CN208374479U - 一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种激光‑搅拌复合深熔焊接厚板系统，其特征在于：包括激光发生器经传输光纤连接到安装于焊接机械手的激光焊接头，直线电机固定在激光焊接头上，旋转电机通过联轴器与搅拌针相连，再通过连接板固定在直线电机上，激光焊接头、搅拌针沿焊接方向前后成列设置；保护气喷嘴固定在激光焊接头上，对准激光焊接头焊接的区域，温度传感器固定置于工件底部下方，与计算机相连，用于实时采集工件背面温度；激光‑搅拌复合深熔焊接厚板系统还包括机械手控制系统，机械手控制系统能控制直线电机和旋转电机，使得搅拌针上下移动和旋转，搅拌针与保护气体喷管均和激光焊接头相连。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统。
背景技术
激光焊接是激光加工技术中应用最广泛的先进工艺之一，具有焊接热输入小、焊缝深宽比大、速度快、焊缝变形小残余应力低、焊接精度和强度高、无需填料、易于实现自动化等突出优点，已经在汽车、造船、核电、管道等国民经济重要行业领域中得到应用。
随着近来超高功率高亮度激光的研制成功，使得采用激光单道焊接厚板成为可能。激光深熔焊接类似于电子束焊接，存在小孔效应，焊接小孔沿着焊接方向不断推移，熔化前沿的熔融金属沿着小孔前壁向下流动，且绕过小孔向后流动，从而获得大深宽比的焊缝。然而激光自熔焊接大厚度平焊接头，焊接工艺参数范围极窄，易形成塌陷和底部焊瘤，即所谓的“透则漏”的问题！其根本原因在于小孔内壁皱褶/台阶诱导的小孔内能量耦合的不均匀导致的局部蒸发蒸汽反冲压力驱动的熔融金属高速流动。“PA position fullpenetration high power laser beam welding of up to 30mm thick AlMg3platesusing electromagnetic weld pool support”， science and technology of weldingand joining 2012(17)，(“采用电磁熔池辅助系统高功率激光穿透焊接水平位置30mm厚AlMg3板”，《焊接与连接科学技术》2012(17))文中指出在平焊厚板试件下方设置电磁场，产生向上的洛伦兹力来克服重力，进而抑制重力作用下的熔池下掉。然而熔池重力对熔池塌陷和下掉只是一个较小的影响因素。
在2012年6月13日公开的，公开号为“CN102489830A”，发明名称为“大型罐体单面焊接双面成型方法及焊缝成型衬垫”的发明专利公开了一种大型罐体衬垫焊方法及衬垫，其解决了大型罐体单面焊接双面成型的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题、为了获得较好的成形，必须在衬垫上开始足够大的焊缝成形槽，从而底部焊缝很宽。
在2015年7月8日公开的，公开号为“CN 103418917 B”，发明名称为“一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法”的发明专利公开了一种激光与熔融金属复合焊接板材的方法，其解决了激光焊接厚板平焊接头焊缝塌陷和下掉的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题、该方法提出的在焊缝底部同步喷射熔融金属的工艺措施，使得整个焊接装置的结构和控制变得复杂，焊前设备调试时间较长。
发明内容
本实用新型针对高功率激光自熔穿透焊接厚板(>16mm)平焊接头成形过程中，易出现塌陷与底部焊瘤等问题，提供一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板的系统，具有良好的焊接效果，且工艺简单、易于实现自动化。
本实用新型提供一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板的系统，包括如下步骤。
步骤1、提供需要焊接的第一工件与第二工件，第一工件与第二工件均为不锈钢板。
步骤2、将第一工件和第二工件准确对接与夹紧。
步骤3、提供激光-搅拌复合焊接系统，激光-搅拌复合焊接系统具有激光焊接头、搅拌针，激光焊接头、搅拌针沿焊接方向前后成列设置。
步骤4、启动激光-搅拌复合焊接系统，激光束垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在第一工件和第二工件上。
步骤5、通过温度传感器实时采集工件背面温度，当采集到的温度达到或超过工件熔化的温度值时，启动旋转电机驱动搅拌针旋转，直线电机驱动搅拌针向下移动，搅拌针旋入焊接熔池，搅拌针与激光束同步移动，继续施焊。
