CN110860795B - 一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法 - Google Patents

一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接领域，涉及一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法。该方法在焊接过程中在熔池后方一定距离的焊缝背面施加冷却水并在正面施加超声振动；冷却水的温度和流量根据所用焊接方式确定；超声施加的位置、功率和力根据样件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，同时减小焊接横向和纵向变形。随焊激冷可以有效减小纵向残余应力和变形。超声冲击可以抵消激冷和焊接所造成的横向应力，同时进一步抑制纵向应力，这样可以有效减小变形；超声的声流效应和空化效应可以细化晶粒并减少气孔和裂纹，从而提高焊缝的疲劳性能。

Description

一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接领域，涉及一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法。
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，在应力的作用下，工件产生变形。可见，焊接变形的主要原因是焊接残余应力。
工件在焊接后会产生残余应力，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 104726687 B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CN1029669C公开了一种动态控制薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置，该专利设计了一种利用随焊激冷抑制焊接纵向挠曲变形的装置。但该方法对于焊接的横向变形反而会起到不利作用。
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，难以应用于小尺寸件。
大连理工大学郭玉泉学位论文“核主泵屏蔽套用薄板激光焊接变形预测及调控”中采用随焊激冷的方法来改善变形，实验发现当激冷与热源距离为6mm且激冷强度为15000W/(m2·K)时，对于焊接纵向挠曲变形改善效果最好。但该方法对于横向收缩变形的不利效果并未通过夹具拘束完全消除。
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与激冷复合的激光焊接方法，降低了焊接过程产生的残余应力，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：
一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，该方法焊接过程中施在熔池后方一定距离的焊缝背面施加随焊激冷并在正面施加超声振动，用于减小残余变形并改善疲劳性能，具体步骤如下：
第一步，夹具放置在工作台上，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。所述工件上方设有超声头、热源和保护气喷嘴，下方设有冷却水喷嘴和冷却水出口。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。所述冷却水喷嘴与冷却水泵和冷却水箱相连。冷却水出口与冷却水喷嘴中间为带有小孔的隔板，以保证冷却水流出。
当需要进行填丝焊时，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熔池正后方8-16mm，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20～60°，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0.1～0.2mm；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，超声功率P定为0.4～1.5kW。
第三步，设定激冷参数
冷却水喷嘴直径为2～4mm，过大会导致冷却水直接影响熔池，过小会影响冷却水流出。调节冷却水喷嘴位置使其在熔池正后方，与熔池距离d为4～8mm，调节冷却水温度T为-4～2℃；调节冷却水流量Q为30～90ml/min，且Q﹥162×η×P以防止超声的雾化作用影响冷却水施加，η为超声作用于冷却水的效率，一般为0.1～0.2；冷却水喷嘴与工件竖直方向上的距离H(单位：mm)满足：
Figure BDA0002314981170000031
以保证冷却水雾化液滴不会直接干预熔池，v为下保护气流速(单位mm/s)，μ为下保护气动力粘度(单位：N·s/mm2)，t为冷却水表面张力系数(单位：N/m)，ρ1为冷却水密度(单位：g/mm3)，ρ2为下保护气密度(单位：g/mm3)，f为超声频率(单位：Hz)，g为重力加速度；冷却水温度T(单位：℃)、冷却水流量Q(单位：ml/min)和未加激冷时冷却水喷嘴位置的温度T0(单位：℃)需满足：4000≤(T0-T)×Q≤7000，在保证激冷效果的同时防止激冷影响熔池温度。调整完毕后将冷却水喷嘴与机床悬臂的相对位置进行固定，保证其在焊接过程中相对热源与保护气位置不变。
