本发明涉及激光焊接技术领域，具体而言，涉及一种激光焊接小孔深度增大方法。
背景技术：
激光焊接因其具有能量密度高、焊接速度快、热输入小、熔池流动能力强等优点，已逐步被应用于金属厚板的焊接。高功率激光作用下材料表面局部剧烈蒸发汽化，蒸发汽化压力将熔融金属排开形成小孔。与薄板焊接相比，实现厚板焊接所需要的激光功率密度更高，其诱发激光等离子体能力更强，金属蒸气的反冲驱动力更大，形成的激光小孔深度需更大，小孔稳定性也更差，更容易产生气孔、裂纹和塌陷等缺陷。焊接小孔深度的增大、形状的改善及稳定性的提高一直是高功率激光焊接厚板的难题，严重影响接头质量。
如图6所示，目前用于激光焊接小孔深度增大的方法主要有：
(1)双/多光束焊接法，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束，采用以前后排列、平行排列或上下排列的形式实施焊接。通过将激光束入射到由另一激光束产生的小孔开口来深熔焊接工件，或者将来自不同激光源或相同激光源的激光束叠加并且在工件的不同深度处聚焦，或者两束激光在时间上交替地照射工件等方法来实现增大焊接小孔深度。然而该方法需要增加额外的激光光源发生器及光束光路分光装置，还需要精确控制激光焦点位置、辐照时间等工艺参数的设置，特别是激光焦点位置很难实现精确定位。
(2)激光复合焊法，如激光-电弧复合焊。将激光与电弧热源复合，电弧对等离子体有稀释作用，可减少对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程小孔深度增大，稳定性提高。但也需要增加额外的电弧发生器等相应配套装置，焊接过程中需要控制激光能量与电弧热量的比例，及研究他们与试样的热耦合关系。此外，此方法容易导致非对称性热源，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。
(3)通过改变保护气体成分法，即采用惰性气体和活性气体的混合气体作为保护气体。通过调整保护气体中的活性气体的含量，增加激光小孔的深度，提高焊缝熔深。虽然通过调整保护气体中的活性气体的含量，含有o2或co2的气体会改变焊接过程中激光小孔内部压力平衡，进而增加激光小孔的深度，提高焊缝熔深。但保护气体是通过侧吹喷嘴与焊接位置呈45°倾斜角送入，易导致孔内外压力分布不均衡，使得焊接过程中的小孔形状及熔池产生波动，易产生焊缝表面塌陷、飞溅等缺陷。同时，直接将o2或co2的气体送入焊接熔池，在焊缝中也极易产生氧气孔及氧化物夹渣，进而影响焊接质量。
技术实现要素：
本发明提供了一种激光焊接小孔深度增大方法，旨在改善现有的焊接方法需要额外配套装置、不易控制的问题、易产生焊接缺陷等。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种激光焊接小孔深度增大方法，包括以下步骤：
s1、预处理：对待焊工件进行表面处理，并涂覆活性剂溶液，静置至溶剂挥发；其中，所述活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物；
s2、制备待焊试样；
s3、控制焊接参数进行激光焊接：激光功率p＝1～10kw、焊接速度v＝1～50mm/s、离焦量＝-5～5mm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s1中，对待焊工件进行表面处理具体包括：
用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s1中，所述活性剂为极性金属氧化物。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s1中，所述活性剂的涂覆量为0.01～0.1g/cm2。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s1中，所述活性剂的涂覆量为0.04～0.07g/cm2。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s1中，所述涂覆活性剂溶液具体包括：
将活性剂研磨充分并配置成过饱和溶液，将过饱和溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将活性剂溶液均匀喷涂于待焊工件表面。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述待焊工件材质为不锈钢厚板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述活性剂溶液所用溶剂为丙酮。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s2中，制备待焊试样具体包括：
