一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法技术

本发明专利技术涉及一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法，其特征在于：步骤1：第一母材（10）和第二母材（11）加工形成对接端面，并加工一系列倾斜半圆槽；步骤2：第一母材（10）和第二母材（11）对接并夹紧，在焊道上形成一系列倾斜盲孔；步骤3：第一超声变幅杆（3）压合于待焊工件的上表面；步骤4：第二超声变幅杆（4）固定在激光焊接头的一侧；步骤5：启动超声波发生装置，调节超声波频率；步骤6：激光束（5）垂直辐射工件上表面，在超声波的连续振动下完成焊接过程；步骤7：焊接完成后，保持超声波振动1 ～ 2分钟。在本发明专利技术中，通过预设倾斜盲孔和超声波振动，避免了小孔前沿壁局部蒸发反冲压力驱动的熔池下流而形成焊缝根漏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法。
技术介绍
激光焊接是激光加工技术中应用最广泛的先进工艺之一，具有焊接热输入小、焊缝深宽比大、速度快、焊缝变形小残余应力低、焊接精度和强度高、无需填料、易于实现自动化等突出优点，已经在汽车、造船、核电、管道等国民经济重要行业领域中得到应用。随着近来超高功率高亮度激光的研制成功，使得采用激光单道焊接厚板成为可能。激光深熔焊接类似于电子束焊接，可以获得大深宽比的焊缝。然而单纯的激光焊接（激光自熔焊接）大厚度平焊接头，焊接工艺参数范围极窄，易产生根漏等缺陷，即所谓的“透则漏”的问题！其根本原因在于小孔内能量耦合的不均匀导致的局部蒸发蒸汽反冲压力驱动的熔融金属高速流动。在2015年7月8日公开的，公开号为“CN103418917B”，专利技术名称为“一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法”的专利技术专利公开了一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其解决了激光焊接厚板平焊接头焊缝塌陷和下掉的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法提出的在焊缝底部同步喷射熔融金属的工艺措施，使得整个焊接装置的结构和控制变得复杂，焊前设备调试时间较长。在1995年8月15日公开的，公开号为“JP07-214316A”，专利技术名称为“片面自動熔接方法及装置”的专利技术专利公开了一种单面自动焊接方法和装置，其解决了从背面实时获取焊缝底部成形，通过图像处理反馈控制焊接参数来获得没有塌陷的稳定熔透焊缝，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法只能使用于薄板焊接和传统弧焊方法，对于激光焊接厚板由于熔池内部流动和巨大熔池自重的影响难以通过简单的工艺参数调整而实时消除塌陷缺陷。超声能量作为一种“神奇”的能量，特别是功率超声，由于工作频率高、穿透能力强以及可以改变物性等特点，目前已经有超声振动在常用焊接上的应用技术。在2010年1月6日公开的，公开号为“CN101219499A”，专利技术名称为“一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法”的专利技术专利公开了一种超声波与TIG电弧复合的焊接方法，其解决了TIG电弧能量密度分布不集中的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中TIG电极镶嵌于变幅杆中，不便拆卸、更换，限制了该方法的应用；TIG电弧工作于热导焊(熔入型)模式，熔池内不能产生小孔。在2011年7月27日公开的，公开号为“CN101690991B”，专利技术名称为“铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法”的专利技术专利公开了一种应用于铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，其解决了铝及铝合金尤其是铸造铝合金在真空电子束焊接过程中产生气孔、冷隔等空腔型缺陷的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法只是对真空电子束焊接熔池区域进行一定程度的振荡，对深熔小孔及塌陷缺陷的作用机制尚不清楚。在1982年5月18日公开的，公开号为“US4330699A”，专利技术名称为“激光/超声焊接方法”的专利技术专利公开了一种非接触激光/超声焊接方法，其解决了焊缝接头不均匀性和焊接质量差的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法只涉及到激光热传导焊接，即没有形成深熔小孔的焊接模式。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决目前高功率激光自熔穿透焊接厚板（>12mm）平焊接头成形过程中，焊接工艺参数范围窄，易出现根漏等焊接缺陷。本专利技术的技术方案是提供一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法，其特征在于。步骤1：第一母材和第二母材加工形成对接端面，并在对接端面上加工一系列倾斜半圆槽，除去第一母材和第二母材上下表面、对接面和半圆槽上杂质。步骤2：用焊接夹具将第一母材和第二母材准确对接与夹紧，实现第一母材和第二母材对接端面上的系列半圆槽精确对准，从而组成完整倾斜盲孔。步骤3：将第一超声变幅杆压合于第一母材和第二母材对接线的上表面，并位于焊道的末端，且其端面平均分布在第一母材和第二母材上。步骤4：将第二超声变幅杆固定在激光焊接头的一侧，位于焊接方向前方的第二超声变幅杆与激光束所成角度α为10°～15°。