CN109759700A - 一种随焊超声振动的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种随焊超声振动的激光焊接方法，属于焊接领域。该方法在焊接过程中施加预热，并在熔池后方一定距离的焊缝正面施加超声振动；预热温度T与超声头顶端到焊接位置的距离d存在对应关系，二者关系表达为：T＝30d‑40，其中T单位为℃，d单位为mm；超声施加的位置、功率和力根据预热温度下材料力学性能进行调整。本发明可以有效减小焊接残余应力，减少气孔和裂纹，从而提高焊缝的疲劳性能，减小焊接变形。进行预热能有效减小冷却过程的温度梯度，减小残余应力；且能提高超声施加区域的塑性，使超声的效果更好。超声冲击可以有效减小残余应力、细化晶粒并减少气孔和裂纹，从而提高焊缝的疲劳性能；焊缝金属塑性延展可以有效减小焊接变形。

Description

一种随焊超声振动的激光焊接方法

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种随焊超声振动的激光焊接方法。

背景技术

焊接是一种局部加热和冷却的加热和冷却过程。加热时，焊缝周围金属膨胀，在夹具的约束作用下产生压缩塑性形变。冷却时，这部分金属收缩产生拉伸塑性形变、弹性形变以及拉应力，冷却到室温后仍然存在的应力就是残余应力。当焊接结束松开夹具后，残余应力重新分布，焊缝附近拉应力减小，远离焊缝区域产生压应力。在应力的作用下，工件产生挠曲变形。可见，焊接变形的主要原因是焊接残余应力。残余应力不仅会产生变形，而且会使承载时的载荷增大，不利于焊缝的疲劳性能。

工件在焊接后难免会产生残余应力，残余应力的产生会造成焊接变形，且会使焊缝的疲劳性能降低。因此，在焊接结构中减小或消除残余应力非常重要。尽管已经探索了许多用于减少或消除残余应力的方法，但是它们通常在焊接之后单独进行，这对于大型焊接件来说效率较低且难以处理；而新开发的方法虽然在焊接过程中进行，但难以有效地消除残余应力。传统的随焊超声技术虽然可以消除残余应力，但有些焊接方法和材料的高温塑性区很小且距离熔池很近，因此很难将超声施加在高温塑性区上。

中国专利CN 104726687B公开了一种随焊超声冲击减小或消除焊接变形及残余应力的方法与装置，该专利设计了一种在焊缝背面施加超声冲击以减小变形和残余应力的装置。但超声冲击施加于工件背面，工艺系统复杂。

中国专利CN107299197A公开了一种消除焊接残余应力和变形的随焊超声滚压方法，该专利通过超声滚压产生的压力和超声波能量降低焊接残余应力和焊接变形。但是该方法需要将滚压轮安放在焊缝的高温塑性区，一些焊接方法(如激光焊、电子束焊)焊缝的高温塑性区较窄，滚压轮的制造与安装工艺复杂。

山东大学李栋的学位论文“正面随焊超声冲击对焊接残余应力与变形的影响”中采用随焊超声冲击的方法来改善变形，实验发现冲击施加位置与热源间隔45mm时变形改善效果最好。但该方法热源与冲击位置距离较大，难以应用与小尺寸件。

哈尔滨工业大学陈琪昊在“随焊超声冲击对2A14铝合金TIG焊接接头显微组织和力学性能的影响”中使用随焊超声冲击技术改善2A14铝合金焊接接头的显微组织。冲击频率为2Hz，频率较低，焊缝均匀性受到影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种随焊超声振动的激光焊接方法，降低了焊接过程产生的残余应力，减少了气孔裂纹的产生，提高了焊缝的疲劳性能，减小了焊接变形。该方法为随动且工具头与热源距离较小，可以适用于大部分尺寸工件的焊接。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种随焊超声振动的激光焊接方法，该方法焊接过程中施加预热，并在熔池后方一定距离的焊缝正面施加超声振动，用于减小残余变形并改善疲劳性能，具体步骤如下：

第一步，将预热板放置在工作台上，预热板上方放置夹具，将工件放置于夹具上，将三者进行固定，并使用铜质夹紧块对工件进行夹紧，夹紧块间距为4-8mm。将温度控制箱与预热板连接，对其进行预热。将夹具通过温度监测装置与温度控制箱连接，温度监测装置测得夹具温度，并通过温度控制箱显示。所述工件上方设有热源、超声头和保护气喷嘴。所述热源为脉冲激光器，与工件加工面垂直。保护气为同轴保护，其喷嘴轴线与激光轴线重合。所述超声头与变幅杆、超声换能器连接后，将超声电源接入超声换能器的电路中。

