技術領域

本發(fā)明涉及焊縫強化技術，一種無吸收層激光溫沖擊強化焊縫技術。

背景技術：

焊接件焊縫處的機械性能、疲勞性能和抗腐蝕性能至關重要，但由于焊后熱處理會破壞整個焊縫的焊接質(zhì)量以及導致高幅殘余拉應力，直接導致焊接件的斷裂失效，提高焊縫熱影響區(qū)強度很好的代替方法是應變硬化，激光沖擊強化處理，可以大大提高焊接件焊縫處機械性能。

激光吸收層具有重要作用，第一，保護金屬表面免遭激光燒蝕和融化；第二，用來增加沖擊波密度。當足夠密度的激光脈沖照射附有吸收性涂料的金屬目標時，吸收性材料蒸發(fā)，并形成一個等離子體。由于能量沉積時間短，從相互作用的區(qū)域散發(fā)出的熱能被限制在幾個微米內(nèi)，并且低于吸收性涂料維持保護的厚度。等離子體一直強烈地吸收激光能量直到能量沉積結(jié)束。在金屬目標與透明的約束層之間產(chǎn)生一個高振幅、短壓力脈沖的限定區(qū)域里，高熱等離子體水動力擴張。這種能量的一部分以沖擊波傳送進金屬。當沖擊波的壓力超過金屬的動態(tài)屈服強度，發(fā)生塑性變形，引起附近表面微觀結(jié)構和性能的改變。盡管激光沖擊強化在航空航天上有著廣泛的應用，但是由于吸收層的限制，在焊接管道內(nèi)壁等核電工程場合無法采取激光沖擊強化，針對以上情況，2006年日本的Y.Sano等人[MaterialsScienceandEngineeringA,2006,417:334–340.]采用無吸收層激光沖擊處理攪拌摩擦焊A6061-T6鋁合金，提高了焊接件的硬度，疲勞性能，但在常溫下激光沖擊細化表層晶粒深度和細化程度不夠，焊接件的抗腐蝕能力差和高溫疲勞壽命短。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種無吸收層激光溫沖擊強化焊縫方法，以在焊縫區(qū)域形成較深的晶粒細化層和深度超過1mm的高幅殘余壓應力層，大幅度提高焊接件的抗腐蝕能力和高溫疲勞壽命。

一種無吸收層激光溫沖擊焊縫的方法即先預熱焊接件基體，利用溫度升高加快零件基體位錯運動，將基體溫度提高到動態(tài)應變時效溫度后，采用高能納秒激光束直接沖擊焊縫處。當激光脈沖照射在目標金屬上時，金屬表面吸收激光能量蒸發(fā)、膨脹形成高溫高壓的等離子體，約束層限制住等離子體，產(chǎn)生高強沖擊波，其強度有幾個到數(shù)十個GPa，遠遠超過了金屬和合金的屈服強度，使焊縫區(qū)域金屬或合金材料產(chǎn)生嚴重塑性變形，使焊縫處表層晶粒細化甚至納米化，并在沖擊區(qū)域誘導高幅殘余壓應力，從而提高焊縫處的抗腐蝕能力和高溫疲勞壽命。

本發(fā)明最顯著特征在于采用無吸收層，即高能納秒激光束直接沖擊焊縫處，將金屬表層當做傳統(tǒng)意義上的吸收層，表面蒸發(fā)，形成等離子體，產(chǎn)生沖擊波，從而起到?jīng)_擊強化的作用。

為了解決以上技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種無吸收層激光溫沖擊強化焊縫方法，其特征在于采用無吸收層激光強化，即高能納秒激光束直接沖擊焊縫處，將金屬表層當做傳統(tǒng)意義上的吸收層，表面蒸發(fā)，形成等離子體，產(chǎn)生沖擊波，從而起到?jīng)_擊強化的作用，具體包括以下步驟：

步驟一，將焊接件(9)焊縫處清洗、拋光處理，打開真空箱(5)上方的活動蓋(11)，將焊接件(9)裝夾在固定于五軸工作臺(13)上的工具夾具(12)上；焊縫處無需涂吸收層，通過計算機控制系統(tǒng)(1)將五軸工作臺(13)移動到真空箱(5)內(nèi)，關閉真空箱(5)上方的活動蓋(11)并對其邊緣進行密封處理；

步驟二，向真空箱中注入約束層(7)，利用液位計(14)監(jiān)測焊接件(9)上方約束層(7)的厚度，通過加液閥門(15)和排液閥門(17)來控制焊接件(9)上方的約束層(7)厚度，監(jiān)測數(shù)據(jù)返回計算機控制系統(tǒng)(1)，并調(diào)整激光束(3)與焊接件(9)的相對位置；關閉真空箱(5)上透視窗(10)，將真空箱(5)抽至真空；

