CN112719582A - 具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法 - Google Patents

具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法，包括：激光预热***和激光焊接平台。激光预热焊接***包括用于输出800nm波长激光和输出1060nm波长激光的半导体激光器以及光纤激光器，激光器外部设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头；焊接平台设有用于装夹焊件的工装夹具以及用于支撑工装夹具的工作平台，其中工装夹具可相对工作平台移动。本发明采用半导体激光器的大尺寸直径激光束对焊件焊缝处进行预热，可以加热不同结构、尺寸的焊件，适用性强，加热效率高，预热区域精准，焊件不存在预热焊缝以外多余部位以及内外温差的问题。

Description

具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体地，涉及一种具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法，尤其涉及一种火箭燃料贮箱2219铝合金的激光预热焊接装置。
背景技术
2219铝合金由于具有比强度高，低温和高温力学性能好，断裂韧度高，抗应力腐蚀性能好的特点，适用于工作温度为-270℃--300℃范围内的航天火箭焊接燃料槽与氧化剂槽、超音速飞机蒙皮与结构零件以及我国新一代火箭贮箱，在航天和航空领域得到广泛的应用；目前，火箭燃料贮箱连接工艺不断更新，由于其生产必须保证高质量、高效，激光焊接逐渐被应用与火箭燃料贮箱结构的焊连接中，但是由于激光焊接铝合金缺陷难以克服，因此阻碍了火箭燃料贮箱的实际应用。
近些年来随着科学技术的迅速发展，特别是航空航天事业的蓬勃发展，对高质量铝合金激光焊接构件的需求量日益增大；铝合金激光焊接主要存在三个难题：一是焊缝内部易形成气孔等缺陷，二是焊接接头未熔透，三是焊缝熔池飞溅严重；因此，铝合金激光焊接的问题正成为当今激光焊接技术研究的关键问题。
其中，由于2219铝合金在激光焊接过程中由液态向固态转变时，高温液态熔池中氢含量是低温凝固焊缝中氢含量近20倍，焊接熔池凝固的过程中多余的氢必定要析出，易形成焊接气孔；由于铝合金在高温环境下靠激光匙孔下方的液体金属透过焊件背面，焊后背面熔宽窄，易产生未熔透现象；由于在激光焊接过程中，激光功率密度过高，工件在短时间内吸收了较多的激光能量，材料严重汽化，局部温度过高，熔池反应剧烈易形成焊接飞溅；预热具有降低焊接接头区域的温差、减小焊接过程所产生的内应力的作用，目前预热铝合金焊件的方法大多是电弧预热，电弧预热相对于大尺寸焊件，加热区域大，不易控制，但对于小尺寸焊件将无法达到精准预热的目的，同时加热区域大将影响焊缝周围的材料特性，降低焊接接头质量。
因此，如何提供一种适用性强且能提高焊件精准预热效果和焊接效率的激光焊接铝合金焊前预热的激光预热焊接装置，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
专利文献CN 106514075B公开了焊接预热装置的应用，属于焊接预热技术领域，焊接预热装置的应用，焊接预热装置包括本体，本体包括定位机构和预热机构，还包括调节机构，定位机构设置在焊缝侧下方，预热机构设置在靠近焊缝的底端面，调节机构连接在定位机构和预热机构之间，调节预热机构和焊缝底端面的压紧程度，通过组装→安装并调节→拆卸的步骤。本发明通过定位机构将预热机构进行定位于接近预热对象，以及调节机构对预热机构进行调节，调节预热对象和预热机构之间压紧程度，有效解决了预热时间或温度不好控制的技术问题。该专利的结构和性能仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有预热功能的激光焊接装置及预热焊接方法。
根据本发明提供的一种具有预热功能的激光焊接装置，包括：预热焊接***、焊接平台10；预热焊接***包括：焊接光纤激光器1、半导体激光器2、激光预热头5、激光焊接头6；所述焊接光纤激光器1包括：温度控制器3；所述温度控制器3能够检测预热半导体激光器2和焊接光纤激光器1的温度；所述温度控制器3能够控制焊接光纤激光器1的温度；所述半导体激光器2和光纤激光器1外部均设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头5和激光焊接头6；所述焊接平台10设置于预热焊接***的下部。
优选地，所述预热焊接***还包括：驱动电源4；所述温度控制器3能够利用冷却水使激光器降温，且外部设有控制激光器启动的驱动电源4。
优选地，还包括：焊件9；
