CN114367741A - 随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随焊超声‑振镜扫描复合激光焊接系统及方法，将超声波的高频振动能场与振镜扫描激光进行耦合，可以充分发挥二者的有益效果。振镜扫描激光的激光束作用面积大，可使激光焊的间隙适应性明显提高，降低航天发动机壳体焊接操作人员的装配难度。引入随焊超声辅助后，可在板厚方向附加高频振动，与振镜扫描激光的二维振荡搅拌叠加，一起对熔池实现三维协同振荡效应，同时对激光扫描的作用起到良好的增益效果。二者的联合作用可有效抑制航天发动机壳体用钢焊接时容易出现的冷裂纹以及热影响区的软化和脆化问题，也有利于抑制气孔缺陷，提高接头的综合性能，实现大型航天结构件的高效优质焊接。

Description

随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统及方法

技术领域

本发明属于航天结构件先进激光焊接制造技术领域，具体涉及一种随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统及方法。

背景技术

航空航天领域因其服役工况的特殊性而对钢种的要求较为严格。近年来随着材料研发技术的发展，超高强度钢因其较高的比强度、优异的疲劳性能和一定的韧性，在航空航天和常规武器领域得到了广泛应用。D406A(30Si2MnCrMoVE)钢是我国自主研发的一种超高强度钢，经热处理强化后，抗拉强度高于1620MPa，断后伸长率超过9％，具有优良的强度和韧性匹配，主要适用于固体火箭发动机壳体的制造。

D406A钢属于中碳低合金超高强度钢，其含碳量在0.25～0.50wt％之间，且包含丰富的合金元素，主要有铬、镍、钼、钒、硅、锰、铌等。各元素对材料焊接性的综合影响可用碳当量进行定性表示。经计算D406A钢的碳当量约为0.78％～0.99％，根据相关经验范围属于难焊钢种范畴，焊接性较差。该钢焊缝与热影响区的组织和性能对热输入较为敏感，当焊接热输入较大时，主要存在冷裂纹倾向大和热影响区软化的问题。此外焊后接头不同区域也表现出焊缝区及热影响区晶粒粗大，组织不均匀的现象。上述焊接缺陷易导致焊接构件产生脆性断裂、疲劳破坏，降低材料整体的稳定性，因此对D406A钢焊接工艺研究显得尤为重要。

目前针对D406A超高强度钢，国内焊接试验报导较少，仅涉及钨极氩弧焊和真空电子束焊接。钨极氩弧焊由于热输入量较大、电弧能量发散、焊接效率较低将带来单道焊熔深浅、焊接变形大、生产周期长的问题。而真空电子束焊接尽管具有焊接线能量高、焊缝深宽比大的优点，但随着发动机尺寸的增大，其应用将受到真空室尺寸的限制，且工艺流程复杂，不利于大规模的生产应用。

激光焊接是利用能量密度极高的激光束作为焊接热源的一种高效精密焊接方法，具有能量密度高、焊接速度快、深宽比大、热影响区小、焊接变形小等诸多优点，且易于实现自动化、工程化应用，已在航空航天、电子、汽车制造、核动力等领域得到了广泛应用。相比于真空电子束焊接，激光焊接能摆脱真空室尺寸的限制，在大气环境下即可实现高效优质焊接。因此将激光焊接应用于制造D406A钢航天发动机壳体，能够显著降低成本、提高生产效率。然而由于激光焊接升温和冷却速度快，焊缝凝固时温度梯度较大，导致晶粒粗大、元素分布不均匀，合金元素易形成低熔点共晶偏析于晶界，增大了产生热裂纹的倾向，这在一定程度上影响焊接接头的机械性能。此外，D406A钢中合金元素含量较高，在焊接过程中极易与空气中的氧、氮等形成氧化物、氮化物，这些杂质被卷入熔体中不易排出形成夹渣。当激光焊接工艺参数选择不当，会使焊接过程变得不稳定，焊接接头容易出现气孔、咬边等缺陷，难以满足航天精密制造领域的实际应用要求。

