CN102699531B - 一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法及其装置，主要用于箔材晶格结构的精细焊接。本发明基于激光自由成型制造理念，将箔材集成到金属粉末层下面，再通过熔化金属粉末和箔材使它们连接成晶格结构。该方法采用高功率密度、高光束质量的激光器，通过动态聚焦单元和振镜扫描镜的作用，使激光束聚焦形成可调的聚焦光斑，采用计算机控制设计扫描路径，最后通过激光的扫描，将金属箔材和金属粉末层熔化，将其焊接成型。该装置由光纤激光器、动态聚焦单元、振镜扫描镜、计算机、夹具、粉末焊接缸和粉末升降缸等组成。本发明采用的激光光束模式好，焊接精度高，适用范围广。

Description

一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法及其装置

技术领域

本发明涉及箔材零件焊接领域，特别涉及一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法及其装置。

背景技术

目前，用于连接大型晶格结构的常用焊接技术主要有三类：(1)电弧焊，(2)电阻焊，(3)激光热传导焊接。

电弧焊(electric arc welding)是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。

电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接工作的，可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊条电弧焊设备轻便，搬运灵活，所以说，焊条电弧焊可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。

当晶格结构部件截面设计较厚时，较多采用电弧焊。但该技术应用于连接采用0.25mm厚或更薄箔材的晶格结构时，箔材会熔穿、变形，或者连接不良。而且电弧焊的工艺特点降低了其运用于箔材焊接的可行性。

电阻焊(resistance welding)是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。

截面较薄的时候往往会使用电阻焊。在井筛的制作中，电阻焊局限于制作不能看作箔材的较厚截面。电阻焊需要高压力和高电流，而这种高的压力会使箔材变形。

激光热传导焊接(Laser heat conduction welding)是把激光投射在材料表面，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。

激光热传导焊接法也已开始较多地运用于箔材的焊接，但它仅限于一定的接头几何形状，因为装配精度要求很严格。

以上三种焊接方法的主要缺陷就是施焊时的高温会导致变形。而且这三种焊接法都采用传统制作技术，如图1所示，即将支撑杆2和金属箔材1作为两个单独的部件焊接在一起，形成晶格结构。

传统的焊接法需要较厚的连接材料，以避免缺陷的形成。但是，如果为了方便焊接而加大部件厚度，材料或设计性能的优化就不能被充分利用了。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法及其装置，克服传统焊接法仅能焊接较厚连接材料及施焊时的高温会导致箔材零件变形、熔穿、连接不良等缺陷。

本发明通过下述技术方案实现：

一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法，包括下述步骤：

(1)把待焊接的箔材相应的置于夹具夹板之间，并根据箔材之间焊缝的大小，将各箔材焊接部位预留在夹板以外；

(2)将夹具放入焊接缸中，在粉末焊接缸内铺入与箔材对应的金属粉末，金属粉末填充在各箔材焊接部位之间，铺粉刮板将铺设在箔材顶部的金属粉末刮平，根据焊接熔深要求，使得粉末平面高于箔材顶部；

(3)光纤激光器发出激光束，通过扩束镜后，进入由移动负透镜与聚焦镜组成的动态聚焦单元，根据激光焊点在箔材上平面的位置，微调移动负透镜与聚焦镜片之间的距离，激光束进入扫描振镜内，入射到X轴镜片上，激光束被反射到Y轴镜片上，通过X轴镜片与Y轴镜片的相互配合，使激光束在箔材焊接面上获得的30～200μm可调光斑，将箔材的焊接部位与金属粉末熔化并焊接在一起。

所述步骤(3)光纤激光器的输入功率100～400W、光束质量因子M²<1.1，波长1090nm；

所述扫描振镜的扫描范围为600×600mm。

所述粉末焊接缸在焊接时实施惰性气体保护，所述惰性气体为氩气。

一种激光扫描熔化金属粉末焊接装置，包括粉末铺设系统、激光焊接系统，所述粉末铺设系统包括粉末焊接缸、铺粉刮板、粉末升降缸、升降活塞、计算机，所述粉末焊接缸内设置有夹具，所述升降活塞设置于粉末缸升降缸底部；所述激光焊接系统包括依次连接的光纤激光器、扩束镜、移动负透镜、聚焦镜、扫描振镜；所述粉末焊接缸、粉末升降缸、光纤激光器分别与计算机连接。

所述夹具由活动栅栏和设在活动栅栏上的夹板构成。

扫描振镜包括X轴镜片、Y轴镜片、X轴镜片伺服电机、Y轴镜片伺服电机，所述X轴镜片安装在X轴镜片伺服电机的转轴上，所述Y轴镜片安装在Y轴镜片伺服电机的转轴上。

所述扫描振镜的入射光孔径为20mm，所述聚焦镜为φ40、焦距f＝500mm的透镜。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

