一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法

摘要

本发明公开了一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，包括以下步骤：1)检测待焊薄壁工件的待焊接区域，确定待焊薄壁工件的特征尺寸参数，并根据待焊薄壁工件的特征尺寸参数规划焊接路径，同时计算激光摆动的频率及振幅，并根据待焊薄壁工件的熔深范围确定激光调制的参数；2)对待焊薄壁工件进行预处理；3)激光焊接头发出的激光光束按照步骤1)规划的焊接路径，以步骤1)得到的激光摆动的频率及振幅和激光调制的参数在惰性气体的保护下对待焊薄壁工件的待焊接区域进行激光摆动调制焊接，直至完成薄壁工件的焊接，该方法能够有效的解决焊缝熔深不均匀，减少间隙敏感性。

权利要求

1.一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测待焊薄壁工件的待焊接区域，确定待焊薄壁工件的特征尺寸参数，并根据待焊薄壁工件的特征尺寸参数规划焊接路径，同时计算激光摆动的频率及振幅，并根据待焊薄壁工件的熔深范围确定激光调制的参数；

2)对待焊薄壁工件进行预处理；

3)激光焊接头发出的激光光束按照步骤1)规划的焊接路径，以步骤1)得到的激光摆动的频率及振幅和激光调制的参数在惰性气体的保护下对待焊薄壁工件的待焊接区域进行激光摆动调制焊接，直至完成薄壁工件的焊接，其中，焊接过程中，激光热源沿焊缝轴线方向移动，同时激光束以0‑300Hz的频率横向摆动，摆动幅度为0‑5mm，且在沿垂直于焊缝轴线的横向方向上激光功率为横向空间位置的函数；

步骤3)中，在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，根据焊缝熔深d变化情况，依据d＝f(p)，计算对应的激光功率p0、p1、p2、p3，、、、，pn，其中，焊接熔深d与激光功率p的关系即d＝f(p)为：

焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2。

2.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，步骤3)中的惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为15L/min‑40L/min。

3.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，待焊薄壁工件的材质为低合金钢、高强钢、不锈钢，待焊薄壁工件的厚度为0.5‑10mm，工艺台阶高度为0.5‑8mm。

4.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，步骤3)中激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s。

5.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，步骤1)中，在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，以角平分线为中心呈放射状，激光以角平分线为中心进行摆动，计算该区域的熔深，得该方向上的焊缝熔深变化情况，确定不同位置的焊缝熔深d0、d1、d2、d3，、、、，dn。

6.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，步骤1)中在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，根据待焊薄壁工件的大小确定激光摆动的频率及振幅。

7.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为

0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，焊接线速度与激光摆动的频率和振幅A的关系为：

焊接线速度＝激光摆动频率*2*激光摆动振幅在焊接线速度和激光摆动振幅确定的情况下，得激光摆动频率，其中，焊接熔深d与激光功率p的关系为：

焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2。

8.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，激光摆焊的方式为横向摆焊。

9.根据权利要求1所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，步骤2)中的具体操作为：对待焊接区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待焊接区域表面的氧化皮，使其呈现出金属光泽。

说明书

一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，涉及一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法。

背景技术

[0002] 战略及战术固体火箭发动机薄壁金属壳和导弹壳体的电缆支座需要对薄壁构件进行激光焊接。大型薄壁件具有刚度低、几何尺寸大、形状不规则等特点，这导致了大型薄
壁构件在焊接前难以进行刚性固定，激光焊接对焊前工件表面处理，装配要求程度非常高。
装配间隙过大，焊接过程产生的热收缩使得工件横向位移而达不到保持熔池前方的接缝间
隙(0‑0.05mm)，必然产生连续烧穿。对接缝的装配间隙过小时，焊接过程中的热收缩引起横
向位移，使热影响区及其附近区域在高温作用下产生失稳变形。大型薄壁构件焊缝长，焊接
行程长，易产生错边，对接缝间隙难以保证完全均匀一致，造成焊接质量不稳定。在常功率
焊接的情况下，由于工艺台阶的存在会导致焊缝表面不平整，容易导致熔深不均匀。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，该方法能够有效的解决焊缝熔深不均匀，减少间隙敏感性。

[0004] 为达到上述目的，本发明所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法包括以下步骤：

[0005] 1)检测待焊薄壁工件的待焊接区域，确定待焊薄壁工件的特征尺寸参数，并根据待焊薄壁工件的特征尺寸参数规划焊接路径，同时计算激光摆动的频率及振幅，并根据待
焊薄壁工件的熔深范围确定激光调制的参数；

[0006] 2)对待焊薄壁工件进行预处理；

[0007] 3)激光焊接头发出的激光光束按照步骤1)规划的焊接路径，以步骤1)得到的激光摆动的频率及振幅和激光调制的参数在惰性气体的保护下对待焊薄壁工件的待焊接区域
进行激光摆动调制焊接，直至完成薄壁工件的焊接，其中，焊接过程中，激光热源沿焊缝轴
线方向移动，同时激光束以0‑300Hz的频率横向摆动，摆动幅度为0‑5mm，且在沿垂直于焊缝
轴线的横向方向上激光功率为横向空间位置的函数。

[0008] 步骤3)中的惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为15L/min‑40L/min。