步骤6、达到焊接末端点时，关闭激光发生器，直线电机驱动搅拌针向上移动，关闭电机，完成焊接过程。
在其中一实施例中，步骤3中，激光-搅拌复合焊接系统还包括驱动搅拌针上下移动的直线电机，直线电机固定在激光焊接头上。
在其中一实施例中，步骤3中，激光-搅拌复合焊接系统还包括驱动搅拌针旋转运动的旋转电机，旋转电机与搅拌针通过连接板固定在直线电机上。
在其中一实施例中，步骤3中，激光-搅拌复合焊接系统还包括与激光焊接头对应设置的保护气喷嘴，保护气体喷嘴对准激光焊接头焊接的区域，且保护气喷嘴、激光焊接头固定在一起。
在其中一实施例中，步骤3中，激光-搅拌复合焊接系统还包括置于焊接起始点下方的温度传感器，用于实时采集工件背面温度。
在其中一实施例中，步骤3中，搅拌针呈圆柱结构，且表面设有V形阿基米德螺旋凹槽结构和圆形环状凹槽结构。
在其中一实施例中，通过圆形环状凹槽结构可以加速激光自熔焊接区小孔前壁的熔融金属绕过小孔向后流动，而通过V形阿基米德螺旋凹槽结构可以使得激光自熔焊接区熔池底部的熔融金属沿着V形阿基米德螺旋凹槽向上流动。
在其中一实施例中，搅拌针直径大小D为2～6mm。
在其中一实施例中，搅拌针表面V形阿基米德螺旋凹槽结构螺距p为2～5mm。
在其中一实施例中，搅拌针表面V形阿基米德螺旋凹槽结构和圆形环状凹槽结构的截面深度h为0.5～3mm。在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接头聚焦形成的激光束中心线与搅拌针轴线之间距离δ为3～7mm。
在其中一实施例中，步骤3中，激光-搅拌复合焊接系统还包括与温度传感器相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统，步骤5中，温度传感器实时采集到工件背面温度后，将信号传输给温度采集系统，温度采集系统将温度传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值，当温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理系统向机械手控制系统发出启动旋转电机和直线电机的信号，机械手控制系统控制旋转电机驱动搅拌针旋转，控制直线电机驱动搅拌针向下移动，搅拌针旋入焊接熔池，搅拌针与激光束同步移动。
在其中一实施例中，处理系统包括用于判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值的处理模块、连接温度传感器与处理模块的图像采集卡、连接处理模块与机械手控制系统的I/O单元，步骤5中，图像采集卡将视频信号转化为数字信号发送给处理模块，当处理模块判断温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理模块通过I/O单元向机械手控制系统发出启动旋转电机和直线电机的信号。
在其中一实施例中，步骤4中，旋入熔池的搅拌针最尖端与工件下表面的距离d为1～3mm。
本实用新型还提供一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统，包括激光发生器经传输光纤连接到安装于焊接机械手的激光焊接头，直线电机固定在激光焊接头上，旋转电机通过联轴器与搅拌针相连，再通过连接板固定在直线电机上，激光焊接头、搅拌针沿焊接方向前后成列设置；保护气喷嘴固定在激光焊接头上，对准激光焊接头焊接的区域，温度传感器固定置于工件底部下方，与计算机相连，用于实时采集工件背面温度；激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统还包括机械手控制系统，机械手控制系统能控制直线电机和旋转电机，使得搅拌针上下移动和旋转，搅拌针与保护气体喷管均和激光焊接头相连。
在其中一实施例中，还包括与温度传感器相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统，温度传感器实时采集到工件背面温度后，将信号传输给温度采集系统，温度采集系统将温度传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值，当温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理系统向控制系统发出启动旋转电机和直线电机的信号，机械手控制系统能控制直线电机和旋转电机，使得搅拌针上下移动和旋转。
本实用新型的有益效果是。
1)本实用新型在激光自熔焊接的小孔后壁后方熔池中设置具有圆形环状凹槽结构和V 形阿基米德螺旋凹槽结构的搅拌针，高速旋转的搅拌针使得激光自熔焊接区小孔前壁的熔融金属加速绕过小孔向后流动，小孔前壁熔融金属层厚度变薄，大大减少了小孔前壁的皱褶/台阶，有效避免了小孔前壁局部蒸发驱动的熔融金属高速向下流动而产生的底部熔融金属汇集，进而在焊缝底部形成底部焊瘤的问题。
