CN116275478A - 一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤‑蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法，该装置包括光纤‑蓝光半导体激光复合系统、激光焊接系统、熔池形貌及温度监测器、能量智能分配系统和箱体。通过能量智能分配系统输入待焊材料的牌号及成分，调用数据库及映射关系得到激光能量调控策略，能量智能分配系统无线控制激光焊接系统实现复合激光能量分配，并接收熔池形貌及温度监测器的反馈，智能调整作用于两侧母材的能量分配比例。该装置及方法适用于焊接异种材料，通过控制光纤‑蓝光半导体复合激光能量分布从而调控作用在两侧母材上的能量差异，能够避免异种材料焊接中金属间化合物的形成，降低接头脆性从而提高连接强度。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法。
背景技术
随着科技的发展，单一的材料难以满足航空航天、武器装备、交通运输领域的需求，多种材料的混合使用可以达到性能优良、成本降低、轻量化的目的，其中不免存在不同材料的连接。然而，由于异种材料成分、熔点、热物性差异较大，传统的激光焊接常常由于两侧母材热输入分配不当，冶金反应后形成较厚的多元硬脆金属间化合物层，组织难以致密结合，从而导致接头力学性能下降。因此，为了调控热输入，异种材料的激光焊接往往通过光束偏移至高熔点材料一侧，以改变焊接能量在两侧母材上的分配。然而，激光束的偏移难以高精度调控在两侧母材上的热输入量，不能有效抑制硬脆金属间化合物形成。因此迫切需要一种改善两侧母材能量分布的激光焊接能量智能分配装置来实现异种材料高效焊接。
同时，光纤-蓝光半导体复合激光焊接技术，将光纤激光的深熔焊模式与蓝光半导体激光焊接的热传导模式进行复合，并结合材料对不同波长激光的吸收率不同，从而达到增大熔深熔宽、提高熔池稳定性、减少缺陷产生的效果。
因此，针对异种材料焊接中金属间化合物引起强度降低的问题，本发明提出了一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法，将光纤-蓝光半导体复合激光的光斑能量进行偏移，实现复合激光在异种材料上不同能量智能配比，并通过实时监测焊缝形貌及温度反馈智能调整能量分配比例。通过改善两侧母材激光能量智能分配从而有效降低金属间化合物反应层厚度，提高连接强度，实现异种材料高质量的焊接。
针对激光复合焊接的能量分配，专利CN114012261A提出将可见光激光束和近红外光激光束进行复合形成复合光束，用于有色金属的焊接，并控制焊接过程中的出光顺序及能量分配。但是，这种复合焊接方法并不能用于异种材料焊接时改变两侧母材的能量分配。
针对异种合金的焊接，专利CN105397292B采用焊前清理，运用固体激光器脉冲模式进行焊接，焊接过程中采用并排双光斑模式，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％。但是，这种分配方式仅仅针对TA15/Ti2AlNb的焊接，且不能进行激光能量智能分配。
因此，现有的激光焊接装置及方法缺少针对异种材料两侧母材的激光能量智能分配，进一步研发一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法对工程应用具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置，能够改善异种材料焊接中金属间化合物引起强度降低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法，其特征在于，包括光纤-蓝光半导体激光复合系统、激光焊接系统、熔池形貌及温度监测器、能量智能分配系统和箱体。
所述光纤-蓝光半导体激光复合系统用于将光纤激光束与蓝光半导体激光束进行同轴复合形成复合激光束。
所述激光焊接系统用于异种材料焊接时调整光斑位置、改变激光能量分布，通过所述能量智能分配系统无线控制移动装置调整锥形反射镜相对位置，使复合激光光束中心轴与锥形反射镜中心轴分离，复合激光束经锥形反射镜向360°发散，再经45°环形反射镜反射形成环状光路，然后经平面透镜透过、聚焦透镜聚焦至工件，调整后的激光光斑能量最高点与光斑中点位置偏离。
所述能量智能分配系统无线连接激光焊接系统和熔池形貌及温度监测器，用于智能调控激光能量在两侧母材的分配比例，通过在系统中输入待焊材料的牌号及成分，与系统中数据库匹配得到待焊材料熔点；调用熔点与锥形反射镜移动距离d的映射关系得到移动策略；能量智能分配系统根据移动策略无线控制移动装置实现能量智能分配；焊接过程中能量智能分配系统(4)接收熔池形貌及温度监测器的熔池尺寸及最高温度稳定性的反馈，通过移动装置智能调整锥形反射镜的移动策略；所述熔点与锥形反射镜移动距离d映射关系如下所示：
