CN110293321A - 激光cmt复合焊接系统、焊接方法及铝合金车体焊接构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光电弧复合焊接领域，提供了一种激光CMT复合焊接系统、焊接方法及铝合金车体焊接构件。其中，激光CMT复合焊接系统包括焊接工装平台、激光器、CMT焊枪和激振器；所述焊接工装平台上固定待焊工件，相邻所述待焊工件之间形成焊缝，所述激光器和所述CMT焊枪之间留有间隙并均设于所述焊缝处，所述激光器产生的激光与所述CMT焊枪产生的焊接电弧共同作用在所述焊缝处并形成熔池，所述激振器产生的振动传递至所述熔池处，促使所述熔池中的气体排出。本发明能够大幅降低甚至消除气孔，同时可以改善焊接接头的组织性能，提升焊接接头质量。

Description

激光CMT复合焊接系统、焊接方法及铝合金车体焊接构件
技术领域
本发明涉及激光电弧复合焊接技术领域，特别是涉及一种激光CMT复合焊接系统、焊接方法及铝合金车体焊接构件。
背景技术
激光与CMT(Cold Metal Transfer，冷金属过渡)复合焊接能够获得比激光与MIG(Metal Inert-Gas Welding，熔化极惰性气体保护焊)复合焊接更低的焊接热输入、更快的焊接速度、更好的工艺稳定性和更高的能量控制精度，更容易满足高速列车车体，特别是铝合金车体焊接构件对低变形、高质量的苛刻焊接要求。
但在复合焊接过程中，无论工艺措施控制的多么严格到位，要想完全消除气孔仍然是难以做到的，尤其是高速深熔焊接，熔池深度大且凝固速度快，熔池内部的气体来不及逸出而极易禁锢在焊缝内部形成气孔。
在减少铝合金激光-电弧复合焊接气孔的问题上，研究人员采用的工艺措施大体上是减小激光功率、增大电弧能量、降低焊接速度等，上述措施均延长了熔池凝固时间，促进了熔池内部气体的逸出，可以有效地降低气孔数量，然而它们却显然抹杀了铝合金激光-电弧复合焊接低变形、高效率、高质量的优势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
本发明的目的是提供一种激光CMT复合焊接系统及焊接方法，以解决熔池内部的气体来不及逸出而极易禁锢在焊缝内部形成气孔的问题，在保证激光CMT复合焊接技术优势的同时，大幅降低甚至消除气孔。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光CMT复合焊接系统，包括焊接工装平台、激光器、CMT焊枪和激振器；所述焊接工装平台上固定待焊工件，相邻所述待焊工件之间形成焊缝，所述激光器和所述CMT焊枪之间留有间隙并均设于所述焊缝处，所述激光器产生的激光与所述CMT焊枪产生的焊接电弧共同作用在所述焊缝处并形成熔池，所述激振器产生的振动传递至所述熔池处，促使所述熔池中的气体排出。
一个具体实施例中，还包括振动参数控制器，所述振动参数控制器与所述激振器连接。
一个具体实施例中，还包括加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述激振器的附近，且所述加速度传感器与所述振动参数控制器连接。
一个具体实施例中，所述激振器安装在所述焊接工装平台上或待焊工件上。
一个具体实施例中，所述激振器的数量为一个或多个；
所述激振器产生的振动以正弦波的形式传递至所述熔池。
一个具体实施例中，所述正弦波以垂直于所述熔池的方向和平行于所述熔池的方向交替传递。
本发明另一个实施例还提供一种利用上述激光CMT复合焊接系统的焊接方法，其包括如下步骤：
将待焊工件固定在焊接工装平台上；
将激振器固定在焊接工装平台或待焊工件上；
启动激振器；
启动焊接控制开关，激光器发射激光同时CMT焊枪产生焊接电弧，对焊缝进行复合焊接形成熔池。
进一步地，在所述将待焊工件固定在焊接工装平台上的步骤之前还包括：先去除待焊工件表面的油污和氧化膜。
进一步地，所述将激振器固定在焊接工装平台或待焊工件上的步骤中，还包括：将加速度传感器固定在所述激振器的附近。
进一步地，在所述启动激振器的步骤之前，还包括先设定所述激光器和CMT焊枪的焊接工艺参数；