激光振镜扫描焊接是一种新型的激光焊接技术，激光束以脉冲或连续模式入射到扫描振镜的两个反射镜上，通过X、Y方向上的电机带动反射镜偏转，实现光束在特定平面内的快速移动，最后经过聚焦透镜聚焦到工件表面形成特定的扫描轨迹。由激光振镜扫描焊接技术的原理可知，当激光束以一定的扫描轨迹摆动时，激光光斑的作用范围相比无扫描激光焊接时扩大，可以提高接头的间隙适应性，降低操作人员焊前装配精度要求，提高生产效率。激光束摆动过程中，热源位置不断变化，从而影响焊接熔池中的温度分布和热流方向，导致熔池中最大散热方向不断变化。由于柱状晶择优生长方向与最大散热方向相反，所以前一时刻择优生长的柱状晶，下一时刻生长就可能受到抑制，从而破坏了激光焊接头柱状晶生长的取向性，提高了组织的均匀性。此外，由于激光束对焊缝的往复摆动，一方面使局部焊缝发生重熔，延长了液态熔池的存在时间，另一方面激光焊匙孔随激光束进行同步摆动，对焊接熔池起到搅拌作用，促进了熔池液态金属对流，二者均有利于消除焊缝中气孔。然而，激光振镜扫描作用轨迹为二维平面，无法对熔池液态金属的凝固结晶过程实现三维有效干预，且在同一时刻激光只能对扫描路径上的局部区域起到振荡作用，对熔池整体的作用效果有限。

除激光振镜扫描外，目前国内外通过物理场来改善焊缝金属凝固组织、减少内部缺陷、提高力学性能的方法主要有电流、磁场和超声波处理等手段。超声辅助是近年来在焊接领域里出现改善焊接结构性能的一种新技术。超声波的高频振动能场作用于焊接熔池，能够产生空化效应、声流效应以及机械效应，对熔池的凝固结晶过程产生显著影响。超声波的空化效应在熔池中产生的空化气泡崩溃时，会对凝固界面前沿正在生长的枝晶起到破碎作用，增加了异质形核质点，促进焊缝凝固组织由粗大树枝晶向细小等轴晶转变。超声波的声流效应促进了熔池内液态金属的层间流动，可明显提高温度场和元素分布的均匀性，且有利于气泡和夹杂的上浮逸出。超声场在熔池中引起的质点高频微振会产生附加热效应，延长了熔池边沿液态金属的凝固时间，有利于熔池金属向焊缝边沿铺展最终获得成形均匀的焊缝。此外，熔池附近的高温区域由于屈服强度降低，在随焊超声冲击作用下易于发生压缩塑性变形，并与焊接热循环过程中产生的拉伸塑性变形叠加，起到减小焊接残余应力和变形的作用，进而提高接头的疲劳性能。

专利CN207900455U公开了一种超声辅助激光焊接装置，该装置将轴线处于同一平面且相互垂直的两个变幅杆分别与激光头机械耦合相连，变幅杆直接作用于激光头表面且超声入射方向垂直于激光头外壁。基于振动合成原理，通过控制两组超声变幅杆的振幅和相位差，可使激光束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动。该装置将超声振动能量通过激光头作用于激光束，强化激光的热力复合作用，使激光束的能量密度得到加强。利用超声变幅杆的振动实现激光束特定的振动轨迹，对焊接熔池起到一定的搅拌作用，影响熔池的传热与流动行为，使焊缝组织致密、元素分布均匀。然而该装置将超声变幅杆直接机械作用于激光头，长时间工作会对激光光路的准直性产生一定的影响。此外激光束在熔池中的扫描幅度受超声变幅杆振幅的限制，且扫描轨迹为二维平面，因此对熔池产生的振荡效果有限。

专利CN111673272A公开了一种摆动激光-超声复合焊接装置及方法，该装置通过在激光光路中装配扫描振镜实现了激光振荡，并引入了与激光束同轴施加的超声发生装置，其中超声变幅杆设计为空心筒形件，内部嵌套激光光路的出光端。该发明采用超声辅助改变熔体流动情况，抑制熔体波动导致的飞溅和等离子体喷发，促进内部对流，对激光振镜扫描焊接后存在的成形缺陷和气孔问题起到一定的改善作用。然而该装置采用的是非接触式超声施加方式，超声在传入焊接区域前需在空气中或保护气氛中传播一定距离，并在工件表面处发生显著的反射能量损失，使得超声能量的利用率较低，有效作用效果较弱。

