一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法

1.本发明涉及一种异种材料焊接技术，特别涉及一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法。

背景技术：

2.为了满足复杂工况下产品综合性能的需求，兼具多种材料特性的异种材料焊接接头在交通运输、航空航天和海洋平台等领域被应用广泛。相比于同种材料焊接过程，异种材料性能的容易使得导致焊缝出现几何不对称性、裂纹及气孔等焊接缺陷，焊缝几何不对称性和气孔缺陷将导致接头应力集中、耐腐蚀性差及韧性低等问题，严重影响了异种材料的焊接质量。目前，异种材料的焊接方式主要包括搅拌摩擦焊接、电弧焊接与激光焊接等，其中搅拌摩擦焊接对工件尺寸有较大限制，电弧焊接焊缝的热影响区较大，常规激光焊接焊缝的气孔缺陷严重，且均难以抑制异种材料焊缝几何不对称性的形成。
3.扫描激光焊接是一种通过旋转振镜周期性地改变激光束移动路径的新型激光焊接工艺，扫描激光束能够改善熔池的能量分布及熔池小孔的动力学行为，提升焊接过程的稳定性，减少焊缝气孔和裂纹等，提高异种材料焊缝的成形质量。然而，目前采用的扫描激光焊接方式，激光束扫描路径常设定为沿焊接中心线对称，难以实现对异种材料焊缝几何不对称性的有效抑制。另外，在异种材料焊接过程中，焊接板材间隙的高精度调整和定位夹紧效率低，严重影响了异种材料的焊接效率，亟需提出一种能够用于异种材料激光焊接过程的高效率调控方法。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决上述问题，提出了一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，采用变功率的激光束和不对称“∞”形扫描路径调节异种材料焊接过程中的能量分配，抑制异种材料焊缝的几何不对称性、气孔等焊接缺陷的形成。通过间隙调整块和定位夹紧机构配合使用，减少异种材料焊接板材的定位调整时间，高效率、高质量地完成异种材料焊接过程。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，采用变功率的激光束和不对称“∞”形扫描路径调节异种材料激光焊接过程中的能量分配，对异种材料的焊接过程及焊缝质量进行调控，其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.1)根据异种材料焊缝的几何不对称性程度，确定能量分配系数；
8.2)根据异种材料的能量分配系数，确定能量分配调控方案和调节参数；
9.3)调整异种材料焊接板材的间隙，完成焊接板材的定位夹紧；
10.4)调节其他焊接工艺参数，完成异种材料的焊接过程。
11.进一步的，提取常规激光焊接中所获得的异种材料焊缝的横截面几何形貌特征，焊接中心线左右两侧的异种材料焊缝上熔宽分别为a1和a2，焊缝下熔宽分别为b1和b2，焊缝
面积分别为s1和s2，焊缝的几何不对称性程度r由焊缝上端的不对称性程度ra＝(a
2-a1)/a1(a1《a2)、焊缝下端的不对称性程度rb＝(b
2-b1)/b1(b1《b2)及焊缝面积的不对称性程度rs＝(s
2-s1)/s1(s1《s2)求取，即r＝ηara+ηbrb+η
srs
，ηa+ηb+ηs＝1，焊接中心线左侧能量分配系数r1＝(1+r)/(2+r),焊接中心线右侧能量分配系数r2＝1-r1；
12.进一步的，扫描激光焊接过程中激光功率与扫描路径长度是影响能量分配的重要参数，能量分配调控方案主要包括恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控方案和变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案，恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控方案适用于焊缝几何不对称性程度较弱的工况(r≤1，r1≤2r2)，变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案适用于焊缝几何不对称性程度较严重的工况(r》1，r1》2r2)，相同的能量分配调控方案调控过程中焊接速度、扫描频率及离焦量等焊接工艺参数保持不变。