所述启动激振器的步骤进一步包括：通过振动参数控制器启动所述激振器，并设定所述激振器的振动参数。
本发明的另一实施例还提供一种铝合金车体焊接构件，至少包括第一工件和第二工件，所述第一工件和所述第二工件之间采用上述所述的焊接方法焊接在一起。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供的一种激光CMT复合焊接系统，包括焊接工装平台、激光器、CMT焊枪和激振器；所述焊接工装平台上固定待焊工件，相邻所述待焊工件之间形成焊缝，所述激光器和所述CMT焊枪之间留有间隙并均设于所述焊缝处，所述激光器产生的激光与所述CMT焊枪产生的焊接电弧共同作用在所述焊缝处并形成熔池，所述激振器产生的振动传递至所述熔池处，促使所述熔池中的气体排出。本实施例将激振器引入激光CMT复合焊接技术，将激振器的振动作为外部激励以增强熔池金属的搅拌作用，促进熔池内部气体的逸出，在保证激光CMT复合焊接技术优势的同时，大幅降低甚至消除气孔，同时可以改善焊接接头的组织性能，提升焊接接头质量。
本发明采用的激光CMT复合焊接技术相比激光MIG复合焊接技术，具有更低的焊接热输入、更快的焊接速度、更好的工艺稳定性和更高的能量控制精度，更容易满足高速列车铝合金车体焊接构件对低变形、高质量的苛刻焊接要求。
本发明操作简单、便捷，成本低廉，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一种激光CMT复合焊接系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一种激光CMT复合焊接系统的另一结构示意图；
图中：1：激光器；2：CMT焊枪；3：待焊工件；4：焊接工装平台；5：加速度传感器；6：振动参数控制器；7：激振器。
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作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
本发明通过三个具体实施例对本发明进行具体说明：
实施例1
参见图1和图2所示，本发明实施例1提供了一种激光CMT复合焊接系统，包括焊接工装平台4、激光器1、CMT焊枪2和激振器7；所述焊接工装平台4上固定待焊工件3，相邻所述待焊工件3之间形成焊缝，所述激光器1和所述CMT焊枪2之间留有间隙并均设于所述焊缝处，所述激光器1产生的激光与所述CMT焊枪2产生的焊接电弧共同作用在所述焊缝处并形成熔池，所述激振器7用于提供机械振动，其产生的振动传递至所述熔池处，促使所述熔池中的气体排出。
需要说明的是，本实施例中，“焊缝”是指未焊接时相邻待焊工件3之间形成的缝隙。
本实施例将激振器7的振动作为外部激励引入激光CMT复合焊接过程，增强熔池金属的搅拌作用而加速流体的流动速度，促进熔池内部气体的逸出，在保证激光CMT复合焊接技术优势的同时，大幅降低甚至消除气孔，同时振动对熔池凝固过程的晶粒具有一定破碎作用而改善焊接接头的组织和性能。
进一步地，激光器1和CMT焊枪2沿焊缝的长度方向间隔设置，该间隔可以控制在3mm左右。
一个具体实施例中，还包括振动参数控制器6，所述振动参数控制器6与所述激振器7连接，用于设定或调整激振器7的参数，该参数可以是激振力和振动频率。
一个具体实施例中，还包括加速度传感器5，所述加速度传感器5设置在所述激振器7的附近，且所述加速度传感器5与所述振动参数控制器6连接，由振动参数控制器6控制加速度传感器5工作，加速度传感器5用于检测和保护激振器7稳定工作，具体地，由于设置加速度传感器5，从而在激振器7工作过程中，改变振动频率时检测其加速度值的变化，起到保护激振器7系统正常工作，保证激振器7系统工作的稳定性。如加速度瞬时值达到或超过100m/s2时，5s内无法回落到100m/s2范围内系统将因加速度过载保护而终止。
一个具体实施例中，可以将所述激振器7安装在所述焊接工装平台4上或待焊工件3上，优选将激振器7安装在焊接工装平台4上，当然，本实施例示意性地提供了激振器7的两种安装位置，当然，只要能够为待焊工件3的熔池提供振动波，激振器7的安装位置不受限定。
