CN110860786A - 一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法 - Google Patents

一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法，属于焊接技术领域。本发明将电感加热的温度场以及激光摆动对熔池的搅拌作用进行耦合，在感应线圈加热减缓金属液凝固速率的同时利用激光的摆动对熔池进行搅拌。本发明采用脉冲激光作为热源，采用机床带动2219—T87铝合金板移动，并同时采用振镜偏转带动激光束摆动的方式，实现2219—T87铝合金的焊接。本发明既能避免生产率低、热影响区大的情况，又能克服热输入大、成形质量差的不足。激光光束的摆动对熔池具有搅拌作用，可以打乱已经形成的枝晶，形成新的异质形核点，利于形成等轴晶，进而利于打散Al‑Al2Cu共晶组织，提高其力学性能。光束的摆动有利于气泡的溢出，减少气孔的形成。

Description

一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法。
背景技术
2219—T87铝合金是Al一Cu—Mn系析出强化型高强铝合金，具有高低温力学性能好、焊接性能优良以及抗应力腐蚀性能好等特点，因此被广泛应用于航天运载器的贮箱结构中。当前对于2219—T87铝合金的焊接主要使用填丝变极性TIG氩弧焊，这种焊接方法易产生气孔裂纹等缺陷，另外Al+Al2Cu共晶组织易于晶界析出，连结成裂纹状，严重影响其力学性能。
中国专利CN107442935A公开了一种铝合金激光摆动焊接工艺方法，此方法将连续激光作为热源，采用激光摆动的方式实现铝合金的焊接。但连续激光加工铝合金热输入大、成形质量差。
中国专利CN109759699A提出了一种5083铝合金激光焊接工艺方法，其实质是通过脉冲激光摆动消除焊接接头的气孔，预热方式为预热板预热，因此该方法仅限于小尺寸结构件的焊接。
清华大学赵琳在论文《光束摆动法减小激光焊接气孔倾向》中提出了通过机床带动工件以摆动的方式移动，以实现激光相对工件摆动的焊接，该方法有效地降低了焊接接头的气孔率。但该摆动方式对机床灵敏度要求较高，容易出现机床实际摆动频率或频率与理想情况差距较大的情况，容易引入各种误差。
发明内容
本发明针对现有技术中2219—T87铝合金焊接质量差的问题，本发明提出一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置及方法。通过脉冲激光焊接既能避免TIG/MIG等传统加工铝合金方法生产率低、热影响区大的情况，又能克服采用连续激光加工铝合金热输入大、成形质量差的不足。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置，所述的电感辅助脉冲激光摆动焊接装置包括激光镜头1、感应线圈2、电磁感应主机3、线圈架4、红外测温仪5、2219—T87铝合金板6、偏振镜9和激光镜头座11。采用脉冲激光作为热源，偏振镜9的偏振带动光束摆动，并通过电感线圈2控温以预热缓冷的方式，实现2219—T87铝合金板6的焊接。
所述的激光镜头座11吊装在机床上方；所述的激光镜头1固定安装在激光镜头座11下方；所述的线圈架4安装在激光镜头座11下方、环绕在激光镜头1外侧；所述的感应线圈2水平安装在线圈架4底部，感应线圈2的中心与激光镜头1的轴向重合，感应线圈2在2219—T87铝合金板6上的作用面为10mm2～30mm2的区域，感应线圈2对焊接件产生了预热缓冷效果，降低了焊接过程中的温度梯度，缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
所述的电磁感应主机3与感应线圈2电连接，用于向感应线圈2供电；所述的红外测温仪5通过辅助装置安装在机床上(辅助装置为可以为三脚架等常用的固定装置)，用于测量2219—T87铝合金板6的温度；所述的2219—T87铝合金板6安装在机床的工作台上，2219—T87铝合金板6的焊缝方向与机床工作台的移动方向平行；所述的偏振镜9水平安装在激光镜头1内部，偏振镜9的偏振方向与机床工作台的移动方向垂直；
进一步的，所述的感应线圈2直径为6～12mm。
一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，包括以下步骤:
步骤1.用砂纸打磨以去除2219—T87铝合金板6对接焊缝两侧宽度15～35mm内的氧化皮，至焊缝处周边露出金属光泽后用丙酮擦拭。
步骤2.将步骤1处理后的2219—T87铝合金板6安装在机床上，其焊缝方向与机床工作台的运动方向平行，激光镜头1输出的激光方向指向待焊接的焊缝，打开保护气，由同轴保护气喷嘴向焊缝正面吹惰性气体，调节激光镜头座11，使激光镜头1输出激光的方向与垂直方向夹角5～10°；
步骤3.设置激光镜头1的脉冲激光参数，包括单脉冲能量为18～23J、脉冲频率f为20～27Hz、脉冲宽度为2～4ms；调节离焦量为0～1mm。
