CN110834149A - 一种带有冷却系统的激光焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有冷却系统的激光焊接装置及方法，包含激光焊接系统，焊接系统对工件进行焊接以形成焊缝或焊点，还包括液体喷雾冷却系统，液体喷雾冷却系统具有一个或多个喷嘴，喷嘴设置于所述焊接系统的周边，并且喷嘴朝向所述焊缝或焊点处，液体喷雾冷却系统通过高压产生液体喷雾并经喷嘴喷出，以在焊前或焊接过程中对焊缝或焊点进行冷却。在本发明中，通过添加液体喷雾冷却系统，利用液体喷雾对焊接接头进行预冷或快速冷却，可以加快焊接接头的冷却速度，进而降低接头软化现象，提高焊接接头强度，并降低焊接接头的残余应力和残余变形，提高焊接质量。

Description

一种带有冷却系统的激光焊接装置及方法

技术领域

本发明提供一种带有冷却系统的激光焊接装置和方法，涉及焊接设备的技术领域，具体是针对焊接时易发生软化材料的带有冷却系统的焊接装置和焊接方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的新材料被设计应用于焊接结构中。例如铝合金、镁合金、高强度钢等材料被大量设计应用于汽车制造过程中。但是这些材料在进行焊接时，普遍出现问题就是会在熔合区或热影响区发生软化，导致强度、硬度低于母材本身，这就会严重削弱焊接接头的承载能力和服役性能，影响其在焊接结构中的应用。产生软化原因主要是因为在执行焊接时，材料会存在温度上升和冷却阶段。而往往在冷却阶段，冷却速度较慢，就会导致接头内部晶粒的长大而发生软化，例如铝合金、镁合金；高强度钢在冷却阶段由于冷却速度较慢，导致内部组织转变发生变化，而产生软化组织，并且由于焊接过程中，冷却速度慢，而导致焊接完成后残余应力和变形较大。

激光焊接方法作为目前应用越来越广泛的一种焊接方法，包括普通激光焊、远程3D激光焊或激光复合焊等方法。由于具有焊接热量集中，受热影响区域较小，焊接效率高等优势，所以在焊接铝合金、高强钢等新材料时具有独到的优势，但是仍然存在上述提到的问题，焊接区或热影响区软化，焊接残余应力及变形较大。

所以，急需一种能实现快速冷却的带有冷却系统的激光焊接装置和方法，来解决焊接过程中易软化材料的焊接软化现象，降低焊接残余应力和残余变形，提高焊接接头强度和焊接质量，从而扩大该种材料在现代化生产制造中的应用。

技术原理：通过在焊接过程中，增加水雾冷却装置可以加快焊缝的冷却速度，从而阻止内部晶粒长大或组织转变，降低焊接接头的软化程度；通过在激光焊前或焊中对焊缝指定位置进行快速冷却，可以使焊缝处获得比相邻处更低的负温差，在冷却阶段受到周围金属的拉伸作用产生拉伸变形，抵消原焊接过程中的压缩变形，减小焊接残余应力和变形。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种可以实现快速冷却的带有冷却系统的激光焊接装置及其相关焊接方法。

本发明一方面提供了一种带有冷却系统的激光焊接装置，包含焊接系统，所述焊接系统对工件进行焊接以形成焊缝或焊点，还包括液体喷雾冷却系统，所述液体喷雾冷却系统具有一个或多个喷嘴，所述喷嘴设置于所述焊接系统的周边，并且所述喷嘴朝向所述焊接处，所述液体喷雾冷却系统通过高压产生液体喷雾并经所述喷嘴喷出，以对焊接处进行冷却。

在一优选例中，所述焊接系统选自于普通激光焊、远程激光焊、或激光复合焊。较佳地，所述焊接系统为激光焊，所述激光焊包括激光头，所述激光头具有保护喷嘴，所述保护喷嘴位于激光头的外围，所述保护喷嘴内设有管道，并且在激光束出光的一端设有喷孔，所述液体喷雾冷却系统通过高压产生液体喷雾，经所述管道从喷孔喷出。更佳地，所述喷孔在激光出口端呈环形布置。

