CN108326429B - 一种超声辅助激光焊接装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声辅助激光焊接装置与方法，该装置通过将轴线处于同一平面且相互垂直的两个变幅杆分别激光头机机械耦合连接，基于振动合成原理，通过控制两组超声振动的振幅和振动的相位差，使激光束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动，一方面强化激光的热力复合作用，另一方面，部分超声能量通过激光束传入熔池中，影响到熔池的传热与流动行为。由于超声与激光复合能场的作用，激光束能量密度得到加强，同时焊接熔池受到高频振动能量的作用使焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，因而焊接接头的质量得到大幅改善。本发明涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。

Description

一种超声辅助激光焊接装置与方法
技术领域
本发明涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。
背景技术
激光焊接作为高能束焊接技术的一种，具有能量密度高、焊接热输入小、焊接速度快、自动化程度高、焊接结构变形小、可达性和柔性强等特点，具有特有的技术和经济优势，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛的应用。但是激光焊接也面临着能量转换效率低，能量消耗大；对工件的装配精度要求高；对激光的反射率高的材料焊接，激光的实际利用率低等挑战，这些问题制约了激光在焊接方面应用的进一步扩展。
超声加工是利用高频振动在物质中传播时产生的力学效应、热效应进行加工的一种加工技术。在常规加工工艺中引入超声能量可以提高材料加工速率、质量和完成常规技术所不能胜任的材料加工与处理，因此，功率超声技术在机械加工、表面改性、铸造和焊接领域有广泛的研究和应用。如果将超声波与激光焊接有效结合则可以拓展激光焊接的应用范围，并提升激光焊接质量。目前已经有将超声振动引入激光焊接的报道：如专利CN102059453 A公开的《超声波非接触式辅助激光焊接的方法》，该方法是在激光焊接过程中，在激光焊接产生的熔池的上方悬空放置功率超声装置通过超声在熔池内产生的空化和破碎作用来细化焊缝晶粒，以提高焊缝的力学性能。专利CN 103114286 A公开的《一种超声辅助激光修复钛合金的方法》，该方法是在钛合金激光修复过程中，超声设备至于工件表面，通过工件将超声导入熔池，利用超声的空化效应细化焊接区域晶粒。工件修复后，超声作用于修复区域表面，以达到消除内应力的作用。专利CN 105583523 A公开的《一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法》，该方法是在大厚(>12mm)板材激光平焊过程中，将频率为25kHz，振幅为30um的超声装置分别置于焊缝两端，频率为35kHz，振幅为10um的超声装置悬空置于激光焊接熔池的上方，分别通过工件和空气将两种不同的超声振动导入焊接熔池，利用超声的空化和搅拌效应改善焊缝气孔缺陷，提高焊接接头致密性，并减小焊缝区域的残余应力。专利CN 106914700 A公开的《一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法》，该方法是在异种金属密封件激光焊接过程中，通过旋转夹紧工装夹具将超声振动引入焊缝区域，从而提高试件的密封性能。专利CN 107414291 A公开的《超声辅助激光焊接异种材料》，该方法针对金属/陶瓷材料与高分子材料激光焊接过程中，通过工件将超声振动引入焊接区域，从而消除激光产生的气泡，并增强高分子材料和金属或者陶瓷之间的化学结合，增强两种材料之间的焊接强度。
这些专利方法通过工件或空气将超声振动引入熔池，利用超声的空化效应、力学效应提高焊缝力学强度，减小焊缝应力，从而提高焊接质量，超声作用限于辅助液态金属材料凝固过程，对激光无明显作用，即这些专利方法本质属于单一激光能源焊接的范畴。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：设计一种超声辅助激光焊接装置使激光束能量密度得到加强,焊接接头的质量得到大幅改善。
本发明解决其技术问题的解决方案是：设计一种超声辅助激光焊接装置与方法，包括超声波发生器、激光头、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述超声振动装置包括换能器，所述振动传导装置包括变幅杆；所述超声波发生器与换能器连接；所述变幅杆的一端与换能器连接，其另一端与激光头连接，所述激光头与激光发生器通过激光传输装置连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述变幅杆与激光头通过可拆卸机构机械耦合连接。
作为上述技术方案的进一步改进，超声波发生器同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是0或者π/2。
作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器的数量为两个，两个所述换能器处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振导传动装置包括变幅杆的数量为两个，两个所述变幅杆分别与上述两个换能器同轴连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述变幅杆的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。
作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器为压电换能器或磁致伸缩换能器。
一种超声辅助激光焊接装置与方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工频交流电经过超声发生器后转换为高频交流电，高频交流电通过换能器转换为同频超声振动；
步骤二：换能器发出的超声振动经过变幅杆进行放大，变幅杆振动通过与机械耦合结构传递到激光头；
