CN111604596B - 十字型接头双侧旋转激光-tig电弧的焊接方法及夹持工装 - Google Patents

十字型接头双侧旋转激光-tig电弧的焊接方法及夹持工装 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，具体的说是十字型接头双侧旋转激光‑TIG电弧的焊接方法及夹持工装。一种十字型接头双侧旋转激光‑TIG电弧的焊接方法，由设置在十字型接头上部两侧的两个激光发射头和设置在十字型接头下部两侧的两个TIG焊枪配合对十字型接头进行焊接，激光发射头和TIG焊枪各自以平行于自身轴线的中心线旋转，且位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪保持同轴；焊接前在十字型接头上部的两侧位置预置与激光发射头所发射的激光束配合的金属粉末，焊接过程中通过位于十字型焊接头下部两侧位置的保护气喷嘴对熔池液态金属进行托举。本发明可解决十字交叉型接头上部的角焊缝下榻、咬边缺陷，下部的角焊缝凸起造成应力集中，以及接合面未熔合的问题。

Description

十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法及夹持工装
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体的说是十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法及夹持工装。
背景技术
与传统的焊接方法相比，激光焊接技术具有焊接焊接变形小、焊缝熔透深度深、焊接效率高等诸多优点，因此在航空航天、汽车、船舶等制造领域得到了广泛的应用。
随着我国工业的发展，在某些领域需要用到非常规形式的接头，如十字交叉型接头。目前对于十字型接头普遍采用的是利用激光束在一侧施焊后，再在另一侧施焊，此方法不仅焊接效率低，而且容易产生接合面未熔合的现象，而且由于没有添加额外的填充金属容易出现在上部的角焊缝下榻、咬边缺陷，下部的角焊缝凸起造成应力集中，最终影响焊缝质量。
中国专利《十字型接头激光同步双光束焊接方法》，公开日为2013.02.13，公开的通过应用两台激光器分别发出主光束 a 及主光束 b，两台激光器镜像设置于十字型接头支板两侧， 将主光束 a 分成焊接光束 11 和焊接光束 12， 主光束 b 分成焊接光束 21和焊接光束22， 并且焊接光束11、焊接光束21、焊接光束12与焊接光束 22 同步施焊。但是此方法容易出现在上部的角焊缝下榻、咬边缺陷，而角焊缝的底部出现凸出的液态金属过多形成的焊缝，这样极易引起应力集中，从而影响产品力学性能。
发明内容
本发明旨在提供一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，提高焊接质量，提供一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装，便于上述焊接方法的实施。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，由设置在十字型接头上部两侧的两个激光发射头和设置在十字型接头下部两侧的两个TIG焊枪配合对十字型接头进行焊接，激光发射头和TIG焊枪各自以平行于自身轴线的中心线旋转，且位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪保持同轴；焊接前在十字型接头上部的两侧位置预置与激光发射头所发射的激光束配合的金属粉末，焊接过程中通过位于十字型焊接头下部两侧位置的保护气喷嘴对熔池液态金属进行托举。
优选的，包括以下步骤：
1）、对待焊接的第一母材和第二母材进行表面处理去除杂质后，将第一母材和第二母材交叉并夹紧固定在焊接夹具上，形成待焊接的十字型接头；
2）、在待焊接的十字形接头上部的两侧位置分别预置金属粉末；
3）、将TIG焊枪的电源的两极分别与TIG焊枪和待焊接的十字型接头相连并启动TIG焊枪，在TIG焊枪和待焊接的十字型接头的下角焊缝母材处起弧；同时启动激光发射头以发射激光束，使激光束熔化金属粉末形成熔池并作用于待焊接的十字型接头的上角焊缝母材处；激光束和TIG焊枪在焊接过程中保持位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪持续同轴旋转，并通过位于十字型焊接头下部的两侧位置的保护气喷嘴对熔池液态金属达到托举作用。
优选的，电源与TIG焊枪和待焊接的十字型接头的连接方法为直流正接、直流反接或交流形式。
