CN116532798A - 一种激光焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接设备，其技术方案要点是采用圆形高斯光斑的预热激光束对待焊接部分进行预热，采用圆形高斯光斑的焊接激光束对待焊接部分进行焊接，采用线性矩形光斑退火激光束对待焊接部分进行退火，能量均匀分布的退火激光束更有利于控制温度梯度。此外，本发明的焊缝温度实时可测，预热激光束、焊接激光束、退火激光束三者的功率、光斑中心间距实时可控，激光熔化后形成的组织、化学均匀性很高、晶粒组织细小，明显提高了焊缝焊接质量，有效减小了焊后残余应力，大大改善了合金的机械性能，提高了焊接件的使用寿命。

Description

一种激光焊接设备

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，更具体的说，它涉及一种激光焊接设备。

背景技术

齿轮是传动机械不可缺少的零部件，齿轮箱体作为齿轮的承载机构，在汽车、工程机械等机械的传动系统中也是必不可少的零部件。传统的齿轮箱体为铸造成型的铸件，但铸造成型只适用于制造单一产品，不适用多尺寸、多型号齿轮箱体的制作，并且由于金属液态成型工序众多，导致齿轮箱体容易出现组织疏松、晶粒粗大等问题，直接影响传动机械的机械性能和加工切削性能，因此为了适应齿轮箱的高精度、高耐用性等需求，通常会采用激光焊接进行齿轮箱体的成型。

激光焊接是激光加工中应用最为成熟的技术之一，由激光器泵浦产生高能量密度的激光，经激光焊接头照射在母材上，热量发生聚集和传导，使母材快速熔化、凝固形成焊缝，完成整个焊接过程。激光焊接的微观机理为，在激光束及附近极小范围内，激光能量密度极高，使得母材汽化，产生金属蒸汽，同时匙孔的振荡加速熔池的流动性。与传统焊接技术相比，激光焊接具有热输入小、深宽比大、热影响区小、变形小、焊缝美观等优势。但激光焊接由于高能量密度的激光束快速加热和急冷作用，导致焊缝易产生较大的热应力，也且易产生裂纹、气孔等缺陷。

齿轮箱体适用于激光焊接技术，将齿轮箱体的侧板、顶板、底板、中分面板进行拼接后采用激光焊接方式进行固定连接，相较于传统的铸件成型，侧板、顶板、底板、中分面板拼接后再进行激光焊接固定从而形成齿轮箱体的加工方式，其成型质量获得了明显提高，但由于齿轮箱体本身需要高传动精度、高耐用性等要求，也即需要拼接焊缝具有晶粒细小、热应力小、无裂纹等特征，而齿轮箱体经过激光焊接后，仍然存在残余应力较大、易产生裂纹、晶粒组织不够细小等缺陷。

目前对于如齿轮箱体之类存在高精度、高耐用性需求的金属铸件焊接制品，如何进一步提高其焊接质量，是当前研究的重点方向。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光焊接设备，其通过激光束对待焊接部分进行预热、焊接、退火，同时实时检测焊缝温度，以调整预热激光束、焊接激光束、退火激光束三者的功率、光斑中心间距，激光熔化后形成的组织、化学均匀性很高、晶粒组织细小，明显提高了焊缝焊接质量，有效减小了焊后残余应力，大大改善了合金的机械性能，提高了焊接件的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种激光焊接设备，其包括预热激光器、焊接激光器、退火激光器、红外测温系统和控制系统；

预热激光器输出预热激光束在待焊接部分上形成预热光斑，焊接激光器输出焊接激光束在待焊接部分上形成焊接光斑，退火激光器输出退火激光束在待焊接部分上形成退火光斑；预热光斑、焊接光斑、退火光斑依次线性排布；红外测温系统用于实时检测退火光斑照射后的焊缝表面温度；

控制系统依据红外测温系统反馈的信号，实时调整预热光斑、焊接光斑、退火光斑之间的距离和预热激光器、焊接激光器、退火激光器的功率。

本发明进一步设置为：还包括分光系统和退火反射系统，所述分光系统用于将退火激光器输出的光束分光为第一退火激光束和第二退火激光束，第一退火激光束直接输出到待焊接部分上形成第一退火光斑，第二退火激光束通过反射系统反射到待焊接部分上形成第二退火光斑；预热光斑、焊接光斑、第一退火光斑、第二退火光斑依次线性排布。

