本發(fā)明涉及材料加工工程領(lǐng)域，尤其是一種非常規(guī)低溫氣體保護(hù)激光焊接方法。

背景技術(shù)：

隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接結(jié)構(gòu)得到了廣泛的使用。在現(xiàn)代焊接技術(shù)中，質(zhì)量、效率、低成本是焊接工業(yè)生產(chǎn)中的重要指標(biāo)，并且隨著航天、航空事業(yè)、交通運(yùn)輸、海洋工程等的快速發(fā)展，每年需要大量的焊接工作量。對(duì)于高質(zhì)量高效低成本的焊接方法提出了更高的要求。

激光作為“二十一世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ暮附蛹夹g(shù)”之一，由于其具有能量密度高，焊縫質(zhì)量好，深寬比大，熱影響區(qū)小，焊接變形小，而且焊接速度快以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。世界上很多的知名汽車企業(yè)如奔馳、大眾已經(jīng)從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始就研究了激光焊接技術(shù)對(duì)汽車的應(yīng)用，主要包括了車身、側(cè)框、車頂燈部位的釩金材料的焊接。九十年代更多的知名汽車制造商如福特、通用也加入了激光焊接技術(shù)。另外激光焊接技術(shù)也應(yīng)用在輪船制造中，激光焊接輪船上的甲板可減小焊接變形，國(guó)外最高可以完成十厘米厚的船板焊接。

但目前激光焊接過(guò)程中，一般都是沒(méi)有保護(hù)氣體、或者是采用常規(guī)的Ar、或He氣作為保護(hù)氣體；但是，焊接過(guò)程中，不管是否采用保護(hù)氣體，都會(huì)產(chǎn)生激光等離子體，由于激光等離子體本身不穩(wěn)定，從而影響其焊接穩(wěn)定性，可能造成成形不穩(wěn)定、內(nèi)部氣孔等焊接缺陷。等離子體顯著膨脹后吸收激光能量，會(huì)導(dǎo)致焊縫熔深明顯下降。因此，針對(duì)激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的激光等離子體，目前一般抑制措施為采用具有高電離能的He氣、側(cè)吹保護(hù)氣、或者脈沖激光的方式來(lái)抑制等離子體的大小。但氦氣成本最高，而采用側(cè)吹保護(hù)氣體時(shí)為了避免側(cè)吹氣體對(duì)熔池的影響，一般距焊縫熔池有一定距離，導(dǎo)致對(duì)等離子體抑制效果有限?；诖?，本發(fā)明提出了一種低溫氣體保護(hù)的激光焊接方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有常規(guī)激光焊接過(guò)程易產(chǎn)生激光等離子體，導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生成形不連續(xù)、以及焊接氣孔等缺陷問(wèn)題，而提供一種低溫氣體保護(hù)的激光焊接方法。

本發(fā)明旨在采用低溫氣體保護(hù)的激光焊接方法，在常規(guī)激光焊接的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接保護(hù)氣送氣裝置進(jìn)行改進(jìn)，具體實(shí)現(xiàn)方式包括：

1、將普通的塑料送氣管線改為絕熱保溫的低溫氣體輸送管線，直接使用絕熱氣瓶?jī)?nèi)的低溫氣體。

2、或使用其他裝置對(duì)氣體進(jìn)行冷卻如使用制冷機(jī)/冷風(fēng)機(jī)對(duì)保護(hù)氣瓶及輸氣管線進(jìn)行冷卻，可使保護(hù)氣溫度由室溫降低至零下五十度左右；使用冷卻浴(所能提供的溫度范圍通常為13至-196℃)對(duì)保護(hù)氣瓶進(jìn)行冷卻，達(dá)到更低溫度。

本發(fā)明的一種非常規(guī)低溫氣體保護(hù)激光焊接方法，具體實(shí)施方案如下：

步驟一：焊接前，將待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口、U型坡口或Y型坡口，并對(duì)加工后的坡口及兩側(cè)表面進(jìn)行打磨和清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；

步驟二：利用夾具將激光頭與送絲機(jī)構(gòu)剛性固定；

步驟三：設(shè)置焊接工藝參數(shù):

焊接速度為0.5～5m/min，激光功率為2000～6000W，離焦量為-3～+3，若填充焊絲，則送絲速度為0.2～1.0m/min；保護(hù)氣采用Ar氣、He氣或二者的混合氣，保護(hù)氣流量為5～20L/min，保護(hù)氣溫度為-30℃～-160℃；

步驟四：在實(shí)際焊接過(guò)程中，采用機(jī)器人集成系統(tǒng)控制焊接工藝參數(shù)，首先激光器控制發(fā)出激光，然后激光穩(wěn)定1s后，控制機(jī)器人使得激光頭運(yùn)動(dòng)，即完成焊接過(guò)程。

本發(fā)明相比于常規(guī)激光焊接有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1、焊縫組織細(xì)化，由于焊縫冷卻速度大大提高，焊接接頭組織進(jìn)一步細(xì)化，拉伸性能和硬度有所提高。

2、抑制氣孔及熱裂紋，由于熔池冷卻速度提高，有利于抑制常規(guī)激光焊時(shí)熔合線位置易產(chǎn)生的冶金型氣孔，減少焊接缺陷；

3、提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，由于低溫保護(hù)氣對(duì)熔池及其附近進(jìn)行保護(hù)及冷卻，可有效降低激光等離子體溫度，從而使其密度降低，抑制其周期性波動(dòng)幅度。

4、增加激光吸收率，降低焊接成本。由于激光等離子體對(duì)激光能量具有一定的吸收、散射、反射等損耗，通過(guò)采用低溫保護(hù)氣體可以一直等離子體，降低激光能量的損耗，從而提高焊縫熔深。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例2的常規(guī)激光焊接背面成形圖；

