一种大功率激光焊接特性高通量检测方法技术

一种大功率激光焊接特性高通量检测方法，本发明专利技术涉及材料加工工程领域。本发明专利技术要解决现有对激光的测试方法操作复杂、数据庞大，且偏差较大的技术问题。方法：加工光斑尺寸试样和焊缝熔深试样，将试样装夹、固定，调整激光焊枪和保护气管的位姿，设定焊接路径，设定激光焊接工艺参数，对光斑尺寸试样进行焊接，测量熔宽，建立锯齿位置与熔宽的关系，获得实际焦点位置；对焊缝熔深试样进行同样的焊接，测量与光斑尺寸试样熔宽位置对应的焊缝熔深。本方法有效解决了多批次，多数量焊接试验带来时间和成本问题，规避了外界因素对检测结果带来的不利影响，实现了对大功率激光焊接光学特性的高效、精准、定量化表征。定量化表征。定量化表征。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率激光焊接特性高通量检测方法


[0001]本专利技术涉及材料加工工程领域，具体涉及一种功率密度较高的大功率激光焊接过程中，激光束穿过光致等离子体后光束特性定量化表征的快速、高效检测方法。

技术介绍

[0002]激光焊接作为高能束焊接的一种，具有焊接热输入小、焊缝热影响区窄、焊后变形小，且便于自动化控制等技术优势，在一些关键零部件的连接中发挥了不可替代的作用。以往受激光器输出功率限制，相关研究和应用涉及的激光输出功率多集中在千瓦级，近年来伴随着激光器核心部件制造技术的整体提升，激光器稳定的输出功率由千瓦级快速发展到万瓦级。同千瓦级激光焊接技术相比，万瓦级激光焊接光斑的能量密度显著提升，单次焊接焊缝熔深较大，已在大厚壁构件的高效、高质连接中展现出独特优势。但是，被高能量密度辐照的材料会产生不同于千瓦级焊接时的现象，其中较为明显的就是光致等离子体产生数量的变化。诸多研究表明，存在于熔池上方的高温光致等离子体由于其物化特性和空气介质存在较大差异，激光束穿过其中时高温光致等离子体会以逆韧致吸收、米氏散射等方式对激光束的传输特性产生不可忽视的影响，致使激光束自身的聚焦位置发生变化，同时也影响到材料对激光能量的有效吸收，而这两者又是决定激光焊接质量的重要因素。当激光器输出功率达到一定阈值时，焊缝熔深增加趋势逐步放缓就是光致等离子体对激光束传输特性产生影响的典型例证。
[0003]深入分析光致等离子体对焊接过程中光束传输特性的影响规律，探明大功率激光焊接过程中激光和羽辉作用后的光束特性，进而有针对性的提出解决措施，是促进和指导大功率激光焊接技术发展和进一步走向工程化应用亟需解决的关键问题。然而，现有的激光束光学特性检测方法都是借助传感器对激光束自身的光学特性进行分析，对焊接过程中激光束穿过等离子体后的实际光束特性缺乏系统性的分析和量化的认知，这主要是因为激光束穿过光致等离子体后的实际光束特性很难通过数字化传感器直接获取。通过实验技术间接获得不同工艺参数下激光束穿过光致等离子体后的光学特性，然后进行归纳总结，得到焊接过程中不同参数对光学特性的影响规律，是一种行之有效的检测策略。
[0004]然而，该方法对实验技术自身提出了极高的要求，如何合理的设计实验，提取实验数据，并进行恰当的处理是决定该方法成功与否的关键。针对激光焊接相关的研究，以往采用的实验方法多是通过离散的实验手段选取若干个主要因素，进行单因素或多因素正交实验，该类方法虽然可以获得最终的实验结果，但实验批次较多，实验周期相对较长，且获取的实验数据处理起来也极为繁琐，很容易造成实验结果和实际情况存在较大偏差。同时，激光焊接属于精密材料加工技术，激光枪、保护气和被加工材料之间的相对位置，焊接时周围空气的湿度，激光辐照区域保护气体的流量及流速，光学传输系统的洁净程度和试板表面的状态等都是影响实验结果的关键因素，某些因素的变化甚至会产生完全相反的实验结果。为此，如何开发一种能真实反映激光焊接过程中光致等离子体对光束特性影响的高效、精准、定量化、可重复的检测方法，对促进激光焊接，尤其是大功率激光焊接技术的发展和