本发明进一步设置为：所述分光系统内设置有能量调节装置，所述能量调节装置分配并调节所述第一退火激光束和第二退火激光束的能量比。

本发明进一步设置为：所述能量调节装置采用偏振器元件。

本发明进一步设置为：第一退火激光束与第二退火激光束之间的能量比为1：1-2：1。

本发明进一步设置为：控制系统依据红外测温系统反馈的信号，实时调整预热光斑、焊接光斑、第一退火光斑、第二退火光斑之间的距离和预热激光器、焊接激光器、退火激光器的功率。

本发明进一步设置为：还包括预热反射系统、焊接反射系统和退火反射系统，预热激光器、焊接激光器和退火激光器的输出光束分别通过预热反射系统、焊接反射系统和退火反射系统反射到待焊接部分上。

本发明进一步设置为：还包括第一整形系统和第二整形系统；预热激光器输出光束和焊接激光器输出光束分别通过两个第一整形系统照射在待焊接部分上，第一整形系统用于将激光光斑整形为高斯圆形光斑；退火激光器输出光束通过第二整形系统照射在待焊接部分上，第二整形系统用于将激光光斑整形为矩形光斑，矩形光斑有两边平行于预热光斑、焊接光斑所在直线。

本发明进一步设置为：预热激光器、焊接激光器、退火激光器的功率均可调，预热激光器功率为600-800W，焊接激光器的功率为1700-2000W，退火激光器的功率为500-700W。

本发明进一步设置为：预热激光器、焊接激光器、退火激光器输出光束的离焦量均为0-0.5mm，预热激光器、焊接激光器、退火激光器的扫描速度均为1000-1200mm/min。

本发明进一步设置为：还包括功率调节模块，预热激光器、焊接激光器、退火激光器三者输出的光束分别穿过三个功率调节模块后在待焊接部分上形成光斑。

本发明进一步设置为：所述功率调节模块包括半波片、偏振分光棱镜和光束吸收块，所述半波片的快轴方向通过旋转改变；光束穿过半波片后被偏振分光棱镜分光成两束，其中一束为工作光束，工作光束在待焊接部分上形成光斑，另一束被光束吸收块吸收。

本发明进一步设置为：还包括准直镜，所述工作光束穿过准直镜后在待焊接部分上形成光斑。

本发明进一步设置为：还包括扩束镜，预热激光器、焊接激光器、退火激光器和其对应的功率调节模块的光路之间均设置有一个扩束镜。

综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：本发明采用圆形高斯光斑的预热激光束对待焊接部分进行预热，采用圆形高斯光斑的焊接激光束对待焊接部分进行焊接，采用线性矩形光斑退火激光束对待焊接部分进行退火，能量均匀分布的退火激光束更有利于控制温度梯度。此外，本发明的焊缝温度实时可测，预热激光束、焊接激光束、退火激光束三者的功率、光斑中心间距实时可控，激光熔化后形成的组织、化学均匀性很高、晶粒组织细小，明显提高了焊缝焊接质量，有效减小了焊后残余应力，大大改善了合金的机械性能，提高了焊接件的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1的示意图；

图2为实施例1中各光斑形状示意图；

图3为实施例2的示意图；

图4为实施例2中各光斑形状示意图；

图5为实施例3的示意图。

图中：1、预热激光器；2、焊接激光器；3、退火激光器；4、红外测温系统；5、控制系统；61、预热反射系统；62、焊接反射系统；63、退火反射系统；7、分光系统；8、第一整形系统；9、第二整形系统；10、待焊接部分；11、预热光斑；12、焊接光斑；13、退火光斑；131、第一退火光斑；132、第二退火光斑；14、扩束镜；15、功率调节模块；151、半波片；152、偏振分光棱镜；153、光束吸收块；16、准直镜；17、能量调节装置。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，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，都属于发明的保护范围。

实施例1

如图1-2所示，为本发明实施例1的基本示意图，一种激光焊接设备，其包括预热激光器1、焊接激光器2、退火激光器3、红外测温系统4和控制系统5。预热激光器1输出预热激光束在待焊接部分10上形成预热光斑11，焊接激光器2输出焊接激光束在待焊接部分10上形成焊接光斑12，退火激光器3输出退火激光束在待焊接部分10上形成退火光斑13；预热光斑11、焊接光斑12、退火光斑13依次线性排布。所述预热激光束对所述上部待焊接部分10、所述下部待焊接部分10进行焊接前的预热；所述焊接激光束对所述上部待焊接部分10、所述下部待焊接部分10进行焊接；所述退火激光束对所述上部待焊接部分10、所述下部待焊接部分10进行焊接后的缓冷。红外测温系统4用于实时检测退火处理后的焊缝表面温度。本实施例中红外测温系统4为红外测温传感器。

