CN1739901A - 采用介质冷却的激光焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在焊接结构制造中控制焊接应力和变形的采用介质冷却的激光焊接方法及装置。在激光焊接头之后跟随同步运动的热沉，该热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，在焊接过程中对激光焊接头后部的高温焊缝金属起到快速冷却作用，从而控制焊接应力与变形。本发明利用雾化的冷却介质对处于高温状态的焊缝区的局部急冷，使其急剧收缩，就会产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，从而使残余状态下的焊接应力可以降低到很低的水平。

Description

采用介质冷却的激光焊接方法及装置

技术领域：本发明涉及一种用于在焊接结构制造中控制焊接应力和变形的采用介质冷却的激光焊接方法及装置。

背景技术：激光焊是一种先进的焊接技术，是高能束流加工技术重要组成部分。目前，控制和消除激光焊薄板构件的焊接应力和变形，通常采用焊前措施和焊后措施两类。焊接过程中主要依靠夹具的夹紧作用控制变形。无论是焊前措施还是焊后措施，在结构制造过程中都增加了一道工序。且有的需要繁杂庞大的设备，有的费力耗时，有的对焊接应力和变形的控制效果有限，并且都受结构焊缝形状复杂性的影响，应用范围受到限制。

由《北京航空工艺研究所》申请的《动态控制薄板构件低应力无变形焊接法及其装置》(中国专利号ZL93101690.8)，公开了一种采用可跟随焊接热源移动的热沉，对仍处于高温的焊缝进行局部冷却，有效控制了钨极氩弧焊焊接薄壁结构时出现的焊接残余应力与变形。此项专利所公开的内容虽然在钨极氩弧焊上得到了成功的应用，但是由于激光焊与钨极氩弧焊的区别，此项发明不能解决在激光焊中薄壁结构出现的应力与变形问题。

发明内容：本发明的目的是提供一种能够克服在激光焊接薄壁结构时出现的应力与变形问题的激光焊接方法及装置。本发明的技术解决方案是，在激光焊接头之后跟随同步运动的热沉，该热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，在焊接过程中对激光焊接头后部的高温焊缝金属起到快速冷却作用，从而控制焊接应力与变形，抽气管的下方连接一个用柔性耐高温材料制成的屏蔽网，此材料可以是玻璃纤维布或石棉布或金属丝刷，抽气管将冷却介质蒸汽及多余的冷却介质抽走，防止其对焊接过程的干扰。热沉装置与激光焊接头通过装夹机构连接在一起，装夹机构为一个三向可调机构，热沉支臂将激光焊接头与热沉连接，并由锁紧镙母控制调节热沉沿X向滑移，热沉支臂在热沉一端的压紧螺钉调节热沉在Z向的运动；同时，也可调节热沉在W向的运动，激光焊接头与热沉之间保持5～60mm的距离，热沉的摆动角度在0～10度。

本发明采用可跟随激光焊接头移动的热沉装置，可在焊接热源后适当位置，对焊缝高温区局部急冷。利用雾化的冷却介质对处于高温状态的焊缝区的局部急冷，使其急剧收缩，就会产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，从而使残余状态下的焊接应力可以降低到很低的水平。这样就在焊接过程中动态地控制了焊接应力与变形，防止了薄板构件的失稳变形。这种采用介质冷却的激光焊接方法不受焊缝形状和专用夹具的限制，热沉可跟随激光焊接热源焊接任何长度的直线、非直线、非规则焊缝，实现对薄板构件焊接应力和变形的实时动态控制。

本发明采用抽气管、进气管和冷却介质管互相包围的结构形式，满足了激光高能束流焊接，焊缝窄的特点，热沉的整体尺寸减小；由于冷却介质管比进气管略短，且进气管的直径在冷却介质管的末端处发生由大到小的变化，因而改变了运动方向的高压气体将冷却介质管射出的液体雾化，且由于进气管比冷却介质管略长些，因而对刚刚雾化的冷却介质具有一定的导向作用，使之更加有效地作用在需要冷却的焊缝上。在本发明中热沉装置具有更多的运动方向。除了X、Y、Z三向可调，在激光焊接头主轴和热沉轴线构成的XZ平面上，热沉还能进行一定角度的摆动，从而使热沉与激光焊接头之间的距离调节更加方便。

附图说明：

图1为采用介质冷却的激光焊焊接方法装置示意图；

图2为本发明焊接头与热沉连接的装夹机构示意图，其中，B为A的侧视图；

图3为采用常规激光焊接方法和采用介质冷却的激光焊接方法后，薄壁构件上残余塑性应变的分布；

图4为采用常规激光焊接方法和采用介质冷却的激光焊接方法后，薄板构件的宏观失稳变形量的比较。

具体实施方式

图1是采用介质冷却的激光焊焊接方法装置示意图。根据本发明所述，该系统包括激光焊接头和热沉两部分。热沉系统包括有输送冷却介质的冷却管3和高压进气管4组合形成的介质雾化射流喷嘴和抽气管5，7为焊接工件。

