[发明专利]一种激光能量调制焊接方法

说明书

本发明涉及一种激光能量调制焊接方法，属于激光材料加工技术领域。特征在于：焊接时，根据激光焊接特征时间(光斑直径除以焊接速度)，激光能量按一定的调制频率进行功率调制输出焊接。具体特点是激光输出恒定功率时间t₁与激光输出调制功率时间t₂交替出现，交替频率为10Hz～500Hz；t₂时间段内激光的功率在零瓦与P之间(P为t₁时间内的恒定功率)。t₁和t₂的选取与焊接特征时间有关。这种焊接方法的优点在于可大幅度的减少激光能量输入，使熔池剧烈蒸发过程减弱，焊件变形明显减小，且几乎不影响焊接熔深；由于大幅度的降低了制造能耗，使得焊接制造过程更绿色环保。

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种激光能量调制焊接方法。

背景技术

与传统的焊接技术相比，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊缝深宽比大、接头性能好等显著的优点，被认为是焊接领域中最具活力的连接技术之一，已被广泛应用于核电、海洋、国防等领域。近年来，随着这些领域的快速发展，对焊接厚度、质量等方面均提出了更高的要求。例如，核反应堆的一些待焊部件厚度超过了100mm，采用激光焊接技术已面临新的挑战。目前，可行的方法包括电弧窄间隙多层填充焊、激光窄间隙多层填充焊及激光-电弧窄间隙多层填充焊，但此类方法存在重复加热、变形大、小孔型气孔多和侧壁未熔合缺陷难控制等难题。如果激光功率足够大，采用激光穿透焊的方式可能会克服上述难题。

近年来，得益于工业激光技术的突破，特别是光纤激光技术的突破，其最大稳定输出功率已可达100kW，这使得核电、海洋、国防等领域厚板的穿透高质焊接成为可能。例如，日本科学家采用50kW光纤激光，在低真空下实现了100mm厚不锈钢板的穿透焊接。然而，激光的功率太高又引入了新的问题：即使针对焊接性能优良的不锈钢，其穿透焊接过程也极不稳定。湖南大学采用10kW光纤激光焊接厚板不锈钢，发现焊接过程中蒸发和飞溅非常剧烈，且存在焊件变形、焊缝凹陷和焊缝底部下榻严重等焊接缺陷。

激光焊接的物理本质是基于熔池中的深熔小孔实现激光光能到熔池热能的光热转化。激光焊接中材料的剧烈蒸发和飞溅、焊件变形、焊缝表面凹陷及焊缝底部下榻等缺陷，均与焊接过程中激光能量输入过大(导致熔池处于过热状态)有关。一方面，为了获得更大的穿透深度，需要提高激光的功率和降低焊接速度；另一方面，提高激光功率和降低焊接速度以后，又存在能量输入过大导致的熔池过热问题。因此，在激光焊接中，需要对输入的激光能量实行调制，达到即不影响穿透深度，又抑制熔池能量过高引入的负面影响。

激光焊接厚板中，深熔小孔的形成过程非常迅速(见图2)，小孔的快速形成时间T_g(即孔深从快速增加过程转变为缓慢增加过程的拐点时间)小于焊接特征时间T_c(T_c为光斑直径除以焊接速度)。因此，在T_c内，设置前0～T_g内激光功率恒定，可基本不影响熔深；而在T_g～T_c内降低激光功率(该时间内激光功率对熔深几乎没有贡献，反而导致熔池处于过热状态)，可降低熔池中输入的激光能量。如此周而复始的进行能量调制焊接，可明显降低激光输入能量，几乎不影响熔深，显著降低焊件变形；另外，还可使生产过程更绿色环保。

本方法在焊接过程中周期性地调制输入的激光能量，在几乎不影响熔深的情况下，通过降低熔池中输入的能量，降低激光焊接中由于能量输入过大而引入的蒸发和飞溅剧烈、焊接过程稳定性差、焊件变形严重等负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光能量调制焊接方法，适用于金属材料和非金属材料的激光焊接。

所述的激光能量调制焊接方法，其特征在于：焊接时，激光光斑作用于工件表面，其功率按一定的调制频率进行调制焊接。