步骤4.开启电磁感应主机3，电磁感应主机3输出电流为7～16A，电磁感应频率为100KHz～160KHz，感应线圈2在2219—T87铝合金板6上的作用面积为10mm2～30mm2，感应线圈2的固定加热区域为圆形，圆心与激光头1产生的激光重合。针对2219—T87铝合金这种材料，预热温度为150℃～250℃；感应线圈2对焊接件产生了预热缓冷效果，降低了焊接过程中的温度梯度，缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
步骤5.机床的移动速度设置为300～400mm/min，偏振镜9摆动频率设置为15～25Hz时，激光镜头1在2219—T87铝合金板6上产生光斑的移动范围设置为1～2mm。启动激光镜头1与机床进行焊接，同时由同轴保护气喷嘴持续向焊缝正面吹惰性气体进行保护。
进一步的，步骤3中单脉冲能量优选范围为19～22J、脉冲频率f优选范围为23～26Hz、脉冲宽度优选为3ms。
进一步的，步骤4中预热温度的范围优选为180℃～220℃，对应的电磁感应主机3输出电流优选范围为10～15A，电磁感应频率优选范围为130～150KHz。
进一步的，步骤5中光斑移动范围优选为1.5～2mm，摆动频率优选为18～23J。
本发明的有益效果：
本发明能够实现稳定、热影响区小和近无缺陷的2219铝合金焊接。具有以下优点：
1、本发明既能避免TIG/MIG等传统加工铝合金方法生产率低、热影响区大的情况，又能克服连续激光加工铝合金热输入大、成形质量差的不足。激光光束的摆动对熔池具有搅拌作用，可以打乱已经形成的枝晶，形成新的异质形核点，利于形成等轴晶，进而利于打散Al-Al2Cu共晶组织，提高其力学性能。光束的摆动有利于气泡的溢出，减少气孔的形成。
2、电感的施加对焊接件产生了预热缓冷效果，降低了焊接过程中的温度梯度，缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
3、本发明在感应加热减缓金属液凝固速率的同时利用激光摆动对熔池进行搅拌。该方法相比于单一激光摆动作用可以有效延长超声对金属液的作用时间；相比于单一施加电感温度场可以对熔池产生搅拌作用。电感辅助激光摆动焊接能更大程度地减少组织内部气孔，更大程度抑制裂纹源的产生从而减少微观和宏观裂纹，打散共晶组织，进而增强零件的使用性能，满足其实际使用需求。
4、该方法中电感预热缓冷及光束摆动作用的实施方式对焊接结构件的尺寸没有限制，可以用于大型结构件的焊接。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、激光镜头；2、感应线圈；3、电磁感应主机；4、线圈架；5、红外测温仪；6、2219—T87铝合金板；7、激光光斑路径；8、电感线圈加热范围；9、偏振镜；10、铝合金板运动方向；11、激光镜头座。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置，图中，7表示激光光斑路径，8表示电感线圈加热范围，10表示铝合金板运动方向。所述的电感辅助脉冲激光摆动焊接装置包括激光镜头1、感应线圈2、电磁感应主机3、线圈架4、红外测温仪5、2219—T87铝合金板6、偏振镜9和激光镜头座11。采用脉冲激光作为热源，偏振镜9的偏振带动光束摆动扩大焊接面积，并通过电感线圈2控温以预热缓冷的方式，实现2219—T87铝合金板6的焊接。
所述的激光镜头座11吊装在机床上方；所述的激光镜头1固定安装在激光镜头座11下方；所述的线圈架4安装在激光镜头座11下方、环绕在激光镜头1外侧；所述的感应线圈2水平安装在线圈架4底部，感应线圈2的中心与激光镜头1的轴向重合，感应线圈2在2219—T87铝合金板6上的作用面为20mm2～30mm2的区域，感应线圈2对焊接件产生了预热缓冷效果，降低了焊接过程中的温度梯度，缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
所述的电磁感应主机3与感应线圈2电连接，用于向感应线圈2供电；所述的红外测温仪5通过三脚架安装在机床上，用于测量温度；所述的2219—T87铝合金板6安装在机床的工作台上，2219—T87铝合金板6的焊缝方向与机床工作台的移动方向平行；所述的偏振镜9水平安装在激光镜头1内部，偏振镜9的偏振方向与机床工作台的移动方向垂直；
进一步的，所述的感应线圈2为单匝线圈，线圈直径为9mm。
一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，包括以下步骤:
步骤1.用砂纸打磨以去除2219—T87铝合金板6对接焊缝两侧宽度30mm内的氧化皮，至焊缝处周边露出金属光泽后用丙酮擦拭；所示的红外测温仪5与水平面夹角45°。
步骤2.将步骤1处理后的2219—T87铝合金板6安装在机床上，其焊缝方向与机床工作台的运动方向平行，打开保护气，由同轴保护气喷嘴向焊缝正面吹惰性气体，调节激光镜头座11，使激光镜头1输出激光的方向与垂直方向夹角5°；