13.进一步的，恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中，激光功率保持不变，焊接过程中能量分配主要受激光束作用时间的影响，当焊接速度与扫描频率保持不变时，激光作用时间与激光扫描路径长度线性相关，因此，在异种材料焊接中心线两侧，采用路径长度不同的不对称“∞”形激光扫描路径调节能量分配，焊接中心线左右两侧的扫描路径长度分别为l1和l2，l1/l2＝α(r1/r2)(l1》l2)，α为扫描路径调节修正系数。
14.进一步的，变功率不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中，能量分配主要受激光功率和激光扫描路径长度的影响，因此，在异种材料焊接中心线两侧，采用功率周期性变化的不对称“∞”形扫描路径的激光束调节能量分配，焊接中心线左右两侧的激光功率分别为p1和p2，焊接中心线左右两侧的扫描路径长度分别为l3和l4，p1l3/p2l4＝β(r1/r2)(p1》p2，l3》l4)，β为激光功率和扫描路径长度协同调节修正系数。
15.进一步的，变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案中激光束扫描周期为t，一个扫描周期t内焊接中心线两侧的激光功率p1和p2的作用时间分别为t1和t2，t1＝tl3/(l3+l4)，t2＝t-t1。
16.进一步的，根据异种材料焊接板材的间隙需求，选用对应宽度的间隙调整块，调整焊接板材端面与间隙调整块端面对齐，配合焊接板材的移动、定位及夹紧机构完成异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧。
17.进一步的，所述不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中采用浓度99.99％的氩气作为保护气体，焊接过程中能量分配调节参数为激光功率和激光扫描路径的长度，焊接过程中其他主要焊接工艺参数还包括焊接速度、扫描频率、离焦量及保护气体流量等，具体操作为：确定异种材料焊接过程中能量分配调控方案和调节参数，进行异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧，打开保护气和激光，综合调节其他主要焊接工艺参数，完成不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接。
18.本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具有以下有益效果：
19.1.本发明提出的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，采用变功率的激光束和不对称“∞”形扫描路径调节异种材料焊接过程中的能量分配，抑制焊接缺陷的形成，通过间隙调整块和定位夹紧机构配合完成异种材料焊接板材的定位夹紧，高效率、高质量地完成异种材料焊接过程；
20.2.本发明提出的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，采用恒定功率不对称“∞”形扫描激光和变功率不对称“∞”形扫描激光两种调控方案，满足异种材料
焊缝不同程度几何不对称性的个性化改善需求；
21.3.本发明提出的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，通过间隙调整块、定位夹紧机构及焊接平台等组件配合，在保证焊接板材间隙调整精度的条件下，减少了异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧时间，提高了异种材料的焊接效率。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
23.图1为本发明的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控过程示意图；
24.图2为本发明的异种材料a焊缝横截面示意图；
25.图3为本发明的恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控过程示意图；
26.图4为本发明的异种材料焊接板材的间隙调整与定位夹紧过程示意图；
27.图5为本发明的异种材料b焊缝横截面示意图；
28.图6为本发明的变功率不对称“∞”形扫描激光调控过程示意图；
