CN117564475A - 一种中厚板k型接头激光-cmt复合焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种中厚板K型接头激光‑CMT复合焊接装置及方法，包括母材和焊接装置，母材包括第一支板，第二支板和底板；第一支板，第二支板和底板对接处预留有焊接间隙；焊接装置包括焊枪组件及激光器；焊接组件和激光器分别设置于对接处形成的三夹角空间内；沿焊接方向，焊枪组件设置于激光器焊接前方；每一激光器内均安装有分光模块，分光模块用于将激光器内激光束分为热导焊熔激光束和匙孔焊熔激光束。本发明通过设置三组焊枪组件及激光器可以使用较低的激光能量焊接K型接头一次成形，降低了较大激光能量焊接K型接头的焊接工件变形以及多次焊接产生的焊接应力集中问题，提高了焊缝组织以及焊缝力学性能。
Description
技术领域
本发明属激光能量焊接技术领域，尤其涉及一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置及方法。
背景技术
航空航天领域对K型接头的焊缝成型质量要求很高，激光焊接与传统焊接方法相比具有能量密度高，焊接变形小，焊缝质量高等突出优点，同时可以进行精确、高效的焊接。目前K型接头激光焊接的常规焊接方法是在K型连接件上实施三次激光束焊接，但此方法由于依次施焊，容易造成焊缝的加热、冷却温度的不同而造成的应力集中，产生焊接变形，影响焊缝成型质量，进而降低焊接生产率。
目前有相关专利《一种K型接头双电弧预热激光摆动焊接方法》和《K型接头的双光束激光焊接方法》，两种专利均针对支板间的间隙为0mm，支板和底板的间隙为0mm。但是当两个支板间、支板和底板间存在间隙时，此两种发明专利的方法因没有填充焊丝的加入，焊后的焊缝会出现咬边、下榻等焊接缺陷。
因此，急需设计一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，包括母材和焊接装置，所述母材包括第一支板，第二支板和底板；所述第一支板，第二支板和底板对接处预留有焊接间隙；
所述焊接装置包括焊枪组件及激光器；所述焊接组件和激光器分别设置于所述对接处形成的三夹角空间内；沿焊接方向，所述焊枪组件设置于所述激光器焊接前方；每一所述激光器内均安装有分光模块，所述分光模块用于将所述激光器内激光束分为热导焊熔激光束和匙孔焊熔激光束。
所述焊枪组件包括结构相同的第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪和三个CMT电源；三个所述CMT电源的正极分别与所述第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪连接，所述CMT电源的负极连接所述母材；所述第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪均为CMT焊枪。
第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪的轴线分别与三个所述激光器分出的热导焊熔激光束和匙孔焊熔激光束共面；所述第一焊枪和第三焊枪且均与所述底板形成5°-70°夹角；
所述匙孔焊熔激光束在所述对接处形成匙孔形熔池，所述匙孔形熔池与所述CMT焊枪CMT焊丝的光丝间距为0-1mm；
所述热导焊熔激光束在与匙孔形熔池对接处形成热导焊熔池，所述热导焊熔激光束和匙孔焊熔激光束之间的间距为0.6-2mm。
所述第一支板/第二支板与底板形成的夹角为40°-80°。
所述第一支板之间第二支板和第一支板/第二支板与底板之间的焊接间隙均为0.01-2mm。
所述底板一侧还设置有超声变幅杆；所述超声变幅杆用于在对接处产生超声空化效应。
还设置有喷气系统，所述喷气系统用于对所述对接处喷射保护气。
一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：对母材进行表面处理，去除表面杂质；将调节好焊接间隙的母材分别固定在焊接夹具上；
步骤二：将第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪分别与CMT电源一电极连接，CMT电源另一电极连接母材；将第一焊枪，第二焊枪，第三焊枪和三个激光器分别布置在三个夹角空间；
步骤三：启动激光器及第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪同步焊接，同时打开喷射系统，对对接处喷射保护气，防止焊缝氧化。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明通过设置三组焊枪组件及激光器可以使用较低的激光能量焊接K型接头一次成形，降低了较大激光能量焊接K型接头的焊接工件变形以及多次焊接产生的焊接应力集中问题，提高了焊缝组织以及焊缝力学性能。可快速实现液态熔滴进入对接处预留的焊接间隙中，提高其润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本申请整体结构示意图；
图2为本申请激光分束示意图；
图3为一种具有缺陷的焊缝形貌示意图；
图4为另一种具有缺陷的焊缝形貌示意图；
图5为本发明焊缝形貌示意图；
其中，1、第一焊枪；2、第一激光器；3、第一支板；4、第二焊枪；5、第二激光器；6、第二支板；7、第三焊枪；8、第三激光器；9、底板；10、超声变幅杆；11、反光镜；12、热导焊熔激光束；13、匙孔焊熔激光束；14、匙孔；15、匙孔焊熔池；16、分光模块；17、保护气喷气系统。
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。
