专利名称：一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法
技术领域：
本发明涉及激光焊接技术领域，更具体地，本发明涉及一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法。
背景技术：
涡轮盘与转轴的装配固定是涡轮增压器生产中的一项关键工序，对提高涡轮增压器的产品质量以及降低涡轮增压器的产品成本起着重要作用。目前，普遍采用摩擦焊接方法将涡轮盘固定在转轴的端部。使用摩
擦焊接方法，转轴材料的利用率大约仅为35%;另夕卜，在摩擦焊接过程中，通常转轴的焊接端面中心线速度不一致，溶解温度不均，机械强度不均；而且，摩擦焊接方法需要做焊接应力处理，由于涡轮盘与转轴偏差较大，需要轴的预留加工余量大，同时机加工余量大，导致较大的机加应力，影响轴的稳定性；进一步，涡轮叶片因为焊接应力造成叶片表面氧化，颜色发生变化，需要做二次刨丸处理。除了摩擦焊接方法，还可以使用电子束焊接方法进行涡轮盘和转轴的焊接，但是，使用电子束焊接需要真空室的环境和并且需要产生x射线，工业应用造价昂贵，工艺要求严格。
发明内容
为克服现有涡轮盘与转轴的装配中的焊接效果差、工艺要求严格的 缺陷，本发明提出了一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种激光焊接涡轮盘和转轴 的方法，使用包括机器人本体、激光焊接头、旋转工作台和控制装置的
激光焊接系统进行焊接，所述方法包括
步骤IO)、在涡轮盘非焊接一端加工顶尖孔，并且将涡轮盘和转轴装 夹在所述激光焊接系统的旋转工作台；
步骤20)、控制机器人本体与其负载的激光焊接头，并且控制所述旋 转工作台，对所述涡轮盘和转轴进行焊接；
步骤30)、焊接i^^LC阶段，提高焊接速度完成所述涡轮盘和转轴 剩余部分的焊接。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种激光焊接涡轮盘和转轴 的方法，其中，所述步骤30)进一步包括焊接i^v收尾阶段，提高焊 接速度的同时降低激光功率，完成所述涡轮盘和转轴剩余部分的焊接。
其中，步骤10)进一步包括在所述涡轮盘和转轴的待焊接端面分 别预加工形成孔，孔深分别为l-2mm,所述涡轮盘和转轴的待焊接端面中 的孔正对密合。
其中，步骤10)还包括将所述转轴通过旋转工作台的夹具夹置于 旋转工作台上，并使所述转轴轴心保持水平，所述旋转工作台的顶尖正 对所述顶尖孔将涡轮盘顶紧，与转轴密合，并保持所述涡轮盘和转轴中 心对齐。其中，步骤20)进一步包括焊接过程中，所述旋转工作台带动所 述夹具旋转，为所述涡轮盘和转轴提供顺时针或者逆时针的水平旋转运 动。
其中，所述机器人本体为5自由度框架式机器人。
其中，所述机器人可以沿水平方向左右移动、也可以沿垂直方向上 下移动，并且所述机器人具有绕水平方向和垂直方向转动的机械臂。
其中，步骤20)还包括所述机器人本体带动所述激光焊接头移动 到焊接开始的位置。
其中，所述激光焊接头移动到焊接开始的位置时，所述激光焊接头 偏转一定角度，防止涡轮叶片对光束的阻碍。
其中，步骤20)还包括所述旋转工作台带动所述涡轮盘和转轴转 动，达到匀速后，所述激光焊接头射出激光。
其中，步骤20)还包括，当所述机械臂旋转达到匀速后，所述激光 焊接头射出激光。
其中，步骤20)还包括在对所述涡轮盘和转轴进行连续焊接之前， 对所述涡轮盘和转轴进行点焊，进一步固定所述涡轮盘和转轴。
其中，步骤30)中，提高焊接速度的时刻可以是ii^以闭合曲线重 心为圆心、离闭合曲线焊缝的闭合处角度为正负30度的范围后的任一时 刻。
其中，步骤30)中，根据所述涡轮盘和转轴的属性和焊缝深度确定
焊接速度提高的数值， 一般地，焊接速度提高l倍以上。
其中，步骤10)进一步包括在涡轮盘和转轴装夹在焊接系统的旋转工作台之前，对所述涡轮盘和转轴焊接端面进行清洗，去除油污与金 属锈迹。