在另一优选例中，所述焊接系统与所述液体喷雾冷却系统是集成在一体的或是独立设置的。

在另一优选例中，所述液体喷雾系统中喷雾作用区域范围、流量大小、喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴的喷射方向均可调。

在另一优选例中，所述液体喷雾可以是水类、油类等可作为冷却介质的液态物质一种或多种所组成的，特别优选地所述液体喷雾为水。

在另一优选例中，所述焊接处包括直线焊缝或焊点。

本发明另一方面还提供一种运用上述任一带有冷却系统的激光焊接装置进行焊接的方法，包含以下步骤：

1)装配两个或多个待焊工件；

2)根据需要确定液体喷雾冷却条件，所述冷却条件包括液体喷雾成分、流量大小、喷雾作用时间、焊接与喷雾的时间差、冷却范围；

3)对工件实施焊接；

4)液体喷雾冷却系统对焊接处实施预冷处理或快速冷却；

5)焊接完成。

在一优选例中，所述待焊工件的材料为在焊接时易发生软化的材料，例如铝合金、镁合金、高强钢等同种或异种材料；特别优选地，为纯铝、变形铝合金、铸造铝合金、变形镁合金、铸造镁合金、铁素体钢、双向钢、多向钢、复相钢或马氏体钢。

带有冷却系统的焊接装置喷嘴在另一优选例中，喷雾作用时间和焊接与喷雾的时间差可根据所焊接材料、搭配等自由调节。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的有益效果在于：在焊接进行过程中，可以对焊缝进行预冷处理或快速实时冷却，从而大幅度避免焊缝内部晶粒长大，降低软化现象，提高焊缝强度，减小焊接残余应力和残余变形，提高焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明中的一个优选实施例的轴侧图；

图2所示为图1中实施例的正视截面图；

图3所示为图1实施例中的激光头的轴侧图；

图4所示为图3实施例的半剖视图；

图5所示为实施例中激光头保护嘴的轴测图；

图6所示为图5实施例中的激光头保护喷嘴的左视截面图；

图7所示为图5实施例中的激光头保护喷嘴的仰视图。

附图标记：1—待焊工件；2—待焊工件；3—焊缝或焊点；5—液体喷雾冷却系统；6—激光头保护喷嘴；7—反射镜片；8—聚焦镜片；9—激光头；10—激光束；11—液体喷雾；12—液体喷雾管道；13—激光束出光处。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

实施例

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示为本实施例的示意图。

待焊工件1、2为焊接时易发生软化的铝合金工件，焊接处3为工件1、2以对接形式进行焊接后形成的对接直线焊缝，所用焊接方法为激光焊，5为液体喷雾冷却系统，6为激光头保护嘴，7为位于激光头内部的反射镜片，8为聚焦镜片，9为激光头，10为激光束，11为水喷雾，12为喷雾系统位于激光头保护嘴内的管道，13为激光束出光处。所用液体喷雾冷却系统5分布位于激光头保护嘴6的内部，喷雾为水，温度为20℃，流量为20L/min,喷雾11由端面上均匀分布的孔内垂直喷射出，作用于焊缝区域。同样，普通激光焊焊接铝合金时，在焊缝中心由于熔化区金属冷却时速度较慢，所以会造成熔核区晶粒长大，发生软化，导致接头强度降低，承载力下降。在本实施例中，激光束10在激光头9内先通过反射镜片7再通过聚焦镜片8，然后由出光处13达到待焊焊缝位置处3，而添加的液体喷雾冷却系统5通过高压作用使液态水变为喷雾11，经过管路12由端面喷口喷出，随着激光焊的焊接进行对焊缝进行实时冷却，从而大幅度避免焊缝内部晶粒长大，降低软化现象，提高焊缝强度，并减小焊接残余应力和残余变形，提高焊接质量。

当然，在焊接中焊缝形式不仅仅是对接焊缝，也可以是搭接、角接等其他形式的焊缝，而待焊工件也可以是多块同种或异种金属工件的形式，而激光焊接亦可以是远程激光焊或是激光与其他焊接方法所组成的复合焊接方法。

