CN109732208B - 提高激光熔焊质量的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种提高激光熔焊质量的工艺方法，旨在提供一种对焦准确可靠，能量转换效率的工艺方法。本发明通过下述技术方案实现：制备一个从四个方向夹紧和定位焊件的夹紧装置；在激光熔焊系统数控台轨迹程序中，以夹紧装置载物台四方体对角线上的一个圆弧过渡角切点A设定数控机床坐标点的起始点，轨迹运行单步运行程序沿角切点A的切线方向到圆弧过渡端B点，根据数控机床坐标XY轴的值，计算出切点A到圆弧过渡端B点的距离，再继续运行程序，以圆弧过渡端B为起始点，以此类推，依次计算出所有装置载物台四方体其它边长的距离和对角上圆弧过渡段的距离，获得载物台四方体的周长轨迹；然后按编程轨迹运行数控深熔焊。

Description

提高激光熔焊质量的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种用于提高激光熔焊质量的工艺方法。

背景技术

激光焊多见于薄壁零件的制造中，如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管、异型封闭件、T/R组件和微波组件。尤其是T/R组件，为了避免壳体内部的裸芯片和微波电路等与空气接触，防止内部进入水汽及内部器件和电路等氧化，因此对其气密性能提出了越来越高的要求。目前，这些组件的气密封装主要采用激光焊接(主要方法为：激光熔焊)工艺。激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法。激光焊接是直接将激光束照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部熔化实现焊接。激光焊接按其热学机制可分为激光热传导焊接和激光熔焊。激光熔焊可以适应铝合金、可伐合金和铜合金等材料制作的微波组件气密封装的工艺要求。激光焊接主要分为激光熔焊和激光钎焊两种，激光热导焊所用激光功率密度较低(105～106W/cm2)，焊件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向焊件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。激光熔焊激光功率密度高(106～107W/cm2)，功率输入远大于热传导，焊件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般选用深熔焊。激光熔焊的特点主要有：非接触加工，不需对焊件加压和进行表面处理；焊点小、能量密度高、适合于高速加工；短时间熔焊，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料；不需要填充金属、不需要真空环境(可在空气中直接进行)、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险；与接触焊工艺相比.无电极、工具等的磨损消耗；无加工噪音，对环境无污染；微小焊件也可加工。此外，还可通过透明材料的壁进行熔焊；可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时熔焊；很容易改变激光输出焦距及焊点位置；很容易搭载到自动机、机器人装置上；对带绝缘层的导体可直接进行熔焊，对性能相差较大的异种金属也可熔焊。

深熔焊，在深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达焊件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。影响激光深熔焊的要素对激光深熔焊发生影响的要素包含：激光功率，激光束直径，资料吸收率，焊接速度，维护气体，透镜焦长，焦点方位，激光束方位，焊接开始和停止点的激光功率渐升、渐降操控。此外工艺方法不合理同样会导致熔焊质量不高，达不到气密封装要求。工艺过程中所设计的各类工装夹具不合理同样也会造成严重后果。激光熔焊在其它细节方面存在较多的问题(诸如：工艺流程、工装夹具的设计等)。激光熔焊存在的不足在于，焊件位置需非常精确；焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准；高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变；当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现；能量转换效率太低，通常低于10％；焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。光熔焊存在的质量缺陷主要有：焊丝与激光不对焦，出现凸起、凹陷、漏焊、焊穿、跳丝及焊缝不均匀等诸多问题，焊丝与激光不对焦为缺陷产生的主要原因之一。在焊接过程中，焊接方案规划不合理和焊接参数设定不合理导致焊接变形，比如起弧、收弧处产生漏洞。又比如在熔焊前的工艺处理方法中，若采用过盈配合的焊件盖板与腔体，需用专用工装将焊件盖板轻轻敲入腔体上焊件盖板装入的十字限位槽2内，并且需确保熔焊区域无损伤、划痕等残留；若焊件盖板与腔体为间隙配合，且单边间隙的公差大于0.1mm，此时可以使用预置成型的金属颗粒进行填料，所填的料与焊件盖板材料相同。若焊件盖板与腔体的表面粗糙度小于3.2，则会发生反射作用，从而削弱激光到达熔焊位置的能量，因此需确保熔焊区域的表面粗糙度在6.3，而且还需选用与腔体装配后达到平面度公差为0.05mm以内的焊件盖板。激光熔焊过程中还可能存在未焊满的现象。由于熔融金属过度流失(双层板激光叠焊，熔融金属填充板件间隙，导致焊缝金属流失)或熔融金属填充量不足(激光填丝熔焊，焊接速度过快，导致填丝量不足)而未能填满焊缝所形成缺陷。其次还存在气孔或针孔，液态金属吸收空气中的氢(或金属表层存在低熔点镀层及油脂等在高温下汽化，气体分子引入焊缝熔池中)使得焊缝凝固后产生气孔。再其次是激光熔焊过程中焊缝下塌，由于输入热量过大，熔化金属过多而使液态金属向焊缝背面塌落，形成焊缝背面突起。并且还可能存在如下问题，咬边，高能密度的激光将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充，冷却后形成的缺口，根部收缩沟，焊缝背面局部向内凹陷的部分，这种缺欠减小了焊缝有效厚度，并常带有凹坑裂纹。未焊透，激光熔焊过程中，由于输出功率小或焊接速度过快，导致热量输入小，焊接熔深浅，焊缝金属未到达试板根部的现象。缝烧穿，激光功率密度过大或填丝时丝的热量过高，导致焊接板材直接被烧穿，未能形成有效连接的现象。

