CN105772939A - 激光双光束焊接设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光双光束焊接设备及方法。该激光双光束焊接设备包括一分束器和一激光扫描装置，该分束器用于将传输至其的初始激光束分成第一光束和第二光束，其中第一光束用于作用于焊料，该激光扫描装置用于将传输入的第二光束扫描为沿和第一光束的传播方向大致平行的方向出射、且出射方向沿预设的一摆动方向摆动的摆动光束，其中摆动光束用于作用于待焊区域。本发明的激光双光束焊接设备及方法，不仅能够有效解决待焊区域未熔合的问题及提高焊接质量，还能够保证在焊接过程的稳定性，同时还提高焊接过程的可重复性，有助于提高焊接加工的效率。

Description

激光双光束焊接设备及方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种激光双光束焊接设备及方法。

背景技术

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，相比其他焊接方法具有其独特的优点，可较好地应用于微、小型零件的精密焊接中。

现有的激光焊接设备及方法，一般包括了单光束焊接、双光束焊接、或旋转光束焊接等方法。传统的单光束焊接的缺点是，因激光光斑直径较小、热作用区域小，在进行窄间隙焊接时易出现侧壁未熔合现象，影响焊接质量。与之相比，传统的并行双光束方式焊接，可以对激光束能量密度分布进行初步整形，但是双光束对能量密度整形能力有限，因而两束激光的分布间距较难把握，两束激光分布间距过小则达不到避免侧壁未熔合的缺陷的目的，而两束激光分布间距过大，虽然可以明显增加激光的热作用区域，控制两激光束作用在焊缝熔池两侧，但会造成熔池中心没有激光束直接热作用。然而由于实际焊接过程中，填充焊丝一般位于焊缝中心，分布于侧壁两侧的激光束未必能够提供充足的热量熔化焊丝，焊丝熔化不充分直接影响到焊接过程的稳定性，熔敷金属填充量较少，容易产生焊丝抖动、未熔化焊丝凝固于熔池中等问题，直接造成填丝过程终止。

采用旋转光束或移动光束进行焊接时，由于光束的旋转或移动，光束能对焊缝熔池起到一定的束流搅拌作用，可减少焊缝气孔，但是光束的移动改变了光束与焊丝的间距，降低了焊丝熔滴过渡的稳定性，仍然会使焊丝填充效果受到影响。

因此，现有的焊接设备及方法在焊接的稳定性等方面均存在一定的不足，这些不足在窄间隙的激光填丝焊接中显得尤为明显，因而亟需一种能够提供更好的焊接稳定性的激光焊接设备及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的激光焊接中焊接质量不够高、焊接过程的稳定性不足、焊丝填充效果不佳等缺陷，提出一种激光双光束焊接设备及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种激光双光束焊接设备，其特点在于，包括一分束器和一激光扫描装置，该分束器用于将传输至其的初始激光束分成第一光束和第二光束，其中第一光束用于作用于焊料，该激光扫描装置用于将传输入的第二光束扫描为沿和第一光束的传播方向大致平行的方向出射、且出射方向沿预设的一摆动方向摆动的摆动光束，其中摆动光束用于作用于待焊区域。

较佳地，该激光扫描装置包括一反射镜和一控制装置，该反射镜用于反射第二光束，该控制装置用于控制该反射镜在预设的一摆动角度范围内摆动，以使得该反射镜反射出方向和第一光束的传播方向大致平行、且出射方向沿该摆动方向摆动的摆动光束。

较佳地，该控制装置包括一可伸缩传动杆和一步进电机，该步进电机用于驱动该可伸缩传动杆的伸缩，该可伸缩传动杆一端固定、另一端连接该反射镜。

较佳地，摆动光束所处的平面与第一光束的传播方向大致平行。

较佳地，该激光双光束焊接设备还包括一激光器，该激光器用于产生准直的初始激光束并传输向该分束器。

较佳地，该激光双光束焊接设备还包括一凸透镜，该反射镜为一反射聚焦镜，该凸透镜设置于第一光束的传播路径上，该凸透镜用于聚焦第一光束形成第一聚焦光斑以作用于焊料，该反射聚焦镜用于反射出该摆动光束形成第二聚焦光斑以作用于待焊区域。

