CN113909678A - 一种用于铝合金激光焊接的焊接系统及表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括工作台、表面加工装置、激光焊接装置以及电弧焊装置。通过表面加工装置中滚轮上的硬质颗粒层破坏铝合金的表面氧化膜，增加其表面粗糙度，有效降低铝合金表面对激光的反射作用，稳定其焊接过程，得到美观无缺陷的焊缝。同时本发明使用上述激光焊接系统还提供了铝合金待焊部件的表面处理方法，改变铝合金激光或激光‑电弧焊复合焊接使用的传统表面处理方法，实现了在铝合金焊接过程中待焊部件表面的实时处理即表面处理与焊接过程可同步进行，避免表面前处理与焊接工序间隔过长造成的重复处理，本发明表面处理方法简单易操作，减少焊接前处理工序，提高焊接质量。

Description

一种用于铝合金激光焊接的焊接系统及表面处理方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种用于铝合金激光焊接的焊接系统及表面处理方法。

背景技术

随着高功率激光器的出现及不断发展，激光及激光电弧复合焊接技术在铝合金焊接领域得到了很大的发展。由于铝合金的高导热率、低电离能以及对激光反射等特性，导致铝合金的焊接过程稳定性很差，最终导致焊缝成形较差、熔深波动较大，焊缝气孔率较高等问题，因此在对铝合金进行激光焊接时，必须进行表面处理。铝合金焊前表面处理的方法分为机械法、化学法及激光处理方法；机械法主要包含打磨、喷丸及喷砂处理等，工作量大且效率低；化学法需要使用腐蚀剂，可能造成人身伤害及存在环境污染风险；激光处理法需要添加额外的激光源，成本较高。另外传统的表面处理方法处理后的铝合金部件需要在规定时间内完成焊接，否则部件表面容易再次生成氧化膜，从而需要二次甚至多次处理，容易造成重复加工及浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于铝合金激光焊接的焊接系统及表面处理方法，以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括工作台、表面加工装置、激光焊接装置以及电弧焊装置，所述工作台用于固定待焊部件且待焊部件之间预留有焊缝，所述表面加工装置包括滚轮以及液压控制机构，所述滚轮抵接在待焊部件上且位于焊缝的顶端，所述液压控制机构输出端设置在滚轮的顶端，所述滚轮的外表面设置有硬质颗粒层，所述激光焊接装置、电弧焊装置沿与焊接方向相反的方向依次设置在表面加工装置的一侧。

在上述技术方案基础上，所述表面加工装置、激光焊接装置以及电弧焊装置之间位置相对固定设置且同步运动。

在上述技术方案基础上，还包括用于除去金属碎屑的吹风装置，所述吹风装置包括气源与喷嘴，所述喷嘴一端与气源连接，另一端对应设置在滚轮与激光焊接装置之间。

在上述技术方案基础上，还包括振动器，所述振动器设置在液压控制机构上。

在上述技术方案基础上，还包括用于辊压焊接后焊缝的压轮装置，所述压轮装置设置在电弧焊装置沿与焊接方向相反的方向一侧。

在上述技术方案基础上，所述硬质颗粒层包括多个凸起的耐磨颗粒，所述耐磨颗粒均匀排布在滚轮的外侧壁上。

在上述技术方案基础上，所述耐磨颗粒的形状设置为四面体、六面体以及多面体的一种或多种。

另一方面，本发明还提供了一种用于铝合金激光焊接的表面处理方法，使用上述用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括以下步骤：

步骤一：将至少两个待焊部件固定安装在工作台上，调节待焊部件之间焊接间隙的大小，定义焊接方向；

步骤二：在待焊部件顶端沿与焊接方向相反的方向依次设置激光焊接装置以及电弧焊装置，并调整两者之间的位置以及焊接参数，以满足焊接工艺要求为准；

步骤三：在待焊部件顶端设置表面加工装置，表面加工装置设置激光焊接装置沿焊接方向的一侧，且与激光焊接装置以及电弧焊装置的位置相对固定设置，滚轮与焊缝两侧的待焊部件表面抵接，通过液压控制机构调整滚轮的位置并施加其上一定的压力；

步骤四：启动表面加工装置、激光焊接装置以及电弧焊装置，沿焊接方向运动过程中，滚轮在液压控制机构施加的压力作用下，其上的硬质颗粒层作用与于待焊部件的表面，将待焊部件的表面氧化膜破坏，增加待焊部件的表面粗糙度，随后激光焊接装置与电弧焊装置对待焊部件进行焊接，得到美观无缺陷的焊缝。