为此，本发明一种提高激光熔焊质量的工艺方法，可以实现提高铝合金等的组件激光熔焊质量。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种提供一种对焦准确可靠，能量转换效率与焊接激光集中度高，能够提高激光熔焊质量的工艺方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种提高激光熔焊质量的工艺方法，包括如下步骤：制备一个从四个方向夹紧和定位焊件的夹紧装置1，根据工艺流程，采用连续编程的方式设计捕捉焊缝路径与实际焊缝路径完全重合的路径跟踪程序和补偿程序；在激光熔焊系统数控台轨迹程序中，以夹紧装置1载物台6四方体对角线上的一个圆弧过渡角切点A设定数控机床坐标点的起始点，轨迹运行单步运行程序沿角切点A的切线方向到圆弧过渡端B点，根据数控机床坐标X、Y轴的值，计算出切点A到圆弧过渡端B点的距离，再继续运行程序，以圆弧过渡端B为起始点，从B点到圆弧过渡段端C点，根据X、Y轴的值计算出B点到C点圆弧过渡段的距离，然后再以C点为起始点继续运行程序，计算AB相邻边的距离和对角上的圆弧过渡段的距离DE，以此类推，依次计算出所有装置载物台6四方体其它边长的距离和对角上圆弧过渡段的距离FG和HA，获得载物台6四方体的周长轨迹；然后设置熔焊参数，在夹紧装置1上夹紧焊件打点，按编程轨迹运行数控深熔焊。

本发明相比于现有技术具有如下优点：

本发明明采用连续编程的方式在程序中设计捕捉焊缝路径与实际焊缝路径完全重合的路径跟踪程序和补偿程序；连续编程的方式代替了传统分段运行编程的方式，焊接方案规划和焊接参数设定合理，确保了数控机器捕捉的焊缝路径与实际焊缝路径完全重合和焊件位置的精确性，焊丝与激光对焦准确可靠，提高了能量转换效率；焊接激光集中度高，在一定程度上降低了如铝、铜及其合金等高反射性及高导热性，在焊接过程中不会导致焊接变形，起弧、收弧处产生漏洞，减小了焊道快速凝固可能气孔及脆化的顾虑。不会出现凸起、凹陷、漏焊、焊穿、跳丝及焊缝不均匀等诸多问题，。

