[发明专利]一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统，当焊枪完成每一个焊接子过程时，检测焊接对象的焊缝的温度，当焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，激光器输出的激光束穿过该磁场，且该磁场覆盖焊缝表面，约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向焊缝，约束等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀，起到水约束和高温硅油约束的作用，同时，避免出现水约束和高温硅油约束出现的缺陷，同时磁场与每个带电粒子发生作用，加速电子的运动速度，加剧等离子体反应，提高等离子体对激光能量的吸收效果。

技术领域

本发明涉及金属厚板焊接和激光冲击强化领域，尤其涉及一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统。

背景技术

金属焊接工艺广泛应用于航空航天、汽车、船舶、铁路等领域，但由于焊接过程的热影响，导致焊接接头(即焊缝)存在焊接残余拉应力及组织结构变化，降低疲劳性能。尤其是航母、舰船制造过程中存在大量的厚板焊接接头，由于一般采用多层多道焊，在深度方向存在较大的温度梯度，在一定深度内形成较大幅值的残余拉应力和粗大组织，还易出现板材层状撕裂、整体变形(如挠曲、扭曲变形)、焊缝产生裂纹及夹渣等质量问题，导致焊接后部件疲劳性能明显下降。因此亟需对厚板焊接后的焊缝进行处理，调控焊接残余拉应力，以改善厚板焊接接头的疲劳性能。

目前厚板焊接接头采取的焊后处理工艺主要包括热处理、锤击、超声冲击和机械喷丸。其中，焊后热处理工艺可以有效消除焊接拉应力，但会使母材区晶粒长大；锤击处理简单方便，但由于空气环境的限制，像钛合金等高熔点金属焊后锤击处理不适用；超声冲击和机械喷丸具有快速、高效的优点，但会显著降低材料的表面状态甚至引入裂纹缺陷。

为了解决上述问题，对于厚板焊接接头采取的焊后处理还有一种新型的工艺，为激光冲击强化技术，由于引入的残余压应力层深度大(mm级)、数值高(几百MPa)而得到了广泛的关注。它是利用高能激光束在金属构件表面诱导产生高压等离子体，在外部透明约束介质(水或硅油)的约束下转化为高压冲击波传向金属内部，并引入较高幅值的残余压应力，提高疲劳性能。但由于激光冲击波传播深度有限，形成的残余压应力影响深度不超过1.5mm，针对金属厚板，仅能在表层区域强化，不能消除内部焊接残余拉应力，存在疲劳断裂风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光冲击的金属焊接方法及系统，用于解决针对金属厚板，现有的激光冲击强化技术仅能在表层区域强化，不能消除内部焊接残余拉应力，存在疲劳断裂风险的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光冲击的金属焊接方法，焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程，所述金属焊接方法包括：

当焊枪完成每一个焊接子过程时，检测焊接对象的焊缝的温度；

当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀。

优选地，所述预设温度阈值为300℃。

一种基于激光冲击的金属焊接系统，包括焊枪、外加磁场生成装置、激光器和温度检测装置；所述焊枪对焊接对象的焊缝的整个焊接过程分为至少两个焊接子过程；

当所述焊枪完成每一个焊接子过程时，所述温度检测装置检测焊接对象的焊缝的温度，当所述焊缝的温度降低到预设温度阈值时，启动激光器，对所述焊缝进行激光冲击强化，同时，所述外加磁场生成装置施加磁场，所述激光器输出的激光束穿过所述磁场，且所述磁场覆盖焊缝表面，用以约束激光器输出的激光束在焊缝表面诱导的等离子体，使所述等离子体的带电粒子的洛伦茨力指向所述焊缝，约束所述等离子体的带电粒子向激光入射方向膨胀。