发明内容
[0004] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法。
[0005] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0006] 一种基于光束整形的隐藏添料式激光对接焊方法，包括如下步骤：
[0007] (1)装夹工件，在两块待焊接板材工件的对接焊接头部位沿焊接路径设置焊接添料剖口，在所述焊接添料剖口内嵌入焊接添料，形成内藏添料的焊接结构；设置激光焊接头与工件的相对方位，使得由激光焊接头输出的双圆环复合整形光束垂直入射到工件对接焊接头部位并聚焦于表面，并且焊接添料位于双圆环复合整形光束中的内圆激光照射区域的下方；
[0008] 所述焊接添料的材料与两块待焊接板材的材料均不同；所述焊接添料剖口尺寸小于等于双圆环复合整形光束的内圆激光聚焦光斑尺寸，待焊接板材工件的接头部位总体尺寸小于等于双圆环复合整形光束的外圆环激光聚焦光斑尺寸；
[0009] 所述双圆环复合整形光束由高斯能量分布的内圆激光和贝塞尔能量分布的外圆环激光构成；
[0010] (2)开启激光输出双圆环复合整形光束，并控制双圆环复合整形光束沿焊缝方向前进，使得焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描；同时调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合参数，使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度，以实现深熔焊缝的单面焊双面成型；或者使得激光辐照区域的母材熔深大于等于待焊接板材工件厚度的一半，先实现深熔焊缝的单面焊单面成型，再调整工件与激光焊接头的相对方位，使得双圆环复合整形光束从未焊的另一面入射，实现另一面的焊缝成型；
[0011] 焊接过程中，需同时控制内圆激光的能量密度使得焊缝中心熔池温度高于内藏添料熔点以实现内藏添料的熔化，内圆高斯激光束与外圆环贝塞尔激光束之间的环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。
[0012] 优选的，步骤(1)中双圆环复合整形光束的构造方法为：由光纤接头接入的单波长高斯激光束入射至分束镜，经由分束镜一分为二为A束和B束，A束沿原方向行进，B束的行进方向转折90度，A束入射至锥透镜组合系统，通过锥透镜组合系统输出贝塞尔环形激光束，再入射至空间合束镜；B束入射至第一45度反射镜，经第一45度反射镜的转折后入射至扩束准直系统，再经第二45度反射镜转折入射至空间合束镜；A束和B束激光经空间合束镜的合束后出射双圆环复合整形光束。
[0013] 本发明具有如下有益效果：
[0014] 1、本发明采用了内藏式添料的焊接结构，并且添料处于焊缝的中心区，结合特殊设计的、由高斯能量分布的内圆激光与贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)、以及焊接速度等工艺参数，由于光束能量的合理布局，加上添料处于焊缝的中心区的内藏式焊接结构，在焊接过程中可以有效避免传统激光填丝焊接过程中添料被高能量密度的单一高斯激光束照射而被大量直接烧损的问题，添料在焊接过程中既能很好的熔合在焊接金属的液态熔池中进行冶金反应，又能基本保持聚集在焊缝中心区域，从而最终凝固形成内含富集添料金属的焊接接头。进一步的，可以根据应用场合的需要，针对不同板材母材，选择不同材料组分的添料，实现各种特殊性能的焊接接头，例如：非磁性金属材料的母材与磁性金属材料的添料组合获得带有磁性的焊缝，或高强韧性金属材料的母材与高硬度金属材料的添料组合获得带有高强耐磨的焊缝，或差导电/导热性金属材料的母材与高导电/导热性金属材料的添料组合获得带有良好导电/导热性的焊缝，或无辐射性金属材料的母材与高可辐射性金属材料(辐射包括核辐射或荧光等)的添料组合获得带有辐射或荧光的自标记焊缝。
[0015] 2、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，这种复合能量分布实现了激光焊接路径上的复合热输入效果，焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，大大增强了焊接热输入的均匀性和精细程度，从而有效控制了焊缝中心熔池温度使得内藏添料不被大量烧损，并且环形间隔产生对应的温度梯度使得熔池内部的流动加速，促进冶金反应，减缓焊缝冷却速度，尤其适用于异种材料焊接兼容性较差的场合，从而有利于获得良好的焊缝组织，改善焊接接头性能，降低了对焊接前预热和焊后回火等相应的工艺要求。
[0016] 3、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，可以有效控制焊缝成型美观，改善焊缝余高外形，避免烧蚀塌陷等缺陷。
[0017] 4、本发明采用了特殊设计的由高斯能量分布的内圆激光+贝塞尔能量分布的外圆环激光构成的双圆环复合整形光束，这种复合能量分布实现了激光焊接路径上的复合热输入效果，焊缝区域先后由外圆环贝塞尔激光束、内圆高斯激光束、外圆环贝塞尔激光束进行三次重叠扫描，通过调节和控制双圆环复合整形光束的能量密度和相对能量配比、外圆环和内圆的光斑尺寸组合(可分别由锥透镜组合系统和扩束准直系统进行调节)等工艺参数，内圆高斯激光束是焊缝熔池的最核心热源，而前后的外圆环贝塞尔激光束扫描则相当于具有焊前预热、焊后续热的效果，有效延长了焊接熔池冶金时间，改善了焊缝凝固收缩残余热应力，有利于避免焊缝出现裂纹，降低焊缝和热影响区硬度并提高其塑性，使之与母材更加匹配，从而提升焊接接头质量。