其中：r为光纤激光器输出的光斑半径，d为锥形反射镜移动距离，k为相关系数，T1为高熔点材料的熔点，T2为低熔点材料的熔点。
可选地，所述蓝光半导体激光器输出的蓝光半导体激光束经过平面透镜透过、准直透镜校直、45°反射镜反射、单面透镜反射后，与光纤激光器输出的光纤激光束在单面透镜处汇聚形成同轴的复合激光束。
可选地，所述移动装置固定于平面透镜上方，通过能量智能分配系统无线控制电机，使得滚珠螺母在丝杆和滑轨中移动，滚珠螺母带动锥形反射镜移动；所述锥形反射镜底面可以是圆形、椭圆、其他抛物线，从而改变光斑形状，以针对不同坡口、间隙的情况。
可选地，所述熔池形貌及温度监测器用于监测焊接过程熔池形貌及温度，将采集熔池尺寸及最高温度作为输入参数，依据目标熔池尺寸及最高温度稳定性将反馈传输至能量智能分配系统。
可选地，一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配方法，其特征在于，根据光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置进行异种材料焊接。
可选地，包括如下步骤：
第一步，固定待焊的高熔点材料和低熔点材料；所述高熔点材料为钛合金、钢、铜合金或者镍基合金，低熔点材料为铝合金；
第二步，在能量智能分配系统中输入待焊材料的牌号及成分，调用数据库，若材料牌号在数据库中，则调用数据库中存储的材料熔点；若材料牌号不在数据库中，则调用数据库中最相近的材料成分及熔点，通过差值计算待焊材料熔点；基于熔点与锥形反射镜移动距离d的映射关系得到移动装置的移动策略；通过能量智能分配系统无线控制移动装置执行锥形反射镜移动距离d的动作；所述锥形反射镜可调范围为±500μm；
第三步，将复合激光光斑中心与焊缝重合，控制光纤激光器、蓝光半导体激光器出光，开始焊接；所述光纤激光器的功率为0～6000W，光纤激光器产生的激光波长为1050～1100nm，输出光束直径为100μm；所述蓝光半导体激光器的功率为0～1000W，蓝光半导体激光器产生的激光波长为400～450nm，输出光束直径为400μm；
第四步，焊接过程中熔池形貌及温度监测器实时监测熔池形貌及温度，采集熔池尺寸及最高温度作为输入参数，依据目标熔池尺寸及最高温度稳定性将反馈传输至能量能量智能分配系统；能量智能分配系统接收反馈，输出调控策略，控制移动装置执行操作；
第五步，熔池形貌及温度监测器继续监测熔池形貌及温度，向能量智能分配系统实时反馈，直至焊接结束，光纤激光器、蓝光半导体激光器停止出光。
附图说明
为了更清晰的表达本装置，下面将对本装置的附图进行介绍。
图1是本发明的具体实施例提供的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置结构示意图；
图2是本发明的具体实施例提供的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配方法流程图；
图3是本发明的具体实施例提供的锥形反射镜及移动装置的结构示意图；
图4是本发明的具体实施例提供的光纤-蓝光半导体复合激光能量智能分配前后光斑位置及能量分布图；
图5是本发明的具体实施例提供的光纤-蓝光半导体复合激光作用于异种材料示意图；
图6为本发明的具体实施例提供的光纤-蓝光半导体复合激光能量智能分配前后截面金属间化合物层示意图。
其中，附图标记分别为：
1、光纤-蓝光半导体激光复合系统：11、蓝光半导体激光器；12、蓝光半导体激光束；13、平面透镜；14、准直透镜；15、反射镜；16、光纤激光器；17、光纤激光束；18、单面透镜；
2、激光焊接系统：21、锥形反射镜；22、移动装置：221、电机；222、滚珠螺母；223、滑轨；224、丝杆；23、45°环形反射镜；24、平面透镜；25、聚焦透镜；26、平面透镜；
3、熔池形貌及温度监测器；
4、能量智能分配系统；
5、箱体；
材料61、高熔点材料；62、低熔点材料；63、金属间化合物层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供的实施例中，待焊工件由两块异种材料对接而成，其中高熔点材料61为钢，低熔点材料62为铝合金。
图1为本发明提供一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置，图2为一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配方法。
固定待焊材料，在能量智能分配系统4中输入待焊材料的牌号及成分，与系统中数据库匹配，若材料牌号在数据库中，则调用数据库中存储的材料熔点；若材料牌号不在数据库中，则调用数据库中最相近的材料成分及熔点，通过差值计算待焊材料熔点。调用熔点与锥形反射镜21移动距离d的映射关系得到锥形反射镜移动策略，所述熔点与锥形反射镜移动距离d映射关系如下所示：