专利CN111545902A公开了一种随动超声波竖向辅助激光摆动焊接装置，通过使激光平面正弦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运动，增大对熔池的搅拌作用，抑制铝合金激光焊接中气孔和裂纹等缺陷的产生。该装置采用固定架将四个超声发生装置沿激光头的周向均匀固定，超声发生装置能够带动激光头进行竖向振动并向激光头下方的熔池传送超声。但该装置引入的超声头数量较多，对原有的激光焊接装置改动较大，且配备的超声变幅杆长时间工作时会对激光振镜扫描系统的整体精度带来不良影响。由于激光头与超声发生装置机械连接，当变化激光的离焦量时，为保证超声的作用效果需手动调节每个超声头的装夹高度，操作较为繁琐。此外该装置采用非接触式的超声施加方式，也会存在超声有效作用效果较弱的问题。

专利CN105364326A公开了一种镁合金激光-超声双面焊接的方法。针对镁合金激光焊接过程中易产生的氢气孔、热裂纹、晶粒粗化问题，提出了将超声波施加于焊缝背面并与激光束和焊缝在同一竖直平面内，通过激光束和超声变幅杆同步移动来完成焊接。具体实施例验证了该方法的有益效果。然而该方法要求位于正面的激光头和位于背面的超声变幅杆相对焊缝同步运动，设备组成及操作流程较为复杂。同时因超声变幅杆位于焊缝背部，该方法不适用于小直径筒体环形焊缝的焊接，也难以灵活运用于其他空间位置焊缝。

经对现有技术文献检索分析，发现目前随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法主要应用于铝、镁合金的焊接。且超声施加方式以非接触为主，超声引入位置也具有明显的差异性。针对航天发动机壳体用钢D406A的焊接，目前仅涉及电子束焊接和钨极氩弧焊，并无随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法的报告及应用。航天发动机壳体常采用薄壁焊接结构，在工作时不但要承受很大的纵向和横向过载，而且要承受高速气流的冲击和火药燃烧时高温高压的恶劣环境，这就对焊缝质量、力学性能、尺寸精度提出了很高的要求。因此为了实现航天发动机壳体用D406A钢焊接的控形控性目标，提高生产质量和效率，亟需探索更为先进的焊接工艺和方法。

发明内容

针对现有技术的不足和空白，本发明的目的是面向航天发动机壳体用钢提供一种随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统及方法。利用振镜扫描提高激光焊接的间隙适应性，降低装配精度要求，同时起到对熔池的搅拌作用，促进液态金属对流、降低温度梯度。振镜扫描激光可在二维平面内以特定轨迹对熔池实现振荡搅拌。引入超声辅助后，可在板厚方向施加附加振动，与振镜扫描激光一起对焊接熔池实现三维协同振荡效应，二者共同改善熔池凝固结晶过程，起到细化晶粒、抑制气孔和裂纹等缺陷的作用，使航天发动机壳体用钢接头性能满足使用要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，包括振镜扫描激光焊接系统、超声发生系统以及PLC控制系统，其中：

