CN110385493A - 一种激光扫描填料焊接装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光扫描填料焊接装置，包括光束偏振器(1)、扫描激光(2)、工件(3)、送丝管(4)、导嘴(5)、焊丝(6)、保护气(7)、焊缝(8)、焊接平台(9)、高速相机(10)、辅助光源(11)；该发明解了决轻金属合金在高温焊接过程中，极易产生气孔缺陷；同时轻金属焊接造成元素烧损而无法保证焊接接头质量，且焊缝金属结晶时，会存在低熔点共晶，而焊接时具有高能量输入且快速冷却的焊接特点，导致焊缝凝固收缩率大而造成拉应力增大，易在焊缝凝固时形成热裂纹的问题。

Description

一种激光扫描填料焊接装置与方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接技术，尤其涉及激光扫描填料焊接装置与方法。

背景技术

轻金属合金以其轻质高强度以及良好的抗疲劳能力而广泛应用与航空航天领域，铝锂合金作为航空用轻金属合金的典型代表，具有塑性好、轻质量、耐腐蚀性好等优点，是新一代高性能合金的典型代表，在飞机轻量化制造领域起到了重要的作用，轻金属合金的广泛应用也对其焊接可靠性提出了更高的要求。

传统的轻金属合金焊接方式有熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG)、钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)以及变极性等离子弧焊(VPPAW)，单道激光焊接，但存在焊接气孔、热裂纹、接头软化、效率低等问题。以铝锂合金为例，铝锂合金中焊接过程中会在焊缝中产生气泡，造成气孔缺陷；同时铝锂合金在焊接过程中极易造成元素烧损而无法保证焊接接头质量，且在焊缝金属结晶时，存在低熔点共晶，而焊接时具有高能量输入且快速冷却的焊接特点，导致焊缝凝固收缩率大而造成拉应力增大，易在焊缝凝固时形成热裂纹。现有技术无法同时解决以上问题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出了一种激光扫描填料焊接装置与方法。其目的在于解决轻金属合金在高温焊接过程中，极易产生气孔缺陷；同时轻金属焊接造成元素烧损而无法保证焊接接头质量，且焊缝金属结晶时，会存在低熔点共晶，而焊接时具有高能量输入且快速冷却的焊接特点，导致焊缝凝固收缩率大而造成拉应力增大，易在焊缝凝固时形成热裂纹的问题。

本发明的技术方案是提供了一种激光扫描填料焊接装置，包括光束偏振器、扫描激光、工件、送丝管、导嘴、焊丝、保护气、焊缝、焊接平台、高速相机、辅助光源，其特征在于：

光束偏振器通过固定在KUKA焊接机器人机械手末端实现焊接头的运动，光束偏振器包括X轴旋转反射镜、Y轴旋转反射镜、固定反射镜和聚焦透镜；X轴旋转反射镜和Y轴旋转反射镜由电机驱动旋转，固定反射镜和聚焦透镜中心连线在竖直方向上；

工件水平放置在焊接平台上，焊接平台设置有凹槽，凹槽通入背部保护气体保护焊缝背部；工件焊缝正对于焊接平台设置的凹槽上方，扫描激光与工件垂直，导嘴与送丝管连接，焊丝通过送丝管在导嘴的引导下给工件焊缝熔池进行送丝，保护气通过送丝管在导嘴的引导下对工件焊缝熔池进行保护；高速相机与工件平面呈45°角，在拍摄焊接熔池动态行为的过程中，辅助光源与工件平面成45°角；

扫描激光，扫描轨迹为“∞”形，扫描轨迹的扫描幅度及扫描频率均连续可调，扫描幅度为A，0＜A≤3mm，扫描频率为f,0＜A≤500Hz；

送丝管为软管，在导嘴的引导下送丝方式采用旁轴送丝，沿着焊接方向，扫描激光在前，焊丝在后，焊丝通过送丝管和导嘴后与扫描激光耦合进行焊接，辅助光源为半导体激光器产生的光源作为辅助光源。

本发明还提供了一种激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其具体包括以下步骤：

步骤1：焊接开始前，采用化学试剂去除工件表面油污，干燥后利用刮刀刮去工件表面氧化膜，用无水乙醇进行清洗，风干后，将工件固定在焊接平台上；

步骤2、打开扫描激光通过控制KUKA机器人的运动来进行扫描激光聚焦，将焊丝管和导嘴固定与焊缝成30°～60°之间的角度，固定高速相机与工件(3)平面成45°角以及固定辅助光源与工件平面成45°角；

