一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置及方法

1.本发明涉及焊接和激光冲击强化领域，更具体的说，涉及一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置及方法。


背景技术：

2.所谓熔焊，是指焊接过程中，将焊接接头在高温等的作用下至熔化状态。由于被焊工件是紧密贴在一起的，在温度场、重力等的作用下，不加压力，两个工件熔化的融液会发生混合现象。待温度降低后，熔化部分凝结，两个工件就被牢固的焊在一起，完成焊接的方法。其包括tig、mig以及复合焊接等，其优点为：(1)设备简单，价格便宜，维护方便；(2)不需要辅助气体防护；(3)操作灵活，适应性强；(4)应用范围广，可以焊接工业应用中的大多数金属和合金，如低碳钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢、低温钢、铸铁、铜合金、镍合金等。此外，熔焊还可以进行异种金属的焊接、铸铁的补焊及各种金属材料的堆焊。其不足之处为：(1)依赖性强，熔焊的焊缝质量难以保障；(2)焊工劳动强度大，劳动条件差；(3)生产效率低。
3.激光冲击强化(laser shock peening，lsp)作为一种新型的表面改性技术，其主要利用高功率密度(gw
·
cm
‑
2量级)、短脉宽(ns量级)的激光束辐照材料表面,使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体受到隔离层的限制形成高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生均匀密集的位错结构。同时在成型区域产生有益的残余压应力，能够有效抵消工件因机械加工形成的有害拉应力，从而提高金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。
4.因此，尝试将熔焊技术与激光冲击强化技术相结合，以解决熔焊自身的技术缺陷，是本领域技术人员的一个重要研究方向。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置及方法，其具体技术方案如下：
6.一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置，包括装置工作台，还包括：
7.电弧焊接制造装置，电弧焊接制造装置包括焊接台、焊枪、弧焊电源、送丝机构、导电嘴、焊丝加热电源；焊件置于焊接台上，焊枪置于焊接台的上方，且与弧焊电源电性连接；由送丝机构导向送出的焊丝经过导电嘴预热后伸至焊件的焊接区，焊丝加热电源与导电嘴电性连接；
8.激光冲击强化装置，激光冲击强化装置包括激光发射装置、反光镜、聚焦透镜，激光发射装置发出的激光束由反光镜反射至聚焦透镜，激光束透过聚焦透镜射向焊件的焊接区；激光发射装置与直流脉冲电源电性连接；激光冲击强化装置与电弧焊接制造装置在工作过程中互不干扰；
9.传动机构，传动机构带动焊接台上的焊接件经过电弧焊接制造装置和激光冲击强化装置进行熔焊与激光冲击强化；传动机构包括设于焊接台底部的滚动滑轮、与滚动滑轮电性连接的驱动装置以及与滚动滑轮内部的电磁铁电性连接的传动机构支路电源；滚动滑轮置于铁质基板上，且在铁质基板上通过驱动装置实现滚动运行，通过传动机构支路电源与电磁铁通电，电磁铁与铁质基板在磁力作用下连接固定实现止停；铁质基板置于装置工作台上；
10.计算机控制系统，计算机控制系统分别与焊枪、送丝机构、导电嘴、激光发射装置、驱动装置、传动机构支路电源电性连接。
11.通过采用上述技术方案，本发明装置可以在焊接制造过程中对成型件焊接区进行逐层激光冲击强化，在热态下对每层或几层电弧熔焊熔覆区域进行激光冲击强化，消除焊接区内部的气孔、裂纹缺陷和调控焊接区的表面应力状态，从而达到改善整体焊接件性能的目的。本发明装置既可应用于普通板材焊接后的强化作业，特别地，又可应用于厚件的修复工作，进行多道焊(堆焊)，同时可进行分层强化，可根据不同焊丝尺寸、焊接材料，进行不同的原位逐层表面强化工艺。
12.本发明装置能够消除经熔焊焊接过程形成的焊缝产生的残余拉应力以及抑制焊缝缺陷对产品性能的影响，显著的降低了裂纹的倾向性，有效地解决了传统焊缝残余拉应力导致的疲劳性能下降问题，适用于制备高可靠性的焊接件。本装置应用场合：航空发动机高性能修复及延寿；航空关重构件制造及修复；核电、造船、高铁高性能制造及修复。