振镜扫描激光焊接系统包括光纤激光电源、振荡扫描激光头以及工业机器人；

光纤激光电源发射激光光束；

振荡扫描激光头装配在工业机器人末端，通过连接夹具与超声发生系统相连，振荡扫描激光头引导激光光束作用在平行于待焊试板的平面内往复扫描运动；

工业机器人控制振荡扫描激光头和超声发生系统的运动；

超声发生系统包括超声变幅杆，超声变幅杆与振荡扫描激光头的相对位置固定，超声变幅杆端部与焊接试板接触；

PLC控制系统控制超声发生系统、工业机器人动作以及激光光束。

优选地，所述振荡扫描激光头包括可编程扫描振镜，激光光束经过可编程扫描振镜，可编程扫描振镜的反射角度通过计算机调节，实现激光光束角度的偏转。

优选地，超声发生系统还包括超声电源、超声换能器、气缸、压缩空气生成装置及电磁阀，其中：

所述超声换能器将超声电源发出的电信号由超声换能器转化为超声频的机械振动，并通过超声变幅杆传递到焊接试板内；

气缸通过气体减压阀和电磁阀与压缩空气生成装置相连；

气缸持续为超声变幅杆提供压紧力；

气体减压阀改变进入气缸中的压缩空气的压力；

电磁阀与PLC控制系统相连。

优选地，所述振荡扫描激光头配备循环水冷却装置，与光纤激光电源相连；振荡扫描激光头出光端配有压缩空气保护气刀。

优选地，所述连接夹具包括连接导轨和筒形固定夹具，其中：

所述筒形固定夹具用于夹持超声发生系统的超声换能器外壁；

所述连接导轨的一端通过螺栓与激光焊接头连接，另一端与筒形固定夹具转动连接。

根据本发明提供的一种基于上述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统的焊接方，包括如下步骤：

步骤一：用砂纸打磨去除焊接试板表面的氧化膜，直至表面露出金属光泽，擦拭对接边及待焊面，去除表面油污；

步骤二：将处理后的焊接试板固定在焊接工装夹具上；

步骤三：调节振荡扫描激光头位置及姿态，使激光束在工件表面聚焦，且焦点位于待焊位置，并设置激光扫描参数；

步骤四：对焊接轨迹进行示教，调节连接夹具和旋转机构使超声振动头与焊接试板表面接触并与水平方向呈一定夹角，并使超声振动头偏置激光作用点一定距离；

步骤五：设置激光焊接参数、超声发生参数，开启与气缸相连的压缩空气并利用减压阀调节气体压力，开启激光焊接保护气；

步骤六：利用PLC控制系统开启激光电源、超声电源，超声波发生器先产生超声波作用于焊接试板，3s后振荡扫描激光头发出激光，激光束按设置的扫描轨迹摆动，同时工业机器人按预先示教的焊接轨迹行走开始焊接过程；

步骤七：工业机器人移动到焊接终止点位置，激光电源关闭，保持超声振动3s后关闭超声电源，依次关闭保护气、压缩空气。

优选地，所述步骤一中，焊接试板采用D406A试板，D406A试板的厚度为2.5mm。

优选地，所述步骤三中：激光离焦量为-1～+1mm；调节激光与竖直方向的夹角为5°～10°；扫描频率为25Hz～200Hz，扫描速度为30mm/s～60mm/s，扫描幅度为0.5mm～3mm。

优选地，所述步骤四中：焊接轨迹示教点包括初始位置点、焊接起始点和焊接终止点；定义连接夹具的X向平行于焊接方向，Y向垂直于焊接方向，Z向平行于焊接试板法向，超声振动头与水平方向的夹角为45°～65°，接触点相对于激光作用点X方向偏置0～25mm，Y方向偏置0～35mm。

优选地，所述步骤五中：激光焊接功率为2800～3600W，焊接速度为0.9～1.2m/min；保护气种类为纯氩，保护气在焊缝正、反两面同时施加，流量为15L/min；超声发生参数包括超声频率和振幅增益，频率为20kHz，振幅增益范围为5％～15％，对应超声振动头振幅范围为0.5～1.5μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明采用振镜扫描激光焊接，激光束在一定范围内摆动，与常规激光焊接相比作用面积增大。随着航天发动机尺寸的增大，其壳体的焊接对焊前装配精度的要求越来越高，采用振镜扫描激光焊接可使激光焊的间隙适应性提高很多倍，降低操作人员的装配难度，提高生产效率。此外通过可编程振镜装置，可以方便地实现对扫描轨迹、扫描频率等参数的设置，操作简便。摆动的激光束对熔池起到搅拌作用，促进了熔池液态金属对流，提高了组织的均匀性，加速了熔池中气泡的逸出。

2.本发明将超声波的高频振动能场与振镜扫描激光进行耦合，可以充分发挥二者的有益效果。振镜扫描激光是以特定轨迹在二维平面内对熔池实现振荡搅拌，引入超声辅助后，可在板厚方向施加附加振动，与振镜扫描激光一起对熔池实现三维协同振荡效应。且超声波的振动频率相比振镜扫描激光的摆动频率提高了两个数量级以上，在激光以一定频率扫描熔池的同时，熔池局域液态金属受迫发生高频微振荡，会对激光扫描的作用起到良好的增益效果。二者的联合作用可有效抑制航天发动机壳体用钢焊接时容易出现的冷裂纹以及热影响区的软化和脆化问题，也有利于抑制气孔缺陷，提高接头的综合性能，实现大型航天结构件的高效优质焊接。