圖2為實(shí)施例2的常規(guī)激光焊接宏觀金相圖；

圖3為實(shí)施例1的本發(fā)明方法焊接背面成形圖；

圖4為實(shí)施例1的本發(fā)明方法焊接宏觀金相圖；

圖5為實(shí)施例2的常規(guī)激光焊接氣孔檢測(cè)圖；

圖6為實(shí)施例1的本發(fā)明方法焊接氣孔檢測(cè)圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種非常規(guī)低溫氣體保護(hù)激光焊接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的：

步驟一：焊接前，將待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口、U型坡口或Y型坡口，并對(duì)加工后的坡口及兩側(cè)表面進(jìn)行打磨和清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上；

步驟二：利用夾具將激光頭與送絲機(jī)構(gòu)剛性固定；

步驟三：設(shè)置焊接工藝參數(shù):

焊接速度為0.5～5m/min，激光功率為2000～6000W，離焦量為-3～+3，若填充焊絲，則送絲速度為0.2～1.0m/min；保護(hù)氣采用Ar氣、He氣或二者的混合氣，保護(hù)氣流量為5～20L/min，保護(hù)氣溫度為-30℃～-160℃；

步驟四：在實(shí)際焊接過(guò)程中，采用機(jī)器人集成系統(tǒng)控制焊接工藝參數(shù)，首先激光器控制發(fā)出激光，然后激光穩(wěn)定1s后，控制機(jī)器人使得激光頭運(yùn)動(dòng)，即完成焊接過(guò)程。

本實(shí)施方式所使用的激光器可以采用CO₂氣體激光器、YAG固體激光器、半導(dǎo)體激光器，其中以采用光纖傳輸?shù)腨AG固體激光器最佳，因?yàn)槠涓痈咝Ш铜h(huán)保；其他設(shè)備包括，1臺(tái)KUKA機(jī)器人，焊接過(guò)程中工藝參數(shù)的調(diào)整通過(guò)KUKA機(jī)器人編程實(shí)現(xiàn)；1臺(tái)福尼斯送絲機(jī)，以保證焊絲精確送進(jìn)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述的待焊工件為鋼、鋁或鈦合金。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣溫度為-50℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣溫度為-70℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣溫度為-90℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣溫度為-110℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣溫度為-130℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：保護(hù)氣是通過(guò)低溫氣體管進(jìn)行輸送的。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述的-30℃～-160℃的保護(hù)氣溫度是通過(guò)制冷機(jī)或冷風(fēng)機(jī)對(duì)裝有保護(hù)氣的瓶及低溫氣體管進(jìn)行冷卻得到的。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：焊接工藝參數(shù):焊接速度為1～5m/min，激光功率為4000～6000W，離焦量為-3～+3，若填充焊絲，則送絲速度為0.2～1.0m/min；保護(hù)氣采用Ar氣、He氣或二者的混合氣，保護(hù)氣流量為5～20L/min，保護(hù)氣溫度為-60℃～-160℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。

通過(guò)以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:

分別利用本發(fā)明的方法及常規(guī)激光焊接方法焊接3mm厚鎂合金。

具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

實(shí)施例1

采用本發(fā)明的方法焊接3mm厚鎂合金對(duì)接接頭：

一種非常規(guī)低溫氣體保護(hù)激光焊接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的：

步驟一：焊接前，根據(jù)板厚，將待焊工件的待焊接部位加工成I型坡口，并對(duì)加工后的坡口及兩側(cè)表面進(jìn)行打磨和清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，對(duì)接間隙0～0.5mm；

步驟二：利用夾具將激光頭與送絲機(jī)構(gòu)剛性固定；

步驟三：設(shè)置焊接工藝參數(shù):

焊接速度為3m/min，激光功率為2000W，離焦量為+1，保護(hù)氣采用Ar氣，保護(hù)氣流量為10L/min，保護(hù)氣溫度為-50℃；

步驟四：在實(shí)際焊接過(guò)程中，采用機(jī)器人集成系統(tǒng)控制焊接工藝參數(shù)，首先激光器控制發(fā)出激光，然后激光穩(wěn)定1s后，控制機(jī)器人使得激光頭運(yùn)動(dòng)，即完成焊接過(guò)程。

實(shí)施例2

常規(guī)激光焊接3mm厚鎂合金對(duì)接接頭：

步驟一：焊接前，根據(jù)板厚，將待焊工件的待焊接部位加工成I型坡口，并對(duì)加工后的坡口及兩側(cè)表面進(jìn)行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，對(duì)接間隙0～0.5mm；

步驟二:利用特制夾具將激光頭剛性固定在KUKA機(jī)器人上；

步驟三:設(shè)置焊接工藝參數(shù):

焊接速度3.0m/min，激光功率2000W，離焦量+1，保護(hù)氣采用Ar氣，流量在10L/min，Ar氣為常溫。

步驟四:在實(shí)際焊接過(guò)程中，采用機(jī)器人集成系統(tǒng)控制焊接工藝參數(shù)，首先激光器控制發(fā)出激光，然后激光穩(wěn)定1s后，控制機(jī)器人使得激光頭運(yùn)動(dòng)完成焊接過(guò)程。

圖1至圖6分別為實(shí)施例1和2焊接3mm厚鎂合金對(duì)接接頭的焊縫成形、橫截面金相、X光檢測(cè)結(jié)果，可以看出當(dāng)采用實(shí)施例1本發(fā)明方法進(jìn)行焊接時(shí)，成形穩(wěn)定，未出現(xiàn)未熔透、不連續(xù)、余高不足等現(xiàn)象。