13.优选的，焊接台为可加热式焊接台，直流脉冲电源与焊接台电性连接，以实现对焊接台的预热，让焊件与焊接台之间的温差变小，确保焊件的加工处理效果。
14.优选的，焊枪上自带能够使其完成多自由度运动的机械手。只需通过焊枪自带机械手调整与工件距离完成焊接即可，根据实际加工情况进行设定。
15.优选的，聚焦透镜的安装方式为可拆卸式安装，以通过更换不同焦距长短的聚焦透镜实现光斑尺寸可调。
16.本发明一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置中，熔焊工作环境要求低，操作相对便捷，同时，电弧焊接制造装置不需要辅助气体防护，并且具有较强的抗风能力，操作灵活，应用范围广；通过激光发射装置和反光镜实现高能激光束的传递，激光发射装置产生的高能量密度激光束经反射镜反射作用后，再经聚焦透镜聚焦成毫米尺度光斑，继而作用在焊接件焊接区，从而完成激光冲击强化过程；激光束作为高能聚光束，光斑尺寸可调，可精准定位熔焊熔覆区域焊缝位置，从而实现精准强化加工。另外，电弧焊接制造装置、激光冲击强化装置以及传动机构共用同一计算机控制系统进行统一协调控制。
17.本发明装置中，焊接台与传动机构连接且置于铁质基板上，铁质基板置于装置工作台上，焊件完成焊接后，可直接通过传动机构，将热态下焊接件运输到激光冲击强化工位处进行作业，而电弧焊接制造装置可进行下一个工件的焊接作业，从而实现连续化作业，大大提高加工效率。
18.其中，传动机构的滚动滑轮内含电磁铁，在传动机构支路电源开关控制下，可实现与铁质基板固定连接与相对运动。电磁铁通电后产生磁场，可像磁铁一样吸附铁类物体。传动机构内有自有的单独电路，传动机构置于铁类材质基板上，焊接过程中，传动机构支路电源接通，电磁铁产生磁力且与基板实现固定连接；焊接完成后，电源断电，电磁铁磁力消失，
传动机构可通过滚动滑轮在基板上滚动运行；运至激光冲击强化工位处，传动机构支路电源再次通电，传动机构与基板因磁力作用连接固定，继而进行激光冲击强化。
19.一种熔焊与激光冲击强化复合制造的方法，包括针对普通薄件的熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法和针对厚件的多道熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，两种方法均以在焊件焊接制造过程中同时对焊接区表面进行激光冲击强化，即，使焊件在经电弧焊接作用的焊接区后，在热态下就进行激光冲击强化处理，实现对焊接件熔焊熔覆区域在一定温度范围内的激光冲击塑性变形，消除内部缺陷，调控表面残余应力。
20.优选的，针对普通薄件的熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，包括以下步骤：
21.1)、在焊接台上放好普通薄件需焊接工件，接通弧焊电源、焊丝加热电源以及直流脉冲电源，然后计算机控制系统控制驱动装置启动，使滚动滑轮带动焊件移动；当焊件移动至焊枪正下方后，计算机控制系统控制传动机构支路电源接通，滚动滑轮内的电磁铁与铁质基板磁吸固连，焊接台止停；
22.2)、采用电弧焊接制造装置对焊件进行熔焊；
23.3)、断开传动机构支路电源，驱动装置将刚焊接完处于热态下的成型件运输到激光冲击强化装置下的激光冲击强化工位，焊接台再次止停，计算机控制系统控制激光发射装置启动，对热态下的成型件进行激光冲击强化；
24.4)、在激光冲击强化装置对前一焊件进行冲击强化过程中，电弧焊接制造装置可同时对后一新的普通薄件需焊接工件进行焊接，以形成连续化作业。
25.以上方法实现了普通薄件焊接过程与冲击强化过程的连续化作业，从而提高了生产效率。在制造过程中，激光冲击强化装置与电弧焊接制造装置同步运作且互不干扰作业。
26.优选的，针对厚件的多道熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，包括以下步骤：
27.1)、在焊接台放好厚件需焊接工件，接通弧焊电源、焊丝加热电源以及直流脉冲电源，然后计算机控制系统控制驱动装置启动，使滚动滑轮带动焊件移动；当焊件移动至焊枪正下方后，计算机控制系统控制传动机构支路电源接通，滚动滑轮内的电磁铁与铁质基板磁吸固连，焊接台止停；
28.2)、采用电弧焊接制造装置对焊件进行熔焊；
