[发明专利]金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法

说明书

本发明公开了一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，所述装置包括：激光焊接系统，激光冲击锻打系统以及智能检测控制系统。该方法包括1)激光焊接系统通过高能激光束利用热效应辐射加热金属工件表面进行焊接，与此同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的焊接区进行冲击锻打；2)脉冲宽度、能量、峰值功率和重复频率等激光焊接参数与冲击锻打参数相互约束与协同，并确定激光冲击锻打的最佳温度区域和尺寸范围及冲击强化参数。本发明通过双激光束充分利用了热效应和冲击波力学效应，省工省时并且省去专用加热设备，能消除减轻焊件内部残余应力，可避免或降低焊接残余拉应力的危害，具有极大经济效益和社会效益。

技术领域

本发明涉及金属低应力焊接技术领域，特别涉及一种金属双激光束低应力冲击锻打焊接装置与方法。

背景技术

焊接是指通过适当的物理化学过程，使两个彼此分离的固态物体产生原子或分子间结合力而形成为成一体的连接方法。激光焊接是以激光作为能量载体的一种高效精密的焊接方法，是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一，70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。激光应用于焊接技术中极大地推进了焊接技术的发展，由于具有高质量、高精度、低变形、高效率和高速度，能在室温或特殊条件下进焊接，设备装置简单等独特的优点，在工业领域得到广泛应用，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中，其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用也越来越广。但是金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，在焊接过程中焊缝区域依次经历快速加热熔化、快速凝固结晶和固态相变等几个重要阶段，形成了大量的非平衡凝固组织，使各区域的组织形态相差悬殊，从而使焊接完成的试件存在残余应力高、疲劳寿命短、变形幅度达、力学性能差和裂纹倾向明显等特征缺陷，且尤以残余应力的影响为甚，屈服极限附近工件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低工件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了工件的尺寸精度。因此降低和消除工件的残余应力就十分必要，由残余应力引起的疲劳失效更不容忽视。

目前消除残余应力的最通用的方法是对焊接工件进行随焊处理和焊后热处理，随焊处理是指在进行焊接操作的同时，在被焊接区域的附近所进行的一系列处理措施，主要包括随焊碾压、随焊旋转挤压、随焊锤击、振动焊接、随焊激冷、随焊预拉伸和随焊电磁感应，现有的随焊处理技术缺乏智能化、精度化，对于结构复杂的焊接件的处理具有一定的局限性，不能更好的消除焊件缺陷；焊后热处理是指在焊接操作完成以后对被焊件所施加的一处理措施，即将焊件加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊后处理是焊接区域冷却后再进行处理，其塑性变形小，很难彻底消除内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷，焊件加热装置复杂程度随着熔敷零件的尺寸增大和结构复杂性增加将成倍增加，待焊件冷却后再加热效率低，浪费能源。

随着航天航空航空航天、轨道交通以及汽车等制造业发展对金属材料性能要求越来越高，为了更进一步提高制造效率，对各种不同复杂器件局部区域进行焊接强化，更彻底的消除焊件区域内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷，本发明提出了一种金属双激光束低应力冲击锻打焊接装置与方法，采用双激光束同时对金属工件进行焊接和冲击锻打，当焊接激光束辐射到待焊工件利用热效应使焊接区域快速熔化形成熔池，同时另一束短脉冲激光利用冲击波力学效应对尚处于最佳高温温度的焊接区域进行同步冲击锻打。也即工件焊接和强化同时进行，同时完成。两束激光束参数选择相互影响，达到两者之间最佳匹配，才能够保证焊接速度质量达最佳。本发明方法在提升金属工件焊接效率的同时保证焊接质量，这对于保证金属零件性能、提高制造效率、提升我国制造业水平等都具有重要意义。

发明内容