步骤3、将焊丝装入送丝管内，打开保护气体，加背部保护气体和送丝管内保护气体进行“∞”形扫描填料焊接，扫描幅度可在0～3mm之间变化，扫描频率可在0～500Hz之间变化；

步骤4、同时打开高速相机和辅助光源，对焊接熔池变化过程进行拍摄。

本发明的有益效果在于：

(1)该发明中，激光在工件表面沿着设定的轨迹运动，并在此过程中引入焊料，焊料以送丝、送粉、铺粉等方式融入熔池，摆动的激光可以有效扩大焊缝熔池的长度和宽度，可使得焊缝冷却时间延长，并使焊料均匀的熔入熔池，且减少熔池的波动，抑制焊缝气孔的产生；焊料的引入在摆动的激光作用下充分以熔融态融入熔池，熔池熔质分布均匀，可以有效控制焊缝组织，弥补焊接过程中因高温造成的元素烧损，抑制焊缝凝固过程中裂纹的产生，改善成形和提高焊缝力学性能，不同的送料方式可以适用不同材料的焊接要求。

(2)本发明提出一种“∞”形激光扫描填料焊接方法，如图2所示，激光束以m为扫描起点，沿“∞”形的扫描路径进行焊接，在n点结束焊接过程。以“∞”形激光扫描填料焊接为例，在激光束不断做“∞”形扫描焊接的过程中，焊丝通过送丝管和导嘴并在激光的作用下熔化，向熔池补充材料。与此同时，送丝导嘴口通有保护气体对熔池进行保护，熔池冷却凝固后形成无气孔和裂纹的优质焊缝。本发明创造性的结合了激光扫描焊接方法加入填料，提出了激光扫描填料焊接方法焊接轻金属合金，弥补了传统焊接方法的不足，抑制了焊缝气孔及热裂纹的产生，改善了焊缝质量，提高了焊缝的力学性能，对激光焊接工业应用具有很重要的参考意义。

(3)本发明提出的激光扫描填料焊接方法，摆动的激光可以有效扩大焊缝熔池的长度和宽度，使得焊缝冷却时间延长，并使焊料均匀的熔入熔池，减少熔池的波动，使得焊缝中气泡可以充分溢出；焊料的引入可以有效控制焊缝组织，弥补焊接过程中因高温造成的元素烧损，抑制焊缝凝固过程中裂纹的产生，改善成形和提高焊缝力学性能，以保证轻金属的高质量焊接。

附图说明

图1是本发明一种激光扫描后置填料焊接原理的示意图；

图2是本发明光束偏振器工作原理的示意图；

图3是本发明一种激光扫描填料焊接装置的示意图；

图4是本发明当焊接速度V为0的时，激光束的扫描轨迹图；

图5是本发明当焊接速度V不为0的时，激光束的扫描轨迹图；

图6是本发明单道激光未填料焊接熔池的形貌图；

图7是本发明激光扫描填料焊接熔池的形貌图；

图8是本发明激光扫描填料焊接焊缝X射线检测无缺陷图；

图9是本发明当焊接速度V＝0时，激光束在光束偏转器的控制下做“0”形运动的轨迹图；

图10是0为激光束做“0”形运动时的连续扫描轨迹图；

图11是“8”形扫描填料焊接轨迹的运动特点进行分析时激光束的扫描轨迹图；

图12是为激光束做“8”形运动时的连续扫描轨迹图；

图13是本发明一种激光扫描前置填料焊接原理的示意图；

其中：1-光束偏振器、101-X轴旋转反射镜、102-Y轴旋转反射镜、103-固定反射镜、104-聚焦透镜、2-扫描激光、3-工件、4-送丝管、5-导嘴、6-焊丝、7-保护气、8-焊缝、9-焊接平台、10-高速相机、11-辅助光源。

具体实施方式

以下将结合附图1-13对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1，该实施例提供了一种激光扫描填料焊接装置，包括光束偏振器1、扫描激光2、工件3、送丝管4、导嘴5、焊丝6、保护气7、焊缝8、焊接平台9、高速相机10、辅助光源11；

