CN116352271A - 一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置 - Google Patents

一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置，包括以下步骤：S1行星系激光焊接头发射激光光束沿焊接方向对待焊工件进行激光焊接，激光光束包括主红外光束和围绕主红外光束转动的副绿光束，焊接时，利用主红外光束形成熔池，利用副绿光束预热待焊表面、破坏表面形貌并搅动熔池，根据图像采集装置采集的数据，实时调控主红外光束的功率、副绿光束的频率和幅度、保护气的流量以及焊接速度；S2达到焊接终点，停止发射激光光束，完成焊接。本发明解决单一激光焊接中金属间脆性相化合物占比多、激光能量利用效率低、焊缝组织分布不均匀以及气孔、裂纹等焊接成形缺陷问题，实现高效率、高质量和无缺陷的铝钢异质合金材料焊接。

Description

一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及异质合金焊接技术领域，特别是涉及一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置。
背景技术
近年来，多材料连接作为一种减轻重量、提高产品性能和限制生产成本的方法受到了广泛关注。在这其中，不锈钢由于其具有强度高、韧性好、良好的焊接性和相对低廉的价格，铝合金由于其具有重量轻、成形性好、导热性和导电性好、强重比高、耐腐蚀的特点，被广泛关注并应用于建筑、航空航天、交通运输和工业设备中。
然而不锈钢和铝合金两者由于物理、化学性能的巨大差异，在连接过程中不可避免地会形成金属间化合物(IMCs)，包括FeAl2，Fe2Al5和FeAl3等，从而影响到异种连接的完整性。目前，针对铝钢异质合金的主要的焊接方法有电子束焊接、钎焊、搅拌摩擦焊以及激光焊。其中，电子束焊接的深宽比大、焊接效率高，但需要真空环境维持，成本大条件高；钎焊是一种低温连接工艺，避免了母材熔化，适用于多种不同材料的组合，但钎焊接头的强度低，极大的阻碍了它在结构强度应用中的使用；搅拌摩擦焊，热输入小、成形较好，避免了熔焊中存在的冶金问题，但可应用的几何形状单一，不适合复杂零件的加工，焊接速度慢。同其他焊接技术相比，激光焊接由于其极高的能量密度、精确控制热输入、焊接效率高和无需真空环境的优势而脱颖而出。
但激光焊接也存在铝钢组织分布不均匀，匙孔失稳产生的气孔缺陷以及大量金属间脆性相化合物而影响焊缝性能的问题，而材料表面越光滑，对激光的吸收率越低，通过破坏材料表面粗糙度，能够显著提升材料对激光能量的吸收效率。所以提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及其装置成为了一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置，通过对双光束激光焊接、搅拌激光焊接、双波长复合焊接等技术的高效结合，解决单一激光焊接中金属间脆性相化合物占比多、激光能量利用效率低、焊缝组织分布不均匀以及气孔、裂纹等焊接成形缺陷问题，实现高效率、高质量和无缺陷的铝钢异质合金材料焊接。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
S1：行星系激光焊接头发射激光光束沿焊接方向对待焊工件进行激光焊接，所述激光光束包括主红外光束和围绕所述主红外光束转动的副绿光束，焊接时，在保护气环境中进行，利用所述主红外光束形成熔池，利用所述副绿光束预热待焊表面、破坏表面形貌并搅动所述熔池，根据图像采集装置采集的焊接过程中的焊接熔深情况、焊接情况、熔池形貌以及副绿光束搅拌情况，实时调控所述主红外光束的功率、所述副绿光束的频率和幅度、保护气的流量以及焊接速度；
S2：达到焊接终点，停止发射所述激光光束，完成焊接。
优选地，所述图像采集装置包括LDD熔深检测设备和高速摄像机，所述LDD熔深检测设备用于检测采集焊接过程中的焊接熔深情况，所述高速摄像机用于采集焊接过程中的焊接情况、熔池形貌以及副绿光束搅拌情况。