3.本发明采用随焊接触式超声施加方式，相比于非接触式或固定点接触超声施加方式，超声的能量利用率高，超声对于整条焊缝的作用效果更为均匀，可对大型焊接结构实施有效的超声干预。

4.本发明采用关联夹具将振荡扫描激光头与超声辅助装置固定在工业机器人第六轴的末端，在机器人的带动下即可实现随焊超声-振镜扫描复合激光焊接过程，不需附加额外的待焊试板移动平台，一体化程度高且可实现复杂轨迹和空间位置的焊接。此外本发明中超声振动头的尾部加装气缸，通过调节进入气缸中压缩空气的气压，可以方便地控制超声振动头对试板表面的压紧力。在随动焊接过程中即使试板表面局部不平整也能保证振动头与试板表面的紧密接触，确保超声能量的有效施加。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明的一种航天发动机壳体用随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法原理示意图；

图2为本发明振荡扫描激光焊接头示意图；

图3为本发明激光扫描路径和扫描轨迹示意图；

图4为本发明连接夹具和超声发生装置示意图。

图中示出：1—超声变幅杆，2—扫描轨迹，3—焊接试板，4—工业机器人，5—振荡扫描激光焊接头，6—透光保护镜片，7—X向扫描振镜，8—Y向扫描振镜，9—出光保护镜片，10—导轨槽，11—旋转机构，12—尾部气缸，13—超声换能器，14—筒形固定夹具。

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，下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，根据本发明提供的一种随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统及方法，可以广泛应用于航天发动机壳体等领域。所述方法基于下述装置实现，包括振镜扫描激光焊接系统、超声发生系统、连接夹具三部分。其中振镜扫描激光焊接系统包括光纤激光电源、振荡扫描激光头、冷却装置、六轴工业机器人。振荡扫描激光头包括聚焦单元、振荡单元和控制单元。超声发生系统包括超声电源、超声换能器、超声变幅杆、气缸、压缩空气减压阀及电磁阀。

所述的振荡扫描激光头装配在工业机器人第6轴的末端，通过特制的连接夹具与超声发生装置相连。振荡扫描激光头内的振镜可引导激光光束以人为设定好的速度和路径在平行于待焊试板的平面内往复扫描运动，经与机器人的运动合成，最终在焊接方向上拟合出一条周期性变化的焊接轨迹。超声变幅杆端部与焊接试板接触，焊接过程中保持与振荡扫描激光头的相对位置不变，在机器人的带动下实现随焊超声-振镜扫描复合激光焊接过程。超声发生装置尾部的气缸与压缩空气发生装置相连，在焊接过程中持续为超声变幅杆提供压紧力，保证与焊接试板的紧密接触。超声换能器与超声电源相连，超声电源发出的电信号由超声换能器转化为超声频的机械振动，并通过超声变幅杆传递到焊接试板内。超声波电源、激光电源、机器人动作、超声发生器尾部气缸的开启和关闭操作利用PLC主控装置集成于机器人操作面板中。振荡扫描激光头扫描参数的设置在配套计算机上进行。

进一步地，所述振荡扫描激光头配备循环水冷却装置，与光纤激光电源相连，其出光端配有压缩空气保护气刀，防止焊接过程中产生的飞溅对激光光路产生损伤。

进一步地，所述振荡扫描激光头通过内部机械装置带动激光束的偏转。激光束通过准直镜准直后先后入射到X、Y两个方向的振镜上。振镜一端连有反射镜片，一端连有振镜电机。通过计算机控制X、Y两方向上振镜电机的偏转角度，实现激光束的偏转。其后激光束经过f-θ平场聚焦透镜聚焦后照射到待焊试板表面，保证试板水平面上的激光功率密度相等，从而实现特定的扫描轨迹。

进一步地，所述机器人为6个自由度的通用型工业机器人，可以带动振荡扫描激光头及超声辅助装置实现复杂轨迹及空间位置的焊接。

进一步地，所述连接夹具一端通过螺栓与振荡扫描激光头相连，另一端通过筒形固定夹具与超声换能器的外壁相连。该装置可实现超声振动头在相对焊缝X、Y、Z三个方向上偏置距离的调节，也可实现超声振动头入射角度的调节。具有3个平移自由度和1个旋转自由度。为减轻结构整体重量，连接夹具的材质为铝合金。

