激光-高频感应复合焊接装置及其方法 【技术领域】
本发明涉及到使用激光和高频感应两种热源相结合进行焊接的装置及其焊接方法。
背景技术
激光焊接具有焊接速度高、焊缝深宽比大、热影响区小、变形小、易于自动化等特点，在工业，尤其在汽车、冶金、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。然而在激光焊接技术被广泛应用的同时，也有一定的局限性：许多金属材料对激光的反射率高、吸收率小，能量利用率低；激光对母材的作用时间短，熔融金属凝固速度很快，尤其在高深宽比焊缝或非穿透焊接时，焊缝中的金属蒸气和吸入的环境气体不易全部逸出，结果往往形成气孔或空洞；激光焊接热输入量比常规方法小得多，焊缝金属的冷却速度很快，因而对于中高碳钢或高合金等材料，焊缝及焊接热影响区极易出现马氏体淬硬组织，使焊接接头综合性能恶化并容易产生裂纹。
上述缺点在一定程度上限制了激光焊接技术更为广泛地应用，解决上述问题的方法之一就是在激光焊接过程中辅以高频感应热源。高频电磁感应是一种依赖于工件内部产生的涡流电阻热进行加热的方法，加热速度快，与激光一样属非接触性环保型加热，但单独使用感应焊接由于集肤效应一般只适应于薄壁管材环缝或纵缝对接。
在国外实际生产中已有人将高频感应与激光两种热源共同使用进行不锈钢管焊接，即在激光焊接之前用高频感应对被焊管材整段预热，虽然起到了改善接头熔透性和提高速度的效果，但该装置仅将高频感应作为预热用，加热区域不仅包括焊缝区域，还包括远离焊缝的母材，热输入量大必将使焊接热影响区扩大，并可能对母材有一定的不良影响；对预热温度未能实现实时监控，一旦工艺条件改变(如感应加热线圈与工件的距离)，焊接组织和性能必将发生改变，工艺地稳定性和重复性较差；并且该装置仅能在焊管直线移动且焊接头(包括激光头和感应加热线圈)固定的条件下焊接管材，不适用实际生产中大量使用的平板焊接，更不可能用来焊接两维和三维焊缝。
【发明内容】
针对上述激光焊接的不足并进一步充分发挥激光焊接优势，本发明提供一种带有温度实时监控的激光-高频感应复合焊接装置与方法，同步用两种热源加热焊缝及邻近区域。
本发明的激光-高频感应复合焊接装置的主要部件包括(如图1或图2所示)与激光同步使用的高频感应加热线圈(7)、红外温度传感器(10)、激光焊接头(12)、高频感应电源(6)、以及实时温度监控模块(5)。感应加热线圈通过一齿轮(4)齿条(3)副与激光焊接头相集成，其中齿条固定于激光焊接头上，感应加热线圈与齿轮通过固定支座(13)固定在一起。红外温度传感器(10)通过一燕尾槽(11)装夹于激光焊接头上。这样，感应加热线圈(7)、红外温度传感器(10)、激光焊接头(12)三者集成在一起组成激光-高频感应复合焊接头。装在激光头上的感应加热线圈与高频电源采用电缆连接，其长度以满足焊接行程的需要为准。这种激光-高频感应复合焊接头可整体作直线、曲线甚至三维移动。上述的感应加热线圈采用紫铜方管结构，内通循环水冷却，平置于工件上表面上方，高度可通过齿轮(4)齿条(3)上下调节，使其与工件表面距离为1～3mm；感应加热线圈相对激光焊接头水平方向有两个安装位置：光束中心落在感应加热线圈内部(如图1)或光束中心落在感应加热线圈外部(如图2)。红外温度传感器与激光焊接头的相对距离通过一燕尾槽(11)可在5～35mm之间调节，其夹角通过传感器的装夹螺钉(14)可在15～75°之间调节。
高频感应电源采用全固态器件，使用最新数字锁相技术与谐振变频技术，取消电子管，采用集成电路及功率模块，实现频率自动跟踪。
利用本发明的激光-高频感应复合焊接装置，提供一种，将激光和高频感应两个热源集成于一体，可实现直线、曲线、三维焊接的同步移动加热焊缝及邻近区域并带有温度实时监控的激光-高频感应复合焊接方法。
