CN100577342C

CN100577342C - 蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法

Info

Publication number: CN100577342C
Application number: CN 200810064588
Authority: CN
Inventors: 陈彦宾; 李俐群; 雷正龙; 陶汪; 张新戈
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: CN101306491A

Abstract

蒙皮骨架结构的激光—电阻缝焊同步复合焊接方法，涉及一种新型的激光和电阻缝焊的复合焊接方法，属于焊接领域。目的是解决单一的激光焊接蒙皮骨架结构时焊缝较窄，焊缝剪切强度低，蒙皮与骨架搭接面有大量气孔的问题。本发明针对蒙皮骨架结构的待焊工件采用激光焊与电阻缝焊同步复合焊接；电阻缝焊采用双滚轮单面焊，两个滚轮电极沿蒙皮与骨架之间的接触处形成的焊缝在蒙皮的上顶面前后布置，并在向前运动的同时，将蒙皮压向其下面的骨架，在焊接过程中，激光束始终位于两个滚轮电极的中间位置。本发明形成的焊缝剪切强度可提高至母材的2倍以上，单位面积上的气孔率可由激光焊接的10%左右降低到2%左右。

Description

蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种新型的激光和电阻缝焊的复合焊接方法，属于焊接领域。

背景技术

随着汽车行业节约能源和环保意识的不断加强，以及航空航天和军事工业对减重和高结构抗力的要求，越来越多的结构设计采用了蒙皮骨架连接。相对于铆接和粘接，焊接生产效率高，接头强度大，是蒙皮骨架结构件连接最主要的方法。但是，传统的焊接方法如电弧焊和等离子体弧焊等，热输入量大，焊接速度低，焊接应力和变形大；而由于结构尺寸大，又难以应用钎焊或扩散焊等连接方法。

激光焊接具有能量密度高，焊缝质量好，深宽比大，热影响区小，焊接变形小，而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点，已经在工业生产中得到广泛的应用。但是针对封闭的蒙皮骨架结构件焊接只能通过穿透式焊接方式实现蒙皮与内部骨架的连接的特点，激光焊接技术是这类结构最佳的连接工艺。

但是，激光焊接对结构件装配精度要求很高，如何保障激光焊接过程中蒙皮与骨架的紧密贴合和焊接过程的稳定性是这一连接工艺的关键技术；同时，激光焊接的焊缝较窄，因此蒙皮与骨架搭接面结合尺寸较小，导致焊缝剪切强度低，且在实际焊接过程中，在蒙皮和骨架的搭接面有大量气孔缺陷存在，以上缺点均不利于此类结构件的抗冲击能力和疲劳性能。

发明内容

本发明的目的是解决单一的激光焊接蒙皮骨架结构时焊缝较窄，焊缝剪切强度低，蒙皮与骨架搭接面有大量气孔的问题，设计一种蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法。

本发明针对蒙皮骨架结构的待焊工件采用激光焊与电阻缝焊同步复合焊接；电阻缝焊采用双滚轮单面焊，第一滚轮电极和第二滚轮电极沿蒙皮与骨架之间的接触处形成的焊缝在蒙皮的上顶面前后布置，并在向前运动的同时，将蒙皮压向其下面的骨架，在焊接过程中，激光束始终位于第一滚轮电极和第二滚轮电极的中间位置。