29.3)、断开传动机构支路电源，驱动装置将刚焊接完处于热态下的成型件运输到激光冲击强化装置下的激光冲击强化工位，焊接台再次止停，计算机控制系统控制激光发射装置启动，对热态下的成型件进行激光冲击强化；
30.4)、断开传动机构支路电源，驱动装置将完成激光冲击强化的工件再次运输至焊枪正下方采用电弧焊接制造装置对焊件进行熔焊；
31.5)、重复上述步骤3)
‑
4)，直至完成焊件的整体焊接多层修复与强化。
32.本发明一种熔焊与激光冲击强化复合制造的方法，对熔焊成型构件熔焊熔覆区域进行逐层激光冲击表面强化，在热态下对每层或几层电弧熔焊熔覆区域进行激光冲击强化，消除焊接接头内部的气孔、裂纹缺陷和调控焊接区的表面应力状态，整个制造过程中无隔离层(水、玻璃等)和吸收层(铝箔、胶带等)。
33.优选的，焊件所选材料为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金合金体系。
34.优选的，采用电弧焊接制造装置对焊件进行熔焊的过程中，焊接的工艺参数包括焊接电压20
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80v、焊接电流140
‑
1000a、焊接速度10
‑
2000mm/min。
35.熔焊是指以电弧作为热源，利用空气放电的物理现象，将电能转换为焊接所需的热能和机械能，从而达到连接金属的目的。焊接的主要参数包括焊接电压、焊接电流、焊接速度。
36.优选的，采用激光冲击强化装置对焊件进行冲击强化的过程中，冲击强化的工艺参数包括单脉冲能量0.5
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50j、脉宽10
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20ns、重频0.1
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20hz、光斑直径0.5
‑
8mm；斑点类型：圆形、方形或长方形，其中，圆形的搭接率25
‑
80％，方形或长方形的搭接率10
‑
50％，激光发射装置冲击次数1
‑
5次。
37.本发明一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置及方法，相较于现有技术，具有以下优点：
38.(1)、本发明装置将熔焊制造技术和激光冲击强化技术相结合，装置结构设计合理，操作简单，适用性强，生产效率得到了提升。
39.(2)、本发明装置既可应用于普通板材焊接后强化作业，特别地，又可应用于厚件的修复工作，进行多道焊(堆焊)，同时可达到分层强化的目的，可根据不同焊丝尺寸、焊接材料，进行不同的原位逐层表面强化工艺。
40.(3)、本发明装置采用熔焊焊接制造方式，熔焊加工工作环境要求低、技术成熟、操作相对便捷、应用范围广，可通过焊接台的移动形成各种轨迹的焊缝，通过传动机构可将焊接件快速传送到下一工位，避免焊件长时间冷却造成的生产力降低问题。
41.(4)、本发明装置采用激光冲击强化方式，利用反光镜与聚焦透镜结合实现激光传递及聚焦成束，整个制造过程中无隔离层(水、玻璃等)和吸收层(铝箔、胶带等)，从而实现激光冲击强化过程。
42.(5)、本发明方法在热态下对焊件焊接区进行逐层激光冲击强化，抑制熔焊熔覆区域由于重熔及凝固不均匀产生的内部气孔、裂纹缺陷和调控焊接件的表面应力状态，有效缓解了焊接过程材料表面属性由于焊接区性能降低导致的焊接件整体性能下降、产生的拉伸残余应力导致的零件疲劳寿命降低、扭曲零件几何结构、材料中的裂纹生成等缺陷。
43.(6)、本发明方法在焊件热态下进行激光冲击强化，有效地解决了传统焊接件焊接区残余拉应力导致的疲劳性能下降，拉伸性能下降等问题，适用于制备高可靠性的焊接构件。
44.(7)、本发明方法强化阶段激光束作为高能聚光束，光斑尺寸小，可精准定位焊接区焊缝位置，从而实现精准加工。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
46.图1为本发明一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置的结构示意图。
47.图2为本发明针对普通薄件的熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法流程图。
