CN112475643B - 一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置及焊接工艺，包括底座，所述底座的前端和后端分别垂直安装有前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板之间的底座上表面配合安装有夹具座，所述夹具座的上表面前后端分别放置有定位挡条，两个定位挡条之间放置工件，所述工件的两侧分别通过螺钉安装有多个压块，所述后挡板的中部还通过喷嘴螺丝安装有保护气侧吹喷嘴；所述夹具座的底部还安装有陶瓷衬管，所述陶瓷衬管内部插入有加热管，所述加热管的导线穿出前挡板。本发明可以有效的降低铝基复合材料激光焊接接头中的气孔率(控制在1％以下)，从而有效提高焊接接头的拉伸强度和力学性能。

Description

一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置及焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接装置及工艺技术领域，尤其是一种降低SiC颗粒增强铝基复合材料激光焊接接头中气孔率的焊接装置及焊接工艺。
背景技术
SiC颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强度和比刚度、较好的耐性磨和耐疲劳性能，以及低膨胀系数等许多优点，是综合性能优异的金属基复合材料，在航空航天、水上舰艇、汽车制造、电子设备等行业具有广泛的应用前景。
近年来，随着SiC颗粒增强铝基复合材料在各行业中不断得到应用，其焊接性问题也受到人们越来越多的关注。
目前，采用常规的激光焊接装置和方法在对SiC颗粒增强铝基复合材料进行焊接时，会出现焊接接头中气孔数量多、气孔率高的问题。气孔的存在不但减小了焊接接头的有效截面积，而且还会成为裂纹源，严重削弱SiC颗粒增强铝基复合材料激光焊接接头的抗拉强度。因此，减少和消除焊接接头中的气孔是提高SiC颗粒增强铝基复合材料激光焊接头抗拉强度的首要问题和有效措施。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置及焊接工艺，针对不同基体和体积分数的SiC颗粒增强铝基复合材料激光焊接件，能够有效地减少和消除其焊接接头中的气孔，从而提高接头抗拉强度。
本发明所采用的技术方案如下：
一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置，包括底座，所述底座的前端和后端分别垂直安装有前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板之间的底座上表面配合安装有夹具座，所述夹具座的上表面前后端分别放置有定位挡条，两个定位挡条之间放置工件，所述工件的两侧分别通过螺钉安装有多个压块，所述后挡板的中部还通过喷嘴螺丝安装有保护气侧吹喷嘴；所述夹具座的底部还安装有陶瓷衬管，所述陶瓷衬管内部插入有加热管，所述加热管的导线穿出前挡板。
其进一步技术方案在于：
所述夹具座的结构为：包括呈长方体结构的夹具座本体，所述夹具座本体的上表面中部从前端到后端开有一条凹槽，所述凹槽与工件的焊缝对应，所述夹具座本体的底面从前端到后端开有矩形槽口，所述矩形槽口内放置陶瓷衬管，所述夹具座本体的上表面还均匀分布有多个与螺钉配合的锁紧孔。
所述夹具座的前端面和后端段面分别通过紧固件与前挡板和后挡板连接。
前挡板的中部还通过紧固螺丝与夹具座的前端面中部锁紧。
所述压块的截面呈
Figure BDA0002796449400000021
结构，所述压块的顶部开有长圆孔。
所述后挡板的中部设置有内凹结构。
陶瓷衬管的为方管，中部开有穿通孔。
夹具座的底面通过底部螺丝与底座锁紧。
一种减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置的焊接工艺，
包括如下操作步骤：
第一步：准备工作，将焊接装置准备到位；
第二步：焊接启动前，反复打磨和清理铝基复合材料表面的污渍和氧化膜；
第三步：将工件放置夹具座上表面，然后用螺钉和压块将工件固定，此时工件的焊缝不留间隙，且焊缝与凹槽对应；
