一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法技术

一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，通过梯度激光能量设计,对残余拉应力大的焊接区域采用高的激光能量,对残余应力小的热影响区和基体区采用低的激光能量,对于过渡区域选择梯度能量，从而使得焊接接头的焊缝区、热影响区和基体区的应力分布更加均匀，避免单一能量冲击使得焊接接头不同区域的应力分布呈阶梯分布和应力集中的问题。在对焊缝区激光冲击时，激光光斑沿焊缝宽度移动，将有害应力移动到焊接接头以外区域，不影响焊接接头的力学性能，使材料的综合性能进一步提高，具有处理效率高、能够处理传统强化方法难以处理的部位和复杂的型面的特点，使得焊接不同区域表面应力分布趋于一致。

Laser shock strengthening deformation control method for stainless steel welding joint

A kind of stainless steel welded joints by laser shock deformation control method, through the gradient design of laser energy, the residual tensile stress of welding area by high laser energy, the residual stress of the heat affected zone and substrate with low laser energy, the transition region selection gradient energy, so that the weld zone, welding heat affected zone and substrate zone stress distribution is more uniform and avoid a single energy impact of the different regions of the stress distribution of ladder distribution and the stress concentration problem of welded joints. In the weld zone of laser shock, moving laser spot along the weld width, the harmful stress move to the region of welded joints, does not affect the mechanical properties of the welding joints, to further improve the comprehensive performance of the material, has the advantages of high processing efficiency, capable of handling traditional reinforcement methods are difficult to deal with the location and the characteristics of the complex, the welding in different regions of the surface stress distribution tends to be uniform.

【技术实现步骤摘要】
一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法
本专利技术涉及激光表面加工领域，具体涉及一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法。
技术介绍
随着航空航天产品的不断升级换代，部件的结构形式更加多样，这对材料的加工制造提出了更高的要求，为了提高承载能力和高性能、减轻重量，采用焊接的方式进行连接，是目前普遍采用的方式。奥氏体不锈钢因其焊态具有良好的塑性和韧性；当构件刚度不太大时，不易产生焊接裂纹，焊接性能优异。但它焊接时主要问题是产生比低碳钢大得多的变形。过大的焊接变形，不仅影响产品尺寸精度和外观，而且会降低其承载能力，缩短使用寿命，而矫正变形，费工、又提高成本，在矫正中或矫正后还会引起一些新的问题。因此构件焊后变形的大小，严重影响部件质量的优劣、施工程度的难易、生产效率等，了解产生焊接变形的原因，采取相应的控制措施，达到防止或减小焊接变形的目的，具有十分重要的意义。激光冲击强化是最近几十年发展起来的一种新型表面强化技术。它利用高功率脉冲激光诱导产生等离子体冲击波对金属材料作用，不仅能在零件表层形成数百MPa的残余压应力，而且可以提高零件表层硬度并使表面晶粒细化，从而显著改善不锈钢焊接件的抗疲劳性、耐磨损及抗应力腐蚀性能。采用激光冲击不锈钢焊接件可形成残余压应力提高其抗应力腐蚀性能，但对于薄构件焊接过程形成的应力分布不均导致接头变形和激光冲击过程与焊接接头作用过程发生的变形问题，严重制约了激光冲击强化在不锈钢焊接件上的应用。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的不锈钢焊接件的变形问题，本专利技术提出了一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，确定不同的激光冲击强化变形区：根据焊接过程形成焊缝和热影响区将焊接接头激光冲击强化变形区域分为焊缝区和焊缝外区域。所述的焊缝外区域中又划分为焊缝与热影响区之间的过渡区、热影响区和基体区。所述焊缝外区域包括该焊缝两侧的区域。步骤2，确定激光冲击路径：所述的激光冲击包括对焊缝的冲击和焊缝外区域的冲击。所确定的激光冲击路径分别是：确定焊缝区的激光冲击路径。所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝区宽度方向的“S”形路径。确定的焊缝区的激光冲击路径是：光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝区的宽度方向移动。当光斑移动至所述焊缝区表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝区的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。确定焊缝外区域的激光冲击路径。所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝的长度方向“S”形路径。所确定的焊缝外区域的激光冲击路径是：光斑以所述焊缝区外一端的一侧为起点，贴着该焊缝区边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝区边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝区的外侧移动半个光斑的直径。步骤3，确定梯度激光能量：根据焊接接头不同区域确定激光能量。焊缝区的激光能量选择0.7J～6J，焊缝区与热影响区之间的过渡区选择0.6～5.5J能量冲击，热影响区选择0.5～5J能量冲击，热影响区与基体之间过渡区采用0.4～4.5J的激光能量,激光的能量从焊缝区到基体，激光能量依次递减。步骤4，光斑参数的选择：激光光斑直径1mm～3mm，在焊缝区上的光斑数量的整数倍为焊缝的宽度尺寸，且满足所选的光斑直径要使焊缝区激光功率密度≤5GW/cm2，光斑的搭接率为50％。步骤5，激光冲击：根据所确定的激光冲击路径，利用纳秒脉冲激光分别对焊缝区和焊缝外区域依次进行激光冲击，完成对不锈钢焊接接头的第一次激光冲击强化变形。激光冲击焊缝区时，光斑按确定的“S”形移动路径移动。移动时，光斑以所述焊缝区一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交。当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝区的另一端，完成对焊缝区的激光冲击。激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝区外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。激光冲击焊缝外区域：移动光斑至焊缝区外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。冲击时，光斑按确定的“S”形移动路径移动。移动时，光斑以所述焊缝区外一端的一侧为起点，贴着该焊缝区边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。采用0.6J～5.5J激光能量冲击1～2排光斑，光斑的移动路径与焊缝的长度方向平行。当光斑移动至所述焊缝区边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧，采用0.5～5J激光能量，光斑贴着过渡区的边缘沿焊缝的长度方向移动，按“S”形移动路径移动冲击焊缝的热影响区，直至光斑移动至热影响区边缘到达基体区，光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径，采用0.4～4.5J激光能量沿焊缝的长度方向冲击1～3排光斑。完成对该焊缝外一侧区域的冲击。移动时，光斑以所述焊缝区外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至焊缝区该侧以外5～10mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击。光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝外区域表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对一侧焊缝区表面第一次的激光冲击。当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击。在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述，直至完成对焊缝该侧区域的冲击，即完成对另一侧焊缝外区域的第一次激光冲击。所述焊缝区与热影响区之间的过渡区为焊缝外区域的第1～2排光斑所在的范围；所述靠近热影响区的基体区为焊缝外区域中最外侧的1～3排光斑所在的范围。步骤6，重复冲击：按照所选的激光能量、光斑参数和路径，重复步骤5，对试件进行1～2次激光冲击强化加工。完成对不锈钢焊接接头的激光冲击强化变形。本专利技术在对不锈钢焊接接头激光冲击强化变形中通过合理选择激光冲击路径、梯度激光能量和光斑参数，实现对焊接接头变形的控制，使得不锈钢焊接接头不同区域表面产残余压应力趋于一致，不形成残余拉应力。与现有技术相比较，本专利技术具有以下有益效果：通过梯度激光能量设计,对残余拉应力大的焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定不同的激光冲击强化变形区：根据焊接过程形成焊缝和热影响区将焊接接头激光冲击强化变形区域分为焊缝区和焊缝外区域；所述的焊缝外区域中又划分为焊缝与热影响区之间的过渡区、热影响区和基体区；所述焊缝外区域包括该焊缝两侧的区域；步骤2，确定激光冲击路径：所述的激光冲击包括对焊缝的冲击和焊缝外区域的冲击；所确定的激光冲击路径分别是：确定焊缝区的激光冲击路径；所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝区宽度方向的“S”形；确定焊缝外区域的激光冲击路径；所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝长度方向的“S”形；步骤3，确定梯度激光能量：根据焊接接头不同区域确定激光能量；焊缝区的激光能量选择0.7J～6J，焊缝区与热影响区之间的过渡区选择0.6～5.5J能量冲击，热影响区选择0.5～5J能量冲击，热影响区与基体之间过渡区采用0.4～4.5J的激光能量,激光的能量从焊缝区到基体，激光能量依次递减；步骤4，光斑参数的选择：激光光斑直径1mm～3mm，在焊缝区上的光斑数量的整数倍为焊缝的宽度尺寸，且满足所选的光斑直径要使焊缝区激光功率密度≤5GW/cm...

