CN113118609A - 原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法，装置包括真空焊接室、龙门式智能机器人、焊接工作台、电子束加工组件、激光束加工组件和控制系统；在电子束焊接制造过程中，对成型件焊接区进行激光冲击强化，每经电子束焊接作用的区域，在热态下对焊接区进行激光冲击强化，消除焊接区内部的气孔、裂纹缺陷和调控焊接区的表面应力状态。从而达到改善整体焊接件性能的目的。本发明将电子束焊接制造和激光冲击强化相结合，能够高效快速地生产性能好的焊接件，有效地解决传统焊接件焊接区残余拉应力导致的疲劳性能下降问题以及抑制焊缝缺陷对产品性能的影响。

Description

原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接和激光冲击强化技术领域，更具体的说是涉及一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法。

背景技术

电子束焊接(EBW)是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300kV)加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3～0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100kV加速电压下仅能穿透0.025mm。但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开，露出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一深而窄的焊缝。电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等优点在工业上得到了广泛的应用。但其存在焊缝力学性能较低，强度、拉伸及疲劳性能低于焊接母材等缺点。

激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)作为一种新型的表面改性技术，其主要利用高功率密度(GW·cm^-2量级)、短脉宽(ns量级)的激光束辐照材料表面，使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体受到隔离层的限制形成高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生均匀密集的位错结构。同时在成型区域产生有益的残余压应力，能够有效抵消工件因机械加工形成的有害拉应力，从而提高金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

因此，如何消除经电子束焊接过程形成的焊缝产生的残余拉应力，降低裂纹的倾向性，有效地解决传统焊缝残余拉应力导致的疲劳性能下降问题以及抑制焊缝缺陷对产品性能的影响，适用于高可靠性的焊接工艺，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，包括：