值得注意的是，如图5、6、7所示，喷雾出口(喷孔)为3圈环形布置的出口，实际上喷嘴口数量及分布位置、喷雾作用范围、喷雾流量及喷射方向可以根据需要通过冷却系统灵活调节。在本实施例中，焊接系统和液体喷雾冷却系统5为集成到一起的，冷却水喷雾是通过激光头上的保护喷嘴与激光束同轴来实现焊接过程的快速冷却作用，但实际上，冷却水喷雾也可以是单独由外部装置来对指定位置的实时冷却，并实现全部或部分焊接区域的实时冷却。

根据需要，通过精确控制冷却喷雾成分、喷雾流量、作用范围、喷射角度方向、喷嘴与焊枪分布间隔距离、喷嘴数量等来对软化区的快速冷区、降低软化现象和减小焊接残余应力和变形。

需要说明的是，待焊工件1、2可以是任意的在焊接时会发生软化现象的材料组成，例如各种纯铝、变形铝合金、铸造铝合金、变形镁合金、铸造镁合金以及易软化的高强度钢(例如铁素体钢、双向钢、多向钢、复相钢、马氏体钢等钢材)。另外，焊接工件的焊接形式可以为对接或搭接，进行搭接或对接的工件可以是两个或多个同种或异种材料结构件。

需要注意的是，本发明所述焊接装置在焊前或焊后也可以添加水雾，可以起到降低焊接残余应力和变形的作用。

普通焊接装置焊接铝合金时，在焊缝中心由于熔化区金属冷却时速度较慢，会造成熔核区晶粒长大，发生软化，导致接头强度降低，承载力下降，焊接残余应力高、残余变形大，本发明在原有焊接装置的基础上添加了液体喷雾冷却系统，很好的解决了原有焊接装置焊接铝合金时存在的问题。

尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，包含激光焊接系统，所述焊接系统对工件进行焊接以形成焊缝或焊点，其中包括液体喷雾冷却系统，所述液体喷雾冷却系统具有一个或多个喷嘴，所述喷嘴设置于所述焊接系统的周边，并且所述喷嘴朝向所述焊接处，所述液体喷雾冷却系统通过高压产生液体喷雾并经所述喷嘴喷出，以对焊接处进行预冷或焊接过程中快速冷却。

2.如权利要求1所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接系统选自于普通激光焊、远程激光焊、或激光复合焊。

3.如权利要求1所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接系统与所述液体喷雾冷却系统是集成在一体的或是独立设置的。

4.如权利要求1所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接系统为激光焊，所述激光焊包括激光头，所述激光头具有保护喷嘴，所述保护喷嘴位于激光头的外围，所述保护喷嘴内设有管道，并且在激光束出光的一端设有喷孔，所述液体喷雾冷却系统通过高压产生液体喷雾，经所述管道从喷孔喷出。

5.如权利要求4所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述喷孔在激光出口端呈环形布置。

6.如权利要求1所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述液体喷雾系统中喷雾作用区域范围、流量大小、喷嘴数量、喷嘴位置、喷嘴的喷射方向均可调。

7.如权利要求1所述的带有冷却系统的激光焊接装置，其特征在于，所述液体喷雾为水。

8.一种运用如权利要求1-7任一所述的带有冷却系统的激光焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)装配两个或多个待焊工件；

2)根据需要确定液体喷雾冷却条件，所述冷却条件包括液体喷雾成分、流量大小、喷雾作用时间、焊接与喷雾的时间差、冷却范围；

3)对工件实施焊接；

4)液体喷雾冷却系统对焊接处实施预冷处理或快速冷却；

5)焊接完成。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述待焊工件的材料为纯铝、变形铝合金、铸造铝合金、变形镁合金、铸造镁合金、铁素体钢、双向钢、多向钢、复相钢、马氏体钢或热成型钢。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述喷雾作用时间或焊接与喷雾的时间差可根据所焊接材料、搭配等可根据需要自由调节。

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