步骤5：启动超声波发生装置，调整第一超声变幅杆的超声振动频率为25kHz，振幅为30μm，调整第二超声变幅杆的超声振动频率为30kHz，振幅为10μm。步骤6：启动激光焊接系统，激光束垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一母材和第二母材上，第二超声变幅杆与激光束同步移动，在超声波的连续振动下完成焊接过程。步骤7：激光焊接结束后，保持超声波振动1～2分钟，关闭超声波发生器，结束焊接工艺流程。进一步地，在步骤2中，第一母材和第二母材对接端面上的系列半圆槽精确对准组成完整倾斜盲孔。本专利技术的有益效果是。1）在本专利技术中，通过在焊道上开设一系列盲孔，使得超声振动和声流效应更有效地作用于焊接熔池及深熔小孔壁，特别是小孔前沿壁，有助于稳定小孔前沿壁的熔融金属流动，获得光滑的小孔前沿壁面，避免了小孔前沿壁局部蒸发驱动的熔融金属高速向下流动而形成焊缝根漏。2）在本专利技术中，通过在焊道上开设一系列倾斜盲孔，焊接过程中小孔前沿壁下方的熔融金属层沿着倾斜盲孔向上流动，使得上半部分板材熔化速度大于下半部分板材，后熔化的下半部分材料有效托住了小孔前沿壁的熔池，避免了小孔前沿壁熔融金属快速向下流动而形成焊缝根漏。3）在本专利技术中，通过对激光焊接工艺参数(激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等)与超声工作参数(频率和振幅)的优化匹配，拓宽了厚板激光焊接工艺参数范围。4）采用本专利技术方法施焊有利于焊缝收尾时熔融金属对深熔小孔区的填充，从而大大减小了深熔焊接收尾处的弧坑深度，提高了焊缝表面成形的一致性。5）采用本专利技术方法施焊有利于焊接熔池中气体介质的上浮，从而大大改善了焊缝中气孔缺陷，提高了焊接焊缝致密性，获得高质量焊接接头。6）采用本专利技术提供的超声辅助激光深熔焊接方法，避免了传统电弧高温引起焊接缺陷，焊件变形、焊接裂纹以及残余应力等焊接缺陷大大减少，对大厚度大结构件焊接后无需后续机加工。7）采用本专利技术提供的超声辅助激光深熔焊接方法，可以精确控制厚板焊缝的成型形貌，如熔宽、余高等，可以推广应用到厚板横焊、立焊和全位置焊接等过程中，适应性强。附图说明图1是本专利技术所述超声辅助激光深熔焊接板材的方法示意图。图2是第一母材倾斜半圆槽分布示意图。图3是第二母材倾斜半圆槽分布示意图。图4是第一母材和第二母材对接后倾斜盲孔分布示意图。图5是本专利技术方法焊接的焊缝示意图。图6是单一激光束焊接的焊缝示意图。其中：1、待焊工件，2、倾斜半圆槽，3、第一超声变幅杆，4、第二超声变幅杆，5、激光束，6、小孔前沿壁，7、焊接小孔，8、焊接熔池，9、凝固的焊缝，10、第一母材，11、第二母材，12、第三母材，13、第四母材。具体实施方式以下将结合着附图1-6对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。如图1所示，焊接工件为厚度超过12mm厚的大结构板材。激光束垂直入射在工件上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法，其特征在于其特征在于：步骤1：第一母材（10）和第二母材（11）加工形成对接端面，并在对接端面上加工一系列倾斜半圆槽（2），除去第一母材（10）和第二母材（11）上下表面、对接面和半圆槽（2）上杂质；步骤2：用焊接夹具将第一母材（10）和第二母材（11）准确对接与夹紧，实现第一母材（10）和第二母材（11）对接端面上的系列半圆槽（2）精确对准，从而组成完整倾斜盲孔；步骤3：将第一超声变幅杆（3）压合于第一母材（10）和第二母材（11）对接线的上表面，并位于焊道的末端，且其端面平均分布在第一母材（10）和第二母材（11）上；步骤4：将第二超声变幅杆（4）固定在激光焊接头的一侧，位于焊接方向前方的第二超声变幅杆（4）与激光束（5）所成角度α为10°～ 15°；步骤5：启动超声波发生装置，调整第一超声变幅杆（3）的超声振动频率为25 kHz，振幅为30μm，调整第二超声变幅杆（4）的超声振动频率为30 kHz，振幅为10μm；步骤6：启动激光焊接系统，激光束（5）垂直辐射工件上表面，激光束（5）聚焦光斑大小平均分布在第一母材（10）和第二母材（11）上，第二超声变幅杆（4）与激光束（5）同步移动，在超声波的连续振动下完成焊接过程；步骤7：激光焊接结束后，保持超声波振动1 ～ 2 分钟，关闭超声波发生器，结束焊接工艺流程。...

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法，其特征在于其特征在于：
步骤1：第一母材（10）和第二母材（11）加工形成对接端面，并在对接端面上加工一系列倾斜半圆槽（2），除去第一母材（10）和第二母材（11）上下表面、对接面和半圆槽（2）上杂质；
步骤2：用焊接夹具将第一母材（10）和第二母材（11）准确对接与夹紧，实现第一母材（10）和第二母材（11）对接端面上的系列半圆槽（2）精确对准，从而组成完整倾斜盲孔；
步骤3：将第一超声变幅杆（3）压合于第一母材（10）和第二母材（11）对接线的上表面，并位于焊道的末端，且其端面平均分布在第一母材（10）和第二母材（11）上；
步骤4：将第二超声变幅杆（4）固定在激光焊接头的一侧，位于焊接方向前方的第二超声变幅杆（4）与激光束（5）所成角度α为10°～15°；
步骤5：启动超声波发生装置，调整第一超声变幅杆（3）的超声振动频率为25kHz，振幅为30μm，调整第二超声变幅杆（4）的超声振动频率为30kHz，振幅为10μm；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明军，胡永乐，毛聪，唐昆，张健，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43