第四步：启动焊接工作，采用激光束采用垂直入射工件的方式，连续激光焊参数选择为激光功率1.6kW-2.4kW，焊接速度为0.01m/s-0.04m/s，采用Ar气作为保护气，工件正面保护气流量为20L/min-25L/min，背面保护气流量为10L/min-15L/min，脉冲激光焊参数选择为峰值功率2.5kW-3.5kW，脉冲频率为80-120Hz，占空比为0.6，焊接速度为0.01m/s-0.04m/s，焊件正面Ar气流量为20L/min-25L/min，背面Ar气流量为10L/min-15L/min；
在焊接的同时，加热管工作，加热管的加热温度设置在100～200℃，加热管的温度通过夹具座传到工件上，保证工件的温度在100～150℃；
第五步：焊接完毕；
第六步：拆除螺钉和压块，卸下已经焊接的工件。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过对铝基复合材料激光焊缝背面进行氩气保护，防止空气中的氧气从焊缝背面进入焊接区域，造成焊接接头氧化严重。为实现焊缝背面保护，在夹具座中间开设有方形槽，氩气可以经前挡板上的气嘴进入该方形槽中，焊接时氩气可以对焊缝背面进行保护。同时在焊件前后安装了定位挡条，避免氩气流失造成浪费。
铝基复合材料进行激光焊时，铝合金基体在激光能量的作用下在熔池上方形成金属蒸汽，这些金属蒸汽继续吸收激光能量，转变成等离子体，位于熔池上方的等离子体会引起激光的散射，从而影响激光焊接过程的稳定性。本发明采用保护气沿水平方向侧吹的方式，将激光焊熔池上方的等离子体吹散，达到提高激光能量输入稳定性的目的。实现这一目的的方法是：在夹具端部的后挡板上，安装一个保护气侧吹喷嘴，该喷嘴的出气孔道采用收缩式的截面设计(即进气口大，出气口小)，这样有利于压缩保护气，提高水平侧吹的保护气的压力，提升保护效果，提高材料对激光能量吸收的稳定性。
铝基复合材料激光焊接头中的气孔有很大原因是铝合金基体散热速度快，使熔池冷却凝固速度快，造成熔池中的气氛来不及逸出，从而残留在焊缝中形成气孔。采用电加热的方式，可以减缓铝基复合材料的散热速度，则将有利于熔池中的气氛逸出，减少气孔残留。本发明在夹具座中安装电加热管，通过控制加热管的加热温度，使热量传递到焊件上，减缓焊件的冷却速度，达到减少气孔的目的。加热管的加热温度设置在100～200℃，热量通过夹具座传递到焊件上，保证焊件温度在100～150℃。
本发明可以有效的降低铝基复合材料激光焊接接头中的气孔率(控制在1％以下)，从而有效提高焊接接头的拉伸强度和力学性能。
附图说明
图1为本发明焊接装置的结构示意图。
图2为本发明焊接装置另一视角的结构示意图。
图3为本发明焊接装置的爆炸图。
图4为本发明夹具座的结构示意图。
其中：1、螺钉；2、压块；3、工件；4、定位挡条；5、后挡板；6、喷嘴螺丝；7、保护气侧吹喷嘴；8、夹具座；9、底座；10、紧固螺丝；11、加热管；12、前挡板；13、底部螺丝；14、陶瓷衬管；
801、矩形槽口；802、夹具座本体；803、锁紧孔；804、凹槽；
1401、穿通孔。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图4所示，本实施例的减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置，包括底座9，底座9的前端和后端分别垂直安装有前挡板12和后挡板5，前挡板12和后挡板5之间的底座9上表面配合安装有夹具座8，夹具座8的上表面前后端分别放置有定位挡条4，两个定位挡条4之间放置工件3，工件3的两侧分别通过螺钉1安装有多个压块2，后挡板5的中部还通过喷嘴螺丝6安装有保护气侧吹喷嘴7；夹具座8的底部还安装有陶瓷衬管14，陶瓷衬管14内部插入有加热管11，加热管11的导线穿出前挡板12。
夹具座8的结构为：包括呈长方体结构的夹具座本体802，夹具座本体802的上表面中部从前端到后端开有一条凹槽804，凹槽804与工件3的焊缝对应，夹具座本体802的底面从前端到后端开有矩形槽口801，矩形槽口801内放置陶瓷衬管14，夹具座本体802的上表面还均匀分布有多个与螺钉1配合的锁紧孔803。
夹具座8的前端面和后端段面分别通过紧固件与前挡板12和后挡板5连接。
前挡板12的中部还通过紧固螺丝10与夹具座8的前端面中部锁紧。
压块2的截面呈
Figure BDA0002796449400000041