本实施例中，所述激振器7的数量可以为一个，也可以为多个，对于尺寸较小的待焊工件3，可以设置一个激振器7便能够提供足够的振动，如图1所示。
对于尺寸较大的焊接工件，为保证激振器7提供的机械振动传递至熔池位置未明显衰减，可以在待焊工件3的周围设置多个激振器7，且该多个激振器7可以呈阵列排布，如图2所示，并依据待焊工件3厚度大小，合理设定焊接工艺参数与振动参数。
具体地，所述激振器7产生的振动以正弦波的形式传递至所述熔池，通过正弦波的形式传递振动，没有振动突变，确保焊接过程的平稳性。
一个具体实施例中，所述正弦波以垂直于所述熔池的方向和平行于所述熔池的方向交替传递，即熔池在竖直方向和水平方向交替振动，具体地，将激振器7产生的机械振动作用在焊接工装平台4或者待焊工件3之上，振动机械波以正弦波形式传递至熔池，因熔池的形状不规则各区域所受振动作用力大小和方向均不同且相互影响，同时焊接电弧因待焊工件3上下振动导致焊接电弧压力波动，该波动引起的液态金属扰动使其对流速度加快，熔池同时在竖直方向和水平方向发生振动，这有助于其内部气体快速逸出，实现气孔大幅减少甚至完全消除，同时振动对熔池凝固过程的晶粒具有一定破碎作用而改善焊接接头的组织和性能。
实施例2
如图1和图2所示，本发明实施例2提供了一种利用激光CMT复合焊接系统的焊接方法，其具体可以包括如下步骤：
步骤1，焊接前，可以用丙酮等擦拭待焊工件3，以去除表面油污并用钢丝轮机械打磨去除表面氧化膜直至露出金属光泽，将处理后的待焊工件3固定在焊接工装平台4上；
步骤2，将激振器7固定在焊接工装平台4或待焊工件3的合适位置，同时将加速度传感器5通过粘合剂将其粘贴在激振器7附近位置，检测并保证激振器7系统工作的稳定性，安装加速度传感器5位置的表面应光洁平整，保证加速度传感器5固定后无明显晃动或不易取下；
步骤3，设定焊接工艺参数，包括激光功率、焊接速度、CMT电流、热源间距、离焦量、保护气流量等；
步骤4，通过振动参数控制器6启动激振器7，选定振动参数，包括激振力和振动频率；
步骤5，启动焊接控制开关，先打开保护气，激光器1发射激光同时CMT焊枪2产生焊接电弧，对焊缝进行复合焊接形成熔池，此时激振器7产生的振动加速熔池搅动，便于快速排出熔池中的气体，避免形成气孔，焊接完成后关闭焊接控制开关；
步骤6，关闭所述激振器7。
进一步地，下面对实施例2的优选参数或型号进行选择，具体如下：
步骤1：焊接前，用丙酮擦拭3.0mm厚6A01-T5待焊工件3(500mm×200mm)去除表面油污并用钢丝轮机械打磨去除铝合金表面氧化膜直至露出铝合金金属光泽，将处理后的待焊工件3固定在焊接工装平台4之上。
步骤2：将提供机械振动的激振器7固定在焊接工装平台4距离焊缝500mm位置，同时将加速度传感器5通过粘合剂将其粘贴在激振器7附近位置，检测并保证激振器7系统工作的稳定性，安装位置表面应光洁平整，保证加速度传感器5吸合后无明显晃动或不易取下。
步骤3：设定焊接工艺参数，包括激光功率(2.5～5.0kW)、焊接速度(1～4m/min)、CMT电流(90～160A)、热源间距(2～4mm)、离焦量(-2～+2mm)保护气流量(高纯氩气，15～25L/min)。
步骤4：通过振动参数控制器6启动激振器7，选定振动参数，包括激振力(3.3-6.5kN)和振动频率(20-100Hz)。
步骤5：启动焊接控制开关，先打开保护气，然后激光器1发射激光同时CMT焊枪2产生焊接电弧，完成焊接后并依次关断。
步骤6：关闭激振器7。
利用激光CMT复合焊接技术进行3.0mm厚6A01-T5铝合金型材对接焊，填充材料是直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝，激振器7固定在工装夹具上，在焊接过程中振动作用经待焊工件3传递到熔池内部，示意图如图1所示。在相同的焊接参数(激光功率3.0kW、CMT电流159A、焊接速度3.0m/min、热源间距3mm，离焦量0mm、保护气流量20L/min)条件下，焊缝经X射线检测结果表明：振动辅助作用可以明显地大幅减少焊缝内部气孔的数量。