本发明还提供了一种采用如上所述的激光双光束焊接设备实施的激光双光束焊接方法，且待焊区域位于窄间隙坡口或大间隙的平板对接板型结构中。

本发明还提供了一种激光双光束焊接方法，其特点在于，包括以下步骤：

产生一初始激光束；

将该初始激光束分束成第一光束和第二光束；

将第二光束扫描为沿和第一光束的传播方向大致平行的方向出射、且出射方向沿预设的一摆动方向摆动的摆动光束；

分别聚焦第一光束和摆动光束以形成第一聚焦光斑和第二聚焦光斑，并使得第一聚焦光斑作用于焊料、第二聚焦光斑作用于待焊区域。

较佳地，通过控制一反射镜在预设的一摆动角度范围内摆动并反射第二光束，以扫描得到方向和第一光束的传播方向大致平行、且出射方向沿该摆动方向摆动的摆动光束。

较佳地，摆动光束所处的平面与第一光束的传播方向大致平行。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的激光双光束焊接设备及方法，不仅能够有效解决待焊区域未熔合的问题及提高焊接质量，还能够保证在焊接过程的稳定性，同时还提高焊接过程的可重复性，有助于提高焊接加工的效率。

附图说明

图1为本发明的激光双光束焊接设备的示意图，其中图1的左半边为该激光双光束焊接设备的正视图，右半边为该激光双光束焊接设备的左视图。

图2为本发明中的摆动光束的摆动示意图。

图3为本发明的激光双光束焊接设备在窄间隙激光填丝焊接中的一应用实例的示意图，其中图3的左半边为正视图，右半边为左视图。

图4为图3所示的应用实例中的待焊区域附近的局部示意图。

图5为图3所示的应用实例的焊缝形貌的示意图。

图6为采用常规的单光束焊接进行窄间隙激光填丝焊接的焊缝形貌的示意图。

图7为本发明的激光双光束焊接设备在大间隙对接平板中的另一应用实例的示意图，其中图7的左半边为正视图，右半边为左视图。

图8为图7所示的应用实例中的待焊区域附近的局部示意图。

图9为图7所示的应用实例中的激光光束作用的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1示出本发明的激光双光束焊接设备，。

参考图1所示，本发明的激光双光束焊接设备包括传输光纤耦合接口1、准直系统2、激光扫描装置、分束器6和凸透镜7。其中该激光扫描装置包括步进电机3、可伸缩传动轴4和反射聚焦镜5。

该传输光纤耦合接口1及该准直系统2用于产生准直的初始激光束，并传输向该分束器6。该分束器6用于将初始激光束分成第一光束8和第二光束。参考图1所示，经该分束器分束后的第一光束8大致沿和初始激光束相同方向，第二光束则沿与初始激光束的方向大致垂直的方向。但应当理解，本发明中，经该分束器6分束形成的第二光束也可沿其他方向，而并不影响本发明的实施。其中，分束器6可以分配并调节第一光束8与第二光束所占激光功率的能量比。

该凸透镜7设置于第一光束8的传播路径上，该凸透镜7用于聚焦第一光束8形成第一聚焦光斑10，以作用于焊料。该反射聚焦镜5受控在预设的一摆动角度范围内摆动，以使得该反射镜反射出方向和第一光束8的传播方向大致平行、且出射方向沿该摆动方向摆动的摆动光束9，并通过其聚焦作用形成第二聚焦光斑11，以作用于待焊区域。在该激光扫描装置中，该可伸缩传动杆一端固定、另一端连接该反射聚焦镜5，并由该步进电机3驱动控制该可伸缩传动杆的伸缩，从而调节该反射聚焦镜5的位置。通过调节该反射聚焦镜5的位置，可进一步达到调节摆动光束9与第一光束8的间距以及第一聚焦光斑10和第二聚焦光斑11的间距的目的，以适应于待焊区域的要求。一般而言，两个聚焦光斑处于同一水平面。

参考图1及图2所示的摆动光束9的摆动方式，其中A为其摆动幅度13的大小，根据实际待焊区域的不同，A可在0～15mm的范围内连续调节。摆动光束9的摆动周期为T，摆动频率f为1/T，摆动频率可根据摆动幅度在一定区间内设定，摆动幅度越小，可调节的摆动频率区间越大，通常摆动频率的区间为0～1000Hz。

两个光斑的垂直距离12(其大小为D)(即两个聚焦光斑在同一水平面内在垂直于摆动光束9摆动方向上的间距)可通过控制激光扫描装置内可伸缩传动轴4的伸缩长度进行精确控制与调节。通常需保证两光束聚焦光斑的垂直距离12的可调范围为0～10mm。

采用本发明的激光双光束焊接设备，因第一光束8在焊接过程中可始终对准焊料，从而可保证其始终作用于焊料(例如填充焊丝)以提供足够热量熔化焊料。同时，摆动光束9可对待焊区域或者位置直接作用，这样能够有效解决待焊区域未熔合的问题，例如焊接侧壁未熔合的问题。由摆动光束9对于焊料熔池的搅动作用以及第一光束8稳定地加热熔化焊料，就能够保证在整个焊接过程中焊料熔滴的过渡稳定，保证了焊接质量，同时还能够提高焊接过程或者说焊接工艺实施的可重复性，有助于提高焊接加工的效率。