工程化应用具有重要的指导意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决现有对激光的测试方法操作复杂、数据庞大，且偏差较大的技术问题，而提供一种大功率激光焊接特性高通量检测方法。
[0006]一种大功率激光焊接特性高通量检测方法，具体按以下步骤进行：
[0007]一、根据试样材料和激光功率，加工光斑尺寸试样，确定光斑尺寸试样的锯齿深度h1、锯齿宽度w1、锯齿间距w2、厚度h、长度l、宽度w和起焊区长度l1，计算终焊区长度l2，计算方法为l2＝l
‑
l1‑
[2
×
w2‑
(w1+w2)]×
h；然后制备焊缝熔深试样，焊缝熔深试样的待焊面为平面，焊缝熔深试样的长度、宽度和厚度均与光斑尺寸试样相同；
[0008]二、将光斑尺寸试样和焊缝熔深试样按照相同的倾斜角度θ进行装夹、固定，两个试样的上表面位于同一平面；
[0009]三、调整激光焊枪和保护气管的位姿，其中激光焊枪与光斑尺寸试样的待焊面垂直，保护气管和光斑尺寸试样的待焊面平行，设定起焊点激光标定焦点与光斑尺寸试样待焊面的垂直距离为f，标定焦点位于光斑尺寸试样待焊面上方，保护气管与激光束照射点的距离为5～10mm，保护气管与光斑尺寸试样待焊面的距离为3～8mm；
[0010]四、设定焊接路径，包括起焊点和终焊点：起焊点位于起焊区，焊接起点与光斑尺寸试样边缘的距离为5～10mm；终焊点位于终焊区，终焊点与光斑尺寸试样边缘的距离为5～15mm；
[0011]五、设定激光焊接工艺参数，包括：激光功率P、保护气体流量Q、光斑尺寸试样移动速度v1、保护气管移动速度v2；其中
[0012]六、检查确定激光器、保护气管、试样移动设备和保护气管移动设备是正常工作状态，按启动按钮，沿着焊接方向，进行焊接；
[0013]七、依次测量光斑尺寸试样每个锯齿的熔宽，建立锯齿位置与熔宽的关系，方法如下：
[0014]①
以标定焦点为参考点，确定由前至后第i个锯齿中心位置移动到激光束照射点时，锯齿与标定焦点的垂直距离f
i
，f
i
＝f
‑
[0.5w1+w2+l1‑
l3+(w1+w2)
×
(i
‑
1)]×
tanθ，l3为起焊点与光斑尺寸试样前端边缘的距离；
[0015]②
依次测量锯齿中心位置的熔宽W
i
，W
i
为由前至后第i个锯齿焊接面的熔宽，确定最小熔宽的位置，即为实际焦点；
[0016]③
确定实际焦点的检测精度为D mm，以D mm为变化幅度，改变起焊点激光标定焦点与光斑尺寸试样待焊面的垂直距离f，采用步骤五的焊接工艺参数，再次进行焊接，并测量锯齿焊接面的熔宽，重复操作，进行2
×
(w1+w2)/D次测试；
[0017]八、对焊缝熔深试样进行与光斑尺寸试样相同工艺的激光焊接，然后将焊缝熔深试样沿着焊缝中心线进行分割，再进行粗磨，细磨，抛光和腐蚀处理，测量与步骤七光斑尺寸试样熔宽位置对应的焊缝熔深H
i
，测量焊缝熔深的位置，即测量位置与焊缝熔深试样前端边缘的距离L
j
，采用的计算公式为：L
j
＝0.5w1+w2+l1‑
l3+D
×
(j
‑
1)tanθ，其中，j为整数，且
[0018]九、依次将步骤七获得的熔宽和步骤八获得的熔深进行对比分析，获得激光焊接特性，完成该方法。