在上述技术方案基础上，步骤二中将激光焊接装置中激光倾角设置为0°～15°；电弧焊装置中焊炬与工作台夹角设置为40°～65°，光丝间距设置为2mm～4mm。

在上述技术方案基础上，步骤四中焊接时通过压轮装置对已焊接的焊缝进行辊压处理。

本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：

1、本发明中通过在激光焊接装置与电弧焊装置的一侧设置有表面加工装置，对待焊部件进行表面处理与加工，通过滚轮上的硬质颗粒层破坏铝合金的表面氧化膜，增加其表面粗糙度，有效降低铝合金表面对激光的反射作用，稳定其焊接过程，得到美观无缺陷的焊缝。同时本发明使用上述激光焊接系统还提供了铝合金待焊部件的表面处理方法，改变铝合金激光或激光-电弧焊复合焊接使用的传统表面处理方法，实现了在铝合金焊接过程中待焊部件表面的实时处理即表面处理与焊接过程可同步进行，避免表面前处理与焊接工序间隔过长造成的二次或多次处理，避免重复加工操作和资源浪费；本发明表面处理方法简单易操作，减少焊接前处理工序，并且提高了铝合金的焊接质量。

2、本发明中在表面加工装置上集成有吹风装置，可以将滚轮对待焊部件产生的金属碎屑及时清理，防止生成杂质等焊接缺陷。

3、通过在表面加工装置上集成有振动器，可以增加滚轮在待焊部件上的压力，有利于铝合金表面的氧化膜的破损，增加待焊部件表面的粗糙度，方便后续焊接操作，焊接质量好。

4、通过在待焊部件上设置有压轮装置，可以对激光或激光-电弧焊复合焊接后的焊缝进行辊压处理，可有效降低焊接残余应力，改善焊缝强度。

附图说明

图1是本发明中实施例一的结构示意图；

图2是本发明中激光焊接装置与电弧焊装置倾斜角度示意图；

图3是本发明中待焊部件坡口类型示意图，其中图3a为无坡口待焊部件，图3b为V型坡口部件；

图4是本发明中滚轮的结构示意图；

图5是本发明中实施例二的结构示意图；

图6是本发明中实施例四的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

一方面，如图1至图4所示，本发明提供了一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括工作台、表面加工装置1、激光焊接装置2以及电弧焊装置3，所述工作台用于固定待焊部件4且待焊部件4之间预留有焊缝5，所述表面加工装置1包括滚轮11以及液压控制机构12，所述滚轮11抵接在待焊部件4上且位于焊缝5的顶端，所述液压控制机构12输出端设置在滚轮11的顶端，所述滚轮11的外表面设置有硬质颗粒层13，所述激光焊接装置2、电弧焊装置3沿与焊接方向相反的方向依次设置在表面加工装置1的一侧。需要说明的是，所述液压控制机构12设置在滚轮11顶端且向滚轮11施加压力，具体的，所述液压控制机构12可以通过支撑架14设置在滚轮11顶端，所述滚轮11与支撑架14转动连接，液压控制机构12即可在不影响滚轮11正常移动的情况下对滚轮11施加一定的压力，对待焊部件4的表面氧化膜进行处理；其中所述液压控制机构12可选用齿轮泵或柱塞泵。

需要说明的是，焊接方向是根据激光焊接装置2与电弧焊装置3焊接前进的方向进行定义的，是为了方便技术方案的描述和理解，并不构成对本申请技术方案的限制；所述激光焊接装置2以及电弧焊装置3可直接从现有技术中获得，并不局限于某种特殊的焊接装置。更优选的，本申请中激光焊接装置2选用光纤激光器，最大功率为10Kw，激光倾角为0°～15°，电弧焊装置3中焊炬与工作台夹角为40°～60°，光丝间距2mm～4mm，如图2所示。

在上述技术方案基础上，所述表面加工装置1、激光焊接装置2以及电弧焊装置3之间位置相对固定设置且同步运动；焊接时增加焊接稳定性，改善焊接焊缝质量。可以理解的是，所述表面加工装置1、激光焊接装置2以及电弧焊装置3上均设置有控制装置，方便对其位置进行调整以及控制其在焊接过程中沿焊接方向的位置移动，控制装置可设置为龙门行走机构，可从现有技术中获得。

在上述技术方案基础上，如图4所示，所述硬质颗粒层13包括多个凸起的耐磨颗粒131，所述耐磨颗粒131均匀排布在滚轮11的外侧壁上。耐磨颗粒131可以破坏待焊部件4的表面氧化膜，增加表面粗糙度，降低铝合金表面对激光的反射作用，稳定焊接过程，焊缝质量好。所述耐磨颗粒131可以通过在滚轮11上加工、喷涂或粘附等方式固定设置在滚轮11表面，形成凸起的硬质颗粒,13；更优选的，所述耐磨颗粒131的形状设置为四面体、六面体以及多面体的一种或多种，即可以使用单一形状的耐磨颗粒131对待焊部件进行表面处理，也可以使用多种形状的耐磨颗粒131，氧化膜破坏效果更好，焊接更稳定。另外硬质颗粒层13也可以使用增摩涂层，通过喷枪，借助压力或离心力，将金刚石颗粒或其他耐磨损颗粒施涂于滚轮表面。