其中，所述降低激光功率包括突然降低激光功率到某一固定值或者 线形降低激光功率到某一 固定值。
其中，根据所述涡轮盘和转轴的属性和所述闭合曲线的焊缝深度确
定所述固定值，通常情况下，所述固定值为原激光功率的2/3以下。
通过应用本发明，克服现有涡轮盘与转轴制造中的焊接效果差、工 序复杂、工艺要求严格的缺陷，筒化了涡轮盘和转轴的装配工序，优化 了涡轮盘和转轴的成型效果，焊接过程易于控制。
图1为才艮据本发明的激光焊接系统组成结构图2为一种涡轮盘和转轴的结构示意图3为根据本发明的激光焊接涡轮盘和转轴的方法流程图4为根据本发明的实施例1中的激光焊接涡轮^盘和转轴的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的一种激光焊接涡轮盘 和转轴的方法作进一步说明。
涡轮盘与转轴的装配固定是涡轮增压器生产中的关键工序，对提高 涡轮增压器的产品质量及降低产品成本起着重要作用。现有技术中，通 常采用摩擦焊接方法和电子束焊接方法，但是，使用摩擦焊接方法焊接；使用电子束焊接需要真空室的环境和产生x射 线，工业应用造价昂贵，工艺要求严格。
而激光焊接具有聚焦光斑功率密度高、热输入量低、焊缝窄、热影 响区小、焊接变形小、速度快等优点，且不需要真空室和产生x射线， 可以很好的应用在涡轮盘和转轴的焊接装配过程中。
在根据本发明的实施例中，图1示出用于焊接涡轮盘和转轴的激光 焊接系统，包括机器人本体l、激光焊接头2、旋转工作台3、机器人 控制根4、控制装置5、激光器6、激光冷却装置7。其中，激光焊接头 与激光器形成光路连接，激光通过激光器传输到激光焊接头，从激光焊 接头输出进行焊接；机器人本体带有电机，机器人本体用于承载所述激 光焊接头；旋转工作台包括夹具、顶尖和电机，可以夹持待焊接零件和 提供旋转运动；控制装置协调控制激光器、机器人本体和旋转工作台。 机器人通过机器人本体的电机带动可以沿水平方向左右移动、沿垂直方 向上下移动，并且机器人具有绕水平方向和垂直方向转动的机械臂。旋 转工作台的夹具用于夹持转轴，夹具将转轴固定并使转轴焊缝轴线保持 水平，旋转工作台上的顶尖用于将涡轮盘顶紧与转轴连接，夹具和旋转 工作台的电机相连，旋转工作台的电机在控制装置的控制下带动夹具旋 转，为焊接提供顺时针或者逆时针的水平旋转运动。
图2为一种涡轮盘和转轴的结构示意图，如图所示，待焊接两部件 为涡轮盘8和转轴12，焊接前，首先在涡轮盘焊接端面中心部位形成孔 10，与之对应，转轴焊接端面的中心部位也形成相应的孔ll，孔10和孔 11大d、一致，并且正对密合，两孔的深度都为l-2咖；涡轮盘8和转轴12通过焊缝13连接在一起；另外焊接前，需要在涡轮盘非焊接一端加工 一个顶尖孔9，用于涡轮盘的固定。
图3为根据本发明的实施例的激光焊接涡轮盘和转轴的方法流程图， 如图所示，首先对涡轮盘8和转轴12毛坯的待焊接端面进行预加工，形 成孔10和11，两孔可以正对密合，孔深分别为l-2mm，将待焊接端面加 工光滑，在涡轮盘的非焊接一端加工一个顶尖孔。
然后，对焊接涡轮盘8和转轴12进行清洗，涡轮盘材料为K418，转 轴材料为42CrMo，将涡轮盘8和转轴12分别it^氢氧化钠饱和碱溶液中 进行碱洗，时间15分钟，去除待焊零件表面的油污；碱洗完成后，用清 水沖干净，将涡4^盘8和转轴12进行酸洗，酸洗液配比为氢氟酸2-4%、硝酸13~16%和水，酸洗时间15分钟，去除待焊件表面的金属锈迹， 酸洗后用清水冲干净并烘干。清洗工作并不是焊接本实施例的方法的必 须步骤，但是经过清洗的涡轮盘和转轴，焊接光滑度等效果要明显优于 未清洗的涡轮盘和转轴。
焊前清理工作完成后，将转轴12通过旋转工作台3的夹具15固定 夹置于旋转工作台上，并使转轴轴心保持水平，旋转工作台3的顶尖14 正对顶尖孔9将涡轮盘8顶紧，与转轴密合，并保持涡轮盘8和转轴12 中心对齐，如图4所示，图4中标号为13的粗实线为待焊接涡轮盘8和 转轴12连接处的焊缝，焊接轨迹直径为40mm,深度为5mm，激光加工头2 置于待焊接焊缝13之上。