[0019]进一步的，所述光斑尺寸试样的锯齿深度h1为2～6mm、锯齿宽度w1为2～4mm、锯齿间距w2为3～6mm、起焊区长度l1≥30mm，计算终焊区长度l2＞15mm。
[0020]其中步骤七中
③
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率激光焊接特性高通量检测方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：一、根据试样材料和激光功率，加工光斑尺寸试样，确定光斑尺寸试样的锯齿深度h1、锯齿宽度w1、锯齿间距w2、厚度h、长度l、宽度w和起焊区长度l1，计算终焊区长度l2，计算方法为l2＝l
‑
l1‑
[2
×
w2‑
(w1+w2)
×
h]；然后制备焊缝熔深试样，焊缝熔深试样的待焊面为平面，焊缝熔深试样的长度、宽度和厚度均与光斑尺寸试样相同；二、将光斑尺寸试样和焊缝熔深试样按照相同的倾斜角度θ进行装夹、固定，两个试样的上表面位于同一平面；三、调整激光焊枪和保护气管的位姿，其中激光焊枪与光斑尺寸试样的待焊面垂直，保护气管和光斑尺寸试样的待焊面平行，设定起焊点激光标定焦点与光斑尺寸试样待焊面的垂直距离为f，标定焦点位于光斑尺寸试样待焊面上方；四、设定焊接路径，包括起焊点和终焊点：起焊点位于起焊区，焊接起点与光斑尺寸试样边缘的距离为5～10mm；终焊点位于终焊区，终焊点与光斑尺寸试样边缘的距离为5～15mm；五、设定激光焊接工艺参数，包括：激光功率P、保护气体流量Q、光斑尺寸试样移动速度v1、保护气管移动速度v2；其中六、检查确定激光器、保护气管、试样移动设备和保护气管移动设备是正常工作状态，按启动按钮，沿着焊接方向，进行焊接；七、依次测量光斑尺寸试样每个锯齿的熔宽，建立锯齿位置与熔宽的关系，方法如下：
①
以标定焦点为参考点，确定由前至后第i个锯齿中心位置移动到激光束照射点时，锯齿与标定焦点的垂直距离f
i
，f
i
＝f
‑
[0.5w1+w2+l1‑
l3+(w1+w2)
×
(i
‑
1)]
×
tanθ，l3为起焊点与光斑尺寸试样前端边缘的距离；
②
依次测量锯齿中心位置的熔宽W
i
，W
i
为由前至后第i个锯齿焊接面的熔宽，确定最小熔宽的位置，即为实际焦点；
③
确定实际焦点的检测精度为D mm，以D mm为变化幅度，改变起焊点激光标定焦点与光斑尺寸试样待焊面的垂直距离f，采用步骤五的焊接工艺参数，再次进行焊接，并测量锯齿焊接面的熔宽，重复操作，进行2
×
(w1+w2)/D次测试；八、对焊缝熔深试样进行与光斑尺寸试样相同工艺的激光焊接，然后将焊缝熔深试样沿着焊缝中心线进行分割，再进行粗磨，细磨，抛光和腐蚀处理，测量与步骤七光斑尺寸试样熔宽位置对应的焊缝熔深H
i
，测量焊缝熔深的位置，即测量位置与焊缝熔深试样前端边缘的距离L
j
，采用的计算公式为：L
j
＝0.5w1+w2+l1‑
l3+D
×
(j
‑
1)tanθ，其中，j为整数，且九、依次将步骤七获得的熔宽和步骤八获得的熔深进行对比分析，获得激光焊接特性，完成该方法。2.根据权利要求1所述的一种大功率激光焊接特性高通量检测方法，其特征在于步骤一试样材料为钛合金、不锈钢、碳钢或镍基合金，当激光功率P为10kW≤P＜15kW时，光斑尺
寸试样的锯...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨义成，陈健，黄瑞生，杜兵，徐锴，聂鑫，方迪生，方乃文，孙谦，费大奎，武鹏博，邹吉鹏，梁晓梅，陈晓宇，李荣，
申请(专利权)人：哈尔滨焊接研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：