其中：r为光纤激光器输出的光斑半径，d为锥形反射镜移动距离，k为相关系数，T1为一侧材料熔点，T2为另一侧材料熔点。
移动装置22接受能量智能分配系统4移动策略调整锥形反射镜21位置，锥形反射镜及移动装置的结构示意如图3所示，移动装置22固定于平面透镜24上方，能量智能分配系统4控制电机221，使得滚珠螺母222在丝杆224和滑轨223中移动，滚珠螺母222带动锥形反射镜21移动。
光纤激光器16输出光纤激光束17，蓝光半导体激光器11输出蓝光半导体激光束12，激光束均通过平面透镜13、准直透镜14形成平行光束，将蓝光半导体激光束经过45°反射镜15和单面透镜18反射后，与光纤激光束17在单面透镜18处汇聚形成同轴复合激光束。在本实施案例中，锥形反射镜21可调范围为±500μm；光纤激光器的功率为0～6000W，光纤激光器产生的激光波长为1050～1100nm，输出光束直径为100μm；所述蓝光半导体激光器的功率为0～1000W，蓝光半导体激光器产生的激光波长为400～450nm，输出光束直径为400μm。本实例中锥形反射镜底面是圆形，在其他实施案例中，锥形反射镜底面可以是椭圆、其他抛物线，从而改变光斑形状，以针对焊接不同坡口、间隙的情况。
复合激光束经执行移动策略后的锥形反射镜21向360°发散，发散后的复合激光经45°环形反射镜23反射形成环状光路，经平面透镜24透过、聚焦透镜25聚焦、平面透镜26透过至工件。所述聚焦透镜25与单面透镜17处汇聚形成的复合激光束同轴。光纤-蓝光半导体复合激光能量分配前后光斑位置发生偏移，能量分布发生改变，如图4所示。在本实施案例中，所用透镜均为ZnSe多晶材料，其透射率≥99％。
焊接过程中，熔池形貌及温度监测器3实时监测焊接过程熔池形貌及温度，将采集到的熔池尺寸及最高温度作为输入参数，根据熔池尺寸是否在目标范围内、最高温度波动范围不超过阈值，依据目标熔池尺寸及最高温度稳定性将反馈传输至能量智能分配系统4。能量智能分配系统4接收反馈，输出调控策略，控制移动装置22执行操作。继续监测熔池形貌及温度，向能量智能分配系统4实时反馈，直至结束焊接。
在本实例中，如图5所示，光纤-蓝光半导体复合激光作用于高熔点材料61与低熔点材料62上，空心箭头为焊接方向，光纤-蓝光半导体复合激光的光斑呈同心圆形，激光能量偏向高熔点材料61，复合激光焦点聚集于焊缝中心。
如图6所示，光纤-蓝光半导体复合激光能量智能分配前后截面硬脆的金属间化合物层厚度显著降低，晶粒得到细化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法，其特征在于，包括光纤-蓝光半导体激光复合系统(1)、激光焊接系统(2)、熔池形貌及温度监测器(3)、能量智能分配系统(4)和箱体(5)；
所述光纤-蓝光半导体激光复合系统(1)用于将光纤激光束(17)与蓝光半导体激光束(12)进行同轴复合形成复合激光束；
所述激光焊接系统(2)用于异种材料焊接时调整光斑位置、改变激光能量分布，通过所述能量智能分配系统(4)无线控制移动装置(22)调整锥形反射镜(21)相对位置，使复合激光光束中心轴与锥形反射镜(21)中心轴分离，复合激光束经锥形反射镜(21)向360°发散，再经45°环形反射镜(23)反射形成环状光路，然后经平面透镜(24)透过、聚焦透镜(25)聚焦至工件，调整后的激光光斑能量最高点与光斑中点位置偏离；
所述能量智能分配系统(4)无线连接激光焊接系统(2)和熔池形貌及温度监测器(3)，用于智能调控激光能量在两侧母材的分配比例，通过在系统中输入待焊材料的牌号及成分，与系统中数据库匹配得到待焊材料熔点；调用熔点与锥形反射镜(21)移动距离d的映射关系得到移动策略；能量智能分配系统(4)根据移动策略无线控制移动装置(22)实现能量智能分配；焊接过程中能量智能分配系统(4)接收熔池形貌及温度监测器(3)的熔池尺寸及最高温度稳定性的反馈，通过移动装置(22)智能调整锥形反射镜的移动策略；所述熔点与锥形反射镜移动距离d映射关系如下所示：
其中：r为光纤激光器输出的光斑半径，d为锥形反射镜移动距离，k为相关系数，T1为高熔点材料的熔点，T2为低熔点材料的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置，其特征在于，所述蓝光半导体激光器(11)输出的蓝光半导体激光束(12)经过平面透镜(13)透过、准直透镜(14)校直、45°反射镜(15)反射、单面透镜(18)反射后，与光纤激光器(16)输出的光纤激光束(17)在单面透镜(18)处汇聚形成同轴的复合激光束。