进一步地，所述超声发生装置中，为使结构轻量化并保证超声的有效施加，超声振动头采用的材质为钛合金，尾部气缸采用的材质为铝合金。为保证结构刚度，与连接夹具相接触的换能器外壁采用的材质为Q235钢。

进一步地，所述超声发生装置的尾部气缸通过气体减压阀和电磁阀与压缩空气生成装置相连。气体减压阀用于改变进入气缸中的压缩空气压力，进而实现超声振动头对试板表面压紧力的调节。电磁阀用于与PLC主控装置相连，实现气缸开启和关闭的一体化控制。

本发明提供一种航天发动机壳体用随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：用砂纸打磨去除待焊D406A试板表面的氧化膜，直至表面露出金属光泽。用丙酮擦拭对接边及待焊面，去除表面油污。

步骤二：将处理后的待焊试板固定在焊接工装夹具上，对接间隙小于板厚的20％。

步骤三：调节激光头位置及姿态，使激光束在工件表面聚焦，且焦点位于待焊位置。在可编程振镜扫描装置的配套计算机中设置激光扫描参数，包括扫描轨迹、扫描频率、扫描速度、扫描幅度参数。

步骤四：利用机器人操作面板对焊接轨迹进行示教。调节连接夹具的Z向位置和旋转机构使超声振动头与试板表面接触并与水平方向呈一定夹角，然后调节X、Y向位置使超声振动头偏置激光作用点一定距离。

步骤五：设置激光焊接参数、超声发生参数，开启与气缸相连的压缩空气并利用减压阀调节气体压力。开启激光焊接保护气。

步骤六：利用机器人集成控制系统开启激光电源、超声电源。首先超声波发生器产生超声波作用于待焊试板，3s后振荡扫描激光头发出激光，激光束按设置的扫描轨迹摆动。同时机器人按预先示教的焊接轨迹行走开始焊接过程。

步骤七：机器人移动到焊接终止点位置，激光电源关闭，保持超声振动3s后关闭超声电源。依次关闭保护气、压缩空气，结束焊接过程。

所述步骤一中：所用D406A试板的厚度为2.5mm。

所述步骤三中：激光离焦量为-1～+1mm。为防止试板表面的反射激光对激光器造成损伤，调节激光与竖直方向的夹角为5°～10°。扫描路径包括圆形扫描、折线段扫描和横线段扫描，在焊接过程中经与机器人的运动合成，分别形成螺旋状、锯齿状和横线三种扫描轨迹。不同扫描轨迹下，激光对熔池的搅拌形式不同，进而造成熔池流动方式和焊接过程稳定性的差异。扫描频率为25Hz～200Hz，扫描速度为30mm/s～60mm/s，扫描幅度为0.5mm～3mm。

所述步骤四中：焊接轨迹示教点包括初始位置点、焊接起始点和焊接终止点。定义连接夹具的X向平行于焊接方向，Y向垂直于焊接方向，Z向平行于待焊试板法向。超声振动头与水平方向的夹角为45°～65°，接触点相对于激光作用点X方向偏置0～25mm，Y方向偏置0～35mm。

所述步骤五中：激光焊接功率为2800～3600W，焊接速度为0.9～1.2m/min，保护气种类为纯氩，保护气在焊缝正、反两面同时施加，流量为15L/min。超声发生参数包括超声频率和振幅增益，优选频率为20kHz，优选振幅增益范围为5％～15％，对应超声振动头振幅范围为0.5～1.5μm。气缸中压缩空气压力为0.1～0.5MPa。

进一步详细说明，本实施方式的一种航天发动机壳体用随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法，基于下述装置实现：

如图2所示的振荡扫描激光焊接头5装配在工业机器人4第六轴的末端，其机械部分包括X、Y两个方向上的可编程扫描振镜7、8，每个扫描振镜上都有反射镜片，通过计算机控制可以改变反射角度，实现激光束的角度偏转，最后经过出光保护镜片9聚焦在工件表面而形成特定的扫描路径，随着机器人的运动，就会在焊接方向上形成一条周期性变化的焊接轨迹，如图3所示。图3(a)为圆形扫描路径及螺旋状扫描轨迹，图3(b)为折线段扫描路径及锯齿状扫描轨迹，图3(c)为横线段扫描路径及横线扫描轨迹。

