CN111940901A - 一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法，涉及激光焊接技术领域；该装置包括第一激光器、第二激光器、第一准直镜、折射镜、旋转平台、反射镜、聚焦镜和第二准直镜，第一激光器能够发射第一光束，第二激光器能够发射第二光束，折射镜的顶面为平面并朝向第一准直镜设置，折射镜的底面为斜面，折射镜与旋转平台相连；反射镜能够反射第二光束，第一光束能够透过反射镜，聚焦镜能够对第一光束和第二光束进行聚焦。本发明还提供一种铝合金中厚板激光焊接方法，第二光束沿着待焊工件的焊缝方向移动，同时第一光束围绕聚焦后的第二光束转动。第二光束能够保证焊接熔深，第一光束围绕第二光束转动，搅拌熔池能够消除气孔。

Description

一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法。

背景技术

铝合金中厚板焊接是航空航天、能源化工、轨道交通等国家重大战略工程高性能装备制造过程中的关键技术。传统电弧焊方法虽然具有设备简单、操作方便、成本低廉等优点，但由于其存在效率极低、焊缝质量不佳、操作环境恶劣等问题，已逐渐被更先进的激光焊接所取代，尤其是对焊接性能要求较高的构件，采用激光焊接已成为广泛趋势。

然而，激光焊接过程中，熔池部分被气化及等离子体化，形成独特的匙孔(keyhole)结构，且焊接过程中匙孔内表面形貌时刻转变，造成激光焊接的稳定性不高，匙孔容易发生坍塌、闭合等问题而导致气泡的产生。这些气泡如果不能在熔池中顺利逸出，则会形成一种名为激光焊接气孔的缺陷。

针对气孔缺陷，国内外焊接工作者均投注了巨大的精力进行研究。激光-电弧复合焊接、双光束激光焊接、激光摆动焊接等新工艺相继问世，然而，这些方法均或多或少存在一定的问题。激光-电弧复合焊接能够在一定程度上消除气孔，但与单激光焊接相比，其改善效果并不明显，已被认为是一种并不完善的改进。双激光束激光焊接，对于气孔的消除效果较为明显，尤其对不锈钢、钛合金等气孔敏感性中等的金属尤为有效，然而双光束激光焊接对铝合金、高温合金等气孔敏感性极高的金属较为乏力，改善效果显著下降，气孔缺陷仍然显著。激光摆动焊接(wobble)是一种新兴的气孔消除方法，对包括铝合金在内的所有金属均有良好效果，可以实现4mm锁底焊缝无气孔焊接，然而由于激光摆动焊接过程中激光束在熔池中高频震荡，能量密度不集中，其焊接熔深显著下降(单激光焊接，功率1万瓦可以焊接10mm左右厚度的铝合金；激光摆动焊接，功率1万瓦仅能够焊接4mm左右的铝合金)。气孔缺陷的存在会显著降低焊缝强度，导致接头服役性能无法达标；焊接熔深下降则无法发挥激光焊接深穿透优势。

现有技术中，公开号为CN207930153U的专利，提供了一种双光束激光焊接装置，采用半导体激光器进行预热处理，由于半导体激光的光束质量远远低于光纤激光，其仅仅能对材料进行热处理而无法实现有效熔化，不能够起到消除气孔的作用。同时，该方法仅仅对薄板适用，对于中厚板构件存在显著限制。公开号为CN108672923A的专利，提供了一种双轴摆动光斑激光焊接加工头，焊焊接方法是激光摆动焊(wobble)方法，可以实现去除气孔的目的，但是无法保证熔深。如果采用低频摆动，虽然熔深得到一定提高，但是去除气孔的效果相应降低。