2)本实用新型在激光自熔焊接的小孔后壁后方熔池中设置具有圆形环状凹槽结构和V 形阿基米德螺旋凹槽结构的搅拌针，高速旋转的搅拌针使得激光自熔焊接区熔池底部的熔融金属沿着V形阿基米德螺旋凹槽向上流动，大幅增强了激光自熔焊接区小孔后壁后方熔池底部熔融金属向上的流动，有效避免了激光自熔焊接熔池中熔融金属在底部聚集而形成底部焊瘤的问题。
3)本实用新型提供的激光-搅拌复合深熔焊接厚板的系统，可以推广应用到厚板横焊、立焊和全位置焊接等过程中，适应性强。
附图说明
图1是本实用新型实施例一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统所涉及的设备与母材布置示意图。
图2是图1所示系统中焊接区纵截面示意图。
图3是底部焊瘤形成时激光深熔焊接区纵截面示意图。
图4是图2所示状态中焊缝横截面成型示意图。
图5是图3所示状态中焊缝横截面成型示意图。
图6是图1所示焊接系统中搅拌针结构示意图。
图7是图6所示搅拌针的V形螺旋凹槽结构局部示意图。
图8是图6所示搅拌针的圆形环状凹槽结构局部示意图。
其中：1—第一工件；2—第二工件；3—激光束；4—保护气喷嘴；5—焊接机械手。
6—固定支架；7—激光焊接头；8—直线电机；9—旋转电机；10-联轴器。
11—连接板。
12-搅拌针系统。
121-V形阿基米德螺旋凹槽，122-圆形环状凹槽。
13-传输光纤；14-激光发生器；15-温度传感器；16-计算机；17-小孔前壁；18- 小孔；19—小孔后壁；20—焊接熔池；21—凝固的焊缝；22—焊接区熔融金属流动方向。
具体实施方式
以下将结合附图1-8以及具体实施例来对本实用新型的技术方案进行详细说明。
如图1-8所示，本实用新型实施例提供了一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统包括如下步骤。
步骤1、提供需要焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2均为不锈钢板。
步骤2、将第一工件1和第二工件2准确对接与夹紧。
步骤3、提供激光-搅拌复合焊接系统，激光-搅拌复合焊接系统具有激光焊接头7、搅拌针12，激光焊接头7、搅拌针12沿焊接方向前后成列设置。
搅拌针12呈圆柱结构，且表面设有V形阿基米德螺旋凹槽结构121和圆形环状凹槽结构122。
可选的，通过圆形环状凹槽结构122可以加速激光自熔焊接区小孔前壁17的熔融金属绕过小孔18向后流动，而通过V形阿基米德螺旋凹槽结构121可以使得激光自熔焊接区熔池底部的熔融金属沿着V形阿基米德螺旋凹槽121向上流动。
可选的，搅拌针12直径大小D为2～6mm。
可选的，搅拌针12表面V形阿基米德螺旋凹槽结构121螺距p为2～5mm。
可选的，搅拌针12表面V形阿基米德螺旋凹槽结构121和圆形环状凹槽结构122的截面深度h1、h2均为0.5～3mm，且激光焊接头7聚焦形成的激光束3中心线与搅拌针12 轴线之间距离δ为3～7mm。
激光-搅拌复合焊接系统还包括驱动搅拌针旋转运动的旋转电机9，旋转电机9与搅拌针12通过连接板11固定在直线电机8上；然后包括与激光焊接头7对应设置的保护气喷嘴 4，保护气体喷嘴4对准激光焊接头7焊接的区域，且保护气喷嘴4、激光焊接头7固定在一起；另外用于实时采集工件背面温度的温度传感器15置于焊接起始点的下方；除此之外，还包括与温度传感器15相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统。
步骤4、启动激光-搅拌复合焊接系统，激光束3垂直辐射工件上表面，激光束3聚焦光斑大小平均分布在第一工件1和第二工件2上。
可选的，旋入熔池的搅拌针12最尖端与工件下表面的距离d为1～3mm。
步骤5、通过温度传感器15实时采集工件背面温度，当采集到的温度达到或超过工件熔化的温度值时，启动旋转电机9驱动搅拌针12旋转，直线电机8驱动搅拌针12向下移动，搅拌针12旋入焊接熔池21，搅拌针12与激光束3同步移动，继续施焊。
温度传感器15实时采集到工件背面温度后，将信号传输给温度采集系统，温度采集系统将温度传感器15获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统包括用于判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值的处理模块、连接温度传感器15与处理模块的图像采集卡、连接处理模块与机械手控制系统的I/O单元。在本实例中图像采集卡将视频信号转化为数字信号发送给处理模块，当处理模块判断温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理模块通过I/O单元向机械手控制系统发出启动旋转电机9和直线电机8的信号。
