專利名稱：激光—高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到使用激光和高頻感應(yīng)兩種熱源相結(jié)合進(jìn)行焊接的裝置及其焊接方法。
背景技術(shù)：
激光焊接具有焊接速度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、變形小、易于自動化等特點，在工業(yè)，尤其在汽車、冶金、航空航天和國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而在激光焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用的同時，也有一定的局限性許多金屬材料對激光的反射率高、吸收率小，能量利用率低；激光對母材的作用時間短，熔融金屬凝固速度很快，尤其在高深寬比焊縫或非穿透焊接時，焊縫中的金屬蒸氣和吸入的環(huán)境氣體不易全部逸出，結(jié)果往往形成氣孔或空洞；激光焊接熱輸入量比常規(guī)方法小得多，焊縫金屬的冷卻速度很快，因而對于中高碳鋼或高合金等材料，焊縫及焊接熱影響區(qū)極易出現(xiàn)馬氏體淬硬組織，使焊接接頭綜合性能惡化并容易產(chǎn)生裂紋。
上述缺點在一定程度上限制了激光焊接技術(shù)更為廣泛地應(yīng)用，解決上述問題的方法之一就是在激光焊接過程中輔以高頻感應(yīng)熱源。高頻電磁感應(yīng)是一種依賴于工件內(nèi)部產(chǎn)生的渦流電阻熱進(jìn)行加熱的方法，加熱速度快，與激光一樣屬非接觸性環(huán)保型加熱，但單獨(dú)使用感應(yīng)焊接由于集膚效應(yīng)一般只適應(yīng)于薄壁管材環(huán)縫或縱縫對接。
在國外實際生產(chǎn)中已有人將高頻感應(yīng)與激光兩種熱源共同使用進(jìn)行不銹鋼管焊接，即在激光焊接之前用高頻感應(yīng)對被焊管材整段預(yù)熱，雖然起到了改善接頭熔透性和提高速度的效果，但該裝置僅將高頻感應(yīng)作為預(yù)熱用，加熱區(qū)域不僅包括焊縫區(qū)域，還包括遠(yuǎn)離焊縫的母材，熱輸入量大必將使焊接熱影響區(qū)擴(kuò)大，并可能對母材有一定的不良影響；對預(yù)熱溫度未能實現(xiàn)實時監(jiān)控，一旦工藝條件改變(如感應(yīng)加熱線圈與工件的距離)，焊接組織和性能必將發(fā)生改變，工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性較差；并且該裝置僅能在焊管直線移動且焊接頭(包括激光頭和感應(yīng)加熱線圈)固定的條件下焊接管材，不適用實際生產(chǎn)中大量使用的平板焊接，更不可能用來焊接兩維和三維焊縫。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述激光焊接的不足并進(jìn)一步充分發(fā)揮激光焊接優(yōu)勢，本發(fā)明提供一種帶有溫度實時監(jiān)控的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置與方法，同步用兩種熱源加熱焊縫及鄰近區(qū)域。
本發(fā)明的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置的主要部件包括(如圖1或圖2所示)與激光同步使用的高頻感應(yīng)加熱線圈(7)、紅外溫度傳感器(10)、激光焊接頭(12)、高頻感應(yīng)電源(6)、以及實時溫度監(jiān)控模塊(5)。感應(yīng)加熱線圈通過一齒輪(4)齒條(3)副與激光焊接頭相集成，其中齒條固定于激光焊接頭上，感應(yīng)加熱線圈與齒輪通過固定支座(13)固定在一起。紅外溫度傳感器(10)通過一燕尾槽(11)裝夾于激光焊接頭上。這樣，感應(yīng)加熱線圈(7)、紅外溫度傳感器(10)、激光焊接頭(12)三者集成在一起組成激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接頭。