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CN109079323A - 铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法 - Google Patents

铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法，第一机械臂、第二机械臂分别搭载第一激光头、第二激光头，处理室分别连接着进水管和出水管，对接的焊板由处理室内部的夹具进行装夹定位；进水管连接着水泵；变幅杆固定于处理室内壁，变幅杆的工作头位于预设的上限水位之下；焊接前在焊板对接端面的中心处开设一道盲道，有效降低焊接时匙孔前壁金属溶液向下流动的速度，防止焊板背部被烧穿或形成全熔透焊；焊接后进行激光冲击处理，能够有效细化铝合金激光焊接接头表层晶粒，提高接头力学性能。另外，本发明将激光焊接和激光冲击技术融合于一个平台，焊接作业后进行激光冲击处理，避免工件的二次定位装夹，提高生产效率和自动化水平。

Description

铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法。
背景技术
激光焊接技术因其功率密度大、热影响区小、焊缝深宽比大等优点被广泛应用于轨道交通工具制造、航空航天零件制造等行业中。我国铁路车辆位于世界前列，成为我国一项主要出口产品，当前我国铁路运输依然坚持不懈的结合用户的要求，对原材料及制造工艺严格把关。为了使高速列车不断提速，一种行之有效的途径就是轻量化。铝合金型材以其密度小、耐蚀性好、表面具有致密牢固的氧化膜保护、挤压性能良好而被大量应用在铁路车辆制造及其他众多领域中。
铝合金材料的焊接是铁路车辆制造及其他领域中的重要技术。为保证箱体内部元器件的工作环境，箱体外的加强筋一般采用非熔透焊接，另外在车壳制造中，为了保证外表美观，也要求壳板进行非熔透焊接。相比于全熔透激光焊，铝合金非熔透激光焊对焊接参数变化更为敏感，工艺参数的细微变化容易导致接头未结合、背部烧穿等缺陷。
检索发现，专利《一种激光未熔透焊的装置》(申请号：201520134200.6)所述的把焊板放置于带有冷却水的工作台上，能够有效改善非熔透焊中下层板件的受热变形问题，但是对于下层板件背面的氧化变色未能起到效果。专利《一种非熔透激光焊接设备进行焊接的方法》(申请号：201410242022.9)所述的通过在焊缝背部设置红外温度传感系统实时捕捉背部温度，能够实时调节，但是在工业现场中对焊板背部传感器设置随动装置的难度增大，工艺和装置较为复杂。
激光冲击处理是一种表面改性强化技术，利用覆盖在金属材料表面的吸收层吸收高幅激光能量直接气化形成强场冲击压缩波，并作用在金属材料表面，能够使金属表层晶粒细化或纳米化、压缩表层晶粒，国内学者罗新民等人在期刊论文《激光冲击强化对2A02铝合金疲劳行为的影响》(中国激光，2009,36(12)：3323-3328)和张青来等人在期刊论文《金属板料激光冲击成形及其破裂行为研究》(中国激光，2014,41(4)：0403010)中实验表明，激光冲击有利于提高金属疲劳强度，殷苏民等人在期刊论文《激光冲击对不锈钢焊接结构影响的数值分析》(中国激光，2013,40(5)：0503005)中实验表明，激光冲击能使钢制焊接接头的疲劳性能得到明显改善。
发明内容
本发明的目的在于提出一种铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法，以形成铝合金成型良好的非熔透接头，同时细化铝合金激光焊接接头表层晶粒，提高接头力学性能、硬度和耐腐蚀性能，并且将激光焊接和激光冲击技术融合于一个平台，避免工件的二次定位装夹，提高生产效率。
本发明所采用的技术方案：一种铝合金非熔透激光焊强化的平台与方法，包括第一机械臂、第二机械臂、基板、处理室模块、超声发生模块、第二激光头、第一激光头、控制模块、第一激光器、第二激光器；所述的基板上设置第一机械臂、第二机械臂、处理室模块、超声发生模块；第一机械臂上面搭载第一激光头和保护气喷嘴，第二机械臂上面搭载第二激光头，第一激光头与第一激光器通过光纤相连，第二激光头与第二激光器通过光纤连接；在处理室内壁还设置有水位传感器，预先设定有上下限水位，变幅杆工作头位于预设的上限水位之下。
所述的处理室模块包括，处理室、进水管、出水管、水泵、焊板、夹具；具体结构是：处理室设置进水口和出水口，分别连接着进水管和出水管，进水管连接着水泵，对接的焊板由位于处理室内部的夹具进行装夹定位。
所述的控制模块包括，控制器、第一激光器、第二激光器、第一机械臂、第二机械臂、冷水系统、保护气系统、水泵、超声发射器；具体连接是：控制器分别与第一激光器、第二激光器、第一机械臂、第二机械臂、冷水系统、保护气系统、水泵、超声发射器连接。
所述的超声发生模块包括，变幅杆、超声发生器；具体连接是，变幅杆与超声发生器相连，变幅杆固定于处理室内壁。
焊接前，在焊板对接间隙端面的中心处开设一道盲道。
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；第二激光器采用Nd：YAG固体激光器。
本平台的工作步骤为：
1.焊前将铝合金板件进行丙酮清洗后，将焊板装夹在处理室内的夹具上。
2.第一机械臂使第一激光头到达工作区域，第一激光器出光，在第一机械臂的驱动下在保护气气氛中对焊板进行非熔透焊接。焊接结束后第一机械臂复位到非工作区域。
