CN107570872A - 一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法。将超声振动引入到异质材料的激光焊接中，具体为：超声发生器产生的超声频率交流电，通过超声振子产生振动并放大振幅，最终由焊接材料将超声振动导入焊接熔池。通过超声振动在焊接熔池内产生特殊效应，对异质材料的激光焊接过程进行随动调控。与传统异质材料的激光焊接方法相比，使用本发明设计的超声辅助异质材料激光焊接装备能够有效抑制焊缝内未熔合区及脆性相的形成，并均化焊缝内元素分布，从而提高焊接接头的力学性能及抗腐蚀性能，同时，本发明装置无需改动激光加工系统，且其应用不受焊接材料尺寸限制。

Description

一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法。

背景技术

相对于传统焊接方法，激光焊接具有细化焊缝晶粒、降低焊接残余应力等优点，有利于提高焊缝组织及性能，保证焊接质量，近年来广泛应用于合金焊接领域。然而，在异质材料的激光焊接中，依然存在一些问题，如未熔合区、二次相及元素不均匀分布等现象的产生。其中，未熔合区是焊接接头抗腐蚀性能最薄弱位置，二次相的形成会导致焊接接头力学性能的下降，元素的不均匀分布会降低焊缝性能的一致性，而且，通过改变焊接参数无法有效地消除此类缺陷。超声振动能场作用于焊接熔池，由于其空化效应、声流效应、热效应以及机械效应等相应机制，能够对焊接过程中的熔池流动以及凝固行为起到有效的干预，因此可用于抑制上述缺陷的形成。

相关论文及专利中已有超声振动辅助焊接装置及方法的报道。但在焊接方法上，超声振动主要用于辅助弧焊、钎焊及搅拌摩擦焊等焊接形式，针对超声振动辅助激光焊接的相关焊接方法鲜有报道。在解决的问题上，超声辅助焊接装置主要针对同质材料焊接中存在的晶粒粗大、残余应力等级高、气孔及裂纹缺陷多等问题而设计，而在异质材料焊接中未被应用。同时，在施加方式上，此前报道的超声振动施加方式主要包括焊接材料底面整体施加及固定点施加两种。其中焊接材料底面整体施加方式为通过超声振板带动焊接材料整体产生超声振动，但此方法无法应用于较大尺寸焊接材料的焊接、且有效超声作用功率较低；固定点施加方式为通过超声振头对工件固定位置处的激励使得焊接材料整体产生谐振，但其方法需要超声系统具有自寻频功能，系统成本较高，且对焊接焊工件的固有频率具有一定要求，适应性较差。

中国专利CN 102059453 A公开了一种超声波非接触式辅助激光焊接的方法，为解决在激光焊接钛合金、铝合金等金属中容易产生气孔、裂纹等技术问题，该专利设计了一种非接触式超声波辅助激光焊接装置，从而达到细化焊缝组织、提高焊接接头性能的目的。但超声振动采用非接触的施加形式，其极大降低了超声功率的利用率，浪费超声资源，使得超声有效作用效果较弱。

中国专利CN 105414763A公开了一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其技术特征是实施板式换热板片的激光焊接时，施加高频超声振动，超声波振动与激光束采用同轴方式施加，换热板片与超声振动工具头直接接触，通过此方法可以解决不同材料换热板片装夹困难与焊接接头气体保护问题，同时超声的振动可以减小焊接残余应力、细化焊缝组织、减少气孔裂纹缺陷。但此方法采用超声波振动与激光束同轴施加的方式，对原有的激光光路系统改动较大，无法对激光焊接离焦量参数进行调整，适应性差；同时，难以对激光焊接过程进行实时观测，且对于焊后的焊缝表面具有一定的二次损伤。

中国专利CN 102744516B授权了一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置。为改善焊缝底部材料的塑性流动性，焊接质量低的缺点，该专利设计了专用卡具，将超声振动系统与搅拌头进行集成，不仅可以有效地保障振动系统的稳定性，还可以实现二维的调节，适合各种规格的搅拌头，具有广泛的适应性。但该专利未考虑超声振头与工件之间压紧力大小的调节，无法保证超声能量对焊接熔池的有效施加，同时该方法主要利用超声振动降低金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，而非利用超声对焊接熔池对流及凝固行为的干预机制，因此其装置仅适用于搅拌摩擦焊接系统，不适用于异质材料的激光焊接系统。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，本发明提出了一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法，消除了异质材料激光焊接过程中存在的未熔合区、二次相析出、元素不均匀分布等缺陷，提高焊接接头的性能，且该方法为随动施加，其应用不受焊接尺寸的限制。

