权利要求
1.一种用于大型
铜合金件自动焊接的预热装置，其特征在于，包括机器人(1)、机械臂(2)、激光预热头(3)、MIG焊枪(4)和激光器，所述机械臂(2)安装在所述机器人(1)上，所述机械臂(2)的端部安装有所述激光预热头(3)和所述MIG焊枪(4)，所述激光预热头(3)通过传输光纤光路与所述激光器连接，所述激光预热头(3)输出的方形光斑(8)聚焦于待焊区域(9)，并在所述待焊区域(9)上形成圆形的预热区域(7)，所述MIG焊枪(4)在所述待焊区域(9)上形成电弧作用点，所述电弧作用点位于预热区域(7)内。
2.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述方形光斑(8)的中心与所述电弧作用点之间的距离为20mm-30mm。
3.根据权利要求2所述的预热装置，其特征在于，所述方形光斑(8)的尺寸为10mm×10mm至15mm×15mm。
4.根据权利要求3所述的预热装置，其特征在于，所述预热区域(7)的直径为φ40mm-φ50mm。
5.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述激光预热头(3)的扫描速率为300mm/s-400mm/s。
6.根据权利要求5所述的预热装置,其特征在于，所述激光预热头(3)的离焦量为80mm-100mm。
7.根据权利要求5所述的预热装置,其特征在于，所述激光器为高功率连续光纤激光器，所述激光器的功率为10kW-15kW。
8.一种焊接方法，采用权利要求1至7任一项所述的预热装置，其特征在于，包括以下步骤：
焊接预热;将待焊接件一(5)和待焊接件二(6)安装在焊接设备上，启动激光器，激光预热头(3)输出的方形光斑(8)作用于待焊接件一(5)和待焊接件二(6)之间的待焊区域(9)上，将待焊区域(9)的预热区域(7)预热至预设温度;
MIG焊接：所述激光预热头(3)持续工作，所述MIG焊枪(4)对待焊区域(9)进行多道、多层堆焊，每完成一层焊接，在该焊层表面均匀撒覆助焊剂，然后继续焊接,直至按照预设路径完成所述待焊区域(9)的焊接;其中，每一焊层的熔敷厚度为5mm-6mm。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，还包括焊后处理：对焊接区域进行整平和抛光处理。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及自动焊接技术领域，具体涉及一种用于大型
铜合金件自动焊接的预热装置及方法。
背景技术
[0002]传统MIG焊接(气体保护金属电弧焊)自动化设备在焊接大型铜合金件时，为克服其高热导率导致的焊缝熔合困难、气孔及变形等缺陷，普遍采用整体放入加热炉或火焰枪局部烘烤等传统预热方法。这些方法存在能耗高、现场环境恶劣、预设温度不均且难以与自动化焊接流程精确集成等问题。若不对大型铜合金件进行预热，由于铜合金极高的导热性，焊接热量会迅速散失，导致焊缝区与母材之间温度梯度陡增，进而引发熔深不足、未熔合、焊缝成型不良等缺陷。因此，如何对铜合金进行预热以保证焊接质量，成为需要解决的问题。
发明内容
[0003]本发明针对现有的技术问题，提供一种用于大型铜合金件自动焊接的预热装置及焊接方法。
[0004]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于大型铜合金件自动焊接的预热装置，包括机器人、机械臂、激光预热头、MIG焊枪和激光器，所述机械臂安装在所述机器人上，所述机械臂的端部安装有激光预热头和MIG焊枪，所述激光预热头通过传输光纤光路与所述激光器连接，所述激光预热头输出的方形光斑聚焦于待焊区域，并在所述待焊区域上形成圆形的预热区域，所述MIG焊枪在所述待焊区域上形成电弧作用点，所述电弧作用点位于预热区域内。
