CN109954969B - 激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法。该方法的特征在于，在激光深熔焊接完成后，进行激光修饰焊接前，在激光焊接加工头上的聚焦透镜和防飞溅镜片之间插入衍射光学透镜，使原聚焦于焊接平面的聚焦光束经过衍射光学透镜后，改变光斑形状和光束能量分布，并且，激光焊接加工头与焊接平面的高度保持不变，激光修饰焊接时的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式均与激光深熔焊接时保持一致。不仅重新规划了激光束的形状和能量分布模式，进一步提高了激光修饰焊接质量，而且在保持焊接高度不变的前提下，能够实现激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换。该方法自动化程度高、方便快捷，激光焊缝质量高，生产效率高。

Description

激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法。
背景技术
激光焊接具有能量密度高、热输入总量低，焊接速度快，对材料的热损伤小，接头的残余应力低，可在大气环境下作业等特点，特别适用于航空航天等领域中薄壁空间复杂曲面结构的连接。但是，在激光深熔焊接过程中，焊缝表面常呈现出咬边、鱼鳞纹不均匀、表面成形不良问题。这些焊缝表面问题不仅严重影响焊接接头质量，而且在一定程度上也会削弱焊接结构的疲劳服役性能。
在焊接完成后采用离焦激光束对焊缝进行激光修饰焊接是改善前述焊缝表层质量的措施之一。激光修饰焊常利用正离焦(Δf＞0mm)或负离焦(Δf﹤0mm)激光束熔化工件焊缝表面，获得浅而宽焊缝的焊接工艺。激光修饰焊不仅能够愈合焊缝表层气孔缺陷、细化表层晶粒组织，而且能够进一步提高焊接接头的力学性能。因此，激光修饰焊在提高焊接接头质量和焊接结构的疲劳服役性能方面，具有积极意义。
当采用离焦激光束进行激光修饰焊接时，常需要将带动激光焊接加工头的机械手通过调整姿态的形式实现。不仅需要重新对机械手进行示教编程，也需要重新调整焊接气罩保护，自动化程度低，尤其对于空间复杂曲面结构、壳体和腔体结构的内部焊接、倾斜激光束焊接高反光材料时，过程调节更加复杂。此外，激光束的能量分布常呈高斯分布状态，处于特定离焦平面上的激光束也呈高斯分布状态。当激光束作用于焊缝中心时，修饰熔合线附近的咬边缺陷效果欠佳；当激光束作用于咬边部位时，需要两道修饰焊接分别对焊缝两侧的咬边缺陷进行修饰。现有技术的焊接过程复杂、工作效率低，自动化程度低，激光修饰焊接效果欠佳。
因此，发明人提供了一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，通过插入特定的衍射光学透镜，既能改变光斑形状和光束能量分布，又能在不改变聚焦透镜与焊接平面距离的前提下，实现激光深熔焊接和激光修饰焊接两种模式的柔性切换，解决了现有焊接效率低、效果欠佳的问题。
本发明的实施例提出了一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，在激光深熔焊接完成后，进行激光修饰焊接前，在激光焊接加工头上的聚焦透镜(2)和防飞溅镜片(3)之间插入衍射光学透镜(7)，使原聚焦于焊接平面(5)的聚焦光束经过所述衍射光学透镜(7)后，改变光斑形状和光束能量分布，并且，所述激光焊接加工头与所述焊接平面(5)的高度保持不变，激光修饰焊接时的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式均与激光深熔焊接时保持一致。
进一步地，所述衍射光学透镜(7)朝向所述聚焦透镜(2)侧的一面为凹面镜，在所述凹面镜的表面涂有增透膜，且透光率不低于95％，朝向所述防飞溅镜片侧的一面为刻蚀有台阶型或连续浮雕结构的平面镜。
