本發明涉及激光焊接領域，更具體地說，涉及彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接方法和裝置。

背景技術：

焊接技術是材料連接的重要方式。焊接的工藝眾多，既有傳統的電阻焊和電弧焊接，也有新型的電子束焊、摩擦焊攪拌焊和激光焊。激光焊接具有工藝參數可控性好、焊接接頭深寬比大、焊縫熱影響區小、加工柔性高等優點。因此，近年來在微電子、汽車工業、航空航天業等行業逐步得到了應用。

伴隨著工程技術的發展，對具有特定功能性的材料的要求越來越高，異種材料連接逐漸進入工程應用領域。異種金屬焊接時，因為金屬的物化性質差異大，往往容易形成脆性的金屬化合物相，如果此脆性相的種類和厚度不能得到很好的控制，金屬間化合物層會嚴重削弱焊接接頭的力學性能，難以形成優質可靠的焊接接頭。專利號為cn201510241538.6一種調控鈦/鋁異種金屬攪拌摩擦焊接頭中脆性相的方法，其原理是通過添加鋅基中間層引入第三種合金元素，阻隔鈦/鋁原子的直接接觸，進而干擾ti-al系脆性相的生成。攪拌摩擦焊過程中很難保證鈦/鋁原子始終不接觸生成脆性相，過渡元素的引入會使得焊縫的耐腐蝕性能下降。專利號為cn201310694426.7異種金屬的閃光焊焊接方法，其采用閃光焊焊接工藝對異種金屬進行焊接，通過減少高熔點金屬需要熔化那部分的質量和大小或對高熔點金屬進行焊接前預熱，這樣使得進行閃光焊時熱量平均分配給待焊接的異種金屬也可使異種金屬同步達到熔融溫度。通過控制高熔點金屬的質量和大小往往受接頭形式的限制，實現成本較高；通過預熱的方法實現共同熔化，對工藝要求較高。

高熔點差異的異種金屬材料的焊接時，存在焊接溫度達到一種材料的沸點時，而另一種材料還未熔化，往往造成低熔點材料損失嚴重，出現焊縫塌陷和氣孔等缺陷。高熔點差異的異種金屬材料的焊接是一大技術難題。要想獲得優質可靠的異種金屬焊接接頭，就需要優良的焊縫組織和合適的金屬間化合物，才能保證焊接接頭的力學性能。控制焊縫組織和金屬間化合物的重要方式之一，就是控制焊接時，焊縫的熱輸入量、焊縫溫度和冷卻速度。但是異種金屬的物化性質差異大，難以實現兩種材料同時在合適的溫度下熔化和凝固，因此就需要有針對不同材料的焊縫熔池溫度差進行溫度補償，對焊縫區金屬的熔化及凝固過程進行干預，獲得性能優良的焊接接頭。

技術實現要素：

本發明的目的是針對異種金屬焊接過程中，由于異種金屬的物理特性差異，單一熱源輸入和冷卻環境使得異種金屬的焊縫組織不均勻，金屬金化合物的種類及厚度難以控制的不足，設計了彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接系統，根據異種金屬焊接時各自所需輸入的熱量和冷卻環境不同要求，精確控制焊接過程中異種金屬下部的冷卻墊板的溫度，進而干預焊縫區材料的熔化和凝固的溫度和速度，最終獲得性能優良的焊接接頭。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接裝置，包括激光焊接模塊、保護氣體模塊、三維運動控制平臺，其特征在于：還包括智能控溫工裝模塊、計算機實時監控模塊，所述的激光焊接模塊用于工件焊接提供熱源，所述的保護氣體模塊用于焊接時提供氣體保護，所述的智能控溫工裝模塊由兩個循環冷卻裝置，所述循環冷卻裝置包括高導熱墊板、導熱介質儲罐、壓力泵、電磁流量閥、第一電子流量計、壓力計、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第二電子流量計；所述高導熱墊板內設置有蛇形彎曲的流道，所述流道的進液口和出液口分別與導熱介質儲罐的出液口和進液口通過管道連通形成循環回路，所述導熱介質儲罐中裝有導熱介質，所述導熱介質儲罐出液口與流道的進液口之間的管道上依次設置有壓力泵、電磁流量閥、第一電子流量計、壓力計、第一溫度傳感器，所述流道的出液口與導熱介質儲罐進液口之間的管道上依次設置有第二溫度傳感器、第二電子流量計；

計算機實時監控模塊包括工控機及與工控機相連的紅外溫度傳感器，壓力泵、電磁流量閥、第一電子流量計、壓力計、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第二電子流量計均與所述工控機相連，所述工控機用于控制激光焊接模塊、保護氣體模塊、三維運動控制平臺的運行以及根據紅外溫度傳感器采集的焊接處的溫度、兩個循環冷卻裝置中第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所采集的導熱介質的溫度、第一電子流量計、第二電子流量計、壓力計檢測的流量計壓力值，通過壓力泵及電磁流量閥獨立監測和控制焊縫區兩側金屬的熔化和凝固的溫度。

