CN118106607A - 一种铜铝异种界面熔锻方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铜铝异种界面熔锻方法及装置，该方法包括：将多组铜导线以及多组铝导线水平对接并固定在焊接台上；基于铜导线与铝导线的组成的电缆的半径以及导线的总层数，确定错位的各个焊点位置；调节第一角度组件以及第二角度组件，以使得焊接激光束以及锻打激光束照射在铜导线和铝导线的连接焊点上；调节焊接激光束以及锻打激光束的参数对焊点进行焊接并进行激光锻打。本申请利用双激光的配合作用，从而实现对焊缝的残余压应力、抗拉强度等的提高，在实现铜铝激光焊接高效性的同时，又保证了其焊缝的强度、硬度等性能指标而且节约能耗。

Description

一种铜铝异种界面熔锻方法及装置

技术领域

本申请属于激光技术领域，具体涉及一种铜铝异种界面熔锻方法及装置。

背景技术

激光焊接铜/铝异种界面是一种高效、精确、可控的焊接方法，该工艺利用激光束的高能量密度，将铜/铝材料加热至熔点以上，使其熔化并形成焊缝，从而实现材料的连接。但是铜/铝金属物理性能差别较大，两者在焊接过程中，铝熔化过热后，铜可能还没有熔化，导致焊接困难，且冷却后焊接熔锻区成分不均匀，铜/铝异种金属的焊缝残余应力大，同时形成气孔、裂纹等缺陷。

激光冲击锻打是一种区别于激光冲击强化的新型技术，其工作原理为，激光冲击锻打一般用于在800℃至1200摄氏度的高温，且直接照射在无任何保护层和约束层的中高温区域，中高温的熔覆层吸收激光能量，在熔覆层表面电离汽化产生高压冲击波，对减少接头缺陷，改善接头整体性能具有显著作用。

目前消除残余应力的最通用的方法是对焊接工件进行随焊处理和焊后热处理，随焊处理是指在进行焊接操作的同时，在被焊接区域的附近所进行的一系列处理措施，主要包括随焊碾压、随焊旋转挤压、随焊锤击、振动焊接、随焊激冷、随焊预拉伸和随焊电磁感应，现有的随焊处理技术缺乏智能化、精度化，对于结构复杂的焊接件的处理具有一定的局限性，不能更好地消除焊件缺陷；焊后热处理是指在焊接操作完成以后对被焊件所施加的一处理措施，即将焊件加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊后处理是焊接区域冷却后再进行处理，其塑性变形小，很难彻底消除内部的残余应力、变形、微裂纹等缺陷，焊件加热装置复杂程度随着熔敷零件的尺寸增大和结构复杂性增加将成倍增加，待焊件冷却后再加热效率低，浪费能源。

发明内容

本申请提供一种铜铝异种界面熔锻方法及装置，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：一种铜铝异种界面熔锻方法，包括：

