CN109158759A - 一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置。通过热气流管道和液流管道射出的热气流和高压液流，首先对薄板进行局部加热，减少基体和焊缝的温度差，然后通过较低温度的高压液流对焊缝进行处理，减少薄板焊接的翘曲变形，提高了焊接质量。

Description

一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置，能够有效地减少熔池和基体之间的温度差，提高焊缝和基体之间的结合强度，减少薄板焊接的翘曲变形，提高焊接质量。
背景技术
随着各种新材料的出现，考虑到降低成本，减轻重量，提高效率等因素的影响，薄壁件也将获得越来越广泛的应用，特别是在飞机上的焊接结构就多是薄壁结构件。而对于薄壁零件的焊接，运用激光焊接的方法不仅可以获得高强度、连续光滑的焊缝，还可以增加焊件的拉伸强度，达到减轻重量、节约材料、提高性能的效果。激光焊接作为现代科技与传统技术的结合体，其相对于传统焊接技术而言，以其独特之处可以极大的提升焊接的效率和精度。激光焊接技术属于熔融焊接，是以激光束为能源，使其冲击在焊件接头上以达到焊接目的的技术，其具有焊接速度快、深宽比大的特点，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，从而焊接工件的目的。
薄板焊接由于厚度较薄，激光焊接时焊件局部被加热到很高温度，高度集中的瞬态热输入使得焊接过程中和焊后产生相当大的内应力，从而影响焊接部件的安全性和寿命严重影响了焊缝的质量，并且容易发生翘曲变形，严重影响着产品的焊接质量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置，通过热气流管道和液流管道射出的热气流和高压液流，首先对薄板进行局部加热，减少基体和焊缝的温度差，然后通过较低温度的高压液流对焊缝进行处理，减少薄板焊接的翘曲变形，提高了焊接质量。
本发明提供的一种热气/液流辅助激光焊接薄板的装置，所述装置包括焊接工作台、激光焊接头、保护气体喷嘴、热气流管道和高压液流管道；待焊薄板固定在带有夹具的焊接工作台上，激光焊接头，保护气体喷嘴和热气流管道位于待焊薄板的正面，对准待焊部位，热气流管道同时位于激光焊接头和保护气体喷嘴的下方，热气流管道能够在PLC系统的控制下实现平移；高压液流管道穿过焊接工作台位于待焊薄板的背面，对准待焊部位，热气流管道和高压液流管道上均开有小孔，小孔的开合由PLC系统控制。
所述热气流管道和高压液流管道相互平行并分别开有一排相互对齐的小孔，热气流管道的小孔依次编为小孔1，小孔2，小孔3…；高压液流管道的小孔依次编为小孔a,小孔b,小孔c…，小孔之间的孔距为2-4mm。
所焊薄板的厚度不超过3mm；材质包括铝合金，不锈钢和钛合金。
利用所述装置实施热气/液流辅助激光焊接薄板的方法，其特征在于：首先位于待焊薄板正面的热气流管道上的小孔喷出高温热气流对待焊部位进行局部加热至待焊薄板的动态再结晶温度，然后立即使用激光焊接头对待焊部位进行焊接，焊接完成后位于待焊薄板背面的高压液流管道上的小孔立即射出低温高压液流对已形成的焊缝进行处理，产生冲击力对焊缝进行强化；
其具体步骤如下：
(1)将待焊薄板固定在带有夹具的焊接工作台上；
(2)激光焊接头，保护气体喷嘴和热气流管道位于待焊薄板的正面，高压液流管道置于待焊薄板背面，待焊薄板正面的热气流管道上的小孔1打开喷射出的高温氢气流接触空气被点燃对小孔1周边区域的薄板进行局部加热至动态再结晶温度；当完成加热步骤时，小孔1关闭，热气流管道在PLC系统控制下平移让开位置，不影响激光焊接头的焊接和保护气体喷工作；
(3)然后立即使用激光焊接头发出的激光在保护气体喷嘴喷出的保护气体保护下对薄板进行焊接；当激光焊接头焊接完成指定区域后，待焊薄板背面的高压液流管道上的小孔a射出高压液流对该区域已形成的焊缝进行处理并产生冲击力对焊缝进行强化；
