CN111673272B - 一种摆动激光-超声复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种摆动激光‑超声复合焊接方法,它涉及材料加工工程领域,本发明旨在解决摆动激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和气孔的问题。本发明采用超声进行辅助改变熔体流动情况,避免两侧咬边缺陷。使用超声辅助后,进一步细化晶粒、抑制气孔,利用超声改善匙孔形态,抑制等离子体与飞溅喷发,增加能量有效利用率。采用同轴保护气进行焊接保护,对熔池的保护效果更好,更适用于钛合金、铝合金等易氧化材料的焊接。相比于接触式超声辅助,非接触式超声振动可适用于各种复杂结构及轨迹的焊接,避免接触不良和空间限位导致的应用障碍。本发明应用于材料加工领域。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程领域,具体涉及一种摆动激光-超声复合焊接方法及装置设计。
背景技术
激光作为“二十一世纪最有发展潜力的焊接技术”之一,由于其具有能量密度高,焊缝质量好,深宽比大,热影响区小,焊接变形小,而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点,已经在工业生产中得到广泛的应用,但激光焊接对结构件装配精度要求很高,通常需要保障激光焊接过程中板的紧密贴合和焊接过程的稳定性。而在生产应用过程中由于设计、加工、装配等各个生产环节带来的误差,实际需要焊接的工件往往具有较大的间隙和错边,对激光焊接的生产应用提出了更高的要求。
摆动激光焊技术是利用激光束优异的可控性发展而来的焊接技术,控制激光热源沿着某一运动规律的路线进行重复运动,常用的扫描路线主要包括横向扫描、纵向扫描、环形扫描以及三角扫描等方式。由于激光可以受振镜的反射从而实现一定频率和路线的运动,较常规激光焊接技术的热源特征、熔池流动行为等都发生了较大变化。摆动激光焊主要被应用于解决间隙适应性差、成形不良以及气孔缺陷等问题,尤其在异种材料连接、不等厚板材连接、缺陷抑制、晶粒细化和力学性能提升等方面有着得天独厚的优势。
目前的研究结果表明,横向扫描、环形扫描以及三角扫描等方式都可能导致剧烈的飞溅,在低频扫描时焊缝成形较好,但在高频扫描时反而出现焊缝成形不良、内部产生气孔缺陷等问题,其主要原因是匙孔带动熔体反复向熔池边缘移动,造成熔池震荡引起飞溅、咬边、气孔等问题,因此限制了摆动激光焊接的应用。而超声辅助焊接主要集中于在母材或焊丝上施加超声振动,用以搅拌熔池、细化晶粒(如专利200410009170.2),或是随焊进行振动,消除焊后残余应力(如专利201920270556.0),对于超声对熔池流动和焊缝成形的影响虽然有一定的研究,但并没有更多的应用。
发明内容
本发明旨在解决摆动激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和气孔的问题,提出一种摆动激光-超声复合焊接方法,并对激光-超声复合焊接头结构进行设计。
本发明的一种摆动激光-超声复合焊接方法,它是按照以下步骤进行的:
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度,并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗;
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上,超声发生装置的超声变幅杆垂直于待焊工件表面,超声发生装置端头下方距离待焊工件表面5~15cm;
步骤三:激光离焦量为﹣5~﹢5mm,激光功率为1000~8000W,焊接速度为0.5~5m/min,激光摆动频率为20~400Hz,摆动幅度为0.5~8mm,超声振动频率为10kHz~1MHz,振动幅度为5μm~30μm,保护气采用Ar气或其他混合气体,流量为20~60L/min;
步骤四:在实际焊接过程中,采用机器人集成系统控制焊接工艺参数,首先施加超声振动,然后激光器控制发出激光,最后控制机器人使得复合焊接头运动完成焊接过程。
进一步地,所述的超声发生装置包括超声发生器和反射式激光头;
所述的超声发生器由超声换能器、超声变幅杆、反射式聚焦镜、高透玻璃窗口、插入式玻璃保护镜片和变幅杆端头组成;反射式激光头由光纤、准直镜、振镜扫描反射镜和插入式玻璃保护镜片组成;
所述的超声发生器由超声换能器1、超声变幅杆2、反射式聚焦镜3、高透玻璃窗口4、第一插入式玻璃保护镜片5和变幅杆端头6组成;反射式激光头由光纤7、准直镜8、振镜扫描反射镜9和第二插入式玻璃保护镜片10组成;
超声发生器由上至下分别为超声换能器1、超声变幅杆2、反射式聚焦镜3、高透玻璃窗口4和第一插入式玻璃保护镜片5;超声换能器1与超声变幅杆2螺纹连接,在超声变幅杆2底部安装有变幅杆端头6;超声变幅杆2侧壁上设置有高透玻璃窗口4,高透玻璃窗口4与L型激光通道连通,L型激光通道顶部连接有光纤7;由光纤7发出的激光依次经过设置在L型激光通道内的准直镜8、振镜扫描反射镜9和第二插入式玻璃保护镜片10,并通过高透玻璃窗口4,经由设置在超声变幅杆2内的反射式聚焦镜3反射后经过设置在超声变幅杆2内的第一插入式玻璃保护镜片5,经过变幅杆端头6聚焦于待焊工件表面。
