CN113560734A - 一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备与方法 - Google Patents

一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光‑双电弧复合焊接设备与方法。该设备包括计算机控制系统、非熔化极气体保护焊接(TIG焊接)系统、熔化极气体保护焊接(MIG焊接)系统、激光焊接系统、超声振动焊接系统、保护气以及焊接工作台。各焊接系统相互独立，可单独使用，也可组合使用，根据所焊工件材料及形状选取合适的复合焊接方法，通过计算机系统集中调控各焊接系统，依据计算机控制中心的命令，各焊接系统开启并自动调试，从而实现对焊接工件的的高效连接，减少焊接缺陷，甚至抑制气孔缺陷的产生。

Description

一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备与 方法
技术领域
本发明属于材料焊接技术领域，特别涉及一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备与方法。
背景技术
随着材料和现代化工业的快速发展，材料的应用逐步增强，且各领域对材料性能的要求也越来越高。材料不仅需要强度高、低损耗，还需寿命长。所以材料的可靠连接已成为工业发展的关键。而焊接是材料连接的一种首选方法。气孔是焊接过程中最常见的缺陷之一，它会破坏焊缝金属的有效承载面积，极大地降低焊缝的力学性能和腐蚀性能，是焊接产品必须严格控制的缺陷。
传统的电弧焊接具有操作简单、投资成本低、熔池金属搭桥能力强等优点，但缺点也比较明显，如焊接速度慢、焊接热输入大、焊接效率低等；激光焊接由于焊接速度快、焊后变形及残余应力小、加工过程易实现自动化等优点，在电子、机械、汽车等领域得到了广泛的应用。但激光焊接具有一定的局限性，由于激光束的直径很小，对工件的装配要求较高，对于高反射率、高导热系数材料的焊接较难，易产生裂纹、气孔等缺陷。
激光-电弧复合焊接技术由Steen在20世纪70年代最先提出并逐渐发展起来的一种优质、高效的新型焊接方法，激光-电弧复合焊接既能保持激光焊焊接速度高、接头变形小等优势，又可有效增强材料对激光的吸收率，易于实现单面焊双面成形，在航空航天、汽车、船舶、装备制造等现代工业中应用越来越广泛。其中，激光-双电弧复合焊接的熔池凝固速度变慢，有利于气孔缺陷的减少，但仍存在一定数量的气孔。而且激光-双弧复合焊接的两个电弧之间有复杂的交互作用，耦合机理复杂。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备，基于激光焊接系统、非熔化极气体保护焊接(TIG焊接)系统、熔化极气体保护焊枪接(MIG焊接)系统及超声振动焊接系统，实现被焊材料高效高速焊接的同时保证焊接接头的焊缝质量。
为达此目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备，包括计算机控制系统(1)、非熔化极气体保护焊接(TIG焊接)系统、熔化极气体保护焊接(MIG焊接)系统、激光焊接系统、超声振动焊接系统、保护气以及焊接工作台(5)等；
所述计算机控制系统连接TIG焊接系统、MIG焊接系统、激光焊接系统以及超声振动焊接系统；
TIG焊接系统包括TIG焊枪(16)、机械臂(4)、送丝机构(15)、TIG电源(2)，所述TIG焊枪(16)安装在机械臂上，实现TIG焊枪位置的可调性；所述送丝机构(15)固定在机械臂(4)上，通过TIG控制系统综合控制TIG焊接的参数与送丝机构的送丝速度。所述TIG焊接系统连接保护气装置。
MIG焊接系统包括MIG焊枪(10)、机械臂(11)、MIG电源(13)，所述MIG焊枪安装在机械臂(11)上，用于对工件(22)的MIG焊接。所述MIG焊接系统连接保护气装置，达到对焊接过程的对空气隔绝的目的。
激光焊接系统包括激光器(14)、激光头(17)、机械臂(18)。所述激光器安装在机械臂上，用于对工件(22)的激光焊接，通过激光器(14)控制激光焊接的相关参数。
