基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工工程領域，特別涉及一種基于電磁式激振器的高頻微振激光 焊接工藝。
【背景技術】
[0002] 激光焊是以高功率密度激光束作為熱源進行焊接的一種高能束焊接方法。其原理 是將聚焦后的激光束照射到工件表面，與被焊金屬相互作用產(chǎn)生熱能，熔化后的金屬又經(jīng) 歷冷卻階段，焊料與焊件結晶后形成焊接。激光焊較之傳統(tǒng)焊接方法具有能量密度高、焊接 速度快、焊接熱影響區(qū)小、焊縫晶粒細小、接頭質量高等特點，故工程中被廣泛應用。
[0003] 振動焊接是由振動時效發(fā)展而來的一項技術。經(jīng)國內外學者的大量研宄和試驗， 證明了振動焊接除了能顯著降低焊件的殘余應力之外，還能改變焊縫組織并細化焊縫晶 粒、減小焊縫中氣孔與夾雜等缺陷以及提高焊件的疲勞壽命等。
[0004] 激光焊接優(yōu)點鮮明，但依然存在一定的焊縫氣孔、焊接殘余應力和焊接變形。又由 于激光焊接頭組織多為聯(lián)生柱狀樹枝晶，熔池兩側枝晶在熔池中心相遇時，其結合性能較 低；加之柱狀晶本身性能存在各向異性，致使焊縫綜合機械性能變差。反觀振動焊接，目前 國內外的相關研宄與應用主要集中在低頻條件，且主要應用于傳統(tǒng)弧焊方法中。
[0005] 目前圍繞振動焊接技術及工藝已形成以下專利：
[0006] 1.最佳振動焊接的方法和系統(tǒng)（專利公開號CN101898275A)，公開了一種在形成 組件中的振動焊接接頭期間使所述組件中的機械共振最小化的方法，在焊接接頭形成期間 控制信號的變化使機械振蕩的波形特性改變，從而使機械共振最小化。
[0007] 2.振動焊接技術（專利號：CN1943968)，公開了一種振動焊接技術的詳細操作方 法，使施焊操作方便、焊接效果好，焊接時可采用較大電流，以提高焊接速度及效率；它適用 于各類焊接構件。
[0008] 現(xiàn)有技術給出的上述方案相較于傳統(tǒng)焊接方法雖能起到明顯的細化焊縫晶粒、降 低焊縫殘余應力以及提高焊件疲勞壽命等優(yōu)點，但正如上述方案中所提及的，目前的振動 焊接主要是以偏心輪激振器的轉動來提供激振力。由于是依靠電機的驅動，故難以大幅提 高振動頻率；且偏心輪是以圓周方向轉動，其振動能量較為分散且方向不固定。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提供了一種基于電磁式激振器的高頻振動激光 焊接工藝，可大幅提尚振動頻率，并可改變振動方向。
[0010] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0011] 一種基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，包括以下步驟：
[0012] 將待焊工件通過夾具裝夾在工作平臺上；
[0013] 使用函數(shù)信號發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生控制信號；
[0014] 使用電磁式激振器根據(jù)控制信號產(chǎn)生機械振動，并將該機械振動傳遞到工作平 臺；
[0015] 大致確定待焊工件所需的振動頻率范圍，使用函數(shù)信號發(fā)生器在該振動頻率范圍 內進行掃頻，找到工作平臺、待焊工件和電磁式激振器的共振頻率；
[0016] 在待焊工件的共振狀態(tài)下，調整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓幅值以改變電磁式激 振器的輸出功率；同時，使用測振儀對待焊工件的振動加速度進行監(jiān)控，找到適合待焊工件 的振動加速度；
[0017] 在確定共振頻率和振動加速度后，再通過對待焊工件進行激光焊接試驗，確定待 焊工件所需的焊接工藝參數(shù)。
[0018] 其中，所述測振儀還同時對工作平臺的振動加速度進行監(jiān)控。
[0019] 其中，還包括通過調整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓幅值來對電磁式激振器的電壓 和電流進行控制。
[0020] 其中，所述待焊工件在裝夾后焊接前，先要進行打磨去除表面氧化層及污漬，然后 用丙酮清洗，自然風干。
[0021] 本發(fā)明的有益效果為：
[0022] 1)使用電磁式激振器代替現(xiàn)有的機械離心式激振器，從而大幅提高了振動頻率， 通過高頻振動更高效地破碎熔池中的柱狀樹枝晶，并通過振動攪拌熔池，降低熔池的溫度 梯度，進一步阻礙柱狀樹枝晶的生長，同時促進等軸晶的形成，達到細化晶粒，提高激光焊 接接頭的綜合性能的目的。
[0023] 2)相比于現(xiàn)有振動焊接相關專利中由于激振方向為二維圓周平面致使材料內部 殘余應力消除效果不甚理想之缺點，本發(fā)明可通過改變振動力的方向進一步消除材料內的 殘余應力。
[0024] 3)電磁式激振器的振動頻帶約為100Hz-1500Hz，較機械離心式激振器約為 7-lOOHz寬得多，同時激振頻率連續(xù)可調。因而，對于不同重量的待焊工件，電磁式激振器可 提供不同頻率的振動，而且可通過函數(shù)發(fā)生器和加速度傳感器進行簡單的掃頻測試，以找 出最佳的共振頻率。
[0025] 4)本發(fā)明采用電壓控制信號幅值和頻率，易于進行自動化控制來降低成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0027] 圖2為試樣編號1的光學顯微圖像。
[0028] 圖3為試樣編號2的光學顯微圖像。
[0029] 圖4為試樣編號3的光學顯微圖像。
[0030] 圖5為試樣編號1的掃描電鏡圖像。
[0031] 圖6為試樣編號2的掃描電鏡圖像。
[0032] 圖7為試樣編號3的掃描電鏡圖像。