本发明中通过在激光焊接装置2与电弧焊装置3的一侧设置有表面加工装置1，对待焊部件4进行表面处理与加工，通过滚轮11上的硬质颗粒层13破坏铝合金的表面氧化膜，增加其表面粗糙度，有效降低铝合金表面对激光的反射作用，稳定其焊接过程，得到美观无缺陷的焊缝。

另一方面，本发明还提供了一种用于铝合金激光焊接的表面处理方法，使用上述用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括以下步骤：

步骤一：将至少两个待焊部件4固定安装在工作台上，调节待焊部件4之间焊接间隙的大小，定义焊接方向；具体的，所述待焊部件4之间焊接间隙的大小设置为0.3mm～2mm。

步骤二：在待焊部件4顶端沿与焊接方向相反的方向依次设置激光焊接装置2以及电弧焊装置3，并调整两者之间的位置以及焊接参数，以满足焊接工艺要求为准；更优选的，所述激光焊接装置2采用光纤激光器，最大功率为10Kw，激光倾角设置为0°～15°，电弧焊装置3中焊炬与工作台夹角设置为40°～65°，光丝间距设置为2mm～4mm，如图2所示，其中光丝间距是指在激光焊与电弧焊的复合焊接方式中，以激光光斑中心到焊丝端头与工件表面接触点的距离。

步骤三：在待焊部件4顶端设置表面加工装置1，表面加工装置1设置激光焊接装置2沿焊接方向的一侧，且与激光焊接装置2以及电弧焊装置3的位置相对固定设置，滚轮11与焊缝5两侧的待焊部件4表面抵接，通过液压控制机构12调整滚轮11的位置并施加其上一定的压力；具体的，滚轮11上施加的压力值范围为0N～1KN。

步骤四：启动表面加工装置1、激光焊接装置2以及电弧焊装置3，沿焊接方向运动过程中，滚轮11在液压控制机构12施加的压力作用下，其上的硬质颗粒层13作用与于待焊部件4的表面，将待焊部件4的表面氧化膜破坏，增加待焊部件4的表面粗糙度，随后激光焊接装置2与电弧焊装置3对待焊部件4进行焊接，得到美观无缺陷的焊缝。

更优选的，步骤一中待焊部件4为V型坡口或者带有其他形状的坡口的工件时，将滚轮11的形状进行预加工，使其与待焊部件4的形状相适配，增强本发明焊接系统的适用性。如图3所示，图3a中为无坡口的待焊部件剖面示意图，图3b中带有V型坡口的待焊部件剖面示意图。

同时本发明使用上述激光焊接系统还提供了铝合金待焊部件的表面处理方法，改变铝合金激光或激光-电弧焊复合焊接使用的传统表面处理方法，实现了在铝合金焊接过程中待焊部件4表面的实时处理即表面处理与焊接过程可同步进行，避免表面前处理与焊接工序间隔过长造成的二次或多次处理，避免重复加工操作和资源浪费；本发明表面处理方法简单易操作，减少焊接前处理工序，并且提高了铝合金的焊接质量。

实施例二

在上述技术方案基础上，如图5所示，还包括用于除去金属碎屑的吹风装置6，所述吹风装置6包括气源与喷嘴61，所述喷嘴61一端与气源连接，另一端对应设置在滚轮11与激光焊接装置2之间；可以将滚轮对待焊部件产生的金属碎屑及时清理，防止生成杂质等焊接缺陷。具体的，所述吹风装置6上的气源(图中未示出)与激光焊接装置2可以共用一套保护气供应系统，保护气气体采用氩气和氦气的组合惰性气体，吹风装置的喷嘴61对应设置在滚轮11与激光焊接装置1之间的位置一侧，从侧面吹走待焊部件4表面上在滚轮11碾压后可能产生的金属碎屑。

另一方面，本实施例中用于铝合金激光焊接的表面处理方法与实施例一基本相同，不同的是，在步骤四中启动表面加工装置1时同时启动吹风装置6，对滚轮11碾压过的待焊部件4的表面可能产生的金属碎屑进行及时清理，避免产生焊接缺陷，影响焊接加工质量。

实施例三

在上述技术方案基础上，还包括振动器(图中未示出)，所述振动器设置在液压控制机构12上；其振动方向与液压控制机构12向滚轮施加压力平行的方向上进行上下振动，振动方向如图5中箭头所示，可以增加滚轮11在待焊部件4上的压力，有利于铝合金表面的氧化膜的破损，增加待焊部件4表面的粗糙度，方便后续焊接操作，焊接质量好。具体的，所述振动器采用液压振动马达，可从现有技术中获得，此处不再赘述。