步驟三，預熱焊接件(9)，根據(jù)溫度傳感器(4)，利用計算機控制系統(tǒng)(1)控制真空箱(5)底部的加熱板(16)將焊接件(9)加熱到動態(tài)應變時效溫度區(qū)域；

步驟四，根據(jù)所述焊接件(9)的厚度和材料特性設置脈沖激光參數(shù)，脈寬、重復頻率、脈沖能量及光斑直徑；計算機控制系統(tǒng)(1)控制激光發(fā)射器(2)發(fā)射光束(3)，根據(jù)溫度傳感器(4)反饋回來的溫度信息控制加熱板(16)的開啟和停止，同時控制五軸工作臺(13)的移動控制激光光束(3)和焊接件(9)焊縫的相對位置。

所述密封處理為使用耐高溫密封膠帶進行密封。

在激光沖擊時，加熱所述焊接件使其溫度達到其材料的動態(tài)應變時效溫度區(qū)域。

所述脈沖激光參數(shù)為：脈寬8-30ns，重復頻率為1-100Hz，脈沖能量為1-20J，光斑直徑為1-5mm。

實施無吸收層激光溫沖擊焊縫方法的裝置包括計算機控制系統(tǒng)，上方是與計算機控制系統(tǒng)相連接的激光器，由激光器發(fā)出的激光束，與真空箱連接的溫度傳感器，下方是真空箱，真空箱上方是與計算機控制系統(tǒng)相連接的沖擊監(jiān)測裝置，真空箱中盛有約束層，與激光器平行的是反射由激光器發(fā)射出激光的激光發(fā)射頭，放置在真空箱中與計算機控制系統(tǒng)相連接的五軸聯(lián)動工作臺，五軸聯(lián)動工作臺上的工件夾具，工件夾具上的焊接件，蓋在真空箱上方的活動蓋，真空箱上方的透視窗，置于真空箱中的液位計，真空箱右上方的加液閥門，置于真空箱中的加熱板，真空箱右下角的排液閥門，其中液位計用來檢測焊接件上表面約束層的厚度，通過加液閥門和排液閥門來控制焊接件上表面的約束層厚度為1-2mm。所述的約束層，主要用于提高溫激光沖擊時的沖擊波峰壓。真空箱有上透視窗，能夠開閉，周圍均采用密封膠密封，確保在加工過程中液體不飛濺，同時保持恒溫，真空箱內(nèi)設有加液閥門、排液閥門、氣泵和抽真空閥門。

本發(fā)明的工藝創(chuàng)新在于將金屬材料加熱到動態(tài)應變時效溫度區(qū)域利用激光沖擊無吸收層的焊接件焊縫處導致表層產(chǎn)生塑性變形，最終導致表層金屬晶粒細化，達到強化焊縫的效果。

本發(fā)明的原理創(chuàng)新在于利用溫度升高加快零件基體位錯運動和顆粒擴散，將基體溫度提高到動態(tài)應變時效溫度區(qū)域；并且對基體進行無吸收層的激光沖擊，在高能沖擊力作用下，受沖擊的焊接處表層產(chǎn)生嚴重的塑性變形并且內(nèi)部微觀組織結(jié)構發(fā)生演變，使焊縫處表層晶粒細化，并在沖擊區(qū)域誘導產(chǎn)生殘余壓應力，從而提高焊縫處的機械性能

本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明通過將焊接件加熱到動態(tài)應變時效溫度區(qū)域再對焊接件進行激光沖擊，從而加快基體和焊縫區(qū)域位錯運動，使焊縫區(qū)域受沖擊以后形成更深的納米晶層；通過對焊接件采用無吸收層激光沖擊，受沖擊的焊接處表層產(chǎn)生嚴重的塑性變形并且內(nèi)部微觀組織結(jié)構發(fā)生演變，在沖擊區(qū)域誘導更深的高幅殘余壓應力，從而提高焊縫處的抗腐蝕能力和高溫疲勞壽命。

附圖說明

圖1為無吸收層激光溫沖擊強化焊縫裝置示意圖。

圖中：1計算機控制系統(tǒng)、2激光器、3激光束、4溫度傳感器、5真空箱、6沖擊監(jiān)測裝置、7約束層、8激光發(fā)射頭、9焊接件、10透視窗、11活動蓋、12工件夾具、13五軸聯(lián)動工作臺、14液位計、15加液閥門、16加熱板、17排液閥門。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提出具體裝置的細節(jié)和工作情況。