当需要进行填丝焊时(要求焊接无负余高则需要进行填丝焊接)，工件上方还需要设置送丝机构，加工时调整送丝机构进行对丝。所述送丝机构的送丝头与工件表面呈20-40°，将丝送出1-3mm后，使其前端与焊接位置边缘对齐，之后下压1-1.5mm。

第二步，设置超声头位置及超声参数

调整超声头使其处在焊接位置正后方，与焊接位置的距离d为8-16mm，此位置为施加预热后材料的高温塑性区，冲击效果较好，也可以保证超声在熔池内发生空化及声流等效应；设置超声头角度，超声振动入射角调整范围为20-40°，使得超声可以在工件中有效传导；设置超声头位置，超声头顶端距离工件表面0-0.2mm；超声头角度和位置确定后，将超声头与机床悬臂固定，保证二者相对位置在焊接过程中不发生改变。将超声头与超声电源相接通，开启超声电源，超声功率密度I_i定为0.1-0.375kW/mm²。

第三步，开启温度控制箱设置预热温度T，对预热板进行预热，通过预热板进而提高夹具温度；根据温度监测装置测量的夹具温度对预热温度T进行调整。预热温度T与超声头顶端到焊接位置的距离d存在对应关系，二者关系可表达为：T＝30d-40，其中T单位为℃，d单位为mm。

第四步，设定激光参数，激光单脉冲能量2J≤E≤(2300-4000I_i)/400，以保证能够实现有效焊接且不会产生热裂纹，其中E单位为J，I_i单位为kW/mm²；脉宽设定为2-8ms。

第五步，设置完成后，依次开启超声电源与保护气阀门，保护气为纯度99.9％的氩气，流量为：上保护气15l/min，下保护气5l/min；等待5-10s后开启脉冲激光器进行焊接。

第六步，焊接结束后，依次关闭脉冲激光器、保护气以及超声电源。

所述的温度监测装置为热电偶丝。

本发明的有益效果：

(1)预热可以有效减小焊接的温度梯度从而减小残余应力；并且增大焊缝的材料热塑性区，有利于施加超声超声。

(2)随动超声振动可以有效减小焊缝附近的残余拉应力，甚至可以引入残余压应力，从而减小变形并提高焊缝的疲劳性能；振动可以使已经产生的裂纹和气孔等缺陷在压力的作用下闭合，减少应力集中，从而提高焊缝的疲劳性能；超声振动可以使焊缝表面发生多次塑性形变，提高材料表面的显微硬度。

(3)随动超声施加于工件正面，不需要在工件背面另开槽，便于实施和控制。

(4)该方法为随动，且超声施加距离较近，可应用的焊接尺寸范围广。工具头施加20kHz的力，可以保证焊缝均匀。

(5)超声的空化效应和声流效应能够在熔池内不产生湍流，从而加速熔池流动流动，进而细化晶粒，从而提高焊缝的疲劳性能和拉伸强度。

附图说明

图1为本发明装置的示意图。

其中：1工作台；2预热板；3夹具；4工件；5送丝机构(根据需要添加)；6热源；7超声头；8温度控制箱；9温度监测装置(图中为热电偶丝)。

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。

一种随焊超声振动的激光焊接方法，基于下述装置实现：首先，将预热板2放置在工作台1上，预热板2上方放置夹具3，将工件4放置于夹具3上，将三者进行固定，并使用铜质夹紧块对工件4进行夹紧。其次，将温度控制箱8与预热板2连接，对其进行预热。将夹具3通过温度监测装置9与温度控制箱8连接，温度监测装置9测得夹具温度，并通过温度控制箱8显示。所述工件4上方设有热源6、超声头7和保护气喷嘴。所述热源6为脉冲激光器，与工件4加工面垂直。保护气为同轴保护，其喷嘴轴线与激光轴线重合。所述超声头7与变幅杆、超声换能器连接后，将超声电源接入超声换能器的电路中。

自熔焊的具体实施方式：

A、将厚度为0.5mm的哈氏合金C-276板置于夹具3上并使用铜质夹块夹紧，夹块间距为6mm。将预热板2放置在工作台上，预热板2上方放置夹具3，将三者位置进行固定。

B、调整超声参数。调整超声头7使其处在焊接位置正后方14mm处，保证超声头7位置作用于预热后的热塑性区里，并可以将超声传导进熔池里。调整超声头7角度，使超声头7轴线与水平呈30°角。调整超声头7位置，使其顶端距离工件表面0mm；超声头7位置确定后，将其与机床悬臂进行固定，保证二者相对位置在焊接过程中不发生改变。将超声振子与超声发生器相接通，开启超声发生器电源，超声功率密度定为0.25kW/mm²。