[0005]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进:
优选的，所述方形光斑的中心与所述电弧作用点之间的距离为20mm-30mm。
[0006]优选的，所述方形光斑的尺寸为10mm×10mm至15mm×15mm。
[0007]优选的，所述预热区域的直径为φ40mm-φ50mm。
[0008]优选的，所述激光预热头的扫描速率为300mm/s-400mm/s。
[0009]优选的，所述激光预热头的离焦量为80mm-100mm。
[0010]优选的，所述激光器为高功率连续光纤激光器，所述激光器的功率为10kW-15kW。
[0011]本发明的有益效果是：激光预热头输出的方形光斑在待焊区域形成均匀的预热区域，使焊接区域达到理想的预设温度，从而显著改善焊缝的熔合性能，减少气孔和变形的发生概率。激光预热头以300-400mm/s的速率扫描，在MIG焊枪到达前建立局部高温区，形成热屏障，减少了热量散失，保证了熔深和焊缝成形，通过将激光预热头与MIG焊枪协同工作，能够有效解决大型铜合金件焊接过程中热量散失过快的问题。同时，由于激光预热的精准性和可控性，避免了传统预热方法中能耗高、温度不均等缺陷，提升了焊接质量的一致性和稳定性。进一步，该装置结构紧凑，易于集成至自动化焊接系统中，大幅提高了生产效率并优化了现场操作环境。
[0012]本发明还公开了一种焊接方法，采用如上所述的预热装置，包括以下步骤：
焊接预热;将待焊接件一和待焊接件二安装在焊接设备上，启动激光器，激光预热头输出的方形光斑作用于待焊接件一和待焊接件二之间的待焊区域上，将待焊区域的预热区域预热至预设温度;
MIG焊接：所述激光预热头持续工作，所述MIG焊枪对待焊区域进行多道、多层堆焊，每完成一层焊接，在该焊层表面均匀撒覆助焊剂，然后继续焊接，直至按照预设路径完成待焊区域的焊接;其中每个焊层的熔敷厚度为5mm-6mm。
[0013]优选的，还包括焊后处理：对焊接区域进行整平和抛光处理。
本发明焊接方法的有益效果是：通过上述焊接方法，能够有效提升大型铜合金件的焊接质量。在焊接预热阶段，激光预热头输出的方形光斑精准作用于待焊区域，确保预热区域温度均匀且达到理想状态，从而为后续焊接提供了稳定的热环境。在MIG焊接过程中，多道多层堆焊工艺结合助焊剂的合理使用，不仅增强了焊缝的力学性能，还进一步减少了气孔和裂纹等缺陷的发生概率。此外，焊后处理步骤通过对焊接区域进行整平和抛光，显著提升了焊缝的外观质量和表面平整度，使其满足高标准的工业要求。整体方法操作简便，能够大幅缩短生产周期，实现大型铜合金件的高效、高质量焊接。
附图说明
[0014]图1为本发明预热装置的示意图。
[0015]附图标记记录如下：1、机器人;2、机械臂;3、激光预热头;4、MIG焊枪;5、待焊接件一;6、待焊接件二;7、预热区域;8、方形光斑;9、待焊区域。
具体实施方式
[0016]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0017]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。术语“竖直”、“上”、 “下”、 “水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0018]如图1所示，本发明公开了一种用于大型铜合金件自动焊接的预热装置，包括机器人1、机械臂2、激光预热头3、MIG焊枪4和激光器，机械臂2安装在机器人1上，机械臂2的端部安装有激光预热头3和MIG焊枪4，激光预热头3通过传输光纤光路与激光器连接，激光预热头3输出的方形光斑8聚焦于待焊接件一5和待焊接件二6之间的待焊区域9，并在待焊区域9上形成圆形的预热区域7，MIG焊枪4在待焊区域9上形成有电弧作用点，电弧作用点位于预热区域7内。其中，待焊接件一5和待焊接件二6均为铜合金件，激光器采用高功率连续光纤激光器，激光器的功率为10kW-15kW，采用该激光器预热工件相比火焰预热，能实现更精准、均匀和可控的加热，显著减小热影响区并降低焊缝气孔倾向，从而提升焊接质量。进一步，该激光器功率与方形光斑8配合，不仅增强了铜合金对激光能量的吸收率，还实现了更加均匀的热场分布，从而在起焊阶段瞬时形成熔池，有效抑制了焊接过程的不稳定因素，提高了焊接速度和生产效率。