本發(fā)明采用的裝置包括依次相連的計算機控制系統(tǒng)1、激光器2、激光束3、激光發(fā)射頭8、溫度傳感器4、真空箱5、沖擊監(jiān)測裝置6、約束層7、透視窗10、活動蓋11、焊接件9、液位計14、加液閥門15、工件夾具12、五軸工作臺13、排液閥門17、加熱板16等裝置。

打開真空箱上方的活動蓋11，將焊接件9裝夾在固定在五軸工作臺13上的夾具12上。通過計算機控制系統(tǒng)1將五軸工作臺13移動到真空箱5內(nèi)，關閉真空箱5上方的活動蓋11；

利用液位計14監(jiān)測焊接件9上方透明約束層7的厚度，通過加液閥門15和排液閥門17來控制焊接件9上方的透明約束層7厚度為1-2mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)返回計算機控制系統(tǒng)1，并調(diào)整激光束3和焊接件9的相對位置；

預熱焊接件9，根據(jù)溫度傳感器4所示溫度，利用真空箱5底部的加熱板16將焊接件9溫度加熱到焊接件9材料的動態(tài)應變時效溫度；

根據(jù)焊縫加工區(qū)域要求，通過計算機控制系統(tǒng)(1)生成加工軌跡。確定激光束能量、光斑直徑、脈寬等工藝參數(shù)；

激光器2發(fā)出的能量為1-20J、脈寬為8-30ns、光斑直徑為1-5mm，重復頻率為1-100Hz，其由計算機控制系統(tǒng)1控制。由激光器2產(chǎn)生的激光束3通過激光發(fā)射頭8通過真空箱5上方的活動蓋11上的上透視窗10繼續(xù)穿過透明約束層7輻照在焊接件9焊縫上。計算機控制系統(tǒng)1可以控制激光發(fā)射頭8中凸透鏡移動調(diào)節(jié)光斑大?。挥蓻_擊監(jiān)測裝置6監(jiān)測沖擊情況，通過控制系統(tǒng)1控制五軸聯(lián)動工作臺13的移動，調(diào)整經(jīng)激光發(fā)射頭8發(fā)出的激光束3和焊接件9的相對位置；控制系統(tǒng)(1)還可根據(jù)沖擊監(jiān)測裝置6的信號確定下一步的沖擊過程。

實施例一

實施一種無吸收層激光溫沖擊強化焊縫方法的具體步驟為：

(1)將焊接件9焊縫處清洗、拋光處理，焊接件的材料為Cu-32%(wt)Zn合金，打開真空箱5上方的活動蓋11，將焊接件9裝夾在固定于五軸工作臺13上的工具夾具12上。焊縫處無需涂吸收層，通過計算機控制系統(tǒng)1將五軸工作臺13移動到真空箱5內(nèi)，關閉真空箱5上方的活動蓋11；

(2)向真空箱中注入710型耐高溫硅油，利用液位計14監(jiān)測焊接件9上方約束層7的厚度，通過加液閥門15和排液閥門17來控制焊接件9上方的約束層7厚度為1-2mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)返回計算機控制系統(tǒng)1，并調(diào)整激光束3與焊接件9的相對位置。關閉真空箱上透視窗10，將真空箱抽至真空；

(3)預熱焊接件9，根據(jù)溫度傳感器4，利用計算機控制系統(tǒng)1控制真空箱5底部的加熱板16將焊接件9加熱到動態(tài)應變時效溫度，Cu-32%(wt)Zn合金的動態(tài)應變時效溫度區(qū)域為0-126.85℃，加熱至20℃;

(4)根據(jù)焊接件9的厚度和材料特性設置脈沖激光參數(shù)：脈寬8ns，重復頻率為1Hz，脈沖能量為1J，光斑直徑為1mm；計算機控制系統(tǒng)1控制激光發(fā)射器光束3，根據(jù)溫度傳感器4反饋回來的溫度信息控制加熱板16的開啟和停止，同時控制五軸工作臺13的移動控制激光光束3和焊接件9焊縫的相對位置。

實施例二

將實施例一中脈沖激光參數(shù)改為：脈寬30ns,重復頻率100Hz，脈沖能量20J，光斑直徑5mm，Cu-32%(wt)Zn合金的溫度加熱至126℃，其它方法和步驟不變。

實施例三

將實施例一中脈沖激光參數(shù)改為：脈寬10ns,重復頻率50Hz，脈沖能量10J，光斑直徑2.5mm，Cu-32%(wt)Zn合金的溫度加熱至80℃，其它方法和步驟不變。