[發明專利]一種基于激光沖擊的金屬焊接方法及系統

有效

• 申請號: 202010639030.2
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111843124B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 周留成;何衛鋒;潘鑫磊;蔡振兵;焦陽;王學德
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: B23K9/16
• 分類號: B23K9/16;B23K9/025;B23K9/32;C22F3/00;B23K103/14
• 代理公司: 鄭州知倍通知識產權代理事務所(普通合伙) 41191
• 代理人: 李玲玲

本發明涉及一種基于激光沖擊的金屬焊接方法及系統，當焊槍完成每一個焊接子過程時，檢測焊接對象的焊縫的溫度，當焊縫的溫度降低到預設溫度閾值時，啟動激光器，對焊縫進行激光沖擊強化，同時，施加磁場，激光器輸出的激光束穿過該磁場，且該磁場覆蓋焊縫表面，約束激光器輸出的激光束在焊縫表面誘導的等離子體，使等離子體的帶電粒子的洛倫茨力指向焊縫，約束等離子體的帶電粒子向激光入射方向膨脹，起到水約束和高溫硅油約束的作用，同時，避免出現水約束和高溫硅油約束出現的缺陷，同時磁場與每個帶電粒子發生作用，加速電子的運動速度，加劇等離子體反應，提高等離子體對激光能量的吸收效果。

技術領域

本發明涉及金屬厚板焊接和激光沖擊強化領域，尤其涉及一種基于激光沖擊的金屬焊接方法及系統。

背景技術

金屬焊接工藝廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、鐵路等領域，但由于焊接過程的熱影響，導致焊接接頭(即焊縫)存在焊接殘余拉應力及組織結構變化，降低疲勞性能。尤其是航母、艦船制造過程中存在大量的厚板焊接接頭，由于一般采用多層多道焊，在深度方向存在較大的溫度梯度，在一定深度內形成較大幅值的殘余拉應力和粗大組織，還易出現板材層狀撕裂、整體變形(如撓曲、扭曲變形)、焊縫產生裂紋及夾渣等質量問題，導致焊接后部件疲勞性能明顯下降。因此亟需對厚板焊接后的焊縫進行處理，調控焊接殘余拉應力，以改善厚板焊接接頭的疲勞性能。

目前厚板焊接接頭采取的焊后處理工藝主要包括熱處理、錘擊、超聲沖擊和機械噴丸。其中，焊后熱處理工藝可以有效消除焊接拉應力，但會使母材區晶粒長大；錘擊處理簡單方便，但由于空氣環境的限制，像鈦合金等高熔點金屬焊后錘擊處理不適用；超聲沖擊和機械噴丸具有快速、高效的優點，但會顯著降低材料的表面狀態甚至引入裂紋缺陷。

為了解決上述問題，對于厚板焊接接頭采取的焊后處理還有一種新型的工藝，為激光沖擊強化技術，由于引入的殘余壓應力層深度大(mm級)、數值高(幾百MPa)而得到了廣泛的關注。它是利用高能激光束在金屬構件表面誘導產生高壓等離子體，在外部透明約束介質(水或硅油)的約束下轉化為高壓沖擊波傳向金屬內部，并引入較高幅值的殘余壓應力，提高疲勞性能。但由于激光沖擊波傳播深度有限，形成的殘余壓應力影響深度不超過1.5mm，針對金屬厚板，僅能在表層區域強化，不能消除內部焊接殘余拉應力，存在疲勞斷裂風險。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于激光沖擊的金屬焊接方法及系統，用于解決針對金屬厚板，現有的激光沖擊強化技術僅能在表層區域強化，不能消除內部焊接殘余拉應力，存在疲勞斷裂風險的問題。

為了解決上述問題，本發明采用以下技術方案：

一種基于激光沖擊的金屬焊接方法，焊槍對焊接對象的焊縫的整個焊接過程分為至少兩個焊接子過程，所述金屬焊接方法包括：

當焊槍完成每一個焊接子過程時，檢測焊接對象的焊縫的溫度；

當所述焊縫的溫度降低到預設溫度閾值時，啟動激光器，對所述焊縫進行激光沖擊強化，同時，施加磁場，所述激光器輸出的激光束穿過所述磁場，且所述磁場覆蓋焊縫表面，用以約束激光器輸出的激光束在焊縫表面誘導的等離子體，使所述等離子體的帶電粒子的洛倫茨力指向所述焊縫，約束所述等離子體的帶電粒子向激光入射方向膨脹。

優選地，所述預設溫度閾值為300℃。

一種基于激光沖擊的金屬焊接系統，包括焊槍、外加磁場生成裝置、激光器和溫度檢測裝置；所述焊槍對焊接對象的焊縫的整個焊接過程分為至少兩個焊接子過程；

當所述焊槍完成每一個焊接子過程時，所述溫度檢測裝置檢測焊接對象的焊縫的溫度，當所述焊縫的溫度降低到預設溫度閾值時，啟動激光器，對所述焊縫進行激光沖擊強化，同時，所述外加磁場生成裝置施加磁場，所述激光器輸出的激光束穿過所述磁場，且所述磁場覆蓋焊縫表面，用以約束激光器輸出的激光束在焊縫表面誘導的等離子體，使所述等離子體的帶電粒子的洛倫茨力指向所述焊縫，約束所述等離子體的帶電粒子向激光入射方向膨脹。