真空焊接室；

龙门式智能机器人；所述龙门式智能机器人固定在所述真空焊接室内部；所述龙门式智能机器人的横梁上具有直线导轨；

焊接工作台；所述焊接工作台固定在所述真空焊接室的内底面，且位于所述直线导轨下方；

电子束加工组件；所述电子束加工组件滑动连接在所述直线导轨上，且用于向所述焊接工作台方向发射电子束；

激光束加工组件；所述激光束加工组件滑动连接在所述直线导轨上，并与所述电子束加工组件并列；所述激光束加工组件用于向所述焊接工作台方向发射激光束；

控制系统；所述控制系统用于控制所述电子束加工组件和所述激光束加工组件在所述焊接工作台上方交替运动，并交替向所述焊接工作台上的焊接件发射电子束和激光束。

通过上述技术方案，本发明将电子束焊接制造和激光冲击强化相结合，能够高效快速地生产性能好的焊接件，有效地解决传统焊接件焊接区残余拉应力导致的疲劳性能下降问题以及抑制焊缝缺陷对产品性能的影响，适用于制备高可靠性的焊接件；适用于航空发动机高性能修复及延寿；航空关重构件制造及修复；核电、造船、高铁高性能制造及修复。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述真空焊接室底部具有工作台；所述焊接工作台包括固定在所述工作台上的基板，以及固定在所述基板上的焊接台；所述真空焊接室连接有真空泵系统。结构连接简单，稳定性强。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述龙门式智能机器人分别通过左支撑和右支撑固定在所述工作台上。结构连接简单，稳定性强。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述电子束加工组件包括左机械臂、第一导光臂、电子枪和电子束发生控制系统；所述左机械臂与所述直线导轨滑动连接；所述第一导光臂连接在所述左机械臂的底端；所述电子枪连接在所述左机械臂的顶端；所述电子枪的发射口穿过所述左机械臂与所述第一导光臂相通；所述电子枪的内部上方固定有石墨阴极，以及固定在所述石墨阴极上的聚集束，所述聚集束下方固定有环形阳极；所述电子枪的内部下方依次固定有聚焦线圈和偏转线圈，所述聚焦线圈和所述偏转线圈与所述环形阳极的圆心同轴；所述电子枪的上方具有与所述聚集束对应的灯丝；所述电子束发生控制系统包括与所述灯丝电性连接的灯丝电源；与所述环形阳极电性连接的高压电源；分别与所述灯丝、所述石墨阴极和所述高压电源电性连接并接地的偏压电源；与所述聚焦线圈电性连接的聚焦电源；与所述偏转线圈电性连接的偏转电源。灯丝加热到发射电子的温度，溢出的电子由电子枪的石墨阴极发出，经环形阳极电压加速并通过聚焦线圈汇聚成电子束束流，电子的速度会被提升到接近或达到光速的一半，电子将具有很高的动能。电子束(功率密度为10⁶～10⁹W/cm²)再经过偏转线圈的作用，使电子束准确地落在焊接件的指定点上，并根据要求按一定规律运动。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述激光束加工组件包括右机械臂、第二导光臂和激光发射机构；所述右机械臂与所述直线导轨滑动连接；所述第二导光臂连接在所述右机械臂的底端；所述激光发射机构包括光纤激光器，以及固定在所述光纤激光器出口前方的反光镜，和固定在所述反光镜下方的聚焦透镜；所述光纤激光器发射的激光束经所述反光镜所述聚焦透镜后穿过所述右机械臂进入所述第二导光臂内部。光纤激光器通过反射镜及聚焦透镜产生的激光束作用在焊接件上完成表面强化过程。上述操作在基板上进行，并置于整个装置的工作台上。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述控制系统包括用于进行行程驱动和光束发射的计算机和总电源。计算机控制整体操作，总电源为整体结构供电。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，焊接件完成电子束焊接后，在同一真空室内，直接通过传动机构，对热态下焊接件进行原位激光冲击强化作业，实现“焊接+强化”一体化作业，大大提高加工效率。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置中，所述电子束加工组件和所述激光束加工组件共用同一高压总电源和计算机进行统一协调控制。

本发明还提供了一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法，在电子束焊接制造过程中，对成型件焊接区进行激光冲击强化，每经电子束焊接作用的区域，在热态下对焊接区进行激光冲击强化，消除焊接区内部的气孔、裂纹缺陷和调控焊接区的表面应力状态。从而达到改善整体焊接件性能的目的，整个制造过程中无隔离层(水、玻璃等)和吸收层(铝箔、胶带等)。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法中，所选的焊接制造材料为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金。电子束焊接的工艺参数包括加速电压20KV-100KV、焊接电流50-300mA和焊接速度100-2000mm/min。激光冲击强化的工艺参数包括单脉冲能量2-50J、脉宽10-15ns、光斑直径1-5mm和重频1-20Hz。斑点类型为圆形或方形，圆形的搭接率为25-80％，方形的搭接率为10-50％，冲击次数1-3次。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法中，电子束焊接过程中进行激光冲击强化，实现焊接件焊接区在一定温度范围内实现激光冲击塑性变形，消除内部缺陷，调控表面残余应力。

优选的，在上述一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法中，电子束与激光束作为高能聚光束，光斑尺寸小，可精准定位焊接区焊缝位置，从而实现精准加工。

焊接制造过程中同时对焊接区表面进行激光冲击强化，即在经电子束焊接作用的焊接接头在热态下就进行激光冲击强化处理。主要包括以下步骤：

(1)接通电源，电子束加工组件开机预热约半小时。

(2)采用电子束焊机对需焊接板材进行熔焊。

(3)电子束加工组件焊接装置中断。

(4)经传动机构将激光束加工组件运行至刚焊接完的热态成型件处。

(5)激光束加工组件启动。

(6)对上述焊接区域进行激光冲击强化过程。

(7)激光束加工组件中断。

其中：电子束焊接利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300kV)加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3～0.7倍光速)，经透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，撞击在工件接缝处，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接作用。电子束焊接的主要参数包括加速电压、焊接电流、焊接速度、聚焦电流。

