專利名稱：一種用于鋁合金薄板t型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提出一種用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝 置，屬于輕金屬薄板的低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接技術(shù)領(lǐng)域，該裝置特別涉及到激光與精確波形 控制短路過渡電弧復(fù)合在很少填充金屬的情況下，實現(xiàn)鋁合金薄板T型接頭的高效、無飛 濺、低變形、低增重焊接。
技術(shù)背景薄板鋁合金T型接頭的優(yōu)質(zhì)高效低變形焊接一直是焊接領(lǐng)域的技術(shù)難題。TIG填 絲焊、MIG弧焊等傳統(tǒng)弧焊焊接裝置及方法很難實現(xiàn)鋁合金薄板T型接頭的優(yōu)質(zhì)高效、低熱 輸入、低變形焊接。首先是因為鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)大(導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系 數(shù)分別約為鋼的3倍和2倍)，使得鋁合金導(dǎo)熱快并且焊接變形傾向性大。焊接時必須采用 比焊接相同厚度鋼材更大的焊接熱輸入來保證焊縫的熔深和鋪展性，如此大的焊接熱輸入 必然會增大了焊接變形，并造成焊接接頭的軟化，因此采用傳統(tǒng)弧焊進(jìn)行鋁合金薄板T型 接頭的優(yōu)質(zhì)、低變形焊接非常困難。尤其是對于厚度< 2mm的鋁合金薄板T型接頭的低變形 焊接更是難上加難。其次，對于傳統(tǒng)MIG弧焊而言，為了獲得鋪展性良好的T型角焊縫，必 須采用較大的焊接規(guī)范，也就意味著送絲速度較大，焊接過程中熔化的填充金屬量較多，對 于某些對輕量化要求較高且大量使用的構(gòu)件(如飛架的壁板)，焊后結(jié)構(gòu)件的增重明顯，這 是也是傳統(tǒng)MIG弧焊的另一個不足之處。再者，傳統(tǒng)弧焊的另一個不足就是焊接效率相對 較低，并且焊后接頭軟化嚴(yán)重(焊態(tài)接頭的抗拉強(qiáng)度通常僅為母材強(qiáng)度的60% 80% )。精確波形控制的短路過渡弧焊裝置及技術(shù)是在傳統(tǒng)熔化極短路過渡弧焊的基礎(chǔ) 上通過對短路過渡電流波形進(jìn)行精確控制，以抑制短路過渡時焊接飛濺的產(chǎn)生，并保證焊 接過程穩(wěn)定性的一類熔化極弧焊新技術(shù)。當(dāng)前，“冷金屬過渡”技術(shù)(Cold Metal Transfer, 簡稱CMT)、表面張力過渡技術(shù)(Surface Tension Transfer，簡稱STT)、控制液橋過渡技術(shù) (Controlled Bridge Transfer，簡稱CBT)以及冷弧焊技術(shù)(Cold Arc，簡稱CA)均屬于先 進(jìn)的精確波形控制短路過渡電弧焊技術(shù)。與傳統(tǒng)熔化極弧焊相比，該類焊接裝置及方法的 突出優(yōu)點主要體現(xiàn)在焊接熱輸入低、幾乎無飛濺、焊接過程穩(wěn)定性高。由于該類弧焊方法的 焊接輸入低，與傳統(tǒng)弧焊相比，在焊接鋁合金薄板時，更易于實現(xiàn)對焊接變形的控制，但是 焊接熱輸入的降低帶來了焊縫熔深相對較淺且焊縫鋪展不好的問題，致使在利用該類焊接 裝置及方法焊接鋁合金薄板T型接頭時很難實現(xiàn)焊接變形、焊縫熔透及焊縫成形的合理平 衡，因此精確波形控制的短路過渡弧焊技術(shù)也無法實現(xiàn)鋁合金薄板T型接頭的優(yōu)質(zhì)高效、 低變形焊接。要實現(xiàn)鋁合金薄板T型接頭的高效、低變形焊接必須采用一種熱源能量更為 集中的高速焊接方法。激光焊接裝置及技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用越來越廣泛的高能束焊接技術(shù)，具有熱源能量集 中、焊接速度高、焊接變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點。但是，激光焊接鋁合金也有一些不足， 從而使得激光焊接技術(shù)在鋁合金重要部件的焊接中的應(yīng)用受到限制。這是因為一方面，固體鋁合金對激光的反射率很高，在激光焊接鋁合金時，大部分激光能量被反射，激光能量利 用率很低，并且大量被反射的激光可能還會對操作人員和激光設(shè)備造成損害；另一方面，激 光焊接過程中，高能量密度的激光會造成鋁合金中某些元素的大量蒸發(fā)和燒損，焊縫表面 成形粗糙且會產(chǎn)生大量氣孔和凹坑，焊縫成形差，焊縫表面的氣孔和凹坑在動載條件下可 能會成為潛在的疲勞裂紋源，嚴(yán)重影響接頭的動載性能。