CN114951869B - 一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置，卷对接接头包括两个卷对接板，两个卷对接板之间形成对接缝，方法包括以下步骤：S1、在两个卷对接板的上方设置焊枪、第一激光器和第二激光器，在焊接方向上第一激光器位于第二激光器前方，第二激光器的功率小于第一激光器，在对接缝的两侧分别设置一个滚动电极，两个滚动电极从下方分别与两个卷对接板贴合；S2、将钎料焊丝送入到对接缝中；S3、启动第一激光器、第二激光器、焊枪和滚动电极并沿焊接方向移动，在移动过程中旋转第二激光器，从而对两个卷对接板进行焊接。本发明提供的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置，能保证卷对接接头的力学性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体为一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置。
背景技术
激光填丝钎焊是指利用激光在很短的时间内实现对接头处的局部加热，使钎料熔化并填充接头间隙，从而完成材料的相互连接。然而，激光填丝钎焊过程容易出现缺陷，废品率较高，缺陷包括接头未焊合、钎料未铺展、焊缝断续、焊缝不均匀、出现气孔及孔洞等。而且激光填丝钎焊过程中固体钎料焊丝对激光能量的反射率较高，导致能量吸收率低、钎焊效率低。
采用激光作为钎焊热源，直接对钎料及母材表面进行加热，其功率密度高、加热速度快，但激光光斑直径较小，因此激光的加热区域较小，而液态钎料温度较高，但此时母材表面的加热主要通过钎料的热传导进行，温度升高缓慢，液态钎料难以在焊接工件表面润湿铺展。焊接过程温度的变化直接影响钎料的熔化铺展，从而决定了钎缝成形及接头性能。液态钎料在母材表面存在时间过短往往会影响到钎料与母材金属的充分铺展及液态钎料与母材金属间的扩散。母材表面上的温度梯度和钎料液滴形状是钎料内部流动的主导因素，钎料温度与母材温度共同决定了钎料的铺展性能。
公开号为CN109420812A的利用激光束和填充焊丝之间的相对移动进行金属工件的激光钎焊的专利，公开了一种沿着在第一金属工件和第二金属工件之间形成的接合缝对金属工件组件进行激光钎焊的方法包括使激光束沿着接合缝前进，同时将填充焊丝进给到激光束中以熔化填充焊丝的被激光束照射的前端，从而在接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料。此种方法应用到钎焊卷对接接头有下列问题：在钎缝下部，钎料与母材的界面之间会出现空隙，钎料没有在母材上润湿。这是由于传热条件的不同，在单光束加热情况下，同一接头的不同部位，温度分布差异很大，由于激光加热时间短暂，熔化的钎料与冷态的母材相接触时，钎料迅速冷却，在此过程中钎料表面张力增大，在与母材表面发生润湿铺展前凝固。而且钎缝下部分为钎料与母材结合的薄弱区域，这样的焊接接头的力学性能会较低。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置，通过第一激光器和第二激光器对钎料的加热以及第二激光器对钎料的搅拌，减小液态钎料与焊接工件的温度梯度，延长钎料处于高温区的时间，提高液态钎料流动速度，实现激光能量在焊接方向上的延长和均匀化，提高钎料的润湿铺展性，提高激光能量的利用率，保证卷对接接头的力学性能良好。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，卷对接接头包括两个卷对接板，两个卷对接板之间形成对接缝，方法包括以下步骤：
S1、在两个卷对接板的上方设置焊枪、第一激光器和第二激光器，在焊接方向上第一激光器位于第二激光器前方，第二激光器的功率小于第一激光器，在对接缝的两侧分别设置一个滚动电极，两个滚动电极从下方分别与两个卷对接板贴合；
S2、将钎料焊丝送入到对接缝中；
S3、启动第一激光器、第二激光器、焊枪和滚动电极并沿焊接方向移动，在移动过程中旋转第二激光器，从而对两个卷对接板进行焊接。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法的进一步优化：S1的具体步骤为：
S101、将焊枪、第一激光器和第二激光器设置在两个卷对接板的上方，并调整第一激光器和第二激光器的光斑的位置；
S102、对滚动电极施加压力，使滚动电极与卷对接板贴合；
S103、将滚动电极和卷对接板对应电性连接在电流施加子系统上；
S104、将焊枪和钎料焊丝连接在电源上。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法的进一步优化：S3的具体步骤为：
S301、启动第一激光器、第二激光器、滚动电极和焊枪；
S302、控制第一激光器和第二激光器沿焊接方向移动，第一激光器熔化钎料焊丝，在移动过程中第二激光器做旋转运动，第二激光器加热并搅拌熔化后的钎料焊丝；
