CN106914700A - 一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法,本发明通过在激光焊接的旋转夹紧工装中引入超声激振器,在焊接过程中,实现了对异种金属焊件施加频率从15K~2MHz的超声激振,提高了异种金属焊件的一次成功率,降低了生产成本,提高了生产效率;通过采用异种金属材料超声辅助激光焊接工艺,提高了试件的密封性能,可达到小于1×10‑9Pa m3/S的漏率水平。

Description

一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法,用于提升金属激光焊接性能。
背景技术
异种金属激光焊接存在相互溶解度、熔点、线膨胀系数不同等问题,易产生裂纹和脆性金属间化合物。相对于其他焊接方法,激光焊接具有能量密度高、热量集中、热源易控制、焊缝深宽比大、热影响区窄及焊接变形小等优点,是异种金属焊接可供选择的连接方法之一,但对于具高结合强度、高气密要求的异种金属连接,如非导磁金属白铜和导磁金属电工纯铁,密封性往往通过单纯的激光焊接很难保证。
为满足异种金属激光焊缝的强度和密封设计要求,需改善异种金属焊接激光封焊的焊接应力水平,控制微裂纹的产生。
高功率超声振动可提供更小的波长和更多的振动能量,在固体中有很高的传输效率,同时微米级的振动幅值不会影响待焊件的夹持状态。如能将高频超声激振有效传递到激光焊缝熔池,并能够对激振波长、激振能量、激振时间等做到量化控制,将拓宽异种金属激光焊适用范围,大大改善激光焊封的焊接质量,在异种金属构件的激光焊接领域将起到积极的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:为克服现有技术的不足,提供一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法,以释放焊接过程中的应力,避免结构焊缝后期开裂,保证气密性能。
本发明的技术解决方案:
一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,包括基座、第一顶具、第二顶具、步进电机、压电陶瓷和超声激振器,在基座上开有同轴的第一通孔和第二通孔,第一顶具置于第一通孔中,步进电机的轴与第一顶具固连,第二顶具置于第二通孔中,异种金属焊件置于第一顶具与第二顶具之间,压电陶瓷置于第二顶具与异种金属焊件之间,与异种金属焊件间接触的压电陶瓷面上设置有匹配层,第二顶具可以轴向移动,实现对异种金属焊件压力的调整,第二顶具中心位置为通孔结构,超声能量传输线穿过第二顶具通孔结构,实现超声激振器与压电陶瓷的电连接,
步进电机转动,带动第一顶具、异种金属焊件、第二顶具同步转动,在同步转动过程中,超声激振器通过压电陶瓷,对异种金属焊件施加纵向振动。
基座的第一通孔和第二通孔中设置轴承,第一顶具和第二顶具与轴承过盈配合,实现第一顶具和第二顶具在第一通孔和第二通孔中的自由转动。
在第二顶具上加工有外螺纹,在螺纹上套装锁紧螺母,调整锁紧螺母,实现第二顶具的轴向移动,进而实现对异种金属焊件压力的调整。
步进电机转速范围为0.5mm/s~50mm/s;
压电陶瓷厚度为0.5mm~10mm。
压电陶瓷振动频率为15K~2MHz。
压电陶瓷两端电压幅值范围为20V~2000V。
一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接方法,具体步骤为:
(1)将异种金属焊件装入第一顶具与第二顶具之间,调整第二顶具的轴向位移,夹紧异种金属焊件;
(2)调整基座,使激光头对准异种金属焊件焊缝最高点,将装置放置于激光焊接工作平台上,调整好装置与激光焊头的位置关系;
(3)启动激光焊机、步进电机和超声激振器,开启激光进行焊接,激光的平均功率范围为50W~500W,离焦量范围为-5mm~5mm,步进电机转速范围0.5mm/s~10mm/s;调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使压电陶瓷振动频率为15K~2MHz,两端电压幅值范围为20V~2000V,异种金属焊件转动完成一周,焊接结束。
(4)取下异种金属焊件,检测异种金属焊件的漏率,如果漏率小于1×10-9Pa m3/S,则焊接合格,否则回到步骤(1)继续焊接,经过两次补焊,漏率仍不合格,则淘汰。
压电陶瓷厚度为0.5mm~10mm。
所述的步骤(3)中,激光的平均功率范围为120W~350W,离焦量范围为-4mm~0mm,步进电机转速范围2.2mm/s~4mm/s;压电陶瓷厚度2mm~5mm,调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使压电陶瓷振动频率为30K~1MHz,两端电压幅值范围为100V~500V。
本发明的有益效果为:
(1)本发明通过在激光焊接的旋转夹紧工装中引入超声激振器,在焊接过程中,实现了对异种金属焊件施加频率从15K~2MHz的超声激振,提高了异种金属焊件的一次成功率,降低了生产成本,提高了生产效率;
(2)本发明通过采用异种金属材料超声辅助激光焊接工艺,提高了试件的密封性能,可达到小于1×10-9Pa m3/S的漏率水平。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,如图1所示,包括基座1、第一顶具2、第二顶具3、步进电机4、压电陶瓷5和超声激振器6,在基座1上开有同轴的第一通孔和第二通孔,第一顶具2置于第一通孔中,步进电机4的轴与第一顶具2固连,第二顶具3置于第二通孔中,异种金属焊件置于第一顶具2与第二顶具3之间,压电陶瓷5置于第二顶具3与异种金属焊件之间,与异种金属焊件间接触的压电陶瓷面上设置有匹配层,第二顶具3可以轴向移动,实现对异种金属焊件压力的调整,第二顶具3中心位置为通孔结构,超声能量传输线穿过第二顶具3通孔结构,实现超声激振器6与压电陶瓷5的电连接,
步进电机4转动,带动第一顶具2、异种金属焊件、第二顶具3同步转动,在同步转动过程中,超声激振器6通过压电陶瓷5,对异种金属焊件施加纵向振动。
在基座1的第一通孔和第二通孔中设置轴承,第一顶具2和第二顶具3与轴承过盈配合,实现第一顶具2和第二顶具3在第一通孔和第二通孔中的自由转动。在第二顶具3上加工有外螺纹,在螺纹上套装锁紧螺母,调整锁紧螺母,实现第二顶具3的轴向移动,进而实现对异种金属焊件压力的调整。
步进电机4转速范围为0.5mm/s~50mm/s,压电陶瓷5厚度为0.5mm~10mm,压电陶瓷5振动频率为15K~2MHz,压电陶瓷5两端电压幅值范围为20V~2000V。
对熔点不同的两种材料,例如导磁材料电工纯铁(熔点1535℃)和非导磁材料白铜(1083℃),存在在密封强度焊接的使用需求,由于其熔点差异,两者在激光焊后,容易产生应力集中,焊缝开裂,气密无法保证等问题,采用上述装置,引入高频高功率的超声激振办法,通过装置的高效固体传振设计,在激光焊点熔池处给予合适频率、合适波长、合适时长的超声扰动,达到边焊接边释放应力,熔池凝固后焊接应力降低的目的,实现避免结构焊缝后期开裂,保证气密的作用。在小尺寸多道焊缝的激光焊接过程中,可有效改善焊缝开裂,气密难实现的现状。
一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接方法,如图2所示,具体步骤为:
(1)将异种金属焊件装入第一顶具与第二顶具之间,调整第二顶具的轴向位移,夹紧异种金属焊件;
(2)调整基座,使激光头对准异种金属焊件焊缝最高点,将装置放置于激光焊接工作平台上,调整好装置与激光焊头的位置关系;
(3)启动激光焊机、步进电机和超声激振器,开启激光进行焊接,激光的平均功率范围为50W~500W,离焦量范围为-5mm~5mm,步进电机转速范围0.5mm/s~50mm/s;调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使厚度为0.5mm~10mm压电陶瓷振动频率为15K~2MHz,两端电压幅值范围为20V~2000V,异种金属焊件转动完成一周,焊接结束。
(4)取下异种金属焊件,检测异种金属焊件的漏率,如果漏率小于1×10-9Pa m3/S,则焊接合格,否则回到步骤(1)继续焊接,经过两次补焊,漏率仍不合格,则淘汰。
优选地,步骤(3)中,激光的平均功率范围为120W~350W,离焦量范围为-4mm~0mm,步进电机转速范围2.2mm/s~4mm/s;压电陶瓷厚度2mm~5mm,调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使压电陶瓷振动频率为30K~1MHz,两端电压幅值范围为100V~500V。
实施例:
下面对表1电工纯铁和白铜试件,开展超声辅助激光焊接,共8套,其中4套加超声激振,4套不加超声激振,对实施过程进行详述,并对超声辅助激光焊接和单纯激光焊接的试件进行焊接后漏率效果对比分析:
表1:被焊件主要参数
超声辅助激光焊接实施过程如下:
(1)将异种金属焊件装入第一顶具与第二顶具之间,调整第二顶具的轴向位移,夹紧异种金属焊件;
(2)调整基座,使激光头对准异种金属焊件焊缝最高点,放置于激光焊接工作平台上,调整好装置与激光焊头的位置关系;
(3)启动激光焊机、步进电机和超声激振器,开启激光进行焊接,所用参数如下表2、表3所示,异种金属焊件转动完成一周,焊接结束。
(4)取下异种金属焊件,检测异种金属焊件的漏率,漏率数据如表4试件1至试件4所示;
表2:激光焊机主要工艺参数
表3:超声激振器及压电陶瓷参数
(5)按照步骤(1)、步骤(2)装夹剩下4件异种金属焊件;
(6)启动激光焊机、步进电机,开启激光进行焊接,所用参数如表2所示、异种金属焊件转动完成一周,焊接结束。
(7)取下异种金属焊件,检测异种金属焊件的漏率,漏率数据如表4试件5至试件8所示;
