[發明專利]一種基于冷卻速度的自適應激光焊接裝置及使用方法

在審

• 申請號: 201810442440.0
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108608113A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 李鑄國;蘆鳳桂;張顯程;張軻;孫軍浩;張悅;聶璞林
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K26/044
• 分類號: B23K26/044;B23K26/70
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種基于冷卻速度的自適應激光焊接裝置，包括焊接激光系統、送絲焊槍、焊縫跟蹤系統、尾拖保護系統、隨焊激光熱處系統和中間連接架。尾拖保護系統快速冷卻液態焊縫熔池；隨焊激光熱處系統加熱高溫蠕變區的焊縫組織；焊縫跟蹤系統實時監測焊縫形狀和熔池溫度，并根據監測結果實時調控送絲焊槍的送絲速度、尾拖保護系統的冷卻能力和隨焊激光熱處系統的加熱功率；隨焊激光熱處系統、尾拖保護系統、送絲焊槍、焊接激光系統和焊縫跟蹤系統沿焊縫形成方向依次固定在中間連接架上。本發明結構緊湊，能夠高精度跟蹤焊縫、自適應填充焊縫和基于冷卻速度調控焊縫組織和應力狀態，特別適用于對微小型零件或超薄板材的精密焊接。

技術領域

本發明涉及激光焊接領域，尤其涉及一種基于冷卻速度的自適應激光焊接裝置及使用方法。

背景技術

和傳統焊接方法相比，高能量密度的激光焊接具有整體熱輸入量小、焊接速度快，焊縫的深寬比大和焊接精度高等優點，可以提升企業的生產效率、降低成本并提高加工產品的質量，在核電裝備、海洋工程、艦船制造、石油化工、航空航天等工業領域中得到越來越多的推廣應用。

目前最常用的激光焊接方法是純激光自熔焊，焊接過程中不填充焊絲，通過對母材的加熱融化從而凝固形成接頭。但自熔焊接過程中會導致母材中部分合金成分蒸發，焊縫的搭橋能力較差，從而導致接頭成形不良；另外，由于激光聚焦光斑很小，所以對于焊前工件的加工和裝配要求較高。鑒于此，國外奧地利Fronius公司開發出激光復合焊槍，國內有公開的專利CN201217126Y及CN106271129A對焊槍進一步改善，通過激光填絲焊的方法，增強了焊縫橋接能力，并通過改變焊絲的成分對焊縫的組織進行改善。但激光填絲焊過程中，激光和焊絲的作用過程不完全可控，使得焊縫熔寬不精確，影響焊縫質量；此外，液態熔池金屬焊縫的上部冷卻速度較慢，使得該區域晶粒粗大，導致焊縫韌性大大降低；而高溫蠕變區凝固的焊縫金屬溫度下降快速，使得試件在焊后存在較大的應力，嚴重時甚至引起變形。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種能夠高精度跟蹤焊縫、自適應填充焊縫和基于冷卻速度調控焊縫組織和應力狀態的激光焊接裝置及使用方法。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何通過合理的設計，使得激光焊接裝置能夠高精度跟蹤焊縫、自適應填充焊縫和基于冷卻速度實時調控焊縫組織和應力狀態。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于冷卻速度的自適應激光焊接裝置，包括焊接激光系統、送絲焊槍、焊縫跟蹤系統、尾拖保護系統、隨焊激光熱處系統和中間連接架；所述尾拖保護系統被配置為快速冷卻液態焊縫熔池；所述隨焊激光熱處系統被配置為加熱高溫蠕變區的焊縫組織；所述焊縫跟蹤系統被配置為實時監測焊縫形狀和熔池溫度，并根據監測結果調控所述送絲焊槍送絲速度、所述尾拖保護系統冷卻能力和所述隨焊激光熱處系統的加熱功率；所述隨焊激光熱處系統、所述尾拖保護系統、所述送絲焊槍、所述焊接激光系統和所述焊縫跟蹤系統，沿焊縫形成方向依次固定在所述中間連接架。

進一步地，所述焊縫跟蹤系統，包括第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和光學攝像頭，所述第一溫度傳感器和所述光學攝像頭測量焊縫熔池前段的溫度和形狀，所述第二溫度傳感器測量焊縫組織高溫蠕變區溫度；通過比較與給定值的差值，所述焊縫跟蹤系統調節所述送絲焊槍、所述尾拖保護系統和所述隨焊激光熱處系統。

進一步地，所述焊縫跟蹤系統，被配置為能夠在所述中間連接架上沿XYZ三個自由度調節。

進一步地，所述尾拖保護系統，被配置為能夠在所述中間連接架上沿XYZ三個自由度調節。

進一步地，所述尾拖保護系統包括保護氣存儲裝置和空腔室，所述空腔室頂部與所述保護氣存儲裝置相通，所述空腔室底部分布至少兩個與外界貫通的氣孔。

進一步地，所述尾拖保護系統的所述保護氣存儲裝置的氣體為氬氣或氦氣，且氣流量受所述焊縫跟蹤系統控制。