一種抑制萬瓦級(jí)激光焊接厚板上表面缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種萬瓦級(jí)激光焊接厚板時(shí)上表面部分缺陷的抑制方法，主要應(yīng)用在萬瓦級(jí)厚板激光焊接過程中，提高激光深熔焊熔池的穩(wěn)定性，抑制上表面飛濺的形成和減少下表面焊縫塌陷的影響，最終提高焊接質(zhì)量。
【背景技術(shù)】
[0002]激光技術(shù)是一種具有特殊性質(zhì)的電磁波，是二十一世紀(jì)的重要發(fā)明之一，由于激光擁有高亮度和高方向性，及良好的單色性和相干性等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展后，激光技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。激光焊接是激光加工技術(shù)的重要應(yīng)用技術(shù)之一，應(yīng)用前景廣闊，目前正在逐步取代其他的傳統(tǒng)焊接方式。激光焊接以高能束聚焦，能實(shí)現(xiàn)深熔焊、快速焊等難以實(shí)現(xiàn)的工藝，設(shè)備搭配靈活，檢測(cè)技術(shù)成熟，能夠在大批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前已有大量的激光焊接生產(chǎn)線投入工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家里。
[0003]厚板焊接是激光焊接的新型應(yīng)用方面，未來將在船舶制造、飛機(jī)制造、等工業(yè)領(lǐng)域得到突破應(yīng)用，傳統(tǒng)的厚板焊接方法有電弧焊接、電子束焊接等，工藝繁瑣，需要進(jìn)行多道焊接，而隨著近年來超高功率激光器的研制成功，使用高功率激光進(jìn)行單道厚板焊接的研宄成為熱點(diǎn)。
[0004]激光深熔焊是激光焊接厚板的基礎(chǔ)原理，具有焊接接頭深寬比大、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接變形小且一般不加填充材料等優(yōu)點(diǎn)，焊接時(shí)激光深熔小孔的形成和穩(wěn)定性決定了焊縫成形的質(zhì)量，使用單道激光焊接厚板時(shí)，所需純激光功率往往非常之高并且能量利用率較低，所以焊接熔池難以成型并保持穩(wěn)定，從而產(chǎn)生飛濺、駝峰、塌陷、氣孔以及焊不透等缺陷，開展這方面的研宄具有深刻的理論意義。
[0005]激光復(fù)合焊接厚板是目前解決厚板焊接問題的主要方式之一，特別是激光電弧復(fù)合焊接，可以有效的降低所需激光功率，提高焊縫成型效率，但是也存在若干待解決的問題。
[0006]在2013年11月27日公開的，公開號(hào)為CN103406675A，發(fā)明名稱為“一種厚板高強(qiáng)鋼激光電弧復(fù)合焊接方法及其夾具”的發(fā)明發(fā)明公開了一種使用激光與電弧復(fù)合焊接厚板高強(qiáng)鋼的方法和夾具，通過對(duì)焊接的厚板高強(qiáng)鋼進(jìn)行開雙面坡口處理，工件準(zhǔn)備，預(yù)熱處理，并且運(yùn)用激光和電弧復(fù)合焊接處理進(jìn)行焊接。優(yōu)點(diǎn)是:相比傳統(tǒng)多層多道焊接進(jìn)步明顯，工藝大大簡(jiǎn)化，，采用激光直接預(yù)熱的方式，無需其他預(yù)熱裝置，簡(jiǎn)化了預(yù)熱工藝。缺點(diǎn)是:需要開設(shè)雙面坡口，需要設(shè)計(jì)專用夾具，效率低；預(yù)熱次數(shù)較多，預(yù)熱溫度不好精確控制，影響工件成形質(zhì)量。
[0007]在2013年4月3日公開的，公開號(hào)為CN103008895A，發(fā)明名稱為“一種面向厚板的窄間隙多道激光焊接方法”的發(fā)明發(fā)明公開了了一種面向厚板的激光多道焊接方法，其中在厚板上預(yù)留間隙或者預(yù)開一個(gè)帶鈍邊的坡口，采用激光自熔焊在焊一道進(jìn)行打底，再進(jìn)行激光填絲焊，最后進(jìn)行激光一 GMAW復(fù)合焊，完成厚板的焊接。優(yōu)點(diǎn)是:減少焊接材料與能量消耗，降低了焊接生產(chǎn)成本；熱壓縮塑性變形量減小，沿板厚方向上更趨均勻化，接頭殘余應(yīng)力及殘余變形減小，同時(shí)可以獲得較小的熱影響區(qū)，接頭韌性提高。缺點(diǎn)是:先后進(jìn)行激光自熔焊，激光填絲焊，激光電弧復(fù)合焊，且都需要開設(shè)預(yù)開坡口，工藝過于復(fù)雜，設(shè)備更換頻繁，生產(chǎn)效率低。
