CN209550880U - 用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，局部真空室出气管的排气流量大于进气管进气流量，在焊接时提供负压环境，并设有电阻加热板对焊板进行预热，还设有激光退火模块，在对铝合金板材进行激光焊接并轻微冷却后，利用预热的余温进行激光退火，在焊接接头的上下表面形成了晶粒细化和残余压力层，从而提高了焊接接头的屈服强度、抗拉强度；局部真空下的激光焊接降低了外界气压，有利于熔池内气泡排出，减少气孔缺陷，同时抑制了光致等离子体和金属蒸汽的产生，减少了对激光束能量的逆韧致吸收；另外，焊板的预热处理提高了焊接过程的稳定性，飞溅大幅度减少，焊缝表面的鱼鳞纹趋于细密，减少了焊缝表面凹坑缺陷。

Description

用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置

技术领域

本实用新型涉及铝合金焊接技术领域，尤其涉及一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置。

背景技术

激光焊接技术因其功率密度大、热影响区小、焊缝深宽比大、不受电磁干扰、无磁偏吹现象被广泛应用于汽车制造、压力容器制造等行业中。汽车作为主要的民用交通用具，在保证安全系数足够的前提下，实现轻量化是目前面临的一大难题。通过对生产成本、零件质量、材料利用等几个方面比较，铝合金已成为汽车生产不可缺少的重要原材料，用铝合金结构代替传统钢材，可使汽车减重 30％-40％，是轻量化制造及环保节能的重要途径。铝合金具有比强度高、耐腐蚀、易加工成型的优点，也是航天器材料的选择。但铝合金在焊接中面临一大难点便是焊接气孔的控制。这是由于铝及其合金的化学活泼性非常强，表面极易形成氧化膜，氧化膜多为难熔物质(Al₂O₃的熔点为2050℃，MgO熔点为2500℃)，氧化膜的比重和铝的比重较接近，所以容易成为焊缝金属的夹杂物，通常自然形成的氧化膜由于疏松性可以吸收较多水分，水分中的氢元素成为了焊缝中氢气孔的重要来源。另外，日本学者Matsunawa等人通过研究发现，铝合金激光焊接时的匙孔内部处于不稳定的振荡状态，导致了匙孔内液态金属的剧烈流动，匙孔内的金属蒸汽向外喷发致使匙孔开口处的蒸汽形成湍流，将保护气体卷入匙孔底部，随着匙孔的向前移动，这些保护气体以气泡的形式进入熔池，由于焊缝冷却速度极快，气泡来不及逸出而成为了气孔，这类气孔称为工艺性气孔。为了防止氢气孔，一个方法是熔池凝固之前使氢以气泡的形式及时排出，为了防止工艺性气孔，一个方法是使保护气形成的气孔在熔池凝固前便加速逸出。研究发现，真空或负压环境中因为外界气压较低，能加速熔池内气泡的排出速率，减少凝固后的气孔缺陷。

另外，研究发现，不预热的条件下进行铝合金的焊接，极易出现大飞溅、表面鱼鳞纹不均匀且有较大的凹坑缺陷，对接头质量不利。焊接前给予适当的预热，可使焊接过程趋于稳定，飞溅和凹坑可得到大幅度减少。

在焊接接头的热处理方面，国内学者进行了大量研究。杨松等人在期刊论文《AP1000蒸汽发生器环焊缝局部热处理对U形管局部损伤的分析和预防》(焊接学报，2015,36(6)：90-94)中，分析了热处理对局部损伤的影响，获得热处理变形的控制方法；邹德宁等人在期刊论文《热处理对2205双相不锈钢焊接接头力学性能的影响》(机械工程学报，2011,47(2)：85-89)中，研究了热处理后焊接接头的力学性能，解释了焊接接头组织的演变特征；郝亚鑫等人在期刊论文《焊后热处理对7A04铝合金水下搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响》(材料工程，2016，44(6)：70-75)中，对焊接接头进行热处理，分析了热处理对析出相尺寸及分布的影响。激光热处理通过控制激光方向和调制频率可以对材料表面的任意局部进行处理，利用其高能量改变材料表面微观结构，产生残余压应力，提高拉伸性能。