光束偏振器1包括X轴旋转反射镜101、Y轴旋转反射镜102、固定反射镜103、聚焦透镜104；

光束偏振器1通过固定在KUKA焊接机器人机械手末端实现焊接头的运动，X轴旋转反射镜101和Y轴旋转反射镜102由电机驱动旋转，X轴旋转反射镜101和Y轴旋转反射镜102中心连线在竖直方向上，Y轴旋转反射镜102和固定反射镜103中心连线在水平方向上；固定反射镜103和聚焦透镜104中心连线在竖直方向上；

工件3水平放置在焊接平台9上，焊接平台9正中间位置设置有凹槽，凹槽通入背部保护气体保护焊缝8背部，保护气体为高纯氩气，流量为10L/min；

工件3焊缝8正对于焊接平台9设置的凹槽上方，扫描激光2与工件3垂直，导嘴5与送丝管4连接，焊丝6通过送丝管4在导嘴5的引导下给工件3焊缝8熔池进行送丝，保护气通过送丝管4在导嘴5的引导下对工件3焊缝8熔池进行保护；高速相机10与工件平面呈45°角，在拍摄焊接熔池动态行为的过程中，辅助光源11与工件平面成45°角。

扫描激光2，扫描轨迹为“∞”形，扫描轨迹的扫描幅度及扫描频率均连续可调，扫描幅度可在0～3mm之间变化，扫描频率可在0～500Hz之间变化。通过匹配合适的激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量、扫描频率及扫描幅度，可保证激光扫描填料焊的稳定进行。

送丝管4为软管，在导嘴5的引导下送丝方式采用旁轴送丝，沿着焊接方向，扫描激光2在前，焊丝6在后，焊丝6通过送丝管4和导嘴5后与扫描激光耦合进行焊接，焊丝6与焊接方向的角度在30°～60°之间，焊丝6直径在0.7mm～1.5mm之间。送丝管内4通有保护气体7，保护气体7为高纯氩气，流量为15L/min，对焊接过程中的焊接熔池进行保护。

辅助光源11为808nm半导体激光器产生的光源作为辅助光源，最大输出功率30W，调节半导体激光器功率可得到最佳辅助光源11亮度，进一步可获得最佳焊接熔池拍摄亮度。

该实施例还提供了一种利用激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其具体包括以下步骤：

步骤1：焊接开始前，采用化学试剂去除工件3表面油污，干燥后利用刮刀刮去工件3表面氧化膜，然后用无水乙醇进行清洗，风干后，将工件3固定在焊接平台8上；

步骤2、打开扫描激光2通过控制KUKA机器人的运动来进行扫描激光2聚焦，将焊丝管4和导嘴5固定与焊缝8成30°～60°之间的角度，固定高速相机10与工件3平面成45°角以及固定辅助光源11与工件3平面成45°角；

步骤3、将焊丝6装入送丝管4内，打开保护气体7，加背部保护气体和送丝管4内保护气体7进行“∞”形扫描填料焊接，扫描幅度可在0～3mm之间变化，扫描频率可在0～500Hz之间变化；

该步骤中，在焊接过程中，焊丝以一定的方式和速度送入熔池中，焊丝在激光的作用熔化，激光束通过光束偏转器后可实现多种轨迹的扫描运动，包括“|”形、“-”形、“0”形、“8”字形、“∞”形等扫描轨迹。其中，各种扫描轨迹的扫描幅度及扫描频率均连续可调，扫描幅度可在0～3mm之间变化，扫描频率可在0～500Hz之间变化。通过匹配合适的激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量、扫描频率及扫描幅度，可保证激光扫描填料焊的稳定进行。

送丝方式采用旁轴送丝，沿焊接方向，送丝装置在前，扫描激光在后，焊丝通过送丝管和导嘴后与激光耦合进行焊接，焊丝与焊接方向的角度在30°～60°之间。送丝管内通有保护气体，保护气体为高纯氩气，流量为15L/min，对焊接过程中的熔池进行保护。

“∞”形是多种激光扫描焊接方式中的一种，当焊接速度V为0的时候，激光束的扫描轨迹如图4所示，以a点作为一个焊接周期的起始点，激光束以某一固定的扫描速度Ve沿着路径a-b-c-d-e(a)-f-g-h-i(a)不断的做循环运动，其中扫描速度Ve主要由扫描频率和扫描幅度决定。