预热激光器1、焊接激光束和退火激光器3和红外测温系统4均与控制系统5进行实时交互数据，控制系统5依据红外测温系统4反馈的信号，实时调整预热光斑11、焊接光斑12、退火光斑13三者之间的距离和预热激光器1、焊接激光器2、退火激光器3的功率。

具体的，根据红外测温系统4获得的焊缝表面温度，若焊缝表面温度高于预设温度，则减少预热激光器1、焊接激光束和退火激光器3的功率；若焊缝表面温度低于预设温度，则增加预热激光器1、焊接激光束和退火激光器3的功率。

本实施例中预热激光器1功率为600-800W，焊接激光器2的功率为1700-2000W，退火激光器3的功率为500-700W。预热激光束对所述上部待焊接部分10、所述下部待焊接部分10进行预热，一方面提高了焊接效率，另一方面预热导致工件温度上升，也有利于提高焊接吸收率。由于在焊接阶段，高能量密度的激光束快速加热和急冷作用，导致焊缝易产生较大的热应力，因此设置退火激光束用于对焊缝的持续加热，避免焊缝急速冷却。整个焊接过程中，焊接阶段需求的瞬时热量最多，因此焊接激光束的功率最高，为1700-2000W。

具体的，预热激光器1、焊接激光器2和退火激光器3的输出光束离焦量为0-0.5mm；由于增设了预热步骤，预热激光器1、焊接激光器2和退火激光器3的输出光束扫描速度可达1000-1200mm/min，显著提高了焊接速度。

对于光斑中心间距的调整，则需要通过控制系统5给定预设温度，若焊缝表面温度高于预设温度，控制系统5则延长预热光斑11与焊接光斑12之间的距离，或者延长焊接光斑12与退火光斑13之间的距离；若焊缝表面温度低于预设温度，控制系统5则缩短预热光斑11与焊接光斑12之间的距离，或者缩短焊接光斑12和退火光斑13之间的距离。通过光斑间距的调整，可以在激光器功率调整的基础上，进一步优化提高预热效果与退火效果，同时进一步减少过热烧穿的可能性。

本实施例还包括预热反射系统1、焊接反射系统2和退火反射系统3，预热激光器1、焊接激光器2和退火激光器3的输出光束分别通过预热反射系统1、焊接反射系统2和退火反射系统3反射到待焊接部分10上，实现三个光斑的线性排布。三个反射系统可通过位移装置进行位置改变，所述位置装置与控制系统5通信连接，所述位移装置图中未示出，控制系统5依据红外测温系统4反馈的信号，通过位移装置实时调整三个反射系统所处位置。三个反射系统的移动方向平行于预热光斑11、焊接光斑12、退火光斑13三者所在直线。

本实施例中预热反射系统61、焊接反射系统62和退火反射系统63均为全反镜，预热反射系统61、焊接反射系统62和退火反射系统63均与所述控制系统5通信连接，以便于控制系统5调整各激光束反射角度。

具体的，预热光斑11与焊接光斑12的光斑中心间距为40-50mm，焊接光斑12与退火光斑13的光斑中心间距为60-80mm。

本实施例还包括第一整形系统8和第二整形系统9，预热激光束、焊接激光束分别通过两个第一整形系统8整形，在待焊接部分10形成高斯圆形光斑；第一退火激光束通过第二整形系统9整形，在待焊接部分10形成矩形光斑。采用高斯圆形光斑的预热激光束对粉末进行预热，高斯型的激光束聚集热量高，可提高预热效率；焊接过程中，采用高斯圆形光斑进行焊接，具有一定重叠率70-80%的高斯圆形光斑显著增加了焊缝的平整度；在焊接完成之后，采用矩形光斑进行退火，能量均匀分布的线性激光束能对焊缝表面进行均一化的热处理、更有利于控制温度梯度，满足缓慢降温，避免焊缝的急速冷却导致的裂纹、残余应力大等缺点，有效提高了焊接质量。

具体的，所述第一整形系统8为聚焦镜，所述第二整形系统9为柱面透镜。

本实施例中第一整形系统8和第二整形系统9均与控制系统5通信连接，以便于对高斯圆形光斑和矩形光斑的形状尺寸进行调整。

具体的，高斯圆形光斑直径为2-3mm；矩形光斑长边为2-3mm，短边为500-800μm，矩形光斑短边平行于预热光斑11、焊接光斑12、退火光斑13三者所在直线，即矩形光斑短边平行于焊接方向。

