[发明专利]一种抑制万瓦级激光焊接厚板上表面缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种万瓦级激光焊接厚板时上表面部分缺陷的抑制方法，主要应用在万瓦级厚板激光焊接过程中，提高激光深熔焊熔池的稳定性，抑制上表面飞溅的形成和减少下表面焊缝塌陷的影响，最终提高焊接质量。

背景技术

激光技术是一种具有特殊性质的电磁波，是二十一世纪的重要发明之一，由于激光拥有高亮度和高方向性，及良好的单色性和相干性等优点，经过几十年的发展后，激光技术已经在工业领域获得了广泛的应用。激光焊接是激光加工技术的重要应用技术之一，应用前景广阔，目前正在逐步取代其他的传统焊接方式。激光焊接以高能束聚焦，能实现深熔焊、快速焊等难以实现的工艺，设备搭配灵活,检测技术成熟,能够在大批量生产中实现自动化,目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产，尤其是在发达的工业国家里。

厚板焊接是激光焊接的新型应用方面，未来将在船舶制造、飞机制造、等工业领域得到突破应用，传统的厚板焊接方法有电弧焊接、电子束焊接等，工艺繁琐，需要进行多道焊接，而随着近年来超高功率激光器的研制成功，使用高功率激光进行单道厚板焊接的研究成为热点。

激光深熔焊是激光焊接厚板的基础原理，具有焊接接头深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小且一般不加填充材料等优点，焊接时激光深熔小孔的形成和稳定性决定了焊缝成形的质量，使用单道激光焊接厚板时，所需纯激光功率往往非常之高并且能量利用率较低，所以焊接熔池难以成型并保持稳定，从而产生飞溅、驼峰、塌陷、气孔以及焊不透等缺陷，开展这方面的研究具有深刻的理论意义。

激光复合焊接厚板是目前解决厚板焊接问题的主要方式之一，特别是激光电弧复合焊接，可以有效的降低所需激光功率，提高焊缝成型效率，但是也存在若干待解决的问题。

在2013年11月27日公开的,公开号为CN103406675A,发明名称为“一种厚板高强钢激光电弧复合焊接方法及其夹具”的发明发明公开了一种使用激光与电弧复合焊接厚板高强钢的方法和夹具，通过对焊接的厚板高强钢进行开双面坡口处理,工件准备,预热处理,并且运用激光和电弧复合焊接处理进行焊接。优点是：相比传统多层多道焊接进步明显，工艺大大简化，,采用激光直接预热的方式,无需其他预热装置，简化了预热工艺。缺点是：需要开设双面坡口，需要设计专用夹具，效率低；预热次数较多，预热温度不好精确控制，影响工件成形质量。

在2013年4月3日公开的,公开号为CN103008895A,发明名称为“一种面向厚板的窄间隙多道激光焊接方法”的发明发明公开了了一种面向厚板的激光多道焊接方法，其中在厚板上预留间隙或者预开一个带钝边的坡口,采用激光自熔焊在焊一道进行打底,再进行激光填丝焊，最后进行激光一GMAW复合焊,完成厚板的焊接。优点是：减少焊接材料与能量消耗,降低了焊接生产成本；热压缩塑性变形量减小,沿板厚方向上更趋均匀化,接头残余应力及残余变形减小，同时可以获得较小的热影响区,接头韧性提高。缺点是：先后进行激光自熔焊，激光填丝焊，激光电弧复合焊，且都需要开设预开坡口，工艺过于复杂，设备更换频繁，生产效率低。

在2013年12月4日公开的,公开号为CN103418917A,发明名称为“一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法”的发明发明公开了一种新型的激光复合焊接方法，其特征在于：使用纯激光焊接，增设喷枪在焊缝底部，焊接时熔融金属液从金属熔融装置中经喷枪喷射到底部坡口中，目的是解决目前超高功率激光自熔焊接，大厚度板平焊接头,深熔穿透焊接成形过程中,出现的塌陷和下掉等焊接缺陷。优点是：设备简单，方法易实现，可以有效的抑制焊缝的塌陷和下掉等重大缺陷。存在的问题是：虽然抑制了焊缝底部的缺陷，但无法控制焊缝上部的成形质量和抑制上表面飞溅。

激光深熔焊接的本质特征是存在着小孔效应，即高功率密度激光照射到工件表面时，材料表面产生气化，同时产生等离子体，在气化压力作用之下，将熔融材料抛出产生小孔，光束沿着小孔深入到材料的内部，通过小孔孔壁对激光的多次反射吸收和等离子体的逆韧致辐射吸收，实现深熔焊接。焊接小孔和孔内外等离子体的动态行为决定了焊缝成型的状态，是一个非常复杂的能量材料耦合过程。当焊接熔池难以保持稳定时，熔池剧烈波动变化，以及熔池小孔内外金属蒸汽和等离子体的相互作用，进而容易产生飞溅、驼峰、塌陷、气孔以及焊不透等缺陷。