实施例3
本发明的实施例3还提供了一种铝合金车体焊接构件，至少包括第一工件和第二工件，第一工件和第二工件之间采用上述所述的焊接方法焊接在一起，即采用上述所述的激光CMT复合焊接方法对第一工件和第二工件之间形成的焊缝进行焊接，将第一工件和第二工件焊接为一体。能大幅降低甚至消除焊接过程中产生的气孔，能够确保铝合金车体焊接构件的焊接质量，改善焊接接头的组织和性能。
本发明实施例以激光CMT复合焊接技术应用在高速列车车体，特别是铝合金车体上为例进行的说明，可以理解的是，对于其他行业领域采用的MIG焊接、TIG焊接、等离子弧焊接、激光-MIG复合焊接、激光-TIG复合焊接、激光-等离子复合焊接等铝合金熔化焊接技术同样适用。
由以上实施例可以看出，本发明将振动作为外部激励引入激光CMT复合焊接过程，增强熔池金属的搅拌作用，促进熔池内部气体的逸出，在保证激光CMT复合焊接技术优势的同时，大幅降低甚至消除气孔，同时可以改善焊接接头的组织性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光CMT复合焊接系统，其特征在于，包括焊接工装平台、激光器、CMT焊枪和激振器；所述焊接工装平台上固定待焊工件，相邻所述待焊工件之间形成焊缝，所述激光器和所述CMT焊枪之间留有间隙并均设于所述焊缝处，所述激光器产生的激光与所述CMT焊枪产生的焊接电弧共同作用在所述焊缝处并形成熔池，所述激振器产生的振动传递至所述熔池处，促使所述熔池中的气体排出。
2.根据权利要求1所述的激光CMT复合焊接系统，其特征在于，还包括振动参数控制器，所述振动参数控制器与所述激振器连接。
3.根据权利要求2所述的激光CMT复合焊接系统，其特征在于，还包括加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述激振器的附近，且所述加速度传感器与所述振动参数控制器连接。
4.根据权利要求1所述的激光CMT复合焊接系统，其特征在于，所述激振器安装在所述焊接工装平台上或待焊工件上。
5.根据权利要求1所述的激光CMT复合焊接系统，其特征在于，所述激振器的数量为一个或多个；
所述激振器产生的振动以正弦波的形式传递至所述熔池。
6.根据权利要求5所述的激光CMT复合焊接系统，其特征在于，所述正弦波以垂直于所述熔池的方向和平行于所述熔池的方向交替传递。
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的激光CMT复合焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
将待焊工件固定在焊接工装平台上；
将激振器固定在焊接工装平台或待焊工件上；
启动激振器；
启动焊接控制开关，激光器发射激光同时CMT焊枪产生焊接电弧，对焊缝进行复合焊接形成熔池。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，在所述将待焊工件固定在焊接工装平台上的步骤之前，还包括：
先去除待焊工件表面的油污和氧化膜。
9.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述将激振器固定在焊接工装平台或待焊工件上的步骤还包括：将加速度传感器固定在所述激振器的附近。
10.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，在所述启动激振器的步骤之前，还包括先设定所述激光器和CMT焊枪的焊接工艺参数；
所述启动激振器的步骤进一步包括：通过振动参数控制器启动所述激振器，并设定所述激振器的振动参数。
11.一种铝合金车体焊接构件，至少包括第一工件和第二工件，其特征在于，所述第一工件和所述第二工件之间采用如权利要求7-10任一项所述的焊接方法焊接在一起。
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