[0033] 圖8為試樣編號1-3的顯微硬度，其中橫坐標為距焊縫中心線的距離，單位mm ;縱 坐標為顯微硬度，單位HV。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合具體實施例和附圖，進一步闡述本發(fā)明。
[0035] 本實施例在工作平臺上對170 (長）X 100 (寬）X 3 (厚）mm的316L奧氏體不銹鋼 板采用IPG YLS-5000高功率光纖激光器進行激光自熔焊，其具體操作按照圖1中所示的步 驟進行。
[0036] Sl :待焊工件的裝夾和表面處理
[0037] 將墊板和不銹鋼板剛性固定于工作平臺的正中央，墊板和不銹鋼板之間用鋼塊架 起隔開，以防不銹鋼板與墊板焊連。對不銹鋼板的表面用100#粗砂紙進行打磨，去除表面 氧化層及污漬，以防止焊接時熔池出現(xiàn)夾雜和氣孔，最后用丙酮清洗，自然風干。
[0038] S2 :搭建振動平臺并確定振動頻率和振動加速度
[0039] 使用函數(shù)信號發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生控制信號。其中，函數(shù)信號發(fā)生器可具體 采用Tekronix AFG3022B函數(shù)信號發(fā)生器；功率放大器需與電磁式激振器阻抗相匹配，可 具體采用GF-300W功率放大器。
[0040] 電磁式激振器根據(jù)控制信號產(chǎn)生機械振動，并將該機械振動傳遞到工作平臺。利 用函數(shù)信號發(fā)生器對電磁式激振器的電壓、電流和振動頻率進行監(jiān)控，同時使用測振儀對 工作平臺的振動加速度進行監(jiān)控。
[0041] 先大致確定待焊工件所需的振動頻率范圍，使用函數(shù)信號發(fā)生器在該振動頻率范 圍內進行掃頻，找到工作平臺、待焊工件和電磁式激振器的共振頻率。
[0042] 在待焊工件的共振狀態(tài)下，調整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓幅值，由于電磁式激 振器阻抗一定，故其輸入電流也隨之改變，即調整電磁式激振器的輸出功率；同時，使用測 振儀對待焊工件的振動加速度進行監(jiān)控，找到適合待焊工件的振動加速度。
[0043] 特別地，為保證電磁式激振器能較長時間工作而不至于燒壞電磁式激振器的激振 線圈和功率放大器，電磁式激振器的輸入電流不得大于15A。
[0044] S3 :確定焊接工藝參數(shù)
[0045] 對被焊工件進行激光功率、焊接速度及離焦量試驗，以確保焊透的同時焊縫成形 美觀且無塌陷等缺陷。通過多次試驗，確定焊接工藝參數(shù)。
[0046] 為突出高頻振動的特性，選取振動頻率f為OHz、702Hz和1467. 5Hz，如表1所示。
[0047] 表1試驗參數(shù)
[0048]
【主權項】
1. 一種基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，包括以下步驟： 將待焊工件通過夾具裝夾在工作平臺上； 使用函數(shù)信號發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生控制信號； 使用電磁式激振器根據(jù)控制信號產(chǎn)生機械振動，并將該機械振動傳遞到工作平臺； 大致確定待焊工件所需的振動頻率范圍，使用函數(shù)信號發(fā)生器在該振動頻率范圍內進 行掃頻，找到工作平臺、待焊工件和電磁式激振器的共振頻率； 在待焊工件的共振狀態(tài)下，調整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓幅值以改變電磁式激振器 的輸出功率；同時，使用測振儀對待焊工件的振動加速度進行監(jiān)控，找到適合待焊工件的振 動加速度； 在確定共振頻率和振動加速度后，再通過對待焊工件進行激光焊接試驗，確定待焊工 件所需的焊接工藝參數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，其特征在于， 所述測振儀還同時對工作平臺的振動加速度進行監(jiān)控。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，其特征在于， 還包括通過調整函數(shù)信號發(fā)生器的輸出電壓幅值來對電磁式激振器的電壓和電流進行控 制。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，其特征在于， 所述待焊工件在裝夾后焊接前，先要進行打磨去除表面氧化層及污漬，然后用丙酮清洗，自 然風干。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，屬于材料加工工程領域。一種基于電磁式激振器的高頻振動激光焊接工藝，包括以下步驟：將待焊工件通過夾具固定在工作平臺上；使用函數(shù)信號發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生控制信號；電磁式激振器根據(jù)控制信號產(chǎn)生機械振動，并將該機械振動傳遞到工作平臺；確定待焊工件的共振頻率和振動加速度；通過對待焊工件進行激光焊接試驗，確定待焊工件所需的焊接工藝參數(shù)。本發(fā)明可大幅提高振動頻率，可靈活改變激振方向，且采用電壓控制輸出幅值和頻率，易于進行自動化控制來降低成本。
【IPC分類】B23K26-70, B23K26-60, B23K26-21
【公開號】CN104827185
【申請?zhí)枴緾N201510254174
【發(fā)明人】盧慶華, 何曉峰, 彭必榮, 陳軒, 張靜
【申請人】上海工程技術大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月19日