進一步地，所述流道的出液口與導熱介質儲罐進液口之間的管道上還設置有過濾器。

進一步地，所述激光焊接模塊包括激光器和激光焊接頭，所述激光焊接接頭位于三維運動控制平臺上方；

所述保護氣體模塊包括依次連接的保護氣體氣瓶、節流閥、流量計、噴嘴，所述噴嘴位于三維運動控制平臺上方、激光焊接接頭的一側。

所述的彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接裝置的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)使用有機溶劑或清洗劑將待焊工件表面清洗干凈，機械去除表層氧化膜，將處理好的工件用酒精清洗并吹干，保證表面干燥；

2)將處理好的樣件分別放置在各自的焊接導熱墊板之上并使用工裝定位夾緊，保證樣件位置與墊板位置對應；

3)工件安裝好以后，啟動工控機控制系統中傳感器信息采集程序，同時開啟壓力泵、電磁流量閥使得導熱介質在焊接導熱墊板內流動；待墊板溫度調整到目標溫度時，向工控機控制系統發出反饋信號；

4)接收到反饋信息后，激光器、激光焊接頭、三維工作平臺協調動作，激光焊接過程中通過紅外溫度傳感器實時監測焊縫兩側溫度，工控機將實時監測焊縫溫度與系統設定溫度進行匹配并生成溫度調控指令，

5)工控機發指令控制電磁流量閥，分別實時調節導熱介質在焊縫背面導熱墊板內部流動的流量及流速，實現焊縫背面導熱墊板的溫度補償，從而分別獨立監測和控制控制焊縫的熔化和凝固時的溫度和速度，實現異種金屬在各自較優溫度環境下熔化和凝固，最終實現獲得性能可靠的焊接接頭。

進一步地，所述的焊接墊板的材料為導熱系數大于100w/(m·k)且熔點大于1000℃的材料。

進一步地，所述的導熱介質為導熱系數大于0.5w/(m·k)的流體。

本發明有益效果

1、對異種金屬焊縫熔池溫度差進行溫度補償，使得異種金屬材料可以實現精確溫度焊接，大大增強工藝穩定性。

2、所述的智能控溫工裝模塊，采用為雙流道，流道入口和出口處均安裝有溫度傳感器，兩個回路的流量、溫度獨立監測和控制，實現異種金屬材料焊接熔化及凝固過程的溫度可控，對焊縫組織及金屬間化合物的控制具有重要意義。

3、本發明的裝置自動化程度高，適用于大規模焊接實驗研究及工業應用。

附圖說明

圖1為本發明所述異種金屬焊縫組織可控的激光焊接裝置結構示意圖。

圖2為導熱墊板結構示意圖。

圖3為工件安裝示意圖。

圖中：

1-激光焊接頭，2-噴嘴，3-流量計，4-節流閥，5-保護氣體，6-溫度傳感器，7-壓力計，8-電子流量計，9-電磁流量閥，10-壓力泵，11-導熱介質儲罐，12-導熱介質，13-過濾器，14-電子流量計，15-高導熱墊板，16-溫度傳感器，17-工件，18-三維工作臺，19-高導熱墊板，20-溫度傳感器，21-電子流量計，22-過濾器，23-導熱介質儲罐，24-導熱介質，25-壓力泵，26-電磁流量閥，27-分線器，28-激光器，29-分線器，30-電子流量計，31-壓力計，32-工控機，33-溫度傳感器，34-紅外溫度傳感器，35-工件。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。

如圖1所示，本發明所述的彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接裝置，包括激光焊接模塊、保護氣體模塊、三維運動控制平臺、智能控溫工裝模塊、計算機實時監控模塊，所述的激光焊接模塊用于工件焊接提供熱源，所述的保護氣體模塊用于焊接時提供氣體保護。保護氣吹離等離子體，提高激光通過率，同時在焊縫區形成保護氣氛，避免焊接時產生氧化物。所述激光焊接模塊包括激光器和激光焊接頭，所述聚光焊接接頭位于三維運動控制平臺上方。所述保護氣體模塊包括依次連接的保護氣體氣瓶、節流閥、流量計、噴嘴，所述噴嘴位于三維運動控制平臺上方、聚光焊接接頭的一側。所述的智能控溫工裝模塊由兩個循環冷卻裝置，是具有雙流道的溫度循環系統，所述循環冷卻裝置包括高導熱墊板15、19、導熱介質儲罐11、23、壓力泵10、25、電磁流量閥9、26、第一電子流量計8、21、壓力計7、31、第一溫度傳感器6、33、第二溫度傳感器16、20、第二電子流量計14、31；如圖2所示，所述高導熱墊板15、19內設置有蛇形彎曲的流道，所述流道的進液口和出液口分別與導熱介質儲罐11、23的出液口和進液口通過管道連通形成循環回路，所述導熱介質儲罐11、23中裝有導熱介質12、14，所述導熱介質儲罐11、23出液口與流道的進液口之間的管道上依次設置有壓力泵10、25、電磁流量閥9、26、第一電子流量計8、21、壓力計7、31、第一溫度傳感器6、33，所述流道的出液口與導熱介質儲罐11、23進液口之間的管道上依次設置有第二溫度傳感器16、20、第二電子流量計14、31；所述流道的出液口與導熱介質儲罐11、23進液口之間的管道上還設置有過濾器13、22。