第四步，设定激光参数，激光单脉冲能量2J≤E≤(2300-1000P)/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，P单位为kW；脉宽设定为2-8ms。
第五步，设置完成后，依次开启冷却水喷嘴、超声电源与同轴保护气阀门，保护气为纯度99.9％的氩气，上保护气流量为15l/min，下保护气流量为3～15l/min，既可以保证保护效果，又可以防止干扰冷却水流出；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、冷却水以及超声电源。
本发明的有益效果：
(1)随焊激冷可以通过产生拉应力与焊接产生的纵向拉应力抵消从而减小焊接纵向残余应力。
(2)随动超声振动可以进一步减小焊缝附近的残余拉应力，甚至可以引入残余压应力，从而同时减小横向和纵向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而随焊激冷施加于工件背面，避免了二者的干涉，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。
图2为装置剖面图。
图中：1为夹具；2为送丝机构；3为下保护气入口；4冷却水泵(可调水温及流速)；5为超声头；6为热源(图1中为激光头，图2中为激光束)；7为同轴保护装置；8为工件；9为冷却水喷嘴(前段为刚性，后段为柔性)；10为冷却水箱。
具体实施方式
如下结合附图和实施过程对本发明进行详细描述。
一种随焊超声与电场复合的激光焊接方法，基于下述装置实现：首先，将夹具1放置在工作台上，将工件8放置于夹具1上，将夹具1与工作台固定，并使用铜质夹紧块对工件8进行夹紧。所述工件8上方设有热源6、超声头5和同轴保护装置7，下方设有冷却水喷嘴9。所述热源6为脉冲激光器，与工件8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5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。所述冷却水喷嘴9与冷却水泵4和冷却水箱10相连。冷却水出口3与冷却水喷嘴9中间为带有小孔的隔板，以保证冷却水流出。
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1上并使用铜质夹块夹紧，夹块间距为6mm。将夹具1放置在工作台上，固定夹具1与工作台相对位置。
B、调整超声参数。调整超声头5使其处在熔池正后方10mm处，保证超声可以传导进熔池。调整超声头5角度，使超声头4轴线与水平呈30°角。调整超声头5位置，使其顶端低于工件表面0.1mm；超声头5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，超声功率定为1kW。
C、设定激冷参数。将冷却水喷嘴9与冷却水泵4和冷却水箱10相连。冷却水喷嘴9直径为3mm。调节冷却水喷嘴9位置，使其在熔池正后方4mm，工件下方3mm处，调节冷却水温度为-2℃，调节冷却水流量为68ml/min。调整完毕后将冷却水喷嘴9与机床悬臂的相对位置进行固定，保证其在焊接过程中相对热源与保护气位置不变。
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、待超声电源及交流电源输出稳定后，等待10s，开启脉冲激光器进行激光焊接。
G、焊接结束后，依次关闭脉冲脉冲激光器、保护气、超声电源以及冷却水。
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1上并使用铜质夹块夹紧，夹块间距为6mm。将夹具1放置在工作台上，固定夹具1与工作台相对位置。工件8上方还需要设置送丝机构2，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2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5使其处在熔池正后方10mm处，保证超声可以传导进熔池。调整超声头5角度，使超声头4轴线与水平呈30°角。调整超声头5位置，使其顶端高于工件表面0.08mm；超声头5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，超声功率定为1kW。
C、设定激冷参数。将冷却水喷嘴9与冷却水泵4和冷却水箱10相连。冷却水喷嘴9直径为3mm。调节冷却水喷嘴9位置，使其在熔池正后方4mm，工件下方3mm处，调节冷却水温度为-2℃，调节冷却水流量为68ml/min。调整完毕后将冷却水喷嘴9与机床悬臂的相对位置进行固定，保证其在焊接过程中相对热源与保护气位置不变。
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、待超声电源及交流电源输出稳定后，等待10s，开启脉冲激光器进行激光焊接。