步骤6、达到焊接末端点时，关闭激光发生器14，直线电机8驱动搅拌针12向上移动，关闭旋转电机9和直线电机8，完成焊接过程。
本实用新型还提供一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统，包括激光发生器14经传输光纤13连接到安装于焊接机械手5的激光焊接头7，直线电机8固定在激光焊接头7上，旋转电机9通过联轴器10与搅拌针12相连，再通过连接板11固定在直线电机8上，激光焊接头7、搅拌针12沿焊接方向v前后成列设置；保护气喷嘴4固定在激光焊接头7上，对准激光焊接头7焊接的区域，温度传感器15固定置于工件底部下方，与计算机16相连，用于实时采集工件背面温度；激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统还包括机械手控制系统，激光焊接头 7固定在焊接机械手5上，机械手控制系统能控制直线电机8和旋转电机9分别上下移动和旋转，搅拌针12与保护气体喷管4均和激光焊接头7相连。
在其中一实施例中，还包括与温度传感器15相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统，温度传感器15实时采集到工件背面温度后，将信号传输给温度采集系统，温度采集系统将温度传感器15获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值，当温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理系统向控制系统发出启动电机8的信号，机械手5控制系统能控制直线电机8和旋转电机9，使得搅拌针12上下移动和旋转。
本实用新型在激光自熔焊接的小孔后壁19后方熔池中设置具有圆形环状凹槽结构122 和V形阿基米德螺旋凹槽结构121的搅拌针，高速旋转的搅拌针使得激光自熔焊接区小孔前壁17的熔融金属加速绕过小孔18向后流动，小孔前壁17熔融金属层厚度变薄，大大减少了小孔前壁17的皱褶/台阶，有效避免了小孔前壁17局部蒸发驱动的熔融金属高速向下流动而产生的底部熔融金属汇集，进而在焊缝底部形成底部焊瘤的问题。
本实用新型在激光自熔焊接的小孔后壁19后方熔池中设置具有圆形环状凹槽结构122 和V形阿基米德螺旋凹槽结构121的搅拌针，高速旋转的搅拌针使得激光自熔焊接区熔池底部的熔融金属沿着V形阿基米德螺旋凹槽121向上流动，大幅增强了激光自熔焊接区小孔后壁19后方熔池底部熔融金属向上的流动，有效避免了激光自熔焊接熔池中熔融金属在底部聚集而形成底部焊瘤的问题。
本实用新型提供的激光-搅拌复合深熔焊接厚板的系统，可以推广应用到厚板横焊、立焊和全位置焊接等过程中，适应性强。
Claims (2)
1.一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统，其特征在于：包括激光发生器经传输光纤连接到安装于焊接机械手的激光焊接头，直线电机固定在激光焊接头上，旋转电机通过联轴器与搅拌针相连，再通过连接板固定在直线电机上，激光焊接头、搅拌针沿焊接方向前后成列设置；保护气喷嘴固定在激光焊接头上，对准激光焊接头焊接的区域，温度传感器固定置于工件底部下方，与计算机相连，用于实时采集工件背面温度；激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统还包括机械手控制系统，机械手控制系统能控制直线电机和旋转电机，使得搅拌针上下移动和旋转，搅拌针与保护气体喷管均和激光焊接头相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板系统，其特征在于：还包括与温度传感器相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统，温度传感器实时采集到工件背面温度后，将信号传输给温度采集系统，温度采集系统将温度传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断工件背面温度是否达到或超过工件熔化的温度值，当温度达到或超过工件熔化的温度值时，处理系统向控制系统发出启动旋转电机和直线电机的信号，机械手控制系统能控制直线电机和旋转电机，使得搅拌针上下移动和旋转。
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Granted publication date: 20190115 Termination date: 20191227 |