本發(fā)明屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬薄板激光背反射增效焊接方法，具體地說(shuō)是一種利用在施焊薄板背面引入的勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)焊件背面由反射墊板誘發(fā)金屬蒸氣云所形成背面能場(chǎng)的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控的輔助電場(chǎng)調(diào)控背面能場(chǎng)的薄板激光背反射增效焊接方法。

背景技術(shù)：

激光焊接具有成形質(zhì)量好、熱影響區(qū)小、工件變形小、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合金屬薄板的焊接成形。眾所周知，在薄板激光深熔焊接過(guò)程中，較高的激光能量閾值勢(shì)必會(huì)使得熔池溫度較高，從而導(dǎo)致焊接接頭殘余應(yīng)力梯度增大；同時(shí)，在焊接過(guò)程中施焊薄板正面形成的等離子體云或金屬蒸氣云對(duì)激光的屏蔽作用也會(huì)趨于明顯，造成激光能量利用率下降。因此，薄板低閾值激光焊接成形方法備受關(guān)注。

在公開號(hào)為cn103978309a的專利申請(qǐng)中，公開了一種實(shí)現(xiàn)金屬薄板單面焊接雙面成形的高效激光深熔焊方法，該方法是在施焊金屬薄板的背面增設(shè)反射墊板，以利用反射墊板將激光穿透金屬薄板瞬間的激光以類似反射的形式重新作用回焊件背面，從而對(duì)背面焊接區(qū)進(jìn)行二次加熱進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單面焊接獲得雙面成形的x形焊縫，這種方法實(shí)質(zhì)是在施焊金屬薄板背部由反射墊板誘發(fā)形成一個(gè)金屬蒸氣云增效能場(chǎng)，從而在低能量閾值的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性好的x形焊縫，但是該方法還存在以下不足：由于背面金屬蒸氣云存在離散程度高、方向性較差等問(wèn)題，導(dǎo)致背面能場(chǎng)效率較低，同時(shí)其對(duì)背面焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的保護(hù)作用也尚不夠理想。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，目前還沒有發(fā)現(xiàn)利用勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)薄板背反射增效激光焊接背面能場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控的相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前金屬薄板背反射增效激光焊接中存在背面金屬蒸氣云離散度高、方向性差的問(wèn)題，發(fā)明一種利用勻強(qiáng)電場(chǎng)調(diào)控施焊薄板背面金屬蒸氣云的離散程度和方向，從而提高背面能場(chǎng)效率并改善背面能場(chǎng)對(duì)背面焊接區(qū)的保護(hù)作用的輔助電場(chǎng)調(diào)控背面能場(chǎng)的薄板激光背反射增效焊接方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種輔助電場(chǎng)調(diào)控背面能場(chǎng)的薄板激光背反射增效焊接方法，其特征是通過(guò)在施焊薄板和背面的反射墊板間引入直流電構(gòu)建平行板電容器，利用平行板電容器產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)的特性對(duì)焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控，以保證經(jīng)反射墊板誘發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區(qū)時(shí)其方向性和集中性較好。

具體步驟為：

a）先將220v交流電通過(guò)變壓整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?/p>

b）將調(diào)節(jié)好電壓值的變壓整流器出線端與安全閘刀進(jìn)線端相連后，再用導(dǎo)線將安全閘刀出線端與電流表、熔斷器、滑動(dòng)變阻器、定值電阻進(jìn)行串聯(lián)，最后將電壓表并聯(lián)在定值電阻兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板和待焊工件分別置于各自放置平臺(tái)上，將導(dǎo)線一端接觸反射墊板下表面，另一端引出接在定值電阻左端口；再用導(dǎo)線一端接觸待焊工件上表面，并用定位壓緊裝置將待焊件壓緊，另一端引出接在定值電阻右端口；

d）利用激光器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將激光頭移動(dòng)到待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發(fā)射的激光束每次都與待焊件拼接時(shí)的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器，將閘刀閉合，外部電路通電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值，從而間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓至所需電壓值，此過(guò)程對(duì)待焊工件與反射墊板所形成的平行板電容器進(jìn)行充電，待平行板電容器充電飽和穩(wěn)定時(shí)，開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光頭出光并按照指定軌跡進(jìn)行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀切斷外部電路，取下工件，至此完成一次焊接工序；待所有待焊工件全部焊接完畢后，最后關(guān)閉激光器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