将预处理后的待焊工件与高硼硅玻璃叠置形成三明治试样，并用夹具夹紧。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，在步骤s3中，激光功率p＝2～5kw、焊接速度v＝5～20mm/s、离焦量＝-3～-1mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过上述设计得到的激光焊接小孔深度增大方法，通过在待焊工件表面涂覆活性剂溶液可大幅度增大焊接小孔深度、改善小孔形状、增强小孔稳定性。且有利于熔融金属内部气体排出，进而抑制气孔、飞溅等缺陷的产生，增大焊缝熔深、改善焊接缺陷、提高焊接质量，有效解低功率激光无法实现中厚板焊接及超高功率激光焊接厚板质量差等问题。
(2)本发明无需采用辅助光源或热源，减少对辅助设备的使用，显著降低成本，简化试验条件。同时可有效克服及避免因直接倾斜引入活性气体而易导致的小孔形状不规则及气孔、夹渣、飞溅等缺陷产生的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例中活性激光焊接原理示意图；
图2是本发明实施例中激光焊接试验的过程示意图；
图3是本发明实施例中激光焊接试验的流程示意图；
图4是现有技术中未涂覆活性剂的试样激光焊接过程的小孔形态；
图5是本发明实施例中涂覆cr2o3活性剂的试样激光焊接过程的小孔形态；
图6是现有技术中活性激光焊接原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
参照图1所示，本发明实施例提供了一种激光焊接小孔深度增大方法，在激光焊接试验系统内进行，包括以下步骤：
s1、预处理：对待焊工件进行表面处理，并涂覆活性剂溶液，静置至溶剂挥发。
进一步地，在本实施例中，激光焊接时，为了除去污渍和灰尘，保证焊接质量，需要对待焊工件进行表面处理。可选的，可以用丙酮、乙醇等易挥发溶剂对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘；也可以将待焊接的地方酸洗、水洗后烘干。本发明不做具体限定。
其中，所述活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物。其中，所述卤化物可以caf2、naf、kf、nacl等，所述稀土氧化物可以是nb2o5、la2o3、ceo2等。优选的，所述活性剂为极性金属氧化物，其可以是ti2o3、al2o3、mgo等，本发明不做具体限定。
优选的，所述待焊工件材质可以选自不锈钢、碳钢、合金钢、塑料、钛、铝、铜及其合金等。优选的，所述待焊工件材质为不锈钢厚板。不锈钢廉价易得，焊接性能好，优选的，采用的活性剂与不锈钢母材主要成分一致时，不会导致引入元素对焊缝质量的改变，有利于提高焊接质量。
优选的，所述活性剂为cr2o3。极性氧化物可增大工件对激光能量的吸收，从分子能量方面来说，o是自然界中电负性最大的物质，cr金属的电负性则较小，分子的组成元素电负性差异越大则分子的极性越大，分子极性越大对激光的吸收能力也越大。
在本实施例中，活性剂溶液中的溶剂可以选用乙醇、丙酮等易挥发溶剂，优选的，溶剂为丙酮等挥发性溶剂。
进一步地，在步骤s1中，所述活性剂的涂覆量为0.01～0.1g/cm2。更为优选的，所述活性剂的涂覆量为0.04～0.07g/cm2。活性剂涂覆在待焊工件表面上形成了具有一定空隙结构的细颗粒涂层，减少了工件对激光的反射；与此同时，活性剂粉末颗粒表面形状的不规则使得散射的激光易被其他颗粒吸收。此外，活性原子在激光焊接过程中因吸附光致等离子体中的自由电子而转变成带负电的负粒子，由于负粒子的质量较大，其运动速度相对于自由电子变慢，并且游移在等离子体的边缘。最终一部分负粒子成为自由电子的运动，同时也有部分负粒子将消失在大气中，进而有效降低了焊接等离子体的电子密度，这在一定程度上削弱和抑制了等离子体对激光束的反射、折射、逆韧致吸收及散射等负效应，从而有效增加了到达待焊工件表面的激光功率密度。当涂覆厚度较高时，其对激光能量吸收的增益随之增大，作用于小孔前沿的能量密度也最值增加，有利于激光深熔悍穿透小孔向纵深发展。但是，当涂覆量太大时，涂覆均匀性难以保证，且容易出现焊料飞溅等其他问题。
进一步地，在步骤s1中，所述涂覆活性剂溶液具体包括：将活性剂研磨充分并配置成过饱和溶液，将过饱和溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将活性剂溶液均匀喷涂于待焊工件表面。采用喷枪进行喷涂，使涂覆更加均匀，避免了手工涂刷的不均匀性。
s2、制备待焊试样。
进一步地，在步骤s2中，制备待焊试样具体包括：将预处理后的待焊工件与高玻璃叠置形成三明治试样，并用夹具夹紧。
将待焊工件与高硼硅玻璃叠置形成三明治试样便于观察小孔形状，所述高硼硅玻璃具有优良的物理化学性能和低热膨胀系数，能更好地承受较高的温差，并具有良好的灯焰加工性能。可选的，所述高硼硅玻璃可以选是gg17玻璃，gg17玻璃不吸收激光，能够在无干扰下清晰地观察小孔形状。
