CN108381039A - 超声辅助激光点焊装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声辅助激光点焊装置及方法，所述装置包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；激光焊接头安装在六轴联动机器人上，与激光器连接；C形架安装在激光焊接头下方，C形架上端设置有开孔，激光焊接头发出的激光可以穿过开孔照射到开孔下方的待焊金属材料上；气压传动系统固定在C形架下端，超声振动装置安装在气压传动系统上。本发明将高频超声能量引入焊接中，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。

Description

超声辅助激光点焊装置及方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种超声辅助激光点焊装置及方法。
背景技术
据环保局有关数据显示，除电力工业外，交通运输业的温室气体排放量是最高的，而车身的轻量化是解决此问题的关键方法之一。为实现轻量化的同时保证汽车安全系数，车身结构和承重部位采用高强钢，其余部分采用铝合金等轻质合金材料，充分发挥各种材料的优势，因此异种材料连接技术成为一个研究热点。
在单一材料钢制车身的焊接中，电阻点焊的自动化、机械化具有不可替代的优势，已经在大规模的工业生产中应用了几十年。然而对于异种金属的焊接，传统方式的电阻点焊会在连接界面产生大量的脆性金属间化合物，极大地影响了接头的连接强度。
激光焊接具有高效快速的优点，可形成深而窄、热影响区小的焊缝，焊接一致性、稳定性好，通常不需要加入填充金属和焊丝。激光工艺参数高度灵活可调，可精确控制加热区域和加热时间。随着先进制造技术的发展，焊接产品的自动化、柔性化与智能化必将成为发展趋势，因此激光点焊具有很好的发展前景。
超声波作为一种廉价、环保的能源，在辅助激光焊接过程中，其产生的高频振动能量会在熔池中产生空化效应和声流效应。空化效应具有显著的排气效果，其产生的巨大压力变化会打破枝晶，增加对第二相粒子的润湿性，提高异质形核；声流的扰动效应能提高熔池的流动性，促进形成对流或涡流，降低温度梯度，改善元素偏析，从而提高接头整体结构强度。
传统电阻点焊工艺参数难以控制，焊接质量不稳定，温度过高导致异种金属连接界面大量硬脆金属间化合物的产生，接头会残余应力和气孔。
中国专利CN104439684A公开了一种超声辅助的自冲铆接方法，是将超声振动头呈一定角度施加在半空心铆钉的夹具上，解决了异种金属材料的电阻点焊中硬脆金属间化合物的产生，减小了铆钉的阻力。但其本质仍为机械连接，达不到冶金结合的强度。
中国专利CN104400237A公开了一种多物理场辅助异种金属的焊接方法，在焊接前将材料预热到一定温度，然后在电磁、超声双物理场的作用下进行焊接，利用异种金属反应生成的金属间化合物形成颗粒增强的焊缝，以期提高接头力学性能。但该方法中工件的预热温度、电磁场及超声场之间能否实现真正的耦合还有待商榷且多物理场在熔池中纷杂的力学状况难以把控，很难实现预期效果。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种超声辅助激光点焊装置及方法。所述技术方案如下：
一方面，一种超声辅助激光点焊装置，包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；激光焊接头安装在六轴联动机器人上，与激光器连接；C形架安装在激光焊接头下方，C形架上端设置有开孔，激光焊接头发出的激光可以穿过开孔照射到开孔下方的待焊金属材料上；气压传动系统固定在C形架下端，超声振动装置安装在气压传动系统上。
进一步的，气压传动系统包括：气压缸、第一气孔、活塞、第二气孔和活塞杆；活塞安装在活塞杆下端，并套装在气压缸中；第一气孔设置在气压缸下端，第二气孔设置在气压缸上端。
进一步的，超声振动装置包括：超声波振动工具头、变幅杆、超声换能器和超声波发生器；超声换能器通过轴套固定在活塞杆上端，超声波振动工具头与变幅杆连接，变幅杆与超声换能器连接，超声换能器连接超声波发生器。
进一步的，超声波振动工具头端部开有凹槽，凹槽宽4-6mm，深2-4mm。
进一步的，激光器发出的激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束。
进一步的，激光平均功率3-4kW，光斑直径3-5mm。
进一步的，超声波发生器发出的超声波振幅为10-20μm，工作频率为 20-50kHz，超声振动工具头与待焊金属材料的接触压力控制在0.3-0.5MPa。
另一方面，一种超声辅助激光点焊方法，包括以下步骤：
(1)将待焊金属材料进行激光表面织构化处理；
(2)将处理后的待焊金属材料采用搭接方式固定；
(3)在待焊金属材料下方施加超声波，在待焊金属材料上方使用激光照射焊接。
进一步的，步骤(3)激光与超声波共同作用2s，激光停止，超声波继续作用2-4s。
进一步的，步骤(2)中，将高熔点、低光反射率材料置于上方，低熔点、高光反射率材料置于下方。
进一步的，步骤(1)中，激光的平均功率为20-100W，脉冲频率为20-400kHz，扫描速度为130-200mm/s。