3.根据权利要求1所述的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置，其特征在于，所述移动装置(22)固定于平面透镜(24)上方，通过能量智能分配系统(4)无线控制电机(221)，使得滚珠螺母(222)在丝杆(224)和滑轨(223)中移动，滚珠螺母(222)带动锥形反射镜(21)移动；所述锥形反射镜(21)底面可以是圆形、椭圆、其他抛物线，以针对不同坡口、间隙的情况。
4.根据权利要求1所述的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置，其特征在于，所述熔池形貌及温度监测器(3)用于监测焊接过程熔池形貌及温度，将采集熔池尺寸及最高温度作为输入参数，依据目标熔池尺寸及最高温度稳定性将反馈传输至能量智能分配系统(4)。
5.一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配方法，其特征在于，其采用根据权利要求1-4之一所述的光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置进行异种材料焊接。
6.根据权利要求5所述的一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，固定待焊的高熔点材料和低熔点材料；所述高熔点材料为钛合金、钢、铜合金或者镍基合金，低熔点材料为铝合金；
第二步，在能量智能分配系统(4)中输入待焊材料的牌号及成分，调用数据库，若材料牌号在数据库中，则调用数据库中存储的材料熔点；若材料牌号不在数据库中，则调用数据库中最相近的材料成分及熔点，通过差值计算待焊材料熔点；基于熔点与锥形反射镜(21)移动距离d的映射关系得到移动装置(22)的移动策略；通过能量智能分配系统(4)无线控制移动装置(22)执行锥形反射镜(21)移动距离d的动作；所述锥形反射镜(21)可调范围为±500μm；
第三步，将复合激光光斑中心与焊缝重合，控制光纤激光器(16)、蓝光半导体激光器(11)出光，开始焊接；所述光纤激光器的功率为0～6000W，光纤激光器产生的激光波长为1050～1100nm，输出光束直径为100μm；所述蓝光半导体激光器的功率为0～1000W，蓝光半导体激光器产生的激光波长为400～450nm，输出光束直径为400μm；
第四步，焊接过程中熔池形貌及温度监测器(3)实时监测熔池形貌及温度，采集熔池尺寸及最高温度作为输入参数，依据目标熔池尺寸及最高温度稳定性将反馈传输至能量能量智能分配系统(4)；能量智能分配系统(4)接收反馈，输出调控策略，控制移动装置(22)执行操作；
第五步，熔池形貌及温度监测器(3)继续监测熔池形貌及温度，向能量智能分配系统(4)实时反馈，直至焊接结束，光纤激光器(16)、蓝光半导体激光器(11)停止出光。
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| CN202310187916.1A CN116275478A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法 |
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| CN202310187916.1A Pending CN116275478A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种光纤-蓝光半导体复合激光焊接能量智能分配装置及方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117840614A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 南京航空航天大学 | 基于纳米焊丝浅层熔覆的多波长激光改性焊接装置及方法 |
-
2023
- 2023-02-28 CN CN202310187916.1A patent/CN116275478A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117840614A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 南京航空航天大学 | 基于纳米焊丝浅层熔覆的多波长激光改性焊接装置及方法 |
| CN117840614B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-07 | 南京航空航天大学 | 基于纳米焊丝浅层熔覆的多波长激光改性焊接装置及方法 |
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