超声振动焊接系统包括超声振头(9)、超声发生器(8)、行走机构(7)以及焊接电源(6)，此焊接系统用于对工件(22)进行超声振动。将超声振头(9)与超声发生器(8)放置在行走机构(7)，通过焊接电源控制超声发生时间、振动频率、输出功率、波形、对工件施加压力大小参数；通过控制系统控制行走机构的行走速度，与焊接速度相匹配，达到超声振头随焊移动。
TIG焊接焊机外壳接地，电缆直径大于14mm，并在机器臂(4)上放置环氧树脂板隔绝电线与机械臂(4)的接触。
各焊接系统相互独立，可单独使用，也可组合使用，根据所焊工件材料及形状选取合适的复合焊接方法，实现对焊接工件的的高效连接，减少焊接缺陷，甚至抑制焊接缺陷的产生，特别涉及气孔缺陷。通过计算机系统集中调控各焊接系统，依据计算机控制中心的命令，各焊接系统自动调试并开启。
一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接方法，该方法主要是指利用激光-双电弧复合焊接设备对焊件进行焊接，通过选取合适的焊接手段，并控制焊接方法和焊接参数，使得熔池凝固速度变慢，气孔缺陷减少。主要包括以下步骤：
步骤一：根据待焊母材的材料及形状选取合理的焊接方法对母材的表面进行打磨并将其用夹具固定在工作台上。
步骤二：通过计算机控制系统综合调控各个焊接系统，并打开所需焊接系统的相关设备。
步骤三：调整所需焊接系统的位置及其角度，利用控制系统控制机械臂移动TIG焊枪、MIG焊枪或者激光器，利用控制系统控制行走机构来控制超声装置移动到起始位置。
步骤四：开启保护气，设置所需焊接系统相关焊接参数并开始焊接。
步骤五：焊接结束后，首先关闭焊接系统的电源，再关闭保护气电源，汉奸随温冷却。
进一步地，所述多种焊接方法耦合的焊接系统的开启顺序为“保护气-TIG焊枪、MIG焊枪及激光器-超声焊接设备”，焊接系统的关闭顺序与开启顺序相反。
进一步地，所示焊接设备的相对位置为，TIG、MIG焊枪与激光器在工件上方，超声波探头放置在所焊材料的下方。根据所焊合金接头的形状，将MIG焊枪、TIG焊枪、激光器以一定角度和一定距离复合在一起，并确定TIG-激光-MIG之间的距离、TIG及MIG焊枪的倾角等。
进一步地，依据待焊材料的特性，选择合理的焊接参数，通过调节焊接电弧的焊接电流、焊枪与激光器之间的相对距离，来调整各个热源之间的耦合效应，熔化极气体保护焊枪和非熔化极气体保护焊枪中保护气体为高纯度氩气Ar≥99.99％，气体流量为5L/min～20L/min。
本发明的优点和有益效果为：
采用超声辅助激光-双电弧复合焊接方式焊接铝合金，双电弧的加入克服了单电弧焊接过程中常见的飞溅、变形和间隙桥接差等问题，而且两电弧之间保持有一定距离，可避免单电弧产生的磁场对另一电弧的干扰，同时TIG电弧也起到了焊前预热的作用，母材经预热后软化，其塑性提高并且有助于粉碎母材表面的氧化物，降低熔池冷却速度，从而改善焊后焊接接头的质量以及减少气孔缺陷。同时激光的存在降低了电弧电阻和电压，增强了电流传导和电弧稳定。利用超声波在固液界面的声空化效应和在液态金属中的声流效应，能够有效抑制熔池中的气孔，同时加快气孔逸出，从而达到抑制气孔缺陷的目的。
附图说明
图1为超声辅助激光-双电弧焊接设备图；
图2为超声辅助激光-双电弧焊接方法示意图；
图3为焊接过程流程图。
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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
图中：1-计算机控制系统；5-工作台
TIG焊接系统：2-TIG电源；4-控制TIG焊枪机械臂；15-送丝机；16-TIG焊枪；
MIG焊接系统：10-MIG焊枪；11-控制MIG焊枪机械臂；13-MIG电源；
激光焊接系统：14-激光器；17-激光头；18-控制激光器机械臂；
超声控制系统：6-焊接电源；7-行走机构；8-超声发生器；9-超声振头；
保护气装置：3-TIG保护气瓶；12-MIG保护气瓶
