[發明專利]一種激光再制造金屬薄板焊接件的方法和裝置

有效

• 申請號: 201210391178.4
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102886606A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 羅開玉;魯金忠;殷勁松;羅密;張磊;齊晗;陳彥瓏;劉娟
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B23K26/34
• 分類號: B23K26/34;B23K101/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及激光加工領域，特指一種在動態應變時效溫度條件下激光雙面沖擊強化激光重熔薄板焊接件接頭的方法和裝置，適用于薄板焊接件再制造、強化和延壽領域，如鈑金件焊接件再制造和表面強化。

背景技術

鋁合金由于密度小、無磁性、熱導率和強度高，以及良好的成型性、低溫性能、耐腐蝕性能等被廣泛應用于各種焊接結構中；合金元素多、組織結構復雜多變的鋁合金對焊接技術和設備的要求越來越高，焊接件接頭性能的好壞，與工程應用的安全性和可靠性有著直接的關系，國內外對鋁合金的焊接做了大量的研究工作，其焊接性、焊接材料及焊接工藝的研究幾乎與母材的研究同步，從而促進了鋁合金焊接技術的發展，在許多焊接結構中，焊縫及熱影響區因再結晶或回火軟化后力學性能一般比母材差，屬薄弱環節，常常通過焊后熱處理或應變硬化得以強化。

焊后熱處理會破壞整個焊縫的焊接質量以及導致高幅殘余拉應力，直接導致焊接件的斷裂失效，提高焊縫熱影響區強度很好的替代方法是應變硬化，如對焊縫進行滾壓或機械噴丸，而這些工藝在一些復雜結構中并不實用或不理想，采用激光重熔方法修復薄板焊接件接頭處裂紋，然后再進行接頭表面激光沖擊強化處理，可以大大提高焊接件接頭機械性能，焊接結構的疲勞強度，在很大程度上決定于構件中的應力集中情況，不合理的接頭形式和焊接過程中產生的各種缺陷(如未焊透、咬邊等)是產生應力集中的主要原因，除此之外，焊接結構自身的一些特點，如接頭性能的不均勻性，焊接殘余應力等，都對焊接結構疲勞強度有影響，鋁合金焊接結構在重復外力作用下，往往發生疲勞斷裂，疲勞破壞過程一般很難覺察到，因此疲勞斷裂具有很大的危險性，有數據表明，鋁合金焊接構件中90%的斷裂是由于焊接接頭處的疲勞破壞引起的，因此，鋁合金焊接接頭的疲勞性能受到設計及使用單位越來越廣泛的關注，研究鋁合金焊接接頭的疲勞斷裂特性，分析產生疲勞斷裂危害的因素，估算焊接接頭的疲勞壽命，是提高和繼續發展鋁合金焊接結構的重要課題。

發明內容

本發明的目的是要提供一種激光再制造金屬薄板焊接件接頭的方法，即先采用毫秒連續激光束重熔閉合焊接件的裂紋區域，再在動態應變時效溫度條件下采用雙面納秒脈沖激光束同時沖擊重熔區域，從而提高接頭的機械性能。

本發明采用的方案為，首先利用裂紋檢測儀檢測金屬薄板焊接件接頭表面的裂紋，利用連續激光對裂紋進行重熔修復，然后將修復后的薄板焊接件接頭表面進行打磨拋光處理；再在薄板焊接件上下表面粘附吸收層，采用工件夾具將薄板焊接件固定在真空箱中進行加熱，使其溫度上升至金屬動態應變時效溫度區域，采用脈沖激光雙面同時沖擊薄焊接件接頭上下兩表面，在高能沖擊力作用下，沖擊區域的金屬表層產生嚴重塑性變形并且內部微觀組織結構發生演變，最終導致焊接件接頭處表層晶粒細化，并在沖擊區域誘導高幅殘余壓應力，從而提高接頭處的機械性能；本發明的創造性在于激光重熔閉合焊接件接頭處裂紋后，在動態應變時效溫度區域利用激光沖擊焊接件接頭導致接頭處金屬表層產生塑性變形，最終導致表層金屬晶粒細化，達到復合強化和再制造焊接件接頭的效果。

本發明所述的連續激光參數為：脈寬為50μs-?20?ms，功率為1-5?kW，光斑直徑2-10?mm，搭接率為50%；脈沖激光參數范圍為：脈寬8-30?ns，重復頻率為1-100?Hz，脈沖能量為1-20?J，光斑大小為3-10?mm。

實施該方法的裝置包括控制系統、激光器、真空箱、裂紋檢測儀、表面輪廓監測儀、工件夾具、薄板焊接件、反射鏡Ⅰ、反射鏡Ⅱ、激光發射頭Ⅰ、激光發射頭Ⅱ和五軸聯動工作臺，?真空箱位于五軸工作臺上由真空箱夾具固定，真空箱頂端和底端中間均設有上透視窗和下透視窗、真空箱內設有加熱板、用于測量薄板焊接件溫度的溫度傳感器和液位計，真空箱一側設有加液閥門和排液閥門，真空箱頂端一側設有抽真空閥門，真空箱內部四周設有隔熱層，當真空箱內焊接接頭的溫度處于金屬動態應變時效溫度時，加熱板停止加熱，薄板焊接件被固定在真空箱內部底座上，薄板焊接件上依次設有吸收層和約束層；用耐高溫密封膠帶將吸收層與薄板焊接件密封并用工件夾具固定；表面輪廓監測儀和裂紋檢測儀安裝在真空箱上透視窗上方；激光器發出的連續激光由激光發射頭Ⅰ通過上透視窗照射在薄板焊接件上表面；；激光器發出的脈沖激光一路由激光發射頭Ⅰ通過上透視窗照射在薄板焊接件上表面，另一路經反射鏡Ⅰ、反射鏡Ⅱ、激光發射頭Ⅱ通過下透視窗照射在薄板焊接件下表面。