综上所述，本实施例采用圆形高斯光斑的预热激光束对待焊接部分10进行预热，采用圆形高斯光斑的焊接激光束对待焊接部分10进行焊接，采用线性矩形光斑退火激光束对待焊接部分10进行退火，能量均匀分布的退火激光束更有利于控制温度梯度。此外，本实施例的焊缝温度实时可测，预热激光束、焊接激光束、退火激光束三者的功率、光斑中心间距实时可控，激光熔化后形成的组织、化学均匀性很高、晶粒组织细小，明显提高了焊缝焊接质量，有效减小了焊后残余应力，大大改善了合金的机械性能，提高了焊接件的使用寿命。

实施例2

如图3-4所示，为实施例2的基本示意图，本实施例在实施例1的基础上通过分光系统7将退火激光器3输出的光束分光为第一退火激光束和第二退火激光束，第一退火激光束通过一个第二整形系统9后在待焊接部分10上形成矩形的第一退火光斑131；第二退火激光束通过退火反射系统63反射后，再通过另一个第二整形系统9在待焊接部分10上形成矩形的第二退火光斑132。预热光斑11、焊接光斑12、第一退火光斑131和第二退火光斑132依次线性排布。

具体的，所述分光系统7为表面镀有镀层的多功能镜片。

本实施例中第一退火激光束第二退火激光束的离焦量为0-0.5mm，扫描速度为1000-1200mm/min。

本实施例分光系统7、预热反射系统61、焊接反射系统62和退火反射系统63均通过位移装置进行位置改变，以调整四个光斑之间的中心间距，所述位移装置图中未示出，所述控制系统5依据红外测温系统4反馈的信号，通过位移装置实时调整三个反射系统和分光系统7所处位置，改变预热光斑11、焊接光斑12、第一退火光斑131、第二退火光斑132之间的距离。

预热光斑11与焊接光斑12的中心间距为40-50mm，焊接光斑12与第一退火光斑131之间的间距为80-100mm，第一退火光斑131与第二退火光斑132之间中心间距为40-50mm。

所述分光系统7内设置有能量调节装置，所述能量调节装置分配并调节所述第一退火激光束和第二退火激光束的能量比。第一退火激光束与第二退火激光束之间的能量比为1：1-2：1。本实施例中进一步设置两前后分布的、能量比可调节的第一退火激光束和第二退火激光束，第一退火光斑131和第二退火光斑132均为线性矩形光斑，在满足对焊缝表面进行均一化的热处理基础之上，在第一退火激光束对焊接层进行加热缓冷后，第二束退火激光再次进行二次缓冷，进一步有效减小了残余应力。所述分光系统7与控制系统通信连接，由控制系统实时调节第一退火激光束与第二退火激光束的输出角度和第一退火激光束与第二退火激光束的能量比。

具体的，本实施例中能量调节装置为偏振器元件。

退火激光器3输出的光束通过偏振器元件进行能量比调节后，通过分光系统7内设的分光镜片分光成垂直向下的第一退火激光束和水平输入退火反射系统63的第二退火激光束。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例2的不同之处在于，本实施例还包括功率调节模块15和准直镜16。

预热激光器、焊接激光器、退火激光器三者输出的光束分别穿过三个功率调节模块15后，分别进入三个准直镜16。预热激光束经过准直镜16准直后，照射到预热反射系统上，焊接激光束经过准直镜16准直后，照射到焊接反射系统上。

所述功率调节模块15包括半波片151、偏振分光棱镜152和光束吸收块153，所述半波片151的快轴方向通过旋转改变；光束穿过半波片151后被偏振分光棱镜152分光成两束，其中一束为工作光束进入准直镜16；为了避免未另一束被利用的偏振光损伤人眼及设备，采用光束吸收块153来对其进行收集。

具体的，半波片151被置于高精度旋转台上，通过控制器控制旋转台旋转调节半波片151的快轴方向，来灵活调整透过半波片151的激光的偏振方向，进而灵活调节透过偏振分光棱镜152和被其反射的激光的能量之比，实现灵活控制用于激光加工的平均功率。