裝在激光頭上的感應(yīng)加熱線圈與高頻電源采用電纜連接，其長度以滿足焊接行程的需要為準(zhǔn)。這種激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接頭可整體作直線、曲線甚至三維移動。上述的感應(yīng)加熱線圈采用紫銅方管結(jié)構(gòu)，內(nèi)通循環(huán)水冷卻，平置于工件上表面上方，高度可通過齒輪(4)齒條(3)上下調(diào)節(jié)，使其與工件表面距離為1～3mm；感應(yīng)加熱線圈相對激光焊接頭水平方向有兩個安裝位置光束中心落在感應(yīng)加熱線圈內(nèi)部(如圖1)或光束中心落在感應(yīng)加熱線圈外部(如圖2)。紅外溫度傳感器與激光焊接頭的相對距離通過一燕尾槽(11)可在5～35mm之間調(diào)節(jié)，其夾角通過傳感器的裝夾螺釘(14)可在15～75°之間調(diào)節(jié)。
高頻感應(yīng)電源采用全固態(tài)器件，使用最新數(shù)字鎖相技術(shù)與諧振變頻技術(shù)，取消電子管，采用集成電路及功率模塊，實現(xiàn)頻率自動跟蹤。
利用本發(fā)明的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置，提供一種，將激光和高頻感應(yīng)兩個熱源集成于一體，可實現(xiàn)直線、曲線、三維焊接的同步移動加熱焊縫及鄰近區(qū)域并帶有溫度實時監(jiān)控的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接方法。
本發(fā)明的焊接方法具體步驟如下①根據(jù)工件形狀和材料調(diào)整感應(yīng)加熱線圈與激光頭的相對位置，當(dāng)激光在感應(yīng)加熱線圈外部作用于工件時(如圖2所示)，感應(yīng)加熱線圈內(nèi)部裝有高導(dǎo)磁材料鐵氧體(15)；②調(diào)整紅外溫度傳感器的角度和位置，使之對準(zhǔn)被測區(qū)域，設(shè)定控制溫度；③感應(yīng)加熱線圈與激光共同對工件進(jìn)行加熱，激光束作用于焊縫區(qū)，由于其高能量密度穿透能力強(qiáng)，可深入工件內(nèi)部進(jìn)行加熱形成深熔焊。感應(yīng)加熱線圈對除了對焊縫區(qū)加熱外，還對焊縫周圍區(qū)域進(jìn)行同步加熱，相當(dāng)于一個面熱源。感應(yīng)加熱的熱輸入量大小由溫度監(jiān)控模塊進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以確保焊接工藝的穩(wěn)定性。感應(yīng)加熱能使工件達(dá)到的溫度可在150℃～1500℃之間連續(xù)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的焊接裝置還包括一套感應(yīng)加熱溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)實施方式和實際使用要求不同，紅外溫度傳感器監(jiān)控的區(qū)域亦不同，實時溫度監(jiān)控模塊(5)的工作方法是當(dāng)感應(yīng)加熱線圈與激光共同作用于焊縫區(qū)時(如圖1)，實時監(jiān)控焊縫一側(cè)附近區(qū)域溫度；當(dāng)感應(yīng)加熱線圈用作同步預(yù)熱或后熱時(如圖2)，實時監(jiān)控工件上激光作用區(qū)焊前或焊后的溫度。將紅外溫度傳感器獲得的溫度信號作為高頻電源控制模塊的輸入量，實時調(diào)節(jié)感應(yīng)電源的輸出電流，以調(diào)整其熱輸入量，實現(xiàn)該區(qū)域溫度的控制。感應(yīng)電源的輸出電流可在600～2000A之間無級調(diào)節(jié)。