激光填絲焊是一種在激光焊接工 藝的基礎(chǔ)上通過同步填充焊絲，并利用激光能量將焊絲熔化于激光焊接熔池而實現(xiàn)焊接的 一種焊接裝置及工藝。與單獨激光焊接鋁合金相比，激光填絲焊可以有效改善鋁合金的焊 縫表面成形，目前在鋁合金薄板T型接頭的焊接中獲得了一定的應(yīng)用。但是，利用激光填絲 焊焊接鋁合金薄板T型接頭也存在諸如激光能量利用率低、焊接速度明顯降低、焊縫易在 焊趾位置出現(xiàn)應(yīng)力集中、焊縫根部易存在大量氣孔等不足，這些不足是由激光填絲焊本身 固有特點所決定的，因此很難完全克服。要解決鋁合金 薄板T型接頭的優(yōu)質(zhì)、高效、低變形焊接技術(shù)問題，必須開發(fā)一種焊 接速度快、熱源能量集中、焊接熱輸入低、焊縫成形好、單位長度焊縫的填充金屬量小、焊接 飛濺小、焊接過程穩(wěn)定性高的焊接新裝置，而熱源能量集中、焊縫熔深大、焊接速度快、焊接 變形小的激光焊與焊接飛濺少、電弧穩(wěn)定性高、焊接熱輸入相對較低的精確波形控制短路 過渡弧焊復(fù)合熱源裝置可為鋁合金薄板T型接頭的焊接提供一個完美的技術(shù)解決方案。發(fā)明內(nèi)容為了解決上述技術(shù)背景中提到的鋁合金薄板T型接頭的優(yōu)質(zhì)、高效、低變形焊接 技術(shù)難題，本實用新型提供一種用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝 置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下1、一種用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置，其特征在 于(1)、在T型接頭的筋板的兩側(cè)分別設(shè)置兩個獨立的激光_精確波形控制短路過渡 電弧復(fù)合熱源裝置，該復(fù)合熱源裝置也可以單獨設(shè)置在筋板的單側(cè)，進(jìn)行單側(cè)焊接；(2)、每一套復(fù)合熱源中，與激光復(fù)合的電弧為精確波形控制的短路過渡電弧，其 特點是通過對焊接過程短路過渡發(fā)生前的電信號的檢測及反饋處理，精確控制短路過渡 發(fā)生時的焊接電流及電壓波形，使熔滴液橋拉斷并過渡到熔池的瞬間，焊接電流維持為很 小值，以減少短路過渡發(fā)生時的焊接飛濺產(chǎn)生；(3)、兩個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源的激光束的距離間隔D1在 5mm 200mm之間；筋板兩側(cè)的激光束的斑點與與之對應(yīng)的鋁合金焊絲的電弧的間隔距離 D2 為 Imm 4mm ；(4)、每一個激光_精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源中，鋁合金焊絲采用 1. Om/min 5. Om/min的較小送絲速度，匹配2. Om/min 5. Om/min的焊接速度，焊接速度 快時，相應(yīng)的送絲速度略高一些；(5)、精確波形控制的弧焊焊槍分別與T型接頭基板2之間的夾角α為 45° 士 15°，而激光束分別與T型接頭基板2的夾角在15° 45°范圍內(nèi)。2、根據(jù)上述用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置，兩套激 光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源為兩個相互獨立的復(fù)合熱源，所采用的激光器可 以為兩臺相互獨立的激光器，也可以是由一臺激光器通過分光系統(tǒng)將激光能量分為50%+50%，分別供兩個復(fù)合熱源使用；使用的激光器可為Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激 光器、半導(dǎo)體激光器或CO2激光器。3、根據(jù)上述用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置，與激光 復(fù)合的精確波形控制短路過渡電弧可以是CMT電弧、STT電弧、CBT電弧或CA電弧。本實用新型與背景技術(shù)相比較，其突出優(yōu)點是本實用新型的焊接裝置可以在 2m/min 5m/min的焊接速度下實現(xiàn)厚度為Imm 4mm鋁合金薄板T型接頭的低變形焊接， 整個焊接過程幾乎無飛濺產(chǎn)生，可獲得在焊趾位置形成圓滑過渡且焊縫成形極佳的焊縫， 獲得T型角接頭的焊接熱影響區(qū)無明顯軟化，并且焊后T型接頭的增重很少，每單位長度焊 縫增重量僅為常規(guī)MIG焊的1/7。本實用新型的焊接裝置適用于鋁合金及其他輕金屬薄板 T型接頭的優(yōu)質(zhì)焊接。
