一种高功率激光焊接镁合金厚板的方法与系统
阅读说明：本技术 一种高功率激光焊接镁合金厚板的方法与系统 (Method and system for welding magnesium alloy thick plate by high-power laser ) 是由 李康为 张明军 李河清 张焱 毛聪 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高功率激光焊接镁合金厚板的方法,包括如下步骤：步骤1、提供需要焊接的第一工件与第二工件；步骤2、将工件对接并夹紧；步骤3、提供三光束激光焊接系统,激光头固定于机械手末端；步骤4、启动激光焊接系统,第一激光头的激光束垂直辐照工件对接面,第二、第三激光头倾斜辐照于焊缝两侧。步骤5、开启等离子体检测仪,检测等离子体的尺寸,反馈至功率调节器。步骤6、机械手夹持三个激光头,和等离子体检测仪同步向前运动。步骤7、当机械手运动到焊缝末端时,完成焊接过程。本发明还公开一种高功率激光焊接镁合金厚板的系统。相对于现有技术,本发明可以有效解决因高功率深熔焊接产生的等离子体对入射激光造成的屏蔽问题。(The invention discloses a method for welding a magnesium alloy thick plate by high-power laser, which comprises the following steps: step 1, providing a first workpiece and a second workpiece which need to be welded; step 2, butting and clamping the workpieces; step 3, providing a three-beam laser welding system, wherein a laser head is fixed at the tail end of a manipulator; and 4, starting the laser welding system, wherein the laser beam of the first laser head vertically irradiates the butt joint surface of the workpiece, and the second laser head and the third laser head obliquely irradiate the two sides of the welding seam. And 5, starting a plasma detector, detecting the size of the plasma, and feeding the size back to the power regulator. And 6, clamping the three laser heads by the manipulator, and synchronously moving the three laser heads forwards with the plasma detector. And 7, finishing the welding process when the manipulator moves to the tail end of the welding line. The invention also discloses a system for welding the magnesium alloy thick plate by the high-power laser. Compared with the prior art, the invention can effectively solve the problem of shielding incident laser by plasma generated by high-power deep melting welding.)
技术领域
本发明涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种高功率激光焊接镁合金厚板的方法与系统。
背景技术
激光焊接具有非接触、高效、热变形量小等优点，已广泛应用于汽车、模具、电 子等行业。随激光技术的不断发展，在激光焊接领域应用的激光器设备所能提高的最 大功率不断提高，近年来已经达到万瓦级别；在超高功率激光焊接过程中，由于极高 的功率所带来的极大能量密度，造成被焊材料的严重蒸发，产生了与功率在万瓦以下 的常规激光焊接不同的特征。例如焊接过程中出现的体积极大的光致等离子体/金属 蒸汽羽辉，熔池中存在的极深的匙孔。
与普通的焊接方法相比，激光深熔焊接的最大区别在于存在小孔效应，激光能量主要通过小孔效应而直接被工件材料内部所吸收；小孔形成以后，在小孔内部存在着 复杂的能量平衡(即孔壁吸收的激光能量与孔壁热传导损失的能量以及孔壁汽化损失 的能量相平衡)和压力平衡(汽化压力与表面张力、流体静压力和流体动压力相平衡)。 正是由于这种平衡维持着激光深熔焊接过程中小孔的稳定。在高功率激光深熔焊接 时，熔融金属气化、电离产生等离子体/金属蒸汽羽辉，对入射激光具有吸收和散射 作用，甚至屏蔽激光入射到焊接区，使得射入小孔的激光能量不足以维持能量平衡与 压力平衡，小孔极不稳定，易关闭。
由于镁合金结晶温度区大、熔点低、化学活性大、导热系数和线膨胀系数高，致 使在焊接的过程中容易出现气孔、热裂纹、夹杂、晶粒粗大等焊接缺陷。镁合金的焊 接成为了制约镁合金应用的技术难题，特别是高强镁合金厚板(大于15mm厚板材或 型材)的焊接成为镁合金广泛应用的技术“瓶颈”.