29.图中：1-焊接平台，2-低碳钢a板，3-不锈钢板，4-纵向移动机构，5-u形块，6-间隙调整块，7-纵向定位机构，8-夹紧机构，9-横向移动机构，10-激光束，11-保护气嘴，12
‑“
∞”形扫描路径，13-焊接熔池，14-异种材料a焊缝，15-低碳钢b板，16-铝合金板，17-异种材料b焊缝，1401-低碳钢a侧焊缝，1402-不锈钢侧焊缝，1701-低碳钢b侧焊缝，1702-铝合金侧焊缝。
具体实施方式
30.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明的示意性实施方式仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。以下结合附图使用两个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明：
31.一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，根据异种材料焊缝成形质量和焊接效率的改善需求，采用变功率的激光束10和不对称“∞”形扫描路径12调节异种材料焊接过程中焊接熔池13的能量分配，抑制异种材料焊缝几何不对称性、气孔等焊接缺陷的形成；通过间隙调整块6和定位夹紧机构配合使用，减少异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧时间，高效率、高质量地完成异种材料焊接过程，如图1所示。
32.实施例1
33.本实施列中，异种材料焊接板材分别选取为2mm厚的低碳钢a板2和不锈钢板3，提取在异种材料焊接板材的间隙为0.02mm，激光功率为3000w，焊接速度为4m/min，离焦量为0mm的焊接工艺参数条件下常规激光单道焊的异种材料a焊缝14横截面形貌特征，如图2所示。低碳钢a侧焊缝1401的上熔宽a1为0.47mm、下熔宽b1为0.27mm、面积s1为0.45mm2，不锈钢侧焊缝1402的上熔宽a2为0.72mm、下熔宽b2为0.47mm、面积s2为0.67mm2，焊缝上端的不对称性程度ra为0.53，焊缝下端的不对称性程度rb为0.74，焊缝面积的不对称性程度rs为0.49，通过分析异种材料a焊缝14横截面形貌与接头综合性能的关系，设定焊缝上熔宽影响系数ηa为0.32，焊缝下熔宽影响系数ηb为0.28，焊缝面积影响系数ηs为0.4，异种材料a焊缝14的几何不对称性程度r为0.57，低碳钢a侧能量分配系数r1为0.61，不锈钢侧能量分配系数r2为
0.39。
34.由于异种材料a焊缝14几何不对称性程度r为0.57，r《1，因此，采用恒定功率不对称“∞”形扫描激光对焊接过程进行调控，如图3所示。通过考虑低碳钢和不锈钢的热物性参数、激光束参数及环境温度等综合条件，确定扫描路径长度调节修正系数α为1.05，“∞”形扫描曲线的方程为x＝0.5asin(θ)，y＝0.5asin(2θ)，低碳钢a侧距离不锈钢侧距离l1/l2＝a1/a2＝1.64，本实施例中低碳钢a侧的“∞”形扫描幅度a1为1mm，不锈钢侧的“∞”形扫描幅度a2为0.61mm。
35.如图4所示，所述焊接平台1上表面中部固定设置有u形块5，所述u形块5上部滑槽内滑动设置有纵向定位机构7，所述u形块5的左侧上部和纵向定位机构7上部凹槽内设置有能够灵活插拔的间隙调整块6，所述间隙调整块6的宽度c与异种材料焊接板材要求的间隙相同，所述焊接平台1上部设置有4组纵向移动机构4，所述纵向移动机构4端部设置有横向移动机构9，所述横向移动机构9端部设置夹紧机构8。本实施例中异种材料焊接板材的间隙调整与定位夹紧具体操作为：将低碳钢a板2和不锈钢板3水平放置于u形块5的表面，并保持焊接板材的左端面与u形块5左端定位面对齐，移动纵向移动机构4和横向移动机构9使夹紧机构8顺利完成焊接板材的夹持，根据低碳钢a板2和不锈钢板3的0.02mm间隙调整需求，选择两个宽度为0.02mm的间隙调整块6分别放置于述u形块5的左侧上部和纵向定位机构7上部凹槽内，滑动纵向定位机构7使其左端面与焊接板材的右端面对齐，通过横向移动机构9调整焊接板材的横向位置，使低碳钢a板2的前端面和不锈钢板3的后端面分别与间隙调整块6的前后端面对齐，固定纵向定位机构7和横向移动机构9，取出间隙调整块6，完成异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧。
