一种轴向点环多焦点激光焊接方法

1.本发明属于激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种轴向点环多焦点激光焊接方法。


背景技术：

2.铝合金、镁合金、钛合金等轻合金中厚壁构件具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在轨道交通、航空航天、船海工程等领域得到广泛应用。相较于传统的电弧焊和电子束焊接方法，激光束焊接具有能量密度高、熔合宽度窄、热影响区小、焊接效率高、对焊接环境要求少等优点，为轻合金中厚壁构件焊接提供了有效手段。在中厚板轻合金高功率焊接过程中，激光束作用于工件表面产生巨大的蒸汽反冲压力，形成细长小孔，由于轻合金板材自身物性参数、焊接过程失稳及板厚影响，导致焊缝气孔缺陷严重，显著降低焊接接头的力学性能。因此，开发合适的焊接工艺、抑制焊缝气孔缺陷、提高接头力学性能是亟待解决的关键问题。
3.针对上述问题，已有研究表明，采用激光搅拌焊接工艺，通过对熔池的快速搅拌作用，将产生的气泡搅拌至小孔下方，实现小孔与气泡重熔，从而降低焊缝中气孔缺陷。然而，该方法并未从源头上解决气泡生成，而且，由于能量的分散，导致形成小孔需要更大的能量热输入，也会导致焊缝侧偏。也有部分学者采用可调环形光束焊接工艺，通过保持小孔开口打开的时间，从而稳定小孔。但是，此类研究多用于解决轻合金薄板或不锈钢厚板的飞溅和气孔问题，尚未应用于解决轻合金中厚板激光焊接小孔失稳导致气孔缺陷频发的现象。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，旨在解决中厚板轻合金高功率激光焊接过程小孔易失稳致使焊缝气孔缺陷严重的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，包括：
6.将激光器发射出的点环激光束通过光学元件进行多焦点激光整形，使得整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，且中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠；其中，所述点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成；所述环光束焦平面与合束面之间的距离小于熔深；
7.采用整形后的激光束进行焊接。
8.进一步地，在焊接过程中，当中心光束作用于待焊工件时产生小孔，中心光束焦平面中心光斑熔化桥接熔融金属层以贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，合束面光斑维持熔深。
9.进一步地，以环光束焦平面为基准面，进行零离焦设置。
10.进一步地，通过一面非球面反射镜进行多焦点激光整形。
11.进一步地，中心光束与环光束的能量均呈高斯分布。
12.进一步地，焊接前，对待焊工件表面进行打磨，去除氧化层，并擦拭已打磨完毕的待焊工件，去除油污、表面残留物；将待焊工件固定在焊接平台上，逆时针偏转焊接头，使其与焊接平面垂直方向成0
°
～15
°
夹角，并进行焊接路径设置。
13.进一步地，以堆焊形式进行焊接，且以99.99％的氩气作为焊接保护气体。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
15.相比于传统焊接方法中，点环激光束的中心光束焦平面、环光束焦平面、合束面通常是重合的情况，本发明中点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成，且通过光学元件整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠。如此，通过合束面光斑维持熔深，中心光束焦平面中心光斑贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，可有效降低高功率激光焊接小孔坍塌频率，稳定焊接过程，抑制焊缝气孔缺陷。
附图说明
16.图1示意性示出了激光光路设置示意图；
17.图2示意性示出了点环多焦点轴向空间能量分布示意图；
18.图3示意性示出了三个特殊平面能量分布归一化图；
19.图4示意性示出了点环多焦点高功率激光焊接过程中焦点-小孔-熔池-工件示意图；
20.图5示意性示出了在焊接过程中，小孔发生坍塌时中心焦平面作用小孔-气泡间桥接熔融金属层示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
23.本发明通过光学元件整形得到一种轴向分布的多焦点光束，激光光路设置见图1所示，空间能量分布见图2中(a)所示，其由束腰形高斯分布的中心光束(也可称为点光束)与倒锥形高斯分布的外环光束耦合而成，两光束能量分配为中心能量：外环能量＝6:4，中心光束焦平面位于外环光束焦平面下方3mm处，两光束光斑在中心光束焦平面下方3mm的合束面处重叠，汇聚为一个光斑，能量分布呈高斯分布。通过合束面光斑维持熔深，中心光束焦平面中心光斑贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，可有效降低高功率激光焊接小孔坍塌频率，稳定焊接过程，抑制焊缝气孔缺陷。目前，通过光束整形得到此类空间分布的激光器鲜少报道，焊接工艺及其优化方案尚且空白。
24.本实施例以铝合金为例，其工艺方案如下：
25.采用长度为200mm、宽度为100mm、厚度为8mm的2024铝合金板材作为焊接母材；焊接前采用打磨机对铝合金板材表面轻轻打磨，去除氧化层，并用酒精擦拭已打磨完毕的铝合金板材，去除油污、表面残留物等；将待焊板材使用夹具固定在焊接平台上，逆时针偏转焊接头，使其与焊接平面垂直方向成10
°
夹角，并进行焊接路径设置。将ymm-10000光纤激光器通过一面非球面反射镜进行多焦点激光整形，光纤芯径为100μm，中心波长为1080