结构，压块2的顶部开有长圆孔。
后挡板5的中部设置有内凹结构。
陶瓷衬管14的为方管，中部开有穿通孔1401。
夹具座8的底面通过底部螺丝13与底座9锁紧。
本发明可以实现铝基复合材料激光焊缝背面氩气保护。夹具座8中间开设凹槽804，用于焊缝背面保护的氩气可以经前挡板12上的气嘴进入该方形槽中，从而实现焊缝背面保护。
保护气水平侧吹，提高激光能量输入的稳定性。在夹具端部的后挡板5上，设置了一个保护气侧吹喷嘴7，该喷嘴的出气孔道是不断收缩的(即进气口大，出气口小)，这样有利于压缩保护气，提高水平侧吹的保护气的压力，压力较高的保护气可以将激光焊接时，因材料金属蒸汽吸收激光能量生成的等离子体吹散，从而提升了保护效果，提高了材料对激光能量吸收的稳定性。
加热焊件，减缓焊缝冷却速度，保证熔池中的气氛能来得及逸出。通过夹具座8中安装的加热管11对焊件进行加热，通过控制焊件的温度来减缓熔池冷却速度，防止因熔池散热快而造成熔池中的气氛没有足够的时间逸出，从而进一步减少焊缝中的气孔。
本实施例的减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置的焊接工艺，
包括如下操作步骤：
第一步：准备工作，将焊接装置准备到位；
第二步：焊接启动前，反复打磨和清理铝基复合材料表面的污渍和氧化膜；
第三步：将工件3放置夹具座8上表面，然后用螺钉1和压块2将工件3固定，此时工件3的焊缝不留间隙，且焊缝与凹槽804对应；
第四步：启动焊接工作，采用激光束采用垂直入射工件3的方式，连续激光焊参数选择为激光功率1.6kW-2.4kW，焊接速度为0.01m/s-0.04m/s，采用Ar气作为保护气，工件3正面保护气流量为20L/min-25L/min，背面保护气流量为10L/min-15L/min，脉冲激光焊参数选择为峰值功率2.5kW-3.5kW，脉冲频率为80-120Hz，占空比为0.6，焊接速度为0.01m/s-0.04m/s，焊件正面Ar气流量为20L/min-25L/min，背面Ar气流量为10L/min-15L/min；
在焊接的同时，加热管11工作，加热管11的加热温度设置在100～200℃，加热管11的温度通过夹具座8传到工件3上，保证工件3的温度在100～150℃，加热五分钟；
第五步：焊接完毕，停止激光输出，当时加热管11仍保持通电状态，保温一分钟后，加热管11断电；
第六步：待冷却后，拆除螺钉1和压块2，卸下已经焊接的工件3。
实施例一：
包括如下操作步骤：
第一步：准备工作，将焊接装置准备到位；
第二步：焊接启动前，反复打磨和清理铝基复合材料表面的污渍和氧化膜；
第三步：工件3采用体积分数为17％的SiC增强铝基复合材料尺寸为100*70*3mm；
将工件3放置夹具座8上表面，然后用螺钉1和压块2将工件3固定，此时工件3的焊缝不留间隙，且焊缝与凹槽804对应；
第四步：启动焊接工作，采用激光束采用垂直入射工件3的方式，连续激光焊参数选择为激光功率2kW，焊接速度为0.02m/s，采用Ar气作为保护气，工件3正面保护气流量为25L/min，背面保护气流量为10L/min，脉冲激光焊参数选择为峰值功率3.5kW，脉冲频率为120Hz，占空比为0.6，焊接速度为0.04m/s，焊件正面Ar气流量为20L/min，背面Ar气流量为10L/min；
在焊接的同时，加热管11工作，加热管11的加热温度设置在150℃，加热管11的温度通过夹具座8传到工件3上，保证工件3的温度在100℃，加热五分钟；
第五步：焊接完毕，停止激光输出，当时加热管11仍保持通电状态，保温一分钟后，加热管11断电；
第六步：待冷却后，拆除螺钉1和压块2，卸下已经焊接的工件3。
第七步：接头气孔率考核主要采用X射线检测法，检测后接头气孔率低于1％。
实施例二：
包括如下操作步骤：
第一步：准备工作，将焊接装置准备到位；
第二步：焊接启动前，反复打磨和清理铝基复合材料表面的污渍和氧化膜；
第三步：体积分数为10％的SiC增强铝基复合材料尺寸为120*60*2mm，
将工件3放置夹具座8上表面，然后用螺钉1和压块2将工件3固定，此时工件3的焊缝不留间隙，且焊缝与凹槽804对应；