本发明的超声发生器垂直放置与反射式激光头进行复合的方式,实施起来比较简单,本发明将超声变幅杆设置成空腔,减小了复合装置的体积,二者采用柔性连接的方式,避免相互干扰。本发明并没有选择激光垂直工件并将超声发生器设置于其下方的方式,此种方式会影响超声传输效果。
本发明的上述结构设置,主要是为了实现同轴复合,另外超声场与激光能量分布的上下前后间距等都可调,便于更改参数。
所述的变幅杆端头主要用于调节超声变幅杆与焊接熔池的距离。
进一步地,准直镜8靠近于光纤7设置,振镜扫描反射镜9设置在L型激光通道的拐角处,第二插入式玻璃保护镜片10靠近高透玻璃窗口4设置。
进一步地,由光纤7发射的竖直向下的激光经过准直镜8后,由振镜扫描反射镜9变为横向激光,并依次经过第二插入式玻璃保护镜片10和高透玻璃窗口4,经由反射式聚焦镜3变为竖直激光向下依次经过第一插入式玻璃保护镜片5和变幅杆端头6聚焦于待焊工件表面。
进一步地,第二插入式玻璃保护镜片10和高透玻璃窗口4外围设置有活动式护罩。
所述的活动式护罩避免激光头自重影响变幅杆振动幅度。
进一步地,反射式聚焦镜3内安装有水冷装置。
进一步地,在超声变幅杆2两侧开设有焊接保护气通入孔,且位于第一插入式玻璃保护镜片5下方。
进一步地,激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
其中以采用光纤传输的YAG固体激光器最佳,因为其更加高效和环保。
进一步地,激光离焦量为﹣5~﹢5mm,激光功率为2000~8000W,焊接速度为1~3m/min,激光摆动频率为50~200Hz,摆动幅度为1~5mm,超声振动频率为100kHz~1MHz,振动幅度为5μm~20μm,保护气采用Ar气或其他混合气体,流量为30~40L/min。
进一步地,超声发生装置的超声变幅杆垂直于待焊工件表面,端头下方距离待焊工件表面8~12cm。
本发明包含以下有益效果:
1、在使用横向扫描、环形扫描以及三角扫描等方式时,利用超声进行辅助改变熔体流动情况,采用同轴非接触式超声,超声振动主要对熔池产生影响,从熔池上表面向下传播,抑制熔体波动导致的飞溅,另外具有促进内部对流,避免两侧咬边缺陷。
2、使用超声辅助后,进一步细化晶粒、抑制气孔,利用超声改善匙孔形态,抑制等离子体与飞溅喷发,增加能量有效利用率(本发明施加超声的位置更近,方向垂直工件表面,超声的位置对细化晶粒、抑制气孔效果有着显著的影响)。
3、采用同轴保护气进行焊接保护,对熔池的保护效果更好(与非同轴保护气相比,本发明的保护气直接从超声变幅杆内部向下吹,直接到达熔池表面并且全部覆盖),更适用于钛合金、铝合金等易氧化材料的焊接。
4、相比于旁轴接触式超声辅助,同轴非接触式超声振动可适用于各种复杂结构及轨迹的焊接,避免接触式超声振动在不平整工件表面会影响超声传导、效果不佳和由于旁轴复合装置过大导致的狭窄空间内的应用障碍。
附图说明
图1为本发明的摆动激光-超声复合焊接头示意图;其中,A图为主视图;B图为透视图;
图2为实施例1的采用常规摆动激光焊进行2mm厚钛合金对接接头焊接时的焊缝正面成形与焊缝截面;
图3为实施例2采用本发明方法进行2mm厚钛合金对接接头焊接时的焊缝正面成形与焊缝截面。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解,上述各实施方式是实现本发明的具体实施例,而在实际应用中,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神,任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后,当可由本发明内容所教示的技术,加以改变及修饰,其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
分别利用常规摆动激光焊以及本方法焊接2mm厚钛合金对接接头。具体实验方法如下:
实施例1
常规摆动激光焊焊接2mm厚钛合金对接接头:
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度,并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗;
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上;
步骤三:激光离焦量为0mm,激光功率为1800W,焊接速度为1.0m/min,激光摆动频率为200Hz,摆动幅度为2mm,保护气采用Ar气,流量为20L/min;
步骤四:在实际焊接过程中,采用机器人集成系统控制焊接工艺参数,首先激光器控制发出激光并摆动,然后控制机器人使得复合焊接头运动完成焊接过程。
实施例2
本发明的方法焊接2mm厚钛合金对接接头:
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度,并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗;
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上,超声变幅杆垂直于待焊工件表面,端头下方距离待焊工件表面8cm;