激光焊接头与常规激光焊方法中的激光焊接头一致。

冷却介质可根据焊接件的材料选用水、液氮或液态二氧化碳及其它冷却液。在冷却介质喷嘴外部设置一个抽气管5，可防止冷却介质汽化对焊接热源的干扰，保证焊接正常进行。抽气管5与真空泵相连接，在焊接过程中，真空泵能及时将冷却介质蒸汽及剩余的冷却介质抽走，抽气管5下端采用柔性耐高温材料，根据具体情况选用玻璃纤维布、石棉布、金属丝刷等制成的屏蔽网6与工件7接触，实现抽气管5与焊件7间的动态封严。这样，热沉可跟随焊接热源适应各种形式的焊缝，实现动态控制。在同样热沉冷却强度下，热沉不同的冷却位置对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明将冷却介质喷嘴和抽气管固定在一个三向可调的装夹机构上，可将热沉的冷却方便调节到一个最佳位置上，还可将热沉在其轴线8与激光焊接头2轴线1所处的XZ平面上沿其轴线8按箭头9摆动一个角度，从而可以更加精确地调节热沉与激光焊接头之间的距离。图2为激光焊接头与热沉连接的装夹机构示意图。由图中可见，热沉支臂12将激光焊接头2与热沉10连接，松开X向锁紧螺母14，可使热沉10在滑块13上沿X向滑移，从而调节热沉10与激光焊接头2之间的距离。松开热沉压紧螺钉11，可上下调节热沉10的位置，从而完成热沉10在Z向的运动；也可调节热沉10在W向的运动，即热沉11与激光焊接头2之间摆动的角度，通过固定W向锁紧螺母15固定W向的位置。热沉冷却强度可调。在同一热沉冷却位置，不同的热沉强度对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明给冷却介质和高压气流均配置了流量计，可实现对热沉强度的定量调节。为了增强热沉对焊缝高温区的局部急冷拉伸作用，本发明采用高压气体通过高压气流喷嘴将冷却液先行雾化后，再喷射到焊缝高温区，这样，大大增加了冷却液与焊缝的接触面积，加强了冷却液的汽化，提高了换热系数，增强了热沉的冷却效果。冷却介质管包围在进气管中，进气管在冷却介质管末端直径由大变小，导致高压气流在此处作用于冷却介质使其雾化，随即雾化后的冷却介质沿进气管的尾端喷出，定向有效地作用于高温焊缝上。

实施例：选用厚度为2mm的不锈钢板用常规激光焊和采用介质冷却的激光焊，焊后测定分析了板内残余塑性应变的分布情况。两种方法规范相同，均为焊接功率1900W，焊接速度1.2m/min。冷却介质选用自来水，流量为116ml/min，热源与热沉中心相距8mm。由图3可以看到，常规焊时，焊缝区有很大的残余压缩塑性变形量，而采用冷却介质后，压缩塑性变形量得以补偿和控制，残余压缩塑性应变大大降低。由此可以推断，焊缝两侧的残余压应力被控制到极低的水平，低于临界失稳应力，板件将不再发生失稳变形。图4为两种焊接方法宏观变形量h的对比，由此可以看出，采用冷却介质的激光焊接方法，宏观变形量大大降低。

综上可以看到，本发明的焊接方法及装置，可针对待焊工件的材料特性、几何尺寸、设计或制造工艺的要求，以及达到的控制最终残余应力和变形的容限值，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选最佳的热沉冷却强度和热沉位置，控制薄板构件的应力和变形。本发明方法适合于各种有色金属、黑色金属、合金钢和耐热合金等结构材料。并且由于热沉的局部急冷作用，对一些材料的焊缝还可以达到改善结晶组织、细化晶粒、消除裂纹的效果。本发明方法，适用范围广。在CO₂激光焊设备上、YAG激光焊设备上，装备上本发明的装置，即可实现控制薄板构件应力和变形的焊接。装置成本小，操作简便，具有很好的技术经济价值和广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种采用介质冷却的激光焊接方法，其特征是，在激光焊接头之后跟随同步运动的热沉，根据被焊接材料的不同，调节连接焊接头与热沉的装夹机构，使热沉与焊接头之间保持相应的距离，将冷却介质雾化喷射至焊缝，动态控制焊接应力与变形。

2.根据权利要求1所述的采用介质冷却激光焊接方法，其特征是，焊接头与热沉之间的距离保持在5～60mm。

3.一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是，热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，抽气管的下方连接一个用柔性耐高温材料制成的屏蔽网。

4.根据权利要求1所述的采用介质冷却激光焊接方法，其特征是，装夹机构在0～10度的角度范围内调节热沉的摆动角度。

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