当焊接速度V不为0的时候，激光的扫描轨迹在焊接速度和扫描速度共同决定，如图5所示，激光束以m为扫描起点，沿“∞”形的扫描路径进行焊接，在n点结束焊接过程。在激光束不断做“∞”形扫描焊接的过程中，焊丝通过送丝管和导嘴并在扫描激光的作用下熔化，向熔池补充材料。与此同时，送丝管内通有保护气体对熔池进行保护，熔池冷却凝固后形成无气孔和裂纹的优质焊缝。

在优选的实施例中，扫描方式除采用“∞”形扫描填料焊接外，亦可采用“0”形、“8”形扫描填料焊接；“0”形扫描填料焊接轨迹的运动特点进行分析，当焊接速度V＝0时，激光束在光束偏转器的控制下做“0”形运动，如图9所示，以a点作为一个焊接周期的起始点，激光束以某一固定的扫描速度Ve沿着路径a-b-c-d不断的做循环运动，其中扫描速度Ve主要由扫描频率f和扫描幅度A决定。当焊接速度V不为0的时候，激光束的扫描轨迹由焊接速度和扫描速度的合轨迹共同决定；

图10为激光束做“0”形运动时的连续扫描轨迹图，激光束从m点出发，以合速度Va经过多次循环运动后在n点结束焊接过程，合速度Va也为激光扫描焊接过程中的实际焊接速度；

“8”形扫描填料焊接轨迹的运动特点进行分析当焊接速度V＝0的时候，激光束的扫描轨迹如图11所示，以a点作为一个焊接周期的起始点，激光束以某一固定的扫描速度Ve沿着路径a-b-c-d-e(a)-f-g-h-i(a)不断的做循环运动，其中扫描速度Ve主要由扫描频率f和扫描幅度A决定。

当焊接速度V不为0的时候，激光的扫描轨迹由焊接速度和扫描速度的合轨迹共同决定，图12为激光束做“8”形运动时的连续扫描轨迹图，激光束从m点出发，经过多次运动后在n点结束焊接过程。

此外，送丝方式可以根据焊接材料及实际焊接情况，替换为填粉，铺粉等焊接方式；且送丝方式除采用沿着焊接方向，扫描激光2在前，焊丝6在后，焊丝6通过送丝管4和导嘴5后与扫描激光耦合进行焊接外；亦可采用如图13所示，沿着焊接方向，焊丝6在前，扫描激光2在后，焊丝6通过送丝管4和导嘴5后与扫描激光耦合进行焊接。

步骤4、同时打开高速相机10和辅助光源11，对焊接熔池变化过程进行拍摄。

本试验选用材料为2060铝锂合金板材，该材料具有优良的力学性能，强度高，韧性好，锂含量为0.75％，为轻质高性能合金，被应用于航空航天领域，目前应用于C919大型客机机身壁板，母材的化学成分如表1所示，试板规格长度150mm，宽度50mm，厚度2mm，保护气体为纯度99.99％的工业纯氩。

表1 2060铝锂合金化学成分(％)

实验结果如图所示，图6为单道激光未填料焊接熔池形貌，图7为“∞”形激光扫描填料焊接熔池形貌(黄色圈出部分为熔池)，图8所示为激光扫描填料焊接焊缝X射线检测图，激光扫描填料焊接结焊缝不存在气孔及裂纹缺陷；“∞”形激光扫描填料焊接铝锂合金相对于传统单道激光焊接工艺可以有效扩大焊缝熔池的长度和宽度，并使焊料均匀的熔入熔池，且减少熔池的波动，抑制焊缝气孔的产生；焊料的引入可以有效控制焊缝组织，弥补焊接过程中因高温造成的元素烧损，抑制焊缝凝固过程中裂纹的产生，改善成形和提高焊缝力学性能。很好的解决上述轻金属合金在高温焊接过程中，极易产生气孔缺陷，同时轻金属焊接造成元素烧损而无法保证焊接接头质量，且焊缝金属结晶时，会存在低熔点共晶，而焊接时具有高能量输入且快速冷却的焊接特点，导致焊缝凝固收缩率大而造成拉应力增大，易在焊缝凝固时形成热裂纹的问题；提高了焊缝的力学性能，