±
10nm，光束发散角为0.1rad，激光器最大功率为10000w。
26.采用激光整形后的光束进行焊接，激光焊接总功率为9000w，中心光束功率为5400w，环光束功率为3600w，在环光束焦平面处，中心光束光斑半径为0.15mm，环光束光斑内径为0.265mm，外径为0.435mm；在中心光束焦平面处，中心光束光斑半径为0.085mm，总光斑半径为0.27mm；在合束面处，总光斑半径为0.24mm。
27.以环光束焦平面为基准面，进行零离焦设置，则中心光束光斑呈现负离焦作用；以堆焊形式进行焊接，焊接速度为60mm/s；焊接保护气采用99.99％的纯氩气，其流量为25l/min，保护气气管直径为30mm，保证气管面积显著大于熔池面积，对熔池实现较好的保护。
28.焊接完成后，采用x射线对焊缝气孔分布进行测试。
29.本发明所用整形激光光束进行焊接，可变换多个工艺参数，本实施例所提到的工艺参数只是其中一种，可根据需要达到的焊接效果进行工艺参数选取。同时，需要说明的是，当本发明明确整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，且中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠时，如何通过光学元件实现上述整形，对于光学领域的技术人员而言是没有实施困难的。总体而言，通过本发明所构思的工艺方案主要有以下效果：
30.(1)本发明中采用的点环激光束空间能量分布极其特殊，其在垂直于焊接表面方向(即沿光束传播方向)具有三个特殊位置，这三个位置对小孔动态行为起到决定性作用。第一个特殊位置为环焦平面，此处的光斑为中心-环光斑，如图2中(b)所示，环光斑能量密度较其他位置的大，光斑较大，如图2中(c)所示，作用于工件表面；第二个特殊位置为中心光束的焦平面，此处的光斑为中心-环光斑，光斑尺寸较环焦平面小，如图2中(d)所示，能量更加集中，中心光束光斑能量密度在所有位置中达到最大如图2中(e)所示；第三个特殊位置为距中心光束焦平面下方3mm的合束面，此处的光斑为两光束叠加的圆形高斯光斑，如图2中(f)所示，其能量分布如图2中(g)所示；为了更加直观对比三个平面的能量分布大小，将其进行归一化处理，如图3所示。
31.(2)在焊接过程中，位于工件表面的环光斑具有熔化表层金属，保持小孔打开和预热母材的作用，减少中心光束穿透工件表面时所需的能量；当中心光束作用于母材时产生细长小孔，小孔的底部位置大于合束面的位置，此时，维持熔深的是单一的高斯光斑，如图4所示；当小孔壁面能量分布不均匀，发生颈缩现象进而坍塌时，位于中心光束焦平面位置的中心-环光斑会迅速熔化桥接熔融金属层，抑制小孔坍塌，其环光束会进一步支撑此位置的小孔壁面，维持小孔稳定，避免产生气泡，从而减少焊缝中气孔的形成，如图5所示。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，包括：将激光器发射出的点环激光束通过光学元件进行多焦点激光整形，使得整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，且中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠；其中，所述点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成；所述环光束焦平面与合束面之间的距离小于熔深；采用整形后的激光束进行焊接。2.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，当中心光束作用于待焊工件时产生小孔，中心光束焦平面中心光斑熔化桥接熔融金属层以贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，合束面光斑维持熔深。3.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，以环光束焦平面为基准面，进行零离焦设置。4.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，通过一面非球面反射镜进行多焦点激光整形。5.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，中心光束与环光束的能量均呈高斯分布。6.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，焊接前，对待焊工件表面进行打磨，去除氧化层，并擦拭已打磨完毕的待焊工件，去除油污、表面残留物；将待焊工件固定在焊接平台上，逆时针偏转焊接头，使其与焊接平面垂直方向成0
°
～15
°
夹角，并进行焊接路径设置。7.根据权利要求1所述的轴向点环多焦点激光焊接方法，其特征在于，以堆焊形式进行焊接，且以99.99％的氩气作为焊接保护气体。

技术总结
本发明公开了一种轴向点环多焦点激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。相比于传统焊接方法中，点环激光束的中心光束焦平面、环光束焦平面、合束面通常是重合的情况，本发明中点环激光束由束腰形分布的中心光束和倒锥形分布的环光束耦合而成，且通过光学元件整形后的点环激光束的中心光束焦平面位于环光束焦平面下方，中心光束光斑与环光束光斑在中心光束焦平面下方的合束面处重叠。如此，通过合束面光斑维持熔深，中心光束焦平面中心光斑贯通坍塌时的小孔与气泡，外环光斑支撑小孔中部，环光束焦平面环光斑维持小孔开口，可有效降低高功率激光焊接小孔坍塌频率，稳定焊接过程，抑制焊缝气孔缺陷。抑制焊缝气孔缺陷。抑制焊缝气孔缺陷。


技术研发人员：蒋平 杨露 耿韶宁 秦应雄 李硕 王建庄
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/19