【技术特征摘要】
1.一种不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定不同的激光冲击强化变形区：根据焊接过程形成焊缝和热影响区将焊接接头激光冲击强化变形区域分为焊缝区和焊缝外区域；所述的焊缝外区域中又划分为焊缝与热影响区之间的过渡区、热影响区和基体区；所述焊缝外区域包括该焊缝两侧的区域；步骤2，确定激光冲击路径：所述的激光冲击包括对焊缝的冲击和焊缝外区域的冲击；所确定的激光冲击路径分别是：确定焊缝区的激光冲击路径；所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝区宽度方向的“S”形；确定焊缝外区域的激光冲击路径；所确定的激光冲击路径即为光斑的移动路径；光斑的移动路径为沿焊缝长度方向的“S”形；步骤3，确定梯度激光能量：根据焊接接头不同区域确定激光能量；焊缝区的激光能量选择0.7J～6J，焊缝区与热影响区之间的过渡区选择0.6～5.5J能量冲击，热影响区选择0.5～5J能量冲击，热影响区与基体之间过渡区采用0.4～4.5J的激光能量,激光的能量从焊缝区到基体，激光能量依次递减；步骤4，光斑参数的选择：激光光斑直径1mm～3mm，在焊缝区上的光斑数量的整数倍为焊缝的宽度尺寸，且满足所选的光斑直径要使焊缝区激光功率密度≤5GW/cm2，光斑的搭接率为50％；步骤5，激光冲击：根据所确定的激光冲击路径，利用纳秒脉冲激光分别对焊缝区和焊缝外区域依次进行激光冲击，完成对不锈钢焊接接头的第一次激光冲击强化变形；步骤6，重复冲击：按照所选的激光能量、光斑参数和路径，重复步骤5，对试件进行1～2次激光冲击强化加工；完成对不锈钢焊接接头的激光冲击强化变形。2.如权利要求1所述不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，其特征在于，步骤2中所确定的焊缝区的激光冲击路径是：光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝区的宽度方向移动；当光斑移动至所述焊缝区表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝区的下方移动半个光斑的直径；继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径；重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。3.如权利要求1所述不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，其特征在于，步骤2中所确定的焊缝外区域的激光冲击路径是：光斑以所述焊缝区外一端的一侧为起点，贴着该焊缝区边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行；当光斑移动至所述焊缝区边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径；继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝区的外侧移动半个光斑的直径。4.如权利要求1所述不锈钢焊接接头激光冲击强化变形控制方法，其特征在于，激光冲击焊缝区时，光斑按确定的“S”形移动路径移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉琴，王学德，孟长军，张百灵，康进兴，李益文，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61