CN110936018A - 一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置及方法，异种金属材料对接形成坡口状接缝，由喷嘴喷射出的电镀液束与诱导激光束同轴，共同作用于接缝坡口区域，激光束产生的梯度温度场能增强坡口电沉积的定域性，可在接缝坡口处形成高致密性的中间金属镀层；待中间金属镀层填满坡口后，再利用高功率的激光束进行激光焊接，中间金属镀层的加入能抑制异种金属焊缝内部脆性金属化合物的生成，减少焊缝的内部缺陷，获得良好的异种金属材料的焊接质量。本发明能有效提高异种金属焊缝的力学性能，装置结构简单、操作方便，可提高加工质量和加工效率。

Description

一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置及方法。

背景技术：

电镀加工是利用电化学的方法使金属或其它材料表面附着一层金属膜，从而防止金属氧化(如锈蚀)，提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性等作用。激光加工是一种利用高能束流加工的方法，它以光量子作为载体，利用聚焦后的光的高能量密度产生的光的热效应来焊接材料，具有加工速度快、加工精度高（可至微米级）、无需加工工具等优点，易实现加工过程的自动化、数字化。但由于不同材料的工件性能存在差异，使激光焊接后的工件可能出现未焊透、焊缝质量差等缺点而影响工件的机械性能。

喷射电镀与激光复合加工是在激光诱导的作用下，将带有正电的电镀液喷射到带有负电的工件表面，在工件表面电镀高致密性的中间金属镀层；电镀结束后，利用高功率的激光束进行异种金属材料激光焊接，中间金属镀层的加入能抑制脆性金属化合物的生成，获得力学性能良好、表面无明显缺陷的焊缝。

本发明提供一种喷射电镀与激光复合的焊接方法及装置，该发明能实现在线对异种金属材料进行在线电镀中间金属层，中间金属层致密性良好；激光焊接后，形成成型良好、无明显缺陷的焊缝。

发明内容：

本发明为实现上述目的提供一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置及方法。

本发明所采用的技术方案有：一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，包括激光器、液压缸、绝缘压板、可作XYZ三向运动的工作台、以及具有喷嘴的电镀液束喷射系统，所述激光器和喷嘴均设于工作台的上方，两绝缘压板对称滑动连接在工作台上并分别对应与一个液压缸的输出轴固定连接，两绝缘压板之间形成有加工间隙，所述激光器发出的激光束穿过喷嘴，电镀液束喷射系统中的电镀液束与激光器的激光束一起从喷嘴喷口射出并射入所述加工间隙内。

进一步地，所述激光器发出的激光束通过反射聚焦单元射入喷嘴，所述反射聚焦单元包括全反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜底座、绝缘转接座、平面镜和入射管，所述聚焦透镜和平面镜上下分层置于绝缘转接座内，聚焦透镜底座与绝缘转接座固定连接，聚焦透镜底座将聚焦透镜和平面镜定位于绝缘转接座内，喷嘴固定连接在绝缘转接座上，入射管设于聚焦透镜底座的一侧，全反射镜固定于入射管内，激光器发出的激光束射入入射管，经过全反射镜反射后垂直射入聚焦透镜和平面镜，并从喷嘴喷口射出。

进一步地，所述绝缘转接座上设有中间电镀液腔，在中间电镀液腔的上下两端分别设有上安装口和下安装口，所述聚焦透镜和平面镜安装在上安装口内，喷嘴安装在下安装口上。

进一步地，所述上安装口的内腔为台阶孔结构，在上安装口的台阶面上设有垫圈，所述平面镜置于垫圈的内孔中，在平面镜上方设有垫块，所述聚焦透镜置于垫块上，聚焦透镜底座螺纹连接在上安装口处。

进一步地，所述电镀液束喷射系统包括电镀液槽、过滤器、输液泵、球阀、液压表、出液管和喷嘴，所述出液管的一端伸入电镀液槽内，另一端与中间电镀液腔相连通，过滤器、输液泵、球阀和液压表依次连接在出液管上。