优选的，激光发射头与激光器相连，激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
优选的，第一母材、第二母材以及金属粉末的材质均为铝合金。
优选的，保护气喷嘴所喷出的保护气为氩气或氦气。
优选的，TIG焊枪同轴分布于保护气喷嘴中。
优选的，激光发射头的轴向与水平面之间的夹角为30-80°。
一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装，包括机架、转动设置在机架底部并用于夹持固定TIG焊枪的两个底卡盘以及转动设置在机架顶部并用于夹持固定激光发射头的两个顶卡盘，两个底卡盘和两个顶卡盘交叉对应分布，且位于交叉位置的底卡盘和顶卡盘相互平行；在机架上位于两个底卡盘之间的位置设有第一电机，第一电机的输出轴上设有第一锥齿轮，第一锥齿轮同时与分别设置在两个底卡盘外缘位置的两个第二锥齿轮啮合连接，在机架上位于两个顶卡盘之间的位置设有第二电机，第二电机的输出轴上设有第三锥齿轮，第三锥齿轮同时与分别设置在两个顶卡盘外缘位置的两个第四锥齿轮啮合连接。
优选的，在底卡盘和顶卡盘的盘面上分别设有一字型的滑孔，滑孔沿对应的底卡盘或顶卡盘的直径方向分布并供对应的激光发射头或TIG焊枪滑动配合，滑孔沿对应的底卡盘或顶卡盘的直径方向分布，在底卡盘或顶卡盘上还设有沿对应滑孔的长度方向分布的刻度线。
有益效果
本发明在十字交叉型接头上部左右两侧分别布置以一定尺寸为半径的旋转激光束（可增大熔化焊缝的面积，进而增大焊缝结合面面积），在十字交叉型接头下部左右两侧分别布置TIG焊枪，在TIG焊枪和角焊缝母材处起弧，同时为了防止十字交叉型接头下部左右两侧熔池金属受重力影响而凝固形成的凸起（这种凸起会引起应力集中）而设置与TIG焊枪同轴的保护气喷嘴，在焊接过程中喷射保护气体对熔池液态金属起到“托举”的作用。
通过以上焊接方法，使本发明的主要有以下几方面有益效果：
1.本发明中与TIG焊枪同轴的保护气喷嘴在焊接过程中源源不断的喷出大量保护气体对熔池液态金属起到“托举”的作用，防止十字交叉型接头下部左右两侧熔池金属受重力影响而凝固形成的凸起，从而避免凸起引起的应力集中现象。
2.在十字交叉型角接头上方左右两侧预置粉末，可消除常规焊接方法由于没有填充金属而造成的十字型接头上部的角焊缝下榻、咬边缺陷；
3.激光束以一定半径做旋转运动可以增大焊缝的熔化面积，而且与TIG焊枪位于同一轴线上，可解决十字型接头接合面未熔合的问题；
4.激光束与TIG焊枪位于同一轴线上，激光束可以与TIG电弧相互吸引不但提高了焊接稳定性，同时增大了焊缝的熔透效率。
本发明中的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装，可通过两个电机同步控制两个激光发射头和两个TIG焊枪的同步转动，便于维持对应的激光发射头和TIG焊枪在转动过程中的同轴，从而利于激光束和TIG焊枪配合的配合。
附图说明
图1为本发明的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法的工作原理图；
图2为现有技术中采用单光束焊接后十字型接头的焊缝形貌示意图；
图3为现有技术中采用十字型接头激光同步双光束焊接方法的焊缝形貌示意图；
图4为采用本发明的十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法的焊缝形貌示意图；
图5为本发明中的十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装的结构示意图；
图6为图5中的顶卡盘或底卡盘的结构示意图；
图中标记：1、第二电机，2、第三锥齿轮，3、第四锥齿轮，4、顶卡盘，5、底卡盘，6、第二锥齿轮，7、第一锥齿轮，8、第一电机，9、激光束，10、金属粉末，11、第一母材，12、第二母材，13、电源，14、保护气喷嘴，15、TIG焊枪，16、保护气流，17、滑孔，18、刻度线。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，由设置在十字型接头上部两侧的两个激光发射头和设置在十字型接头下部两侧的两个TIG焊枪15配合对十字型接头进行焊接。激光发射头的轴向与水平面之间的夹角α为30-80°。激光发射头和TIG焊枪15各自以平行于自身轴线的中心线以一定的半径旋转，且位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪15保持同轴。焊接前在十字型接头上部的两侧位置预置与激光发射头所发射的激光束9配合的金属粉末10，焊接过程中通过位于十字型焊接头下部两侧位置的保护气喷嘴14对熔池液态金属进行托举。TIG焊枪15同轴分布于保护气喷嘴14中，保护气喷嘴14中产生的保护气流16与TIG焊枪15同轴。