[0019]方形光斑8的中心与电弧作用点之间的距离为20mm-30mm。确保激光预热头3输出的方形光斑8与MIG焊枪4的电弧作用点之间形成最佳的热场分布，从而避免热量过度集中或分散。通过精确控制这一距离，能够使预热区域7的温度梯度更加均匀，为后续焊接提供稳定的热环境，并能够有效减少焊接过程中因热应力不均而导致的变形和裂纹风险。
[0020]方形光斑8的尺寸为10mm×10mm至15mm×15mm，当采用较小尺寸的方形光斑8时，能够实现更精准的热量输入，当采用较大尺寸的光斑时，则有助于扩大预热覆盖面积，满足不同焊接需求。通过调整方形光斑8的尺寸，可以灵活适应不同规格的铜合金件的焊接需求。
[0021]方形光斑8作用于待焊区域9后，由于材料的热传导特性，在工件表面形成近似圆形的预热区域7，预热区域7的直径为φ40mm-φ50mm，能够在保证待焊区域9充分预热的同时，避免对周围母材造成不必要的热影响。预热区域7的大小经过优化设计，既能满足焊接工艺对温度的要求，又能最大限度地降低能量损耗。
[0022]激光预热头3的扫描速率为300mm/s-400mm/s。在MIG焊枪4到达前建立局部高温区，形成热屏障，减少热量散失，保证了熔深和焊缝成形。且通过调节扫描速率，可以实现对预热过程的精细控制。
[0023]离焦量是指加工时待加工件表面与激光器的激光焦平面之间的相对距离，激光预热头3的离焦量为80mm-100mm。适当的离焦量能够确保方形光斑8的能量分布更加均匀，从而避免局部过热或加热不足的现象，并有助于延长激光预热头3的使用寿命，降低维护成本。
[0024]本发明还公开了一种焊接方法，采用如上所述的预热装置，包括以下步骤：
焊接预热;将待焊接件一5和待焊接件二6安装在焊接设备上，启动激光器，激光预热头3输出的方形光斑8作用于待焊接件一5和待焊接件二6之间的待焊区域9上，将待焊区域9的预热区域7预热至预设温度;
MIG焊接：激光预热头3持续工作，MIG焊枪4对待焊区域9进行多道多层堆焊，其中，每完成5mm-6mm的焊接厚度，在焊接区域均匀撒覆助焊剂，然后继续焊接直至按照预设路径完成所有待焊区域9的焊接。
[0025]焊后处理：对焊接区域进行整平和抛光处理。
[0026]实施例1
1、焊接预热
将加工好的待焊接件一5和待焊接件二6固定在焊接设备上，其中，待焊接件一5和待焊接件二6均为大型铜件，随后启动高频激光器，将方形光斑8精确对准待焊区域9，执行预热程序，持续时间为60s-80s。其中，预热区域7为直径φ60mm的圆形区域。待焊接件一5和待焊接件二6的总重量为1600Kg，激光器的预热功率为10kW，方形光斑8的尺寸为15mm×15mm，激光预热头3的扫描速率为400mm/s。
[0027]2、MIG焊接
焊接前，先用高频激光对预热区域7进行预热。焊接时，MIG焊枪4对待焊区域9进行多道、多层堆焊，每完成一层焊接，便在该焊层表面撒覆铜合金助焊剂，其中，助焊剂为铜钎助焊剂粉末，以清除氧化物、保证焊层之间熔合质量，其中每个焊层的熔敷厚度为5mm-6mm。
[0028]3、焊后处理
将焊接处进行整平和抛光。
[0029]焊接过程中，激光器输出的热量及预热区域7最终的加热温度按照以下计算：
(1)预热区域7的温升：T1=T-T0;T0-预热区域7的初始温度，℃;T-预热区域7的最终温度，℃;
(2)按照以下公式计算预热区域7的质量：
①计算预热区域7的面积：A=π×r2;