s3、控制焊接参数进行激光焊接：激光功率p＝1～10kw、焊接速度v＝1～50mm/s、离焦量＝-5～5mm。更为优选的，激光功率p＝2～5kw、焊接速度v＝5～20mm/s、离焦量＝-3～-1mm。
在本实施例中，以活性剂涂覆与激光焊结合起来实现厚板的激光深熔焊接，焊接时，通过选用一定的激光功率和焊接规范可增大激光能量吸收率、增加热源熔透能力、改变表面张力温度梯度，形成液态金属由四周向中心流动的张力流，从而使焊接小孔深度得到大幅度的增大、小孔形状改善及稳定性增强。
请参阅2、3所示，为了便于理解，在活性激光焊接系统内进行活性激光焊接厚板试验，下面以40×40×8mm规格的不锈钢试样为例进行具体说明。其中，在焊接过程中采用高速摄像系统透过gg17玻璃并可观测到小孔的深度和形状。
准备40×40×8mm规格的不锈钢作为待焊工件，用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
用精密电子秤称量cr2o3活性剂，用量杯量取丙酮溶液，将cr2o3活性剂溶于丙酮溶液中配制成过饱和溶液。将上述过饱和溶液置入喷微型喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，调整保护气体流量为20l/min，控制好喷涂距离与喷涂范围，经微型喷枪将活性剂溶液均匀地喷涂在待焊工件表面，喷涂完成后，静置待焊工件至丙酮完全挥发。其中，喷涂厚度控制在0.04～0.07g/cm2。
将上述静置后的待焊工件与gg17玻璃经专用夹具制成新型“三明治”试件，使用光纤激光器进行激光焊接试验，焊接参数为：功率为3.2kw，焊接速度为10mm/s，保护气体流量为20l/min，可有效实现中低功率焊接不锈钢厚板。
对比图4和图5，在待焊试样未涂覆活性剂时，熔池中液态金属表面张力的温度系数为负值，即在熔池边缘区域的温度较低，表面张力值较高，形成了从熔池中心区域向熔池周边流动的表面张力流，小孔深度小。而试样涂覆活性剂后，活性剂使得熔池表层氧含量急剧增加，引起表面张力温度梯度改变，熔池液态金属的表面张力数值降低并且转变为正的温度系数，使熔池表面张力流的方向变成从熔池周边向熔池中心区流动。活性剂的涂覆增大了焊接的熔透率，在熔池中心区域，通过熔融液流直接传递至熔池底部的激光热量提高了整个熔池的加热效率，高密度集中热源促进了小孔深度的扩增，并使得小孔底部形状变大。在活性剂作用下，激光焊接小孔深度的增大、小孔形状的改进及稳定的提高，有利于增大焊缝熔深，改善焊缝横截面形状，抑制焊接缺陷的产生，提高焊接质量。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、预处理：对待焊工件进行表面处理，并涂覆活性剂溶液，静置至溶剂挥发；其中，所述活性剂为极性金属氧化物、卤化物或稀土氧化物；
s2、制备待焊试样；
s3、控制焊接参数进行激光焊接：激光功率p＝1～10kw、焊接速度v＝1～50mm/s、离焦量＝-5～5mm。
2.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s1中，对待焊工件进行表面处理具体包括：
用丙酮对待焊工件进行表面擦拭以清除油浸粉尘。
3.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s1中，所述活性剂为极性金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s1中，所述活性剂的涂覆量为0.01～0.1g/cm2。
5.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s1中，所述活性剂的涂覆量为0.04～0.07g/cm2。
6.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s1中，所述涂覆活性剂溶液具体包括：
将活性剂研磨充分并配置成过饱和溶液，将过饱和溶液置入喷枪涂料杯内，启动空气压缩机，根据焊接要求控制喷涂距离和喷涂范围，将活性剂溶液均匀喷涂于待焊工件表面。
7.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，所述待焊工件材质为不锈钢厚板。
8.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，所述活性剂溶液所用溶剂为丙酮。
9.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s2中，制备待焊试样具体包括：
将预处理后的待焊工件与高硼硅玻璃叠置形成三明治试样，并用夹具夹紧。
10.根据权利要求1所述的激光焊接小孔深度增大方法，其特征在于，在步骤s3中，激光功率p＝2～5kw、焊接速度v＝5～20mm/s、离焦量＝-3～-1mm。
技术总结