因此，如何改变现有技术中，铝合金中厚板激光焊接过程中无法在消除气孔的同时保证熔深的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使铝合金中厚板激光焊接能够在保证熔深的前提下消除气孔，提高焊接质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种铝合金中厚板激光焊接装置，包括均分别能够移动的第一激光器和第二激光器；所述第一激光器能够发射第一光束，第二激光器能够发射第二光束，所述第一光束与所述第二光束的波长不同，所述第一准直镜正对所述第一光束的出射方向设置，所述第一准直镜的直径较所述第一准直镜切断的所述第一光束的截面直径大，所述第一准直镜能够将所述第一光束调整为平行光束；所述第二准直镜正对所述第二光束的出射方向设置，所述第二准直镜的直径较所述第二准直镜切断的所述第二光束的截面直径大，所述第二准直镜能够将所述第二光束调整为平行光束；所述反射镜设置于所述第二准直镜远离所述第二激光器的一侧，所述反射镜能够反射第二光束，所述第一光束能够透过所述反射镜，所述聚焦镜设置于待焊工件焊缝的顶部与所述反射镜之间，所述聚焦镜能够对透过所述反射镜的所述第一光束和经所述反射镜反射的所述第二光束进行聚焦。

可选的，所述反射镜的中心点位于所述聚焦镜的轴线上，所述第一准直镜的中心线与所述聚焦镜的轴线具有偏心距d，所述偏心距d的范围为0～5mm；所述第一准直镜连接有旋转平台，所述旋转平台能够带动所述第一准直镜绕所述反射镜的轴线作偏心距为d的旋转。

可选的，所述第一准直镜和所述反射镜之间设置有折射镜，所述折射镜正对所述第一准直镜设置，所述第一准直镜、折射镜和聚焦镜的轴线共线，所述反射镜的中心点位于所述聚焦镜的轴线上；所述折射镜与所述第一准直镜之间具有间隙，所述折射镜的顶面为平面并朝向所述第一准直镜设置，所述折射镜的底面为斜面，所述折射镜连接有旋转平台，所述旋转平台能够带动所述折射镜绕所述折射镜的轴线旋转。

可选的，所述第一光束和所述第二光束均为高斯光束，所述第一光束的波长为1030-1060nm，所述第二光束的波长为1050-1080nm。

可选的，所述第一激光器的第一光束射出方向与所述第二激光器的第二光束射出方向之间具有夹角。

可选的，所述反射镜为单波长反射镜，所述反射镜采用镀膜工艺制作。

可选的，所述聚焦镜将所述第一光束和所述第二光束聚焦后，光斑直径为0.2-0.4mm。

可选的，所述旋转平台包括驱动器、主动轮和从动轮，所述驱动器与所述主动轮传动相连，所述从动轮套装于所述折射镜的外部且二者同轴设置，所述主动轮与所述从动轮相啮合。

本发明还提供一种利用上述铝合金中厚板激光焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：

步骤一；组装，将焊接装置进行组装和调试；

步骤二；调整反射镜至所需角度，开启第一激光器和第二激光器分别发出第一光束和第二光束；

步骤三；经反射镜反射和聚焦镜聚焦后的第二光束沿着待焊工件的焊缝方向移动；同时启动旋转平台，旋转平台使得透过反射镜并经聚焦镜聚焦后的第一光束围绕聚焦后的第二光束转动，直至完成焊接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的铝合金中厚板激光焊接装置，包括第一激光器、第二激光器、第一准直镜、折射镜、旋转平台、反射镜、聚焦镜和第二准直镜，第一激光器和第二激光器均能够移动，第一激光器能够发射第一光束，第二激光器能够发射第二光束，第一光束与第二光束的波长不同，第一准直镜正对第一光束的出射方向设置，第一准直镜的直径较第一准直镜切断的第一光束的截面直径大，第一准直镜能够将第一光束调整为平行光束，折射镜正对第一准直镜设置，折射镜与第一准直镜之间具有间隙，折射镜的顶面为平面并朝向第一准直镜设置，折射镜的底面为斜面，折射镜与旋转平台相连，旋转平台能够带动折射镜绕折射镜的轴线旋转；第二准直镜正对第二光束的出射方向设置，第二准直镜的直径较第二准直镜切断的第二光束的截面直径大，第二准直镜能够将第二光束调整为平行光束，反射镜设置于第二准直镜远离第二激光器的一侧，反射镜能够反射第二光束，第一光束能够透过反射镜，聚焦镜设置于待焊工件焊缝的顶部，聚焦镜能够对第一光束和第二光束进行聚焦。本发明还提供一种铝合金中厚板激光焊接方法，利用上述铝合金中厚板激光焊接装置对铝合金中厚板进行焊接，第二光束沿着待焊工件的焊缝方向移动，聚焦后的第二光束沿着待焊工件的焊缝方向移动的同时，旋转平台驱动折射镜转动使聚焦后的第一光束围绕聚焦后的第二光束转动。第二光束能够保证焊接熔深，第一光束围绕第二光束转动，搅拌熔池能够消除气孔，提高焊接质量。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的铝合金中厚板激光焊接装置的光路示意图；