本发明的优点是：

1、利用电阻缝焊滚轮电极的同步加压，保证焊接过程中蒙皮与骨架的紧密贴合，有利于保证焊接过程的稳定和良好的焊接质量；

2、利用电阻缝焊的电阻热对工件的加热作用，增加工件对激光的吸收，提高激光利用效率；

3、结合激光焊接的深熔深与电阻缝焊的宽结合面尺寸，提高接头的静载和抗疲劳性能；其焊缝剪切强度可提高至母材的2倍以上；

4、利用电阻缝焊滚轮电极的重熔和碾压作用，减少气孔等焊接缺陷，其单位面积上的气孔率可由激光焊接的10％左右降低到2％左右，甚至部分试件的检测可达到无气孔状态；

5、电阻缝焊的强电流对复合焊接熔池的磁搅拌作用，改善焊缝组织，有利于提高接头的力学性能。

附图说明

图1是本发明焊接方法示意图，图2是图1的侧视图，图3是单一激光焊接与本发明的焊接方法焊接的两种接头拉伸剪切负载对比图，图4是单一激光焊接的焊缝截面形貌图，图5是用本发明焊接方法焊接的焊缝截面形貌图，图6是单一激光焊接的焊接接头气孔分布图，图7是本发明焊接方法焊接的焊接接头的气孔分布图，图8是单一激光焊接的焊接接头X射线探伤图，图9是本发明焊接方法的焊接接头X射线探伤图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2、图6-图9说明本实施方式，本实施方式针对蒙皮骨架结构的待焊工件采用激光焊与电阻缝焊同步复合焊接；电阻缝焊采用双滚轮单面焊，第一滚轮电极2和第二滚轮电极3沿蒙皮4与骨架5之间的接触处形成的焊缝在蒙皮4的上顶面前后布置，并在向前运动的同时，将蒙皮4压向其下面的骨架5，在焊接过程中，激光束1始终位于第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的中间位置。

焊接时，通过第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的同步加压，使蒙皮4和骨架5紧密贴合，而且可以通过固定蒙皮4和骨架5的工作台的向前移动，进而带动第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的转动。电流通过第一滚轮电极2和第二滚轮电极3流入蒙皮4和骨架5，产生电阻热，与两个滚轮中间的激光能量共同作用加热母材和焊缝。由于第一滚轮电极2处于激光束1的前方，可以对蒙皮4和骨架5进行加热，起到预热的作用，使蒙皮4和骨架5对激光的吸收率大大增加，提高激光能量利用率；而第二滚轮电极3的后热作用，降低焊缝与周围区域的温度梯度，改善焊缝的微观组织，提高焊缝的综合性能，减少或避免焊接缺陷的产生，而且第二滚轮电极3的碾压重熔也可以减少蒙皮4和骨架5贴合面产生的气孔，其单位面积上的气孔率可由单一激光焊接的10％左右降低到2％左右，甚至部分试件的检测可达到无气孔状态，对比图6所示单一激光焊接的焊接接头气孔分布图和图7所示本发明焊接方法焊接的焊接接头的气孔分布图，可以看出两种焊接方法形成的气孔分布的不同。图8是单一激光焊接的焊接接头X射线探伤图，图9是本发明焊接方法的焊接接头X射线探伤图，通过对比图8和图9也可以看出本发明方法焊接的改善气孔的效果。

在本发明焊接方法的焊接过程中，可以通过调节流过第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的电流大小和压力，改变电阻热在复合机制中所起的主导作用。当电阻缝焊的电流较少，电阻热的预热和后热效应为主时，可以通过热电偶和红外测温的方法在焊接过程中进行检测，优化电阻热的辅助作用。如果电阻缝焊的电流较大时，电阻热的加热形核效应起主导因素时，可以调整电流的大小、两个滚轮电极的压力以及加热时间来改变熔核的形成。由于激光焊接的特殊匙孔效应以及等离子体特征，可以通过调整电阻缝焊的参数来改变激光焊的焊接特性，优化参数，发挥复合焊接的优势。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于激光束1的类型为CO₂气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束，其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于电阻缝焊电流为直流、交流或脉冲电流，其它与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于本发明的焊接方法适用于同种材料或异种材料的蒙皮骨架结构的连接，其它与实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的直径在30mm～600mm之间，第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的端面尺寸在3mm～20mm之间，第一滚轮电极2和第二滚轮电极3之间的间距d在3mm～15mm之间，其它与实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的直径在50mm～200mm之间，第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的端面尺寸在5mm～15mm之间，第一滚轮电极2和第二滚轮电极3之间的间距d在3mm～10mm之间，其它与实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于激光功率在500W～10kW之间，保护气体流量在10L/min～50L/min之间，电阻缝焊的第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的压力在1kN～20kN之间，焊接电流在1kA～30kA之间，焊接电流脉冲时间t和脉冲间隔时间t₀的比值t/t₀在1.3～5之间，焊接速度在0.5m/min～5m/min之间，其它与实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于激光功率在500W～5kW之间，保护气体流量在10L/min～30L/min之间，电阻缝焊的第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的压力在3kN～10kN之间，焊接电流在6kA～20kA之间，焊接电流脉冲时间t和脉冲间隔时间t₀的比值t/t₀在1.5～3之间，焊接速度在1.0m/min～3m/min之间，其它与实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于第一滚轮电极2和第二滚轮电极3采用球面形滚轮电极，其球面半径在25mm～200mm之间，其它与实施方式一相同。