进一步地，工作台上固定连接有工作箱和电源，在工作箱内固定有夹具，电源的负极与夹具相连，电源的正极与喷嘴相连，在工作箱的底部连接有回液管，回液管与电镀液槽相连通。

进一步地，所述绝缘压板的材料为有机玻璃；电镀液束为铜盐或镍盐溶液；激光器为Nd:YAG激光器。

本发明还提供一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接方法，异种金属材料对接形成坡口状接缝，电镀液束与激光束同轴射向接缝坡口处，激光束在接缝坡口处形成中间金属镀层；中间金属镀层填满坡口后，提高激光束的功率并利用激光束进行激光焊接。

进一步地，所述激光束通过Nd:YAG激光器射出，在形成中间金属镀层时，Nd:YAG激光器的功率为3-25W；利用激光束进行激光焊接时，Nd:YAG激光器的功率为500-1500W。

进一步地，所述电镀液束为铜盐或镍盐溶液，浓度为16-20%。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明的方法以激光焊接为主，在激光焊接的基础上，增加了激光诱导喷射电镀的方法，实现工件的在线电镀中间金属层；电镀完成后，利用高能激光束焊接工件，最终得到成型良好、力学性能优良的焊缝。

2）本发明装置结构简单，易于安装、检测。

3）本发明装置能够重复利用电镀溶液，能有效降低成本和保护环境。

附图说明：

图 1 为本发明结构图。

图 2 为本发明中电镀液束喷射系统的结构图。

图 3 为本发明中反射聚焦单元的结构图。

图 4 为本发明中全反射镜、聚焦透镜和喷嘴的安装结构图。

图 5 为本发明中工作台的结构图。

图 6 为本发明中绝缘压板的结构图。

图7 为喷射电镀与激光复合焊接铝钢的焊缝形貌图。

1、中控台，2、电镀液槽，3、过滤器，4、输液泵，5、球阀，6、液压表，7、出液管，8、安装架，9、Nd:YAG激光器，10、电源，11、液压缸，12、绝缘压板，13、矩形导轨，15、工作台，16、全反射镜，17、聚焦透镜，18、聚焦透镜底座，20、绝缘转接座，21、平面镜，22、垫圈，25、喷嘴，26、工件，27、工作箱，28、夹具，29、橡胶圈，30、回液管，33、入射管，34、垫块、35、电镀液束喷射系统。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图7，本发明一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，包括激光器9、液压缸11、绝缘压板12、可作XYZ三向运动的工作台15、以及具有喷嘴25的电镀液束喷射系统35。激光器9和喷嘴25均设于工作台15的上方，两绝缘压板12对称布置，并分别通过两个矩形导轨13滑动连接在工作台15上并分别对应与一个液压缸11的输出轴固定连接，两绝缘压板12之间形成有加工间隙400，激光器9发出的激光束穿过喷嘴25，电镀液束喷射系统35中的电镀液束与激光器9的激光束一起从喷嘴25喷口同轴射出并射入加工间隙400内。

本发明中的激光器9发出的激光束通过反射聚焦单元射入喷嘴25，反射聚焦单元包括全反射镜16、聚焦透镜17、聚焦透镜底座18、绝缘转接座20、平面镜21和入射管33。在工作台15上固定有安装架8，入射管33水平固定连接在安装架8上，全反射镜16倾斜设于入射管33内，激光器9固定连接在安装架8上且位于入射管33的一侧。绝缘转接座20固定连接在安装架8上，聚焦透镜17和平面镜21上下分层置于绝缘转接座20内，聚焦透镜底座18与绝缘转接座20固定连接，聚焦透镜底座18将聚焦透镜17和平面镜21定位于绝缘转接座20内。喷嘴25固定连接在绝缘转接座20上，入射管33置于聚焦透镜底座18的一侧，激光器9发出的激光束射入入射管33，经过全反射镜16反射后垂直射入聚焦透镜17和平面镜21，并从喷嘴25喷口射出。

在绝缘转接座20上设有中间电镀液腔203，在中间电镀液腔203的上下两端分别设有上安装口201和下安装口202，上安装口201和下安装口202均与中间电镀液腔203相连通。聚焦透镜17和平面镜21安装在上安装口201内，喷嘴25安装在下安装口202上。