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。
一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，包括母材和焊接装置，母材包括第一支板3，第二支板6和底板9；第一支板3，第二支板6和底板9对接处预留有焊接间隙；
焊接装置包括焊枪组件及激光器；焊接组件和激光器分别设置于对接处形成的三夹角空间内；沿焊接方向，焊枪组件设置于激光器焊接前方；每一激光器内均安装有分光模块16，分光模块16用于将激光器内激光束分为热导焊熔激光束12和匙孔焊熔激光束13。
焊枪组件包括结构相同的第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7和三个CMT电源；三个所述CMT电源的正极分别与第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7连接，CMT电源的负极连接母材；第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7均为CMT焊枪。
第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7的轴线分别与三个激光器分出的热导焊熔激光束和匙孔焊熔激光束共面；第一焊枪1和第三焊枪7且均与底板9形成5°-70°夹角；
匙孔焊熔激光束13在对接处形成匙孔形熔池15，匙孔形熔池15与CMT焊枪CMT焊丝的光丝间距为0-1mm；
热导焊熔激光束12在与匙孔形熔池15对接处形成热导焊熔池，热导焊熔激光束12和匙孔焊熔激光束13之间的间距为0.6-2mm。
第一支板3/第二支板6与底板9形成的夹角为40°-80°。
第一支板3之间第二支板6和第一支板3/第二支板6与底板9之间的焊接间隙均为0.01-2mm。
底板9一侧还设置有超声变幅杆10；超声变幅杆10用于在对接处产生超声空化效应。
还设置有喷气系统，喷气系统用于对对接处喷射保护气。
在本发明的一个实施例中，喷气系统为保护气喷气系统17，保护气喷气系统9喷射的保护气为氩气或氦气，喷气系统的流量为10-100L/min。
一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：对母材进行表面处理，去除表面杂质；将调节好焊接间隙的母材分别固定在焊接夹具上；
步骤二：将第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪分别与CMT电源一电极连接，CMT电源另一电极连接母材；将第一焊枪，第二焊枪，第三焊枪和三个激光器分别布置在三个夹角空间；
步骤三：启动激光器及第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪同步焊接，同时打开喷射系统，对对接处喷射保护气，防止焊缝氧化。
在本发明的一个实施例中，超声变幅杆10用于去除母材表面杂质；超声变幅杆10的超声波振动频率10-110KHz，超声振幅为1-120um。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，三个激光器分别为第一激光器2，第二激光器5和第三激光器8；通过第一激光器2，第二激光器5和第三激光器8分别与第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7相配合，提高CMT电弧的稳定性；由于CMT电弧的热输入较低，可明显降低焊接变形，CMT焊丝熔化提前填充对接间隙，可提高母材焊接的稳定性及激光能量利用率。
进一步的，第一激光器2，第二激光器5和第三激光器8的功率均为500-10000W；第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7的焊接电流为5-300A，焊接速度为0.1m-8m/min，CMT焊接工艺规范为送丝速度1-20m/min。
在本发明的一个实施例中，通过第一焊枪1，第二焊枪4和第三焊枪7同步进行焊接，一次焊接成型，降低了较大激光能量焊接K型接头的焊接工件变形以及多次焊接产生的焊接应力集中问题，提高了焊缝组织以及焊缝力学性能。
在本发明的一个实施例中，依靠超声空化效应以及形成匙孔形熔池14的激光束的预热熔化作用，可快速实现液态熔滴进入第一支板3和第二支板6、第一支板3与底板9、第二支板6与底板9之间预留的间隙中，提高其润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量。
进一步的，当CMT焊丝向前送进或者CMT焊丝回抽时，热导焊激光束12与焊丝的光丝间距较近均能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性。
进一步的，如图2所示，第一激光器2，第二激光器5，第三激光器8射出的光束通过反光镜11的反射进入分光模块16，分光模块将光束分为热导焊熔激光束12和匙孔焊熔激光束13。
进一步的，热导焊熔激光束12预导热还能解决CMT焊枪焊丝向前送进或者回抽时，热导焊熔激光束12与焊丝的光丝间距较近均能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性；焊丝向前送进或者焊丝回抽时，焊丝距离大能量的匙孔焊熔激光束13较远，不会对匙孔焊熔激光束13形成的匙孔造成冲击，提高匙孔的稳定性，降低了焊缝气孔率，与常规的激光-CMT复合焊接有明显区别。
热导焊熔激光束12可提高形成匙孔焊熔池15的激光能量的利用率及匙孔的稳定性，可降低匙孔焊熔池15焊接飞溅数量，提高焊缝组织力学性能。
进一步的，匙孔焊熔激光束13主要作用为熔透母材，在第一支板3，第二支板6和底板9之间形成“互通”的熔池，提高焊接效率和焊缝成型质量。
