CN112404712A - 一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置与方法 - Google Patents

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马婉萍
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Abstract

本发明公开了一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置与方法；包括计算机控制系统、激光焊接系统、监控与反馈系统及自调节气体冷却系统。激光焊接系统通过激光热源加热被连接件焊接成形；监控与反馈系统用于对表面温度进行监测，并实时反馈至计算机控制系统；自调节气体冷却系统根据反馈信息自适应地调节冷却气体温度，达到消除成形件热积累与焊接精度的目的。本发明解决了激光多道连接过程热输入量大，成形精度差的问题，同时保证了成形效率，可以实现激光多道连接过程中成形精度与质量的控制。

Description

一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置与 方法
技术领域
本发明属于异种材料的激光连接技术领域，特别涉及一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置与方法。
背景技术
异种材料的激光连接技术(Laser Joining Technology of DissimilarMaterials，LJTDM)是利用激光束作为热源将异种材料连接在一起的一种热加工工艺。与传统连接工艺相比，连接速度快，对设计的响应速度快，可高效实现数字化、智能化和并行化制造，同时可避免填料和电极的使用，节约成本且降低污染；与电弧连接工艺相比，LJTDM技术具有厚板连接周期明显缩短、热影响区范围小，连接件变形小等优点，在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。
然而热塑复合材料与金属的激光多道连接过程的热积累严重，散热条件差，高温停留时间长，冷却速度慢，对微观组织有不良影响，进而降低材料使用性能，且由于熔池形状难以控制，影响焊件的形貌与尺寸，使之成为限制异种材料激光连接技术在航空航天领域应用的主要因素之一。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置与方法，能够有效地避免焊缝形貌差，成形精度低等问题，同时可消除连接件内部的热积累效应，有效提高热塑复合材料与金属的激光多道连接成形件连接质量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置，包括计算机控制系统、激光焊接系统、监控与反馈系统及自调节气体冷却系统；
所述计算机控制系统连接激光焊接系统、监控与反馈系统、自调节气体冷却系统；
激光焊接系统包括：焊接工作台及夹具、激光焊机、激光头；所述激光头用于沿规划路径进行多道焊过程，进而得到热塑复合材料与金属的连接件；
监控与反馈系统包括：红外测温仪；所述红外测温仪置于工作台上部，与焊缝垂直，用于焊件表面温度监测，并实时反馈至计算机控制系统；
自调节气体冷却系统包括：温度调节装置、气罐、气冷喷枪；所述自调节气体冷却系统经由计算机控制系统接收来自监控与反馈系统的焊件温度，自适应地调节进入气冷喷枪的气体温度并向焊件表面喷冷却气体，消除多道焊引起的热积累，同时改善成形精度。
一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置的运行方法，包括如下步骤：
步骤一：焊接路径导入计算机控制系统；
步骤二：热塑复合材料与金属的激光多道连接
被连接件固定在工作台上，激光头沿焊接路径方向运动，且垂直于工作台。激光头与激光焊机相连；
步骤三：实时监控与反馈步骤
在激光多道连接过程中，红外测温仪实时采集焊件表面温度信息，并反馈至计算机控制系统；
步骤四：连接温度调节步骤
计算机控制系统根据反馈的温度实时控制自调节气体冷却系统，并在其温度未达到标准值时发出警报。
计算机控制系统判断激光多道连接过程是否合格；若未发出警报，则继续进行步骤二；若发出警报，则降低气体冷却温度，直至温度达到标准值，继续进行步骤二。
待连接过程结束，关闭用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置。
本发明对于现有技术，至少具备如下优点及效果：
本发明与传统连接工艺相比，连接速度快，对设计的响应速度快，可高效实现数字化、智能化和并行化制造，同时可避免填料和电极的使用，节约成本且降低污染；与电弧连接工艺相比，LJTDM技术具有厚板连接周期明显缩短、热影响区范围小、连接件变形小等优点；
本发明解决了LJTDM成形件热积累严重，成形形貌差精度低的问题；
本发明采用气体冷却装置，相较于现有的辊冷，冷却均匀性更好，对板型的依赖性更小，冷却效果更稳定；相较于现有的水冷，整个生产工艺更简单，能源消耗更少；
本发明结构简单，可行性高，相对于现有技术具有突出的实质性进步。
附图说明
图1是本发明应用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置结构示意图；