图2为图1中折射镜所处位置时第一光束和第二光束聚焦后光斑的位置关系图；

图3为本发明实施例一的铝合金中厚板激光焊接装置的折射镜旋转到另一角度时的光路示意图；

图4为图3中折射镜所处位置时第一光束和第二光束聚焦后光斑的位置关系图；

图5为本发明实施例一的铝合金中厚板激光焊接装置的折射镜旋转到第三角度时的光路示意图；

图6为图5中折射镜所处位置时第一光束和第二光束聚焦后光斑的位置关系图；

图7为本发明实施例一的铝合金中厚板激光焊接装置的折射镜旋转到第四角度时的光路示意图；

图8为图7中折射镜所处位置时第一光束和第二光束聚焦后光斑的位置关系图；

图9为本发明实施例二的铝合金中厚板激光焊接装置的光路示意图；

其中，1为第一准直镜，2为折射镜，3为反射镜，4为聚焦镜，5为第二准直镜，6为第一光束，7为第二光束。

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做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使铝合金中厚板激光焊接能够在保证熔深的前提下消除气孔，提高焊接质量。

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。

实施例一

本实施例提供一种铝合金中厚板激光焊接装置，如图1-图8所示，包括第一激光器、第二激光器、第一准直镜1、折射镜2、旋转平台、反射镜3、聚焦镜4和第二准直镜5，第一激光器和第二激光器均能够移动，第一激光器能够发射第一光束6，第二激光器能够发射第二光束7，第一光束6与第二光束7的波长不同，第一准直镜1正对第一光束6的出射方向设置，第一准直镜1的直径较第一准直镜1切断的第一光束6的截面直径大，第一准直镜1能够将第一光束6调整为平行光束，折射镜2正对第一准直镜1设置，折射镜2与第一准直镜1之间具有间隙，折射镜2的顶面为平面并朝向第一准直镜1设置，折射镜2的底面为斜面，折射镜2与旋转平台相连，旋转平台能够带动折射镜2绕折射镜2的轴线旋转；第二准直镜5正对第二光束7的出射方向设置，第二准直镜5的直径较第二准直镜5切断的第二光束7的截面直径大，第二准直镜5能够将第二光束7调整为平行光束，反射镜3设置于第二准直镜5远离第二激光器的一侧，反射镜3能够反射第二光束7，第一光束6能够透过反射镜3，聚焦镜4设置于待焊工件焊缝的顶部，聚焦镜4能够对第一光束6和第二光束7进行聚焦。

使用本发明的铝合金中厚板激光焊接装置进行焊接时，第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动，能够保证焊接熔深，聚焦后的第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动的同时，旋转平台驱动折射镜转动使聚焦后的第二光束7围绕聚焦后的第一光束6转动，第二光束7不断搅拌熔池能够消除气孔，提高焊接质量。具体地，第一光束6随着折射镜2的转动不断旋转，第一光束6同熔池作用后，对熔池施加作用力，熔池在第一光束6的作用下发生旋转，同时由于第一光束6高速旋转，对熔池长度和宽度均得到增加，气泡上浮容许时间增加，进而达到消除气孔的作用。