所述预热焊接***还包括：红外测温传感器7；
所述红外测温传感器7能够用于检测所述焊件9预热温度和焊接温度。
优选地，所述预热焊接***还包括：精准跟踪定位传感器8；
所述精准跟踪定位传感器8能够用于视觉识别焊缝。
优选地，还包括：控制***；
所述温度控制器3、驱动电源4、红外测温传感器7、半导体激光器2、焊接光纤激光器1、激光预热头5和激光焊接头6均连接于控制***。
优选地，还包括：调高器11、定位件12、压紧杆13以及锁紧销14；所述定位件12能够固定焊件9的位置；所述调高器11嵌套于定位件12；所述压紧杆13能够压紧焊件9；所述调高器11纵向固定压紧杆13；
所述锁紧销14能够拧紧压紧杆13。
本发明的目的在于提供一种可以进一步提高焊接质量，提高生产效率的激光预热焊接装置，该预热焊接装置可以进一步提高焊件精准预热效果和焊接效率以及焊接质量，且适用于焊接火箭燃料贮箱箱体结构的激光预热焊接装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种激光焊接铝合金焊前预热的激光预热焊接装置，所述激光预热焊接装置包括预热焊接***和焊接平台，预热半导体激光器和焊接光纤激光器分别连接激光预热头和激光焊接头，每个激光头上安装有红外测温传感器和精准跟踪定位传感器。
本发明提供一种预热焊接方法，采用具有预热功能的激光焊接装置，包括：
步骤S1：设置用于检测预热半导体激光器和焊接光纤激光器的温度控制器；
步骤S2：在半导体激光器和光纤激光器外部设置用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头；
步骤S3：采用温度控制器利用冷却水使激光器降温，且在激光器外部设有控制激光器启动的驱动电源。
步骤S4：在焊接平台上设置用于装夹所述焊件的工装夹具以及用于支撑工装夹具的底座平台，所述工装夹具能够相对于所述底座平台移动。
优选地，还包括：
步骤S5：在预热焊接***中设置用于检测所述焊件预热温度和焊接温度的红外测温传感器以及用于视觉识别焊缝的精准跟踪定位传感器。
优选地，还包括：
步骤S6：首先将激光预热头按照精准跟踪定位传感器定位的路线对焊件焊缝处进行加热，并利用红外测温传感器监测焊件焊缝处温度；
步骤S7：当焊缝处温度达到焊接要求时，利用激光焊接头对焊缝进行焊接，并利用红外测温传感器对焊缝处温度进行监测，同时，利用精准跟踪定位传感器扫描全部焊缝；
步骤S8：利用激光焊接头按照精准跟踪定位传感器定位的路线进行焊接后便完成一次焊接工作，即完成一次焊接工作，此时，停止焊接光纤激光器和控制***。将精准跟踪定位传感器、激光预热头和激光焊接头移动至下一个焊缝处，开始进行下一次预热焊接工作。
本发明提供的激光焊接铝合金焊前预热的激光预热焊接装置，包括预热焊接***和焊接平台，预热焊接***包括用于检测预热半导体激光器和焊接光纤激光器的温度控制器，半导体激光器和光纤激光器外部均设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头，温度控制器利用冷却水使激光器降温且外部设有控制激光器启动的驱动电源；焊接平台设有用于装夹焊件的工装夹具以及用于支撑工装夹具的底座平台，工装夹具可相对于底座平台移动。
本发明提供了一种用于焊前预热的激光焊接装置，包括：激光预热***和激光焊接平台。激光预热焊接***包括用于输出800nm波长激光和输出1060nm波长激光的半导体激光器以及光纤激光器，激光器外部设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头；焊接平台设有用于装夹焊件的工装夹具以及用于支撑工装夹具的工作平台，其中工装夹具可相对工作平台移动。本发明采用半导体激光器的大尺寸直径激光束对焊件焊缝处进行预热，可以加热不同结构、尺寸的焊件，适用性强，加热效率高，预热区域精准，焊件不存在预热焊缝以外多余部位以及内外温差的问题。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用的是激光感应电流加热而不是表面热传导的加热方式，所以，可以预热焊接不同结构的焊件，适用性较强；
2、本发明采用激光加热方式要比电弧加热方式预热范围更精准，而且可以实时控制激光束，操作便。同时，采用激光加热感应电流加热的方式使得焊件内部产生电流。从而使得焊件内部和表面整体进行加热，所以，焊件不存在内外温差的问题；
3、本发明是将预热焊接装置配置精准跟踪定位传感器，进行视觉识别焊缝，提高了焊接质量；
4、本发明采用激光预热焊接装置取代电弧焊，提高焊接效率。焊接完一处焊缝后，只需要对下一处焊缝进行定位，然后扫描焊缝，即可进行焊接工作，十分方便。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中2219铝合金平板结构激光预热焊接设备示意图；