圖1為本實用新型提出的一種鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接裝 置的的空間位置示意 圖2為本實用新型的焊接裝置在焊接方向的主視圖；圖3為本實用新型的焊接裝置在焊接方向的俯視圖。如圖1所示，本實用新型提出的焊接裝置包括T型焊接接頭的筋板1，T型焊接接 頭的基板2 ；位于筋板1 一側(cè)的激光輸出鏡頭3、激光束4、弧焊焊槍5、鋁合金焊絲6和復(fù)合 熱源焊接形成的焊縫7 ；位于筋板另一側(cè)的復(fù)合熱源形成的焊縫8、鋁合金焊絲9、弧焊焊槍 10、激光束11和激光輸出鏡頭12。圖2表示弧焊焊槍5、10以及激光束4、11的空間位置，弧焊焊槍5與10分別位于 筋板1的兩側(cè)并分別與基板2的夾角α為45° 士 15°，而激光束4與11同樣分別位于筋 板1的兩側(cè)并分別與基板2的夾角θ為15° 45°。圖3表示位于筋板同一側(cè)的鋁合金焊絲6形成的電弧與激光束4的斑點并不重 合，兩者之間在焊接方向上的距離間隔d2為Imm 4mm，與之完全類似，在筋板1另一側(cè)的 鋁合金焊絲9形成的電弧與激光束11的斑點在焊接方向上的距離間隔d2也為Imm 4mm。 位于筋板1兩側(cè)的激光束4與激光束11的激光斑點在焊接方向上的距離間隔Cl1為5mm 200mm,即意味著兩個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源的距離間隔為5mm 200mm。兩個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源采用上述Cl1 = 5mm 200mm的 距離間隔，一方面為了避免因間隔太近造成兩焊縫熔池的貫通而產(chǎn)生焊穿缺陷，另一方面 為了充分利用先焊焊縫對筋板的加熱效應(yīng)，提高后道焊縫的焊接熱效率及其鋪展性。每一個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源采用.Om/min 5. Om/min較 小送絲速度，匹配2. Om/min 5. Om/min的焊接速度，焊接速度快時，相應(yīng)的送絲速度略高 一些；其有益效果是①、可以有效地控制單位長度焊縫的金屬填充量，減少焊后接頭的增 重；②、采用較小的送絲速度可以降低電弧的焊接熱輸入，減少焊接變形；③、在激光的作 用下易于獲得在焊趾位置形成圓滑過渡的焊縫，減少焊趾位置的應(yīng)力集中。分別控制弧焊焊槍5、10與基板2的夾角α以及激光束4、11與基板2的夾角θ， 其有益效果是當(dāng)激光束4、11與基板2的夾角較小(小于45° )時，一方面，容易保證筋 板1的熔透性；另一方面，防止因激光束4、11與基板2夾角過大而導(dǎo)致焊后基板2背面出現(xiàn)明顯的焊接熱影響變形痕跡。
具體實施方式
試驗所用的激光器為Trudisk6002碟形激光器，最大額定功率6kW，輸出激光波長 為1.03μπι，通過分光系統(tǒng)控制可以分兩路同時輸出相同功率的激光；電弧電源為奧地利 Fonius公司生產(chǎn)的TPS4000CMT數(shù)字化精確波形控制短路過渡焊接電源及送絲機(jī)；所用試 驗材料為厚度2mm的5083和6061鋁合金薄板，其中，筋板的規(guī)格為300mmX 60mm，基板的規(guī) 格為300mmX IOOmm ；所用焊絲為直徑Φ 1. 2mm的ER5087鋁合金焊絲；焊前對被焊鋁合金試 板表面進(jìn)行去除油污及氧化膜處理。試驗過程采用精確波形控制電弧與激光復(fù)合，其具體 焊接規(guī)范參數(shù)分別如下1) 5083鋁合金焊接速度3. Om/min,送絲速度3. 3m/min,激光功率3000W，焊接電 流53A，電弧電壓12. 3V，激光束與基板的夾角θ為30°，焊槍與基板的夾角α為45°，兩 激光束的距離間隔為5mm，每個激光束與焊絲的間距為2mm，干伸長16mm，保護(hù)氣為Ar，氣體 流量 20L/min。2)6061鋁合金焊接速度3. 5m/min，送絲速度4. Om/min，激光功率3000W，焊接電 流63A，電弧電壓12. 5V，激光束與基板的夾角θ為20°，焊槍與基板的夾角α為45°，兩 激光束的距離間隔為10mm，每個激光束與焊絲的間距為2mm，干伸長16mm，保護(hù)氣為Ar，氣 體流量20L/min。焊后結(jié)果分析表明，獲得的T型接頭焊縫均具有非常好的焊縫成形，焊縫在焊趾 位置與母材形成了圓滑過渡，焊縫表面無飛濺和焊接缺陷。通過測量和計算，利用上述兩焊 接規(guī)范參數(shù)焊接鋁合金薄板T型接頭時每單位長度焊縫的增重量分別為8. 42g/m和8. 62g/ m，僅為常規(guī)MI6焊的1/7左右。拉伸試驗測試表明，T型接頭拉伸試樣的破壞位置斷裂在 鋁合金母材，接頭未發(fā)生明顯軟化現(xiàn)象。