步骤S1.将多组铜导线以及多组铝导线水平对接并固定在焊接台上；其中，铜导线与铝导线的接口为焊点，且焊点相互错位排布；

步骤S2.基于铜导线与铝导线的组成的电缆的半径以及导线的总层数，确定错位的各个焊点位置；

步骤S3.基于焊点的位置，调节第一角度组件以及第二角度组件，以使得焊接激光束以及锻打激光束照射在铜导线和铝导线连接处的焊点上；

步骤S4.控制焊丝至焊点，调节焊接激光束以及锻打激光束的参数对焊点进行焊接并进行激光锻打。

进一步，步骤S2的具体方法，包括：

步骤S21.基于导线的总层数以及各层的焊点数量，获取当前焊点的层数以及排序；

步骤S22.判断前焊点的层数是否不大于总层数；

步骤S23.响应于当前焊点的层数大于总层数，结束焊接；

步骤S24.响应于当前焊点的层数不大于总层数，判断前焊点的排序是否不大于当前层数的焊点数量，并计算焊点的坐标。

进一步，步骤S24的具体方法，包括：

步骤S241.响应于当前焊点的排序不大于当前层数的总焊点数，获取当前焊点的坐标；

步骤S242.响应于当前排序大于当前层数的焊点数，将前焊点的层数和排序加一，并返回步骤S22。

进一步，步骤S241中获取前焊点的坐标的具体方法，包括：

基于公式(1)，获取焊点的焊接角度；其中，公式(1)为：

其中，angle表示焊接角度，j表示当前焊点的序号，N为焊点的总层数；

基于焊点的焊接角度，以电缆的中心为原点建立坐标系，获取当前焊点的坐标；

基于公式(2)，获取当前焊点的坐标；其中，公式(2)为：

其中，(x，y，z)为所述焊点的坐标，Offest为当前层焊点相对于原点的轴向偏移距离，R为当前层的焊接导线所在圈层的半径。

本申请采用的另一个技术方案是：一种铜铝异种界面熔锻装置，包括：

激光冲击锻打设备，用于对焊点进行激光锻打，以消除焊缝的残余压应力；

激光焊接机，用于对焊点进行焊接；

送丝系统3，用于将焊丝送入焊点中；

焊接台，用于承载铜导丝以及铝导丝并进行焊接；

角度组件，包括用于调节焊接激光的第一角度调节组件以及用于调节冲锻激光的第二角度组件。

进一步，第一角度调节组件包括：

第一X轴振镜，用于承接激光焊接机发射的焊接激光；

第一Y轴振镜，用于将第一X轴振镜反射的焊接激光反射至焊点处。

进一步，第二角度调节组件包括：

第二X轴振镜，用于承接激光冲击锻打设备发射的冲锻激光；

第二Y轴振镜，用于将第二X轴振镜反射的冲锻激光反射至焊点处。本申请的有益效果是：本申请的激光焊接机能快速高效地焊接铜/铝导线，激光冲击锻打设备则对激光焊接所形成的中高温区域金属表面进行激光冲击锻打，利用双激光的配合作用，从而实现对焊缝的残余压应力、抗拉强度等的提高，在实现铜/铝激光焊接高效性的同时，又保证了其焊缝的强度、硬度等性能指标，而且节约能耗。

附图说明

图1是本申请的铜铝异种界面熔锻方法一实施例的流程示意图；

图2是本申请的铜铝异种界面熔锻方法一实施例的电缆软接头中铜铝导线错位分焊接图；

图3为图1中的步骤S2一实施例的流程示意图；

图4为图3中的步骤S24一实施例的流程示意图；

图5为本申请的铜铝异种界面熔锻方法一实施例的铜铝异种界面激光熔锻结合截面原理图；

图6是本申请的铜铝异种界面熔锻装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

参阅图1，图1是本申请的铜铝异种界面熔锻方法一实施例的流程示意图。该方法包括：

步骤S1.将多组铜导线以及多组铝导线水平对接并固定在焊接台上；其中，铜导线与铝导线的接口为焊点，且焊点相互错位排布。

具体的，参阅图2，将电缆中的铜导线以及需要对接的铝导线放置在焊接台上，其中铜铝导线的对接点为焊点，每个焊点均相互错位排列。

步骤S2.基于铜导线与铝导线的组成的电缆的半径以及导线的总层数，确定错位的各个焊点位置。

具体的，参阅图3，图3为图1中的步骤S2一实施例的流程示意图。步骤S2包括：

步骤S21.基于导线的总层数以及各层的焊点数量，获取当前焊点的层数以及排序。

具体的，将电缆中的导线层数以及每层中的焊点的数量输入，随后将从最中心的导线开始进行焊接，依次向外圈层的焊点进行焊接；

步骤S22.判断前焊点的层数是否不大于总层数。

具体的，判断当前焊点的圈层是否处于总圈层之内。

步骤S23.响应于当前焊点的层数大于总层数，结束焊接。

具体的，若前焊点的圈层大于总层数，则判断电缆焊接完毕，焊接结束。

步骤S24.响应于当前焊点的层数不大于总层数，判断前焊点的排序是否不大于当前层数的焊点数量，并计算焊点的坐标。

具体的，参阅图4，图4为图3中的步骤S24一实施例的流程示意图步骤S24包括：

步骤S241.响应于当前焊点的排序不大于当前层数的焊点数，获取当前焊点的坐标。

具体的，若当前焊点的排序不超过当前圈层的焊点数时，则认为可以对当前焊点进行焊接。

基于公式(1)，获取焊点的焊接角度；其中，公式(1)为：

其中，angle表示焊接角度，j表示当前焊点的序号，N为焊点的总层数，(x，y，z)为焊点的坐标，R为当前层的焊接导线所在圈层的半径。

将电缆的中心为极坐标原点，可知焊点的极坐标位置为(R,angle)。

基于焊点的焊接角度以及焊点的极坐标，以电缆的中心为原点建立笛卡尔坐标系，获取当前焊点的坐标；

基于公式(2)，获取当前焊点的坐标；其中，公式(2)为：

其中，Offest为当前层焊点相对于原点的轴向偏移距离。

按照上述步骤将各个焊点的坐标一一记录。

步骤S242.响应于当前焊点的排序大于当前层数的总焊点数，将前焊点的层数和排序加一，并返回步骤S22。

具体的，若当前焊点的排序大于当前层数的总焊点数，则进行下一个圈层的焊点坐标计算。

步骤S3.基于焊点的位置，调节第一角度组件以及第二角度组件，以使得焊接激光束以及锻打激光束照射在铜导线和铝导线的连接焊点上。

具体的，记录各个焊点的坐标位置，对激光功率和焊接速度进行控制，让恰当参数的焊接激光束射入焊点中，通过控制焊接功率和焊接速度尽可能减小其缺陷。

步骤S4.控制焊丝至焊点，调节焊接激光束以及锻打激光束的参数对焊点进行焊接并进行激光锻打。

具体的，参阅图5，监测和控制焊丝的送丝速度，送丝速度大于熔化速度时，未熔化的焊丝会影响焊接质量；送丝速度过慢时，会造成填充金属不足；送丝速度不稳定时会造成焊缝高低不平。

