一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型激光焊接装置和方法，更具体地说，涉及一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置及方法。
【背景技术】
[0002]激光焊接技术是目前连接薄板搭接接头的一种主要的连接方法，作为一种成熟的焊接工艺在各种工业生产中的应用都非常广泛。焊接的种类非常多，有传统的电阻焊、电弧焊，也有近几年发展迅速的激光焊、搅拌摩擦焊和复合焊等。激光焊接是一种以激光作为热源的高效、高精密焊接新方法，焊接接头深宽比大，变形小，特别是单面非接触式的焊接方法可以极大地增强焊接工艺对产品结构的适应性，特别是针对复杂结构可以提高生产效率，降低生产成本，有望在不久的将来替代传统焊接工艺在电子、汽车与航空、航天工业中推广应用。
[0003]由于激光焊接属于定点加热，因此激光焊接时工件某一点位置的热输入量较大并且是一个快速加热与冷却过程，于是熔池中的气泡无法在匙孔闭合前溢出，这对于一些低熔点材料如铝合金来说，激光焊接过程中材料的烧损量较大，容易产生气孔、裂纹等缺陷，导致焊接过程的稳定性较差。
[0004]铝钢异种金属焊接时，由于铝和钢的物化性能差异很大，很难形成有效的焊接接头；而且铝合金表面易被氧化，且对激光的反射率很高，导致铝合金对激光的吸收率很低，氧化物很难熔化形成夹杂、气孔等缺陷；由于熔化的液态铝在钢侧润湿性很差，很难在钢侧润湿铺展，导致焊接过程不稳定，焊缝成型不良；A1和Fe易形成脆硬的金属间化合物，过厚的金属间化合物层使焊接接头机械性能降低。名称为“一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法”的中国专利(申请号201110240318.3)公开了一种方案，其采用铝合金板和钢板之间平铺一层粉末并采用同步送粉技术，该方法虽然提高了激光的吸收率，但由于送粉时粉末的发散和铝合金表面仍存在的反射使得激光吸收率有限，而且激光束经散焦或整形后能量密度不集中，另外送粉束的尺寸与激光光斑的尺寸匹配精度较高，夹层填粉焊后夹层剩余未熔化粉末难以有效清除。名称为“铝钢异种金属激光熔钎焊焊接方法和填充粉末”的中国专利(申请号:201210231163.1);其技术方案的有益效果是涂粉后激光焊接稳定性和焊缝成型良好，显著提高了铝在钢侧的铺展宽度，明显提高了激光的吸收率和激光焊接速度，但是难以保证焊接气孔缺陷的产生。名称为“一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法”的中国专利(申请200610007614.8)，该发明的连接方法得到的连接接头内的金属间化合物较少，接头的强度和连接速度明显提高，但是在激光精密点焊场合难以适用。名称为“一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法”的中国专利(申请201110003993.4)，其提出的调制激光输出脉冲波形的方法可以一定程度上减少气孔、裂纹，但没有考虑到消除导致裂纹的金属间化合物的形成。
【发明内容】
[0005]1.发明要解决的技术问题
[0006]本发明的目的在于克服现有技术中的激光焊接过程中工件表面容易氧化和产生气孔、裂纹等缺陷，特别是铝钢异种金属材料在激光焊接过程中的稳定性较差极易产生缺陷的不足，提供了一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置及方法，采用本发明的技术方案对铝钢异种金属材料进行焊接，在铝合金板和钢板工件之间设置中间过渡层，利用加热模块对待焊接工件进行快速精确预热，并通过振镜头控制焊接扫描轨迹，然后整个焊接过程均在充满惰性气体如氮气的密封腔中进行，可以最大限度的避免裂纹、气孔的生成，有效避免焊接工件表面的氧化现象，提高焊接效率，进而获得稳定性较好的高质量焊接接头。
[0007]2.技术方案
[0008]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0009]本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置，包括工作台底座、加热模块、激光焊接模块、三维工作台、密封腔和工控机，所述的三维工作台和密封腔均安装于工作台底座，且三维工作台能够移入或移出密封腔，密封腔在激光焊接时会被注入惰性气体，所述的加热模块放置于三维工作台上，用于预热待焊接工件，所述的密封腔顶部设置有透光板，所述的激光焊接模块位于该透光板的上方，激光焊接模块发出的激光束穿过该透光板后作用于待焊接工件，所述的加热模块、密封腔和激光焊接模块均由工控机进行控制。