本实施例还包括扩束镜14，预热激光器、焊接激光器、退火激光器和其对应的功率调节模块15的光路之间均设置有一个扩束镜14。所述扩束镜14用于改变激光光束直径和发散角，其能够将预热激光器、焊接激光器、退火激光器输出的光束变为特定直径的准直光束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种激光焊接设备，其特征在于：包括预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)、红外测温系统(4)和控制系统(5)；

预热激光器(1)输出预热激光束在待焊接部分(10)上形成预热光斑(11)，焊接激光器(2)输出焊接激光束在待焊接部分(10)上形成焊接光斑(12)，退火激光器(3)输出退火激光束在待焊接部分(10)上形成退火光斑(13)；预热光斑(11)、焊接光斑(12)、退火光斑(13)依次线性排布；红外测温系统(4)用于实时检测退火光斑(13)照射后的焊缝表面温度；

控制系统（5）依据红外测温系统（4）反馈的信号，实时调整预热光斑(11)、焊接光斑(12)、退火光斑(13)之间的距离和预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)的功率。

2.根据权利要求1所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括分光系统(7)和退火反射系统(63)，所述分光系统(7)用于将退火激光器(3)输出的光束分光为第一退火激光束和第二退火激光束，第一退火激光束直接输出到待焊接部分(10)上形成第一退火光斑(131)，第二退火激光束通过反射系统反射到待焊接部分(10)上形成第二退火光斑(132)；预热光斑(11)、焊接光斑(12)、第一退火光斑(131)、第二退火光斑(132)依次线性排布。

3.根据权利要求2所述的一种激光焊接设备，其特征在于：所述分光系统(7)内设置有能量调节装置，所述能量调节装置分配并调节所述第一退火激光束和第二退火激光束的能量比。

4.根据权利要求3所述的一种激光焊接设备，其特征在于：所述能量调节装置采用偏振器元件。

5.根据权利要求3所述的一种激光焊接设备，其特征在于：第一退火激光束与第二退火激光束之间的能量比为1：1-2：1。

6.根据权利要求2或3所述的一种激光焊接设备，其特征在于：所述控制系统（5）依据红外测温系统（4）反馈的信号，实时调整预热光斑(11)、焊接光斑(12)、第一退火光斑(131)、第二退火光斑(132)之间的距离和预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)的功率。

7.根据权利要求1所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括预热反射系统(61)、焊接反射系统(62)和退火反射系统(63)，预热激光器(1)、焊接激光器(2)和退火激光器(3)的输出光束分别通过预热反射系统(61)、焊接反射系统(62)和退火反射系统(63)反射到待焊接部分(10)上。

8.根据权利要求1-3、7任一所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括第一整形系统(8)和第二整形系统(9)；预热激光器(1)输出光束和焊接激光器(2)输出光束分别通过两个第一整形系统(8)照射在待焊接部分(10)上，第一整形系统(8)用于将激光光斑整形为高斯圆形光斑；退火激光器(3)输出光束通过第二整形系统(9)照射在待焊接部分(10)上，第二整形系统(9)用于将激光光斑整形为矩形光斑，矩形光斑有两边平行于预热光斑(11)、焊接光斑(12)所在直线。

9.根据权利要求1所述的一种激光焊接设备，其特征在于：预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)的功率均可调，预热激光器(1)功率为600-800W，焊接激光器(2)的功率为1700-2000W，退火激光器(3)的功率为500-700W。

10.根据权利要求9所述的一种激光焊接设备，其特征在于：预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)输出光束的离焦量均为0-0.5mm，预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)的扫描速度均为1000-1200mm/min。

11.根据权利要求1所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括功率调节模块(15)，预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)三者输出的光束分别穿过三个功率调节模块(15)后在待焊接部分(10)上形成光斑。

12.根据权利要求11所述的一种激光焊接设备，其特征在于：所述功率调节模块(15)包括半波片(151)、偏振分光棱镜(152)和光束吸收块(153)，所述半波片(151)的快轴方向通过旋转改变；光束穿过半波片(151)后被偏振分光棱镜(152)分光成两束，其中一束为工作光束，工作光束在待焊接部分(10)上形成光斑，另一束被光束吸收块(153)吸收。

13.根据权利要求12所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括准直镜(16)，所述工作光束穿过准直镜(16)后在待焊接部分(10)上形成光斑。

14.根据权利要求11所述的一种激光焊接设备，其特征在于：还包括扩束镜(14)，预热激光器(1)、焊接激光器(2)、退火激光器(3)和其对应的功率调节模块(15)的光路之间均设置有一个扩束镜(14)。