48.图3为本发明针对厚件的多道熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法流程图。
49.图4为普通薄件的焊接、修复示意图。
50.图5为厚件的多道焊、多层修复示意图。
51.图中：1
‑
焊接台，2
‑
焊枪，3
‑
弧焊电源，4
‑
送丝机构，5
‑
导电嘴，6
‑
焊丝加热电源，7
‑
焊件，8
‑
激光发射装置，9
‑
反光镜，10
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聚焦透镜，11
‑
激光束，12
‑
直流脉冲电源，13
‑
滚动滑轮，14
‑
传动机构支路电源，15
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铁质基板，16
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装置工作台，17
‑
计算机控制系统，18
‑
焊料。
具体实施方式
52.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.本发明提供了一种熔焊与激光冲击强化复合制造的装置，参考图1，包括装置工作台16、电弧焊接制造装置、激光冲击强化装置、传动机构、计算机控制系统17，其中，
54.电弧焊接制造装置包括焊接台1、焊枪2、弧焊电源3、送丝机构4、导电嘴5、焊丝加热电源6；其中，焊枪2上自带能够使其完成多自由度运动的机械手，焊件7置于焊接台1上，焊枪2置于焊接台1的上方，且与弧焊电源3电性连接，以释放电弧；由送丝机构4导向送出的焊丝经过导电嘴5预热后伸至焊件7的焊接区，焊丝加热电源6与导电嘴5电性连接。焊丝加热电源6和弧焊电源3向下均接地，以安全用电。
55.激光冲击强化装置包括激光发射装置8、反光镜9、聚焦透镜10，聚焦透镜10的安装方式为可拆卸式安装，以使光斑尺寸可调；激光发射装置8发出的激光束11由反光镜9反射至聚焦透镜10，激光束11透过聚焦透镜10射向焊件7的焊接区；激光发射装置8与直流脉冲电源12电性连接；激光冲击强化装置与电弧焊接制造装置在工作过程中互不干扰。
56.传动机构带动焊接台1上的焊接件经过电弧焊接制造装置和激光冲击强化装置进行熔焊与激光冲击强化；传动机构包括设于焊接台1底部的滚动滑轮13、与滚动滑轮13电性连接的驱动装置以及与滚动滑轮13内部的电磁铁电性连接的传动机构支路电源14；滚动滑轮13置于铁质基板15上，且在铁质基板15上通过驱动装置实现滚动运行，通过传动机构支路电源14与电磁铁通电，电磁铁与铁质基板15在磁力作用下连接固定实现止停；铁质基板15置于装置工作台16上。
57.计算机控制系统17分别与焊枪2、送丝机构4、导电嘴5、激光发射装置8、驱动装置、传动机构支路电源14电性连接。
58.待焊件7置于焊接台1上，送丝机构4将焊丝伸入导电嘴5，导电嘴5与焊丝加热电源6协同作用，将预热下的焊丝导向于焊件7的焊接区，同时焊枪2产生电弧同步作用于熔融焊丝，完成焊接过程。焊接完成后，通过传动机构将焊件7移动到激光冲击强化装置下，激光发射装置8通过反光镜9及聚焦透镜10产生的激光束11作用在焊件7上完成表面强化过程。上述操作在铁质基板15上进行，并置于整个装置的工作台上。计算机控制系统17与上述电弧焊接制造装置、激光冲击强化装置、传动机构电性连接，从而进行设备的协调运作。
59.为了进一步优化上述技术方案，焊接台1为可加热式焊接台，直流脉冲电源12与焊接台1电性连接。
60.本发明还进一步提供了一种熔焊与激光冲击强化复合制造的方法，其具体包括针对普通薄件的熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法和针对厚件的多道熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，两种方法均可使焊件7在经电弧焊接作用的焊接区后，在热态下就进行激光冲击强化处理。
61.普通薄件：如图4所示，薄板材，中间区域需要焊接完成连接或修复，单层焊接即可完成，进而冲击强化，焊接条件无特殊要求。
62.厚件：如图5所示，即单层焊丝无法完成焊接或修复工作，需进行多层电弧焊丝沉积完成焊接修复过程，其中每次可进行2
‑
5层，即可进行激光冲击强化；然后再进行焊丝沉积再强化，以此循环往复完成焊接过程，即可进行分层强化，保证焊件7完整性同时强化性能。