本发明的技术方案：

一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法，步骤如下：

A、焊接形式为搭接焊，焊接夹块之间距离保持为8mm‐12mm，避免超声工具头在随动焊接过程中与夹具发生干涉；

B、超声振子包括超声换能器、变幅杆和工具头，其定位通过定位装置实现；所述的定位装置包括方形定位座、定位滑块、光杆及超声振子固定座，方形定位座上设有四个盲槽滑道，通过四个沉头内六角螺钉实现方形定位座与机床悬臂侧壁的定位及紧固；超声振子与定位滑块通过超声振子固定座连接，超声振动入射角，即超声振子轴线与焊接材料法线方向的夹角由定位滑块内四个螺纹的位置决定；超声振子沿焊接方向的定位通过方形定位座与机床悬臂侧壁的相对运动调节；超声振子垂直于焊接材料方向的定位通过方形定位座和定位滑块之间的相对运动实现，方形定位座和定位滑块通过光杆连接；

C、调整方形定位座及定位滑块的厚度使超声工具头位于焊接位置正前方，且距离焊接位置10mm‐20mm，使超声在焊接熔池中产生显著的空化及声流等效应；

D、超声振动入射角调整范围为20°～40°，使得焊接材料内超声反射纵波及横波强度达到最大值；

E、通过C型夹将定位装置及机床悬臂夹紧固定，C型夹夹紧扭矩为4N·m‐6N·m；

F、利用压电石英测力仪对超声振子的刚度进行测定，工具头与焊接材料间的压紧力范围为25N‐30N，相应的机床悬臂下压量为40μm‐50μm，实现工具头与焊接工件稳定压紧，同时减小工具头尖端磨损；

G、设置超声输出功率及激光焊接功率，开启超声发生器电源、延后2s后，开启保护气罐及激光器，进行随动超声振动辅助激光焊接，根据需要，选取合适的焊接长度及相应激光焊接参数；其中，为保证异质材料的有效焊接，激光焊接功率P不小于90W，同时为避免在较高激光焊接功率P下较大的超声输出功率P’导致焊接热裂纹的产生，激光焊接功率P与超声输出功率P’的匹配关系应满足关系式：P’≤2300‐20/3×P，其中P及P’的单位均为W，且P≥90W；

H、焊接结束后，依次关闭激光器、气罐及超声发生器。

本发明的有益效果：

1、超声的空化效应和声流效应能够在焊接熔池的熔化边界处产生微湍流，从而加速熔化边界处熔融母材的流动，使之与焊缝金属进行充分稀释，从而抑制抗腐蚀性能较差的未熔合区形成。

2、超声振动引起的空化效应，在空化泡破裂时能够产生瞬时高温高压，提升熔池的绝对温度，同时，超声波的传输能够增大焊接熔池的冷却速率，二者均有利于抑制大原子金属的偏析，从而消除焊缝中脆性相的产生。

3、普通激光异质焊接过程中，由于熔池极快的凝固速率，异质元素的扩散混合并未充分进行，从而导致焊缝内元素不均匀分布，超声振动产生的空化效应、声流效应及机械效应加快熔池内对流及扩散速率，加速焊缝内元素的均化。

附图说明

图1为随焊超声辅助激光异质焊接系统示意图。

图中：1超声发生器；2超声换能器；3变幅杆；4工具头；5机床悬臂；6激光器；7方形定位座；8定位滑块；9光杆；10固定座；11焊接材料；12夹块；13机床工作台。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

A、将厚度为0.5mm的哈氏合金C-276板置于厚度为2.0mm的奥氏体不锈钢304板上方，选用铜制夹块将异质材料夹紧固定，并将夹具固定于机床工作台上，焊接形式为搭接焊，焊接夹块之间的距离选为10mm。

B、超声发生器产生超声高频交流电，再通过换能器转化为超声机械振动，经过多级变幅杆放大后，由超声工具头尖端将超声波导入焊接熔池。选用超声振动频率为20kHz，超声发生器的功率为1.4kW，其对应的工具头尖端振幅为23μm。