[0008]在2013年12月4日公開的，公開號(hào)為CN103418917A，發(fā)明名稱為“一種激光與熔融金屬?gòu)?fù)合焊接板材的方法”的發(fā)明發(fā)明公開了一種新型的激光復(fù)合焊接方法，其特征在于:使用純激光焊接，增設(shè)噴槍在焊縫底部，焊接時(shí)熔融金屬液從金屬熔融裝置中經(jīng)噴槍噴射到底部坡口中，目的是解決目前超高功率激光自熔焊接，大厚度板平焊接頭，深熔穿透焊接成形過程中，出現(xiàn)的塌陷和下掉等焊接缺陷。優(yōu)點(diǎn)是:設(shè)備簡(jiǎn)單，方法易實(shí)現(xiàn)，可以有效的抑制焊縫的塌陷和下掉等重大缺陷。存在的問題是:雖然抑制了焊縫底部的缺陷，但無法控制焊縫上部的成形質(zhì)量和抑制上表面飛濺。
[0009]激光深熔焊接的本質(zhì)特征是存在著小孔效應(yīng)，即高功率密度激光照射到工件表面時(shí)，材料表面產(chǎn)生氣化，同時(shí)產(chǎn)生等離子體，在氣化壓力作用之下，將熔融材料拋出產(chǎn)生小孔，光束沿著小孔深入到材料的內(nèi)部，通過小孔孔壁對(duì)激光的多次反射吸收和等離子體的逆韌致輻射吸收，實(shí)現(xiàn)深熔焊接。焊接小孔和孔內(nèi)外等離子體的動(dòng)態(tài)行為決定了焊縫成型的狀態(tài)，是一個(gè)非常復(fù)雜的能量材料耦合過程。當(dāng)焊接熔池難以保持穩(wěn)定時(shí)，熔池劇烈波動(dòng)變化，以及熔池小孔內(nèi)外金屬蒸汽和等離子體的相互作用，進(jìn)而容易產(chǎn)生飛濺、駝峰、塌陷、氣孔以及焊不透等缺陷。
[0010]飛濺缺陷產(chǎn)生的原理是由于光纖激光由于其強(qiáng)聚焦性且波長(zhǎng)短，焊接熔池小孔壁面很容易產(chǎn)生局部過熱。萬瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板過程中焊縫的上下表面均易產(chǎn)生飛濺，具體地，上表面飛濺主要發(fā)生于未熔透焊接過程，分布于焊縫兩側(cè)，甚至飛出焊接試件。上表面飛濺產(chǎn)生的原理為:(I)未熔透低速焊接時(shí)，小孔前/后沿存在自下向上的熔池流動(dòng)，導(dǎo)致前沿熔融金屬伸出熔池，后沿熔融金屬在表面隆起；伴隨劇烈的金屬蒸汽/等離子體噴射，熔融金屬直接拋出小孔形成飛濺，或伸出熔池形成金屬液柱，逐級(jí)脫離熔池形成飛濺；(2)未熔透高速焊接時(shí)，金屬蒸汽向焊接方向的反方向噴射，熔融金屬連續(xù)地從小孔后沿伸出熔池，形成傾斜的金屬液柱，金屬蒸汽對(duì)后沿壁熔池和金屬液柱施以剪切力，使得熔融金屬向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量克服表面張力和重力而脫離熔池形成飛濺。而飛濺產(chǎn)生時(shí)，大量飛濺和金屬液柱拋出熔池，導(dǎo)致熔融金屬損失而形成上表面塌陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提出一種抑制萬瓦級(jí)激光焊接厚板上表面缺陷的方法，來提高激光深熔焊熔池的穩(wěn)定性，同時(shí)抑制上表面飛濺的產(chǎn)生，補(bǔ)充因飛濺而流失的金屬材料，減少焊縫塌陷的形成，提高焊接質(zhì)量。
[0012]本發(fā)明提供了一種抑制萬瓦級(jí)激光焊接厚板上表面缺陷的方法，其具體步驟如下:
[0013]步驟1:加工好焊接板材，將金屬顆粒輸送頭安裝至激光焊接頭上，金屬顆粒輸送位置在未熔透焊接熔池后沿，金屬顆粒輸送頭垂直于焊接板材表面與焊接方向；
[0014]步驟2:將金屬顆粒裝入金屬顆粒輸送頭中，打開金屬顆粒加熱裝置，加熱至金屬顆粒熔點(diǎn)以下溫度900-1100攝氏度；
[0015]步驟3:控制激光器功率，激光束照射焊接板材形成未熔透焊接熔池，開啟壓縮空氣控制的金屬顆粒輸送系統(tǒng)，推送被加熱的金屬顆粒至未熔透焊接熔池中；
[0016]步驟4:開啟惰性保護(hù)氣環(huán)形吹氣管，激光焊接頭與金屬顆粒輸送頭同步移動(dòng)，完成焊接過程。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1.本發(fā)明中金屬顆粒被送入激光焊接熔池后沿，輔以壓縮空氣的噴射，抵制了金屬蒸汽對(duì)后沿壁熔池和金屬液柱施以的剪切力的同時(shí)，增強(qiáng)了焊接熔池的流動(dòng)性，減少了缺陷發(fā)生的幾率，阻止了熔融金屬克服表面張力和重力向上運(yùn)動(dòng)而脫離熔池形成飛濺
[0019]2.本發(fā)明可補(bǔ)足部分飛濺產(chǎn)生時(shí)材料的流失，減少焊縫塌陷的產(chǎn)生。
[0020]3.本發(fā)明中送入熔池的金屬顆粒處于未熔高溫狀態(tài)，可增加焊接過程中的熱輸入量，增加焊接穿透性能，提高焊接效率。
[0021]4.本發(fā)明中送入熔池的金屬顆粒由三氧化二鐵混合微量稀土元素釔制成，可增強(qiáng)焊接熔池的流動(dòng)性，減少焊接接頭固溶態(tài)雜質(zhì)的含量，改善接頭的塑性、強(qiáng)度接頭物理性能。細(xì)化接頭組織，增大晶界面積，使其變形阻力