具体的，包括以下步骤：
1）、对待焊接的第一母材11和第二母材12进行表面处理去除杂质后，将第一母材11和第二母材12交叉并夹紧固定在焊接夹具上，形成待焊接的十字型接头；第一母材11和第二母材12的宽度均为1-6mm，材质为铝合金；
2）、在待焊接的十字形接头上部的两侧位置分别预置金属粉末10，金属粉末10的材质与第一母材11、第二母材12同为铝合金；
3）、将TIG焊枪15的电源13的两极分别与TIG焊枪15和待焊接的十字型接头相连并启动TIG焊枪15，在TIG焊枪15和待焊接的十字型接头的下角焊缝母材处起弧，焊接速度为0.1m/min-2m/min，电源13与TIG焊枪15和待焊接的十字型接头的连接方法为直流正接（电源13的正极接母材，负极接TIG焊枪15）、直流反接（电源13的负极接母材，正极接TIG焊枪15）或交流形式（这种形式与极性无关）。本实施例中由于对铝合金进行焊接，故采用直流反接或交流形式，直流反接时电弧对母材表面的氧化膜具产生“阴极清理”作用。铝及铝合金表面存在一层致密的氧化膜，由于氧化膜熔点很高（例如Al2O3，熔点为2050℃），焊接时难以熔化，往往覆盖在焊接熔池表面上，如不及时清除，冷却凝固后会造成未熔合，使焊缝表面形成皱皮或内部产生气孔、夹渣等缺陷，直接影响焊缝质量；同时启动激光发射头以发射激光束9，使激光束9熔化金属粉末10形成熔池并作用于待焊接的十字型接头的上角焊缝母材处。激光发射头与激光器相连，激光功率为500~8000W，激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。激光的输出类型既可以是连续输出，也可以是脉冲输出；激光束9和TIG焊枪15在焊接过程中保持位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪15持续同轴旋转，激光束9的旋转频率0-300Hz，激光束9旋转半径为0-2mm。通过位于十字型焊接头下部的两侧位置的保护气喷嘴14对熔池液态金属达到托举作用，保护气喷嘴14所喷出的保护气为氩气或氦气。
通过本发明制作的十字型接头与现有技术中的产品性能比较如图2-4所示：图2为采用单光束焊接后十字型接头的焊缝形貌示意图。可见容易出现接合面未熔合的现象。而且由于没有添加额外的填充金属容易出现在上部的角焊缝下榻、咬边缺陷，而角焊缝的底部出现凸出的液态金属过多形成的焊缝，这样极易引起应力集中。图3为采用中国专利《十字型接头激光同步双光束焊接方法》的焊缝形貌示意图。可见此方法虽然避免出现接合面未熔合的现象。但是，由于没有添加额外的填充金属容易出现在上部的角焊缝下榻、咬边缺陷，而角焊缝的底部出现凸出的液态金属过多形成的焊缝，这样极易引起应力集中。图4为采用本专利的十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法的焊缝形貌示意图。角焊缝上部和下部焊缝成形均匀，避免了咬边、下榻等焊接缺陷的形成。而且由于十字型下方左右两侧有保护气的作用，十字型下方左右两侧的熔池液态金属不易出现凸起的情况，而是呈一定程度的内凹，而这种内凹的角焊缝利于提高焊缝的质量，不会出现应力集中的现象。
本发明的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装如图5所示，包括机架（常规机架，图中省略）、转动设置在机架底部并用于夹持固定TIG焊枪15的两个底卡盘5以及转动设置在机架顶部并用于夹持固定激光发射头的两个顶卡盘4。左上的顶卡盘4和右下的底卡盘5相对应并平行，右上的顶卡盘4和左下的底卡盘5相对应并平行。
在机架上位于两个底卡盘5之间的位置设有第一电机8，第一电机8的输出轴上设有第一锥齿轮7，第一锥齿轮7同时与分别设置在两个底卡盘5外缘位置的两个第二锥齿轮6啮合连接。在机架上位于两个顶卡盘4之间的位置设有第二电机1，第二电机1的输出轴上设有第三锥齿轮2，第三锥齿轮2同时与分别设置在两个顶卡盘4外缘位置的两个第四锥齿轮3啮合连接。将激光发射头装夹于顶卡盘4，将TIG焊枪15和保护气喷嘴14装夹于底卡盘5后，可通过第一电机8和第二电机1同步转动驱动两个激光发射头和两个TIG焊枪15的同步转动，便于维持对应的激光发射头和TIG焊枪15在转动过程中的同轴，从而利于激光束9和TIG焊枪15配合的配合。