电子束加工组件在真空度为1.33×10^-2Pa～1.33×10^-4Pa的真空室中，电子束加工组件开机预热约半小时，灯丝加热到发射电子的温度，溢出的电子由电子枪的石墨阴极发出，经环形阳极电压加速并通过聚焦线圈汇聚成电子束束流，电子的速度会被提升到接近或达到光速的一半，电子将具有很高的动能。电子束(功率密度为10⁶～10⁹W/cm²)再经过偏转线圈的作用，使电子束准确地落在工件的指定点上，并根据要求按一定规律运动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明的方法将电子束熔焊制造技术和激光冲击强化技术相结合，装置结构设计合理，操作简单，适用性强，生产效率提升。

2、本装置采用电子束焊接制造方式，电子束焊接功率密度高，作用区影响范围小，焊缝宽度小，极大程度保持板材属性，通过焊接台的移动形成各种轨迹的焊缝，在同一真空室下，经传动机构运作即可完成“焊接+强化”过程，避免焊件长时间冷却造成的生产力降低问题。

3、本装置采用激光冲击强化方式，利用反光镜与聚焦透镜结合实现激光传递及聚焦成束，整个制造过程中无隔离层(水、玻璃等)和吸收层(铝箔、胶带等)，从而实现激光冲击强化过程。

4、本方法在热态下对焊接件焊接区进行激光冲击强化，消除焊接区域由于重熔及凝固不均匀产生的内部气孔、裂纹缺陷和调控焊接件的表面应力状态，有效消除了焊接过程材料表面属性由于焊接区性能降低导致的焊接件整体性能下降、产生的拉伸残余应力导致的零件疲劳寿命降低、扭曲零件几何结构、材料中的裂纹生成等缺陷。

5、本方法在焊接件热态下进行激光冲击强化，有效地解决传统焊接件焊接区残余拉应力导致的疲劳性能下降，拉伸性能下降等问题，适用于制备高可靠性的焊接构件。

6、本方法的电子束与激光束作为高能聚光束，光斑尺寸小，可精准定位焊接区焊缝位置，从而实现精准加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置的结构示意图；

图2附图为本发明提供的电子束加工组件的结构示意图；

图3附图为本发明提供的激光束加工组件的结构示意图；

图4附图为本发明提供的具体操作步骤流程图。

其中：

1-真空焊接室；

11-工作台；12-真空泵系统；

2-龙门式智能机器人；

21-直线导轨；22-左支撑；23-右支撑；

3-焊接工作台；

31-基板；32-焊接台；

4-电子束加工组件；

41-电子束；42-左机械臂；43-第一导光臂；44-电子枪；441-石墨阴极；

442-聚集束；443-环形阳极；444-聚焦线圈；445-偏转线圈；446-灯丝；

45-电子束发生控制系统；451-灯丝电源；452-高压电源；453-偏压电源；

454-聚焦电源；455-偏转电源；

5-激光束加工组件；

51-激光束；52-右机械臂；53-第二导光臂；54-激光发射机构；541-光纤激光器；542-反光镜；543-聚焦透镜；

6-控制系统；

61-计算机；62-总电源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1至附图3，本发明实施例公开了一种原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，包括：

真空焊接室1；

龙门式智能机器人2；龙门式智能机器人2固定在真空焊接室1内部；龙门式智能机器人2的横梁上具有直线导轨21；

焊接工作台3；焊接工作台3固定在真空焊接室1的内底面，且位于直线导轨21下方；

电子束加工组件4；电子束加工组件4滑动连接在直线导轨21上，且用于向焊接工作台3方向发射电子束41；

激光束加工组件5；激光束加工组件5滑动连接在直线导轨21上，并与电子束加工组件4并列；激光束加工组件5用于向焊接工作台3方向发射激光束51；

控制系统6；控制系统6用于控制电子束加工组件4和激光束加工组件5在焊接工作台3上方交替运动，并交替向焊接工作台3上的焊接件发射电子束41和激光束51。

为了进一步优化上述技术方案，真空焊接室1底部具有工作台11；焊接工作台3包括固定在工作台11上的基板31，以及固定在基板31上的焊接台32；真空焊接室1连接有真空泵系统12。