步骤三:激光离焦量为0mm,激光功率为1800W,焊接速度为1.0m/min,激光摆动频率为200Hz,摆动幅度为2mm,超声振动频率为30kHz,振动幅度为10μm,保护气采用Ar气,流量为40L/min;
步骤四:在实际焊接过程中,采用机器人集成系统控制焊接工艺参数,首先施加超声振动,然后激光器控制发出激光,最后控制机器人使得复合焊接头运动完成焊接过程。
图2为实施例1的采用常规摆动激光焊进行2mm厚钛合金对接接头焊接时的焊缝正面成形与焊缝截面,可发现焊缝表面略有些起伏,两侧存在咬边缺陷,伴随着焊接过程中的飞溅产生,且焊缝内部存在少量气孔。
图3为实施例2采用本发明方法进行2mm厚钛合金对接接头焊接时的焊缝正面成形与焊缝截面,可发现焊缝成形良好,焊缝内部气孔缺陷大大减少。
Claims (9)
1.一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于它是按照以下步骤进行的:
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度,并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗;
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上,超声发生装置的超声变幅杆垂直于待焊工件表面,超声发生装置端头下方距离待焊工件表面8~12cm;
步骤三:激光离焦量为﹣5~﹢5mm,激光功率为1000~8000W,焊接速度为0.5~5m/min,激光摆动频率为20~400Hz,摆动幅度为0.5~8mm,超声振动频率为10kHz~1MHz,振动幅度为5μm~30μm,保护气采用Ar气或其他混合气体,流量为20~60L/min;
步骤四:在实际焊接过程中,采用机器人集成系统控制焊接工艺参数,首先施加超声振动,然后激光器控制发出激光,最后控制机器人使得复合焊接头运动完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于所述的超声发生装置包括超声发生器和反射式激光头;
所述的超声发生器由超声换能器(1)、超声变幅杆(2)、反射式聚焦镜(3)、高透玻璃窗口(4)、第一插入式玻璃保护镜片(5)和变幅杆端头(6)组成;反射式激光头由光纤(7)、准直镜(8)、振镜扫描反射镜(9)和第二插入式玻璃保护镜片(10)组成;
超声发生器由上至下分别为超声换能器(1)、超声变幅杆(2)、反射式聚焦镜(3)、高透玻璃窗口(4)和第一插入式玻璃保护镜片(5);超声换能器(1)与超声变幅杆(2)螺纹连接,在超声变幅杆(2)底部安装有变幅杆端头(6);超声变幅杆(2)侧壁上设置有高透玻璃窗口(4),高透玻璃窗口(4)与L型激光通道连通,L型激光通道顶部连接有光纤(7);由光纤(7)发出的激光依次经过设置在L型激光通道内的准直镜(8)、振镜扫描反射镜(9)和第二插入式玻璃保护镜片(10),并通过高透玻璃窗口(4),经由设置在超声变幅杆(2)内的反射式聚焦镜(3)反射后经过设置在超声变幅杆(2)内的第一插入式玻璃保护镜片(5),经过变幅杆端头(6)聚焦于待焊工件表面。
3.根据权利要求2所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于准直镜(8)靠近于光纤(7)设置,振镜扫描反射镜(9)设置在L型激光通道的拐角处,第二插入式玻璃保护镜片(10)靠近高透玻璃窗口(4)设置。
4.根据权利要求2或3所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于由光纤(7)发射的竖直向下的激光经过准直镜(8)后,由振镜扫描反射镜(9)变为横向激光,并依次经过第二插入式玻璃保护镜片(10)和高透玻璃窗口(4),经由反射式聚焦镜(3)变为竖直激光向下依次经过第一插入式玻璃保护镜片(5)和变幅杆端头(6)聚焦于待焊工件表面。
5.根据权利要求2或3所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于第二插入式玻璃保护镜片(10)和高透玻璃窗口(4)外围设置有活动式护罩。
6.根据权利要求1所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于反射式聚焦镜(3)内安装有水冷装置。
7.根据权利要求1所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于在超声变幅杆(2)两侧开设有焊接保护气通入孔,且位于第一插入式玻璃保护镜片(5)下方。
8.根据权利要求1所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
9.根据权利要求1所述的一种摆动激光-超声复合焊接方法,其特征在于激光离焦量为﹣5~﹢5mm,激光功率为2000~8000W,焊接速度为1~3m/min,激光摆动频率为50~200Hz,摆动幅度为1~5mm,超声振动频率为100kHz~1MHz,振动幅度为5μm~20μm,保护气采用Ar气或其他混合气体,流量为30~40L/min。
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