进一步的，步骤(1)中，激光表面织构化处理在待焊金属材料表面烧蚀出微凹坑，微凹坑包括圆形阵列微凹坑、槽状微凹坑和蜂窝状微凹坑；圆形阵列微凹坑平均直径为220-250μm，深度为150-180μm，表面织构的面密度为22％；槽状微凹坑宽度为200-230μm，深度为160-200μm，表面织构的面密度为30％；蜂窝状微凹坑直径220-250μm，深度为150-180μm，表面织构面密度为55％。
进一步的，步骤(3)中，超声波振幅为10-20μm，工作频率为20-50kHz。
进一步的，步骤(3)中，激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种。
进一步的，步骤(3)中，激光平均功率3-4kW，光斑直径3-5mm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的超声辅助激光点焊装置及方法，将高频超声能量引入焊接中，在熔体中产生空化、声流现象，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。利用短脉冲或超短脉冲激光对金属表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面形成微凹坑，将高强钢等高熔点、低光反射率材料置于上端，铝合金等低熔点、高光反射率合金材料置于下端，高熔点的母材在激光照射下不发生熔化，在热传导作用下低熔点的母材却熔化，依靠毛细作用及超声振动作用产生的流动性，提高界面润湿性，使熔融母材更饱满的填充了另一侧母材的微凹坑，从而在焊后形成了不同形状的“扎钉”并发生液-固冶金反应，一方面避免了金属间化合物的产生，一方面增加了连接强度。将超声振动设备和气压传动装置组合，可以高效、灵活的控制超声振动头与焊接材料表面的接触力，实现高效、连续的超声辅助激光点焊。
附图说明
为了更清楚地说明本发明施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例1超声辅助激光点焊装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例1超声辅助激光点焊装置的局部结构示意图；
图3是本发明实施例1超声辅助激光点焊装置中端部开槽的超声波振动工具头结构示意图；
图4是本发明实施例2-4中焊接过程中焊缝示意图；
图5是本发明实施例2中高强钢进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的高强钢表面圆形阵列微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部放大的圆形阵列微凹坑示意图；
图6是本发明实施例3中304不锈钢进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的304不锈钢表面槽状微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部放大的槽状微凹坑示意图；
图7是本发明实施例4中钛合金进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的钛合金表面蜂窝状微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部放大的蜂窝状微凹坑示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1-3所示，本发明的超声辅助激光点焊装置包括：激光焊接头1、C形架3、六轴联动机器人19、激光器20、超声振动装置和气压传动系统。激光焊接头1安装在六轴联动机器人19上，与激光器20连接；C形架3安装在激光焊接头1下方，C形架3上端设置有开孔4，激光焊接头1发出的激光2可以穿过开孔4照射到开孔4下方的待焊金属材料5上；气压传动系统固定在C形架3 下端，超声振动装置安装在气压传动系统上。激光器20还连接有激光器控制系统21，六轴联动机器人19还连接有机器人控制系统22。
气压传动系统包括：气压缸15、第二气孔16、活塞17、第一气孔18和活塞杆10。活塞17安装在活塞杆10下端，并套装在气压缸15中，第一气孔18 设置在气压缸15下端，第二气孔16设置在气压缸15上端。
超声振动装置包括：超声波振动工具头6、变幅杆7、超声换能器9和超声波发生器14。超声波振动工具头6与变幅杆7连接，变幅杆7与超声换能器9 连接，超声换能器9通过传输线11与超声波发生器14连接，变幅杆7将超声换能器9产生的机械振动放大、汇聚，并转移至超声波振动工具头6，最终将超声波作用在焊接过程中。在本发明中超声波振动工具头6端部开有宽4-6mm，深2-4mm的凹槽，可以在焊接熔池中形成不同的压力区，进一步促进熔体流动，提高低熔点母材熔体的润湿铺展性。超声波发生器14还通过电源线13与超声波发生器外接电源12连接。
超声换能器9通过轴套8固定在活塞杆10上端，整个气压传动系统控制超声波振动工具头6的往复运动，并通过调整超声波振动工具头6与待焊金属材料5之间的接触力来控制超声振动的输出功率。