36.恒定功率的激光束10和保护气嘴11沿着不对称“∞”形扫描路径12同步移动，低碳钢a板2和不锈钢板3在激光束10的辐射作用下熔化，保护气嘴11持续向焊接区域吹送浓度为99.99％的氩气防止熔融金属被氧化，直至完成异种材料焊接。本实施例中其他焊接工艺参数选取为激光功率3200w，焊接速度4m/min，离焦量为0mm，扫描频率50hz，保护气体流量20l/min。
37.实施例2
38.本实施列中，异种材料分别选取为3mm厚的低碳钢b板15和铝合金板16，提取在异种材料焊接板材的间隙为0.02mm，激光功率为2200w，焊接速度为1.5m/min，离焦量为+1mm的焊接工艺参数条件下常规激光单道焊的异种材料b焊缝17横截面形貌特征，如图5所示。低碳钢b侧焊缝1701的上熔宽a3为0.51mm、下熔宽b3为0.32mm、面积s3为0.99mm2，铝合金侧焊缝1702的上熔宽a4为1.29mm、下熔宽b4为0.77mm、面积s4为2.47mm2，焊缝上端的不对称性程度ra为1.53，焊缝下端的不对称性程度rb为1.41，焊缝面积的不对称性程度rs为1.49，通过分析异种材料b焊缝17横截面形貌与接头综合性能的关系，设定焊缝上熔宽影响系数ηa为0.33，焊缝下熔宽影响系数ηb为0.24，焊缝面积影响系数ηs为0.43，异种材料b焊缝17的几何不对称性程度r为1.48，低碳钢b侧能量分配系数r1为0.71，铝合金侧能量分配系数r2为0.29。
39.由于异种材料b焊缝17的几何不对称性程度r为1.48，r》1，因此，采用变功率不对称“∞”形扫描激光对焊接过程进行调控，如图6所示。考虑低碳钢和铝合金的热物性参数、
激光束参数及环境温度等综合条件，确定激光功率和扫描路径长度协同调节修正系数β为1.02，焊接中心线左右两侧的扫描路径长度分别为低碳钢b侧距离l3和铝合金侧距离l4，焊接中心线左右两侧的激光功率为低碳钢b侧功率p1和铝合金侧功率p2，p1l3＝2.50p2l4，本实施中低碳钢b侧的“∞”形扫描幅度a3为1.2mm，铝合金侧“∞”形的扫描幅度a4为0.72mm，低碳钢b侧激光功率p1为3000w，铝合金侧激光功率p2为2000w，激光功率p1单周期内作用时间t1为6.25ms，激光功率p2单周期内作用时间t2为3.75ms。
40.选择宽度为0.02mm的间隙调整块6进行低碳钢b板15和铝合金板16的间隙调整，异种材料焊接的间隙调整和定位夹紧具体步骤与实施例1相同，在此不做赘述。
41.变功率的激光束10和保护气嘴11沿着不对称“∞”形扫描路径12同步移动，低碳钢b板15和铝合金板16在激光束10的辐射作用下熔化，形成良好异种材料b焊缝17，本实施例中其他焊接工艺参数选取为焊接速度1.5m/min，离焦量为+1mm，扫描频率100hz，保护气体流量15l/min。
42.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，采用变功率的激光束和不对称“∞”形扫描路径调节异种材料激光焊接过程中的能量分配，对异种材料的焊接过程及焊缝质量进行调控，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据异种材料焊缝的几何不对称性程度，确定能量分配系数；2)根据异种材料的能量分配系数，确定能量分配调控方案和调节参数；3)调整异种材料焊接板材的间隙，完成焊接板材的定位夹紧；4)调节其他焊接工艺参数，完成异种材料的焊接过程。2.根据权利要求1所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，提取常规激光焊接中所获得的异种材料焊缝的横截面几何形貌特征，焊接中心线左右两侧的异种材料焊缝上熔宽分别为a1和a2，焊缝下熔宽分别为b1和b2，焊缝面积分别为s1和s2，焊缝的几何不对称性程度r由焊缝上端的不对称性程度r
a
＝(a
2-a1)/a1(a1<a2)、焊缝下端的不对称性程度r
b
＝(b
2-b1)/b1(b1<b2)及焊缝面积的不对称性程度r
s
＝(s
2-s1)/s1(s1<s2)求取，即r＝η
a
r
a
+η
b
r
b
+η
s
r
s
，η
a
+η
b
+η
s