S303、控制滚动电极随第一激光器同步移动；
S304、对两个卷对接板进行焊接。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法的进一步优化：第二激光器以O字型或8字型做旋转运动。
一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，基于上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，装置包括所述第一激光器、所述第二激光器、所述焊枪和两个所述滚动电极，第一激光器、第二激光器和焊枪均设置在两个所述卷对接板上方，第二激光器连接有旋转装置，两个滚动电极分别滑动设置在两个卷对接板上，滚动电极电性连接有电力控制系统，电力控制系统与卷对接板电性连接，焊枪电性连接有电源，电源与所述钎料焊丝电性连接。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置的进一步优化：所述滚动电极与所述电力控制系统之间电性连接有电极臂。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置的进一步优化：所述电力控制系统包括电流施加子系统和电极压力控制子系统，电流施加子系统和电极压力控制子系统均与所述滚动电极电性连接，电流施加子系统与所述卷对接板电性连接。
作为上述一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置的进一步优化：两个所述滚动电极共同连接有用于驱动滚动电极移动的运动控制系统。
有益效果是：本发明提供的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法及装置，第一激光器的第一激光束先对钎料焊丝进行加热，形成液态钎料，第二激光器做旋转运动，使液态钎料得到再次加热，同时第二激光器的第二激光束对液态钎料不断的搅拌，使得液态钎料流动速度增大，实现激光能量在焊接方向上的延长和均匀化，在对接缝长度方向上加热区域扩大，钎料处于高温的时间延长，提高钎料在上板面上的润湿铺展性，提高激光能量的利用率，保证卷对接接头的力学性能良好。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是激光填丝焊卷对接接头的焊缝横截面示意图；
图3是双束激光填丝焊卷对接接头的焊缝横截面示意图；
图4是采用本发明的方法焊接卷对接接接头的焊缝横截面示意图。
附图说明：1、电源，2、钎料焊丝，3、焊枪，4、第一激光器，5、第二激光器，6、卷对接板，7、滚动电极，8、电极臂，9、电力控制系统，10、运动控制系统，11、下板面，12、上板面，13、对接缝。
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。
请参阅图1至图4，一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，卷对接接头包括两个卷对接板6，两个卷对接板6之间形成对接缝13，方法包括以下步骤：
S1、在两个卷对接板6的上方设置焊枪3、第一激光器4和第二激光器5，在焊接方向上第一激光器4位于第二激光器5前方，第二激光器5的功率小于第一激光器4，在对接缝13的两侧分别设置一个滚动电极7，两个滚动电极7从下方分别与两个卷对接板6贴合。
S1的具体步骤为：
S101、将焊枪3、第一激光器4和第二激光器5设置在两个卷对接板6的上方，并调整第一激光器4和第二激光器5的光斑的位置。
S102、对滚动电极7施加压力，使滚动电极7与卷对接板6贴合。
S103、将滚动电极7和卷对接板6对应电性连接在电流施加子系统上。
S104、将焊枪3和钎料焊丝2连接在电源1上。
进行S1之前，对卷对接板6进行表面处理，去除卷对接板6表面杂质，并固定两个卷对接板6在工作台上。固定卷对接板6的位置之后，调整焊枪3、第一激光器4和第二激光器5的位置。第一激光器4和第二激光器5的距离为0.3mm～16mm，电流施加子系统的输出电流10～47000A，电源1的输出电流10～500A，对滚动电极7施加的电极压力为100～8000N。
卷对接板6包括上板面12和下板面11，两个上板面12之间形成对接缝13，焊枪3、第一激光器4和第二激光器5设置在上板面12的上方，两个滚动电极11分别与两个下板面11贴合。
S2、将钎料焊丝2送入两个卷对接板6形成的对接缝13中。
将钎料焊丝2送入两个上板面12之间的对接缝13中，送丝速度为0.1～10m/min。S3、启动第一激光器4、第二激光器5、焊枪3和滚动电极7并沿焊接方向移动，在移动过程中旋转第二激光器5，从而对两个卷对接板6进行焊接。
S3的具体步骤为：
S301、启动第一激光器4、第二激光器5、滚动电极7和焊枪3。
S302、控制第一激光器4和第二激光器5沿焊接方向移动，第一激光器4熔化钎料焊丝2，在移动过程中第二激光器5做旋转运动，第二激光器5加热并搅拌熔化后的钎料焊丝2。