优选地，待焊工件中铝合金工件和钢合金工件的厚度均为0.5mm～1.5mm，接头形式为搭接焊，钢合金工件搭接在铝合金工件上方，焊接时，充分利用其焊接过程中的钉扎效应。
优选地，所述行星系激光焊接头所用的主激光器和副激光器为固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，所述主激光器和所述副激光器的功率范围为0.5KW～2KW。
优选地，所述行星系激光焊接头的焊接移动速度为0.4m/min～1m/min，所述主红外光束和所述副绿光束之间的间隔距离为0.5～3mm，所述主红外光束和所述副绿光束焦平面调整距离为±3mm，所述副绿光束的搅拌频率为50～400Hz。
优选地，所述保护气为氩气，焊接过程中所述保护气的流量为20～30L/min。
本发明还提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接装置，采用以上所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法进行焊接，包括数控加工台、所述行星系激光焊接头、所述图像采集装置、控制器、保护气装置和激光器，所述数控加工台用于固定待焊工件，所述激光器包括主激光器和副激光器，所述主激光器和所述副激光器分别与所述行星系激光焊接头连接，以通过所述行星系激光焊接头发射所述主红外光束和围绕所述主红外光束转动的所述副绿光束，所述主激光器、所述副激光器、所述保护气装置和所述图像采集装置均与所述控制器连接，所述保护气装置用于提供焊接过程所用所述保护气。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置，通过行星系主红外光束保证熔深，卫星副绿光束预热钢板表面，破坏表面形貌，提高铝钢合金对激光光束的吸收效率，并有序搅动熔池，提高焊缝均匀性以及促进FeAl2,Fe2Al5和FeAl3等金属间脆性化合物的弥散分布，细化焊缝组织，实现对成型缺陷的抑制及微观组织的调控，通过熔池的有序搅动，促进气孔逸出，达到优化焊缝组织性能的目的，根据图像采集装置采集的焊接过程中的焊接熔深情况、焊接情况、熔池形貌以及副绿光束搅拌情况，实时调控主红外光束的功率、副绿光束的频率和幅度、保护气的流量以及焊接速度，避免焊接过程中激光光束焊透接口，影响焊接质量，最终实现高效率、高质量和无缺陷的铝钢异质合金材料焊接。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的针对铝钢异质合金的复合焊接装置的结构示意图；
图2为本发明中焊接过程纵截面示意图；
图3为本发明中焊接过程俯视示意图；
图4为本发明中双光束焊接光路图；
图中：1-铝合金工件、2-钢合金工件、3-行星系激光焊接头、4-主红外光束、5-副绿光束、6-控制器、7-高速摄像机、8-LDD熔深检测设备、9-主激光器、10-副激光器、11-保护气装置、12-保护气、13-熔池、14-金属间脆性化合物、15-焊缝、16-副光束运动轨迹、17-副光束破坏区域、18-工件交叠区域、19-数控加工台、20-支撑块、21-固定支架、22-准直镜、23-聚焦镜、24-斜棱镜、25-从动锥齿轮、26-主锥齿轮、27-升降腔、28-二维振镜、29-保护镜。
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。
本发明的目的是提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法及装置，通过对双光束激光焊接、搅拌激光焊接、双波长复合焊接等技术的高效结合，解决单一激光焊接中金属间脆性相化合物占比多、激光能量利用效率低、焊缝组织分布不均匀以及气孔、裂纹等焊接成形缺陷问题，实现高效率、高质量和无缺陷的铝钢异质合金材料焊接。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，本实施例提供一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法，包括以下步骤：