针对上述在高功率激光深熔焊接时出现的问题，现有的激光焊接领域，存在以下几种解决方案：
2018年12月7日公布，公开号为CN208195928 U的实用新型专利“一种双通道 保护气嘴及适用于超高功率激光焊接的保护气吹送装置”，本专利通过一种双通道保 护气嘴吹出保护气以降低光致等离子体的密度，在一定程度上降低了等离子体的屏蔽 作用，但是提高吹送的保护气流会降低熔池的稳定性,影响焊接效果，因此存在一定 缺陷。
2020年8月4日公布，公开号为CN 111482699 A的发明专利“高功率激光焊接 等离子体抑制方法”，本发明通过采用一组喷气装置与吸气装置的配合，在焊接过程 中同步吸收等离子体，该方法在一定程度上减少了等离子体的数量，以减少了对激光 能量的吸收，但吸气装置同时会干扰熔池流动，影响焊接效果。
2019年3月19日公布，公开号为CN 109483053 A的发明专利“一种高强镁合 金厚板的激光复合焊接工艺方法”，本发明通过焊接接头坡口采用带钝边的双Y型坡 口形式，该方法在一定程度上提高了焊接接头质量和性能，但过于复杂的前处理工序 大大延长的工时和成本，不利于大范围生产。
可以看出，在现有的技术中，对于小孔外存在的等离子体/金属蒸汽羽辉进行强力去除，此类方法不仅会对焊接熔池产生干扰，同时存在效果差、适应性差等缺陷； 因此，需要一种适应性好、控制容易且焊接效果好的高功率激光焊接镁合金厚板的方 法与系统。
发明内容
本发明针对高功率激光深熔焊接镁合金厚板时产生的等离子体/金属蒸汽羽辉屏蔽入射激光导致焊接过程中不稳定的问题，提供了一种高功率激光焊接镁合金厚板的 方法与系统，具有良好的焊接效果。
本发明提供一种高功率激光焊接镁合金厚板的方法，包括如下步骤：
步骤1、提供需要对接焊接的第一工件与第二工件。
步骤2、将第一工件和第二工件对接并夹紧，且保证两工件在同一水平面。
步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有激光器、传输光纤、光闸、第一 操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤、第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三 激光焊接头、保护气喷嘴、等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪、激光功率调节器以及机 械手；第一激光焊接头竖直向下布置、第二激光焊接头与第三激光焊接头并列对称分 布于等离子体/金属蒸汽羽辉两侧，横向分布于同一平面内，通过法兰盘固定于机械 手末端。
步骤4、启动激光焊接系统，开启保护气，第一激光焊接头位于对接接头正上方，发射第一激光束，垂直辐照工件表面，第二激光焊接头与第三激光焊接头分别发射第 二激光束和第三激光束倾斜辐照于工件表面。
步骤5、开启等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪，实时获取第一激光束作用区小孔处的等离子体/金属蒸汽羽辉的尺寸大小。
步骤6、机械手夹持第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头和等离 子体/金属蒸汽羽辉检测仪同步沿对接接头运动，实施焊接工作。
步骤7、当机械手运动到焊接路径的末端时，关闭激光器、关闭保护气、关闭等 离子体/金属蒸汽羽辉检测仪，完成焊接过程。
在其中一实施例中，步骤1中，第一工件与第二工件材料为镁合金。
进一步地，第一工件和第二工件厚度为12～20mm。
在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统中，激光器功率为10～20kW。
在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统中，第二激光束和第三激光束与第 一激光束中心线的所成夹角α随着板厚的不同，可以调节。
进一步地，夹角α调节范围为15°～45°。
在其中一实施例中，步骤3中，等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪包括光学滤镜、 CCD高速摄像机、图形采集卡、图形处理器。
在其中一实施例中，步骤4中，第一激光束功率为5～15kW，第二激光束、第 三激光束功率为0～5kW。
在其中一实施例中，步骤4中，激光焊接时，第二激光束与第三激光束所形成第 二小孔、第三小孔的末端，位于第一激光束所形成的第一小孔中部。