1、采用动态聚焦，能获得较大的扫描范围，可以达到30～200μm的聚焦光斑，功率密度达到5*106W/cm2以上，满足了激光热传导焊和深熔焊接的需要。

2、移动负透镜、聚焦镜等构成的振镜单元提供了足够的扫描速度，达到7m/s，大大降低了非焊接时间(laser off)。

3、同一个扫描振镜，配合由移动负透镜与聚焦镜组成的动态聚焦单元，可获得可变工作距离、扫描范围和焦点直径的焊接参数，其中金属粉末的熔透深度范围为0.1～1mm，焊缝宽度范围为0.1～0.5mm，拥有很大的灵活性。

4、采用活动栅栏为收缩式，能够适应不同宽度的箔材，扩宽了箔材晶格结构部件设计的制约因素，能够成型更加微型、更加精细的箔材晶格结构。

5、扫描路径可调，可以针对不同的箔材选取不同的扫描路径和策略。

6、本发明技术手段简便易行，焊接精度高，工艺用途广泛，可适用于多种产品。不仅克服了传统焊接法仅能焊接较厚连接材料的缺陷，同时还克服了施焊时的高温会导致箔材零件变形、熔穿、连接不良等缺陷。

附图说明

图1是传统箔材焊接方法示意图。

图2是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接装置夹具4结构示意图。

图3是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接装置结构示意图。

图4是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接过程示意图。

图5是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接过程中，焊接缸实施惰性气体保护的装置结构示意图。

图6A是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接方法中，箔材与金属粉末焊接实例成型的焊缝俯视图。

图6B是本发明激光扫描熔化金属粉末焊接方法中，箔材与金属粉末焊接实例成型的焊缝方向平行的截面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例

如图3、图2所示，本发明激光扫描熔化金属粉末焊接装置，包括粉末铺设系统、激光焊接系统，所述粉末铺设系统包括粉末焊接缸13、铺粉刮板11、粉末升降缸14、升降活塞15、计算机16，所述粉末焊接缸13内设置有夹具4，所述升降活塞15设置于粉末升降缸14底部；所述激光焊接系统包括依次连接的光纤激光器5、扩束镜7、移动负透镜8、聚焦镜9、扫描振镜10；所述粉末焊接缸13、粉末升降缸14、光纤激光器5分别与计算机16连接。

所述夹具4由活动栅栏3和设在活动栅栏3上的夹板3-1构成。

扫描振镜10包括X轴镜片、Y轴镜片、X轴镜片伺服电机、Y轴镜片伺服电机，所述X轴镜片安装在X轴镜片伺服电机的转轴上，所述Y轴镜片安装在Y轴镜片伺服电机的转轴上。

光纤激光器5，水冷却，激光功率200W。扫描振镜10采用scanlab公司的Hurryscan20型号，入射光孔径为20mm。聚焦镜9采用φ40、焦距f＝500mm的透镜。

结合图3，所示激光扫描熔化金属粉末焊接方法，包括下述步骤：

(1)把待焊接的箔材相应的置于夹具4夹板3-1之间，并根据箔材之间焊缝的大小，将各箔材焊接部位预留在夹板3-1以外；

(2)将夹具4放入粉末焊接缸13中，在粉末焊接缸13内铺入与箔材1对应的金属粉末12，金属粉末12填充在各箔材1焊接部位之间，铺粉刮板11将铺设在箔材1顶部的金属粉末12刮平；另外，根据焊接要求，铺粉层数为1～2层，每层粉末的厚度约为30～100μm。

(3)光纤激光器5发出激光束6，通过扩束镜7后，进入由移动负透镜8与聚焦镜9组成的动态聚焦单元，根据激光焊点在箔材1上平面的位置，微调移动负透镜8与聚焦镜片9之间的距离，激光束6进入扫描振镜10内，入射到X轴镜片上，激光束6被反射到Y轴镜片上，通过X轴镜片与Y轴镜片的相互配合，使激光束6在箔材1焊接面上获得的30～200μm可调光斑，将箔材1的焊接部位与金属粉末12熔化并焊接在一起。

上述粉末焊接缸13焊接时实施惰性气体保护。

根据公式d＝4λM²F/(πD)调整焊接时的光斑直径，其中d为聚焦光斑，M²为光束质量因子，λ为波长，F为移动负透镜8的焦距，D为聚焦前激光束6直径，d与M²成正比关系。

以下结合图3具体描述焊接方法。

移动负透镜8与聚焦镜片9构成动态聚焦模块。移动负透镜8与聚焦镜9构成动态聚焦模块。移动负透镜8由伺服电机(图中未示出)带动在激光束6传输方向小距离行走，根据激光束6的扫描位置，调整移动负透镜8与聚焦镜9之间的距离，使得激光束6经过扫描振镜偏转后在箔材1上的平面焊接光斑大致相同。将移动负透镜8和伺服电机置于移动导轨上(图中未示出)调整距离，使得扫描振镜扫描范围在600×600mm内灵活调整。