＝1，焊接中心线左侧能量分配系数r1＝(1+r)/(2+r),焊接中心线右侧能量分配系数r2＝1-r1；3.根据权利要求1所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，扫描激光焊接过程中激光功率与扫描路径长度是影响能量分配的重要参数，能量分配调控方案主要包括恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控方案和变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案，恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控方案适用于焊缝几何不对称性程度较弱的工况(r≤1，r1≤2r2)，变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案适用于焊缝几何不对称性程度较严重的工况(r>1，r1>2r2)，相同的能量分配调控方案调控过程中焊接速度、扫描频率及离焦量等焊接工艺参数保持不变。4.根据权利要求3所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，恒定功率不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中，激光功率保持不变，焊接过程中能量分配主要受激光束作用时间的影响，当焊接速度与扫描频率保持不变时，激光作用时间与激光扫描路径长度线性相关，因此，在异种材料焊接中心线两侧，采用路径长度不同的不对称“∞”形激光扫描路径调节能量分配，焊接中心线左右两侧的扫描路径长度分别为l1和l2，l1/l2＝α(r1/r2)(l1>l2)，α为扫描路径调节修正系数。5.根据权利要求3所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，变功率不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中，能量分配主要受激光功率和激光扫描路径长度的影响，因此，在异种材料焊接中心线两侧，采用功率周期性变化的不对称“∞”形扫描路径的激光束调节能量分配，焊接中心线左右两侧的激光功率分别为p1和p2，焊接中心线左右两侧的扫描路径长度分别为l3和l4，p1l3/p2l4＝β(r1/r2)(p1>p2，l3>l4)，β为激光功率和扫描路径长度协同调节修正系数。6.根据权利要求5所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，变功率不对称“∞”形扫描激光调控方案中激光束扫描周期为t，一个扫描周期t内焊接中心线两侧的激光功率p1和p2的作用时间分别为t1和t2，t1＝tl3/(l3+l4)，t2＝t-t1。7.根据权利要求1所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，根据异种材料焊接板材的间隙需求，选用对应宽度的间隙调整块，调整焊接板材端面与间隙调整块端面对齐，配合焊接板材的定位夹紧机构完成异种材料焊接板材的间隙调
整和定位夹紧。8.根据权利要求1所述的一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，其特征在于，所述不对称“∞”形扫描激光调控异种材料焊接过程中采用浓度99.99％的氩气作为保护气体，焊接过程中能量分配调节参数为激光功率和激光扫描路径长度，焊接过程中其他主要焊接工艺参数还包括焊接速度、扫描频率、离焦量及保护气体流量等，具体操作为：确定异种材料焊接过程中能量分配调控方案和调节参数，进行异种材料焊接板材的间隙调整和定位夹紧，打开保护气和激光，综合调节其他主要焊接工艺参数，完成不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接。

技术总结

本发明属于异种材料焊接相关技术领域，其公开了一种不对称“∞”形扫描激光异种材料焊接的调控方法，包括如下步骤：1)根据异种材料焊缝的几何不对称性程度，确定能量分配系数；2)根据异种材料的能量分配系数，确定能量分配调控方案和调节参数；3)调整异种材料焊接板材的间隙，完成焊接板材的定位夹紧；4)调节其他焊接工艺参数，完成异种材料的焊接过程。本发明通过间隙调整块实现对异种材料焊接板材间隙高效地调整，采用变功率的激光束和不对称“∞”形扫描路径调节异种材料焊接过程中的能量分配，抑制异种材料焊缝几何不对称性和气孔缺陷的形成，提高异种材料焊缝成形质量，满足异种材料焊接焊缝形貌和接头性能的调控需求。异种材料焊接焊缝形貌和接头性能的调控需求。异种材料焊接焊缝形貌和接头性能的调控需求。