一种辅助电场调控背面能场的薄板激光背反射增效焊接方法与流程

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种金属薄板激光背反射增效焊接方法，具体地说是一种利用在施焊薄板背面引入的匀强电场对焊件背面由反射垫板诱发金属蒸气云所形成背面能场的离散程度和方向性进行调控的辅助电场调控背面能场的薄板激光背反射增效焊接方法。

背景技术：

激光焊接具有成形质量好、热影响区小、工件变形小、灵活性高等优点，非常适合金属薄板的焊接成形。众所周知，在薄板激光深熔焊接过程中，较高的激光能量阈值势必会使得熔池温度较高，从而导致焊接接头残余应力梯度增大；同时，在焊接过程中施焊薄板正面形成的等离子体云或金属蒸气云对激光的屏蔽作用也会趋于明显，造成激光能量利用率下降。因此，薄板低阈值激光焊接成形方法备受关注。

在公开号为cn103978309a的专利申请中，公开了一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，该方法是在施焊金属薄板的背面增设反射垫板，以利用反射垫板将激光穿透金属薄板瞬间的激光以类似反射的形式重新作用回焊件背面，从而对背面焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的x形焊缝，这种方法实质是在施焊金属薄板背部由反射垫板诱发形成一个金属蒸气云增效能场，从而在低能量阈值的条件下实现对称性好的x形焊缝，但是该方法还存在以下不足：由于背面金属蒸气云存在离散程度高、方向性较差等问题，导致背面能场效率较低，同时其对背面焊缝区及热影响区的保护作用也尚不够理想。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现利用匀强电场对薄板背反射增效激光焊接背面能场进行调控的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前金属薄板背反射增效激光焊接中存在背面金属蒸气云离散度高、方向性差的问题，发明一种利用匀强电场调控施焊薄板背面金属蒸气云的离散程度和方向，从而提高背面能场效率并改善背面能场对背面焊接区的保护作用的辅助电场调控背面能场的薄板激光背反射增效焊接方法。

本发明的技术方案是：

一种辅助电场调控背面能场的薄板激光背反射增效焊接方法，其特征是通过在施焊薄板和背面的反射垫板间引入直流电构建平行板电容器，利用平行板电容器产生匀强电场的特性对焊件背面金属蒸气云的离散程度和方向性进行调控，以保证经反射垫板诱发产生的金属蒸气云重新作用回背部焊接区时其方向性和集中性较好。

具体步骤为：

a）先将220v交流电通过变压整流器转变为直流电；

b）将调节好电压值的变压整流器出线端与安全闸刀进线端相连后，再用导线将安全闸刀出线端与电流表、熔断器、滑动变阻器、定值电阻进行串联，最后将电压表并联在定值电阻两端，外部电路连接完毕；

c）将反射垫板和待焊工件分别置于各自放置平台上，将导线一端接触反射垫板下表面，另一端引出接在定值电阻左端口；再用导线一端接触待焊工件上表面，并用定位压紧装置将待焊件压紧，另一端引出接在定值电阻右端口；

d）利用激光器的计算机控制系统将激光头移动到待焊金属薄板焊缝位置上方，确保发射的激光束每次都与待焊件拼接时的中间焊缝处于同一直线上；

e）开启激光器，将闸刀闭合，外部电路通电，调节滑动变阻器阻值，从而间接调节定值电阻两端电压至所需电压值，此过程对待焊工件与反射垫板所形成的平行板电容器进行充电，待平行板电容器充电饱和稳定时，开启计算机控制系统控制激光头出光并按照指定轨迹进行激光扫描焊接；

f）焊接完毕后，先断开闸刀切断外部电路，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毕后，最后关闭激光器和计算机控制系统。

所述将220v交流电通过变压整流器转变为直流电，其特征是直流电的输出电压为100-200v，焊接过程中以整流输出电压取上限为宜。

所述间接调节定值电阻两端电压，其特征是间接调节定值电阻两端电压在60-180v；

所述间接调节定值电阻两端电压，其特征是当焊接钛合金tc4薄板时间接调节定值电阻两端电压为120v；

所述待平行板电容器充电饱和稳定，其特征是通电时间不低于2分钟。

所述激光器为光纤激光器。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法利用辅助电场即平行板电容器的特性对焊件背面金属蒸气云的离散程度和方向性进行调控，提高了背面金属蒸气云能场的效率，相对于未加电场时提高了约6%-14%；

（2）本发明所述方法利用辅助电场即平行板电容器的特性对焊件背面金属蒸气云的离散程度和方向性进行调控，改善了背面金属蒸气云对背面焊接区的保护作用；

（3）本发明所述外部电路连接简单安全，采用的所有零部件可更换，使用的焊接夹具与现有的激光加工平台具有较好的适配性。

附图说明

图1是本发明装置的原理示意图。

图2是未加辅助电场时激光背反射增效焊接过程示意图。

图3是添加辅助电场时激光背反射增效焊接过程示意图。

图4是本发明实施例所述第一组实验未加辅助电场激光背反射增效焊接金属薄板横截面形貌。

图5是本发明实施例所述第三组实验添加辅助电场激光背反射增效焊接金属薄板横截面形貌。

图中，1-交流电源、2-导线、3-变压整流器、4-安全闸刀、5-熔断器、6-电流表、7-电压表、8-定值电阻、9-滑动变阻器、10-焊接夹具、11-反射垫板、12-绝缘垫片、13-待焊金属薄板、14-激光头、15-计算机控制系统、16-激光器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种辅助电场调控背面能场的薄板激光背反射增效焊接方法，其实质和关键是通过在施焊薄板和背面的反射垫板间引入直流电构建平行板电容器，利用平行板电容器产生匀强电场的特性对焊件背面金属蒸气云的离散程度和方向性进行调控，以保证经反射垫板诱发产生的金属蒸气云重新作用回背部焊接区时其方向性和集中性较好。