如图4所示的连接夹具，其一端通过螺栓与振荡扫描激光焊接头5相连，另一端通过筒形固定夹具14夹紧超声换能器13的外壁。夹具设计有导轨槽10和旋转机构11，配合各方向上的紧固螺丝可实现偏置距离和超声振动头入射角度的调节，具有3个平移自由度和1个旋转自由度。定义连接夹具的X方向平行于焊接方向，Y方向垂直于焊接方向，Z向平行于待焊试板法向。超声发生装置尾部的气缸12在焊接过程中持续为超声变幅杆提供压紧力。当工件表面形貌存在局部起伏，气缸可驱动超声振动头做出即时相应，保证二者的紧密接触，发挥类似气弹簧的效果。

本实施方式的一种航天发动机壳体用随焊超声-振镜扫描复合激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：将厚度为2.5mm的航天发动机壳体用超高强度钢D406A用砂纸打磨去除表面氧化膜，使试板表面光滑平整并露出金属光泽。用丙酮擦拭待焊面及对接边，去除表面油污。

步骤二：将处理后的待焊试板3固定在焊接工装夹具上，对接间隙小于板厚的20％。

步骤三：调节振荡扫描激光焊接头5的位置及姿态，使激光束在工件表面聚焦，且初始焦点位于待焊位置。为防止试板表面的反射激光对激光器造成损伤，调节激光头与竖直方向的夹角为5°，优选离焦量为0。在可编程振镜扫描装置的配套计算机中设置激光扫描参数，本实施例中扫描路径优选为圆形扫描，扫描频率优选为100Hz，扫描速度优选为50mm/s，扫描幅度优选为2mm。

步骤四：利用机器人操作面板对焊接轨迹进行示教，示教点包括初始位置点、焊接起始点和焊接终止点，所述初始位置点位于焊接起始点上方50mm处。调节连接夹具的Z向位置和旋转机构11使超声振动头1与试板表面接触并与水平方向呈50°角。调节连接夹具的X、Y向位置使超声振动头的作用点位于激光作用点后方的焊缝处，二者之间的偏置距离优选为15mm。

步骤五：设置激光焊接参数、超声发生参数。本实施例中激光焊接功率优选为3500W，焊接速度优选为1.1m/min。超声发生参数包括超声频率和振幅增益，本实施例中优选频率为20kHz，优选振幅增益为15％，对应超声振动头的振幅为1.5μm。开启与尾部气缸12相连的压缩空气并利用减压阀调节气体压力为0.3MPa。开启激光焊接保护气，本实施例中保护气种类为纯氩，保护气在焊缝正、反两面同时施加，流量为15L/min。

步骤六：利用机器人集成控制系统开启激光电源、超声电源。首先超声波发生器产生超声波作用于待焊试板3，3s后振荡扫描激光焊接头5发出激光，激光束按设置的扫描路径摆动，同时机器人按预先示教的焊接轨迹行走开始焊接过程。

步骤七：机器人移动到焊接终止点位置，激光电源关闭，保持超声振动3s后关闭超声电源。依次关闭保护气、压缩空气，结束焊接过程。

本实施例将超声波的高频振动能场与振镜扫描激光进行复合，可以充分发挥二者的有益效果。与常规激光焊接相比，振镜扫描激光焊接的激光束作用面积增大，可使激光焊的间隙适应性提高很多倍，降低航天发动机壳体焊接操作人员的装配难度，同时摆动的激光束对熔池起到搅拌作用，促进了熔池液态金属对流，提高了组织的均匀性。引入随焊超声辅助后，可在板厚方向附加高频振动，与振镜扫描激光的二维振荡搅拌作用叠加，一起对熔池实现三维协同振荡效应，同时对激光扫描的作用起到良好的增益效果。二者的联合作用可有效抑制航天发动机壳体用钢焊接时容易出现的各类缺陷，提高接头的综合性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，以上实施例的说明只是用于帮助理解本方明的方法及其核心思想。本领域技术人员依据本发明的思想可以在权利要求范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，其特征在于，包括振镜扫描激光焊接系统、超声发生系统以及PLC控制系统，其中：