应当注意的是，在本发明中，因采用不同的分束器6分束得到的光束间可以成各种不同夹角，据此该激光扫描装置可将第二光束的传播方向改变一定角度抑或是不改变其传播方向均是有可能的，只需经该激光扫描装置调整光束传播方向后的摆动光束9的传播方向和第一光束8的传播方向大致平行即可。在该激光扫描装置将第二光束的传播方向改变一定角度的情形下，可在其中设置通常可用于改变光路的任意元器件，这是本领域技术人员可根据基本的光学知识进行适当设置的，在此不做赘述。

本发明中，该反射聚焦镜5和控制其摆动的控制装置的设置，可理解为该反射聚焦镜5以可旋转的方式安装或固定，由该控制装置以任何适当的方式使其在一定角度范围内来回旋转而摆动，以使得经该反射镜汇聚出的光束摆动。例如，该反射聚焦镜5安装或固定为仅能在一定角度范围内旋转，该控制装置以包括机械传动方式在内的任何适当方式使其来回摆动，使得聚焦光斑在摆动幅度13内快速往复移动。

在应用本发明的激光双光束焊接设备时，通过适当设置该反射镜的位置、朝向，可以根据需要调节反射光束的路径，而通过适当控制反射聚焦镜5的摆动，就能较为便捷地调整摆动光束9的摆动幅度、摆动频率等参数，具有容易实施且使用方便的特点，可针对复杂的不同焊接需要，进行适当调整。

容易理解的，本发明中，摆动光束的摆动幅度可根据焊接的实际需要例如焊接区域的形状大小等来进行调整。而本发明中的“摆动光束”和“第二光束”实质上是表示同一光束在其传播路径前后的不同阶段。

以下将详细描述应用本发明的激光双光束焊接设备及方法的两个实例。首先，结合附图3～6描述本发明在窄间隙激光填丝焊接中的一应用实例。

本应用实例将本发明的激光双光束焊接设备应用于大型厚板结构件的窄间隙焊接中。在窄间隙激光填丝焊接中，通常将待焊厚板结构件加工出焊缝的间隙大小为G的I型坡口或小角度U型坡口(U型坡口参考图5所示)，坡口间隙G的取值范围一般可在2～10mm，可根据不同板厚及结构尺寸可适当调整。一般来说，坡口越小可减少焊接热输入，减小大型结构焊接变形及应力，提高经济性。

参考图3～5所示，在本实例中，焊接的对象为具有窄间隙坡口的待焊厚板14。在该激光双光束焊接设备输出的第一光束8一侧可设置可三维精密调节的送丝系统，用于将填充焊料15精确稳定的送至窄间隙坡口中心待焊区域，另外可在送丝系统添加可调节保护气装置，往窄间隙坡口内吹送惰性气体保护第一光束8的聚焦位置(即第一聚焦光斑10)，以起到保护填充焊料15及熔池前侧区域的作用。而在摆动光束9一侧可设计安置可调节保护气装置，往窄间隙坡口内吹送惰性气体保护摆动光束9的聚焦位置(即第二聚焦光斑11)，以起到保护熔池后侧及附近区域的作用。应当理解，上述惰性气体保护措施，有助于应用本发明进行焊接并取得较为理想的效果，但对于本发明的实施并非必须。

参考图3～5所示，在本实例的激光填丝焊接中，第一光束8直接作用于填充焊料15，即第一光束8聚焦于填充焊料15上，使填充焊料15始终处于稳定融化状态，保证焊接过程的稳定性。第二光束经过激光扫描装置整形为摆动光束9，其摆动幅度13略小于窄间隙坡口间隙的尺寸G，摆动光束9的摆动幅度的一端作用于窄间隙坡口的一侧壁附近区域，另一端将作用于窄间隙坡口的另一侧壁附近区域，摆动幅度13一般可在0～15mm内连续调节，摆动频率可在0～1000Hz选择。选择适当的摆动频率，可帮助改善焊缝表面成形及焊缝组织。摆动光束9可起到束流搅拌作用，使晶粒细化提高焊缝综合性能。激光填丝焊接最终早窄间隙坡口形成窄间隙填充焊缝16。另外，本实例中，参考图3、4所示，摆动光束9与第一光束8之间的垂直距离12可在0～10mm内调节，可使摆动光束9作用于熔池前侧区域也可作用与熔池后侧区域，具有较宽的焊接工艺调节区间，可明显改善焊缝成形。