本发明的焊接方法具体步骤如下：①根据工件形状和材料调整感应加热线圈与激光头的相对位置，当激光在感应加热线圈外部作用于工件时(如图2所示)，感应加热线圈内部装有高导磁材料铁氧体(15)；②调整红外温度传感器的角度和位置，使之对准被测区域，设定控制温度；③感应加热线圈与激光共同对工件进行加热，激光束作用于焊缝区，由于其高能量密度穿透能力强，可深入工件内部进行加热形成深熔焊。感应加热线圈对除了对焊缝区加热外，还对焊缝周围区域进行同步加热，相当于一个面热源。感应加热的热输入量大小由温度监控模块进行自适应调节，以确保焊接工艺的稳定性。感应加热能使工件达到的温度可在150℃～1500℃之间连续调节。
本发明的焊接装置还包括一套感应加热温度实时监控系统，根据实施方式和实际使用要求不同，红外温度传感器监控的区域亦不同，实时温度监控模块(5)的工作方法是：当感应加热线圈与激光共同作用于焊缝区时(如图1)，实时监控焊缝一侧附近区域温度；当感应加热线圈用作同步预热或后热时(如图2)，实时监控工件上激光作用区焊前或焊后的温度。将红外温度传感器获得的温度信号作为高频电源控制模块的输入量，实时调节感应电源的输出电流，以调整其热输入量，实现该区域温度的控制。感应电源的输出电流可在600～2000A之间无级调节。
本发明结合了激光和高频感应两种热源的优势，其主要优越性有：
(1)高频感应热源不仅直接参与母材的加热熔化，且使工件材料温度升高从而提高材料对激光的吸收率，有效利用了昂贵的激光能源，生产效率比普通激光焊接大大提高；
(2)可实现在较低激光功率下获得更大的熔深；
(3)局部感应加热还提高了焊缝周围区域温度，在不影响母材组织性能的前提下，减小了焊缝与周围区域的温度梯度，使凝固和随后的固态冷却过程变得缓慢，改善焊接后的微观组织，提高焊缝综合性能，减少或消除气孔和裂纹的生成，尤其是可改善高碳钢、高合金钢等难焊材料的焊接性；
(4)温度实时监控更能确保产品制造的稳定性和可靠性；
(5)可适用于直线、二维和三维焊缝的焊接。
【附图说明】
附图1：激光-高频感应复合焊接实施方案一示意图，图中：1激光聚焦镜，2激光束，3齿条，4齿轮，5实时温度监控模块，6高频感应电源，7感应加热线圈，8焊接工件，9焊缝，10红外温度传感器，11燕尾槽，12激光焊接头，13固定支座，14装夹螺钉。
附图2：激光-高频感应复合焊接实施方案二示意图，图中：1激光聚焦镜，2激光束，3齿条，4齿轮，5实时温度监控模块，6高频感应电源，7感应加热线圈，8焊接工件，9焊缝，10红外温度传感器，11燕尾槽，12激光焊接头，13固定支座，14装夹螺钉，15铁氧体。
【具体实施方式】
为了实现本发明所述的激光-高频感应复合焊接，首先需要一台固体YAG或CO2激光器及可传输激光的光路，以及一台高频感应加热设备。
下面结合具体实例说明激光-高频感应复合焊接实施方案。
方案一：如图1所示，感应加热线圈(7)与激光束(2)同步加热工件焊接区域，聚焦后的激光束(2)穿过感应加热线圈的中心作用于焊缝区形成深熔焊。感应线圈与工件上表面的距离为2mm，感应加热线圈的能量一部分直接加热熔合区形成焊缝(9)，另一部分用于加热焊缝(9)周围区域。红外温度传感器(10)与焊接头主轴夹角为35°，监测焊缝一侧感应圈附近工件温度，控制感应加热线圈对工件的热输入量保持在一个合适范围，在避免热影响区过热或损伤母材组织性能的前提下保证焊缝缓冷。实施方案一焊接2.5mm厚30CrMnSiA，感应电流1100A、感应加热温度控制在330℃，焊接熔深与相同工艺参数下无感应加热参与的激光焊接相比，熔深由2.1mm提高到2.5mm。
方案二：如图2所示，此方案中感应加热线圈(7)与激光束(2)错开一定位置，激光束落在感应加热线圈外部约3mm处，感应线圈与工件上表面的距离为3mm，根据焊接方向的不同，感应加热线圈为激光焊接提供同步预热或后热：当感应加热线圈置于焊接区前方时，感应加热线圈先于激光对待焊区进行加热，提供同步感应预热；当反方向焊接时，激光先于感应加热线圈对熔合区进行加热，感应加热线圈对焊缝提供同步后热，红外温度传感器(10)与焊接头主轴夹角为20°，实时监测熔合区焊前或焊后温度，以控制预热或后热温度。方案二特别有利于改善高碳钢、高合金钢等难焊材料的接头组织性能。实施方案二成功焊接了3mm厚T10工具钢板，感应电流1800A、感应加热温度控制在500℃。