振镜扫描激光焊接系统包括光纤激光电源、振荡扫描激光头以及工业机器人；

光纤激光电源发射激光光束；

振荡扫描激光头装配在工业机器人末端，通过连接夹具与超声发生系统相连，振荡扫描激光头引导激光光束作用在平行于待焊试板的平面内往复扫描运动；

工业机器人控制振荡扫描激光头和超声发生系统的运动；

超声发生系统包括超声变幅杆，超声变幅杆与振荡扫描激光头的相对位置固定，超声变幅杆端部与焊接试板接触；

PLC控制系统控制超声发生系统、工业机器人动作以及激光光束。

2.根据权利要求1所述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，其特征在于，所述振荡扫描激光头包括可编程扫描振镜，激光光束经过可编程扫描振镜，可编程扫描振镜的反射角度通过计算机调节，实现激光光束角度的偏转。

3.根据权利要求1所述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，其特征在于，超声发生系统还包括超声电源、超声换能器、气缸、压缩空气生成装置及电磁阀，其中：

所述超声换能器将超声电源发出的电信号由超声换能器转化为超声频的机械振动，并通过超声变幅杆传递到焊接试板内；

气缸通过气体减压阀和电磁阀与压缩空气生成装置相连；

气缸持续为超声变幅杆提供压紧力；

气体减压阀改变进入气缸中的压缩空气的压力；

电磁阀与PLC控制系统相连。

4.根据权利要求1所述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，其特征在于，所述振荡扫描激光头配备循环水冷却装置，与光纤激光电源相连；振荡扫描激光头出光端配有压缩空气保护气刀。

5.根据权利要求1所述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统，其特征在于，所述连接夹具包括连接导轨和筒形固定夹具，其中：

所述筒形固定夹具用于夹持超声发生系统的超声换能器外壁；

所述连接导轨的一端通过螺栓与激光焊接头连接，另一端与筒形固定夹具转动连接。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的随焊超声-振镜扫描复合激光焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：用砂纸打磨去除焊接试板表面的氧化膜，直至表面露出金属光泽，擦拭对接边及待焊面，去除表面油污；

步骤二：将处理后的焊接试板固定在焊接工装夹具上；

步骤三：调节振荡扫描激光头位置及姿态，使激光束在工件表面聚焦，且焦点位于待焊位置，并设置激光扫描参数；

步骤四：对焊接轨迹进行示教，调节连接夹具和旋转机构使超声振动头与焊接试板表面接触并与水平方向呈一定夹角，并使超声振动头偏置激光作用点一定距离；

步骤五：设置激光焊接参数、超声发生参数，开启与气缸相连的压缩空气并利用减压阀调节气体压力，开启激光焊接保护气；

步骤六：利用PLC控制系统开启激光电源、超声电源，超声波发生器先产生超声波作用于焊接试板，3s后振荡扫描激光头发出激光，激光束按设置的扫描轨迹摆动，同时工业机器人按预先示教的焊接轨迹行走开始焊接过程；

步骤七：工业机器人移动到焊接终止点位置，激光电源关闭，保持超声振动3s后关闭超声电源，依次关闭保护气、压缩空气。

7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤一中，焊接试板采用D406A试板，D406A试板的厚度为2.5mm。

8.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤三中：激光离焦量为-1～+1mm；调节激光与竖直方向的夹角为5°～10°；扫描频率为25Hz～200Hz，扫描速度为30mm/s～60mm/s，扫描幅度为0.5mm～3mm。

9.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤四中：焊接轨迹示教点包括初始位置点、焊接起始点和焊接终止点；定义连接夹具的X向平行于焊接方向，Y向垂直于焊接方向，Z向平行于焊接试板法向，超声振动头与水平方向的夹角为45°～65°，接触点相对于激光作用点X方向偏置0～25mm，Y方向偏置0～35mm。

10.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤五中：激光焊接功率为2800～3600W，焊接速度为0.9～1.2m/min；保护气种类为纯氩，保护气在焊缝正、反两面同时施加，流量为15L/min；超声发生参数包括超声频率和振幅增益，频率为20kHz，振幅增益范围为5％～15％，对应超声振动头振幅范围为0.5～1.5μm。

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