CN115338536A - 薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涉及激光加工领域的薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置及焊接方法，包括激光焊接头、安装调节机构、尾保护喷嘴、激光束、随动滚轮、待焊对接接头以及焊漏槽，随动滚轮和尾保护喷嘴分别通过安装调节机构连接于激光焊接头上，激光焊接头射出的激光束位于待焊对接接头焊缝正上方，熔化待焊薄板接头。随动滚轮连接于激光焊接头上，同步碾压薄板接头两侧。焊接步骤如下：将待焊工件处理装夹好，在对接接头焊缝两侧设置一对滚轮压紧焊缝两侧；设置好滚轮与焊缝的位置以及相关参数，调整好激光焊接的工艺参数，实施焊接。本发明有效抑制薄板的焊接变形，降低薄板对接接头的装配难度。此外，该方法有助于降低焊缝残余应力，减小焊接变形，提高接头力学性能。

Description

薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体地，涉及薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置及焊接方法。

背景技术

近年来，薄板等材料的焊接需求越来越多，如运载火箭动力系统中的波纹管等，此类零件的材料通常为不锈钢、钛合金、高温合金等。对于厚度小于0.5mm的薄板材料的焊接，由于材料厚度太薄，焊接难度显著增大，传统的焊接方法如TIG、MIG等，在焊接薄板(通常≤1mm)时存在以下问题：

(1)由于材料导热系数小、线膨胀系数大，随着焊接过程的进行，零件由于受热变形而引起横向收缩、波浪失稳变形，导致焊缝成形困难。

(2)薄板的刚性太差，使用传统工装装夹困难，装配错边和装配间隙较难控制，在焊接过程中极易出现汽化穿孔。

(3)热输入大，焊接变形严重，焊接过程中热循环使焊缝及热影响区晶粒粗大，接头脆化严重，力学性能降低。

(4)传统焊接方法难以实现焊接过程的自动化控制，自动化程度低。

针对上述问题，激光焊接以其光斑直径小、能量高度集中、热输入低、参数控制精确、易实现自动化等特点，成为焊接不锈钢薄板的不二之选。但激光焊接对零件的装配精度要求很高，尤其对于薄板对接接头，其焊接质量取决于两方面的关键因素：一是零件装配的错边量、装配间隙；二是如何在焊接过程中如何控制零件的变形，保证装配间隙和错变量始终符合激光焊接要求。

经现有技术专利文献检索发现，中国发明专利公开号为CN105364430A，公开了一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，属于焊接方法领域，对待焊接工件进行处理，装夹；设置滚轮与待焊接工件位置，以及相关参数；并设置待焊接的工艺参数，实施焊接。相比于传统电弧焊等，显著提高效率，焊接速度，降低了生产成本。减少热输入，降低残余变形及残余应力，减少缺陷，降低材料焊接热裂纹倾向及消除气孔，提高接头力学性能及密封性。因此，该文献与本发明所介绍的方法是属于不同的发明构思。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置及焊接方法。

根据本发明提供的一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，包括激光焊接头、安装调节机构、尾保护喷嘴、激光束、随动滚轮、待焊对接接头以及焊漏槽，随动滚轮和尾保护喷嘴分别通过安装调节机构连接于激光焊接头上，激光焊接头射出的激光束位于待焊对接接头焊缝正上方，随动滚轮连接于待焊对接接头上，待焊对接接头焊缝底部位于焊漏槽上方；