进一步的，如图2所示，匙孔焊熔激光束13照射在第一支板3，第二支板6和底板9上先形成有匙孔14，进而在匙孔14周围形成匙孔焊熔池15。
在本发明的一个实施例中，激光器为YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
在本发明的一个实施例中，激光的输出类型为连续输出或脉冲输出；CMT电源可采用直流或交流的电流输出形式。
在本发明的一个实施例中，如附图3所示，为K型接头的双光束激光焊接方法专利的焊缝形貌示意图；焊缝出现未熔合的焊接缺陷，支板之间的焊缝凹陷较为严重(由于支板之间预留间隙，激光自熔焊很容易出现焊缝下凹的焊接缺陷)，而且在支板和底板结合的部位出现了凸起的焊接缺陷，这主要是此方法由于光束的光斑很小(一般为0.2mm)，为得到较大的熔化区域，需要保证激光束较大的光束间距，这样很容易出现焊缝未熔合、未焊透问题。
进一步的，如附图4所示，为一种K型接头双电弧预热激光摆动焊接方法专利的焊缝形貌示意图；支板之间、支板与底板之间的焊缝均出现凹陷、咬边等焊接缺陷，这主要是因为由于支板之间、支板与底板之间预留间隙，激光自熔焊很容易出现焊缝下凹的焊接缺陷)，而且在电弧吹力的作用下支板与底板之间的凹陷更加明显。
在本发明的一个实施例中，如附图5所示，采用本发明的焊接方法得到的焊缝质量较好，未出现，下凹、咬边、凸起等焊接缺陷；采用激光-CMT复合的方式不仅能够提高CMT电弧的稳定性，CMT电弧的热输入较低，可明显降低焊接变形，CMT焊丝熔化提前填充对接间隙，可提高焊接的稳定性及激光能量利用率。可以使用较低的激光能量焊接K型接头一次成形，降低了较大激光能量焊接K型接头的焊接工件变形以及多次焊接产生的焊接应力集中问题，提高了焊缝组织以及焊缝力学性能。依靠超声空化效应以及热导焊熔激光束12的预热熔化作用，可快速实现液态熔滴进入预留间隙中，提高其润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，包括母材和焊接装置，其特征在于，所述母材包括第一支板(3)，第二支板(6)和底板(9)；所述第一支板(3)，第二支板(6)和底板(9)对接处预留有焊接间隙；
所述焊接装置包括焊枪组件及激光器；所述焊接组件和激光器分别设置于所述对接处形成的三夹角空间内；沿焊接方向，所述焊枪组件设置于所述激光器焊接前方；每一所述激光器内均安装有分光模块(16)，所述分光模块(16)用于将所述激光器内激光束分为热导焊熔激光束(12)和匙孔焊熔激光束(13)。
2.根据权利要求1所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：所述焊枪组件包括结构相同的第一焊枪(1)，第二焊枪(4)和第三焊枪(7)和三个CMT电源；三个所述CMT电源的正极分别与所述第一焊枪(1)，第二焊枪(4)和第三焊枪(7)连接，所述CMT电源的负极连接所述母材；所述第一焊枪(1)，第二焊枪(4)和第三焊枪(7)均为CMT焊枪。
3.根据权利要求2所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：第一焊枪(1)，第二焊枪(4)和第三焊枪(7)的轴线分别与三个所述激光器分出的热导焊熔激光束(12)和匙孔焊熔激光束(13)共面；所述第一焊枪(1)和第三焊枪(7)且均与所述底板(9)形成5°-70°夹角；
所述匙孔焊熔激光束(13)在所述对接处形成匙孔形熔池(15)，所述匙孔形熔池(15)与所述CMT焊枪CMT焊丝的光丝间距为0-1mm；
所述热导焊熔激光束(12)在与匙孔形熔池(15)对接处形成热导焊熔池，所述热导焊熔激光束(12)和匙孔焊熔激光束(13)之间的间距为0.6-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：所述第一支板(3)/第二支板(6)与底板(9)形成的夹角为40°-80°。
5.根据权利要求1所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：所述第一支板(3)之间第二支板(6)和第一支板(3)/第二支板(6)与底板(9)之间的焊接间隙均为0.01-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：所述底板(9)一侧还设置有超声变幅杆(10)；所述超声变幅杆(10)用于在对接处产生超声空化效应。
7.根据权利要求1所述的一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于：还设置有喷气系统，所述喷气系统用于对所述对接处喷射保护气。
8.一种中厚板K型接头激光-CMT复合焊接方法，包括权利要求1-7任一项所述的中厚板K型接头激光-CMT复合焊接装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对母材进行表面处理，去除表面杂质；将调节好焊接间隙的母材分别固定在焊接夹具上；
步骤二：将第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪分别与CMT电源一电极连接，CMT电源另一电极连接母材；将第一焊枪，第二焊枪，第三焊枪和三个激光器分别布置在三个夹角空间；
步骤三：启动激光器及第一焊枪，第二焊枪和第三焊枪同步焊接，同时打开喷射系统，对对接处喷射保护气，防止焊缝氧化。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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