計算機實時監控模塊包括工控機及與工控機32相連的紅外溫度傳感器34，壓力泵10、25、電磁流量閥9、26、第一電子流量計8、21、壓力計7、31、第一溫度傳感器6、33、第二溫度傳感器16、20、第二電子流量計14、31均與所述工控機32相連，所述工控機32用于控制激光焊接模塊、保護氣體模塊、三維運動控制平臺的運行以及根據紅外溫度傳感器34采集的焊接處的溫度、兩個循環冷卻裝置中第一溫度傳感器6、33和第二溫度傳感器16、20所采集的導熱介質12、14的溫度、第一電子流量計8、21、第二電子流量計14、31、壓力計7、31檢測的流量計壓力值，通過壓力泵10、25及電磁流量閥9、26獨立監測和控制焊縫區兩側金屬的熔化和凝固的溫度。

導熱墊板15安裝在三維運動控制平臺上，用于焊接過程中控制焊縫區金屬的熔化和凝固的溫度和速度。儲罐中的導熱介質12在壓力泵10的作用下，通過管道依次經過電磁流量閥9、電子流量計8、壓力計7、溫度傳感器6采集數據，導熱介質12流過高導熱墊板15與其進行熱交換，導熱介質12流出高導熱墊板15后分別經過溫度傳感器16、電子流量計14和過濾器13，最終流回導熱介質儲罐11。所述的高導熱墊板15上開有供導熱介質流動12的導熱流道，流道入口安裝有溫度傳感器6和出口處安裝有溫度傳感器16，分別監測導熱介質12的溫度。以上為單一回路系統的描述，本系統的控溫回路為具有相同結構和功能的雙回路且兩個回路的流量、溫度獨立監測和控制。

彌補異種金屬焊縫熔池溫度差的激光焊接方法，包括以下步驟：

(1)使用有丙酮將待2024鋁合金板17和304不銹鋼板35表面油污等雜質清洗干凈，砂紙打磨去除表層氧化膜，將處理好的工件用酒精清洗并吹干，保證表面干燥。

(2)將處理好的鋁合金板17和不銹鋼板35分別放置在高導熱墊板15和高導熱墊板19之上并使用工裝定位夾緊，如圖3所示，保證鋁合金板17和不銹鋼板35在同一水平面的同時，也要保證鋁合金板17與高導熱墊板15，不銹鋼板35與高導熱墊板19在豎直方向上位置一一對應。

(3)工件安裝好以后，啟動工控機32中傳感器采集信息程序，同時開啟壓力泵10、壓力泵25、電磁流量閥9、電磁流量閥26使得導熱介質25℃水12和導熱介質150℃油24分別流經高導熱墊板15和高導熱墊板19。待墊板溫度調整到目標溫度時，向工控機32發出反饋信號。

(4)接收到反饋信息后，激光器28、激光焊接頭1、三維工作臺18協同動作，激光焊接過程中通過紅外溫度傳感器34實時監測焊縫兩側溫度，計算機將實時監測焊縫溫度與系統設定溫度進行匹配并生成溫度調控指令。

(5)工控機發指令控制電磁流量閥9和電磁流量閥26，實時調節導熱介質25℃水12和導熱介質150℃油24的流量及流速，與增加或者減少熱量的交換，實現焊縫背面高導熱墊板15和高導熱墊板19的溫度調節，從而控制焊縫的熔化和凝固時的溫度和速度，實現異種金屬在各自較優溫度環境下熔化和凝固，最終實現焊縫組織的調控的目的。

具體的在實施例中焊接高導熱墊板15、19的材料選用黃銅制作。待焊工件鋁合金2024鋁合金板17和304不銹鋼板35采用線切割加工成60mm×30mm×1.5mm大小，焊接前將鋁合金側預設溫度為25℃，不銹鋼側預設溫度為100℃；焊接過程中鋁合金側預設溫度500℃，不銹鋼側預設溫度為700℃。采用光斑直徑1.5mm,激光功率2kw，掃描速度3m/min。保護氣體為ar氣側吹的方式，流量設為1.2l/min。

利用上述方法獲得的焊接接頭無塌陷、裂紋、氣孔等缺陷，將焊接接頭進行切割取樣，在500倍的光學顯微鏡下對焊縫組織進行觀察，焊縫組織細小均勻。對鋁-鋼界面進行觀察金屬間化合物的厚度得到明顯改善，因此采用該方法進行激光焊接能夠獲得可靠優質的焊接接頭。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。