CN111545902B - 一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，包括固定架和若干超声发生装置，所述固定架用于可拆卸固定在激光头的外壳上，若干所述超声发生装置沿所述激光头的周向均匀分布并均固定在所述固定架上，所述超声发生装置均能够带动所述激光头进行竖向振动，所述超声发生装置均能够向所述激光头下方的焊接板上的熔池传送超声。本发明使激光摆动与超声波引起的竖向振动相耦合，实现激光光束的三维轨迹的运动，使激光和超声波都能更有效地作用于熔池，以改善焊接工艺条件，并获得优良的焊缝。

Description

一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置

技术领域

本发明涉及焊接工艺技术领域，特别是涉及一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置。

背景技术

激光焊接铝合金广泛地应用于工业制造领域的结构轻量化设计中，因为铝合金具有优良的综合性能(低密度，高强度，耐腐蚀性，可焊接性和良好的热/电导率)，且光纤激光焊接具有量密度高、热输入小及焊接效率高等特点。然而，单激光焊接铝合金存在局限性，例如焊缝中存在较多气孔、热裂纹等缺陷以及熔池流动行为不稳定。目前已经提出激光摆动法用于扩大激光的能量作用范围，光束沿着平面路径进行摆动，可增大熔池的搅拌作用，可以抑制焊缝气孔和裂纹等缺陷的产生，促进熔池内部的非自发形核，细化晶粒，以获得综合性良好的接头。

超声波是一种廉价且环保的能源，其高频振动能量在物质中传播时会产生力学效应和热效应，可用于辅助激光焊接工艺。将超声波作用于熔池，超声波的空化作用和破碎理论，有利于异质形核的晶粒细化，同时超声波的空化作用会促进液态金属中的气体充分溢出。超声波的声流扰动效应可以提高熔池的流动性，利于形成对流或涡流，改善元素偏析现象；超声波的热效应可以降低熔池的温度梯度，从而优化激光焊接接头的整体强度。现有的关于超声波辅助激光焊接的技术如下：1、一种超声辅助激光焊接装置(公开号CN：207900455 U)将超声辅助装置水平放置，轴线相互垂直，通过两组超声振动恒定的相位差，使激光束在二维平面呈现呈圆形、椭圆形或直线形轨迹的高频振动，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。2、一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法(公开号：CN 105583523 A)通过预设倾斜盲孔辅助激光振动，并将辅助激光振动应用于厚板的激光对接深熔焊中，将频率为25kHz、振幅为30um的超声变幅杆压合于母材上表面，将频率为35kHz、振幅为10um的超声变幅杆悬空置于激光焊接熔池的上方，分别通过工件和空气两种不同的传播介质将超声振动引入焊接熔池，利用超声的声流效应和预制盲孔优化焊缝根漏现象，减少焊缝气孔缺陷，并大大降低厚板焊接的变形和残余应力缺陷。3、一种镁合金激光-超声双面焊接的方法(公开号：CN 105364326 A)该利用激光-超声双面焊接的方法，将超声波施加于焊缝背面，在双热源的作用下可有效提高焊接镁合金的效率，降低熔池温度梯度和焊缝中的热应力，从而提高焊缝的力学性能。4、超声辅助激光点焊装置及方法(公开号：CN 108381039 A)通过气压传动系统将高频超声能量引入激光点焊工艺过程中实现对界面反应的控制，强化熔体流动，减小连接面的残余应力，提高连接强度。

然而，以上现有的研究中激光光束摆动行为均缺乏竖向运功，使激光光束的摆动停留于二维平面，无法实现超声波的竖向搅动，而且现有的三维焊接(公开号：CN107498198 A)是利用添加Z轴振镜，利用电机转动带动曲柄连杆机构或者电感线圈带动Z轴透镜往复运动，实现Z方向的动态聚焦，但机械结构和光路设计相对复杂，且无法达到超声波驱动的高频振动，利用弹性装置和电磁场的配合也难以实现精准的振幅控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，以解决上述现有技术存在的问题，使激光摆动与超声波引起的竖向振动相耦合，实现激光光束的三维轨迹的运动，使激光和超声波都能更有效地作用于熔池，以改善焊接工艺条件，并获得优良的焊缝。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，包括固定架和若干超声发生装置，所述固定架用于可拆卸固定在激光头的外壳上，若干所述超声发生装置沿所述激光头的周向均匀分布并均固定在所述固定架上，所述超声发生装置均能够带动所述激光头进行竖向振动，所述超声发生装置均能够向所述激光头下方的焊接板上的熔池传送超声波。