其中，A-预热区域7的面积,mm2;r-预热区域7的半径，mm;
②计算预热区域7的体积：V=A×h;
其中，V-预热区域7的体积，mm3;h-预热区域7处的厚度，mm;
③计算预热区域7质量：m=ρ×V;m-预热区域7的质量，kg;ρ-铜合金的密度;
(3)将预热区域7加热至最终温度，所消耗的热量为Q1：Q1=m1×c×T1=m1×c×(T-T0)，c-比热容;Q1-预热区域7所消耗的热量，KJ;
(4)激光器的输出能量为Q2，Q2=P×t,P-激光器的输出功率，kW;Q-激光器的输出能量,KJ;t-预热时间，s;
(5)则能量利用效率为η1，η1=Q1/Q2×100%;
实施例2
1、焊接预热
与实施例1不同的是，在本实施例中，预热区域7为直径为φ50mm圆形区域，激光器的预热功率为13kW，其余与实施例1相同。
[0030]实施例3
与实施例1不同的是，在本实施例中，预热区域7为直径为φ50mm圆形区域，激光器的预热功率为15kW，其余与实施例1相同。
[0031]实施例4
与实施例1不同的是，在本实施例中，执行预热程序，持续时间为100s-120s。预热区域7为直径为φ50mm的圆形区域。激光器的预热功率为15kW，其余与实施例1相同。
[0032]对比例1
与实施例1不同的是，本对比例中将加工好的待焊接件一5和待焊接件二6固定在焊接设备上，待焊接件一5和待焊接件二6均为大型铜件，随后采用乙炔火焰加热，将火焰精确对准待焊接区域。其中，火焰形成的预热区为直径为φ60mm的圆形区域，待焊接件一5和待焊接件二6的总重1600Kg，将预热区加热至与实施例1相同的温度(410℃-510℃),火焰需持续加热时间为300s-420s,其余步骤与实施例1相同。
[0033]其中燃烧乙炔所产生的热量通过以下公式计算：
Q3=n×∣Δc H°∣;
其中，Q3-燃烧乙炔释放的热量，KJ;n-乙炔的物质的量，mol;∣ΔcH°∣为1 mol 乙炔完全燃烧释放的热量，∣ΔcH°∣=1299 kJ;
由于：n=
;m-乙炔质量，g;M-乙炔摩尔质量, 26.04 g/mol;
因此，Q3=
×∣ΔcH°∣。
[0034]因为该对比例中待加热的预热区的尺寸和最终加热的温度与实施例1中相同，因此预热区所需的热量与实施例1相同均为Q1;
则该对比例中能量利用效率为η2，η2=Q1/Q3×100%;
上述测试实验数据如表1所示：
表1 实施例1-4和对比例1的实验数据
[0035]其中，表1中是针对质量为1500kg-1700kg的铜焊件，将其从20℃的室温加热至预设的最终平均温度。
[0036]实施例1能量利用效率与对比例1能量利用效率的比R=
;
根据表1实验数据可知，Q3为3000KJ,Q2为600KJ，因此R=5。即本发明的焊接方法预热过程的能量利用效率为现有技术的乙炔预热的能量利用效率的5倍，因此，本发明采用的激光预热方式相较于传统的乙炔火焰加热，能量利用效率显著提升。在相同的预热效果下，激光预热所需时间大幅缩短，且能量消耗更低，体现了高效节能的特点。此外，本发明的激光预热能够根据预热区域所需的最终温度精确控制热量输入，避免了传统火焰加热中可能出现的局部过热或加热不均问题，从而有效减少了焊接变形和热影响区的范围。
[0037]综上所述，本发明的预热装置及方法不仅提高了焊接质量，还在节能减排方面表现出显著优势，为大型铜合金件的高效焊接提供了创新解决方案。
[0038]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(1)
声明：
“用于大型铜合金件自动焊接的预热装置及焊接方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：烟台万隆真空冶金股份有限公司
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2026年08月06日 ~ 08日 