进一步地，所述凹面镜设计为凹球面，所述凹球面的焦距范围为-800mm～-500mm，所述凹面镜能够获得能量相对均匀分布的圆形光斑，光斑直径范围为3mm～6mm，用于实现宽度为1mm～3mm的较窄焊缝的激光修饰焊接。
进一步地，所所述凹面镜设计为双柱面凹槽，所述双柱面凹槽的半径R范围为500mm～800mm，双柱面的轴心间距范围为20mm～100mm，所述凹面镜能够获得有一定间距的两束能量相对均匀分布的分束光斑，此两束分束光斑在焊缝宽度方向的宽度范围为3mm～5mm，间距范围为3mm～8mm，能够同时作用于焊缝两侧熔合线及其附近。
进一步地，所述聚焦透镜(2)的聚焦范围为150mm～500mm，穿过聚焦透镜(2)的激光束直径范围为20mm～50mm，焦斑直径为0.20mm～0.40mm。
进一步地，所述激光深熔焊接时，采用的光源为光纤激光或YAG激光。
进一步地，激光深熔焊接方法为激光自熔焊接、激光填丝焊接、预置填料激光焊接或者以激光为主热源的激光电弧复合焊接。
进一步地，所述防飞溅镜片(3)为平面镜片，其表面涂有增透膜，且透光率要求不低于95％，用于阻止焊接飞溅、金属蒸汽、等离子体污染所述聚焦透镜(2)和所述衍射光学透镜(7)。
进一步地，在所述防飞溅镜片(3)和焊接平面(5)之间设置气帘装置(4)，通过向所述气帘装置(4)内通入压缩空气，改变焊接飞溅、金属蒸汽/等离子体的飞行轨迹，用于减少污染。
进一步地，所述衍射光学透镜(7)与所述防飞溅镜片(3)可拆卸地分别安装在定位固定装置的沿激光束轴向的两层结构中，且两镜片之间的距离为10mm～30mm。
综上，本发明的一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，通过插入特定设计的衍射光学透镜，不仅重新规划了激光束的形状和能量分布模式，进一步提高了激光修饰焊接质量，而且在保持焊接高度不变的前提下，能够实现激光深熔焊后的激光修饰焊接功能，两种焊接模式的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式均保持不变，简化了切换过程调节，实现了柔性切换，尤其适用于空间复杂曲面的三维焊缝、壳体和腔体结构的内部焊接，自动化程度高、方便快捷，激光焊缝质量高，生产效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是激光深熔焊接状态示意图。
图2是插入衍射光学透镜后的激光修饰焊接状态示意图。
图3是凹球面衍射光学透镜的光路示意图。
图4是双柱面凹槽衍射光学透镜的光路示意图。
图5是双柱面凹槽衍射光学透镜的主视示意图。
图6是双柱面凹槽衍射光学透镜的俯视示意图。
图中：
1-激光束；2-聚焦透镜；3-防飞溅镜片；4-气帘装置；5-焊接平面；6-聚焦光斑；7-衍射光学透镜；8-衍射光斑；71-凹球面衍射光学透镜；72-未穿过衍射光学透镜71前的光束能量分布；73-穿过衍射光学透镜71后的光束能量分布；74-双柱面凹槽衍射光学透镜；75-穿过双柱面凹槽衍射光学透镜74后的光束能量分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
激光焊接基于“小孔效应”原理，在激光深熔焊接过程中，与钢、钛合金相比，熔融状态下的铝合金液体表面张力较小、流动性较好，在焊接小孔剧烈蒸发、汽化现象下，不仅产生较多的焊接飞溅，而且焊缝表面常呈现出咬边、鱼鳞纹不均匀、表面成形不良问题。同样，钢、钛合金在长焊缝“小孔效应”激光焊接过程中也易出现局部咬边等缺陷。所述焊缝表面问题不仅严重影响焊接接头质量，而且在一定程度上也会削弱焊接结构的疲劳服役性能。为消除激光深熔焊缝的咬边、鱼鳞纹不均匀、表面成形不良和凹陷问题，在焊接完成后采用离焦激光束对焊缝进行激光修饰焊接是改善焊缝表层质量的措施之一。