优选的，所述固定架与所述激光头的外壳利用螺栓连接。

优选的，所述超声发生装置包括一体化的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，所述超声发生器用于与工频电源电连接，所述超声变幅杆与连接杆的一端滑动连接，所述连接杆的另一端固定在所述固定架上。

优选的，所述超声变幅杆为圆锥形结构，靠近所述固定架的所述超声变幅杆的侧壁上开设有竖直的滑槽，所述连接杆在所述滑槽中自由滑动并能够固定在所述滑槽中。

优选的，所述滑槽的底部等间距分布若干个定位凸块，所述连接杆的端部设置有与所述定位凸块形状相匹配的第一定位槽，所述滑槽的两侧槽壁上均等间距分布有若干与所述定位凸块位置相对应的限位凸块，所述连接杆的侧壁上设置有与所述限位凸块形状相匹配的第二定位槽。

优选的，所述连接杆为伸缩杆。

优选的，所述连接杆上均固定有振动变频器，所述振动变频器均焊接固定在所述固定架上，所述振动变频器均与变频控制器电连接。

优选的，所述超声变幅杆的振幅为100～150μm，振动频率大于20kHz。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明在激光头上通过固定架设置可拆卸的超声发生装置，超声发生装置带动激光头进行竖向振动，从而使得超声发生装置既作为带动激光头竖向运动的振动源，又作为非接触搅拌熔池的能量源，充分彻底的对熔池进行搅拌，并附加超声波的声流效应和空化作用促进气体逸出，有利于形成晶粒细化，气孔缺陷少，从而获得优异的激光焊缝。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置的结构示意图；

图2为本发明随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置的俯视图；

图3为本发明中滑槽的正视图；

图4为本发明中滑槽的截面示意图；

图5为激光头的竖向振动与平面正弦运动相合成的三维螺旋线轨迹图；

其中：1-激光头，2-固定架，3-振动变频器，4-超声发生器，5-超声换能器，6-超声变幅杆，7-连接杆，8-滑槽，81-定位凸块，82-限位凸块，9-变频控制器，10-焊接板，11-激光焊缝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示：本实施例提供了一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，包括固定架2和若干超声发生装置，固定架2用于可拆卸固定在激光头1的外壳上，具体的固定架2与激光头1的外壳利用螺栓连接，若干超声发生装置沿激光头1的周向均匀分布并均固定在固定架2上，超声发生装置均能够带动激光头1进行竖向振动，超声发生装置均能够向激光头1下方的焊接板10上的熔池传送超声波。本实施例中的超声发生装置为四个，固定架2为正方形框架，固定架2的每个边上固定一个超声发生装置，从而使得超声发生装置两两对称，使得激光头1竖向运动与平面激光摆动耦合后的轨迹更容易掌控。

本实施例中超声发生装置包括一体化的超声发生器4、超声换能器5和超声变幅杆6，超声发生器4用于与工频电源电连接，超声变幅杆6与连接杆7的一端滑动连接，连接杆7的另一端固定在固定架2上，连接杆7为伸缩杆，通过连接杆7的伸缩可以调节超声变幅杆6距离激光头1的距离，提高超声变幅杆6的灵活性。超声变幅杆6为圆锥形结构，靠近固定架2的超声变幅杆6的侧壁上开设有竖直的滑槽8，连接杆7在滑槽8中自由滑动并能够固定在滑槽8中。

滑槽8的底部等间距分布若干个定位凸块81，连接杆7的端部设置有与定位凸块81形状相匹配的第一定位槽，滑槽8的两侧槽壁上均等间距分布有若干与定位凸块81位置相对应的限位凸块，连接杆7的侧壁上设置有与限位凸块形状相匹配的第二定位槽。连接杆7上均可以固定有振动变频器3，振动变频器3均焊接固定在固定架2上，振动变频器3均与变频控制器9电连接。当连接杆7滑动到滑槽8的定位凸块81时，定位凸块81以及两侧的限位凸块会对连接杆7的头部起到夹紧作用，从而实现定位作用，当需滑动到其它位置时将连接杆7沿滑槽8的长度方向推拉即可。

工频电源(220V/380V，50Hz)经过超声波发生器转换为频率为>20kHz的高频交流电，高频交流电同时输入到超声换能器5中，经过超声换能器5和圆锥形的变频变幅杆输出大幅高频(振幅为100～150μm，振动频率大于20kHz)的振动。四个超声变幅杆6的振幅进行叠加可输出的振幅范围为400～600μm且与激光平面摆动幅度(1mm左右)相近的振动。伸缩杆7沿滑动凹槽8竖向移动，以不同截面作为输出端，可输出不同振幅的波形，从而提升竖向振动振幅的可调节性和灵活性。