检索发现，专利《一种铝合金真空电子束焊接方法》(申请号：201210433230.8)所述的将焊接工件相互压装后放入真空室中，之后以电子束扫描进行预热、预连接、穿透焊接，最后再真空冷却，能够有效提高焊缝质量，但是需要对整个焊接炉空间设置真空环境，提高了成本，也不方便对大尺寸工件的加工。专利《铝合金仪表板横梁焊接方法》(申请号：201110459261.6)所述的对铝合金进行焊接前去氧化膜处理之后定位焊接，操作方便，但是由于没有后期的焊缝修饰，焊接结构件力学性能有待加强。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，以提高铝合金激光焊接过程中的稳定性，降低或消除铝合金焊接过程中气孔缺陷的发生率，并提高其接头的力学性能。

本实用新型所采用的技术方案：一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其中，包括第一激光器、光纤、第一聚焦头、焊板、电阻加热板、加热电源、厚铜板、夹具、驱动构件、真空模块；第一激光器通过光纤与第一聚焦头相连，第一聚焦头下方设置有一个与第一聚焦头随动的真空模块，真空模块下方设置焊板，焊板下面设置厚铜板，焊板与厚铜板中间设置有微小间隙，焊板在夹具的夹持下在厚铜板上面自由相对滑动，厚铜板下面贴合电阻加热板电阻加热板正负极连接加热电源；焊板上还设置有激光退火模块。

所述的真空模块包括，局部真空室、进气管、出气管、抽气泵、气瓶，局部真空室为一个长方体空间，采用耐热材料制作，靠近熔池的底面留有通孔阵列，局部真空室连接一进气管和一出气管，进气管与气瓶连接，出气管与抽气泵连接，进气管输进惰性气体，出气管排出混合气体，出气管的排气流量大于进气管进气流量。

所述的焊板端部的夹具下方设置一片与行程开关对应的挡铁，当焊板右移到激光退火模块处，挡铁触发行程开关的触点，激光退火模块开始工作。

所述的激光退火模块包括，第二聚焦头、第三聚焦头、第二激光器、第三激光器、氮气喷嘴；具体结构是：第二激光器、第三激光器通过光纤分别与第二聚焦头、第三聚焦头连接，第二聚焦头、第三聚焦头分别设置于正对于对接焊缝的上下方，另外在第二聚焦头、第三聚焦头旁轴分别设置氮气喷嘴。

所述的第一聚焦头、第二聚焦头、第三聚焦头及行程开关固定，焊接时焊板和夹具在驱动构件的带动下移动。

铝合金焊板焊接前，用丙酮或汽油对对接面及对接面附近的上下表面进行擦拭，除去油污，之后用直径为0.15mm-0.2mm的不锈钢刷刷洗直到露出金属光泽为止，以清除表面的氧化层及降低对激光的反射率，在处理后一小时内进行焊接，如超过1小时应重新处理。

优选的，所述的第一激光器采用Nd：YAG固体激光器、CO₂激光器、盘式激光器或半导体激光器中的任意一种。

优选的，所述的第二激光器采用CO₂激光器。

本实用新型总体来看，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型对铝合金进行激光焊接并轻微冷却后，利用预热的余温进行激光退火，在焊接接头的上下表面形成了晶粒细化和残余压力层，从而提高了焊接接头的屈服强度、抗拉强度。

2.本实用新型在局部真空下的激光焊接因为降低了外界气压，有利于熔池内气泡排出，减少气孔缺陷，外界气压下降同时抑制了光致等离子体和金属蒸汽的产生，减少了等离子体和金属蒸汽对激光束能量的逆韧致吸收，提高激光能量的利用率。