所述將220v交流電通過(guò)變壓整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，其特征是直流電的輸出電壓?00-200v，焊接過(guò)程中以整流輸出電壓取上限為宜。

所述間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓，其特征是間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓在60-180v；

所述間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓，其特征是當(dāng)焊接鈦合金tc4薄板時(shí)間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓為120v；

所述待平行板電容器充電飽和穩(wěn)定，其特征是通電時(shí)間不低于2分鐘。

所述激光器為光纖激光器。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果：

（1）本發(fā)明所述方法利用輔助電場(chǎng)即平行板電容器的特性對(duì)焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控，提高了背面金屬蒸氣云能場(chǎng)的效率，相對(duì)于未加電場(chǎng)時(shí)提高了約6%-14%；

（2）本發(fā)明所述方法利用輔助電場(chǎng)即平行板電容器的特性對(duì)焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控，改善了背面金屬蒸氣云對(duì)背面焊接區(qū)的保護(hù)作用；

（3）本發(fā)明所述外部電路連接簡(jiǎn)單安全，采用的所有零部件可更換，使用的焊接夾具與現(xiàn)有的激光加工平臺(tái)具有較好的適配性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明裝置的原理示意圖。

圖2是未加輔助電場(chǎng)時(shí)激光背反射增效焊接過(guò)程示意圖。

圖3是添加輔助電場(chǎng)時(shí)激光背反射增效焊接過(guò)程示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例所述第一組實(shí)驗(yàn)未加輔助電場(chǎng)激光背反射增效焊接金屬薄板橫截面形貌。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例所述第三組實(shí)驗(yàn)添加輔助電場(chǎng)激光背反射增效焊接金屬薄板橫截面形貌。

圖中，1-交流電源、2-導(dǎo)線、3-變壓整流器、4-安全閘刀、5-熔斷器、6-電流表、7-電壓表、8-定值電阻、9-滑動(dòng)變阻器、10-焊接夾具、11-反射墊板、12-絕緣墊片、13-待焊金屬薄板、14-激光頭、15-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、16-激光器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1-5所示。

一種輔助電場(chǎng)調(diào)控背面能場(chǎng)的薄板激光背反射增效焊接方法，其實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵是通過(guò)在施焊薄板和背面的反射墊板間引入直流電構(gòu)建平行板電容器，利用平行板電容器產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)的特性對(duì)焊件背面金屬蒸氣云的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控，以保證經(jīng)反射墊板誘發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區(qū)時(shí)其方向性和集中性較好。

具體步驟為：

a）先將220v交流電通過(guò)變壓整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?/p>

b）將調(diào)節(jié)好電壓值的變壓整流器出線端與安全閘刀進(jìn)線端相連后，再用導(dǎo)線將安全閘刀出線端與電流表、熔斷器、滑動(dòng)變阻器、定值電阻進(jìn)行串聯(lián)，最后將電壓表并聯(lián)在定值電阻兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板和待焊工件分別置于各自放置平臺(tái)上，其中，在待焊工件與焊接夾具之間添加絕緣墊片，將導(dǎo)線一端接觸反射墊板下表面，另一端引出接在定值電阻左端口；再用導(dǎo)線一端接觸待焊工件上表面，并用定位壓緊裝置將待焊件壓緊，另一端引出接在定值電阻右端口；

d）利用激光器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將激光頭移動(dòng)到待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發(fā)射的激光束每次都與待焊件拼接時(shí)的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器，將安全閘刀閉合，外部電路通電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值，從而間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓至所需電壓值，此過(guò)程對(duì)待焊工件與反射墊板所形成的平行板電容器進(jìn)行充電，待平行板電容器充電飽和穩(wěn)定時(shí)，開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制激光頭出光并按照指定軌跡進(jìn)行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀切斷外部電路，取下工件，至此完成一次焊接工序；待所有待焊工件全部焊接完畢后，最后關(guān)閉激光器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

所述將220v交流電通過(guò)變壓整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，其特征是直流電的輸出電壓?00-200v，焊接過(guò)程中以整流輸出電壓取上限為宜。

所述間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓，其特征是間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓在60-180v；

所述間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓，其特征是當(dāng)焊接鈦合金tc4薄板時(shí)間接調(diào)節(jié)定值電阻兩端電壓為120v；

