[发明专利]一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法

说明书

本发明提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括：(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位嵌入焊接添料，设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面；(2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。本发明可以根据应用场合的需要，针对不同板材母材，选择不同材料组分的添料，实现各种特殊性能的焊接接头，有利于获得良好的焊缝组织，改善焊接接头性能。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法。

背景技术

激光焊接的目的是通过激光的辐射和被焊材料对激光能量的吸收产生液态熔池，并使之长大到理想尺寸，然后沿固液界面移动熔池，消除被焊构件间的初始缝隙，形成高质量的焊缝。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接机原理有两种：第一种是热传导焊接，当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热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；第二种是激光深熔焊，当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在一起。这两种焊接原理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接参数。

在激光焊接中，现行焊接工艺一般不需要填充金属。在这种情况下，焊缝的组织和硬度主要由板材的化学成分和激光照射条件来决定。采用填充焊丝的激光焊接由于可以选择任意合金成分的焊丝作为最佳的焊缝过渡合金，因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能。可以对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。可以得到无污染、杂质少的焊缝。在异种合金的焊接中，激光填丝焊接可有效地降低熔池内由于优先溶解与物理、化学性能差异引起的偏析等问题的发生；并且由于激光焊接的能量密度高，焊接过程中焊接速度快、加热时间短，可有效抑制金属间化合物的形核与生长。然而，异种激光焊接过程复杂，包含金属材料对激光的吸收、能量与动量的传递与转换、光致等离子体对激光的散射与吸收、熔池形成及演化、匙孔效应以及熔池凝固等物理过程，在这些物理过程中所涉及的一些问题都将直接影响接头力学性能。熔池过大或过小，或者蒸发严重，都将导致焊接的失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其他因素的改变而恶化，如合金组分的蒸发，过大的温度梯度(导致热裂纹)，以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定(导致气孔和空穴)等。另外，超高强度材料在使用中经常需要与其他成形性能好的材料搭接焊在一起，但其物理化学性质比较特殊，焊接工艺较难控制。采用大功率激光光束焊接时，因其能量密度极高，被焊工件经受快速加热和冷却的热循环作用，使得焊缝和热影响区区域极窄，其硬度远远高于母材。因此，该区域的塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度，应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施。目前，对于异种材料焊接、超高强度材料焊接等对焊接接头有特殊要求的场合，还没有很好的办法能够保证其焊接质量。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括如下步骤：

(1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位沿焊接路径设置焊接添料剖口，在所述焊接添料剖口内嵌入焊接添料，形成内藏添料的焊接结构；设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面，并且焊接添料位于双圆环复合整形光束中的内圆激光照射区域的下方；