3.待焊缝冷却后，进水管进水，水面到达预设上限水位后，超声发生器工作，对焊板及处理室内进行超声波清洗。清洗结束后，超声发生器停止工作。
4.出水管出水，待处理室内水位低于焊板时，人工对焊板上表面焊缝附近区域粘贴一层黑色胶带。
5.待水面到达下限水位后，进水管第二次进水，水面到达预设上限水位后，第二机械臂使第二激光头到达工作区域，第二激光器出光，在第二机械臂的驱动下对焊缝进行激光冲击处理。激光冲击处理结束后第二机械臂复位到非工作区域。
6.出水管出水，人工将焊板取下。
本发明总体来看，本发明的有益效果为：
1.本发明焊接前在焊板对接端面的中心处开设一道盲道，能够有效降低焊接时匙孔前壁金属溶液的向下流动速度，防止焊板背部被烧穿或形成全熔透焊。
2.本发明开设盲道的方法能够减少对接时需要熔化的金属体积，所需的激光功率大大降低，节省成本。
3.本发明在焊接后进行激光冲击处理，能够有效细化铝合金激光焊接接头表层晶粒，提高接头力学性能、硬度和耐腐蚀性能。
4.本发明将激光焊接和激光冲击技术融合于一个平台，焊接作业后进行激光冲击处理，避免工件的二次定位装夹，生产效率和自动化水平大大提高。
附图说明
图1为本发明的激光焊接步骤的装置图；
图2为本发明的激光冲击处理的装置图；
图3为本发明的控制系统框图；
图4为本发明的开设盲道的焊板轴测图；
图5为本发明的开设盲道的焊板剖面图；
图6为本发明的开设盲道的焊板焊接时的示意图。
标号说明：1.第一机械臂、2.第二机械臂、3.基板、4.处理室、5.夹具、6.进水管、7.出水管、8.焊板、9.变幅杆、10.超声发生器、11.第二激光头、12.第一激光头、13.控制器、14.第一激光器、15.第二激光器、16.冷水系统、17.保护气系统、18.水泵、19.匙孔前壁金属溶液、20.保护气喷嘴、21.激光束、22.盲道、23.对接间隙、24.熔池、25.凝固区域、26.匙孔、27.盲道内金属溶液。
具体实施方式
下面将结合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，都属于本发明保护的范围。
如图1、2、3所示，包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、基板(3)、处理室模块、超声发生模块、第二激光头(11)、第一激光头(12)、控制模块、第一激光器(14)、第二激光器(15)；所述的基板(3)上设置第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、处理室模块、超声发生模块；第一机械臂(1)上面搭载第一激光头(12)和保护气喷嘴(20)，第二机械臂(2)上面搭载第二激光头(11)，第一激光头(12)与第一激光器(14)通过光纤相连，第二激光头(11)与第二激光器(15)通过光纤连接；在处理室(4)内壁还设置有水位传感器，预先设定有上下限水位，水位传感器对实时的水面进行感知；变幅杆(9)工作头位于预设的上限水位之下；变幅杆(9)用于对焊后的焊板(8)及处理室(4)内进行超声清洗，目的是将焊接过程中产生的灰尘及焊缝表面的部分杂质进行清除。
所述的处理室模块包括，处理室(4)、进水管(6)、出水管(7)、水泵(18)、焊板(8)、夹具(5)；具体结构是：处理室(4)设置进水口和出水口，分别连接着进水管(6)和出水管(7)，进水管(6)连接着水泵(18)，能够对处理室(4)进行供水，对接的焊板(8)由位于处理室(4)内部的夹具(5)进行装夹定位。
所述的控制模块包括，控制器(13)、第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、冷水系统(16)、保护气系统(17)、水泵(18)、超声发射器(10)；具体连接是：控制器(13)分别与第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、冷水系统(16)、保护气系统(17)、水泵(18)、超声发射器(10)，控制器(13)分别对第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、冷水系统(16)、保护气系统(17)、水泵(18)、超声发射器(10)的工作启停进行控制，可以是工控机、PLC等。
所述的超声发生模块包括，变幅杆(9)、超声发生器(10)；具体连接是，变幅杆(9)与超声发生器(10)相连，变幅杆(9)固定于处理室(4)内壁。
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；第二激光器采用Nd：YAG固体激光器。
本平台的工作步骤为：
1.焊前将铝合金焊板(8)进行丙酮清洗后，将焊板(8)装夹在处理室(4)内的夹具(5)上。
2.第一机械臂(1)使第一激光头(12)到达工作区域，第一激光器(14)出光，在第一机械臂(1)的驱动下在对焊板(8)进行非熔透焊接，同时保护气喷嘴(20)施加氩气保护。焊接结束后第一机械臂(1)复位到非工作区域。
3.待焊缝冷却后，进水管(6)进水，水面到达预设上限水位后，超声发生器(10)工作，对焊板(8)及处理室(4)内进行超声波清洗。清洗结束后，超声发生器(10)停止工作。
4.出水管(7)出水，待处理室(4)内水位低于焊板(8)时，人工对焊板(8)上表面焊缝附近区域粘贴一层黑色胶带。