所述待平行板電容器充電飽和穩(wěn)定，其特征是通電時(shí)間不低于2分鐘。

所述激光器為光纖激光器。

以鈦合金tc4薄板激光焊接為例。實(shí)驗(yàn)分為四組，每組包含2塊25mm×40mm×0.6mm的矩形薄板試樣，反射墊板為al99.8市購(gòu)鋁板，保護(hù)氣體為純氬氣。四組試驗(yàn)均采用相同的激光器，型號(hào)為zksx-10d4光纖耦合全固態(tài)激光器，參數(shù)如下：額定功率1kw，波長(zhǎng)為1064nm，光束質(zhì)量為16-32mm*mrad，光纖芯徑數(shù)值孔徑為0.15μm；同時(shí)，四組試驗(yàn)均采用相同的工藝參數(shù)：激光功率600w、掃描速度300mm/min、離焦量-1mm、氬氣流量為15l/min。

第一組實(shí)驗(yàn)中，斷開安全閘刀4，在無(wú)輔助電場(chǎng)條件下對(duì)鈦合金薄板試樣進(jìn)行激光對(duì)接焊接，如圖2，焊接效果如圖4。

第二組至第四組實(shí)驗(yàn)中，閉合安全閘刀4，在有輔助電場(chǎng)條件下對(duì)鈦合金薄板試樣進(jìn)行激光對(duì)接焊接，如圖3。

實(shí)施具體過(guò)程如下：

a）先將220v交流電源1通過(guò)變壓整流器3轉(zhuǎn)變?yōu)轭~定值200v的直流電源；

b）用導(dǎo)線2將設(shè)置好額定值為200v的變壓整流器3的出線端與安全閘刀4進(jìn)線端相連，再用導(dǎo)線2將安全閘刀4出線端與熔斷器5、電流表6、定值電阻8、滑動(dòng)變阻器9進(jìn)行串聯(lián)，最后用導(dǎo)線2將電壓表7并聯(lián)在定值電阻8兩端，外部電路連接完畢；

c）將反射墊板11和待焊金屬薄板13分別置于各自放置平臺(tái)上，鈦合金tc4薄板試樣13和焊接夾具10之間添加絕緣墊片12，用導(dǎo)線2一端接觸反射墊板11下表面，另一端引出接在定值電阻8左端口；然后用導(dǎo)線2一端分別接觸兩塊待焊金屬薄板13上表面，并用定位壓緊裝置將待焊金屬薄板13壓緊，另一端引出接在定值電阻8右端口；

d）利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15將激光頭14移動(dòng)到激光頭待焊金屬薄板焊縫位置上方，確保發(fā)射的激光束每次都與待焊件拼接時(shí)的中間焊縫處于同一直線上；

e）開啟激光器16，將安全閘刀4閉合外部電路通電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器9的阻值，從而間接調(diào)節(jié)定值電阻8的兩端電壓（其中第二組實(shí)驗(yàn)至60v、第三組實(shí)驗(yàn)至120v、第四組實(shí)驗(yàn)至180v），此過(guò)程對(duì)待焊金屬薄板13與反射墊板11所形成的平行板電容器進(jìn)行充電2min后，待平行板電容器充電飽和穩(wěn)定時(shí)，開啟計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15控制激光頭14出光并按照焊縫軌跡進(jìn)行激光掃描焊接；

f）焊接完畢后，先斷開閘刀4切斷外部電路，取下焊好的金屬薄板，最后關(guān)閉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15和激光器16。

如圖3、5所示，在金屬薄板和背面的反射墊板之間引入勻強(qiáng)電場(chǎng)，利用輔助電場(chǎng)即平行板電容器的特性對(duì)焊件背面的金屬蒸氣云的離散程度和方向性進(jìn)行調(diào)控，以保證經(jīng)反射墊板誘導(dǎo)激發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸氣云重新作用回背部焊接區(qū)時(shí)其方向性和集中性較好，從而提高了背面能場(chǎng)效率并改善了背面能場(chǎng)對(duì)背面焊接區(qū)的保護(hù)作用。觀察試樣背面宏觀形貌可見，第二組至第四組實(shí)驗(yàn)所獲得試樣背面焊接區(qū)尤其是熱影響區(qū)氧化現(xiàn)象較第一組實(shí)驗(yàn)所獲得試樣要弱；同時(shí)，以焊縫區(qū)面積為背面能場(chǎng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，第二組至第四組實(shí)驗(yàn)中背面能場(chǎng)效率，相對(duì)于第一組實(shí)驗(yàn)分別增加了6.5%、13.8%和11.4%，達(dá)到本發(fā)明所述目的和效果。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。