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施示例进一步说明本发明的技术方案。应当说明的是，以下实例仅为解释本发明的示例，不能将其作为本发明的限制。
以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
如图1所示。本发明公开了一种一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备，包括计算机控制系统1、非熔化极气体保护焊接(TIG焊接)系统、熔化极气体保护焊接(MIG焊接)系统、激光焊接系统、超声振动焊接系统、保护气以及焊接工作台5等；
所述计算机控制系统连接TIG焊接系统、MIG焊接系统、激光焊接系统以及超声振动焊接系统；
TIG焊接系统包括TIG焊枪16、机械臂4、送丝机构15、TIG电源2，所述TIG焊枪16安装在机械臂上，实现TIG焊枪位置的可调性；所述送丝机构15固定在机械臂4上，通过TIG控制系统综合控制TIG焊接的参数与送丝机构的送丝速度。所述TIG焊接系统连接保护气装置；其中TIG焊接系统中焊机外壳接地，电缆直径大于14mm，并在机器臂4上放置环氧树脂板隔绝电线与机械臂4的接触；
MIG焊接系统包括MIG焊枪10、机械臂11、MIG电源13，所述MIG焊枪安装在机械臂11上，用于对工件22的MIG焊接；所述MIG焊接系统连接保护气装置，达到对焊接过程的对空气隔绝的目的；
激光焊接系统包括激光器14、激光头17、机械臂18；所述激光器安装在机械臂上，用于对工件22的激光焊接，通过激光器14控制激光焊接的相关参数；
超声振动焊接系统包括超声振头9、超声发生器8、行走机构7以及焊接电源6，此焊接系统用于对工件22进行超声振动；将超声振头9与超声发生器8放置在行走机构7，通过焊接电源控制超声发生时间、振动频率、输出功率、波形、对工件施加压力大小参数；通过控制系统控制行走机构的行走速度，与焊接速度相匹配，达到超声振头随焊移动。
各焊接系统相互独立，可单独使用，也可组合使用，根据所焊工件材料及形状选取合适的复合焊接方法，实现对焊接工件的的高效连接，减少焊接缺陷，甚至抑制焊接缺陷的产生，特别涉及气孔缺陷；通过计算机系统集中调控各焊接系统，依据计算机控制中心的命令，各焊接系统自动调试并开启。
应用于一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接方法，包括以下步骤：
1)所述铝合金型号为5083，两块铝合金板尺寸100mm×50mm×10mm，根据铝合金易氧化的特性，选取“TIG电弧-激光-MIG电弧-激光”是个能量场耦合的焊接方法。用60#，200#，400#，800#的砂纸打磨铝合金，直至氧化膜去除干净，用质量分数为5％的NaOH溶液和质量分数为30％的HNO3溶液各清洗3min以达到去除油污的目的，清水冲洗，放入烘干箱干燥备用；
2)将步骤1)所得的铝合金采用平板对接方式进行焊接，保证接头处对齐、无错边，后用夹具固定在工作台上；打开所需焊接方法的相关设备；
3)采用电弧-激光-电弧的方式调整焊枪及激光器位置，并设置焊接参数；
进一步地，前端焊枪的电弧采用的是直流正接TIG电弧，后端焊枪的电弧采用的是直流反接的MIG电弧。所述焊接方式为平板焊接。根据所焊铝合金接头的形状，将MIG焊枪、TIG焊枪以及激光束以一定角度和一定距离复合在一起，并确定TIG-激光-MIG之间的距离、TIG及MIG焊枪的倾角、TIG及MIG焊接电流等；进一步地，通过调节前端电弧的焊接电流以及两焊枪与激光束之间的距离，来调整前后端电弧以及激光的耦合效应；
具体地，如图3所示，将激光束偏转10°；两个焊枪均与工作台呈60°；将激光功率设置为1000W；离焦率L＝0mm；TIG焊接电流为220A；MIG焊接电流180A；焊接电压为22V；焊接速度为0.5m/min，送丝速度1m/min；前端TIG焊枪与激光束距离为3mm；
进一步地，熔化极气体保护焊枪和非熔化极气体保护焊枪中保护气体为高纯度氩气Ar≥99.99％，气体流量为20L/min；