C、开启预热装置温度控制箱8，调整预热温度至380℃。

D、设定脉冲激光器参数。激光单脉冲能量为2.5J，脉宽设定为6ms。

E、开启保护气。保护气为氩气(纯度为99.9％)，流量为：上保护气15l/min,下保护气5l/min。

F、等待10s后开启脉冲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。

F、焊接结束后，依次关闭脉冲脉冲激光器、保护气以及超声电源。

填丝焊的具体实施方式：

A、将厚度为0.5mm的哈氏合金C-276板置于夹具3上并使用铜质夹块夹紧，夹块间距为6mm。将预热板2放置在工作台1上，预热板2上方放置夹具3，将三者位置进行固定。工件4上方还需要设置送丝机构5，所述的送丝机构包括送丝头、送丝管、丝盘与送丝轮四部分，图中展示的为送丝头部分，加工时调整送丝机构5进行对丝：送丝头与工件表面呈30°，将丝送出2mm后，使其前端与焊接位置边缘对齐，之后下压1mm。送丝管与送丝头通过螺纹连接，丝材从其内部进行输送；丝盘为放置丝的位置，实验进行前需要检查确保丝材充足；送丝轮通过齿轮传动，以确保速度稳定。

B、调整超声参数。调整超声头7使其处在焊接位置正后方12mm处，保证超声头7位置作用于预热后的热塑性区里，并可以将超声传导进熔池里。调整超声头7角度，使超声头7轴线与水平呈30°角。根据预估的余高大小调整超声头位置，使其顶端距离工件表面0.125mm；超声头7位置确定后，将其与机床悬臂进行固定，保证二者相对位置在焊接过程中不发生改变。将超声振子与超声发生器相接通，开启超声发生器电源，超声功率密度定为0.27kW/mm²。

C、开启预热装置，调整预热温度至320℃。

D、设定脉冲激光器参数。激光单脉冲能量为3J，脉宽设定为6ms。

E、开启保护气。保护气为氩气(纯度为99.9％)，流量为：上保护气15l/min,下保护气5l/min。

F、等待10s后开启脉冲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。

G、焊接结束后，依次关闭脉冲激光器、保护气以及超声电源。

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 (8)

1.一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于以下步骤：

第一步，将预热板放置在工作台上，预热板上方放置夹具，将工件放置于夹具上，并使用夹紧块对工件进行夹紧；将温度控制箱与预热板连接，将夹具通过温度监测装置与温度控制箱连接；所述工件上方设有热源、超声头和保护气喷嘴；所述热源为脉冲激光器，与工件加工面垂直；保护气为同轴保护，其喷嘴轴线与激光轴线重合；

第二步，设置超声头位置及超声参数

调整超声头使其处在焊接位置正后方，与焊接位置的距离d为8-16mm保证超声头位置作用于预热后的热塑性区里；超声振动入射角调整范围为20-40°，超声头顶端距离工件表面0-0.2mm，超声功率密度I_i定为0.1-0.375kW/mm²；

第三步，开启温度控制箱设置预热温度T，对预热板进行预热，并根据温度监测装置测量的夹具温度对预热温度T进行调整；预热温度T与超声头顶端到焊接位置的距离d存在对应关系，二者关系表达为：T＝30d-40，其中T单位为℃，d单位为mm；

第四步，设定激光参数，激光单脉冲能量2J≤E≤(2300-4000I_i)/400，以保证能够实现有效焊接且不会产生热裂纹，其中E单位为J，I_i单位为kW/mm²；脉宽设定为2-8ms；

第五步，设置完成后，依次开启超声电源与保护气阀门，等待5-10s后开启脉冲激光器进行激光焊接；

第六步，焊接结束后，依次关闭脉冲激光器、保护气以及超声电源。

2.根据权利要求1所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，当焊接无负余高时需要进行填丝焊接，所述工件上方还需要设置送丝机构，加工时调整送丝机构进行对丝；所述送丝机构的送丝头与工件表面呈20-40°，将丝送出1-3mm后，使其前端与焊接位置边缘对齐，之后下压1-1.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，第一步所述的夹紧块间距为4-8mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，所述的温度监测装置为热电偶丝。

5.根据权利要求3所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，所述的温度监测装置为热电偶丝。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，所述的保护气为纯度99.9％的氩气。

7.根据权利要求3所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，所述的保护气为纯度99.9％的氩气。

8.根据权利要求4所述的一种随焊超声振动的激光焊接方法，其特征在于，所述的保护气为纯度99.9％的氩气。