63.以上两种形式(普通薄件与厚件)的焊接工具与条件无异，本发明装置都可完成。只需通过焊枪2自带机械手调整与工件距离完成焊料18焊接即可，根据实际加工情况进行设定。
64.针对普通薄件的熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，如图2所示，包括以下步骤：
65.1)、在焊接台1上放好普通薄件需焊接工件，接通弧焊电源3、焊丝加热电源6以及直流脉冲电源12，然后计算机控制系统17控制驱动装置启动，使滚动滑轮13带动焊件7移动；当焊件7移动至焊枪2正下方后，计算机控制系统17控制传动机构支路电源14接通，滚动滑轮13内的电磁铁与铁质基板15磁吸固连，焊接台1止停；
66.2)、采用电弧焊接制造装置对焊件7进行熔焊；
67.3)、断开传动机构支路电源14，驱动装置将刚焊接完处于热态下的成型件运输到激光冲击强化装置下的激光冲击强化工位，焊接台1再次止停，计算机控制系统17控制激光发射装置8启动，对热态下的成型件进行激光冲击强化；
68.4)、在激光冲击强化装置对前一焊件7进行冲击强化过程中，电弧焊接制造装置可同时对后一新的普通薄件需焊接工件进行焊接，以形成连续化作业。
69.针对厚件的多道熔焊与激光冲击强化复合制造或修复方法，如图3所示，包括以下步骤：
70.1)、在焊接台1放好厚件需焊接工件，接通弧焊电源3、焊丝加热电源6以及直流脉冲电源12，然后计算机控制系统17控制驱动装置启动，使滚动滑轮13带动焊件7移动；当焊件7移动至焊枪2正下方后，计算机控制系统17控制传动机构支路电源14接通，滚动滑轮13内的电磁铁与铁质基板15磁吸固连，焊接台1止停；
71.2)、采用电弧焊接制造装置对焊件7进行熔焊；
72.3)、断开传动机构支路电源14，驱动装置将刚焊接完处于热态下的成型件运输到激光冲击强化装置下的激光冲击强化工位，焊接台1再次止停，计算机控制系统17控制激光发射装置8启动，对热态下的成型件进行激光冲击强化；
73.4)、断开传动机构支路电源14，驱动装置将完成激光冲击强化的工件再次运输至焊枪2正下方采用电弧焊接制造装置对焊件7进行熔焊；
74.5)、重复上述步骤3)
‑
4)，直至完成焊件7的整体焊接多层修复与强化。
75.在上述方法中，焊件7所选材料为高强钢、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金合金
体系
76.在上述方法中，采用电弧焊接制造装置对焊件7进行熔焊的过程中，焊接的工艺参数包括焊接电压20
‑
80v、焊接电流140
‑
1000a、焊接速度10
‑
2000mm/min。
77.在上述方法中，采用激光冲击强化装置对焊件7进行冲击强化的过程中，冲击强化的工艺参数包括单脉冲能量0.5
‑
50j、脉宽10
‑
20ns、重频0.1
‑
20hz、光斑直径0.5
‑
8mm；斑点类型：圆形、方形或长方形，其中圆形的搭接率25
‑
80％，方形或长方形的搭接率10
‑
50％，激光发射装置8冲击次数1
‑
5次。
78.实施例：
79.本实施例材料采用奥氏体不锈钢316l与incoloy825镍基高温合金异种板材，焊丝采用直径为1.6mm的tc17钛合金焊丝。其板材尺寸同为120mm*150mm*100mm，固定后对试样进行机械打磨和丙酮清洗，准备工作完成后，具体实施步骤如下：
80.1)打开整体装置电源及计算机控制系统17，对各设备连接与运行进行检测，确保能正常操作，设定电弧焊接制造工艺参数和激光冲击强化工艺参数；
81.2)通过电弧焊接制造装置实现焊接过程，其中电弧焊的主要工艺参数为：焊接加速电压为60v，焊接流为500a，焊接速度为200mm/min；
82.3)焊接1
‑
3层，电弧焊接制造装置中断，传动机构将焊件7运送到激光冲击强化工位下；
83.4)激光冲击强化装置运行，对焊件7焊接区进行表面激光冲击强化；其中激光冲击强化的主要工艺参数为：单脉冲激光能量10j,光斑直径2mm,脉宽15ns,重频10hz，斑点类型：圆形、搭接率50％,冲击次数2次；
84.5)中断激光冲击强化装置；
85.6)重复步骤2)
‑
5)，直至完成整体焊接多层修复与强化；
86.7)获得最终修复强化件，关闭电源，进行除尘工作。
87.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。