超声变幅杆6，又称为超声波聚能器、超声波机械变压器，是超声发生装置中的组成部分，主要功能包括超声波振幅的放大、振动系统的固定等，且其共振频率与振幅受超声换能器5与自身几何尺寸决定。本实施例首先利用圆锥形的超声变幅杆6与连接杆7进行振幅调节，连接杆7可沿超声变幅杆6侧壁上的滑槽8竖向滑动，通过超声变幅杆6变截面输出不同振幅的振动，使激光头1Z轴向振动的振幅可灵活调节，同时由于四个超声变幅杆6是相同的且统一控制，振动的幅值可叠加且频率不变，因此可实现放大激光头1Z方向的振幅。再者，利用振动变频器3实现振动频率的调节，固定架2与连接杆7连接处固定一个振动变频器3，四个振动变频器3利用变频控制器9协同控制振动频率和相位，从而可以实现激光头1的竖向高频振动(>20kHz)，还可以通过调节变频控制器9，使振动频率在激光摆动频率范围之内，实现竖向振动与激光光束的平面摆动路径相互耦合成三维路径，变频控制器9仅对波形的频率进行调节而不改变波形的振幅，达到波形可控的目的。如图5所示，该路径是将激光头1的竖向振动与平面正弦运动相合成的三维螺旋线轨迹，图中箭头所指方向为焊接方向。激光头1的竖向振动可与超声变幅杆6的输出频率还可以设置为同频(>20kHz)，此时Z轴向的振动频率约为XY方向激光摆动频率的1000倍，此时所形成的焊缝熔深恒定，激光的行进路径是不规则的随机的空间曲线，对熔池可以进行彻底的无死角的振荡。

技术效果：

1、本实施例在激光头1上通过固定架2设置可拆卸的超声发生装置，超声发生装置带动激光头1进行竖向振动，从而使得超声发生装置具有两个作用，其一，与激光头1连接，带动激光头1沿竖向进行大幅度振动，其二，对焊接板10上的熔池实现高频非接触震荡，充分彻底的对熔池进行搅拌，并附加超声波的声流效应和空化作用促进气体逸出，有利于形成晶粒细化，气孔缺陷少，从而获得优异的激光焊缝11，具体如图1所示。

2、四个超声变幅杆6采用同源控制输出，保证振动频率、幅度和相位的一致性，因此四个超声变幅杆6输出的波形振幅相加，频率不变，可满足与四个超声变幅杆6相连的激光头1输出较大的振幅。同时，利用连接杆7在滑槽8中的位置调节，使振动振幅灵活可调，已获得最优的振动效果。

3、利用振动变频器3可将竖向振动频率与平面摆动频率相配合，实现三维路径的可控性，例如，竖向振动频率可与激光摆动焊的平面正弦轨迹相合成形成三维空间螺旋线轨迹，从而对熔池的扰动作用更加强烈，还能有效避免利用光学原理实现的光路设计及机械结构的复杂性。另外，激光头1的竖向振动可与超声变幅杆6的输出频率设置为同频，利用超声振动辅助实现激光头1竖向高频振动，振动频率约为平面激光摆动频率的1000倍。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：包括固定架和若干超声发生装置，所述固定架用于可拆卸固定在激光头的外壳上，若干所述超声发生装置沿所述激光头的周向均匀分布并均固定在所述固定架上，所述超声发生装置均能够带动所述激光头进行竖向振动，所述超声发生装置均能够向所述激光头下方的焊接板上的熔池传送超声波，超声变幅杆为圆锥形结构，靠近固定架的所述超声变幅杆的侧壁上开设有竖直的滑槽，连接杆在所述滑槽中自由滑动并能够固定在所述滑槽中。

2.根据权利要求1所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述固定架与所述激光头的外壳利用螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述超声发生装置包括一体化的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，所述超声发生器用于与工频电源电连接，所述超声变幅杆与连接杆的一端滑动连接，所述连接杆的另一端固定在所述固定架上。

4.根据权利要求1所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述滑槽的底部等间距分布若干个定位凸块，所述连接杆的端部设置有与所述定位凸块形状相匹配的第一定位槽，所述滑槽的两侧槽壁上均等间距分布有若干与所述定位凸块位置相对应的限位凸块，所述连接杆的侧壁上设置有与所述限位凸块形状相匹配的第二定位槽。

5.根据权利要求3所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述连接杆为伸缩杆。

6.根据权利要求3所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述连接杆上均固定有振动变频器，所述振动变频器均焊接固定在所述固定架上，所述振动变频器均与变频控制器电连接。

7.根据权利要求3所述的随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，其特征在于：所述超声变幅杆的振幅为100～150μm，振动频率大于20kHz。

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