为方便安装聚焦透镜17和平面镜21，上安装口201的内腔为台阶孔结构，在上安装口201的台阶面上设有垫圈22，平面镜21置于垫圈22的内孔中，在平面镜21上方设有垫块34，垫块34的圆心处设有通孔，聚焦透镜17置于垫块34上，聚焦透镜底座18螺纹连接在上安装口201处。

本发明中的电镀液束喷射系统35包括电镀液槽2、过滤器3、输液泵4、球阀5、液压表6、出液管7和喷嘴25，出液管7的一端伸入电镀液槽2内，另一端与中间电镀液腔203相连通，过滤器3、输液泵4、球阀5和液压表6依次连接在出液管7上。

工作台15上固定连接有工作箱27和电源10，在工作箱27内固定有夹具28，电源10的负极与夹具28连接使其带负电，电源10的正极与喷嘴25连接使喷射液束带正电。在工作箱27的底部连接有回液管30，回液管30与电镀液槽2相连通。工件26固定于夹具28上时，工件26上的坡口置于两绝缘压板12之间的加工间隙400内。

电镀液槽2中的电沉积液依次经过输液泵4和球阀5，从喷嘴21喷出，然后流入工作箱27底部经回液管30回流至电镀液槽2。在球阀5和喷嘴25的连接管路间设有液压表6，用于测量管路中电镀液的压力。

绝缘压板12的材料为有机玻璃，在绝缘压板12背部设有长度为20mm的矩形凹槽，与矩形导轨13相配合。电镀液束为铜盐或镍盐溶液；激光器9为Nd:YAG激光器。

本发明焊接方法为：异种金属材料对接形成坡口状接缝，由喷嘴喷射出的电镀液束与诱导激光束同轴，共同作用于接缝坡口区域，激光束产生的梯度温度场能增强坡口电沉积的定域性，可在接缝坡口处形成高致密性的中间金属层；待中间金属层填满坡口后，再利用高功率的激光束进行激光焊接，中间金属层的加入能抑制异种金属焊缝内部脆性金属化合物的生成，减少焊缝的内部缺陷，获得良好的异种金属材料的焊接质量。

本发明方法中，激光为Nd:YAG激光，诱导激光的功率为3-25W，焊接激光的功率为500-1500W。喷嘴直径为0.1-0.3mm，电镀液束喷射速度为1-3m/s。电镀液束为铜盐或镍盐溶液，浓度为16-20%。

以下结合具体实施例对本发明方法进行详细说明：

电镀液束为硫酸铜溶液（硫酸铜溶液属于铜盐溶液中的一种），浓度为16%，液束喷嘴直径为0.2mm，喷射速度为1m/s，诱导时的激光功率为10W，焊接的激光功率为500W，液压缸的移动速度0.5mm/s，工件26的坡口的角度为60°，工作台沿X、Y、Z方向的平均移动速度为1mm/s，工件26为6061铝合金和DP590高强钢，工件的尺寸为：长100mm、宽100mm、厚0.5mm。

加工方法包括如下步骤：

1）通过中控台1驱动工作台沿X、Y方向以1mm/s的速度移动，将接缝坡口移动至激光束正下方；启动液压缸，驱动绝缘压板以0.5mm/s的速度向工件接缝处移动，直至到达工件接缝边缘；启动Nd: YAG激光器，将激光功率调为10W，同时工作台以1mm/s的速度带动工件沿Z方向向下移动，使激光束的光斑聚焦于工件的坡口中心。

2）中控台驱动工作台沿Y方向以1mm/s的速度向后运动；与此同时，启动电源、输液泵，喷嘴开始向接缝坡口处以1m/s的速度喷射电镀液束，开始对异种金属材料的接缝坡口在线电镀铜镀层。