图2是本发明实施例中激光预热并焊接小尺寸焊件及大尺寸焊件方法示意图；
图3是本发明实施例中2219铝合金平板对接结构激光预热焊接装置整体示意图；
图4是本发明实施例中2219铝合金平板对接结构激光预热焊接装夹装置整体示意图；
1-光纤激光器，2-半导体激光器，3-温度控制器，4-驱动电源，5-激光预热头，6-激光焊接头，7-红外测温传感器，8-精准跟踪定位传感器，9-2219铝合金平板对接焊件，10-底座平台，11-调高器，12-定位件，13-大力压紧杆，14-锁紧销，15-半导体激光束，16-光纤激光束，17-焊缝，18-预热区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2、图3和图4，图1为本发明具体实施技术方案中的激光预热焊接装置的结构示意图，图2为本发明激光预热焊接技术原理图，图3为本发明激光预热焊接装置整体示意图，图4为本发明具体实施技术方案中的激光预热焊接装夹装置的整体结构示意图。
一种激光焊接铝合金焊前预热的激光预热焊接装置，包括以下步骤：
在一种具体实施技术方案中，本发明提供一种激光焊接铝合金焊前预热的激光预热焊接装置，该预热焊接装置包括预热焊接***和焊接平台，其中，预热焊接***包括用于检测预热半导体激光器和焊接光纤激光器的温度控制器，所述半导体激光器和光纤激光器外部均设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头，所述温度控制器利用冷却水使激光器降温且外部设有控制激光器启动的驱动电源，焊接平台设有用于装夹所述焊件的所述工装夹具以及用于支撑所述工装夹具的所述底座平台，所述工装夹具可相对于所述底座平台移动。
应用该预热焊接装置时，首先将激光预热头5按照精准跟踪定位传感器定位8的路线对焊件焊缝处进行加热，并利用红外测温传感器7监测焊件焊缝处温度，然后，当焊缝处温度达到焊接要求时，利用激光焊接头6对焊缝进行焊接，并利用红外测温传感器7对焊缝处温度进行监测，同时，利用精准跟踪定位传感器8扫描全部焊缝，最后，利用激光焊接头6按照精准跟踪定位传感器8定位的路线进行焊接后便完成一次焊接工作，即完成一次焊接工作，此时，停止焊接光纤激光器1和控制***。将精准跟踪定位传感器7、激光预热头5和激光焊接头6移动至下一个焊缝处，即可开始进行下一次预热焊接工作。
优选地，预热焊接***包括用于检测预热半导体激光器2和焊接光纤激光器1的温度控制器3，操所人员可以根据温度控制器3检测到激光器的温度值来判断激光器是否处于正常工作的范围，以确保工作的安全性。
优选地，预热焊接***包括用于控制激光器启动预热半导体激光器2和焊接光纤激光器1的驱动电源4，操作人员可以及时控制装置启动，以免产生故障损坏设备。
为了进一步提高预热焊接装置的精准程度，优选地，本发明的实施技术方案中预热焊接***还包括用于检测所述焊件9预热温度和焊接温度的红外测温传感器7以及用于视觉识别焊缝的精准跟踪定位传感器8。
优选地，焊接平台设有用于装夹所述焊件9的工装夹具以及用于支撑工装夹具的所述底座平台10，工装夹具可相对于所述底座平台10移动。
优选地，工装夹具设有用于控制装夹高度的调高器11，调高器11套在用于固定焊件9位置的定位件12，调高器11纵向固定用于压紧焊件的大力压紧杆13，大力压紧杆上方套由用于拧紧大力压紧杆的锁紧销14。
本发明具体实施技术方案中提供的火箭燃料贮箱的激光预热焊接装置的使用过程如下：
首先，设置工装，将待焊接的焊件9固定在设定位置，在所述焊件9四周安置由底座平台10支撑的工装夹具，工装夹具压紧所述焊件9，利用所述精准跟踪定位传感器8对焊件9焊缝17进行焊前定位，开启所述红外测温传感器7对所述焊件9焊缝处温度进行检测，将所述激光预热头5和所述激光焊接头6对应在所述精准跟踪定位传感器8定位的焊缝17处；
然后，预热焊件，将所述激光预热头5按照所述精准跟踪定位传感器8定位的路线，采用半导体激光器2产生的大直径光斑半导体激光束15对焊件9焊缝17处预热区域18进行加热，并利用所述红外测温传感器7监测所述焊件9焊缝处温度；
焊接焊件，当所述焊件9温度达到焊接要求时，利用所述激光焊接头6射出的光纤激光束16对焊缝进行焊接，同时，利用红外测温传感器7对所述焊件9焊缝处温度进行监测，所述精准跟踪定位传感器8扫描全部焊缝，所述激光焊接头6按照所述精准跟踪定位传感器8定位的路线进行焊接后便完成一次焊接工作，然后，停止所述焊接光纤激光器1和所述控制***，最后，将所述精准跟踪定位传感器8、所述激光预热头5和所述激光焊接头6移动至下一个焊缝处进行预热焊接。
可见，本发明具有以下有益效果：
本发明采用的是激光感应电流加热而不是表面热传导的加热方式，所以，可以预热焊接不同结构的焊件，适用性较强。