本发明利用夹紧装置1螺栓上弹簧的作用力和反作用力对不同尺寸、形状、结构的模块焊件盖板实现垂直方向压紧，保证焊件盖板与模块十字限位槽2面紧密接触，避免在打点过程中焊件盖板发生翘曲。应用激光熔焊工艺的工装夹具改进编程工艺，设计路径跟踪补偿程序，从而可以应对具有不同设计特点的组件的熔焊，缩短了熔焊准备时间，确保了定位准确和熔焊路径的准确，减少了水汽对组件的影响，并最终实现明显提高激光熔焊质量。

本发明特别是用于铝合金、可伐合金以及铜合金等的激光熔焊工艺，能够显著提高其激光熔焊的质量。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1显示的是本发明实现提高激光熔焊质量的夹紧装置1的构造示意图。

图2显示的是本发明的采用连续编程编程工艺的熔焊轨迹示意图。

图3显示的是本发明的工艺流程图。

图中：1夹紧装置，2十字限位槽，3垂向夹紧螺杆，4丝杆，5弓形夹，6载物台。

下面通过结合附图和实施例一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1～图3。根据本发明，首先，制备一个从四个方向夹紧和定位焊件的夹紧装置1，根据工艺流程，采用连续编程的方式设计捕捉焊缝路径与实际焊缝路径完全重合的路径跟踪程序和补偿程序；在数控机床轨迹程序中，以夹紧装置1载物台6四方体对角线上的一个圆弧过渡角切点A设定数控机床坐标点的起始点，轨迹运行单步运行程序沿角切点A的切线方向到圆弧过渡端B点，根据数控机床坐标X、Y轴的值，计算出切点A到圆弧过渡端B点的距离，再继续运行程序，以圆弧过渡端B为起始点，从B点到圆弧过渡段端C点，根据X、Y轴的值计算出B点到C点圆弧过渡段的距离，然后再以C点为起始点继续运行程序，计算AB相邻边的距离和对角上的圆弧过渡段的距离DE，以此类推，依次计算出所有装置载物台6四方体其它边长的距离和对角上圆弧过渡段的距离FG和HA，获得载物台6四方体的周长轨迹；然后设置熔焊参数，在夹紧装置1上夹紧焊件打点，按编程轨迹运行数控深熔焊。

在一个可选的实施例中，夹紧装置1具有一个制有十字限位槽2的载物台6和所述十字限位槽2中向十字交叉点移动夹紧焊件的弓形夹5，用于焊件的安装定位和夹紧装置1。在十字限位槽2内固位端制有穿过载物台6载物台四周侧壁，朝向十字限位槽2，镙接所述弓形夹5底端矩形滑块，驱动所述弓形夹5向十字限位槽2十字交叉点相向移动的丝杆4。丝杆4设有两段不同旋向、相同导程的螺纹。丝杆4与弓形夹5的滑块底端的矩形底座滑块中的螺母啮合为一体，载物台6四个方向上的旋转丝杆4带动矩形滑块，相向朝向十字交叉点移动夹紧焊件。弓形夹5的顶端横臂上制有通孔长条滑孔，垂向夹紧螺杆3通过通孔长条滑孔和套装的弹簧，利用垂向夹紧螺杆3上夹紧头约束的弹簧产生的作用力和反作用力对不同尺寸、形状、结构的焊件实现垂直方向压紧，避免在打点过程中焊件盖板发生翘曲。将焊件放置在载物台6座体上平面后，手动旋转四周方向的丝杆4，通过带动与丝杆4相啮合弓形夹5的矩形底座滑块做轴向运动，对焊件四面水平方向夹紧。然后旋转与矩形底座滑块相连接的弓形支架，调节弓形支架顶端通孔长条滑孔内的垂向夹紧螺杆3，利用弹簧的作用力与反作用力对焊件盖板垂直方向压紧，从而实现对焊件完全夹紧和定位。

在熔焊前的工艺预处理中，若焊件盖板与焊件腔体为过盈配合，用方形铜合金重块和2整平钢块，将焊件盖板轻轻敲入腔体上焊件盖板装入的十字限位槽内，并将焊件盖板敲入后需确保熔焊区域无损伤、划痕等残留；若焊件盖板与腔体为间隙配合，且单边间隙的公差大于0.1mm，此时可以使用预置成型的金属颗粒进行填料，所填的料与焊件盖板材料相同，若焊件盖板与腔体的表面粗糙度小于3.2，则会发生反射作用，从而削弱激光到达熔焊位置的能量，因此需确保熔焊区域的表面粗糙度在6.3，而且还需选用与腔体装配后达到平面度公差为0.05mm以内的焊件盖板。