光纤激光器5发出高质量激光束6，通过扩束镜7后，进入由移动负透镜8与聚焦镜9组成的动态聚焦模块，根据焊点在箔材1上平面的位置，微调移动负透镜8与聚焦镜片9之间的距离。激光束6进入扫描振镜10内，入射到X轴镜片上，激光束6被反射到Y轴镜片上，X轴镜片与Y轴镜片的扫描角度偏转范围是±20°，通过X轴镜片与Y轴镜片的相互配合，能够将箔材1与填充在各箔材1间隙中的金属粉末12焊接在一起。所述金属粉末12与所要焊接的箔材1材料一致，粉末粒子尺寸5－30μm；如不锈钢粉末、钛合金粉末、铝合金粉末、工具钢粉末等。

同时，通过计算机16控制(或者手动控制)，实现移动负透镜8和伺服电机在激光束6传输方向的大距离行走，能够获得不同的工作距离(焦距)，对应扫描范围在600×600mm内可调，光斑直径在30μm到200μm之间。

其中焊接过程中，待焊接的箔材1、夹具4与金属粉末12之间的连接关系如图4所示，通过调节夹具4的宽度，将箔材1固定在其间，夹具4需要凹入金属粉末12平面以下(0.1～1mm)以形成一个坑，供金属粉末12充填在各个箔材1的焊接部位，夹具4的凹入的深度视所需焊缝外形而定。经过聚焦和反射后的激光束6投射到箔材和金属粉末12的表面，将其熔化后与箔材焊接成型。

如上所述在焊接过程中，需要对粉末焊接缸13进行惰性气体保护，将粉末焊接缸13密封并充满高纯氩气。

如图5所示，在金属粉末12熔化形成焊缝的过程中，为了保证活性元素不产生氧化，还需要局部气体保护，即可将高纯氩气输送管18设计成“回”字形，环绕在待焊接成型的箔材1周围，在管壁上开有小孔19，向箔材1周围释放高纯氩气17，形成局部气体保护。

图6A、6B是箔材1与金属粉末12焊接实例成型示意图；其中6A是箔材1与金属粉末12焊接实例成型的焊缝俯视图；6B是箔材1与金属粉末12焊接实例成型的焊缝方向平行截面示意图；图中20是焊缝。

在实际焊接过程中，夹具4在粉末焊接缸13内如果定位不好，箔材1轻微的变形也会导致金属粉末12掉入箔材1与夹板3-1之间的缝隙中，由此导致的金属粉末12水平面下降将使箔材1接合不佳。要克服这个问题，需要在夹板3-1与箔材1之间加入临时支撑材料，其厚度为结构要求的缝隙宽度，并且凹入至箔材1表面之下。

如上所述便可较好地实现本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光扫描熔化金属粉末焊接方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)把待焊接的箔材相应的置于夹具夹板之间，并根据箔材之间焊缝的大小，将各箔材焊接部位预留在夹板以外；

(2)将夹具放入焊接缸中，在粉末焊接缸内铺入与箔材对应的金属粉末，金属粉末填充在各箔材焊接部位之间，铺粉刮板将铺设在箔材顶部的金属粉末刮平，根据焊接熔深要求，使得粉末平面高于箔材顶部；

(3)光纤激光器发出激光束，通过扩束镜后，进入由移动负透镜与聚焦镜组成的动态聚焦单元，根据激光焊点在箔材上平面的位置，微调移动负透镜与聚焦镜片之间的距离，激光束进入扫描振镜内，入射到X轴镜片上，激光束被反射到Y轴镜片上，通过X轴镜片与Y轴镜片的相互配合，使激光束在箔材焊接面上获得的30～200μm可调光斑，将箔材的焊接部位与金属粉末熔化并焊接在一起。

2.根据权利要求1所述的激光扫描熔化金属粉末焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)光纤激光器的输入功率100～400W、光束质量因子M²<1.1，波长1090nm。

3.根据权利要求1或2所述的激光扫描熔化金属粉末焊接方法，其特征在于，所述扫描振镜的扫描范围为600×600mm。

4.根据权利要求3所述的激光扫描熔化金属粉末焊接方法，其特征在于，所述粉末焊接缸在焊接时实施惰性气体保护，所述惰性气体为氩气。

5.一种激光扫描熔化金属粉末焊接装置，其特征在于，包括粉末铺设系统、激光焊接系统，其特征在于：

所述粉末铺设系统包括粉末焊接缸、铺粉刮板、粉末升降缸、升降活塞、计算机，所述粉末焊接缸内设置有夹具，所述升降活塞设置于粉末升降缸底部；所述激光焊接系统包括依次连接的光纤激光器、扩束镜、移动负透镜、聚焦镜、扫描振镜；所述粉末焊接缸、粉末升降缸、光纤激光器分别与计算机连接；

所述夹具由活动栅栏和设在活动栅栏上的夹板构成。

6.根据权利要求5所述的激光扫描熔化金属粉末焊接装置，其特征在于：扫描振镜包括X轴镜片、Y轴镜片、X轴镜片伺服电机、Y轴镜片伺服电机，所述X轴镜片安装在X轴镜片伺服电机的转轴上，所述Y轴镜片安装在Y轴镜片伺服电机的转轴上。

7.根据权利要求6所述的激光扫描熔化金属粉末焊接装置，其特征在于：所述扫描振镜的入射光孔径为20mm，所述聚焦镜为φ40、焦距f＝500mm的透镜。