双超声辅助激光-CMT复合焊接系统及焊接方法技术方案

本发明专利技术涉及双超声辅助激光‑CMT复合焊接系统及焊接方法，该系统由工作台、超声机械振动机构和激光‑CMT复合焊接三部分组成；工件装夹焊接速度由PLC控制系统完成，超声振动结构包括上下两台超声，且上部超声配有可调角度的腰孔，方便不同角度超声的施加；激光‑CMT复合焊接实现低热输入和低焊接变形的焊接；铝基复合材料经打磨、清洗等焊前清理，装夹到工作台上，焊丝选用自制的药芯焊丝。通过调整超声位置和角度(距离d

Double ultrasonic assisted laser CMT hybrid welding system and welding method

【技术实现步骤摘要】
双超声辅助激光-CMT复合焊接系统及焊接方法
本专利技术涉及铝基复合材料的焊接领域，尤其是一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统及焊接方法。
技术介绍
铝基复合材料具有密度小、比强度/比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、耐高温、抗磨耐磨性能等优点，在舰船、航空航天等领域具有较多的应用，但铝基复合材料的熔焊难度较大，当铝合金基体被加热到熔点以上时，而碳化硅等增强相仍为固体，因而极易导致熔池黏度高、流动性差，焊缝成形差，使得焊接接头缺陷增多，接头强度较低，增强相易烧损，易产生脆性金属间化合物、气孔和裂纹等。目前，关于铝基复合材料熔焊的研究较少，也缺乏与铝基复合材料匹配的焊接材料；同时，由于接头缺陷较多，接头力学性能无法保证，需要从新型焊接工艺及焊接材料上去考虑。相关文献中已有于超声机械振动辅助焊接过程的报道，但在焊接方法上，主要集中于单一的焊接方法，在激光-电弧复合的方法少有报道。激光-CMT复合焊接过程中，未见超声机械振动辅助焊接方面的研究。此外，在试图解决的问题上，超声主要用于铝合金及镁合金连接过程中细化晶粒及减少气孔数量，未涉及复合材料的焊接。在施加的方式上，现有技术中多使用单一超声，仅能对超声作用平面作用较大，当板厚较大时，超声作用的另外一侧无法受到超声的作用，使超声的利用率降低。前期的研究过程中发现，激光焊接铝基复合材料时，接头性能较差。为了降低接头的缺陷数量，提高熔池的流动性，应采用激光电弧复合工艺，并设计新型的填充材料。专利CN107570872B提出了一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法，旨在通过超声波的作用提高接头的性能，但该方法对于激光-电弧复合焊接工艺来说，超声产生机构的装配会降低激光-电弧复合焊接工艺的适用性。专利CN102581473B提出一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，将超声施加于搅拌针，超声的作用主要是用于固相下细化晶粒和减少搅拌针磨损，并未涉及超声在液态熔池中的作用效果。专利CN105364326B提出了一种镁合金激光-超声双面焊接的方法，以非接触的形式将超声施加于焊缝背面，限制了超声效果的施加。专利CN105728930B提出了一种超声波振动辅助焊接方法，将超声置于焊缝背部，以弹簧压力使超声焊头压紧焊缝，该方法仅适用于表面堆焊，当穿透焊时极易损伤焊头，且弹簧压力难以准确测量，限制了该方法的使用。专利CN105880852B公布了一种超声辅助脉冲激光-MIG复合热源焊接装置的焊接方法，用于解决铝合金焊缝晶粒粗大和气孔率高的问题，超声焊头放置于熔池前部的坡口中心处，工件的装夹要求较高，同时超声无法与热源保持同步，降低超声能量的施加效果，另外该方法仅适用于薄板，电弧热输入较大，极易使焊接接头产生较大的塑性变形。综上，目前铝基复合材料熔焊的主要问题是：(1)熔焊热输入较大，增强相损失大，较难获得高质量的焊接接头。(2)铝基复合材料熔池流动性差，高熔点的增强相颗粒与Al集体之间润湿性差，熔池极易发生粘滞现象，并产生夹杂，影响焊缝质量。(3)焊缝金属中形成大量的Al4C3金属间化合物，使焊缝脆性增加，降低接头性能。(4)增强相与基体在物理性能上存在显著差异，在熔焊较快的冷却速度下，容易形成空洞及气孔缺陷，降低接头性能。
技术实现思路
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供了一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统及焊接方法，从而实现铝基复合材料高质量的焊接。本专利技术所采用的技术方案如下：一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，包括机架，所述机架上部安装有水平运动的、可装载工件的数控工作台，工作台上方安装有上超声机构，工作台下方的机架内安装有下超声机构；所述上超声机构通过驱动机构，调整角度，以及与焊缝边缘的距离，所述下超声机构通过驱动机构，调整与焊缝边缘的距离；还包括由CMT焊机和光纤激光器构成的激光-CMT复合热源。作为上述技术方案的进一步改进：机架一侧设有立柱，立柱顶部设有水平支架，水平支架上通过夹持机构安装沿水平支架水平运动的所述上超声机构，上超声机构的超声焊头与焊缝边缘的距离d1为5-30mm；所述夹持机构的结构包括夹持架，上超声机构外部设有夹持安装套，其上设有腰孔，通过所述腰孔，与夹持架上的销钉配合，调节上超声机构及其超声焊头与水平支架之间形成的夹角θ，θ可在0-30°范围内任意调整。机架内底部安装有第一水平导轨，第一水平导轨上安装有沿其滑动的竖直导轨，竖直导轨上安装有沿其滑动的所述下超声机构，其结构与上超声机构的结构相同，内部均内置有超声波发生器、超声气缸；下超声机构的超声焊头与焊缝边缘的距离d2为3-15mm；竖直导轨、下超声机构的运动分别通过驱动第一电机、第二电机驱动。工作台整体由第三电机及丝杆螺母传动机构驱动，沿设于机架上表面两侧的第二水平导轨滑动；机架内还安装有驱动机构的PLC控制系统，与上超声机构、下超声机构电性连接的超声波电源。一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统的焊接方法，包括以下步骤：第一步：将工件即铝基复合材料，经打磨去除表面氧化膜，并用丙酮清洗复合材料表面，焊丝采用铝基药芯焊丝，药芯焊丝外皮使用600目砂纸进行打磨，去除表面氧化膜及污渍；焊前开单边30°V型坡口，使坡口预留0-1mm的钝边，将铝基复合材料放在工作台上装夹牢固；第二步：焊接时参数选择：光纤激光器的激光功率1.6kW-2.6kW，焊接速度0.01m/s-0.05m/s，保护气选择99.99％Ar气，CMT焊机的电源焊接电流为50-200A，电弧电压为15-25V，工件正面及背面均需施加保护，保护气流量为10-20L/min；第三步：正式焊接前，调整好光纤激光器的激光束、CMT焊机及上超声机构、下超声机构的位置，即调整d1、d2和θ的数值；第四步：焊接过程中，激光-CMT复合热源保持静止，由工作台实现工件的运动，其运行速度可以达到4m/min；根据工件的实际尺寸选择上超声机构、下超声机构之一，或者两者同时进行实施；第五步：焊接完成后，停止激光输出，同时关闭CMT焊机的电源。作为上述技术方案的进一步改进：所述药芯焊丝外皮为6067铝合金，药芯由Al-Mg-Si-Ti粉组成，比例为：Mg2-5％，Ti5-15％，Si1-5％，余量为Al，焊丝填充率为20％，焊丝直径为1.2mm。上超声机构和下超声机构的整体长度均为850mm，超声焊头的直径25mm，长度有两种，一种为100mm，另外一种为50mm；上超声机构和下超声机构内置的超声波发生器功率为3kW，频率为20kHZ、内置的超声气缸的压力0.3MPa；光纤激光器采用6kW光纤激光器，激光束与焊丝之间角度为30-60°。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的双超声辅助激光-CMT复合焊接系统及焊接方法，可以实现铝基复合材料高质量的焊接，焊接工艺简单，熔池粘滞现象明显改善，焊缝中缺陷数量显著降低，焊接接头性能可提高50％。本专利技术的焊接系统由工作台、超声机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，其特征在于：包括机架(15)，所述机架(15)上部安装有水平运动的、可装载工件(10)的数控工作台(14)，工作台(14)上方安装有上超声机构(1)，工作台(14)下方的机架(15)内安装有下超声机构(6)；所述上超声机构(1)通过驱动机构，调整角度，以及与焊缝边缘的距离，所述下超声机构(6)通过驱动机构，调整与焊缝边缘的距离；还包括由CMT焊机(3)和光纤激光器(4)构成的激光-CMT复合热源。/n