最后，传统的烘干是在熔焊前完成的，而本发明的工艺方法要求在熔焊完毕后继续对组件进行烘干，烘干温度和烘干时间由组件的特性而定。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的实现改变处理流程和处理顺序、可以选设识别过程中的不同参数来实现本发明的技术方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种提高激光熔焊质量的工艺方法，包括如下步骤：制备一个从四个方向夹紧和定位焊件的夹紧装置（1），夹紧装置（1）具有一个制有十字限位槽（2）的载物台（6）和所述十字限位槽（2）中向十字交叉点移动夹紧焊件的弓形夹（5），用于焊件的安装定位；在十字限位槽（2）内固位端制有穿过载物台（6）载物台四周侧壁，朝向十字限位槽（2），镙接所述弓形夹（5）底端矩形滑块，驱动所述弓形夹（5）向十字限位槽（2）十字交叉点相向移动的丝杆（4），丝杆4设有两段不同旋向、相同导程的螺纹；丝杆（4）与弓形夹（5）的滑块底端的矩形底座滑块中的螺母啮合为一体，载物台（6）四个方向上的旋转丝杆（4）带动矩形滑块，相向朝向十字交叉点移动夹紧焊件；弓形夹（5）的顶端横臂上制有通孔长条滑孔，垂向夹紧螺杆（3）通过通孔长条滑孔和套装的弹簧，利用垂向夹紧螺杆（3）上夹紧头约束的弹簧产生的作用力和反作用力，对不同尺寸、形状、结构的焊件实现垂直方向压紧，避免在打点过程中焊件盖板发生翘曲；将焊件放置在载物台（6）座体上平面后，手动旋转四周方向的丝杆（4），通过带动与丝杆（4）相啮合弓形夹（5）的矩形底座滑块做轴向运动，对焊件四面水平方向夹紧，然后旋转与矩形底座滑块相连接的弓形支架，调节弓形支架顶端通孔长条滑孔内的垂向夹紧螺杆（3），利用弹簧的作用力与反作用力对焊件盖板垂直方向压紧，从而实现对焊件完全夹紧和定位；根据工艺流程，采用连续编程的方式设计捕捉焊缝路径与实际焊缝路径完全重合的路径跟踪程序和补偿程序；在激光熔焊系统数控台轨迹程序中，以夹紧装置（1）载物台（6）四方体对角线上的一个圆弧过渡角切点A设定数控机床坐标点的起始点，轨迹运行单步运行程序沿角切点A的切线方向到圆弧过渡端B点，根据数控机床坐标X、Y轴的值，计算出切点A到圆弧过渡端B点的距离，再继续运行程序，以圆弧过渡端B为起始点，从B点到圆弧过渡段端C点，根据X、Y轴的值计算出B点到C点圆弧过渡段的距离，然后再以C点为起始点继续运行程序，计算AB相邻边的距离和对角上的圆弧过渡段的距离DE，以此类推，依次计算出所有装置载物台（6）四方体其它边长的距离和对角上圆弧过渡段的距离FG和HA，获得载物台（6）四方体的周长轨迹；然后设置熔焊参数，在夹紧装置（1）上夹紧焊件打点，按编程轨迹运行数控深熔焊；若焊件盖板与腔体为间隙配合，且单边间隙的公差大于0.1mm，使用预置成型的金属颗粒进行填料，所填的料与焊件盖板材料相同，若焊件盖板与腔体的表面粗糙度小于3.2，则会发生反射作用，从而削弱激光到达熔焊位置的能量，因此需确保熔焊区域的表面粗糙度在6.3，而且还需选用与腔体装配后达到平面度公差为0.05mm以内的焊件盖板；在熔焊完毕后继续对组件进行烘干，烘干温度和烘干时间由组件的特性而定。

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