焊接前，气压缸15的第一气孔18进气，第二气孔16出气，气压缸15增压，活塞17带动活塞杆10上移，超声波振动工具头6在活塞杆10的推动作用下以一定的接触力作用在待焊金属材料5下表面，实现超声辅助激光点焊。焊接完成后，第一气孔18出气，第二气孔16进气，活塞17带动活塞杆10下降，超声波振动工具头6远离待焊金属材料5。
在本实施例中，激光器20发出的激光2可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG 固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束，本申请对此不作具体限定。
在本实施例中，超声波振幅为10-20μm，工作频率为20-50kHz，超声振动工具头6与待焊金属材料5的接触压力控制在0.3-0.5MPa。
实施例2超声辅助激光点焊高强钢与5083铝合金异种金属
使用实施例1的装置对高强钢与5083铝合金进行焊接。
(1)焊接材料为厚度3mm的高强钢与厚度为5mm的5083铝合金，首先将待焊的两种金属材料用丙酮去除表面油污，然后将铝合金分别放入氢氧化钠和硝酸中进行碱洗和酸洗去除氧化膜。
(2)用短脉冲激光束对高强钢的一个表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面烧蚀出圆形阵列微凹坑(图5)，激光束平均功率为20W，脉冲频率为20kHz，扫描速度为140mm/s，微凹坑平均直径为220-250μm，深度为 150-180μm，表面织构的面密度为22％。
(3)将高强钢和5083铝合金搭接固定在一起，高强钢置于上端接收激光能量，5083铝合金置于下端接收超声振动，并且使高强钢进行过表面织构化处理的一面朝下，与5083铝合金接触。
(4)固定在C形架3上的气压缸15增压，使超声振动工具头6接触待焊金属材料5，接触力为0.4MPa。
(5)接通超声波发生器外接电源12，启动超声波发生器14，调节动态参数，使超声波振动工具头6的振幅为15μm，振动频率为35kHz。
(6)激光焊接头1与超声振动工具头6同轴，启动激光器20，使激光焊接头1发射激光2，激光2可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种。激光2穿过C 形架3上端的开孔4作用在待焊金属材料5上(图4，图中23为焊缝)，激光2 的功率为3.5kW，光斑直径为4mm。
(7)激光2与超声发生器14共同作用2s，激光2停止后，超声波发生器 14继续作用2s。
(8)焊接完成后，关闭激光器20和超声波发生器14。
实施例3超声辅助激光点焊304不锈钢与镁合金异种金属
使用实施例1的装置对304不锈钢与镁合金进行焊接。
(1)焊接金属材料为厚度2mm的304不锈钢与厚度5mm的镁合金，首先将待焊的两种金属材料用丙酮去除表面油污，然后将镁合金分别放入稀盐酸和氢氧化钠中进行酸洗和碱洗去除氧化膜。
(2)用超短脉冲激光束对304不锈钢的一个表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面烧蚀出槽状微凹坑(图6)，激光束平均功率为100W，脉冲频率为200kHz，扫描速度为150mm/s，微凹坑宽度为200-230μm，深度为 160-200μm，表面织构的面密度约为30％。
(3)将304不锈钢和镁合金搭接固定在一起，304不锈钢置于上端接收激光能量，镁合金置于下端接收超声振动，并且使304不锈钢进行过表面织构化处理的一面朝下，与镁合金接触。
(4)固定在C形架3上的气压缸15增压，使超声振动工具头6接触待焊金属材料5，接触力为0.3MPa。
(5)接通超声波发生器外接电源12，启动超声波发生器14，调节动态参数，使超声波振动工具头6的振幅为10μm，振动频率为20kHz。
(6)激光焊接头1与超声振动工具头6同轴，启动激光器20，使激光焊接头1发射激光2，激光2可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种。激光2穿过C 形架3上端的开孔4作用在待焊金属材料5上(图4，图中23为焊缝)，激光2 的功率为3kW，光斑直径为4mm。
(7)激光2与超声波发生器14共同作用2s，激光2停止后，超声波发生器14继续作用3s。
(8)焊接完成后，关闭激光器20和超声波发生器14。
实施例4超声辅助激光点焊钛合金与铜异种金属
使用实施例1的装置对钛合金与铜进行焊接。
(1)焊接金属材料为厚度3mm的钛合金与厚度5mm的铜，首先将待焊的两种金属材料用丙酮去除表面油污，然后用稀硫酸去除铜氧化膜。
(2)用超短脉冲激光束对钛合金的一个表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面烧蚀出蜂窝状微凹坑(图7)，激光束平均功率为50W，脉冲频率为400kHz，扫描速度为200mm/s，微凹坑直径220-250μm，深度为150-180μm，表面织构面密度约为55％。
(3)将钛合金和铜搭接固定在一起，钛合金置于上端接收激光能量，铜置于下端接收超声振动，并且使钛合金进行过表面织构化处理的一面朝下，与铜接触。
(4)固定在C形架3上的气压缸15增压，使超声振动工具头6接触待焊金属材料5，接触力为0.5MPa。
(5)接通超声波发生器外接电源12，启动超声波发生器14，调节动态参数，使超声波振动工具头6的振幅为20μm，振动频率为50kHz。