步骤3.设置激光镜头1的脉冲激光参数，包括单脉冲能量20J、脉冲频率f为23Hz、脉冲宽度为3ms；调节离焦量为0.5mm。通过脉冲激光焊接既能避免TIG/MIG等传统加工铝合金方法生产率低、热影响区大的情况，又能克服采用连续激光加工铝合金热输入大、成形质量差的不足。
步骤4.开启电磁感应主机3，电磁感应主机3输出电流为10A，电磁感应频率为140KHz，感应线圈2的作用面积为20mm2，感应线圈2的固定加热区域为圆形，圆心与激光头1产生的激光重合。预热温度为200℃；感应线圈2对焊接件产生了预热缓冷效果，降低了焊接过程中的温度梯度，缓冷可以降低液态金属的凝固速度，充分释放凝固过程中的内应力，同时高温促进金属液的流动，金属液对已经产生微观裂纹的部位及时填充抑制裂纹扩展。
步骤5.机床的移动速度设置为360mm/min，偏振镜9摆动频率设置为20Hz，激光镜头1在2219—T87铝合金板6上产生光斑的移动范围设置为2mm。启动激光镜头1与机床进行焊接，同时由同轴保护气喷嘴持续向焊缝正面吹惰性气体进行保护。
以上所述，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 (6)

1.一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置，其特征在于，所述的电感辅助脉冲激光摆动焊接装置包括激光镜头(1)、感应线圈(2)、电磁感应主机(3)、线圈架(4)、红外测温仪(5)、2219—T87铝合金板(6)、偏振镜(9)和激光镜头座(11)；
所述的激光镜头座(11)吊装在机床上方；所述的激光镜头(1)固定安装在激光镜头座(11)下方；所述的线圈架(4)安装在激光镜头座(11)下方、环绕在激光镜头(1)外侧；所述的感应线圈(2)水平安装在线圈架(4)底部，感应线圈(2)的中心与激光镜头(1)的轴向重合；
所述的电磁感应主机(3)与感应线圈(2)电连接，用于向感应线圈(2)供电；所述的红外测温仪(5)安装在机床上，用于测量2219—T87铝合金板(6)的温度；所述的2219—T87铝合金板(6)安装在机床的工作台上，2219—T87铝合金板(6)的焊缝方向与机床工作台的移动方向平行；所述的偏振镜(9)水平安装在激光镜头(1)内部，偏振镜(9)的偏振方向与机床工作台的移动方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种电感辅助脉冲激光摆动焊接装置，其特征在于，所述的感应线圈(2)直径为6～12mm。
3.一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1.用砂纸打磨以去除2219—T87铝合金板(6)对接焊缝两侧宽度15～35mm内的氧化皮，至露出金属光泽后用丙酮擦拭；
步骤2.将步骤1处理后的2219—T87铝合金板(6)安装在机床上，其焊缝方向与机床工作台的运动方向平行，激光镜头(1)输出的激光方向指向待焊接的焊缝，打开保护气，由同轴保护气喷嘴向焊缝正面吹惰性气体，调节激光镜头座(11)，使激光镜头(1)输出激光的方向与垂直方向夹角5～10°；
步骤3.设置激光镜头(1)的脉冲激光参数，包括单脉冲能量为18～23J、脉冲频率f为20～27Hz、脉冲宽度为2～4ms；调节离焦量为0～1mm；
步骤4.开启电磁感应主机(3)，电磁感应主机(3)输出电流为7～16A，电磁感应频率为100KHz～160KHz，感应线圈(2)在2219—T87铝合金板(6)上的作用面积为10mm2～30mm2；针对2219—T87铝合金这种材料，预热温度为150℃～250℃；
步骤5.机床的移动速度设置为300～400mm/min，偏振镜(9)摆动频率设置为15～25Hz，激光镜头(1)在2219—T87铝合金板(6)上产生光斑的移动范围设置为1～2mm；启动激光镜头(1)与机床进行焊接，同时由同轴保护气喷嘴持续向焊缝正面吹惰性气体进行保护。
4.根据权利要求3所述的一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，其特征在于，所述的步骤3中单脉冲能量优选范围为19～22J、脉冲频率f优选范围为23～26Hz、脉冲宽度优选为3ms。
5.根据权利要求3所述的一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，其特征在于，所述的步骤4中预热温度的范围优选为180℃～220℃，对应的电磁感应主机(3)输出电流优选范围为10～15A，电磁感应频率优选范围为130～150KHz。
6.根据权利要求3所述的一种电感辅助脉冲激光摆动焊接方法，其特征在于，所述的步骤5中光斑移动范围优选为1.5～2mm，摆动频率优选为18～23J。
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