第二激光器5以O字型或8字型做旋转运动。
S303、控制滚动电极7随第一激光器4同步移动。
S304、对两个卷对接板6进行焊接。
第一激光器4的功率为500～10000W，第二激光器5的功率为80～5000W，焊接速度为0.1m～10m/min，第二激光器5的水平旋转半径为0.1～8mm，第二激光器5的旋转频率为10-600Hz。
电流施加子系统通过滚动电极7向卷对接板6传导电流，卷对接板6内部产生热效应，钎料焊丝2熔化后为液态钎料，卷对接板6内部的热量能减小液态钎料与卷对接板6之间的温度梯度，延长液态钎料在高温区的时间，保证钎料有充足的时间与上板面12之间发生相互作用，增强两者的结合。
电源1对钎料焊丝2进行预热，可以降低焊丝钎料焊丝2对激光的反射，提高激光的能量利用率，而且焊枪3和钎料焊丝2均与电源1连接，由于焊枪3产生的电弧能量可随送丝速度的提高而提高，在增大送丝速度的情况下可不必显著增大激光能量，从而降低激光能量对卷对接板6的热输入。
第一激光器4在焊接方向上位于第二激光器5的前面，第一激光器4的第一激光束先对钎料焊丝2进行加热熔化，形成液态钎料，之后第二激光器2的第二激光束对熔化后的钎料焊丝2再次加热，由于第二份激光器5做旋转运动，第二激光器5的第二激光束不仅对液态钎料加热，同时还对液态钎料进行搅拌，使得液态钎料流动速度增大，实现激光能量在焊接方向上的延长和均匀化，在对接缝13方向上加热区域会扩大，钎料处于高温的时间延长，提高钎料在上板面12上的润湿铺展性。而且高温钎料对第二束激光的吸收率大大提高，增加了对第二束激光能量的利用率。
图2中采用一个激光器进行钎焊。由图2可知，在对接缝13的上部，上板面12与液态钎料之间结合良好，但在对接缝13下部，液态钎料与上板面12之间出现了空隙，液态钎料没有在上板面12上润湿。这是由于传热条件的不同，只有一个激光器时，在单光束加热情况下，激光器接头的不同部位，温度分布差异很大，由于激光加热时间短暂，液态钎料与冷态的卷对接板6相接触时，液态钎料迅速冷却，在此过程中钎料表面张力增大，在与上板面12发生润湿铺展前凝固。对接缝13下部分为液态钎料与上板面12结合的薄弱区域，这样的钎焊接头的力学性能较差。
图3中所采用的方法与本发明的方法相比，图3中的第二激光器5不做旋转运动。由图3可知，与图2相比，液态钎料润湿铺展的效果较好，对接缝13下部，液态钎料与上板面12之间出现的空隙减少。这是因为双束激光填丝钎焊可以实现激光能量在焊接方向上的延长和均匀化，第二激光器5的第二激光束可以对液态钎料再次加热，这样在对接缝13的长度方向上加热范围增加，液态钎料处于高温的时间延长。但是在对接缝13下部，液态钎料与上板面12之间的空隙仍然存在。
图4采用本发明提供的方法进行钎焊。由图4可知，与图3相比，液态钎料润湿铺展的效果更好，对接缝13下部，液态钎料与上板面12之间出现的空隙基本消失。这是因为电流施加子系统通过滚动电极7向卷对接板6传导电流，在卷对接板6内部的电流会产生热效应，减小了液态钎料与卷对接板6的温度梯度，延长液态钎料处于高温区的时间，使其有足够的时间与上板面12发生相互作用，增强结合。第一激光器4的第一激光束先对钎料焊丝2进行加热熔化，形成液态钎料，之后第二激光器5的第二激光束对液态钎料再次加热，同时由于第二激光器5做旋转运动，因此第二激光束对液态钎料不断的搅拌，使得液态钎料流动速度增大，实现激光能量在焊接方向上的延长和均匀化，这样在对接缝13长度方向上加热区域扩大，液态钎料处于高温的时间延长，进而提高液态钎料在工件表面上的润湿铺展性，最终获得成型良好的卷对接钎焊接头。
一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，基于上述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，装置包括所述第一激光器4、所述第二激光器5、所述焊枪3和两个所述滚动电极7，第一激光器4、第二激光器5和焊枪3均设置在两个所述卷对接板6上方，第二激光器5连接有旋转装置，两个滚动电极7分别滑动设置在两个卷对接板6上，滚动电极7电性连接有电力控制系统9，电力控制系统9与卷对接板6电性连接，焊枪3电性连接有电源1，电源1与所述钎料焊丝2电性连接。
装置中各个部件的参数从上述方法中的参数中选取。卷对接板6包括上板面12和下板面11，两个上板面12之间形成对接缝13，钎料焊丝2送入到两个上板面12之间的对接缝13中，第一激光器4、第二激光器5和焊枪3均设置在对接缝13的上方，两个滚动电极7分别与两个下板面11贴合，两个滚动电极7与第一激光器4位于同一垂直面上。焊枪3为TIG焊枪，电源1为TIG电源，卷对接板6为镀锌钢卷。
所述滚动电极7与所述电力控制系统9之间电性连接有电极臂8。
电极臂8用于支撑并夹持滚动电极7。
所述电力控制系统9包括电流施加子系统和电极压力控制子系统，电流施加子系统和电极压力控制子系统均与所述滚动电极7电性连接，电流施加子系统与所述卷对接板6电性连接。