另一方面，本实施例中用于铝合金激光焊接的表面处理方法与实施例一基本相同，不同的是，在步骤四中启动表面加工装置1时根据需要可随时启动振动器，有利于对铝合金表面氧化膜的去除，方便后续焊接加工。

实施例四

在上述技术方案基础上，如图6所示，还包括用于辊压焊接后焊缝5的压轮装置7，所述压轮装置7设置在电弧焊装置3沿与焊接方向相反的方向一侧；可以对激光或激光-电弧焊复合焊接后的焊缝5进行辊压处理，可有效降低焊接残余应力，改善焊缝强度。具体的，所述压轮装置7与表面加工装置1具有类似的结构，不同的是压轮装置7中的压轮表面光滑，不设置硬质颗粒层，并且压轮的尺寸较滚轮11大，可以保证其将焊缝完全覆盖，保证辊压效果。

另一方面，用于铝合金激光焊接的表面处理方法在实施例一的基础上，步骤四中还包括焊接时通过压轮装置7对焊接后的焊缝5进行辊压处理；可以有效降低焊接残余应力，提升焊缝强度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，包括工作台、表面加工装置(1)、激光焊接装置(2)以及电弧焊装置(3)，所述工作台用于固定待焊部件(4)且待焊部件(4)之间预留有焊缝(5)，所述表面加工装置(1)包括滚轮(11)以及液压控制机构(12)，所述滚轮(11)抵接在待焊部件(4)上且位于焊缝(5)的顶端，所述液压控制机构(12)输出端设置在滚轮(11)的顶端，所述滚轮(11)的外表面设置有硬质颗粒层(13)，所述激光焊接装置(2)、电弧焊装置(3)沿与焊接方向相反的方向依次设置在表面加工装置(1)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，所述表面加工装置(1)、激光焊接装置(2)以及电弧焊装置(3)之间位置相对固定设置且同步运动。

3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，还包括用于除去金属碎屑的吹风装置(6)，所述吹风装置(6)包括气源与喷嘴(61)，所述喷嘴(61)一端与气源连接，另一端对应设置在滚轮(11)与激光焊接装置(2)之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，还包括振动器，所述振动器设置在液压控制机构(12)上。

5.根据权利要求4所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，还包括用于辊压焊接后焊缝(5)的压轮装置(7)，所述压轮装置(7)设置在电弧焊装置(3)沿与焊接方向相反的方向一侧。

6.根据权利要求1所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，所述硬质颗粒层(13)包括多个凸起的耐磨颗粒(131)，所述耐磨颗粒(131)均匀排布在滚轮(11)的外侧壁上。

7.根据权利要求6所述的一种用于铝合金激光焊接的焊接系统，其特征在于，所述耐磨颗粒(131)的形状设置为四面体、六面体以及多面体的一种或多种。

8.一种用于铝合金激光焊接的表面处理方法，其特征在于，使用权利要求5所述的用于铝合金激光焊接的焊接系统，包括以下步骤：

步骤一：将至少两个待焊部件(4)固定安装在工作台上，调节待焊部件(4)之间焊接间隙的大小，定义焊接方向；

步骤二：在待焊部件(4)顶端沿与焊接方向相反的方向依次设置激光焊接装置(2)以及电弧焊装置(3)，并调整两者之间的位置以及焊接参数，以满足焊接工艺要求为准；

步骤三：在待焊部件(4)顶端设置表面加工装置(1)，表面加工装置(1)设置激光焊接装置(2)沿焊接方向的一侧，且与激光焊接装置(2)以及电弧焊装置(3)的位置相对固定设置，滚轮(11)与焊缝(5)两侧的待焊部件(4)表面抵接，通过液压控制机构(12)调整滚轮(11)的位置并施加其上一定的压力；

步骤四：启动表面加工装置(1)、激光焊接装置(2)以及电弧焊装置(3)，沿焊接方向运动过程中，滚轮(11)在液压控制机构(12)施加的压力作用下，其上的硬质颗粒层(13)作用与于待焊部件(4)的表面，将待焊部件(4)的表面氧化膜破坏，增加待焊部件(4)的表面粗糙度，随后激光焊接装置(2)与电弧焊装置(3)对待焊部件(4)进行焊接，得到美观无缺陷的焊缝。

9.根据权利要求8所述的一种用于铝合金激光焊接的表面处理方法，其特征在于，步骤二中将激光焊接装置(2)中激光倾角设置为0°～15°；电弧焊装置(3)中焊炬与工作台夹角设置为40°～65°，光丝间距设置为2mm～4mm。

10.根据权利要求8所述的一种用于铝合金激光焊接的表面处理方法，其特征在于，步骤四中焊接时通过压轮装置(7)对已焊接的焊缝(5)进行辊压处理。

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