表4:接试件测试结果
试件 试件1 试件2 试件3 试件4
试件 试件5 试件6 试件7 试件8
经过对比测试发现,采用超声辅助激光焊接装置及方法,使异种金属焊件漏率明显提高1至2个数量级,漏率达优于1×10-9Pa m3/S的要求。只采用传统激光焊接办法焊接的异种金属焊件,漏率达不到1×10-9Pa m3/S要求,实现了对异种金属焊件施加频率从15K~2MHz的超声激振,提高了异种金属焊件的一次成功率,降低了生产成本,提高了生产效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,包括基座(1)、第一顶具(2)、第二顶具(3)、步进电机(4)、压电陶瓷(5)和超声激振器(6),在基座(1)上开有同轴的第一通孔和第二通孔,第一顶具(2)置于第一通孔中,步进电机(4)的轴与第一顶具(2)固连,第二顶具(3)置于第二通孔中,异种金属焊件置于第一顶具(2)与第二顶具(3)之间,压电陶瓷(5)置于第二顶具(3)与异种金属焊件之间,与异种金属焊件间接触的压电陶瓷面上设置有匹配层,第二顶具(3)可以轴向移动,实现对异种金属焊件压力的调整,第二顶具(3)中心位置为通孔结构,超声能量传输线穿过第二顶具(3)通孔结构,实现超声激振器(6)与压电陶瓷(5)的电连接,
步进电机(4)转动,带动第一顶具(2)、异种金属焊件、第二顶具(3)同步转动,在同步转动过程中,超声激振器(6)通过压电陶瓷(5),对异种金属焊件施加纵向振动。
2.如权利要求1所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,基座(1)的第一通孔和第二通孔中设置轴承,第一顶具(2)和第二顶具(3)与轴承过盈配合,实现第一顶具(2)和第二顶具(3)在第一通孔和第二通孔中的自由转动。
3.如权利要求1或2所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,在第二顶具(3)上加工有外螺纹,在螺纹上套装锁紧螺母,调整锁紧螺母,实现第二顶具(3)的轴向移动,进而实现对异种金属焊件压力的调整。
4.如权利要求1所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,步进电机(4)转速范围为0.5mm/s~50mm/s。
5.如权利要求1所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,压电陶瓷(5)厚度为0.5mm~10mm。
6.如权利要求1所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,压电陶瓷(5)振动频率为15K~2MHz。
7.如权利要求1所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置,其特征在于,压电陶瓷(5)两端电压幅值范围为20V~2000V。
8.一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接方法,所用装置如权利要求1所述,其特征在于,具体步骤为:
(1)将异种金属焊件装入第一顶具与第二顶具之间,调整第二顶具的轴向位移,夹紧异种金属焊件;
(2)调整基座,使激光头对准异种金属焊件焊缝最高点,将装置放置于激光焊接工作平台上,调整好装置与激光焊头的位置关系;
(3)启动激光焊机、步进电机和超声激振器,开启激光进行焊接,激光的平均功率范围为50W~500W,离焦量范围为-5mm~5mm,步进电机转速范围0.5mm/s~50mm/s;调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使压电陶瓷振动频率为15K~2MHz,两端电压幅值范围为20V~2000V,异种金属焊件转动完成一周,焊接结束。
(4)取下异种金属焊件,检测异种金属焊件的漏率,如果漏率小于1×10-10Pa m3/S,则焊接合格,否则回到步骤(1)继续焊接,经过两次补焊,漏率仍不合格,则淘汰。
9.如权利要求8所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接方法,其特征在于,压电陶瓷厚度为0.5mm~10mm。
10.如权利要求9所述的一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接方法,其特征在于,所述的步骤(3)中,激光的平均功率范围为120W~350W,离焦量范围为-4mm~0mm,步进电机转速范围2.2mm/s~4mm/s;压电陶瓷厚度2mm~5mm,调整超声激振器的输出电压频率和幅值,使压电陶瓷振动频率为30K~1MHz,两端电压幅值范围为100V~500V。
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