(4)随着激光焊接头的运行，按照热气流局部加热，激光焊接头焊接，高压液流冲击强化的顺序交替进行，每块区域所对应的管道上的小孔2，小孔3…和小孔b,小孔c…交替开合射出高温氢气流和低温高压液流，对焊接件进行处理，完成整个工件的焊接。
所述动态再结晶温度TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为待焊薄板的动态再结晶温度，a取0.35～0.4，Tm为待焊薄板的熔点。
所述激光焊接的工艺参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4-6kW，焊接速度为1-2m/min。
所述高压液流为硅油，高压液流的流速为6m/s，直径为3mm/s，温度为0.5-0.6TDRX，TDRX为待焊薄板的动态再结晶温度。
对于热气流管道，当激光焊接头与小孔之间的距离小于孔距的一半时，小孔为打开状态，其他情况下为闭合状态；对于高压液流管道，当激光焊接头与小孔之间的距离大于孔距的一半时，小孔为打开状态，其他情况下为闭合状态。
所述保护气体为N2和He按照体积比为4:1混合的混合气体。
本发明有益效果：
1)使用热气流对薄板待焊部位进行局部加热，可以缩小熔池和基体之间的温度差，并产生有益微观结构变化，提高焊缝和基体之间的结合强度。
2)使用较低温度的高压液流对焊缝进行处理，可以保证薄板正反两面的温差小，减少薄板焊接件的翘曲变形，同时高压液流的冲击力可以对焊缝进行强化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述的装置示意图。
图2为本文所述的装置冷热流管道放大图。
表1为本发明具体实施案例拉伸性能数据对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例采用的薄板试样厚度为2.5mm，材料为A60601铝合金，熔点为660℃，即933.15K，TDRX＝aTm(K)＝0.4×933.15K＝373.26K，即100.11℃。高压液流的温度为0.5TDRX＝50.05℃。
工艺参数为激光焊接的参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4kW，焊接速度为2m/min。
实施例1
将工件固定在带有夹具的焊接工作台1上，在没有任何辅助设备的条件下采用上述激光焊接参数，对薄板件进行激光焊接处理。并对焊接后的薄板件进行拉伸实验，拉伸数据作为对比组1。
实施例2
本发明的技术方案，其具体步骤为：
(1)将待焊厚度为2.5mm,长度为30mm的A6061铝合金薄板固定在带有夹具的焊接工作台1上；(2)激光焊接头2，保护气体喷嘴3和热气流管道4位于待焊薄板的正面，高压液流管道5置于待焊薄背面，两条管道相互平行并分别开有一排相互对齐的小孔，分别编为小孔1，小孔2，小孔3…小孔10和小孔a,小孔b,小孔c…小孔j，小孔之间的孔距为3mm。待焊薄板正面的热气流管道上的小孔1喷射出的高温氢气被点燃对小孔1周边区域的薄板进行局部加热至100.11℃；(3)然后立即使用光斑直径为0.3mm，激光功率为4kW，焊接速度为2m/min的激光束对铝合金薄板进行焊接。当焊接头焊接完成指定区域后，铝合金薄板背面的高压液流管道上的小孔a射出温度为50.05℃，流速为6m/s，直径为3mm/s的高压液流对该区域已形成的焊缝进行处理并产生冲击力对其进行强化；(4)随着激光焊接头的运行，每块区域所对应的管道上的小孔2，小孔3…和小孔b,小孔c…交替开合射出高温热气流和较低温度的高压液流，对焊接件进行处理，完成整个工件的焊接。对焊接后的薄板件进行拉伸实验，拉伸数据作为对比组2。
从表1对比中可以看出采用本发明所述的一种热气/液流辅助激光焊接薄板的方法和装置，可以提高焊缝和基体之间的结合强度，显著改善金属工件的拉伸性能。
表1

Claims (9)