如图1是激光深熔焊接状态示意图，激光束1通过聚焦透镜2和防飞溅镜片3后，形成的聚焦光斑6作用在焊接平面5上。当采用离焦激光束进行激光修饰焊接时，常需要将带动激光焊接加工头的机械手通过调整姿态的形式实现，即聚焦透镜2与焊接平面5之间的高度发生改变。从激光深熔焊接状态切换到激光修饰焊接时，操作复杂，自动化程度低，工作效率低，修饰效果欠佳。因此，为了简化焊接过程，提高激光深熔焊后激光修饰焊的工作效率和自动化程度，并获得更好的激光修饰焊接效果，特提出一种激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，在激光深熔焊后不需要调节聚焦透镜2与焊接平面5的距离和气罩保护方式，显著简化作业过程，提高作业效率。并且，通过调控光束能量分布模式，提升激光修饰焊接效果，进一步提高接头质量。
图2是插入衍射光学透镜后的激光修饰焊接状态示意图。参见图1和图2所示，本发明是在激光深熔焊接完成后，在激光焊接加工头的聚焦透镜2和防飞溅镜片3之间，插入衍射光学透镜7，激光束1依次通过聚焦透镜2、衍射光学透镜7和防飞溅镜片3后，形成的衍射光斑8仍然作用在焊接平面5上，本发明使聚焦于焊接平面5的聚焦光束经过衍射光学透镜7后，不仅实现了光斑形状的重新设计，而且利用衍射光学透镜7的衍射原理改变了光束能量分布模式，使激光修饰焊接质量进一步提高。并且激光深熔焊接的焊接平面5与激光修饰焊接的作用平面重合，即激光焊接加工头与焊接平面5的高度保持不变，故焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式均保持不变，显著简化焊接过程调节，提高生产效率。
其中，衍射光学透镜7朝向聚焦透镜2侧的一面为凹面镜，在凹面镜的表面涂有增透膜，且透光率不低于95％，朝向防飞溅镜片侧的一面为刻蚀由台阶型或连续浮雕结构的平面镜。该台阶型或连续浮雕结构基于光波的衍射理论，能够形成同轴再现且具有极高衍射效率，是现有的衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical Elements)的一部分，此为现有技术，在此不再赘述。
参见图3所示，作为一种可选实施例，衍射光学透镜的凹面镜设计为凹球面，即图中凹球面衍射光学透镜71，图中序号72代表未穿过衍射光学透镜71前的光束能量分布，序号73代表穿过衍射光学透镜71后的光束能量分布。该凹球面的焦距范围为-800mm～-500mm，由图可知，该凹面镜能够获得能量相对均匀分布的圆形光斑，且光斑直径范围为3mm～6mm，可用于实现宽度为1mm～3mm的较窄焊缝的激光修饰焊接。
参见图4-图6所示，作为另一种可选实施例，衍射光学透镜7的凹面镜设计为双柱面凹槽，即图中双柱面凹槽衍射光学透镜74，图中序号75代表穿过双柱面凹槽衍射光学透镜74后的光束能量分布。该双柱面凹槽的半径R范围为500mm～800mm，双柱面的轴心间距范围为20mm～100mm，由图可知，该凹面镜通过双柱面凹槽能够获得有一定间距的两束能量相对均匀分布的近半椭圆形分束光斑，相比实施例1中的圆形光斑，本实施例2的两束分束光斑相当于是2个半圆形光斑，光斑只在宽度方向散焦放大，在长度方向没有放大，形成了2个类似于半椭圆形的光斑。具体实施时，此两束分束光斑在焊缝宽度方向的宽度范围为3mm～5mm，间距范围为3mm～8mm，能够同时作用于焊缝两侧熔合线及其附近，有利于同时对焊缝两侧进行修饰，进一步提高了激光修饰焊接效率和焊接质量。
作为一种优选实施例，聚焦透镜2的聚焦范围为150mm～500mm，穿过聚焦透镜2的激光束直径范围为20mm～50mm，焦斑直径为0.20mm～0.40mm。
实现上述激光深熔焊接采用的光源为光纤激光或YAG激光，激光深熔焊接方法可以是激光自熔焊接、激光填丝焊接、预置填料激光焊接或者以激光为主热源的激光电弧复合焊接。