權(quán)利要求1.一種用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置，其特征在于在T型接頭的筋板(1)的兩側(cè)分別設(shè)置兩個獨立的激光-精確波形控制短路過渡電弧 復(fù)合熱源裝置，該復(fù)合熱源裝置也可以單獨設(shè)置在筋板(1)的單側(cè)，進(jìn)行單側(cè)焊接；每一套復(fù)合熱源中，與激光復(fù)合的電弧為精確波形控制的短路過渡電弧，其特點是通 過對焊接過程短路過渡發(fā)生前的電信號的檢測及反饋處理，精確控制短路過渡發(fā)生時的焊 接電流及電壓波形，使熔滴液橋拉斷并過渡到熔池的瞬間，焊接電流維持為很小值，以減少 短路過渡發(fā)生時的焊接飛濺產(chǎn)生；兩個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源的激光束G)、(ll)的距離間隔D1在 5mm 200mm之間；筋板(1)兩側(cè)的激光束G)、(ll)的斑點與與之對應(yīng)的鋁合金焊絲(6)、 (9)的電弧的間隔距離D2為Imm 4mm ；每一個激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源中，鋁合金焊絲(6)、(9)采用1. Om/ min 5. Om/min的送絲速度，匹配2. Om/min 5. Om/min的焊接速度；精確波形控制的弧焊焊槍(5)、(10)分別與T型接頭基板(2)之間的夾角α為 45° 士 15°，而激光束G)、(11)分別與T型接頭基板O)的夾角在15° 45°范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝 置，其特征在于兩套激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源為兩個相互獨立的復(fù)合熱 源，所采用的激光器可以為兩臺相互獨立的激光器，也可以是由一臺激光器通過分光系統(tǒng) 將激光能量分為50%+50%,分別供兩個復(fù)合熱源使用；使用的激光器可為NdYAG激光器、 碟型激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器或(X)2激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝 置，其特征在于與激光復(fù)合的精確波形控制短路過渡電弧可以是CMT電弧、STT電弧、CBT電 弧或CA電弧。
專利摘要本實用新型提出的一種用于鋁合金薄板T型接頭無飛濺低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接的裝置，屬于輕金屬薄板的低變形優(yōu)質(zhì)高效焊接技術(shù)領(lǐng)域。本實用新型主要包括采用兩個相對獨立的激光-精確波形控制短路過渡電弧復(fù)合熱源從筋板(1)的兩側(cè)進(jìn)行雙面焊接，精確波形控制電弧主要通過控制熔滴短路過渡時的電流和電壓波形，保證熔滴液橋拉斷時的焊接電流維持在很小值，防止短路過渡發(fā)生時產(chǎn)生焊接飛濺；控制兩激光束(4)、(11)之間的間距和焊絲填充速度在一定范圍內(nèi)，并合理匹配弧焊焊槍(5)、(10)以及激光束(4)、(11)與基板(2)的夾角，獲得無飛濺、低變形、低增重的T型接頭。本實用新型的焊接裝置適用于鋁合金和其它輕金屬薄板T型接頭的優(yōu)質(zhì)焊接。
文檔編號B23K28/02GK201871876SQ20102028149
公開日2011年6月22日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者上官媛媛, 吳艷明, 林尚揚, 滕彬, 王威, 王旭友, 雷振, 黃瑞生 申請人:機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所