第四步：启动焊接工作，采用采用脉冲激光进行焊接，连续激光焊参数选择为激光功率3kW，焊接速度为0.04m/s，采用Ar气作为保护气，工件3正面保护气流量为10L/min，背面保护气流量为15L/min，脉冲激光焊参数选择为峰值功率3kW，脉冲频率为100Hz，占空比为0.6，焊接速度为0.02m/s，焊件正面Ar气流量为25L/min，背面Ar气流量为10L/min；
在焊接的同时，加热管11工作，加热管11的加热温度设置在150℃，加热管11的温度通过夹具座8传到工件3上，保证工件3的温度在120℃，加热五分钟；
第五步：焊接完毕，停止激光输出，当时加热管11仍保持通电状态，保温一分钟后，加热管11断电；
第六步：待冷却后，拆除螺钉1和压块2，卸下已经焊接的工件3。
第七步：接头气孔率考核主要采用X射线检测法，检测后接头气孔率低于1％。
本发明所述的接头气孔率考核主要采用X射线检测法，通过对焊接接头进行X射线拍片，在正确识别接头中气孔缺陷的前提下，按GB/T22085.2-2008(ISO13919-2:2001)《电子束及激光焊接接头缺欠质量分级指南第2部分：铝基铝合金》标准中气孔及多个气孔的检测要求，对焊缝X射线照片中单个气孔的最大尺寸和投影响区域内气孔综合的最大尺寸进行检测，并通过计算焊缝受检长度上的气孔尺寸，得到焊接接头的气孔率。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (1)

1.一种利用减少激光焊接接头中气孔率的焊接装置的焊接工艺，其特征在于：焊接装置包括底座（9），所述底座（9）的前端和后端分别垂直安装有前挡板（12）和后挡板（5），所述前挡板（12）和后挡板（5）之间的底座（9）上表面配合安装有夹具座（8），所述夹具座（8）的上表面前后端分别放置有定位挡条（4），两个定位挡条（4）之间放置工件（3），所述工件（3）的两侧分别通过螺钉（1）安装有多个压块（2），所述后挡板（5）的中部还通过喷嘴螺丝（6）安装有保护气侧吹喷嘴（7）；所述夹具座（8）的底部还安装有陶瓷衬管（14），所述陶瓷衬管（14）内部插入有加热管（11），所述加热管（11）的导线穿出前挡板（12）；所述夹具座（8）的结构为：包括呈长方体结构的夹具座本体（802），所述夹具座本体（802）的上表面中部从前端到后端开有一条凹槽（804），所述凹槽（804）与工件（3）的焊缝对应，所述夹具座本体（802）的底面从前端到后端开有矩形槽口（801），所述矩形槽口（801）内放置陶瓷衬管（14），所述夹具座本体（802）的上表面还均匀分布有多个与螺钉（1）配合的锁紧孔（803）；所述夹具座（8）的前端面和后端段面分别通过紧固件与前挡板（12）和后挡板（5）连接；前挡板（12）的中部还通过紧固螺丝（10）与夹具座（8）的前端面中部锁紧；所述压块（2）的截面呈“┏┓”结构 ，所述压块（2）的顶部开有长圆孔；所述后挡板（5）的中部设置有内凹结构；陶瓷衬管（14）的为方管，中部开有穿通孔（1401）；夹具座（8）的底面通过底部螺丝（13）与底座（9）锁紧；
焊接工艺包括如下操作步骤：
第一步：准备工作，将焊接装置准备到位；
第二步：焊接启动前，反复打磨和清理铝基复合材料表面的污渍和氧化膜；
第三步：将工件（3）放置夹具座（8）上表面，然后用螺钉（1）和压块（2）将工件（3）固定，此时工件（3）的焊缝不留间隙，且焊缝与凹槽（804）对应；
第四步：启动焊接工作，采用激光束采用垂直入射工件（3）的方式，连续激光焊参数选择为激光功率1.6kW-2.4kW，焊接速度为0.01m/s-0.04m/s，采用Ar气作为保护气，工件（3）正面保护气流量为20 L/min-25L/min，背面保护气流量为10L/min-15L/min，脉冲激光焊参数选择为峰值功率2.5kW-3.5kW，脉冲频率为80-120Hz，占空比为0.6，焊件正面Ar气流量为20L/min-25L/min，背面Ar气流量为10L/min-15L/min；
在焊接的同时，加热管（11）工作，加热管（11）的加热温度设置在100~200℃，加热管（11）的温度通过夹具座（8）传到工件（3）上，保证工件（3）的温度在100~150℃，加热五分钟；
第五步：焊接完毕，停止激光输出，当时加热管（11）仍保持通电状态，保温一分钟后，加热管（11）断电；
第六步：待冷却后，拆除螺钉（1）和压块（2），卸下已经焊接的工件（3）。
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