[0009] 待焊薄壁工件的材质为低合金钢、高强钢、不锈钢，待焊薄壁工件的厚度为0.5‑10mm，工艺台阶高度为0.5‑8mm。

[0010] 步骤3)中激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s。

[0011] 步骤1)中，在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，以角平分线为中心呈放射状，激光以角平分线为中心进行摆动，计算该区域的熔深，得该方向上的焊缝熔深变化情况，确定不同
位置的焊缝熔深d0、d1、d2、d3，、、、，dn。

[0012] 步骤3)中，在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，根据焊
缝熔深变化情况，依据d＝f(p)，计算对应的激光功率p0、p1、p2、p3，、、、，pn，其中焊接熔深d与
激光功率p的关系即d＝f(p)为：：

[0013] 焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2

[0014] 步骤1)中在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，根据待焊薄壁工件的大小确定激光摆动的频率及振幅。

[0015] 在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，焊接线速度与激光
摆动的频率和振幅A的关系为：

[0016] 焊接线速度＝激光摆动频率*2*激光摆动振幅

[0017] 在焊接线速度和激光摆动振幅确定的情况下，得激光摆动频率，其中，焊接熔深d与激光功率p的关系为：

[0018] 焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2

[0019] 激光摆焊的方式为横向摆焊。

[0020] 步骤2)中的具体操作为：对待焊接区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待焊接区域表面的氧化皮，使其呈现出金属光泽。

[0021] 本发明具有以下有益效果：

[0022] 本发明所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法在具体操作时，针对大型薄壁件刚度低，承受的拘束力小等特点，为了解决大型薄壁构件焊缝长，焊接行程
长，易产生错边，对接缝间隙难以保证完全均匀一致，造成焊接质量不稳定的问题，通过分
析研究激光工艺参数对外部件焊缝熔深的影响规律，建立激光线能量与焊缝熔深的映射关
系，再通过将实时焊接路径与激光摆动调制相结合，以精确控制熔深，使熔深更加均匀，激
光能量分布更加离散，热影响区的面积更小，间隙敏感性降低，继而有效完成大型薄壁件的
激光焊接，使焊接质量更加稳定。

附图说明

[0023] 图1为本发明中焊接功率与焊接熔深的拟合关系曲线图；

[0024] 图2为本发明中焊缝轮廓的曲线图；

[0025] 图3为本发明中激光摆动调制焊接的示意图；

[0026] 图4为本发明中横向摆焊及摆焊路径的示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0028] 参考图1，本发明所述的含工艺台阶外部件与薄板基体的激光调制焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0029] 1)检测待焊薄壁工件的待焊接区域，确定待焊薄壁工件的特征尺寸参数，根据图2确定焊缝的轮廓曲线图，并根据待焊薄壁工件的特征尺寸参数规划焊接路径，同时计算激
光摆动的频率及振幅，并根据待焊薄壁工件的熔深范围确定激光调制的参数；

[0030] 2)对待焊薄壁工件进行预处理；

[0031] 3)激光焊接头发出的激光光束按照步骤1)规划的焊接路径，以步骤1)得到的激光摆动的频率及振幅和激光调制的参数在惰性气体的保护下对待焊薄壁工件的待焊接区域
进行激光摆动调制焊接，直至完成薄壁工件的焊接，其中，焊接过程中，激光热源沿焊缝轴
线方向移动，同时激光束以0‑300Hz的频率横向摆动，摆动幅度为0‑5mm，且在沿垂直于焊缝
轴线的横向方向上激光功率为横向空间位置的函数。

[0032] 步骤3)中的惰性气体为纯度为99.999％的氩气，惰性气体的流量为15L/min‑40L/min。

[0033] 待焊薄壁工件的材质为低合金钢、高强钢、不锈钢，待焊薄壁工件的厚度为0.5‑10mm，工艺台阶高度为0.5‑8mm。

[0034] 步骤3)中激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s。

[0035] 步骤1)中，在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，以角平分线为中心呈放射状，激光以角平分线为中心进行摆动，计算该区域的熔深，得该方向上的焊缝熔深变化情况，确定不同
位置的焊缝熔深d0、d1、d2、d3，、、、，dn。

[0036] 步骤3)中，在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，根据焊
缝熔深变化情况，依据d＝f(p)，计算对应的激光功率p0、p1、p2、p3，、、、，pn，其中，焊接熔深d
与激光功率p的关系即d＝f(p)为：

[0037] 焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2

[0038] 步骤1)中在焊接之前需要确定焊缝轮廓图，根据待焊薄壁工件的大小确定激光摆动的频率及振幅。

[0039] 在激光束的焦斑范围为φ130μm‑φ200μm，激光功率范围为1kW‑10kW，焊接熔深为0mm‑11mm，焦距大于等于250mm，焊接线速度为45mm/s‑55mm/s的情况下，焊接线速度与激光
摆动的频率和振幅A的关系为：

[0040] 焊接线速度＝激光摆动频率*2*激光摆动振幅

[0041] 在焊接线速度和激光摆动振幅确定的情况下，得激光摆动频率，其中，焊接熔深d与激光功率p的关系为：

[0042] 焊接熔深＝0.50045+1.82841*激光功率‑0.07907*激光功率^2

[0043] 激光摆焊的方式为横向摆焊。

[0044] 步骤2)中的具体操作为：对待焊接区域进行打磨后用丙酮清洗，以去除待焊接区域表面的氧化皮，使其呈现出金属光泽。