当焊接激光束进行焊接时，根据焊点最高温度T、焊接时间t和激光焊机的功率P，可以使用热传导方程，复合材料的热物性参数和焊接参数(如速度、功率等)，来模拟焊接过程中的温度分布，进而估计热影响区(HAZ)的大小和影响深度。

基于激光冲击锻打的目标、HAZ的特性，以及激光与材料相互作用的物理模型，计算所需的冲击锻打激光功率。

根据计算得到的冲击锻打激光功率，调节冲锻激光的参数设置，对已完成的焊点进行冲锻。

参阅图6，图6是本申请的铜铝异种界面熔锻装置一实施例的结构示意图，该装置包括：激光冲击锻打设备1、激光焊接机2、送丝系统3、焊接台4以及角度组件5。

激光冲击锻打设备1用于对焊点进行激光锻打，以消除焊缝的残余压应力；激光焊接机2用于对焊点进行焊接；送丝系统3用于将焊丝送入焊点中；焊接台4用于承载铜导丝以及铝导丝并进行焊接；角度组件5，包括用于调节焊接激光的第一角度调节组件51以及用于调节冲锻激光的第二角度组件52。

第一角度调节组件51包括：第一X轴振镜511和第一Y轴振镜512；第一X轴振镜511用于承接激光焊接机2发射的焊接激光；第一Y轴振镜512用于将第一X轴振镜511反射的焊接激光反射至焊点处。

第二角度调节组件52包括：第二X轴振镜521和第二X轴振镜522。第二X轴振镜521用于承接激光冲击锻打设备1发射的冲锻激光；第二X轴振镜522用于将第二X轴振镜521反射的冲锻激光反射至焊点处。

本申请中的激光焊接机2有焊接速度快、精确度高、可焊接多种材料等特点，能快速高效地焊接铜/铝导线，激光冲击锻打设备1则对激光焊接所形成的中高温区域金属表面进行激光冲击锻打，利用双激光的配合作用，从而实现对焊缝的残余压应力、抗拉强度等的提高，在实现铜/铝激光焊接高效性的同时，又保证了其焊缝的强度、硬度等性能指标。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种铜铝异种界面熔锻方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.将多组铜导线以及多组铝导线水平对接并固定在焊接台上；其中，所述铜导线与所述铝导线的接口为焊点，且所述焊点相互错位排布；

步骤S2.基于所述铜导线与所述铝导线的组成的电缆接头的半径以及导线的总层数，确定错位的各个所述焊点位置；

步骤S3.基于所述焊点的位置，调节第一角度组件以及第二角度组件，以使得焊接激光束以及锻打激光束照射在铜导线和铝导线连接处的焊点上；

步骤S4.控制焊丝至所述焊点，调节所述焊接激光束以及所述锻打激光束的参数对所述焊点进行焊接并进行激光锻打。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法，包括：

步骤S21.基于所述导线的总层数以及各层的焊点数量，获取当前焊点的层数以及排序；

步骤S22.判断所述前焊点的层数是否不大于所述总层数；

步骤S23.响应于所述当前焊点的层数大于所述总层数，结束焊接；

步骤S24.响应于所述当前焊点的层数不大于所述总层数，判断所述前焊点的排序是否不大于当前层数的焊点数量，并计算所述焊点的坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S24的具体方法，包括：

步骤S241.响应于所述当前焊点的排序不大于当前层数的焊点数，获取当前焊点的坐标；

步骤S242.响应于所述当前排序大于当前层数的总焊点数，将所述前焊点的层数以及排序加一，并返回步骤S22。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S241中获取前焊点的坐标的具体方法，包括：

基于公式(1)，获取所述焊点的焊接角度；其中，所述公式(1)为：

其中，angle表示焊接角度，j表示当前焊点的序号，N为焊点的总层数；

基于所述焊点的焊接角度，以所述电缆接头的中心为原点建立坐标系，获取当前所述焊点的坐标；

基于公式(2)，获取当前所述焊点的坐标；其中，公式(2)为：

其中，(x，y，z)为所述焊点的坐标，Offest为当前层焊点相对于原点的轴向偏移距离，R为当前层的焊接导线所在圈层的半径。

5.一种铜铝异种界面熔锻装置，其特征在于，包括：

激光冲击锻打设备，用于对焊点进行激光锻打，以消除焊缝的残余压应力；

激光焊接机，用于对所述焊点进行焊接；

送丝系统，用于将焊丝送入所述焊点中；

焊接台，用于承载铜导丝以及铝导丝并进行焊接；

角度组件，包括用于调节焊接激光的第一角度调节组件以及用于调节冲锻激光的第二角度组件。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一角度调节组件包括：

第一X轴振镜，用于承接所述激光焊接机发射的焊接激光；

第一Y轴振镜，用于将所述第一X轴振镜反射的焊接激光反射至所述焊点处。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二角度调节组件包括：

第二X轴振镜，用于承接所述激光冲击锻打设备发射的冲锻激光；

第二Y轴振镜，用于将所述第二X轴振镜反射的冲锻激光反射至所述焊点处。