G、焊接结束后，依次关闭脉冲脉冲激光器、保护气、超声电源以及冷却水。
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 (9)

1.一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，以下步骤：
第一步，夹具(1)放置在工作台上，将工件(8)放置于夹具(1)上，使用铜质夹紧块对工件(8)进行夹紧，夹紧块间距为4～8mm；保护气通过同轴保护装置(7)实现对工件(8)的同轴保护，保护气喷嘴轴线与激光轴线重合；
当进行填丝焊时，工件(8)上方设置送丝机构(2)，送丝机构(2)的送丝头与工件(8)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(5)位置及超声参数
调整超声头(5)使其处在熔池正后方8-16mm，设置超声头(5)位置，超声头(5)顶端距离工件(8)表面0.1～0.2mm；超声头(5)角度和位置确定后，将超声头(5)与机床悬臂固定，保证二者相对位置；
第三步，设定激冷参数
调节冷却水喷嘴(9)位置使其在熔池正后方，与熔池距离d为4～8mm，调节冷却水温度T为-4～2℃；调节冷却水流量Q为30～90ml/min，且Q﹥162×η×P以防止超声的雾化作用影响冷却水施加，η为超声作用于冷却水的效率，P为超声功率；冷却水喷嘴(9)与工件(8)竖直方向上的距离H，单位：mm，满足：
Figure FDA0002890994910000011
v为下保护气流速，单位mm/s；μ为下保护气动力粘度，单位：N·s/mm2；t为冷却水表面张力系数，单位：N/m；ρ1为冷却水密度，单位：g/mm3；ρ2为下保护气密度，单位：g/mm3；f为超声频率，单位：Hz；g为重力加速度；冷却水温度T，单位：℃、冷却水流量Q，单位：ml/min，和未加激冷时冷却水喷嘴(9)位置的温度T0，单位：℃，需满足：4000≤(T0-T)×Q≤7000，调整完毕后将冷却水喷嘴(9)与机床悬臂的相对位置进行固定，保证其在焊接过程中相对热源(6)与保护气位置不变；
第四步，设定热源(6)的参数，激光单脉冲能量2J≤E≤(2300-1000P)/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，P单位为kW；脉宽设定为2-8ms；
第五步，设置完成后，依次开启冷却水喷嘴(9)、超声电源与同轴保护气阀门，保护气为纯度99.9％的氩气，上保护气流量为15l/min，下保护气流量为3～15l/min；等待5～10s后开启热源(6)进行焊接；
第六步，焊接结束后，依次关闭热源(6)、保护气和冷却水。
2.如权利要求1所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，所述热源(6)为脉冲激光器，热源(6)与工件(8)加工面垂直。
3.如权利要求1或2所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，所述的超声头(5)的超声功率P定为0.4～1.5kW。
4.如权利要求1或2所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，所述的冷却水喷嘴(9)直径为2～4mm。
5.如权利要求3所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，所述的冷却水喷嘴(9)直径为2～4mm。
6.如权利要求1或2或5所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，第二步中，设置超声头(5)角度，超声振动入射角调整范围为20～60°。
7.如权利要求3所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，第二步中，设置超声头(5)角度，超声振动入射角调整范围为20～60°。
8.如权利要求4所述的一种随焊超声与激冷复合的激光焊接方法，其特征在于，第二步中，设置超声头(5)角度，超声振动入射角调整范围为20～60°。
9.根据权利要求1～8任一项所述的随焊超声与激冷复合的激光焊接方法采用的装置，其特征在于，包括夹具(1)、送丝机构(2)、下保护气入口(3)、冷却水泵(4)、超声头(5)、热源(6)、同轴保护装置(7)、冷却水喷嘴(9)和冷却水箱(10)；
夹具(1)设置在工作台上表面，并使用铜质夹紧块对工件(8)进行夹紧，所述工件(8)上方设有超声头(5)、热源(6)和保护气喷嘴，下方设有冷却水喷嘴(9)和冷却水出口；所述热源(6)与工件(8)加工面垂直，保护气喷嘴通过同轴保护装置(7)实现同轴保护，保护气喷嘴轴线与激光轴线重合；所述超声头(5)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；所述冷却水喷嘴(9)与冷却水泵(4)和冷却水箱(10)相连；冷却水出口与冷却水喷嘴(9)中间为带有小孔的隔板，以保证冷却水流出；送丝机构(2)设置在工件(8)上方，加工时调整送丝机构(2)进行对丝。
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