如图6所示，在底卡盘5和顶卡盘4的盘面上分别设有一字型的滑孔17，滑孔17沿对应的底卡盘5或顶卡盘4的直径方向分布并供对应的激光发射头或TIG焊枪15滑动配合。滑孔17沿对应的底卡盘5或顶卡盘4的直径方向分布，可根据焊接设计要求通过滑孔17调整激光发射头或TIG焊枪15的回转半径。在底卡盘5或顶卡盘4上还设有沿对应滑孔17的长度方向分布的刻度线18，通过刻度线18精确调整激光发射头或TIG焊枪15的回转半径。

Claims (9)

1.一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：由设置在十字型接头上部两侧的两个激光发射头和设置在十字型接头下部两侧的两个TIG焊枪(15)配合对十字型接头进行焊接，激光发射头和TIG焊枪(15)各自以平行于自身轴线的中心线旋转，且位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪(15)保持同轴；焊接前在十字型接头上部的两侧位置预置与激光发射头所发射的激光束(9)配合的金属粉末(10)，焊接过程中通过位于十字型焊接头下部两侧位置的保护气喷嘴(14)对熔池液态金属进行托举；
包括以下步骤：
1)、对待焊接的第一母材(11)和第二母材(12)进行表面处理去除杂质后，将第一母材(11)和第二母材(12)交叉并夹紧固定在焊接夹具上，形成待焊接的十字型接头；
2)、在待焊接的十字形接头上部的两侧位置分别预置金属粉末(10)；
3)、将TIG焊枪(15)的电源(13)的两极分别与TIG焊枪(15)和待焊接的十字型接头相连并启动TIG焊枪(15)，在TIG焊枪(15)和待焊接的十字型接头的下角焊缝母材处起弧；同时启动激光发射头以发射激光束(9)，使激光束(9)熔化金属粉末(10)形成熔池并作用于待焊接的十字型接头的上角焊缝母材处；激光束(9)和TIG焊枪(15)在焊接过程中保持位于对角位置的激光发射头和TIG焊枪(15)持续同轴旋转，并通过位于十字型焊接头下部的两侧位置的保护气喷嘴(14)对熔池液态金属达到托举作用。
2.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：电源(13)与TIG焊枪(15)和待焊接的十字型接头的连接方法为直流正接、直流反接或交流形式。
3.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：激光发射头与激光器相连，激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：第一母材(11)、第二母材(12)以及金属粉末(10)的材质均为铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：保护气喷嘴(14)所喷出的保护气为氩气或氦气。
6.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：TIG焊枪(15)同轴分布于保护气喷嘴(14)中。
7.根据权利要求1所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接方法，其特征在于：激光发射头的轴向与水平面之间的夹角为30-80°。
8.一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装，其特征在于：包括机架、转动设置在机架底部并用于夹持固定TIG焊枪(15)的两个底卡盘(5)以及转动设置在机架顶部并用于夹持固定激光发射头的两个顶卡盘(4)，两个底卡盘(5)和两个顶卡盘(4)交叉对应分布，且位于交叉位置的底卡盘(5)和顶卡盘(4)相互平行；在机架上位于两个底卡盘(5)之间的位置设有第一电机(8)，第一电机(8)的输出轴上设有第一锥齿轮(7)，第一锥齿轮(7)同时与分别设置在两个底卡盘(5)外缘位置的两个第二锥齿轮(6)啮合连接，在机架上位于两个顶卡盘(4)之间的位置设有第二电机(1)，第二电机(1)的输出轴上设有第三锥齿轮(2)，第三锥齿轮(2)同时与分别设置在两个顶卡盘(4)外缘位置的两个第四锥齿轮(3)啮合连接。
9.根据权利要求8所述的一种十字型接头双侧旋转激光-TIG电弧的焊接夹持工装，其特征在于：在底卡盘(5)和顶卡盘(4)的盘面上分别设有一字型的滑孔(17)，滑孔(17)沿对应的底卡盘(5)或顶卡盘(4)的直径方向分布并供对应的激光发射头或TIG焊枪(15)滑动配合，滑孔(17)沿对应的底卡盘(5)或顶卡盘(4)的直径方向分布，在底卡盘(5)或顶卡盘(4)上还设有沿对应滑孔(17)的长度方向分布的刻度线(18)。
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