本发明采用激光加热方式要比电弧加热方式预热范围更精准，而且可以实时控制激光束，操所方便。同时，采用激光加热感应电流加热的方式使得焊件内部产生电流。从而使得焊件内部和表面整体进行加热，所以，焊件不存在内外温差的问题。
本发明是将预热焊接装置配置精准跟踪定位传感器，进行视觉识别焊缝，提高了焊接质量。
本发明采用激光预热焊接装置取代电弧焊，提高焊接效率。焊接完一处焊缝后，只需要对下一处焊缝进行定位，然后扫描焊缝，即可进行焊接工作，十分方便。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，包括：预热焊接***、焊接平台(10)；
预热焊接***包括：焊接光纤激光器(1)、半导体激光器(2)、激光预热头(5)、激光焊接头(6)；
所述焊接光纤激光器(1)包括：温度控制器(3)；
所述温度控制器(3)能够检测预热半导体激光器(2)和焊接光纤激光器(1)的温度；
所述温度控制器(3)能够控制焊接光纤激光器(1)地温度；
所述半导体激光器(2)和光纤激光器(1)外部均设有用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头(5)和激光焊接头(6)；
所述焊接平台(10)设置于预热焊接***的下部。
2.根据权利要求1所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，所述预热焊接***还包括：驱动电源(4)；
所述温度控制器(3)能够利用冷却水使激光器降温，且外部设有控制激光器启动的驱动电源(4)。
3.根据权利要求1所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，还包括：焊件(9)；
所述预热焊接***还包括：红外测温传感器(7)；
所述红外测温传感器(7)能够用于检测所述焊件(9)预热温度和焊接温度。
4.根据权利要求3所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，所述预热焊接***还包括：精准跟踪定位传感器(8)；
所述精准跟踪定位传感器(8)能够用于视觉识别焊缝。
5.根据权利要求1所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，还包括：控制***；
所述温度控制器(3)、驱动电源(4)、红外测温传感器(7)、半导体激光器(2)、焊接光纤激光器(1)、激光预热头(5)和激光焊接头(6)均连接于控制***。
6.根据权利要求1所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，还包括：调高器(11)、定位件(12)、压紧杆(13)以及锁紧销(14)；
所述定位件(12)能够固定焊件(9)的位置；
所述调高器(11)嵌套于定位件(12)；
所述压紧杆(13)能够压紧焊件(9)；
所述调高器(11)纵向固定压紧杆(13)；
所述锁紧销(14)能够拧紧压紧杆(13)。
7.一种预热焊接方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的具有预热功能的激光焊接装置，其特征在于，包括：
步骤S1：设置用于检测预热半导体激光器和焊接光纤激光器的温度控制器；
步骤S2：在半导体激光器和光纤激光器外部设置用于调整焦距、工作距离以获得合适尺寸光斑的激光预热头和激光焊接头；
步骤S3：采用温度控制器利用冷却水使激光器降温，且在激光器外部设有控制激光器启动的驱动电源；
步骤S4：在焊接平台上设置用于装夹所述焊件的工装夹具以及用于支撑工装夹具的底座平台，所述工装夹具能够相对于所述底座平台移动。
8.根据权利要求7所述的预热焊接方法，其特征在于，还包括：
步骤S5：在预热焊接***中设置用于检测所述焊件预热温度和焊接温度的红外测温传感器以及用于视觉识别焊缝的精准跟踪定位传感器。
9.根据权利要求7所述的预热焊接方法，其特征在于，还包括：
步骤S6：首先将激光预热头按照精准跟踪定位传感器定位的路线对焊件焊缝处进行加热，并利用红外测温传感器监测焊件焊缝处温度；
步骤S7：当焊缝处温度达到焊接要求时，利用激光焊接头对焊缝进行焊接，并利用红外测温传感器对焊缝处温度进行监测，同时，利用精准跟踪定位传感器扫描全部焊缝；
步骤S8：利用激光焊接头按照精准跟踪定位传感器定位的路线进行焊接后便完成一次焊接工作，即完成一次焊接工作，此时，停止焊接光纤激光器和控制***；将精准跟踪定位传感器、激光预热头和激光焊接头移动至下一个焊缝处，开始进行下一次预热焊接工作。
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