[发明专利]一种非熔透激光焊接设备及方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种激光焊接的设备及方法，尤其是涉及一种非熔透激光焊接设备及方法。

背景技术

激光焊接是将高强度的激光束辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作用，材料吸收激光能量转化为热能使材料熔化后冷却结晶形成焊接，激光焊接有两种基本方式：热导焊(也称传导焊，Heat Conduction Welding)和深熔焊(Deep Penetration Welding)。这两种焊接模式的能量耦合机制、焊缝成形机理及焊接效果完全不同。

(1)热传导焊接

当激光功率密度较低时(功率密度I<10⁴W/cm²)，激光照射在材料表面，除部分激光被材料反射外，剩下的激光被材料吸收，激光能量使得材料温度由表及里逐渐升高，但金属材料维持固相不变，随着激光功率密度的提高(功率密度I提高到10⁵W/cm²～10⁶W/cm²)，材料表面开始熔化，局部区域产生轻微汽化，材料对激光的吸收系数也有一定幅度提高，材料表层的热能以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。

(2)激光深熔焊

当激光功率密度I达到10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²，激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化甚至汽化，汽化物微弱电离形成等离子体，同时巨大的金属蒸汽膨胀压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成凹坑，激光束直接射至凹坑底部，使凹坑底部材料产生新的蒸发，从而进一步加大了凹坑深度，直至最后形成“匙孔”，又称为“小孔”，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射，小孔穿入更深，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。

在激光焊接领域，某些特殊服役情况要求实现非熔透焊接，以得到良好的密封性、一定强度和表面质量。如不锈钢铁道客车车体、电梯，表面不需要涂装，采用电阻点焊容易影响表面质量，且密闭性差，而非熔透激光焊接单面成型就能弥补点焊的这些缺点。在集装箱生产及钢制家具橱柜等领域，非熔透激光焊接同样能得到应用。对于非熔透激光焊接试件，焊缝的外观形貌是判断焊接质量的重要因素，即非熔透表面不能出现熔渣，要求严格的甚至不能出现表面变色。

激光非熔透搭接焊接具有很大难度，要获得满意的焊接接头而不损伤焊件背面，激光功率必须精确控制，焊接条件的细微变化都可能导致焊接失败。要获得强度和外观质量都符合使用要求的非熔透焊接接头，必须避免焊缝背部过热、烧穿和未融合两个极端。

对于目前的激光焊接质量控制方法，公开号为CN1012694420A的“激光焊接装置及其方法”发明专利提供了一种激光焊接装置及其焊接方法。当机器人的移动速度变更率出现变化时，通过调节扫描器头内的激光扫描用反射镜的转动速度使焊接点速度与100％的移动速度变更率时焊接点速度相同。该激光焊接装置即使在焊接机器人动作速度改变的情况下也能再现与生产现场机器人实际运行时相同程度的焊接状态。该方法通过调节焊接焦点的移动速度，使焊接状态维持稳定，但是这种方法有一定的局限性，无法实时获取焊接过程中的焊接状态和接头质量信息，在出现未融合、烧穿等缺陷的时候不能对焊接过程进行有效控制。

公开号为CN103480966A的“一种奥氏体不锈钢搭接激光焊接方法”通过适当增大搭接接头上板与下板界面处的熔化宽度C＞0.6B1、限制下板的熔化深度H＜0.5mm及加纯铜垫板等技术途径，改善不锈钢搭接焊接头的力学性能，避免焊缝背面氧化变色，提高激光焊接头的焊接质量。工艺步骤为：在焊件下面放置纯铜垫板→采用优化的激光焊接参数→实现不锈钢搭接焊连接。但是该方法对焊接过程中焊接参数波动引起的熔池形态变化不能进行实时监测，对焊接过程中产生的缺陷不能进行实时调节和消除。

公开号为CN101905380A的“一种确定薄板全熔透激光焊工艺参数的方法”，涉及一种针对厚度小于3mm的金属薄板进行全熔透激光焊接时工艺参数的确定方法。其特征在于，确定工艺参数的步骤如下：定义；建立薄板全熔透激光焊工艺参数窗；确定薄板全熔透激光焊工艺参数。该方法不能对焊接过程中的突发情况进行自适应控制和调节，特别是对焊接质量要求更高的非熔透焊接接头，在遇到板厚变化，机械手速度波动等突发情况时，以确定的工艺参数进行焊接会导致未融合或者背部烧穿缺陷。