在其中一实施例中，步骤5中，激光焊接时，高速摄像机实时拍摄照片，送到图 像处理器，判断大小，当检测到等离子体/金属蒸汽羽辉的尺寸大于设定值时，通过 反馈到功率调节器，提高第二激光束、第三激光束的功率，降低第一激光束的功率。
进一步地，第一激光束功率P1随等离子体/金属蒸汽羽辉尺寸A的变化规律遵循如下关系式：
P1＝-0.16A2+0.44A+14.5 (1)
进一步地，第二激光束的功率P2/第三激光束的功率P3随等离子体/金属蒸汽羽辉尺寸A的变化规律遵循如下关系式：
P2＝0.05A2+0.09A+0.3 (2)
P3＝0.05A2+0.09A+0.3 (3)
本发明还提供一种高功率激光焊接镁合金厚板的焊接系统，包括激光器、传输光纤、光闸、第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤、第一激光焊接头、第二激 光焊接头、第三激光焊接头、保护气喷嘴、等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪、激光功 率调节器以及机械手；其中，第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头通 过法兰盘固定于机械手末端。
在其中一实施例中，由激光器发出的激光经光闸分光，通过第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤分别传送到第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊 接头。
在其中一实施例中，固定于机械手末端法兰盘上的、第二激光焊接头、第三激光焊接头与第一激光焊接头之间的角度可根据被焊工件的厚度实时调节，其调节范围在 10°～45°之间。
在其中一实施例中，等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪由光学滤镜、CCD高度摄像 机镜头及图形处理器组成，伴随激光焊接头同步向前运动，透过光学滤镜，高速摄像 机实时拍摄照片，送到图像处理器，判断大小，当检测到等离子体云尺寸大于设定值 时，反馈到功率调节器，调节第一激光束、第二激光束、第三激光束的输出功率。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明在第一激光束施焊的基础上，增设并列的第二激光束和第三激光束， 激光焊接过程中根据第一激光束作用区域上方等离子体/金属蒸汽羽辉的大小，实时 减小第一激光束的输出功率，同时增大第二激光束和第三激光束的输出功率，如此， 第二激光束和第三激光束的能量有效补偿了第一激光束的功率下降，使得焊接小孔内 能量平衡和压力平衡得以维持，激光焊接过程稳定进行，避免了高功率焊接过程中超 大等离子体/金属蒸汽羽辉对第一激光束的屏蔽效应而导致激光束能量传输衰减甚至 中断，使得激光焊接小孔内能量和压力分布不平衡而造成小孔坍塌。
2.本发明在第一激光束施焊的基础上，增设并列的第二激光束和第三激光束， 大大提高了厚板对接接头的装配间隙，使得焊接工艺的工程适应性更好。
附图说明
图1是本发明所述镁合金厚板激光焊接过程示意图；
图2是常规激光焊接镁合金厚板横截面示意图；
图3是本发明方法焊接过程横截面示意图；
图4是本发明焊接过程中第一激光束、第二激光束、第三激光束输出功率与等 离子体/金属蒸汽羽辉尺寸大小的关系曲线；
图中1：1、第一工件 2、第二工件 3、激光器 4、传输光纤 5、光闸 6、第一操 作光纤 7、第二操作光纤 8、第三操作光纤 9、第一激光焊接头 10、第二激光焊接头 11、第三激光焊接头 12、第一激光束 13、第二激光束 14、第三激光束 15、保护气喷 嘴 16、保护气瓶17、光学滤镜 18、CCD高速摄像机 19、激光功率调节器 20、机械 手
图2：1、第一工件 2、第二工件 3、熔池 4、小孔 5、等离子体云 6、激光束
图3：1、第一工件 2、第二工件 3、熔池 4、第一小孔 5、第二小孔 6、第三小孔 7、等离子体云 8、第一激光束 9、第二激光束 10、第三激光束
具体实施方式
以下将结合附图1-4以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例中，一种高功率激光厚板焊接方法包括如下步 骤。
步骤1、提供需要深熔焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件 2均为镁合金板，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一工件1与第二 工件2的厚度为12～20mm。