具体步骤为：

a）先将220v交流电通过变压整流器转变为直流电；

b）将调节好电压值的变压整流器出线端与安全闸刀进线端相连后，再用导线将安全闸刀出线端与电流表、熔断器、滑动变阻器、定值电阻进行串联，最后将电压表并联在定值电阻两端，外部电路连接完毕；

c）将反射垫板和待焊工件分别置于各自放置平台上，其中，在待焊工件与焊接夹具之间添加绝缘垫片，将导线一端接触反射垫板下表面，另一端引出接在定值电阻左端口；再用导线一端接触待焊工件上表面，并用定位压紧装置将待焊件压紧，另一端引出接在定值电阻右端口；

d）利用激光器的计算机控制系统将激光头移动到待焊金属薄板焊缝位置上方，确保发射的激光束每次都与待焊件拼接时的中间焊缝处于同一直线上；

e）开启激光器，将安全闸刀闭合，外部电路通电，调节滑动变阻器阻值，从而间接调节定值电阻两端电压至所需电压值，此过程对待焊工件与反射垫板所形成的平行板电容器进行充电，待平行板电容器充电饱和稳定时，开启计算机控制系统控制激光头出光并按照指定轨迹进行激光扫描焊接；

f）焊接完毕后，先断开闸刀切断外部电路，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毕后，最后关闭激光器和计算机控制系统。

所述将220v交流电通过变压整流器转变为直流电，其特征是直流电的输出电压为100-200v，焊接过程中以整流输出电压取上限为宜。

所述间接调节定值电阻两端电压，其特征是间接调节定值电阻两端电压在60-180v；

所述间接调节定值电阻两端电压，其特征是当焊接钛合金tc4薄板时间接调节定值电阻两端电压为120v；

所述待平行板电容器充电饱和稳定，其特征是通电时间不低于2分钟。

所述激光器为光纤激光器。

以钛合金tc4薄板激光焊接为例。实验分为四组，每组包含2块25mm×40mm×0.6mm的矩形薄板试样，反射垫板为al99.8市购铝板，保护气体为纯氩气。四组试验均采用相同的激光器，型号为zksx-10d4光纤耦合全固态激光器，参数如下：额定功率1kw，波长为1064nm，光束质量为16-32mm*mrad，光纤芯径数值孔径为0.15μm；同时，四组试验均采用相同的工艺参数：激光功率600w、扫描速度300mm/min、离焦量-1mm、氩气流量为15l/min。

第一组实验中，断开安全闸刀4，在无辅助电场条件下对钛合金薄板试样进行激光对接焊接，如图2，焊接效果如图4。

第二组至第四组实验中，闭合安全闸刀4，在有辅助电场条件下对钛合金薄板试样进行激光对接焊接，如图3。

实施具体过程如下：

a）先将220v交流电源1通过变压整流器3转变为额定值200v的直流电源；

b）用导线2将设置好额定值为200v的变压整流器3的出线端与安全闸刀4进线端相连，再用导线2将安全闸刀4出线端与熔断器5、电流表6、定值电阻8、滑动变阻器9进行串联，最后用导线2将电压表7并联在定值电阻8两端，外部电路连接完毕；

c）将反射垫板11和待焊金属薄板13分别置于各自放置平台上，钛合金tc4薄板试样13和焊接夹具10之间添加绝缘垫片12，用导线2一端接触反射垫板11下表面，另一端引出接在定值电阻8左端口；然后用导线2一端分别接触两块待焊金属薄板13上表面，并用定位压紧装置将待焊金属薄板13压紧，另一端引出接在定值电阻8右端口；

d）利用计算机控制系统15将激光头14移动到激光头待焊金属薄板焊缝位置上方，确保发射的激光束每次都与待焊件拼接时的中间焊缝处于同一直线上；

e）开启激光器16，将安全闸刀4闭合外部电路通电，调节滑动变阻器9的阻值，从而间接调节定值电阻8的两端电压（其中第二组实验至60v、第三组实验至120v、第四组实验至180v），此过程对待焊金属薄板13与反射垫板11所形成的平行板电容器进行充电2min后，待平行板电容器充电饱和稳定时，开启计算机控制系统15控制激光头14出光并按照焊缝轨迹进行激光扫描焊接；

f）焊接完毕后，先断开闸刀4切断外部电路，取下焊好的金属薄板，最后关闭计算机控制系统15和激光器16。

如图3、5所示，在金属薄板和背面的反射垫板之间引入匀强电场，利用辅助电场即平行板电容器的特性对焊件背面的金属蒸气云的离散程度和方向性进行调控，以保证经反射垫板诱导激发产生的金属蒸气云重新作用回背部焊接区时其方向性和集中性较好，从而提高了背面能场效率并改善了背面能场对背面焊接区的保护作用。观察试样背面宏观形貌可见，第二组至第四组实验所获得试样背面焊接区尤其是热影响区氧化现象较第一组实验所获得试样要弱；同时，以焊缝区面积为背面能场效率评价指标，第二组至第四组实验中背面能场效率，相对于第一组实验分别增加了6.5%、13.8%和11.4%，达到本发明所述目的和效果。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。