本发明与单激光焊接相比，本发明采用了第一光束6去除气孔，同时采用第二光束7保证熔深，在第一光束6的预热作用下，第一光束6与单激光功率相同的情况下，熔深更深。本发明与激光-电弧复合焊接相比，本发明采用了第一光束6搅拌熔池去除气孔，气孔消除效果更有效，且由于激光-电弧复合焊接需考虑电弧稳定性，本发明的提高了焊接速度。本发明与双光束激光焊接相比，双光束激光焊接的光束相对位置固定，无法搅拌熔池，导致气孔消除困难。本发明与激光摆动焊接相比较，本发明由于存在一直沿焊接方向运动的第二光束7的作用，不会导致熔深的显著下降，因此可以做到无熔深损失状态下的无气孔焊接。除此之外，对于能够进行360度旋转的折射镜2来说，其最大激光承受功率是有限的，一般约为1.5万瓦左右，如果激光摆动焊过程中，功率等于1.5万瓦时其熔深是有极限的，而且极限很低，大约为单激光熔深的30-50％。对于双光束激光焊接来说，其功率也会由于镜片的作用而被衰减，采用本发明可以淋漓尽致的发挥镜片的功率容限，形成1.5万瓦级无气孔铝合金焊接。

另外，第一准直镜1的直径较第一准直镜1切断的第一光束6的截面直径大，第二准直镜5的直径较第二准直镜5切断的第二光束7的截面直径大，以确保全部光束包裹在折射范围内。

在本具体实施方式中，第一光束6和第二光束7均为高斯光束，第一光束6的波长为1030-1060nm，第二光束7的波长为1050-1080nm，为保证反射镜3正常工作，第一光束6与第二光束7的波长不相同。

为了避免第一光束6与第二光束7发生干涉影响装置正常运行，第一激光器的激光射出方向与第二激光器的激光射出方向之间具有夹角，在本具体实施方式中，第一激光器的激光射出方向与第二激光器的激光射出方向之间的夹角为90°，经过反射镜3和聚焦镜4作用后，第一光束6和第二光束7聚焦后都位于焊缝处。

当第一光束6与第二光束7的波长差异较小时，为保证第一光束6能够透过反射镜3，同时反射镜3能够反射第二光束7，反射镜3为单波长反射镜，反射镜3采用镀膜工艺制作。

其中，聚焦镜4将第一光束6和第二光束7聚焦后，光斑直径为0.2-0.4mm。

具体地，旋转平台包括驱动器、主动轮和从动轮，驱动器与主动轮传动相连，驱动器驱动主动轮运动，主动轮与从动轮相啮合，继而带动从动轮转动，达到带动折射镜2转动的目的，从动轮套装于折射镜2的外部且二者同轴设置，避免从动轮影响折射镜2工作。此处需要说明的是，折射镜2的顶面被加工成平面，底面被加工成斜面，斜面的斜率为特定值，该特定值随着第一光束6和第二光束7之间间距的变化而变化，也是由第一光束6转动半径决定的，第一光束6与第二光束7之间的距离越大，斜面的斜率越大，该折射镜2属于普通高透镜片，能够承受至少1.5万瓦激光功率。

本实施例还提供一种铝合金中厚板激光焊接方法，第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动，聚焦后的第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动的同时，旋转平台驱动折射镜转动使聚焦后的第一光束6围绕聚焦后的第二光束7转动。第一光束6随着折射镜2的转动不断旋转，第一光束6同熔池作用后，对熔池施加作用力，熔池在第一光束6的作用下发生旋转，同时由于第一光束6高速旋转，对熔池长度和宽度均得到增加，气泡上浮容许时间增加，进而达到消除气孔的作用，同时，由于存在一直沿焊接方向运动的第二光束7的作用，有效保证焊接熔深。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上所作出的进一步改进，如图9所示，本实施例在实施例一的基础上去掉了折射镜；反射镜3的中心点位于聚焦镜4的轴线上，第一准直镜1的中心线与聚焦镜4的轴线具有偏心距d，偏心距d的范围为0～5mm；第一准直镜1连接有旋转平台，旋转平台能够带动第一准直镜1绕聚焦镜4的轴线作偏心距为d的旋转。