本發(fā)明結(jié)合了激光和高頻感應(yīng)兩種熱源的優(yōu)勢，其主要優(yōu)越性有(1)高頻感應(yīng)熱源不僅直接參與母材的加熱熔化，且使工件材料溫度升高從而提高材料對激光的吸收率，有效利用了昂貴的激光能源，生產(chǎn)效率比普通激光焊接大大提高；(2)可實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深；(3)局部感應(yīng)加熱還提高了焊縫周圍區(qū)域溫度，在不影響母材組織性能的前提下，減小了焊縫與周圍區(qū)域的溫度梯度，使凝固和隨后的固態(tài)冷卻過程變得緩慢，改善焊接后的微觀組織，提高焊縫綜合性能，減少或消除氣孔和裂紋的生成，尤其是可改善高碳鋼、高合金鋼等難焊材料的焊接性；(4)溫度實時監(jiān)控更能確保產(chǎn)品制造的穩(wěn)定性和可靠性；(5)可適用于直線、二維和三維焊縫的焊接。


附圖1激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接實施方案一示意圖，圖中1激光聚焦鏡，2激光束，3齒條，4齒輪，5實時溫度監(jiān)控模塊，6高頻感應(yīng)電源，7感應(yīng)加熱線圈，8焊接工件，9焊縫，10紅外溫度傳感器，11燕尾槽，12激光焊接頭，13固定支座，14裝夾螺釘。
附圖2激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接實施方案二示意圖，圖中1激光聚焦鏡，2激光束，3齒條，4齒輪，5實時溫度監(jiān)控模塊，6高頻感應(yīng)電源，7感應(yīng)加熱線圈，8焊接工件，9焊縫，10紅外溫度傳感器，11燕尾槽，12激光焊接頭，13固定支座，14裝夾螺釘，15鐵氧體。
具體實施例方式
為了實現(xiàn)本發(fā)明所述的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接，首先需要一臺固體YAG或CO2激光器及可傳輸激光的光路，以及一臺高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。
下面結(jié)合具體實例說明激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接實施方案。
方案一如圖1所示，感應(yīng)加熱線圈(7)與激光束(2)同步加熱工件焊接區(qū)域，聚焦后的激光束(2)穿過感應(yīng)加熱線圈的中心作用于焊縫區(qū)形成深熔焊。感應(yīng)線圈與工件上表面的距離為2mm，感應(yīng)加熱線圈的能量一部分直接加熱熔合區(qū)形成焊縫(9)，另一部分用于加熱焊縫(9)周圍區(qū)域。紅外溫度傳感器(10)與焊接頭主軸夾角為35°，監(jiān)測焊縫一側(cè)感應(yīng)圈附近工件溫度，控制感應(yīng)加熱線圈對工件的熱輸入量保持在一個合適范圍，在避免熱影響區(qū)過熱或損傷母材組織性能的前提下保證焊縫緩冷。實施方案一焊接2.5mm厚30CrMnSiA，感應(yīng)電流1100A、感應(yīng)加熱溫度控制在330℃，焊接熔深與相同工藝參數(shù)下無感應(yīng)加熱參與的激光焊接相比，熔深由2.1mm提高到2.5mm。
方案二如圖2所示，此方案中感應(yīng)加熱線圈(7)與激光束(2)錯開一定位置，激光束落在感應(yīng)加熱線圈外部約3mm處，感應(yīng)線圈與工件上表面的距離為3mm，根據(jù)焊接方向的不同，感應(yīng)加熱線圈為激光焊接提供同步預(yù)熱或后熱當(dāng)感應(yīng)加熱線圈置于焊接區(qū)前方時，感應(yīng)加熱線圈先于激光對待焊區(qū)進(jìn)行加熱，提供同步感應(yīng)預(yù)熱；當(dāng)反方向焊接時，激光先于感應(yīng)加熱線圈對熔合區(qū)進(jìn)行加熱，感應(yīng)加熱線圈對焊縫提供同步后熱，紅外溫度傳感器(10)與焊接頭主軸夾角為20°，實時監(jiān)測熔合區(qū)焊前或焊后溫度，以控制預(yù)熱或后熱溫度。方案二特別有利于改善高碳鋼、高合金鋼等難焊材料的接頭組織性能。實施方案二成功焊接了3mm厚T10工具鋼板，感應(yīng)電流1800A、感應(yīng)加熱溫度控制在500℃。