图1中编号表示：1-激光焊机；2-计算机控制系统；3-红外测温仪；4-夹具；5-焊接工作台；6-气罐；7-温度调节装置；8-激光头；9-焊接件；10-气冷喷枪。
图2是本发明热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却工艺流程图。
具体实施方式
为了下面结合具体实施例对本发明进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置，包括计算机控制系统、激光焊接系统、监控与反馈系统及自调节气体冷却系统；
所述计算机控制系统连接激光焊接系统、监控与反馈系统、自调节气体冷却系统；
激光焊接系统包括：焊接工作台5及夹具4、激光焊机1、激光头8；所述激光头用于按照规划路径通过激光热源在工作台上多道焊成型，进而得到热塑复合材料与金属的焊接连接件；
监控与反馈系统包括：红外测温仪3；所述红外测温仪置于工作台上部，与焊缝垂直，用于进行焊件表面温度监测，并实时反馈给计算机控制系统；
自调节气体冷却系统包括：温度调节装置7、气罐6、气冷喷枪10；所述自调节气体冷却系统经由计算机控制系统接收来自监控与反馈系统的焊件温度，自适应地调节进入气冷喷枪的气体温度并向焊件表面喷冷却气体，消除多道焊引起的热积累，同时改善成形精度。
应用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置的运行方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：焊接路径导入计算机控制系统；
步骤二：热塑复合材料与金属的激光多道连接
选取尺寸均为200mm×100mm×6mm的2A06铝板和ABS树脂板作为被连接件，试验前利用砂纸打磨铝合金板材，以去除表面氧化膜，并用丙酮清洗以去除表面油污；
被焊接件固定在工作台上，激光头沿焊接路径方向运动，且垂直于工作台。气冷喷枪与气罐6相连，采用纯度为99.99％的氩气作为冷却气体，气体流量为15L/min，气冷喷枪与工作台表面夹角为60°。激光功率为4kW，焊接速度为3m/min，激光头距离被焊接件6mm。
步骤三：实时监控与反馈
在激光多道连接过程中，红外测温仪实时采集焊件表面温度信息，并反馈至计算机控制系统；
步骤四：连接温度调节
计算机控制系统根据反馈的温度实时控制自调节气体冷却系统，并在成形件温度高于240℃时发出警报。
计算机控制系统判断激光连接过程是否合格；若未发出警报，则继续进行步骤二；若发出警报，则降低气体冷却温度，直至温度不高于240℃，继续进行步骤二。
连接过程结束后，关闭用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置。
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做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置，其特征在于：包括计算机控制系统、激光焊接系统、监控与反馈系统及自调节气体冷却系统；
所述计算机控制系统连接激光焊接系统、监控与反馈系统、自调节气体冷却系统；
激光焊接系统包括：焊接工作台及夹具、激光焊机、激光头；
监控与反馈系统包括：红外测温仪；
自调节气体冷却系统包括：温度调节装置、气罐、气冷喷枪。
2.根据权利要求1所述一种用于热塑复合材料与金属激光连接的激光焊接系统，其特征在于：所述激光头用于沿规划路径进行多道焊，进而得到热塑复合材料与金属的连接件。
3.根据权利要求1所述一种用于热塑复合材料与金属激光连接的监控与反馈系统，其特征在于：所述红外测温仪置于工作台上部，与焊缝垂直，用于焊件表面温度的监测，并实时反馈至计算机控制系统。
4.根据权利要求1所述一种用于热塑复合材料与金属激光连接的自调节气体冷却装置，其特征在于：所述自调节气体冷却系统接受计算机控制系统的命令，自适应地调节进入气冷喷枪的气体温度并向焊件表面喷射纯度为99.99％的氩气，降低多道焊引起的热积累，同时改善成形精度。
5.一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置的运行方法，其特征在于具体包括如下步骤：
步骤一：焊接路径导入计算机控制系统；
步骤二：热塑复合材料与金属的激光多道连接
被连接件固定在工作台上，激光头沿焊接路径方向运动，且垂直于工作台平面，激光头与激光焊机相连；
步骤三：实时监控与反馈步骤
在激光连接过程中，红外测温仪实时采集焊件表面温度信息，并反馈至计算机控制系统；
步骤四：连接温度调节步骤
计算机控制系统根据反馈的温度实时控制自调节气体冷却系统，并在其温度未达到标准值时发出警报。
6.根据权利要求5所述一种用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置的运行方法，其特征在于：计算机控制系统判断激光连接过程是否合格；若未发出警报，则继续进行步骤二；若发出警报，则降低气体冷却温度，直至温度达到标准值。继续进行步骤二。
最后，待连接过程结束，关闭用于热塑复合材料与金属激光连接的气体冷却装置、激光头及激光焊机。
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