开始焊接，依次打开焊接系统的循环水、气阀、激光器电源、机器 人电源和旋转工作台电源，对系统中的现场总线和控制器等设备进行初始化、对机器人复位；进而对焊接系统进行诊断，通过各设备反馈的信 息来判断系统各部分是否可以正常工作，若系统不正常，则报错，返回。 确认系统正常后运行焊接控制，控制激光器、机器人和旋转工作台的先 后或同步动作来完成焊接加工。
控制装置5控制机器人1带动激光焊接头移动到焊接开始的位置， 使激光焊接头偏转一定角度，防止涡轮叶片对光束的阻碍，在本实施例 中，控制机器人使激光焊接头偏转12度，如图4所示，机器人到位后， 反馈到位信号给控制装置5。然后，激光器射出脉沖激光进行点焊，脉冲 激光功率为700W,脉宽为100ms，然后，控制装置5控制旋转工作台中 的电机转动，电机与旋转工作台3上的夹具15相连，通过夹具15带动 转轴和涡轮盘转动，旋转工作台转90度后停止，然后激光器射出脉冲激 光进行点焊，脉冲激光功率为700W,脉宽为100ms,如此每隔90度点焊 1下，在焊接轨迹上共点焊4个点。点焊的目的是进一步固定涡轮盘和转 轴，防止焊接时涡轮^盘和转轴发生相对移动，也可以进行一个点或者多 个点的点焊。
点焊结束后，控制装置5控制旋转工作台中的电机转动，电机与旋 转工作台3上的夹具15相连，通过夹具15带动转轴和涡轮盘转动，转 动达到匀速后反馈速度到达信号给控制装置5，控制装置5控制激光器6 启动开始出激光。控制装置5通过接收旋转工作台3和激光器6的反馈 信息并向二者发ilU目应运动命令，协调控制旋转工作台3和激光器6进 行加工，调整合适的焊接工艺参数，包括焊接速度、激光功率、保护气 流量、离焦量，焊接开始后，旋转工作台以8mm/s的速度带动转轴和涡轮盘做旋转运动，同时激光器射出激光，激光功率为3000W，旋转工作台 转到M阶段(以闭合曲线重心为圆心、离闭合曲线焊缝的闭合处角度 为正负30度的范围)时，改变焊接速度为20mm/s，激光功率为1200W, 完成剩余部分的焊接。速度提高的数值根据焊接材料的属性和焊接曲线 的属性确定，根据经验值，如果焊接材料的导热性高，则速度可以提高 更高些，焊缝深度更深，则速度提高较小一些， 一般情况下，焊接速度 需要提高一倍以上，持续时间为从提高焊接速度时刻起到焊接结束。提 高焊接速度的时刻，可以在焊接收尾阶段的任一时刻，优选地，在未进 入离焊缝曲线闭合处角度为正负2度范围之内的时刻，但当焊接材料的 直径很大，则角度范围可以取i^离焊缝曲线闭合处角度为正负2度范 围之内。完成焊接后，停旋转工作台并且关闭激光器。
另外，当激光焊接i^u)^C阶段后，也可以在提高焊接速度的同时， 降低激光功率为某一固定值，根据经验值，所述固定值与焊接材料的属 性和焊缝深度有关，焊接材料的导热性高，功率降低的高多一些，焊缝 深度大，功率提高的少一些， 一般情况下，需要降为原功率的2/3以下， 或者可以在提高焊接速度的同时，线形降低激光功率，线形降低功率的 斜率由以原焊接功率为起点、设定的固定值为终点的直线段确定。釆用 提高焊接速度的同时降低激光功率的方法，和仅提高焊接速度的方法相 比，所提高的速度可以相对较小，实现上更容易，并且焊接效果更为良 好，焊接曲线更为平滑。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对 其限制，并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范 围内。
权利要求
1、一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法，使用包括机器人本体、激光焊接头、旋转工作台和控制装置的激光焊接系统进行焊接，所述方法包括步骤10)、在涡轮盘非焊接一端加工顶尖孔，并且将涡轮盘和转轴装夹在所述激光焊接系统的旋转工作台；步骤20)、控制机器人本体与其负载的激光焊接头，并且控制所述旋转工作台，对所述涡轮盘和转轴进行焊接；步骤30)、焊接进入收尾阶段，提高焊接速度完成所述涡轮盘和转轴剩余部分的焊接。