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接裝置，其特征在于，該裝置的部件包括高頻感應(yīng)加熱線圈(7)、紅外溫度傳感器(10)、激光焊接頭(12)、高頻感應(yīng)電源(6)、以及實時溫度監(jiān)控模塊(5)；感應(yīng)加熱線圈通過一齒輪(4)齒條(3)副與激光焊接頭相集成，其中齒條固定于激光焊接頭上，感應(yīng)加熱線圈與齒輪通過固定支座(13)固定在一起；紅外溫度傳感器(10)通過一燕尾槽(11)裝夾于激光焊接頭上。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述的感應(yīng)加熱線圈采用紫銅方管結(jié)構(gòu)，內(nèi)通循環(huán)水冷卻，平置于工件上表面上方，高度可通過齒輪(4)齒條(3)上下調(diào)節(jié)，使其與工件表面距離為1～3mm；感應(yīng)加熱線圈相對激光焊接頭水平方向有兩個安裝位置光束中心落在感應(yīng)加熱線圈內(nèi)部或光束中心落在感應(yīng)加熱線圈外部。
3.按照權(quán)利要求1所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述的紅外溫度傳感器與激光焊接頭的相對距離通過一燕尾槽(11)可在5～35mm之間調(diào)節(jié)，其夾角通過傳感器的裝夾螺釘(14)可在15～75°之間調(diào)節(jié)。
4.一種復(fù)合激光焊接的方法，其特征在于，將激光和高頻感應(yīng)兩個熱源集成于一體，可實現(xiàn)直線、曲線、三維焊接的同步移動加熱焊縫及鄰近區(qū)域并帶有溫度實時監(jiān)控的激光-高頻感應(yīng)復(fù)合焊接方法。
5.一種復(fù)合激光焊接的方法，其具體步驟如下①根據(jù)工件形狀和材料調(diào)整感應(yīng)加熱線圈與激光頭的相對位置，當(dāng)激光在感應(yīng)加熱線圈外部作用于工件時，感應(yīng)加熱線圈內(nèi)部裝有高導(dǎo)磁材料鐵氧體(15)；②用紅外溫度傳感器獲得的溫度信號作為高頻電源控制模塊的輸入量，實時調(diào)節(jié)感應(yīng)電源的輸出電流，以調(diào)整其熱輸入量，實現(xiàn)焊接區(qū)域溫度的控制，調(diào)整紅外溫度傳感器的角度和位置，設(shè)定檢測區(qū)域及控制溫度；③感應(yīng)加熱線圈與激光共同對工件進(jìn)行加熱，激光束作用于焊縫區(qū)，感應(yīng)加熱線圈對除了對焊縫區(qū)加熱外，還對焊縫周圍區(qū)域進(jìn)行同步加熱。
6.按照權(quán)利要求5所述的激光焊接的方法，其特征在于，所述的感應(yīng)加熱線圈能加熱工件，并使工件的溫度在150℃～1500℃之間連續(xù)調(diào)節(jié)。
全文摘要
使用激光和高頻感應(yīng)兩種熱源相結(jié)合進(jìn)行焊接的裝置及其方法。針對金屬材料對激光的能量利用率低、熔融金屬容易形成氣孔或空洞并容易產(chǎn)生裂紋等問題，本發(fā)明提供一種帶有溫度實時監(jiān)控的激光－高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置與方法，用兩種熱源同步加熱焊縫及鄰近區(qū)域。本發(fā)明的激光－高頻感應(yīng)復(fù)合焊接裝置的主體是集成了感應(yīng)加熱線圈與紅外溫度傳感器為一體的激光焊接頭。用本發(fā)明的方法生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量比普通激光焊接大為提高，并實現(xiàn)了二維和三維焊接。
文檔編號B23K28/00GK1554510SQ200310111658
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者王春明, 胡席遠(yuǎn), 劉建華, 胡倫驥, 陳俐 申請人:華中科技大學(xué)