随动滚轮连接于待焊对接接头两侧，激光焊接头和随动滚轮同步运动，通过激光束对待焊对接接头进行焊接。

一些实施例中，随动滚轮分别连接于安装调节机构一端的两侧，且随动滚轮分别压紧于待焊对接接头两侧，安装调节机构另一端上连接有尾保护喷嘴。

一些实施例中，安装调节机构包括高压气瓶、气体压力计以及气缸活塞，高压气瓶、气体压力计以及气缸活塞通过管道依次连接；

高压气瓶提供压力，压力经由气体压力计传递至气缸活塞，由气缸活塞的上下往复运动完成随动滚轮的压力调节。

一些实施例中，尾保护喷嘴固定于万向竹节管上，万向竹节管安装在安装调节机构上；

在焊接过程中，通过尾保护喷嘴同步吹送惰性保护气体，避免焊接熔池及焊缝高温区域氧化。

一些实施例中，还包括支撑夹具机构，焊漏槽位于支撑夹具机构上，支撑夹具机构连接于待焊对接接头背部；

支撑夹具机构的中间部位设有散热性良好的衬垫，待焊对接接头通过支撑夹具机构实现焊缝背面保护和焊接过程散热。

本发明还提供了一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一：将待焊对接接头的待焊部位两侧打磨或者清洗，去除表面油污；

步骤二：将待焊对接接头按照相关要求固定在焊接工装夹具上，保证对接装配间隙不大于待薄板厚度的10％；

步骤三：将随动滚轮布置在待焊对接接头焊缝两侧，保证两个随动滚轮与焊缝中心距离相同，调整激光束焦点对接焊缝的正中心，调整好随动滚轮位置和压紧力后，固定随动滚轮与激光束之间的相对位置。

步骤四：调整尾保护喷的位置，设定保护气体流量为10L/min～30L/min，设定激光功率为150W～1000W，激光离焦量为0～+5mm，焊接速度为0.3～1.0m/min，运行激光焊接程序，完成薄板对接接头激光焊接。

一些实施例中，在步骤三中，随动滚轮在待焊对接接头的接触点距离焊缝中心的距离为0.2mm～1mm。

一些实施例中，在步骤三中，随动滚轮在待焊对接接头的接触位置与激光束在焊接前进方向上的距离为0～50mm。

一些实施例中，在步骤三中，参数设定后在焊接过程中均保持不变。

一些实施例中，待焊对接接头的厚度为0.2-1.5mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用随动滚轮固定对接接头，消除了薄板装配中存在的错边量，且有效避免了焊接过程中由于波浪变形导致的错边加大问题，降低了装配精度要求。

(2)本发明采用压力恒定的滚轮碾压薄板两侧，可以有效降低薄板的焊接应力和变形问题，降低了焊后矫形成本，显著提高了焊缝的疲劳性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的激光焊方法示意图；

图2为本发明的安装调节机构的结构示意图；

图3为本发明的局部结构示意图。

图中标号：

激光焊接头1、安装调节机构2、高压气瓶21、气体压力计22、气缸活塞23、尾保护喷嘴3、激光束4、随动滚轮5、待焊对接接头6、支撑夹具机构7、焊漏槽8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，包括激光焊接头1、安装调节机构2、尾保护喷嘴3、激光束4、随动滚轮5、待焊对接接头6、支撑夹具机构7以及焊漏槽8，安装调节机构2连接于激光焊接头1上，随动滚轮5分别连接于安装调节机构2一端的两侧，安装调节机构2另一端上连接有尾保护喷嘴3，优选的，尾保护喷嘴3固定于万向竹节管上，万向竹节管安装在安装调节机构2上；在焊接过程中，通过尾保护喷嘴3同步吹送惰性保护气体，避免焊接熔池及焊缝高温区域氧化。随动滚轮5分别连接与待焊对接接头6两侧，且激光束4位于待焊对接接头6焊缝正上方，待焊对接接头6焊缝底部位于焊漏槽8上，焊漏槽8位于支撑夹具机构7上，支撑夹具机构7连接于待焊对接接头6背部。优选的，支撑夹具机构7的中间部位设有散热性良好的衬垫，支撑夹具机构7为薄板提供背面支撑和气体背保护，即待焊对接接头1通过支撑夹具机构7实现焊缝背面保护和焊接过程散热。