5.待水面到达下限水位后，进水管(6)第二次进水，水面到达预设上限水位后，第二机械臂(2)使第二激光头(11)到达工作区域，第二激光器(15)出光，在第二机械臂(2)的驱动下对焊缝区域进行激光冲击处理。激光冲击处理结束后第二机械臂(2)复位到非工作区域。
6.出水管(7)出水，人工将焊板(8)取下。
根据研究，造成非熔透焊中焊板背部的烧穿或全熔透现象的一个重要原因是焊接时匙孔前壁高速向下流动的金属液体的冲击作用，使得焊板下半部分成为薄弱地带而容易被击穿，而在端面出开设盲道的方法便能将匙孔前壁金属液体部分引流至盲道内，有效降低焊接时匙孔前壁金属溶液向下流动的速度，防止焊板背部被烧穿或形成全熔透焊。
如图4、5、6所示，焊接前，在焊板(8)对接间隙(23)端面的中心处开设一道盲道(22)，能将匙孔前壁金属液体(19)部分引流至盲道(22)内，形成盲道内金属溶液(27)，有效降低焊接时匙孔前壁金属溶液(19)向下流动的速度，防止焊板背部被烧穿或形成全熔透焊。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种铝合金非熔透激光焊强化的平台，其特征在于：包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、基板(3)、处理室模块、超声发生模块、第二激光头(11)、第一激光头(12)、控制模块、第一激光器(14)、第二激光器(15)；所述的基板(3)上设置第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、处理室模块、超声发生模块；第一机械臂(1)上面搭载第一激光头(12)和保护气喷嘴(20)，第二机械臂(2)上面搭载第二激光头(11)，第一激光头(12)与第一激光器(14)通过光纤相连，第二激光头(11)与第二激光器(15)通过光纤连接；在处理室(4)内壁还设置有水位传感器，预先设定有上下限水位，变幅杆(9)工作头位于预设的上限水位之下。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台，其特征在于：所述的处理室模块包括，处理室(4)、进水管(6)、出水管(7)、水泵(18)、焊板(8)、夹具(5)；具体结构是：处理室(4)设置进水口和出水口，分别连接着进水管(6)和出水管(7)，进水管(6)连接着水泵(18)，对接的焊板(8)由位于处理室(4)内部的夹具(5)进行装夹定位。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台，其特征在于：所述的控制模块包括，控制器(13)、第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、冷水系统(16)、保护气系统(17)、水泵(18)、超声发射器(10)；具体连接是：控制器(13)分别与第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、冷水系统(16)、保护气系统(17)、水泵(18)、超声发射器(10)连接。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台，其特征在于：所述的超声发生模块包括，变幅杆(9)、超声发生器(10)；具体连接是，变幅杆(9)与超声发生器(10)相连，变幅杆(9)固定于处理室(4)内壁。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台的方法，其特征在于：本平台的工作步骤为：
第一步，焊前将铝合金板件进行丙酮清洗后，作为焊板(8)装夹在处理室(4)内的夹具(5)上；
第二步，第一机械臂(1)使第一激光头(12)到达工作区域，第一激光器(14)出光，在第一机械臂(1)的驱动下在保护气气氛中对焊板(8)进行非熔透焊接，焊接结束后第一机械臂(1)复位到非工作区域；
第三步，待焊缝冷却后，进水管(6)进水，水面到达预设上限水位后，超声发生器(10)工作，对焊板(8)及处理室(4)内进行超声波清洗，清洗结束后，超声发生器(10)停止工作；
第四步，出水管(7)出水，待处理室(4)内水位低于焊板(8)时，人工对焊板(8)上表面焊缝附近区域粘贴一层黑色胶带；
第五步，待水面到达下限水位后，进水管(6)第二次进水，水面到达预设上限水位后，第二机械臂(2)使第二激光头(11)到达工作区域，第二激光器(15)出光，在第二机械臂(2)的驱动下对焊缝进行激光冲击处理，激光冲击处理结束后第二机械臂复位到非工作区域；
第六步，出水管(7)出水，人工将焊板(8)取下。
6.根据权利要求5所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台的方法，其特征在于：焊接前，在焊板(8)对接间隙端面的中心处开设一道盲道(22)。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金非熔透激光焊强化的平台，其特征在于：所述的第一激光器(14)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；第二激光器(15)采用Nd：YAG固体激光器。
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