2、 权利要求l的方法，其中，步骤30)进一步包括焊接进入收尾 阶段，提高焊接速度的同时降低激光功率，完成所述涡轮盘和转轴剩余 部分的焊接。
3、 权利要求1或2的方法，其中，步骤10)进一步包括在所述涡 轮盘和转轴的待焊接端面分别预加工形成孔，孔深分别为l-2mm，所述涡 轮盘和转轴的待焊接端面中的孔正对密合。
4、 权利要求1或2的方法，其中，步骤10)还包括将所述转轴通 过旋转工作台的夹具夹置于旋转工作台上，并使所述转轴轴心保持7jc平， 所述旋转工作台的顶尖正对所述顶尖孔将涡轮盘顶紧，与转轴密合，并 保持所述涡轮盘和转轴中心对齐。
5、 权利要求1或2的方法，其中，步骤20)进一步包括焊接过程中，所述旋转工作台带动所述夹具旋转，为所述涡轮盘和转轴提供顺时 针或者逆时针的水平旋转运动。
6、 权利要求l的方法，其中，所述机器人本体为5自由度框架式机 器人。
7、 权利要求6的方法，其中，所述机器人可以沿水平方向左右移动、 也可以沿垂直方向上下移动，并且所述机器人具有绕水平方向和垂直方 向转动的机械臂。
8、 权利要求1或2的方法，其中，步骤20)还包括所述机器人本 体带动所述激光焊接头移动到焊接开始的位置。
9、 权利要求8的方法，其中，所述激光焊接头移动到焊接开始的位 置时，所述激光焊接头偏转一定角度，防止涡轮叶片对光束的阻碍。
10、 权利要求1或2的方法，其中，步骤20)还包括所述旋转工 作台带动所述涡轮盘和转轴转动，达到匀速后，所述激光焊接头射出激 光。
11、 权利要求7的方法，其中，步骤20)还包括，当所述机械臂旋 转达到勻速后，所述激光焊接头射出激光。
12、 权利要求1或2的方法，其中，步骤20)还包括在对所述涡 轮盘和转轴进行连续焊接之前，对所述涡轮盘和转轴进行点焊，进一步 固定所述涡轮盘和转轴，
13、 权利要求1或2的方法，其中，步骤30)中，提高焊接速度的 时刻可以是iivV以闭合曲线重心为圆心、离闭合曲线焊缝的闭合处角度 为正负30度的范围后的任一时刻。
14、 权利要求1或2的方法，其中，步骤30)中，根据所述涡轮盘和转轴的属性和焊缝深度确定焊接速度提高的数值， 一般地，焊接速度 提高1倍以上。
15、 权利要求l的方法，其中，步骤10)进一步包括在涡轮盘和 转轴装夹在焊接系统的旋转工作台之前，对所述涡轮盘和转轴焊接端面 进行清洗，去除油污与金属锈迹。
16、 权利要求2的方法，其中，所述降低激光功率包括突然降低激 光功率到某一 固定值或者线形降低激光功率到某一 固定值。
17、 权利要求16的方法，其中，根据所述涡轮盘和转轴的属性和所 述闭合曲线的焊缝深度确定所述固定值，通常情况下，所述固定值为原 激光功率的2/3以下。
全文摘要
本发明公开了一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法，在涡轮盘非焊接一端中心处加工一个顶尖孔，将涡轮盘和转轴装夹在焊接系统的旋转工作台上；控制机器人移动到待焊接位置，使激光焊接头偏转一定角度，先对涡轮盘和转轴进行点焊，用于进一步固定涡轮盘和转轴，然后对涡轮盘和转轴进行稳定焊接；焊接进入收尾阶段，提高焊接速度，或者同时降低激光功率，完成涡轮盘和转轴剩余部分的焊接。通过应用本发明，克服现有涡轮盘与转轴制造中的焊接效果差、工序复杂、工艺要求严格的缺陷，简化了涡轮盘和转轴制造的步骤，优化了涡轮盘和转轴的成型效果，焊接过程易于控制。
文档编号B23K26/20GK101480760SQ20081005587
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者何秀丽, 宁伟健, 宋宏伟, 王恒海, 王立新, 钢 虞, 郑彩云 申请人:中国科学院力学研究所