(6)激光焊接头1与超声振动工具头6同轴，启动激光器20，使激光焊接头1发射激光2，激光2可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种。激光2穿过C 形架3上端的开孔4作用在待焊金属材料5上(图4，图中23为焊缝)，激光2 的功率为4kW，光斑直径为4mm。
(7)激光2与超声波发生器14共同作用2s，激光2停止后，超声波发生器14继续作用4s。
(8)焊接完成后，关闭激光器20和超声波发生器14。
本发明将高频超声能量引入焊接中，在熔体中产生空化、声流现象，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。
利用短脉冲或超短脉冲激光对金属表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面形成微凹坑，将高强钢等高熔点、低光反射率材料置于上端，铝合金等低熔点、高光反射率合金材料置于下端，高熔点的母材在激光照射下不发生熔化，在热传导作用下低熔点的母材却熔化，依靠毛细作用及超声振动作用产生的流动性，提高界面润湿性，使熔融母材更饱满的填充了另一侧母材的微凹坑，从而在焊后形成了不同形状的“扎钉”并发生液-固冶金反应，一方面避免了金属间化合物的产生，一方面增加了连接强度。
将超声振动设备和气压传动装置组合，可以高效、灵活的控制超声振动头与焊接材料表面的接触力，实现高效、连续的超声辅助激光点焊。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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。

Claims (10)

1.一种超声辅助激光点焊装置，其特征在于，包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；所述激光焊接头安装在所述六轴联动机器人上，与所述激光器连接；所述C形架安装在所述激光焊接头下方，所述C形架上端设置有开孔，所述激光焊接头发出的激光可以穿过所述开孔照射到所述开孔下方的待焊金属材料上；所述气压传动系统固定在所述C形架下端，所述超声振动装置安装在所述气压传动系统上。
2.如权利要求1所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述气压传动系统包括：气压缸、第一气孔、活塞、第二气孔和活塞杆；所述活塞安装在所述活塞杆下端，并套装在所述气压缸中；所述第一气孔设置在所述气压缸下端，所述第二气孔设置在气压缸上端。
3.如权利要求2所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述超声振动装置包括：超声波振动工具头、变幅杆、超声换能器和超声波发生器；超声换能器通过轴套固定在所述活塞杆上端，所述超声波振动工具头与所述变幅杆连接，所述变幅杆与所述超声换能器连接，所述超声换能器连接所述超声波发生器。
4.如权利要求3所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，超声波振动工具头端部开有凹槽，凹槽宽4-6mm，深2-4mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述激光器发出的激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束。
6.一种超声辅助激光点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待焊金属材料进行激光表面织构化处理；
(2)将处理后的所述待焊金属材料采用搭接方式固定；
(3)在所述待焊金属材料下方施加超声波，在所述待焊金属材料上方使用激光照射焊接。
7.如权利要求6所述的超声辅助激光点焊方法，其特征在于，所述步骤(3)激光与超声波共同作用2s，激光停止，超声波继续作用2-4s。
8.如权利要求7所述的超声辅助激光点焊方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将高熔点、低光反射率材料置于上方，低熔点、高光反射率材料置于下方。
9.如权利要求8所述的超声辅助激光点焊方法，其特征在于，所述步骤(1)中，激光表面织构化处理在待焊金属材料表面烧蚀出微凹坑，所述微凹坑包括圆形阵列微凹坑、槽状微凹坑和蜂窝状微凹坑；所述圆形阵列微凹坑平均直径为220-250μm，深度为150-180μm，表面织构的面密度为22％；所述槽状微凹坑宽度为200-230μm，深度为160-200μm，表面织构的面密度为30％；所述蜂窝状微凹坑直径220-250μm，深度为150-180μm，表面织构面密度为55％；所述激光的平均功率为20-100W，脉冲频率为20-400kHz，扫描速度为130-150mm/s。
10.如权利要求9所述的超声辅助激光点焊方法，其特征在于，所述步骤(3)中，超声波振幅为10-20μm，工作频率为20-50kHz。
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