3.本实用新型对焊板的预热处理提高了焊接过程的稳定性，飞溅大幅度减少，焊缝表面的鱼鳞纹趋于细密，减少了焊缝表面凹坑缺陷。

附图说明

图1为本实用新型的第一装置图；

图2为本实用新型的第二装置图；

图3为本实用新型的预热示意图；

图4为本实用新型的局部真空室示意图。

标号说明：1.第一激光器、2.光纤、3.第一聚焦头、4.局部真空室、5.气瓶、6.抽气泵、7.熔池、8.出气管、9.进气管、10.焊板、11.电阻加热板、12.加热电源、13.第二聚焦头、14.第三聚焦头、15.第二激光器、16.第三激光器、17.挡铁、18.行程开关、 19.厚铜板、20.第一激光束、21.电阻丝、22.第二激光束、23.氮气喷嘴、24.第三激光束。

具体实施方式

下面将结合实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、2、3、4所示，用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其中，包括第一激光器(1)、光纤(2)、第一聚焦头 (3)、焊板(10)、电阻加热板(11)、加热电源(12)、厚铜板(19)、夹具(图未示)、驱动构件(图未示)、真空模块；第一激光器(1)通过光纤(2)与第一聚焦头(3)相连，第一聚焦头 (3)下方设置有一个与第一聚焦头(3)随动的真空模块，真空模块下方设置焊板(10)，焊板(10)下面设置厚铜板(19)，焊板 (10)与厚铜板(19)中间设置有微小间隙，焊板(10)在夹具的夹持下在厚铜板(19)上面自由相对滑动，厚铜板(19)下面贴合电阻加热板(11)电阻加热板(11)正负极连接加热电源(12)；焊板(10)上还设置有激光退火模块。

所述的真空模块包括，局部真空室(4)、进气管(9)、出气管(8)、抽气泵(6)、气瓶(5)，局部真空室(4)为一个长方体空间，采用耐热材料制作，靠近熔池的底面留有通孔阵列，能让激光束顺利通过，使焊接区域的空气及产生的金属蒸汽等被吸进内腔，局部真空室联通一进气管(9)和一出气管(8)，进气管(9) 与气瓶(5)连接，出气管(8)与抽气泵(6)连接，进气管(9) 输进惰性气体，出气管(8)排出混合气体，出气管(8)的排气流量大于进气管进气流量，使局部真空室(4)及下方焊接区域产生一定程度的负压。

所述的焊板(10)端部的夹具下方设置一片与行程开关(18) 对应的挡铁(17)，当焊板(10)右移到激光退火模块处，挡铁 (17)触发行程开关(18)的触点，激光退火模块开始工作。

所述的激光退火模块包括，第二聚焦头(13)、第三聚焦头 (14)、第二激光器(15)、第三激光器(16)、氮气喷嘴 (23)；具体连接是：第二激光器(15)、第三激光器(16)通过光纤分别与第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)连接，第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)分别设置于正对于对接焊缝的上下方，另外在第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)旁轴分别设置氮气喷嘴(23)，在激光退火处理时对作用区域进行氮气保护。

所述的第一聚焦头(3)、第二聚焦头(13)、第三聚焦头 (14)及行程开关(18)固定，焊接时焊板(10)和夹具在驱动构件的带动下移动。

所述的第一激光器采用Nd：YAG固体激光器、CO₂激光器、盘式激光器或半导体激光器中的任意一种；所述的第二激光器采用CO₂激光器。

本例中，焊接工艺参数设定为：第一激光器(1)为盘式激光器，功率1.6kw，材料为2mm厚的6061铝合金板，焊接速度为 1m/s，离焦量为-0.5mm，保护气为氩气，气体流量为15L/min，铝合金焊板焊接前，用丙酮对对接面及对接面附近的上下表面进行擦拭，除去油污，之后用直径为0.15mm-0.2mm的不锈钢刷刷洗直到露出金属光泽为止，以清除表面的氧化层及降低对激光的反射率，在处理后一小时内进行焊接。第二激光器(15)、第三激光器(16)均为GLS-IB型CO₂激光器，经第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)聚焦后的激光束(22)在焊缝上下表面的扫描速率为 15mm/s。

