[发明专利]一种无吸收层激光温冲击强化焊缝方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊缝强化技术，一种无吸收层激光温冲击强化焊缝技术。

背景技术

焊接件焊缝处的机械性能、疲劳性能和抗腐蚀性能至关重要，但由于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代替方法是应变硬化，激光冲击强化处理，可以大大提高焊接件焊缝处机械性能。

激光吸收层具有重要作用，第一，保护金属表面免遭激光烧蚀和融化；第二，用来增加冲击波密度。当足够密度的激光脉冲照射附有吸收性涂料的金属目标时，吸收性材料蒸发，并形成一个等离子体。由于能量沉积时间短，从相互作用的区域散发出的热能被限制在几个微米内，并且低于吸收性涂料维持保护的厚度。等离子体一直强烈地吸收激光能量直到能量沉积结束。在金属目标与透明的约束层之间产生一个高振幅、短压力脉冲的限定区域里，高热等离子体水动力扩张。这种能量的一部分以冲击波传送进金属。当冲击波的压力超过金属的动态屈服强度，发生塑性变形，引起附近表面微观结构和性能的改变。尽管激光冲击强化在航空航天上有着广泛的应用，但是由于吸收层的限制，在焊接管道内壁等核电工程场合无法采取激光冲击强化，针对以上情况，2006年日本的Y.Sano等人[Materials Science and Engineering A, 2006, 417: 334–340.]采用无吸收层激光冲击处理搅拌摩擦焊A6061-T6铝合金，提高了焊接件的硬度，疲劳性能，但在常温下激光冲击细化表层晶粒深度和细化程度不够，焊接件的抗腐蚀能力差和高温疲劳寿命短。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种无吸收层激光温冲击强化焊缝方法，以在焊缝区域形成较深的晶粒细化层和深度超过1 mm的高幅残余压应力层，大幅度提高焊接件的抗腐蚀能力和高温疲劳寿命。

一种无吸收层激光温冲击焊缝的方法即先预热焊接件基体，利用温度升高加快零件基体位错运动，将基体温度提高到动态应变时效温度后，采用高能纳秒激光束直接冲击焊缝处。当激光脉冲照射在目标金属上时，金属表面吸收激光能量蒸发、膨胀形成高温高压的等离子体，约束层限制住等离子体，产生高强冲击波，其强度有几个到数十个 GPa，远远超过了金属和合金的屈服强度，使焊缝区域金属或合金材料产生严重塑性变形，使焊缝处表层晶粒细化甚至纳米化，并在冲击区域诱导高幅残余压应力，从而提高焊缝处的抗腐蚀能力和高温疲劳寿命。

本发明最显著特征在于采用无吸收层，即高能纳秒激光束直接冲击焊缝处，将金属表层当做传统意义上的吸收层，表面蒸发，形成等离子体，产生冲击波，从而起到冲击强化的作用。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种无吸收层激光温冲击强化焊缝方法，其特征在于采用无吸收层激光强化，即高能纳秒激光束直接冲击焊缝处，将金属表层当做传统意义上的吸收层，表面蒸发，形成等离子体，产生冲击波，从而起到冲击强化的作用，具体包括以下步骤：

步骤一，将焊接件(9)焊缝处清洗、抛光处理，打开真空箱(5)上方的活动盖(11)，将焊接件(9)装夹在固定于五轴工作台(13)上的工具夹具(12)上；焊缝处无需涂吸收层，通过计算机控制系统(1)将五轴工作台(13)移动到真空箱(5)内，关闭真空箱(5)上方的活动盖(11)并对其边缘进行密封处理；

步骤二， 向真空箱中注入约束层(7)，利用液位计(14)监测焊接件(9)上方约束层(7)的厚度，通过加液阀门(15)和排液阀门(17)来控制焊接件(9)上方的约束层(7)厚度，监测数据返回计算机控制系统(1)，并调整激光束(3)与焊接件(9)的相对位置；关闭真空箱(5)上透视窗(10)，将真空箱(5)抽至真空；

步骤三，预热焊接件(9)，根据温度传感器(4)，利用计算机控制系统(1)控制真空箱(5)底部的加热板(16)将焊接件(9)加热到动态应变时效温度区域；

步骤四，根据所述焊接件(9)的厚度和材料特性设置脉冲激光参数，脉宽、重复频率、脉冲能量及光斑直径；计算机控制系统(1)控制激光发射器(2)发射光束(3)，根据温度传感器(4)反馈回来的温度信息控制加热板(16)的开启和停止，同时控制五轴工作台(13)的移动控制激光光束(3)和焊接件(9)焊缝的相对位置。

所述密封处理为使用耐高温密封胶带进行密封。

在激光冲击时，加热所述焊接件使其温度达到其材料的动态应变时效温度区域。

所述脉冲激光参数为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑直径为1-5 mm。