3）待铜镀层填满坡口后，关闭电源、输液泵，启动液压缸，液压缸驱动绝缘压板以0.5mm/s的速度向后移动10mm；调整激光器功率，将焊接激光功率调为500W，工作台以1mm/s的速度带动工件沿Z方向向下移动，进而调整激光束光斑直径，使光斑聚焦于铜镀层表面；中控台驱动工作台沿Y方向以1mm/s的速度向前运动，开始对异种金属材料进行激光焊接；最终生成的异种金属焊缝如图7所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：包括激光器（9）、液压缸（11）、绝缘压板（12）、可作XYZ三向运动的工作台（15）、以及具有喷嘴（25）的电镀液束喷射系统（35），所述激光器（9）和喷嘴（25）均设于工作台（15）的上方，两绝缘压板（12）对称滑动连接在工作台（15）上并分别对应与一个液压缸（11）的输出轴固定连接，两绝缘压板（12）之间形成有加工间隙（400），所述激光器（9）发出的激光束穿过喷嘴（25），电镀液束喷射系统（35）中的电镀液束与激光器（9）的激光束一起从喷嘴（25）喷口射出并射入所述加工间隙（400）内。

2.如权利要求1所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述激光器（9）发出的激光束通过反射聚焦单元射入喷嘴（25），所述反射聚焦单元包括全反射镜（16）、聚焦透镜（17）、聚焦透镜底座（18）、绝缘转接座（20）、平面镜（21）和入射管（33），所述聚焦透镜（17）和平面镜（21）上下分层置于绝缘转接座（20）内，聚焦透镜底座（18）与绝缘转接座（20）固定连接，聚焦透镜底座（18）将聚焦透镜（17）和平面镜（21）定位于绝缘转接座（20）内，喷嘴（25）固定连接在绝缘转接座（20）上，入射管（33）设于聚焦透镜底座（18）的一侧，全反射镜（16）固定于入射管（33）内，激光器（9）发出的激光束射入入射管（33），经过全反射镜（16）反射后垂直射入聚焦透镜（17）和平面镜（21），并从喷嘴（25）喷口射出。

3.如权利要求2所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述绝缘转接座（20）上设有中间电镀液腔（203），在中间电镀液腔（203）的上下两端分别设有上安装口（201）和下安装口（202），所述聚焦透镜（17）和平面镜（21）安装在上安装口（201）内，喷嘴（25）安装在下安装口（202）上。

4.如权利要求3所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述上安装口（201）的内腔为台阶孔结构，在上安装口（201）的台阶面上设有垫圈（22），所述平面镜（21）置于垫圈（22）的内孔中，在平面镜（21）上方设有垫块（34），所述聚焦透镜（17）置于垫块（34）上，聚焦透镜底座（18）螺纹连接在上安装口（201）处。

5.如权利要求3所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述电镀液束喷射系统（35）包括电镀液槽（2）、过滤器（3）、输液泵（4）、球阀（5）、液压表（6）、出液管（7）和喷嘴（25），所述出液管（7）的一端伸入电镀液槽（2）内，另一端与中间电镀液腔（203）相连通，过滤器（3）、输液泵（4）、球阀（5）和液压表（6）依次连接在出液管（7）上。

6.如权利要求5所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述工作台（15）上固定连接有工作箱（27）和电源（10），在工作箱（27）内固定有夹具（28），电源（10）的负极与夹具（28）相连，电源（10）的正极与喷嘴（25）相连，在工作箱（27）的底部连接有回液管（30），回液管（30）与电镀液槽（2）相连通。

7.如权利要求5所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接装置，其特征在于：所述绝缘压板（12）的材料为有机玻璃；电镀液束为铜盐或镍盐溶液；激光器（9）为Nd:YAG激光器。

8.一种异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接方法，其特征在于：异种金属材料对接形成坡口状接缝，电镀液束与激光束同轴射向接缝坡口处，激光束在接缝坡口处形成中间金属镀层；中间金属镀层填满坡口后，提高激光束的功率并利用激光束进行激光焊接。

9.如权利要求8所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接方法，其特征在于：所述激光束通过Nd:YAG激光器射出，在形成中间金属镀层时，Nd:YAG激光器的功率为3-25W；利用激光束进行激光焊接时，Nd:YAG激光器的功率为500-1500W。

10.如权利要求8所述的异种金属材料喷射电镀与激光复合的焊接方法，其特征在于：所述电镀液束为铜盐或镍盐溶液，浓度为16-20%。

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