[发明专利]一种激光再制造金属薄板焊接件的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种在动态应变时效温度条件下激光双面冲击强化激光重熔薄板焊接件接头的方法和装置，适用于薄板焊接件再制造、强化和延寿领域，如钣金件焊接件再制造和表面强化。

背景技术

铝合金由于密度小、无磁性、热导率和强度高，以及良好的成型性、低温性能、耐腐蚀性能等被广泛应用于各种焊接结构中；合金元素多、组织结构复杂多变的铝合金对焊接技术和设备的要求越来越高，焊接件接头性能的好坏，与工程应用的安全性和可靠性有着直接的关系，国内外对铝合金的焊接做了大量的研究工作，其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步，从而促进了铝合金焊接技术的发展，在许多焊接结构中，焊缝及热影响区因再结晶或回火软化后力学性能一般比母材差，属薄弱环节，常常通过焊后热处理或应变硬化得以强化。

焊后热处理会破坏整个焊缝的焊接质量以及导致高幅残余拉应力，直接导致焊接件的断裂失效，提高焊缝热影响区强度很好的替代方法是应变硬化，如对焊缝进行滚压或机械喷丸，而这些工艺在一些复杂结构中并不实用或不理想，采用激光重熔方法修复薄板焊接件接头处裂纹，然后再进行接头表面激光冲击强化处理，可以大大提高焊接件接头机械性能，焊接结构的疲劳强度，在很大程度上决定于构件中的应力集中情况，不合理的接头形式和焊接过程中产生的各种缺陷(如未焊透、咬边等)是产生应力集中的主要原因，除此之外，焊接结构自身的一些特点，如接头性能的不均匀性，焊接残余应力等，都对焊接结构疲劳强度有影响，铝合金焊接结构在重复外力作用下，往往发生疲劳断裂，疲劳破坏过程一般很难觉察到，因此疲劳断裂具有很大的危险性，有数据表明，铝合金焊接构件中90%的断裂是由于焊接接头处的疲劳破坏引起的，因此，铝合金焊接接头的疲劳性能受到设计及使用单位越来越广泛的关注，研究铝合金焊接接头的疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，是提高和继续发展铝合金焊接结构的重要课题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光再制造金属薄板焊接件接头的方法，即先采用毫秒连续激光束重熔闭合焊接件的裂纹区域，再在动态应变时效温度条件下采用双面纳秒脉冲激光束同时冲击重熔区域，从而提高接头的机械性能。

本发明采用的方案为，首先利用裂纹检测仪检测金属薄板焊接件接头表面的裂纹，利用连续激光对裂纹进行重熔修复，然后将修复后的薄板焊接件接头表面进行打磨抛光处理；再在薄板焊接件上下表面粘附吸收层，采用工件夹具将薄板焊接件固定在真空箱中进行加热，使其温度上升至金属动态应变时效温度区域，采用脉冲激光双面同时冲击薄焊接件接头上下两表面，在高能冲击力作用下，冲击区域的金属表层产生严重塑性变形并且内部微观组织结构发生演变，最终导致焊接件接头处表层晶粒细化，并在冲击区域诱导高幅残余压应力，从而提高接头处的机械性能；本发明的创造性在于激光重熔闭合焊接件接头处裂纹后，在动态应变时效温度区域利用激光冲击焊接件接头导致接头处金属表层产生塑性变形，最终导致表层金属晶粒细化，达到复合强化和再制造焊接件接头的效果。

本发明所述的连续激光参数为：脉宽为50μs- 20 ms，功率为1-5 kW，光斑直径2-10 mm，搭接率为50%；脉冲激光参数范围为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为3-10 mm。

实施该方法的装置包括控制系统、激光器、真空箱、裂纹检测仪、表面轮廓监测仪、工件夹具、薄板焊接件、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅰ、激光发射头Ⅱ和五轴联动工作台， 真空箱位于五轴工作台上由真空箱夹具固定，真空箱顶端和底端中间均设有上透视窗和下透视窗、真空箱内设有加热板、用于测量薄板焊接件温度的温度传感器和液位计，真空箱一侧设有加液阀门和排液阀门，真空箱顶端一侧设有抽真空阀门，真空箱内部四周设有隔热层，当真空箱内焊接接头的温度处于金属动态应变时效温度时，加热板停止加热，薄板焊接件被固定在真空箱内部底座上，薄板焊接件上依次设有吸收层和约束层；用耐高温密封胶带将吸收层与薄板焊接件密封并用工件夹具固定；表面轮廓监测仪和裂纹检测仪安装在真空箱上透视窗上方；激光器发出的连续激光由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面；；激光器发出的脉冲激光一路由激光发射头Ⅰ通过上透视窗照射在薄板焊接件上表面，另一路经反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、激光发射头Ⅱ通过下透视窗照射在薄板焊接件下表面。