本实施例的工作流程是：焊接前对第一激光器(1)、第二激光器(15)和第三激光器(16)的出光时间和驱动构件的运动速度进行设定，与对应焊板(10)所需要的焊缝长度相对应；将焊板 (10)通过夹具装夹好，启动加热电源(12)，对电阻加热板 (11)进行加热，热量通过厚铜板(19)均匀传递给焊板(10)进行预热，预热时间为60s，之后打开气瓶(5)和抽气泵(6)，保护气体由进气管(9)进入局部真空室(4)，出气管(8)排出保护气体和空气的混合气体，在局部真空室(4)里面和下方形成充满保护气体的负压环境，之后启动第一激光器(1)和驱动构件，激光通过光纤(2)由第一聚焦头(3)聚焦后，通过局部真空室(4)到达焊缝位置进行焊接，同时驱动构件通过夹具使焊板(10)向右运动，当焊板(10)右移到激光退火模块处，挡铁(17)触发行程开关(18)的触点，第二激光器(15)和第三激光器(16)同时启动，氮气喷嘴(23)释放保护气，激光分别通过光纤，再分别由第二聚焦头(13)和第三聚焦头(14)聚焦后对焊缝的上下表面进行激光退火处理；焊接作业完成后第一激光器(1)停止出光，退火作业完成后第二激光器(15)和第三激光器(16)停止出光，保护气停止释放，一个工作周期完成。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：包括第一激光器(1)、光纤(2)、第一聚焦头(3)、焊板(10)、电阻加热板(11)、加热电源(12)、厚铜板(19)、夹具、驱动构件、真空模块；第一激光器(1)通过光纤(2)与第一聚焦头(3)相连，第一聚焦头(3)下方设置有一个与第一聚焦头(3)随动的真空模块，真空模块下方设置焊板(10)，焊板(10)下面设置厚铜板(19)，焊板(10)与厚铜板(19)中间设置有微小间隙，焊板(10)在夹具的夹持下在厚铜板(19)上面自由相对滑动，厚铜板(19)下面贴合电阻加热板(11)电阻加热板(11)正负极连接加热电源(12)；焊板(10)上还设置有激光退火模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：所述的真空模块包括，局部真空室(4)、进气管(9)、出气管(8)、抽气泵(6)、气瓶(5)，局部真空室(4)为一个长方体空间，采用耐热材料制作，靠近熔池的底面留有通孔阵列，局部真空室(4)连接一进气管(9)和一出气管(8)，进气管(9)与气瓶(5)连接，出气管(8)与抽气泵(6)连接，出气管(8)的排气流量大于进气管进气流量。

3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：所述的焊板(10)端部的夹具下方设置一片与行程开关(18)对应的挡铁(17)，当焊板(10)右移到激光退火模块处，挡铁(17)触发行程开关(18)的触点。

4.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：所述的激光退火模块包括，第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)、第二激光器(15)、第三激光器(16)、氮气喷嘴(23)；具体连接是：第二激光器(15)、第三激光器(16)通过光纤分别与第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)连接，第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)分别设置于正对于对接焊缝的上下方，另外在第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)旁轴分别设置氮气喷嘴(23)；所述的第二激光器采用CO₂激光器。

5.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：所述的第一聚焦头(3)、第二聚焦头(13)、第三聚焦头(14)及行程开关(18)固定，焊接时焊板(10)和夹具在驱动构件的带动下移动。

6.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的激光焊和激光退火处理的装置，其特征在于：所述的第一激光器(1)采用Nd：YAG固体激光器、CO₂激光器、盘式激光器或半导体激光器中的任意一种。