安装调节机构2包括高压气瓶21、气体压力计22以及气缸活塞23，高压气瓶21、气体压力计22以及气缸活塞23通过管道依次连接；高压气瓶21提供压力，压力经由气体压力计22传递至气缸活塞23，由气缸活塞23的上下往复运动完成随动滚轮5的压力调节。

工作原理：激光束4位于待焊对接接头6焊缝正上方，待焊对接接头6焊缝底部位于焊漏槽8上，随动滚轮5压紧于待焊对接接头6两侧，通过激光束4对待焊对接接头6进行焊接。

实施例2

本发明还提供了一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一：将厚度为0.2-1.5mm的待焊对接接头6的待焊部位两侧打磨或者清洗，去除表面油污；

步骤二：将待焊对接接头6按照相关要求固定在焊接工装夹具上，保证对接装配间隙不大于待薄板厚度的10％；

步骤三：将随动滚轮5布置在待焊对接接头6焊缝两侧，保证两个随动滚轮5与焊缝中心距离相同，调整激光束4焦点对接焊缝的正中心，随动滚轮5在待焊对接接头6的接触点距离焊缝中心的垂直距离为0.2mm～1mm，随动滚轮5在待焊对接接头6的接触位置与激光束4在焊接前进方向上的距离为0～50mm，调整好随动滚轮5位置和压紧力后，随动滚轮5与激光焊接头1保持同步运动；

步骤四：调整尾保护喷嘴3的位置，设定保护气体流量为10L/min～30L/min设定激光功率为150W～1000W，激光离焦量为0～+5mm，焊接速度为0.3～1.0m/min，启动焊接装置，运行激光焊接程序，完成薄板对接接头激光焊接。

更为具体的，本实施例中的激光器采用气体激光器、半导体激光器、YAG固体激光器或光纤激光器等，其中以采用光纤传输的光纤激光器和碟片式固体激光器的焊接效果最佳，因为其更加灵活和高效。

实施例3

本实施例3实在实施例2的基础上完成的，待焊对接接头6的焊缝两侧为厚度不同的材料，其它与实施例2相同。

实施例4

本实施例4实在实施例1的基础上完成的，采用一个压紧力可调的支臂固定在激光焊接头1上，取代实施例1中安装调节机构2，保证焊接过程中的压紧力恒定不变，其它与实施例1相同。

实施例5

本实施例5以厚度0.2mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢薄板对接(拼接)接头激光焊接为例，采用的其他设备为：IPG YLR-500型光纤激光器，MOTOMAN HP 20D型机器人，PRECITEC YW30焊接头，焊接头配备250mm聚焦镜片。

焊接步骤如下：

步骤一：将0.5mm厚度的1Cr18Ni9Ti不锈钢薄板酸洗钝化除油，备用；

步骤二：将不锈钢薄板的切边毛口朝上，安装在琴键工装上，琴键工装的焊漏槽8采用黄铜整体制造，开槽宽度为2mm；装配薄板时，保证薄板对接间隙小于0.1mm；

步骤三：将激光器引导红光位于对接焊缝的正中心，将随动滚轮5固定在激光焊接头1上，使用带有空间位置和姿态调节功能的弹性调节装置调节随动滚轮5的位置，使其与薄板接触点与引导红光的垂直距离为0.5mm～1mm；使其与薄板接触点位于焊接前进方向的正前方，与引导红光的水平距离为1mm～5mm；调整随动滚轮5压紧力为200～500N，与激光焊接头1保持同步运动；

步骤四：在焊漏槽8中通入氩气用以保护焊缝背面，气体流量3～5L/min，使用MOTOMAN HP 20D型机器人示教焊缝起始点和结束点位置，设置激光工艺参数：激光功率为100W，离焦量+15mm，焊接速度0.5m/min，尾保护侧吹气的流量20～40L/min；