步骤三：焊接时，激光发生器产生激光，保护气体输入激光头，激光头对激光束进行聚焦，产生焊接所需激光束，超声振动通过激光头传递到激光束和焊接熔池。
作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器和变幅杆设有的数量均为两个，所述超声发生器能够输出1路或2路高频信号到变幅杆，两个所述变幅杆能够分别放大两个所述换能器发出的超声振动。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤一中超声发生器的功率为50～3000W，频率为20～200KHz；当超声发生器发出2路高频交流电时，两路交流电相位差设置为0或π/2；两个所述换能器型号相同；所述步骤二中变幅杆放大后的超声振动振幅为1～100μm。
作为上述技术方案的进一步改进，所所述述步骤三中激光发生器为CO2激光器或Nd:YAG激光器或半导体激光器或光纤激光器，输出方式为脉冲或连续。激光发生器的输出功率为100～10000W。保护气体为氦或氩气，气体流量为1～100L/min。
本发明的有益效果是：设计一种超声辅助激光焊接装置一方面将合成的超声振动通过激光头直接作用于激光束形成一种超声复合的激光束，使激光束能量密度得到加强，另一方面焊接熔池受到高频振动能量的作用，焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，因而焊接接头的质量得到大幅改善。
除外，本发明激光头与变幅杆采用可拆机械连接，拆装过程方便，对不同型号的激光头适应性强。超声与激光的发生控制系统相互分离，超声与激光之间参数可以独立调节，通过对激光焊接工艺参数(激光功率、焊接速度、气体流量)与超声参数(频率、振幅)的优化耦合匹配，拓宽了激光焊接的工艺参数范围。
再者，本发明具有激光焊焊接过程稳定、焊缝成形良好，并提高了激光的穿孔能力和小孔稳定保持能力。超声辅助激光焊接工艺可以实现碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、镁合金及钛合金等材料的焊接。
本发明涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明超声复合激光焊接装置示意图；
图2是本发明超声复合激光焊接直线振动轨迹示意图；
图3是本发明超声复合激光焊接倾斜直线振动轨迹示意图；
图4是本发明超声复合激光焊接圆形振动轨迹示意图；
图5是本发明超声复合激光焊接椭圆形振动轨迹示意图。
其中，图中：1-激光头，2-变幅杆，3-换能器，4-超声波发生器。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，一种超声辅助激光焊接装置，包括超声波发生器4、激光头1、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述超声振动装置包括换能器3，振动传导装置包括变幅杆2；所述超声波发生器4与换能器3连接；所述变幅杆2的一端与换能器3连接，其另一端与激光头1连接，所述激光头1与激光发生器通过光纤连接。由此，通过超声复合的方式，激光束能量密度得到加强，能够加强激光束熔融焊接件的能力。另一方面焊接熔池受到超声高频振动能量的作用，焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，使得焊接接头的质量得到大幅改善。
进一步作为优选的实施方式，所述变幅杆2与激光头1通过可拆卸机构机械耦合连接。由此，激光头和变幅杆能够拆卸，可以方便更换不同型号的激光头或变幅杆以适应不同的工作状况需求。
进一步作为优选的实施方式，超声波发生器4可以同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是0或者π/2。由此，当超声波发生器4产生1路高频信号，只有一个变幅杆工作时，激光束振动轨迹为直线且垂直或平行于焊缝，如图2所示。当超声波发生器产生2路相位差为0的高频信号时，激光束振动轨迹为直线，与焊缝倾斜相交，斜率由两变幅杆的放大倍数决定，如图3所示。当超声波发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数相同时，激光束振动轨迹为圆形，如图4所示。当超声波发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数不同时，激光束振动轨迹为椭圆形，如图5所示。
进一步作为优选的实施方式，所述换能器3的数量为两个，两个所述换能器3处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振导传动装置包括变幅杆2的数量为两个，两个所述变幅杆2分别与上述两个换能器3同轴连接。由此，换能器的超声震动可以通过变幅杆进行放大，两个换能器产生的超声振动分别通过各自的变幅杆进行放大，振幅为1～100μm。
进一步作为优选的实施方式，所述变幅杆2的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。优选的材料能够使变幅杆对超声振动的耐受力更强，降低变幅杆的更换频率。
进一步作为优选的实施方式，所述换能器3为压电换能器或磁致伸缩换能器。
进一步作为优选的实施方式，所述激光发生器为CO2激光器、Nd:YAG激光器、半导体激光器或光纤激光器所述激光发生器的输出方式为脉冲或连续。
一种超声辅助激光焊接装置与方法，包括如下步骤：步骤一：工频交流电220V/380V，50Hz经过超声发生器4后转换为高频交流电，高频交流电通过换能器3转换为同频超声振动；步骤二：换能器3发出的超声振动经过变幅杆2进行放大，变幅杆2振动通过与机械耦合结构传递到激光头1；步骤三：焊接时，激光发生器产生激光，保护气体输入激光头1，激光头1对激光束进行聚焦，产生焊接所需激光束，超声振动通过激光头1传递到激光束和焊接熔池。由此，激光通过超声振动复合后，激光能量密度提高，熔融焊接区的能力得到增强。同时超声振动随激光束传入熔池对焊接熔池具有搅拌作用，可以促进溶质在焊缝中均匀分布，细化晶粒，减少消除焊缝的气孔率，并可以减小焊接残余应力和变形，大幅提升焊接效率和质量。除外，超声和激光两种物理性质、传输机制截然不同的能量复合在一起，作用于同一焊接熔池，充分发挥了两种热源的各自的优势，形成一种全新高效的热源，并且超声与激光的发生控制系统相互分离，超声与激光之间参数可以独立调节，拓展了激光焊接的应用范围。。