从而，本实施例提供的铝合金中厚板激光焊接方法为，第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动，聚焦后的第二光束7沿着待焊工件的焊缝方向移动的同时，旋转平台驱动第一准直镜1转动使聚焦后的第一光束6围绕聚焦后的第二光束7转动。第一光束6随着第一准直镜的转动不断旋转，第一光束6同熔池作用后，对熔池施加作用力，熔池在第一光束6的作用下发生旋转，同时由于第一光束6高速旋转，对熔池长度和宽度均得到增加，气泡上浮容许时间增加，进而达到消除气孔的作用，同时，由于存在一直沿焊接方向运动的第二光束7的作用，有效保证焊接熔深。

本发明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 (9)

1.一种铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：包括均分别能够移动的第一激光器和第二激光器；所述第一激光器能够发射第一光束，第二激光器能够发射第二光束，所述第一光束与所述第二光束的波长不同，所述第一准直镜正对所述第一光束的出射方向设置，所述第一准直镜的直径较所述第一准直镜切断的所述第一光束的截面直径大，所述第一准直镜能够将所述第一光束调整为平行光束；所述第二准直镜正对所述第二光束的出射方向设置，所述第二准直镜的直径较所述第二准直镜切断的所述第二光束的截面直径大，所述第二准直镜能够将所述第二光束调整为平行光束；所述反射镜设置于所述第二准直镜远离所述第二激光器的一侧，所述反射镜能够反射第二光束，所述第一光束能够透过所述反射镜，所述聚焦镜设置于待焊工件焊缝的顶部与所述反射镜之间，所述聚焦镜能够对透过所述反射镜的所述第一光束和经所述反射镜反射的所述第二光束进行聚焦。

2.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述反射镜的中心点位于所述聚焦镜的轴线上，所述第一准直镜的中心线与所述聚焦镜的轴线具有偏心距d，所述偏心距d的范围为0～5mm；所述第一准直镜连接有旋转平台，所述旋转平台能够带动所述第一准直镜绕所述反射镜的轴线作偏心距为d的旋转。

3.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述第一准直镜和所述反射镜之间设置有折射镜，所述折射镜正对所述第一准直镜设置，所述第一准直镜、折射镜和聚焦镜的轴线共线，所述反射镜的中心点位于所述聚焦镜的轴线上；所述折射镜与所述第一准直镜之间具有间隙，所述折射镜的顶面为平面并朝向所述第一准直镜设置，所述折射镜的底面为斜面，所述折射镜连接有旋转平台，所述旋转平台能够带动所述折射镜绕所述折射镜的轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述第一光束和所述第二光束均为高斯光束，所述第一光束的波长为1030-1060nm，所述第二光束的波长为1050-1080nm。

5.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述第一激光器的第一光束射出方向与所述第二激光器的第二光束射出方向之间具有夹角。

6.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述反射镜为单波长反射镜，所述反射镜采用镀膜工艺制作。

7.根据权利要求1所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述聚焦镜将所述第一光束和所述第二光束聚焦后，光斑直径为0.2-0.4mm。

8.根据权利要求2或3所述的铝合金中厚板激光焊接装置，其特征在于：所述旋转平台包括驱动器、主动轮和从动轮，所述驱动器与所述主动轮传动相连，所述从动轮套装于所述折射镜的外部且二者同轴设置，所述主动轮与所述从动轮相啮合。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的铝合金中厚板激光焊接装置的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一；组装，将焊接装置进行组装和调试；

步骤二；调整反射镜至所需角度，开启第一激光器和第二激光器分别发出第一光束和第二光束；

步骤三；经反射镜反射和聚焦镜聚焦后的第二光束沿着待焊工件的焊缝方向移动；同时启动旋转平台，旋转平台使得透过反射镜并经聚焦镜聚焦后的第一光束围绕聚焦后的第二光束转动，直至完成焊接。

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