right)=P_{\max }-\frac{t-T_0}{T-T_0}(P_{\max }-P_{\min })=\frac{T-t}{T-T_0}{P}_{\max }+\frac{t-T_0}{T-T_0}{P}_{\min }& (T_0<t\le T)\end{array}\right)$

其中，P_max为脉冲峰值功率；P_min为基值功率；T为脉冲周期(T＝ 1/f)，f为脉冲频率；T₀为三角波脉冲上升沿时间,P为功率，t为时间。

所述方法应用于中厚板高功率较慢焊接速度的光纤激光焊接过程 中，焊接速度0.5-2.0m/min。

保护气体喷嘴2与激光束轴线6之间的夹角3为40°-50°；保护 气体喷嘴2与工件5之间的距离4为10-20mm。

该方法采用惰性气体氩或氦作为激光保护气体，其中，氦气保护 气体流量20-60L/min，氩气保护气体流量10-25L/min。

被焊接板材的厚度为5-25mm。

该方法通过提高激光小孔的稳定性，减少焊接飞溅。

本发明提供的光纤激光焊接方法用于减少焊接飞溅。

用于中厚板高功率较慢焊接速度的光纤激光焊接，焊接速度 0.5-2.0m/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的光纤激光焊接采用三角波脉冲调制激光功率，并通过调 整保护气体喷嘴与激光束之间的夹角度数、保护气体喷嘴与工件之间 的距离，在较慢焊接速度0.5-2.0m/min条件下提高了激光小孔稳定性， 激光小孔开口处前沿熔池凸起程度和频率显著降低，从而减少了因小 孔开口处前沿熔池凸起而形成的焊接飞溅，使焊接质量得到了进一步 提高。

附图说明

图1为本发明的光纤激光焊接方法的焊接示意图；

图2为本发明光纤激光功率调制成三角波脉冲；

图3为未采用本发明方法的光纤激光焊接飞溅形成过程；

图4为采用本发明光纤激光焊接方法的光纤焊接焊缝表面飞溅情况；

图5为未采用本发明光纤激光焊接方法的光纤焊接焊缝表面飞溅情况；

图6为采用与未采用本发明光纤激光焊接方法的光纤激光焊接条件下 因飞溅引起的失重情况对比。

其中的附图标记为：

1光纤激光

2保护气体喷嘴

3保护气体喷嘴与激光束轴线之间的夹角

4保护气体喷嘴与工件之间的距离

5工件

6激光束轴线

具体实施方式

如图1所示，本发明使用光纤激光1焊接，保护气体喷嘴2与激 光束轴线6之间的夹角3的度数为40°-50°，保护气体喷嘴2与工件 5之间的距离4为10-20mm；焊接速度0.5-2.0m/min；保护气体喷嘴2 喷出的激光保护气体为惰性气体(氩或氦)；其中，氦气保护气体流量 20-60L/min，氩气保护气体流量10-25L/min。

如图2所示，本发明将光纤激光功率调制成三角波脉冲，其中， 脉冲峰值功率5-10kW，基值功率2-4kW，脉冲频率15-125Hz，三角 波脉冲上升沿时间3-7ms。

本发明的三角波脉冲的函数式如下：

$\left(\begin{array}{cc}P\left(t\right)=\frac{t}{T_0}(P_{\max }-P_{\min })+P_{\min }=\frac{t}{T_0}{P}_{\max }+\frac{T_0-t}{T_0}{P}_{\min }& (0\le t\le T_0)\\ P\left(t\right)=P_{\max }-\frac{t-T_0}{T-T_0}(P_{\max }-P_{\min })=\frac{T-t}{T-T_0}{P}_{\max }+\frac{t-T_0}{T-T_0}{P}_{\min }& (T_0<t\le T)\end{array}\right)$

其中，P_max为脉冲峰值功率；P_min为基值功率；T为脉冲周期(T＝1/f)， f为脉冲频率；T₀为三角波脉冲上升沿时间，P为功率，t为时间。

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

针对20mm厚600MPa级高强钢，即工件5，采用本发明光纤激 光焊接方法，其中光纤激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰 值功率为7kW，基值功率3kW，脉冲频率15-125Hz，三角波脉冲上 升沿时间5ms，氩气保护气体流量为15L/min，所采用的保护气体喷 嘴与激光束轴线6之间的夹角3为45°，保护气体喷嘴2与工件5之 间的距离4为15mm，焊接速度1.0m/min。当脉冲频率为15-125Hz 时，光纤激光焊接焊缝表面附着的飞溅颗粒较少而小(如图4所示)， 而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，小孔内金属蒸汽喷发的 作用力使小孔开口处前沿的熔池凸起，熔融金属脱离熔池，形成了大 量飞溅(如图3所示)，其焊缝表面附着的飞溅颗粒多而大(如图5所 示)。

工件5失重情况(如图6所示)表明，功率未调制的光纤激光焊 接因飞溅失重0.71g，而脉冲频率为15-125Hz时，三角波脉冲调制的 光纤激光焊接失重显著减少，最佳频率为60Hz，失重仅为0.39g；另 一方面，频率超出15-125Hz范围内时(例如10Hz或150Hz)，焊接 飞溅严重程度上升，失重增大。因此，采用三角波脉冲调制，在合适 的脉冲频率范围内，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。

实施例2

针对15mm厚低碳钢，即工件5，采用本发明的光纤激光焊接方法， 其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为7kW，基 值功率3kW，脉冲频率60Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氦气保 护气体流量为45L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束轴线6之 间的夹角3为40°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为12mm， 焊接速度1.0m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重为0.29g， 而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.53g。采用三角 波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。

实施例3

针对12mm厚780MPa高强钢，即工件5，采用光纤激光焊接方法， 其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为5kW，基 值功率2kW，脉冲频率100Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms，氩气保 护气体2流量为10L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束轴线6 之间的夹角3为45°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4为10mm， 焊接速度0.5m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重为0.42g， 而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.65g。采用三角 波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。

实施例4

针对25mm厚490MPa级低碳钢，即工件5，采用光纤激光焊接 方法，其中激光1的激光功率调制成三角波脉冲，脉冲峰值功率为10 kW，基值功率4kW，脉冲频率30Hz，三角波脉冲上升沿时间5ms， 氩气保护气体2流量为20L/min，所采用的保护气体喷嘴2与激光束 轴线6之间的夹角3为50°，保护气体喷嘴2与工件5之间的距离4 为20mm，焊接速度2.0m/min。三角波脉冲调制的光纤激光焊接失重 为0.51g，而对比方法功率未调制的光纤激光焊接方法，失重为0.86g。 采用三角波脉冲调制，光纤激光焊接飞溅大幅减少，失重显著降低。

尽管本发明已对其优选实施方案进行了详细说明，但本领域技术 人员仍可采取改变激光器类型(例如叠片激光(Disklaser))等技术参 数实施本发明，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变 形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。