4)将超声振头移动至工件开始焊接的位置，与之接触，随焊振动并设置超声振动参数，利用控制系统控制行走机构来达到控制超声移动到开始位置。
具体地，将超声波变幅杆压力设置为30N；超声波工具头的振动频率为20KHz；超声波工具头的电源的输出功率为1000W；
5)启动焊接设备和超声振动设备，进行激光-双电弧复合焊接；
6)焊件随温冷却至室温。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接设备，包括计算机控制系统(1)、非熔化极气体保护焊接(TIG焊接)系统、熔化极气体保护焊接(MIG焊接)系统、激光焊接系统、超声振动焊接系统、保护气以及焊接工作台(5)等；
所述计算机控制系统连接TIG焊接系统、MIG焊接系统、激光焊接系统以及超声振动焊接系统；
TIG焊接系统包括TIG焊枪(16)、机械臂(4)、送丝机构(15)、TIG电源(2)，所述TIG焊枪(16)安装在机械臂上，实现TIG焊枪位置的可调性；所述送丝机构(15)固定在机械臂(4)上，通过TIG控制系统综合控制TIG焊接的参数与送丝机构的送丝速度。所述TIG焊接系统连接保护气装置；
MIG焊接系统包括MIG焊枪(10)、机械臂(11)、MIG电源(13)，所述MIG焊枪安装在机械臂(11)上，用于对工件(22)的MIG焊接；所述MIG焊接系统连接保护气装置，达到对焊接过程的对空气隔绝的目的；
激光焊接系统包括激光器(14)、激光头(17)、机械臂(18)；所述激光器安装在机械臂上，用于对工件(22)的激光焊接，通过激光器(14)控制激光焊接的相关参数；
超声振动焊接系统包括超声振头(9)、超声发生器(8)、行走机构(7)以及焊接电源(6)，此焊接系统用于对工件(22)进行超声振动；将超声振头(9)与超声发生器(8)放置在行走机构(7)，通过焊接电源控制超声发生时间、振动频率、输出功率、波形、对工件施加压力大小参数；通过控制系统控制行走机构的行走速度，与焊接速度相匹配，达到超声振头随焊移动。
2.根据权利要求1所述的TIG焊接系统中焊机外壳接地，电缆直径大于14mm，并在机器臂(4)上放置环氧树脂板隔绝电线与机械臂(4)的接触。
3.根据权利要求1所述的各焊接系统相互独立，可单独使用，也可组合使用，根据所焊工件材料及形状选取合适的复合焊接方法，实现对焊接工件的的高效连接，减少焊接缺陷，甚至抑制焊接缺陷的产生，特别涉及气孔缺陷；通过计算机系统集中调控各焊接系统，依据计算机控制中心的命令，各焊接系统自动调试并开启。
4.一种抑制气孔缺陷的超声辅助激光-双电弧复合焊接方法，该方法主要是指利用激光-双电弧复合焊接设备对焊件进行焊接，通过选取合适的焊接手段，并控制焊接方法和焊接参数，使得熔池凝固速度变慢，气孔缺陷减少；主要包括以下步骤：
步骤一：根据待焊母材的材料及形状选取合理的焊接方法对母材的表面进行打磨并将其用夹具固定在工作台上；
步骤二：通过计算机控制系统综合调控各个焊接系统，并打开所需焊接系统的相关设备；
步骤三：调整所需焊接系统的位置及其角度，利用控制系统控制机械臂移动TIG焊枪、MIG焊枪或者激光器，利用控制系统控制行走机构来控制超声装置移动到起始位置；
步骤四：开启保护气，设置所需焊接系统相关焊接参数并开始焊接；
步骤五：焊接结束后，首先关闭焊接系统的电源，再关闭保护气电源，焊件随温冷却。
5.根据权利要求4所述的多种焊接方法耦合的焊接系统的开启顺序为“保护气-TIG焊枪、MIG焊枪及激光器-超声焊接设备”，焊接系统的关闭顺序与开启顺序相反；焊接设备的相对位置为，TIG、MIG焊枪与激光器在工件上方，超声波探头放置在所焊材料的下方；根据所焊合金接头的形状，将MIG焊枪、TIG焊枪、激光器以一定角度和一定距离复合在一起，并确定TIG-激光-MIG之间的距离、TIG及MIG焊枪的倾角等。
6.根据权利要求4所述的焊接方法，依据待焊材料的特性，选择合理的焊接参数，通过调节焊接电弧的焊接电流、焊枪与激光器之间的相对距离，来调整各个热源之间的耦合效应。
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