为了进一步优化上述技术方案，龙门式智能机器人2分别通过左支撑22和右支撑23固定在工作台11上。

为了进一步优化上述技术方案，电子束加工组件4包括左机械臂42、第一导光臂43、电子枪44和电子束发生控制系统45；左机械臂42与直线导轨21滑动连接；第一导光臂43连接在左机械臂42的底端；电子枪44连接在左机械臂42的顶端；电子枪44的发射口穿过左机械臂42与第一导光臂43相通；电子枪44的内部上方固定有石墨阴极441，以及固定在石墨阴极441上的聚集束442，聚集束442下方固定有环形阳极443；电子枪44的内部下方依次固定有聚焦线圈444和偏转线圈445，聚焦线圈444和偏转线圈445与环形阳极443的圆心同轴；电子枪44的上方具有与聚集束442对应的灯丝446；电子束发生控制系统45包括与灯丝446电性连接的灯丝电源451；与环形阳极443电性连接的高压电源452；分别与灯丝446、石墨阴极441和高压电源452电性连接并接地的偏压电源453；与聚焦线圈444电性连接的聚焦电源454；与偏转线圈445电性连接的偏转电源455。

为了进一步优化上述技术方案，激光束加工组件5包括右机械臂52、第二导光臂53和激光发射机构54；右机械臂2与直线导轨21滑动连接；第二导光臂53连接在右机械臂52的底端；激光发射机构54包括光纤激光器541，以及固定在光纤激光器541出口前方的反光镜542，和固定在反光镜542下方的聚焦透镜543；光纤激光器541发射的激光束51经反光镜542聚焦透镜543后穿过右机械臂52进入第二导光臂53内部。

为了进一步优化上述技术方案，控制系统6包括用于进行行程驱动和光束发射的计算机61和总电源62。

实施例：

参见附图4，本实施例材料采用奥氏体不锈钢316L与Incoloy825镍基高温合金异种板材，其板材尺寸同为120mm*150mm*32mm，并在两块板材下面加垫板，以保证全焊透，焊接前采用钨极氩弧焊对焊件、垫板进行点焊固定，确保试样边界之间的间隙小于0.15mm。固定后对试样进行机械打磨和丙酮清洗，准备工作完成后，具体实施步骤如下：

(1)打开整体装置的总电源62及计算机61，对各设备连接与运行进行检测，确保能正常操作，电子束焊机开机预热约半小时，设定电子束焊接制造工艺参数和激光冲击强化工艺参数。

(2)通过电子束焊机实现焊接过程，其中电子束焊的主要工艺参数为：焊接加速电压为85kV，电子束流为165mA，电子枪室压力为5×10^-2Pa，焊接速度为400mm/min，聚焦电流为表面聚焦。

(3)完成一次焊接后，电子束焊接装置中断，借助传动机构，电子束焊接装置退出焊接台，激光冲击强化装置运行到焊接台工位。

(4)激光冲击强化装置运行，对焊件焊接区进行表面激光冲击强化。其中激光冲击强化的主要工艺参数为：单脉冲激光能量10J，光斑直径1mm，脉宽6.3ns，冲频10Hz，斑点类型：圆形、搭接率50％，冲击次数1次。

(5)中断激光冲击强化装置。

(6)重复步骤(2)-(5)，依次对多焊接件进行焊接并强化。

(7)关闭电源，进行除尘工作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，包括：

真空焊接室(1)；

龙门式智能机器人(2)；所述龙门式智能机器人(2)固定在所述真空焊接室(1)内部；所述龙门式智能机器人(2)的横梁上具有直线导轨(21)；

焊接工作台(3)；所述焊接工作台(3)固定在所述真空焊接室(1)的内底面，且位于所述直线导轨(21)下方；

电子束加工组件(4)；所述电子束加工组件(4)滑动连接在所述直线导轨(21)上，且用于向所述焊接工作台(3)方向发射电子束(41)；

激光束加工组件(5)；所述激光束加工组件(5)滑动连接在所述直线导轨(21)上，并与所述电子束加工组件(4)并列；所述激光束加工组件(5)用于向所述焊接工作台(3)方向发射激光束(51)；