参考图5和图6所示，可以看出采用本发明进行窄间隙激光填丝焊接和采用常规的单光束焊接设备进行窄间隙激光填丝焊接的显著差别。如图6所示，在采用常规的单光束焊接时，待焊区域必须是极窄的间隙才能确保激光光斑的热作用区域足以覆盖待焊区域，若间隙稍宽，则因激光光斑的热作用区域过小而使得待焊侧壁位置受热不足而产生侧壁未熔合的现象，影响焊接质量。与之相比，采用本发明进行窄间隙激光填丝焊接，参考图5所示，则可适用于具有更大范围的间隙的结构件的焊接，并仍能取得极佳效果的焊缝组织。

以下将结合附图7～9描述本发明在大间隙对接平板的激光填丝焊接中的另一应用实例。

参考图7～9，在本应用实例中，焊接对象为大间隙对接待焊平板19。第一光束8将直接作用于填充焊料18，即第一光束8聚焦于填充焊料18上，使填充焊料能始终处于稳定融化状态，保证焊接过程稳定性。第二光束经过激光扫描装置整形为摆动光束9，其摆动幅度13的大小略大于焊缝的装配间隙20的大小G，摆动光束9的摆动幅度的一端作用于对接平板一侧的平板结构上，另一端作用到对接平板另一侧的平板结构上，摆动幅度13在0～15mm内可连续调节，摆动频率可在0～1000Hz的范围内选择。焊接最终在大间隙对接待焊平板19的间隙处形成平板对接焊缝17。选择适当的摆动频率可改善焊缝表面成形及焊缝组织，摆动光束9可起到束流搅拌作用，使晶粒细化提高焊缝综合性能。另外摆动光束9与第一光束8之间垂直距离12可在0～10mm内调节，使得摆动光束9可作用于熔池前侧区域也可作用于熔池后侧区域，具有较宽的焊接工艺的调节区间，有助于改善焊缝成形。

由上述应用实例可以看出，本发明能够适用于具有较大焊缝间隙的焊接结构，这将提高激光焊接工艺的适用范围，降低激光焊接应用中对装配精度的要求，大大加强激光填丝焊接的搭桥能力及熔融焊丝的铺展能力，有助于获得成形美观的优质焊缝。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光双光束焊接设备，其特征在于，包括一分束器和一激光扫描装置，该分束器用于将传输至其的初始激光束分成第一光束和第二光束，其中第一光束用于作用于焊料，该激光扫描装置用于将传输入的第二光束扫描为沿和第一光束的传播方向大致平行的方向出射、且出射方向沿预设的一摆动方向摆动的摆动光束，其中摆动光束用于作用于待焊区域。

2.如权利要求1所述的激光双光束焊接设备，其特征在于，该激光扫描装置包括一反射镜和一控制装置，该反射镜用于反射第二光束，该控制装置用于控制该反射镜在预设的一摆动角度范围内摆动，以使得该反射镜反射出方向和第一光束的传播方向大致平行、且出射方向沿该摆动方向摆动的摆动光束。

3.如权利要求2所述的激光双光束焊接设备，其特征在于，该控制装置包括一可伸缩传动杆和一步进电机，该步进电机用于驱动该可伸缩传动杆的伸缩，该可伸缩传动杆一端固定、另一端连接该反射镜。

4.如权利要求1所述的激光双光束焊接设备，其特征在于，摆动光束所处的平面与第一光束的传播方向大致平行。

5.如权利要求1所述的激光双光束焊接设备，其特征在于，该激光双光束焊接设备还包括一激光器，该激光器用于产生准直的初始激光束并传输向该分束器。

6.如权利要求2所述的激光双光束焊接设备，其特征在于，该激光双光束焊接设备还包括一凸透镜，该反射镜为一反射聚焦镜，该凸透镜设置于第一光束的传播路径上，该凸透镜用于聚焦第一光束形成第一聚焦光斑以作用于焊料，该反射聚焦镜用于反射出该摆动光束形成第二聚焦光斑以作用于待焊区域。

7.一种激光双光束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生准直的一初始激光束；

将该初始激光束分束成第一光束和第二光束；

将第二光束扫描为沿和第一光束的传播方向大致平行的方向出射、且出射方向沿预设的一摆动方向摆动的摆动光束；

分别聚焦第一光束和摆动光束以形成第一聚焦光斑和第二聚焦光斑，并使得第一聚焦光斑作用于焊料、第二聚焦光斑作用于待焊区域。

8.如权利要求7所述的激光双光束焊接方法，其特征在于，通过控制一反射镜在预设的一摆动角度范围内摆动并反射第二光束，以扫描得到方向和第一光束的传播方向大致平行、且出射方向沿该摆动方向摆动的摆动光束。

9.如权利要求7或8所述的激光双光束焊接方法，其特征在于，摆动光束所处的平面与第一光束的传播方向大致平行。

10.一种激光双光束焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任意一项所述的激光双光束焊接设备实施，且待焊区域位于窄间隙坡口或大间隙的平板对接板型结构中。