步骤五：启动运行激光焊接程序，完成薄板对接接头激光焊接。

焊接完成后，对接薄板的正面和背面均呈银白色金属光泽。X射线照相检测表明，焊缝内部质量满足QJ1842A-2011中规定的Ⅰ级焊缝要求，无超标气孔、夹杂等缺陷。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，其特征在于，包括激光焊接头(1)、安装调节机构(2)、尾保护喷嘴(3)、激光束(4)、随动滚轮(5)、待焊对接接头(6)以及焊漏槽(8)，所述随动滚轮(5)和所述尾保护喷嘴(3)分别通过所述安装调节机构(2)连接于所述激光焊接头(1)上，所述随动滚轮(5)连接于所述待焊对接接头(6)上；

所述随动滚轮(5)连接于所述待焊对接接头(6)两侧，所述激光焊接头(1)和所述随动滚轮(5)同步运动，通过所述激光焊接头(1)射出的所述激光束(4)对所述待焊对接接头(6)进行焊接。

2.根据权利要求1所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，其特征在于，所述随动滚轮(5)分别连接于所述安装调节机构(2)一端的两侧，且所述随动滚轮(5)分别压紧于所述待焊对接接头(6)两侧，所述安装调节机构(2)另一端上连接有所述尾保护喷嘴(3)。

3.根据权利要求1所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，其特征在于，所述安装调节机构(2)包括高压气瓶(21)、气体压力计(22)以及气缸活塞(23)，所述高压气瓶(21)、所述气体压力计(22)以及所述气缸活塞(23)通过管道依次连接；

所述高压气瓶(21)提供压力，压力经由所述气体压力计(22)传递至所述气缸活塞(23)，由所述气缸活塞(23)的上下往复运动完成所述随动滚轮(5)的压力调节。

4.根据权利要求1所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置，其特征在于，所述尾保护喷嘴(3)固定于万向竹节管上，所述万向竹节管安装在所述安装调节机构(2)上；

在焊接过程中，通过所述尾保护喷嘴(3)同步吹送惰性保护气体，避免焊接熔池及焊缝高温区域氧化。

5.根据权利要求1所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于，还包括支撑夹具机构(7)，所述焊漏槽(8)位于所述支撑夹具机构(7)上，所述支撑夹具机构(7)连接于所述待焊对接接头(6)背部；

所述支撑夹具机构(7)的中间部位设有散热性良好的衬垫，所述待焊对接接头(1)通过所述支撑夹具机构实现焊缝背面保护和焊接过程散热。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述待焊对接接头(6)的待焊部位两侧打磨或者清洗，去除表面油污；

步骤二：将所述待焊对接接头(6)按照相关要求固定在焊接工装夹具上，保证对接装配间隙不大于待薄板厚度的10％；

步骤三：将所述随动滚轮(5)布置在所述待焊对接接头(6)焊缝两侧，保证两个所述随动滚轮(5)与焊缝中心距离相同，调整所述激光束(4)焦点对接焊缝的正中心，调整好所述随动滚轮(5)位置和压紧力后，固定所述随动滚轮(5)与所述激光束(4)之间的相对位置。

步骤四：调整所述尾保护喷嘴(3)的位置，设定保护气体流量为10L/min～30L/min，设定激光功率为150W～1000W，激光离焦量为0～+5mm，焊接速度为0.3～1.0m/min，运行激光焊接程序，完成薄板对接接头激光焊接。

7.根据权利要求6所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述随动滚轮(5)在所述待焊对接接头(6)的接触点距离焊缝中心的距离为0.2mm～1mm。

8.根据权利要求6所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述随动滚轮(5)在所述待焊对接接头(6)的接触位置与所述激光束(4)在焊接前进方向上的距离为0～50mm。

9.根据权利要求6所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤三中，参数设定后在焊接过程中均保持不变。

10.根据权利要求6所述的薄板对接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于，所述待焊对接接头(6)的厚度为0.2-1.5mm。

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