控制系统(6)；所述控制系统(6)用于控制所述电子束加工组件(4)和所述激光束加工组件(5)在所述焊接工作台(3)上方交替运动，并交替向所述焊接工作台(3)上的焊接件发射电子束(41)和激光束(51)。

2.根据权利要求1所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，所述真空焊接室(1)底部具有工作台(11)；所述焊接工作台(3)包括固定在所述工作台(11)上的基板(31)，以及固定在所述基板(31)上的焊接台(32)；所述真空焊接室(1)连接有真空泵系统(12)。

3.根据权利要求2所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，所述龙门式智能机器人(2)分别通过左支撑(22)和右支撑(23)固定在所述工作台(11)上。

4.根据权利要求1所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，所述电子束加工组件(4)包括左机械臂(42)、第一导光臂(43)、电子枪(44)和电子束发生控制系统(45)；所述左机械臂(42)与所述直线导轨(21)滑动连接；所述第一导光臂(43)连接在所述左机械臂(42)的底端；所述电子枪(44)连接在所述左机械臂(42)的顶端；所述电子枪(44)的发射口穿过所述左机械臂(42)与所述第一导光臂(43)相通；所述电子枪(44)的内部上方固定有石墨阴极(441)，以及固定在所述石墨阴极(441)上的聚集束(442)，所述聚集束(442)下方固定有环形阳极(443)；所述电子枪(44)的内部下方依次固定有聚焦线圈(444)和偏转线圈(445)，所述聚焦线圈(444)和所述偏转线圈(445)与所述环形阳极(443)的圆心同轴；所述电子枪(44)的上方具有与所述聚集束(442)对应的灯丝(446)；所述电子束发生控制系统(45)包括与所述灯丝(446)电性连接的灯丝电源(451)；与所述环形阳极(443)电性连接的高压电源(452)；分别与所述灯丝(446)、所述石墨阴极(441)和所述高压电源(452)电性连接并接地的偏压电源(453)；与所述聚焦线圈(444)电性连接的聚焦电源(454)；与所述偏转线圈(445)电性连接的偏转电源(455)。

5.根据权利要求1所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，所述激光束加工组件(5)包括右机械臂(52)、第二导光臂(53)和激光发射机构(54)；所述右机械臂(2)与所述直线导轨(21)滑动连接；所述第二导光臂(53)连接在所述右机械臂(52)的底端；所述激光发射机构(54)包括光纤激光器(541)，以及固定在所述光纤激光器(541)出口前方的反光镜(542)，和固定在所述反光镜(542)下方的聚焦透镜(543)；所述光纤激光器(541)发射的激光束(51)经所述反光镜(542)所述聚焦透镜(543)后穿过所述右机械臂(52)进入所述第二导光臂(53)内部。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造装置，其特征在于，所述控制系统(6)包括用于进行行程驱动和光束发射的计算机(61)和总电源(62)。

7.原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法，其特征在于，在电子束焊接制造过程中，对成型件焊接区进行激光冲击强化，每经电子束焊接作用的区域，在热态下对焊接区进行激光冲击强化，消除焊接区内部的气孔、裂纹缺陷和调控焊接区的表面应力状态。

8.根据权利要求7所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法，其特征在于，所选的焊接制造材料为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金或镁合金。

9.根据权利要求7所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法，其特征在于，电子束焊接的工艺参数包括加速电压20KV-100KV、焊接电流50-300mA和焊接速度100-2000mm/min。

10.根据权利要求7所述的原位式电子束熔焊与激光冲击强化复合制造方法，其特征在于，激光冲击强化的工艺参数包括单脉冲能量2-50J、脉宽10-15ns、光斑直径1-5mm和重频1-20Hz。

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