【技术特征摘要】
1.一种双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，其特征在于：包括机架(15)，所述机架(15)上部安装有水平运动的、可装载工件(10)的数控工作台(14)，工作台(14)上方安装有上超声机构(1)，工作台(14)下方的机架(15)内安装有下超声机构(6)；所述上超声机构(1)通过驱动机构，调整角度，以及与焊缝边缘的距离，所述下超声机构(6)通过驱动机构，调整与焊缝边缘的距离；还包括由CMT焊机(3)和光纤激光器(4)构成的激光-CMT复合热源。


2.如权利要求1所述的双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，其特征在于：机架(15)一侧设有立柱(12)，立柱(12)顶部设有水平支架(13)，水平支架(13)上通过夹持机构(2)安装沿水平支架(13)水平运动的所述上超声机构(1)，上超声机构(1)的超声焊头(101)与焊缝边缘的距离d1为5-30mm；
所述夹持机构(2)的结构包括夹持架(21)，上超声机构(1)外部设有与夹持架(21)连接的夹持安装套(23)，其上设有腰孔，通过所述腰孔，与夹持架(21)上的销钉配合，调节上超声机构(1)及其超声焊头(101)与水平支架(13)之间形成的夹角θ，θ可在0-30°范围内任意调整。


3.如权利要求2所述的双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，其特征在于：机架(15)内底部安装有第一水平导轨(16)，第一水平导轨(16)上安装有沿其滑动的竖直导轨(17)，竖直导轨(17)上安装有沿其滑动的所述下超声机构(6)，其结构与上超声机构(1)的结构相同，内部均内置有超声波发生器、超声气缸；下超声机构(6)的超声焊头(101)与焊缝边缘的距离d2为3-15mm；竖直导轨(17)、下超声机构(6)的运动分别通过驱动第一电机(9)、第二电机(5)驱动。


4.如权利要求1所述的双超声辅助激光-CMT复合焊接系统，其特征在于：工作台(14)整体由第三电机(8)及丝杆螺母传动机构驱动，沿设于机架(15)上表面两侧的第二水平导轨(18)滑动；机架(15)内还安装有驱动机构的PLC控制系统(11)，与上超声机构(1)、下超声机构(6)电性连接的超声波电源(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦朋余，李生鹏，张亦龙，张若楠，王连，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32