需要说明的是，防飞溅镜片3为平面镜片，其表面涂有增透膜，且透光率要求不低于95％，用于阻止焊接飞溅、金属蒸汽、等离子体污染所述聚焦透镜2和所述衍射光学透镜7。此外，为尽量减少焊接飞溅、金属蒸汽/等离子体对上述防飞溅镜片3的污染，在防飞溅镜片3和焊接平面5之间还设置有气帘装置4，通过向该气帘装置4内通入压缩空气，改变焊接飞溅、金属蒸汽/等离子体的飞行轨迹，从而实现减少污染机率的目的。
此外，本发明中的衍射光学透镜7与防飞溅镜片3可拆卸地分别安装在定位固定装置的两层结构中，该两层结构在定位固定装置上沿激光束1的轴向设置，分别用于定位固定衍射光学透镜7和防飞溅镜片3。并且两镜片之间的距离为10mm～30mm，便于设计一体化的该定位固定装置以实现防飞溅镜片3的更换和衍射光学透镜7的插入或旋转进入。
具体地，分别采用凹球面和双柱面凹槽设计的衍射光学透镜7为实施例1和实施例2，说明激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换步骤。
实施例1：参见图2和图3，采用凹球面设计的衍射光学透镜，用于激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换，包括以下步骤：
步骤一.选择适用于修饰焊缝熔宽为2mm～3mm的一面为凹球面、另一面为台阶型或连续浮雕结构的凹球面衍射光学透镜71，凹球面衍射光学透镜71的凹球面焦距为-600mm。
步骤二.在金属结构件的焊接平面5，采用焊接速度不低于6m/min，激光功率不低于4kW、零离焦量的焊接工艺参数，完成光纤激光深熔焊接后，清除焊缝表面的焊接飞溅。本步骤中，激光深熔焊接时的聚焦透镜2的焦距为255mm，穿过聚焦透镜2的激光束直径为30mm，焦斑直径为0.28mm。
步骤三.在聚焦透镜2和防飞溅镜片3之间，插入步骤一中的凹球面衍射光学透镜71。本步骤中，凹球面衍射光学透镜71可采用抽屉式的直接插入法、旋转进入法。
步骤四.对焊缝的待修饰表面进行激光修饰焊接，改善焊缝咬边、鱼鳞纹不均匀、表面成形不良等缺陷。本步骤中，激光修饰焊接所采用的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式与步骤二中的激光深熔焊接完全一致，激光修饰焊缝宽度范围为4mm～6mm。
步骤五.将激光焊接结构件从焊接夹持装置中取出。
实施例2：参见图2、图4、图5和图6，采用双柱面凹槽衍射光学透镜，用于激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换，包括以下步骤：
步骤一.选择适用于修饰焊缝熔宽为5mm～6mm的一面为双柱面凹槽、另一面为台阶型或连续浮雕结构的衍射光学透镜74，双柱面的半径R为600mm，双柱面的轴心间距为50mm。
步骤二.在金属结构件的焊接平面5，采用焊接速度为1.0m/min～2.0m/min，激光功率为2kW～3kW、零离焦量的焊接工艺参数，完成光纤激光深熔焊接后，清除焊缝表面的焊接飞溅。本步骤中的激光深熔焊接时的聚焦透镜2的焦距为255mm，穿过聚焦透镜2的激光束直径为30mm，焦斑直径为0.28mm。
步骤三.在聚焦透镜2和防飞溅镜片3之间，插入步骤一中的双柱面凹槽衍射光学透镜74。本步骤中的双柱面凹槽衍射光学透镜74可采用抽屉式的直接插入法、旋转进入法。
步骤四.对焊缝两侧的咬边区域进行激光修饰焊接，改善焊缝咬边缺陷。本步骤中的激光修饰焊接所采用的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式与步骤二中的激光深熔焊接完全一致，并列的两道激光修饰焊缝宽度范围分别为3mm～5mm，间距约3mm～5mm。
步骤五.将激光焊接结构件从焊接夹持装置中取出。