本发明创造性的结合了激光扫描焊接方法与填料的(填丝、填粉)焊接方法，提出了激光扫描填料焊接方法焊接轻金属合金，有效控制了焊缝气孔缺陷，减少了焊接过程中因高温汽化造成的材料损耗，抑制了焊缝热裂纹的产生，提高了焊缝的力学性能，对激光焊接工业应用具有很重要的参考意义，易于推广应用。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光扫描填料焊接装置，包括光束偏振器(1)、扫描激光(2)、工件(3)、送丝管(4)、导嘴(5)、焊丝(6)、保护气(7)、焊缝(8)、焊接平台(9)、高速相机(10)、辅助光源(11)，其特征在于，其特征在于，其特征在于：

光束偏振器(1)通过固定在KUKA焊接机器人机械手末端实现焊接头的运动，光束偏振器(1)包括X轴旋转反射镜(101)、Y轴旋转反射镜(102)、固定反射镜(103)和聚焦透镜(104)；X轴旋转反射镜(101)和Y轴旋转反射镜(102)由电机驱动旋转，固定反射镜(103)和聚焦透镜(104)中心连线在竖直方向上；

工件(3)水平放置在焊接平台(9)上，焊接平台(9)设置有凹槽，凹槽通入背部保护气体保护焊缝(8)背部；工件(3)焊缝(8)正对于焊接平台(9)设置的凹槽上方，扫描激光(2)与工件(3)垂直，导嘴(5)与送丝管(4)连接，焊丝(6)通过送丝管(4)在导嘴(5)的引导下给工件(3)焊缝(8)熔池进行送丝，保护气通过送丝管(4)在导嘴(5)的引导下对工件(3)焊缝(8)熔池进行保护；高速相机(10)与工件平面呈45°角，在拍摄焊接熔池动态行为的过程中，辅助光源(11)与工件平面成45°角；

扫描激光(2)，扫描轨迹为“∞”形，扫描轨迹的扫描幅度及扫描频率均连续可调，扫描幅度为A，0＜A≤3mm，扫描频率为f,0＜A≤500Hz；

送丝管(4)为软管，在导嘴(5)的引导下送丝方式采用旁轴送丝，沿着焊接方向，扫描激光(2)在前，焊丝(6)在后，焊丝(6)通过送丝管(4)和导嘴(5)后与扫描激光耦合进行焊接，辅助光源(11)为半导体激光器产生的光源作为辅助光源。

2.根据权利要求1所述激光扫描填料焊接装置，其特征在于：保护气体为高纯氩气，流量为(10)L/min。

3.根据权利要求1所述激光扫描填料焊接装置，其特征在于：焊丝(6)与焊接方向的角度在30°～60°之间，焊丝(6)直径在0.7mm～1.5mm之间。

4.根据权利要求1所述激光扫描填料焊接装置，其特征在于：送丝管内(4)通有保护气体(7)，保护气体(7)为高纯氩气，流量为15L/min，对焊接过程中的焊接熔池进行保护。

5.一种利用权利要求1所述的激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其具体包括以下步骤：

步骤1：焊接开始前，采用化学试剂去除工件(3)表面油污，干燥后利用刮刀刮去工件(3)表面氧化膜，用无水乙醇进行清洗，风干后，将工件(3)固定在焊接平台(8)上；

步骤2、打开扫描激光(2)通过控制KUKA机器人的运动来进行扫描激光(2)聚焦，将焊丝管(4)和导嘴(5)固定与焊缝(8)成30°～60°之间的角度，固定高速相机(10)与工件(3)平面成45°角以及固定辅助光源(11)与工件(3)平面成45°角；

步骤3、将焊丝(6)装入送丝管(4)内，打开保护气体(7)，加背部保护气体和送丝管(4)内保护气体(7)进行“∞”形扫描填料焊接，扫描幅度可在0～3mm之间变化，扫描频率可在0～500Hz之间变化；

步骤4、同时打开高速相机(10)和辅助光源(11)，对焊接熔池变化过程进行拍摄。

6.根据权利要求5所述的激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：在步骤(3)中，激光束通过光束偏转器后能够实现包括“|”形、“-”形、“0”形、“8”字形的扫描轨迹。

7.根据权利要求5所述的激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：送丝方式采用旁轴送丝，沿焊接方向，送丝装置在前，扫描激光在后，焊丝通过送丝管和导嘴后与激光耦合进行焊接，焊丝与焊接方向的角度在30°～60°之间；送丝管内通有保护气体，保护气体为高纯氩气，流量为15L/min。

8.根据权利要求5所述的激光扫描填料焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：送丝方式能够根据焊接材料及实际焊接情况替换为包括填粉或铺粉焊接方式。