1)构建双波长行星系激光焊接系统，即本发明提供的针对铝钢异质合金的复合焊接装置，包括数控加工台19、行星系激光焊接头3、图像采集装置、控制器6、保护气装置11、主激光器9和副激光器10；其中，图像采集装置包括LDD熔深检测设备8和高速摄像机7，主激光器9、副激光器10和图像采集装置均与控制器6连接；
2)根据待焊铝合金工件1、钢合金工件2的工件厚度、加工条件等，设置初始焊接参数，包括焊接速度，副绿光束搅拌频率，主副光束间距、焦平面差值、功率等；
3)将待焊工件(铝合金工件1和钢合金工件2)安装到数控加工台19，紧贴固定；
4)启动电源，行星系激光焊接头3产生主红外光束4和副绿光束5，保护气装置11通过保护气喷嘴释放保护气12，进行焊接作业，LDD熔深检测设备8和高速摄像机7实时工作，对焊接过程实时检测，根据检测数据不断调整双波长行星系激光焊接系统中各项参数；
5)达到焊接终点，双波长行星系激光焊接系统停止作业，完成焊接，关闭电源。
本发明选择绿光作为副光束是因为铝是一种高反材料，对于不同输出波长的激光，不同材料表现出不同的吸收率，而绿激光器中铝的吸收效果可以接近10％，选择红外主光束是因为大功率激光一般波长都在红外，常见的光纤激光器波长是1064nm、1080nm，选择其作为主光束是为了确保焊接过程有足够熔深。
其中步骤2)和步骤3)中待焊铝合金工件1的厚度L1和钢合金工件2的厚度L2为0.5mm～1.5mm；接头形式为搭接焊，钢合金工件2搭接在铝合金工件1上方，两者之间形成工件交叠区域18，通过支撑块20支撑钢合金工件2悬空的一端，通过固定支架21将铝合金工件1和钢合金工件2固定于数控加工台19上；焊接时，充分利用其焊接过程产生的钉扎效应；搭接焊的钉扎效应是焊接区域两个材料的热膨胀系数不同，焊接区域受到挤压，从而形成钉扎现象。对本专利来说，宏观角度上，钢上铝下，钢作为强度高材料，密度大，在重力和绿激光搅拌的作用下，进入强度较低的铝的材料中，冷却后，由于两者的热膨胀系数的差异，能够牢牢的将钢钉在铝中；微观角度上，强度过渡，沉入的Fe元素与铝界面形成金属间脆性化合物，在副光束的搅拌作用下弥散分布，最后形成内部Fe，中部弥散金属间化合物，外部铝强度过渡带，起到钉扎效果。
铝钢搭接焊中一般是钢在上，铝在下的结构，焊接形成的焊缝整体形状是一个上宽下窄的v字形状，钢上铝下焊接时，避免焊接中大量的铝与少量的铁反应生成FeAl2,Fe2Al5和FeAl3等脆性化合物，影响焊接质量；铝作为高反材料，对激光的吸收效率很低，且铝钢之间熔点差异较大，铝低钢高，焊接时铝上钢下只会极大降低熔深，很难将两者均匀混合起来，影响焊接质量；铝钢之间密度差异也极大，铁的密度是铝的三倍左右，铝上钢下，两者熔化后，铝上浮铁下沉，难以熔合；焊接是形成一个贯穿钢/铝的一个匙孔，在本发明中，行星系激光绿副光束5的搅拌作用存在，能够提高铝的能量吸收情况，使得两者更加均匀混合。
待焊工件材质为各系各类铝、钢合金；行星系激光焊接头3所用激光器(主激光器9和副激光器10)为固体激光器、半导体激光器或光纤激光器等能被光纤传输的激光器，便于结合机器人、数控加工台19进行自动化智能控制，其功率范围为0.5KW～2KW，其中主红外光束4焊接移动速度为0.4m/min～1m/min，主副光束之间的间隔距离为0.5～3mm，主副光束焦平面可调范围±3mm，副绿光束5的搅拌频率为50～400Hz；焊接过程所用保护气12为氩气，气体流量为20～30L/min。
其中步骤4)中的行星系激光光束中的主红外光束4沿着工件待焊方向的移动，副绿光束5绕着主红外光束4周期转动，副光束运动轨迹16如图3中所示，主红外光束4保证焊接熔深，副绿光束5有序搅拌熔池，提高焊缝15溶质的均匀性以及促进金属间脆性化合物14的弥散细碎分布，细化焊缝15组织，并通过熔池13的有序搅动，消除气孔、裂纹等其余焊接缺陷，同时破坏待焊工件表面形貌(副光束破坏区域17如图3中所示)，预热工件，提高铝/钢合金对激光光束的吸收效率；LDD熔深检测设备8探测焊接过程中的焊接熔深情况，避免焊接过程中激光光束焊透接口，影响焊接质量；高速摄像机7采集的数据为焊接情况、熔池形貌以及副光束搅拌情况，根据采集的上述数据，实时调控行星系激光焊接头3中主红外光束4的功率、副绿光束5频率和幅度、保护气12的流量以及焊接速度，实现高效率和高质量焊接。