步骤2、除去第一工件1和第二工件2上下表面上的杂质，将第一工件1和第二 工件1准确对接并夹紧，使得第一工件1和第二工件2紧密贴合，即对接板间间隙为 零。
步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有激光器3、传输光纤4、光闸5、 第一操作光纤6、第二操作光纤7、第三操作光纤8、第一激光焊接头9、第二激光焊 接头10、第三激光焊接头11以及保护气喷嘴15。
步骤4、提供等离子体云检测仪，包括光学滤镜17、CCD高速摄像机18以及图 形采集卡和图像处理器；等离子体辐射出的光亮先经过中性衰减滤光片线性削弱光 强，之后再经过附着在CCD表面的干涉滤光片得到单一波长下的光强信号值，最后 通过透镜将光信号输送到CCD图像传感器中。
步骤5、提供激光功率调节器19，当等离子体检测装置检测到等离子体/金属蒸 汽羽辉尺寸达到设定值时，信号传递到反馈装置，减少第一激光焊接头9的能量输出， 增大第二激光焊接头10、第三激光焊接头11的能量输出。
步骤6、机械手20夹持第一激光焊接头9、第二激光焊接头10、第三激光焊接头 11，和等离子体/金属蒸汽羽辉检测仪17-18同步沿对接接头运动，实施焊接工作。
步骤7、当机械手运动到对接接头的末端时，关闭激光器、关闭保护气、关闭等 离子体/金属蒸汽羽辉检测仪，完成焊接过程。
第一激光焊接头9输出第一激光束12，垂直辐射于对接接头中心形成熔池；第 二激光头10、第三激光焊接头11并排设置且呈对称分布分别输出第二激光束13、第 三激光束14同时作用在焊接区。保护气喷嘴15位于熔池前方，以15～30L/min的 流量吹出99.995％纯度氩气作用于焊接中心区。
第一激光焊接头9、第二激光焊接头10与第三激光焊接头11通过机械手末端的 法兰盘20固定，使其在同一平面内。其中第二激光焊接头10、第三激光焊接头11 与第一激光焊接头9的夹角为α，夹角α根据所焊工件的厚度可以在10°～45°的范围内 调节，使得第二激光束13、第三激光束14所形成第二小孔、第三小孔的末端恰好位 于第一激光束12所形成第一小孔的中部，为维持第一小孔的能量平衡和压力平衡注 入能量。
等离子体检测装置中的CCD镜头6以及其前方的光学滤镜7对焦于熔池上方因 温度剧烈变化而电离产生的等离子体，摄像仪实时拍摄照片，送到图像处理器，判断 出等离子体云尺寸的大小，如果超过设定值，就认为出现了等离子体云屏蔽，这时将 该信息激光功率调节器19，加大第二激光束13、第三激光束14的功率，减小第一激 光束12的功率。
本发明实施例还提供一种高功率激光厚板焊接系统，包括激光器3、传输光纤4、光闸5、第一操作光纤6、第二操作光纤7、第三操作光纤8、第一激光焊接头9、第 二激光焊接头10、第三激光焊接头11。
其中，第一激光焊接头9聚焦发射的激光束垂直辐射于对接接头中心，其功率为10～15kW，第二激光焊接头10、第三激光焊接头10聚焦发射的激光束沿焊接方向 并排设置且呈对称分布，为辅助激光束，功率0～5kW。
可选地，激光焊接系统还包括，可以根据所焊工件的厚度调节第二激光焊接头10、第三激光焊接头11与第一激光焊接头9的夹角为α，夹角α的调节范围为在10°～ 45°。
可选地，激光焊接系统还包括保护气喷嘴15，可以吹出99.995％氩气作用于焊接中心区，其流量范围为15～30L/min。
可选地，激光焊接系统还包括等离子体检测装置，包含光学滤镜17、CCD高速 摄像机18以及相对应的图形采集卡以及图像处理器；透过光学滤镜17，CCD高速摄 像机18实时拍摄照片，传输至图形采集卡，再由图像处理器判断出等离子体尺寸大 小，如果超过初始设定值，就认为出现了等离子体云屏蔽，将该信息反馈给激光功率 调节系统。
可选地，激光焊接系统还包括激光功率调节器19，可以实时调节第一激光焊接 头9、第二激光焊接头10、第三激光焊接头11的功率输出，最大程度上减少不必要 的能量消耗。
本发明实施例在第一激光束施焊的基础上，增设并列的第二激光束和第三激光束，激光焊接过程中根据第一激光束作用区域上方等离子体/金属蒸汽羽辉的大小， 实时减小第一激光束的输出功率，同时增大第二激光束和第三激光束的输出功率，如 此，第二激光束和第三激光束的能量有效补偿了第一激光束的功率下降，使得焊接小 孔内能量平衡和压力平衡得以维持，激光焊接过程稳定进行，避免了高功率焊接过程 中超大等离子体/金属蒸汽羽辉对第一激光束的屏蔽效应而导致激光束能量传输衰减 甚至中断，使得激光焊接小孔内能量和压力分布不平衡而造成小孔坍塌。
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