具体实施方式十：给出一个具体实施例，下面结合图1～图5进行说明用本发明的方法焊接，蒙皮4和骨架5的材质是Ti-6Al-4V钛合金，蒙皮4的厚度为1.5mm，骨架5的宽度为8mm，蒙皮4与骨架5组成T形接头。焊接时，激光功率为1200W；保护气体成份为Ar气，流量为25l/min；电阻缝焊的第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的端面尺寸为6mm；第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的直径为50mm；第一滚轮电极2和第二滚轮电极3之间的间距d为3mm；第一滚轮电极2和第二滚轮电极3的电极压力为5kN；焊接电流为8kA；焊接电流脉冲时间t和脉冲间隔时间t₀的比值t/t₀为5/2；焊接速度为1m/min，形成如图5所示的焊缝，与如图4所示的由单一激光焊接形成的焊缝相对比，单一激光焊接接头搭接面焊缝窄、深宽比大，焊缝宽度随深度增加而降低，在搭接面焊缝较窄，这对搭接接头的静载剪切性能和抗疲劳性能均不利，而利用本发明的复合焊接方法进行焊接，具有深熔深和滚压缝焊的宽结合面的特点，得到了类“十”型焊缝，有利于提高接头的力学及抗疲劳性能，其拉伸剪切负荷为单独激光焊接的2.5倍以上，如图3所示。

Claims

1、蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于针对蒙皮骨架结构的待焊工件采用激光焊与电阻缝焊同步复合焊接；电阻缝焊采用双滚轮单面焊，第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)沿蒙皮(4)与骨架(5)之间的接触处形成的焊缝在蒙皮(4)的上顶面前后布置，并在向前运动的同时，将蒙皮(4)压向其下面的骨架(5)，在焊接过程中，激光束(1)始终位于第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的中间位置。

2、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于激光束(1)的类型为CO₂气体激光束、YAG固体激光束或半导体激光束。

3、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于电阻缝焊电流为直流、交流或脉冲电流。

4、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于焊接方法适用于同种材料或异种材料的蒙皮骨架结构的连接。

5、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的直径在30mm～600mm之间，第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的端面尺寸在3mm～20mm之间，第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)之间的间距d在3mm～15mm之间。

6、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的直径在50mm～200mm之间，第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的端面尺寸在5mm～15mm之间，第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)之间的间距d在3mm～10mm之间。

7、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于激光功率在500W～10kW之间，保护气体流量在10L/min～50L/min之间，电阻缝焊的第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的压力在1kN～20kN之间，焊接电流在1kA～30kA之间，焊接电流脉冲时间t和脉冲间隔时间t₀的比值t/t₀在1.3～5之间，焊接速度在0.5m/min～5m/min之间。

8、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于激光功率在500W～5kW之间，保护气体流量在10L/min～30L/min之间，电阻缝焊的第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)的压力在3kN～10kN之间，焊接电流在6kA～20kA之间，焊接电流脉冲时间t和脉冲间隔时间t₀的比值t/t₀在1.5～3之间，焊接速度在1.0m/min～3m/min之间。

9、根据权利要求1所述的蒙皮骨架结构的激光-电阻缝焊同步复合焊接方法，其特征在于第一滚轮电极(2)和第二滚轮电极(3)采用球面形滚轮电极，其球面半径在25mm～200mm之间。