C、将方形定位座与机床悬臂紧贴，沿Y轴方向调整定位块的位置，使超声振子固定后，其工具头尖端与焊接位置的距离为13mm，以保证焊接位置的振幅达到最大。通过四个M3内六角螺钉将定位块紧固于机床悬臂上。

D、将定位滑块与方形定位座紧贴，二者通过两根光杆实现滑动连接，通过四个M2的螺钉将两根光杆与方形定位座相固定。

所述的定位滑块具有4个M10的螺纹孔，螺纹孔中心连接形成的矩形长边方向与水平方向的夹角为30°。

E、固定支座通过四个M10的螺钉紧固于定位滑块上，其振动入射角应为30°，以保证传递入熔池的超声强度最大。

F、超声振头与焊接材料的压紧力通过调节机床悬臂的Z轴坐标进行控制，首先沿Z轴方向调节机床悬臂位置，使得激光作用位置位于焊接材料表面，并使振子自然下落与焊接材料相接处；通过压电石英测力仪标定压紧力F(单位为N)与机床悬臂下降距离d(单位为μm)的关系为F＝0.7*d。采用30N的压紧力，对应的机床悬臂下降距离约为43μm。将机床悬臂下降43μm后，通过C型夹将超声振子与夹块及机床悬臂整体夹紧固定。

G、将超声振子与超声发生器相接通，开启超声发生器电源，超声发生器输出功率为1400W、延后2s后，开启保护气罐和激光器，进行激光焊接实验，焊缝设计为长度为50mm的一条直线焊缝。气罐内为惰性气体，流量设定为15l/min。脉冲激光器的单脉冲能量为4.0J，焊接速度为150mm/min，脉冲频率为30Hz，脉宽为6ms，离焦量为0mm。

H、焊接结束后，依次关闭激光器、气罐、超声发生器，从而完成随动超声辅助异质材料的激光焊接。

以上所述实例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法，其特征在于，步骤如下：

A、焊接形式为搭接焊，焊接夹块之间距离保持为8mm-12mm，避免超声工具头在随动焊接过程中与夹具发生干涉；

B、超声振子包括超声换能器、变幅杆和工具头，其定位通过定位装置实现；所述的定位装置包括方形定位座、定位滑块、光杆及超声振子固定座，方形定位座上设有四个盲槽滑道，通过四个沉头内六角螺钉实现方形定位座与机床悬臂侧壁的定位及紧固；超声振子与定位滑块通过超声振子固定座连接，超声振动入射角，即超声振子轴线与焊接材料法线方向的夹角由定位滑块内四个螺纹的位置决定；超声振子沿焊接方向的定位通过方形定位座与机床悬臂侧壁的相对运动调节；超声振子垂直于焊接材料方向的定位通过方形定位座和定位滑块之间的相对运动实现，方形定位座和定位滑块通过光杆连接；

C、调整方形定位座及定位滑块的厚度使超声工具头位于焊接位置正前方，且距离焊接位置10mm-20mm，使超声在焊接熔池中产生显著的空化及声流等效应；

D、超声振动入射角调整范围为20°～40°，使得焊接材料内超声反射纵波及横波强度达到最大值；

E、通过C型夹将定位装置及机床悬臂夹紧固定，C型夹夹紧扭矩为4N·m-6N·m；

F、利用压电石英测力仪对超声振子的刚度进行测定，工具头与焊接材料间的压紧力范围为25N-30N，相应的机床悬臂下压量为40μm-50μm，实现工具头与焊接工件稳定压紧，同时减小工具头尖端磨损；

G、设置超声输出功率及激光焊接功率，开启超声发生器电源、延后2s后，开启保护气罐及激光器，进行随动超声振动辅助激光焊接，根据需要，选取合适的焊接长度及相应激光焊接参数；其中，为保证异质材料的有效焊接，激光焊接功率P不小于90W，同时为避免在较高激光焊接功率P下较大的超声输出功率P’导致焊接热裂纹的产生，激光焊接功率P与超声输出功率P’的匹配关系应满足关系式：P’≤2300-20/3×P，其中P及P’的单位均为W，且P≥90W；

H、焊接结束后，依次关闭激光器、气罐及超声发生器。