其中步骤4)的主激光器9、副激光器10分别释放主红外光束4、副绿光束5，主红外光束4经过准直镜22准直后，再通过聚焦镜23对光束聚焦，经过二维振镜28反射到加工平面；副绿光束5经过准直镜22准直后，再通过斜棱镜24实现副绿光束5的二维运动，副绿光束5再通过聚焦镜23实现光束聚焦，经二维振镜28透射后聚焦到加工表面，其中副绿光束5所用聚焦镜23通过主锥齿轮26控制从动锥齿轮25旋转，再通过从动锥齿轮25实现升降腔27的升降运动，从而实现了聚焦镜23的升降，达到调整副光束焦平面的目的。光路系统中的保护镜29是为了防止焊接过程中的飞溅污染光路系统。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：行星系激光焊接头发射激光光束沿焊接方向对待焊工件进行激光焊接，所述激光光束包括主红外光束和围绕所述主红外光束转动的副绿光束，焊接时，在保护气环境中进行，利用所述主红外光束形成熔池，利用所述副绿光束预热待焊表面、破坏表面形貌并搅动所述熔池，根据图像采集装置采集的焊接过程中的焊接熔深情况、焊接情况、熔池形貌以及副绿光束搅拌情况，实时调控所述主红外光束的功率、所述副绿光束的频率和幅度、保护气的流量以及焊接速度；
S2：达到焊接终点，停止发射所述激光光束，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于：所述图像采集装置包括LDD熔深检测设备和高速摄像机，所述LDD熔深检测设备用于检测采集焊接过程中的焊接熔深情况，所述高速摄像机用于采集焊接过程中的焊接情况、熔池形貌以及副绿光束搅拌情况。
3.根据权利要求1所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于：待焊工件中铝合金工件和钢合金工件的厚度均为0.5mm～1.5mm，接头形式为搭接焊，钢合金工件搭接在铝合金工件上方，焊接时，充分利用其焊接过程中的钉扎效应。
4.根据权利要求1所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于：所述行星系激光焊接头所用的主激光器和副激光器为固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，所述主激光器和所述副激光器的功率范围为0.5KW～2KW。
5.根据权利要求1所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于：所述行星系激光焊接头的焊接移动速度为0.4m/min～1m/min，所述主红外光束和所述副绿光束之间的间隔距离为0.5～3mm，所述主红外光束和所述副绿光束焦平面调整距离为±3mm，所述副绿光束的搅拌频率为50～400Hz。
6.根据权利要求1所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法，其特征在于：所述保护气为氩气，焊接过程中所述保护气的流量为20～30L/min。
7.一种针对铝钢异质合金的复合焊接装置，其特征在于：采用权利要求1～6中任一项所述的针对铝钢异质合金的复合焊接方法进行焊接，包括数控加工台、所述行星系激光焊接头、所述图像采集装置、控制器、保护气装置和激光器，所述数控加工台用于固定待焊工件，所述激光器包括主激光器和副激光器，所述主激光器和所述副激光器分别与所述行星系激光焊接头连接，以通过所述行星系激光焊接头发射所述主红外光束和围绕所述主红外光束转动的所述副绿光束，所述主激光器、所述副激光器、所述保护气装置和所述图像采集装置均与所述控制器连接，所述保护气装置用于提供焊接过程所用所述保护气。
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