1.一种热气/液流辅助激光焊接薄板的装置，其特征在于，所述装置包括焊接工作台、激光焊接头、保护气体喷嘴、热气流管道和高压液流管道；待焊薄板固定在带有夹具的焊接工作台上，激光焊接头，保护气体喷嘴和热气流管道位于待焊薄板的正面，对准待焊部位，热气流管道同时位于激光焊接头和保护气体喷嘴的下方，热气流管道能够在PLC系统的控制下实现平移；高压液流管道穿过焊接工作台位于待焊薄板的背面，对准待焊部位，热气流管道和高压液流管道上均开有小孔，小孔的开合由PLC系统控制。
2.如权利要求1所述的一种热气/液流辅助激光焊接薄板的装置，其特征在于，所述热气流管道和高压液流管道相互平行并分别开有一排相互对齐的小孔，热气流管道的小孔依次编为小孔1，小孔2，小孔3…；高压液流管道的小孔依次编为小孔a,小孔b,小孔c…，小孔之间的孔距为2-4mm。
3.如权利要求1所述的一种热气/液流辅助激光焊接薄板的装置，其特征在于，所焊薄板的厚度不超过3mm；材质包括铝合金，不锈钢和钛合金。
4.利用所述装置实施热气/液流辅助激光焊接薄板的方法，其特征在于：首先位于待焊薄板正面的热气流管道上的小孔喷出高温热气流对待焊部位进行局部加热至待焊薄板的动态再结晶温度，然后立即使用激光焊接头对待焊部位进行焊接，焊接完成后位于待焊薄板背面的高压液流管道上的小孔立即射出低温高压液流对已形成的焊缝进行处理，产生冲击力对焊缝进行强化；
其具体步骤如下：
(1)将待焊薄板固定在带有夹具的焊接工作台上；
(2)激光焊接头，保护气体喷嘴和热气流管道位于待焊薄板的正面，高压液流管道置于待焊薄板背面，待焊薄板正面的热气流管道上的小孔1打开喷射出的高温氢气流接触空气被点燃对小孔1周边区域的薄板进行局部加热至动态再结晶温度；当完成加热步骤时，小孔1关闭，热气流管道在PLC系统控制下平移让开位置，不影响激光焊接头的焊接和保护气体喷工作；
(3)然后立即使用激光焊接头发出的激光在保护气体喷嘴喷出的保护气体保护下对薄板进行焊接；当激光焊接头焊接完成指定区域后，待焊薄板背面的高压液流管道上的小孔a射出高压液流对该区域已形成的焊缝进行处理并产生冲击力对焊缝进行强化；
(4)随着激光焊接头的运行，按照热气流局部加热，激光焊接头焊接，高压液流冲击强化的顺序交替进行，每块区域所对应的管道上的小孔2，小孔3…和小孔b,小孔c…交替开合射出高温氢气流和低温高压液流，对焊接件进行处理，完成整个工件的焊接。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述动态再结晶温度TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为待焊薄板的动态再结晶温度，a取0.35～0.4，Tm为待焊薄板的熔点。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述激光焊接的工艺参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4-6kW，焊接速度为1-2m/min。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述高压液流为硅油，高压液流的流速为6m/s，直径为3mm/s，温度为0.5-0.6TDRX，TDRX为待焊薄板的动态再结晶温度。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于：对于热气流管道，当激光焊接头与小孔之间的距离小于孔距的一半时，小孔为打开状态，其他情况下为闭合状态；对于高压液流管道，当激光焊接头与小孔之间的距离大于孔距的一半时，小孔为打开状态，其他情况下为闭合状态。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述保护气体为N2和He按照体积比为4:1混合的混合气体。
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