此外，利用该激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换，也可以提高以激光为热源之一的复合焊缝质量。即在复合焊接完成后，采用该柔性切换方法，使热源之一的激光束散焦，从而实现焊缝的激光修饰焊接功能。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，在激光深熔焊接完成后，进行激光修饰焊接前，在激光焊接加工头上的聚焦透镜(2)和防飞溅镜片(3)之间插入衍射光学透镜(7)，使原聚焦于焊接平面(5)的聚焦光束经过所述衍射光学透镜(7)后，改变光斑形状和光束能量分布，并且，所述激光焊接加工头与所述焊接平面(5)的高度保持不变，激光修饰焊接时的焊接程序、焊接路径以及焊接气罩保护方式均与激光深熔焊接时保持一致；其中，
所述衍射光学透镜(7)朝向所述聚焦透镜(2)侧的一面为凹面镜，在所述凹面镜的表面涂有增透膜，且透光率不低于95％，朝向所述防飞溅镜片侧的一面为刻蚀有台阶型或连续浮雕结构的平面镜。
2.根据权利要求1所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述凹面镜设计为凹球面，所述凹球面的焦距范围为-800mm～-500mm，所述凹面镜能够获得能量相对均匀分布的圆形光斑，光斑直径范围为3mm～6mm，用于实现宽度为1mm～3mm的较窄焊缝的激光修饰焊接。
3.根据权利要求1所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述凹面镜设计为双柱面凹槽，所述双柱面凹槽的半径R范围为500mm～800mm，双柱面的轴心间距范围为20mm～100mm，所述凹面镜能够获得有一定间距的两束能量相对均匀分布的分束光斑，此两束分束光斑在焊缝宽度方向的宽度范围为3mm～5mm，间距范围为3mm～8mm，能够同时作用于焊缝两侧熔合线及其附近。
4.根据权利要求1-3任一项所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述聚焦透镜(2)的聚焦范围为150mm～500mm，穿过聚焦透镜(2)的激光束直径范围为20mm～50mm，焦斑直径为0.20mm～0.40mm。
5.根据权利要求1所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述激光深熔焊接时，采用的光源为光纤激光或YAG激光。
6.根据权利要求5所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，激光深熔焊接方法为激光自熔焊接、激光填丝焊接、预置填料激光焊接或者以激光为主热源的激光电弧复合焊接。
7.根据权利要求1所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述防飞溅镜片(3)为平面镜片，其表面涂有增透膜，且透光率要求不低于95％，用于阻止焊接飞溅、金属蒸汽、等离子体污染所述聚焦透镜(2)和所述衍射光学透镜(7)。
8.根据权利要求7所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，在所述防飞溅镜片(3)和焊接平面(5)之间设置气帘装置(4)，通过向所述气帘装置(4)内通入压缩空气，改变焊接飞溅、金属蒸汽/等离子体的飞行轨迹，用于减少污染。
9.根据权利要求7所述的激光深熔焊接和激光修饰焊接的柔性切换方法，其特征在于，所述衍射光学透镜(7)与所述防飞溅镜片(3)可拆卸地分别安装在定位固定装置的沿激光束轴向的两层结构中，且两镜片之间的距离为10mm～30mm。
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