进一步作为优选的实施方式，所述换能器3和变幅杆2设有的数量均为两个，所述超声发生器4能够输出1路或2路高频信号到变幅杆2，两个所述变幅杆2能够分别放大两个所述换能器3发出的超声振动。两个变幅杆轴线相互垂直，且处于同一平面。基于振动合成原理，通过控制分别与两个变幅杆连接的两个换能器的高频电信号的相位差与变幅杆的放大倍数，使激光4束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动。
以两个变幅杆的放大倍数分别为m，n。情形一：当超声发生器产生1路高频信号，只有一个变幅杆工作时，激光束的振动轨迹为直线且垂直或平行于焊缝；情形二：当超声发生器产生2路同相位的高频信号时，激光束4的振动轨迹为直线，与焊缝倾斜相交，斜率由两变幅杆的放大倍数决定；情形三：当超声发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数m＝n时，激光束的振动轨迹为圆形。情形四：当超声发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数m≠n时，激光束的振动轨迹为椭圆形。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤一中超声发生器4的功率为50～3000W，频率为20～200KHz；当超声发生器4发出2路高频交流电时，两路交流电相位差设置为0或π/2；两个所述换能器3型号相同；所述步骤二中变幅杆2放大后的超声振动振幅为1～100μm。优选的参数在实际使用前的试验起到指导作用，减少试验的盲目性。
进一步作为优选的实施方式，所所述述步骤三中激光发生器为CO2激光器或Nd:YAG激光器或半导体激光器或光纤激光器，输出方式为脉冲或连续；激光发生器的输出功率为100～10000W；保护气体为氦、或氩气，气体流量为1～100L/min。优选的参数在实际使用前的试验起到指导作用，减少试验的盲目性。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：包括超声波发生器(4)、激光头(1)、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述超声振动装置包括换能器(3)，所述振动传导装置包括变幅杆(2)；所述超声波发生器(4)与换能器(3)连接；所述变幅杆(2)的一端与换能器(3)连接，其另一端与激光头(1)连接，所述激光头(1)与激光发生器通过激光传输装置连接；
所述换能器(3)的数量为两个，两个所述换能器(3)处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振动传导装置包括的变幅杆(2)的数量为两个，两个所述变幅杆(2)分别与两个所述换能器(3)同轴连接；
以两个所述变幅杆(2)的放大倍数分别为m和n，所述超声波发生器(4)同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是π/2，以实现当超声波发生器(4)产生2路相位差为π/2的高频信号且两变幅杆(2)的放大倍数m＝n时，激光束的振动轨迹为圆形；或者以实现当超声波发生器(4)产生2路相位差为π/2的高频信号且两变幅杆的放大倍数m≠n时，激光束的振动轨迹为椭圆形。
2.根据权利要求1所述超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述变幅杆(2)与激光头(1)通过可拆卸机构机械耦合连接。
3.根据权利要求1所述超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述变幅杆(2)的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。
4.根据权利要求1所述超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述换能器(3)为压电换能器或磁致伸缩换能器。
5.一种超声辅助激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工频交流电经过超声发生器(4)后转换为高频交流电，高频交流电通过换能器(3)转换为同频超声振动；
步骤二：换能器(3)发出的超声振动经过变幅杆(2)进行放大，变幅杆(2)振动通过与机械耦合结构传递到激光头(1)；
步骤三：焊接时，激光发生器产生激光，保护气体输入激光头(1)，激光头(1)对激光束进行聚焦，产生焊接所需激光束，超声振动通过激光头(1)传递到激光束和焊接熔池；
所述换能器(3)和变幅杆(2)设有的数量均为两个，所述超声发生器(4)能够输出1路或2路高频信号到变幅杆(2)，两个所述变幅杆(2)能够分别放大两个所述换能器(3)发出的超声振动；两个所述换能器(3)处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；以两个所述变幅杆(2)的放大倍数分别为m和n，通过控制两组超声振动的振幅和振动的相位差，使激光头呈圆形、椭圆形轨迹振动，从而实现光斑在同一平面沿圆形、椭圆形轨迹振动：即当超声发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数m＝n时，激光束的振动轨迹为圆形；当超声发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数m≠n时，激光束的振动轨迹为椭圆形。
6.根据权利要求5所述超声辅助激光焊接方法，其特征在于：所述步骤一中超声发生器(4)的功率为50～3000W，频率为20～200KHz；当超声发生器(4)发出2路高频交流电时，两路交流电相位差设置为0或π/2；两个所述换能器(3)型号相同；所述步骤二中变幅杆(2)放大后的超声振动振幅为1～100μm。
7.根据权利要求5所述超声辅助激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三中激光发生器为CO2激光器或Nd:YAG激光器或半导体激光器或光纤激光器，输出方式为脉冲或连续；激光发生器的输出功率为100～10000W；保护气体为氦或氩气，气体流量为1～100L/min。
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