[0010]作为本发明进一步地改进，所述的加热模块包括绝热槽、加热座、加热棒和热电偶，所述的加热座放置于绝热槽内，加热座上开设有用于放置待焊接工件的凹槽，凹槽下方均匀且间隔的分布有若干个加热棒，并且凹槽下方还安装有用于测量温度的热电偶，加热棒通过工控机接收热电偶的反馈信号实现闭环控制进而对放置于上述凹槽内的待焊接工件进行精确预热。
[0011]作为本发明进一步地改进，所述的绝热槽采用耐高温玻纤板，所述的加热座采用导热性较好的铜材。
[0012]作为本发明进一步地改进，所述的激光焊接模块包括振镜头、光纤和激光器，所述的振镜头通过光纤与激光器连接进而实现对焊接扫描轨迹的控制，所述的振镜头通过支架支撑于工作台底座。
[0013]作为本发明进一步地改进，所述的透光板为耐高温透明玻璃板。
[0014]作为本发明进一步地改进，还包括压板，所述的压板设置于加热模块上方，用于压紧加热模块上的待焊接工件。
[0015]本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的方法，包括如下步骤:
[0016]I)用丙酮清洗待焊接的铝合金板和钢板工件进行去除油污，并用机械或化学方法去除铝合金板表面氧化膜；
[0017]2)经步骤一处理的铝合金板和钢板工件呈上下布置，并在铝合金板和钢板工件之间的焊道上设置中间过渡层；
[0018]3)经步骤二处理后的待焊接工件装夹在加热模块中并通过三维工作台移入密封腔；
[0019]4)向密封腔中注入惰性保护气体，并通过工控机控制加热模块对密封腔内的待焊接工件进行快速精确预热；
[0020]5)通过激光焊接模块的振镜头控制焊接扫描轨迹，利用高功率脉冲或连续激光对经步骤四处理后的待焊接工件进行激光焊接；
[0021]6)关闭加热模块，打开密封腔，移出焊接好的工件并冷却。
[0022]作为本发明进一步地改进，所述的中间过渡层采用厚度为5-20 μπι的铜箔。
[0023]作为本发明进一步地改进，所述的待焊接的铝合金板和钢板工件呈上下布置时采用铝合金板在上、钢板在下的搭接方式。
[0024]3.有益效果
[0025]采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果:
[0026](I)本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置，利用加热模块对待焊接工件进行快速精确预热，一方面可以减小工件的刚度即降低焊接头的拘束应力从而有效控制焊接冷裂纹的生成，另一方面能够增加焊接熔池的存在时间，有利于焊接过程中生成的气体的上浮排出，进而有效避免气孔的形成；
[0027](2)本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置，振镜头通过光纤与激光器连接进而实现对焊接扫描轨迹的控制，该结构中通过振镜头控制焊接扫描轨迹，可以进一步提尚焊接效率；
[0028](3)本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置，在充满惰性气体如氮气的密封腔中进行焊接操作，可以有效避免焊接件表面的氧化现象；
[0029](4)本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的方法，在铝合金板和钢板之间设置了一层中间过渡层，中间过渡层为铜箔，能够与待焊接工件材料相结合形成新的三元相代替现有技术中两种母材之间生成的二元脆性相即采用化学反应的机制阻止诱导裂纹的脆性相化合物的产生。
【附图说明】
[0030]图1本发明的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置的结构示意图。[0031 ] 不意图中的标号说明:
[0032]1、工作台底座；2、透光板；3、振镜头；4、激光束；5、光纤；6、激光器；7、密封腔；8、压板；9、工控机；10、绝热槽；11、加热座；12、加热棒；13、铝合金板；14、中间过渡层；15、钢板；16、热电偶；17、三维工作台。
【具体实施方式】
[0033]为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0034]实施例
[0035]结合图1，本实施例的一种消除铝钢异种金属激光焊接裂纹和气孔的装置，包括工作台底座1、加热模块、激光焊接模块、三维工作台17、密封腔7和工控机9，三维工作台17和密封腔7均安装于工作台底座1，且三维工作台17能够移入或移出密封腔7，具体在，密封腔7侧面设有可开合的门板，需要放置待焊接工件时，打开门板，控制三维工作台17从该密封腔7中移出；放置完成后，控制三维工作台17移入该密封腔7中，然后闭合门板使密封腔7内部形成密封空间。密封腔7在激光焊接时会被注入惰性气体，加热模块放置于三维工作台17上，