电流施加子系统向滚动电极7和卷对接板6输出电流，电流施加子系统用于向滚动电极7施加压力，在不影响滚动电极7移动的情况下，使滚动电极7与卷对接板6贴合。
两个所述滚动电极7共同连接有用于驱动滚动电极7移动的运动控制系统10。
为了便于同时控制两个滚动电极7的移动，设置运动控制系统10与两个滚动电极7电性连接。
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 (8)
1.一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，卷对接接头包括两个卷对接板(6)，两个卷对接板(6)之间形成对接缝(13)，其特征在于：方法包括以下步骤：
S1、在两个卷对接板(6)的上方设置焊枪(3)、第一激光器(4)和第二激光器(5)，在焊接方向上第一激光器(4)位于第二激光器(5)前方，第二激光器(5)的功率小于第一激光器(4)，在对接缝(13)的两侧分别设置一个滚动电极(7)，两个滚动电极(7)从下方分别与两个卷对接板(6)贴合；
S2、将钎料焊丝(2)送入到对接缝(13)中；
S3、启动第一激光器(4)、第二激光器(5)、焊枪(3)和滚动电极(7)并沿焊接方向移动，在移动过程中旋转第二激光器(5)，从而对两个卷对接板(6)进行焊接。
2.如权利要求1所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，其特征在于：S1的具体步骤为：
S101、将焊枪(3)、第一激光器(4)和第二激光器(5)设置在两个卷对接板(6)的上方，并调整第一激光器(4)和第二激光器(5)的光斑的位置；
S102、对滚动电极(7)施加压力，使滚动电极(7)与卷对接板(6)贴合；
S103、将滚动电极(7)和卷对接板(6)对应电性连接在电流施加子系统上；
S104、将焊枪(3)和钎料焊丝(2)连接在电源(1)上。
3.如权利要求2所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，其特征在于：S3的具体步骤为：
S301、启动第一激光器(4)、第二激光器(5)、滚动电极(7)和焊枪(3)；
S302、控制第一激光器(4)和第二激光器(5)沿焊接方向移动，第一激光器(4)熔化钎料焊丝(2)，在移动过程中第二激光器(5)做旋转运动，第二激光器(5)加热并搅拌熔化后的钎料焊丝(2)；
S303、控制滚动电极(7)随第一激光器(4)同步移动；
S304、对两个卷对接板(6)进行焊接。
4.如权利要求3所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，其特征在于：第二激光器(5)以O字型或8字型做旋转运动。
5.一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，基于权利要求3所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的方法，其特征在于：装置包括所述第一激光器(4)、所述第二激光器(5)、所述焊枪(3)和两个所述滚动电极(7)，第一激光器(4)、第二激光器(5)和焊枪(3)均设置在两个所述卷对接板(6)上方，第二激光器(5)连接有旋转装置，两个滚动电极(7)分别滑动设置在两个卷对接板(6)上，滚动电极(7)电性连接有电力控制系统(9)，电力控制系统(9)与卷对接板(6)电性连接，焊枪(3)电性连接有电源(1)，电源(1)与所述钎料焊丝(2)电性连接。
6.如权利要求5所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，其特征在于：所述滚动电极(7)与所述电力控制系统(9)之间电性连接有电极臂(8)。
7.如权利要求5所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，其特征在于：所述电力控制系统(9)包括电流施加子系统和电极压力控制子系统，电流施加子系统和电极压力控制子系统均与所述滚动电极(7)电性连接，电流施加子系统与所述卷对接板(6)电性连接。
8.如权利要求5所述的一种电流辅助双束激光熔丝钎焊卷对接接头的装置，其特征在于：两个所述滚动电极(7)共同连接有用于驱动滚动电极(7)移动的运动控制系统(10)。
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| JP2007007697A (ja) * | 2005-06-30 | 2007-01-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | レーザロウ付け加工方法、加工ヘッド及び加工装置 |
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2021
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