CN1757480A - 激光冲击爆炸焊接的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光冲击焊接加工的方法和装置，特别适用于形状复杂的工件表面焊接具有特殊要求的复合层材料。该装置由激光发生器控制装置、激光发生器及导光系统、吸收层材料和工件夹具系统组成。其中吸收层材料是由增强激光吸收效果的能量转换体和炸药按一定比例混合而成；工件夹具系统则包括复合层材料、保护层材料、工件、夹具、工作台及工作台控制装置。利用激光照射吸收层材料诱导产生冲击波，同时利用激光热效应和冲击波效应引爆吸收层材料中混合的炸药产生爆轰波，冲击波和爆轰波共同作用使复合层材料高速抛飞，并撞击工件，在撞击点引起材料溅射从而形成焊接。由于激光参数精确可控，因此易于实现精密焊接成形。

Description

激光冲击爆炸焊接的方法和装置
技术领域：
本发明涉及焊接领域，特指一种激光冲击爆炸焊接的方法和装置，尤其适用于在复杂工件表面焊接一层具有特殊要求的材料。
背景技术：
常见的复合层焊接技术有：压力焊、爆炸焊接和电阻焊。电阻焊由于热效应影响容易使材料组织发生变化，而压力焊需要压力设备且对一些形状复杂的工件表面焊接一层复合层有一定的困难。爆炸焊接没有上述两种方法的缺点，可以采用不同的装药方式实现在一定形状的工件表面焊接复合层，但爆炸焊接不易控制，复合层的边界难以精确成形，焊接质量稳定性差，只能用于一些形状比较简单或焊接后再进行加工的零件。
与本发明最为接近的技术是爆炸焊接技术。爆炸焊接利用炸药爆炸产生的爆轰波使复合层材料获得一定的抛飞速度，复合层材料高速运动撞击基材，引起撞击点材料溅射从而形成焊接。但爆炸焊接可控性差，对于形状复杂的工件表面进行焊接不易精确成形，尤其是焊接边界部分焊接质量难以保证。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种激光冲击焊接的方法和装置，它可以在复杂的工件表面焊接一层有特殊要求的复合层，起到耐磨、防腐等目的。而且焊接不会引起基材性能太大变化，焊接精密可控。
实施该方法的装置包括激光发生器控制装置、激光发生器及导光系统、吸收层材料和由工件、夹具、工作台及工作台控制装置组成的工件夹具系统，其特征在于在工件外面依次设有复合层材料，在复合层材料外侧涂布混有炸药的吸收层材料，在工件的非焊接部位涂布保护层材料。
本发明方法的特征在于将复合层材料覆盖在工件表面，并和工件一起通过夹具安装在工作台上，在复合层材料外侧涂布吸收层材料，在工件的非焊接部位涂布保护层材料。由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生激光脉冲，照射到涂布在复合层表面的吸收层材料上，吸收层材料汽化产生冲击波，复合层材料在冲击波作用下撞击工件表面产生溅射形成焊点。通过工作台控制装置控制工作台按一定轨迹移动，逐点焊接直至将整个复合层材料全部焊接到工件表面。当焊接到复合层材料边缘部分时，涂布在工件表面的保护层则保护工件免受激光烧蚀。
本发明的实施过程如下：
1.根据零件要求焊接的复合层尺寸、形状计算复合层毛坯的尺寸形状，并裁剪复合层毛坯，把工件、复合层毛坯安装到夹具上，复合层毛坯与工件之间留有一定间隙。
2.在工件焊接部位之外涂布保护层材料，如油漆、油脂等，避免焊接部位之外的工件材料被激光烧灼。
3.根据焊接强度要求混合能量转换体和炸药配置吸收层材料，并涂布或粘贴在复合层材料表面。
4.根据焊接强度要求编制程序用于激光发生器控制装置，控制和调节激光参数；根据焊接部位形状编制控制程序用于工作台控制装置，控制工件按一定轨迹运动。
5.激光发生器产生的激光脉冲经导光系统照射到吸收层材料上使其汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应引爆吸收层中的炸药，激光冲击波和炸药爆炸产生的爆轰波共同作用，使复合层材料高速运动，撞击工件，引起撞击处材料溅射形成焊接。
6.通过工作台控制装置控制工件按预定轨迹移动，逐点焊接，实现精密可控焊接成形。本发明的优点在于：
利用激光冲击爆炸焊接可以实现复杂形状工件的精密焊接，不但复合层和基材之间的结合强度可控，而且能够适应各种形状的复合层焊接。
附图说明：
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是根据本发明提出的基于激光冲击波技术的激光冲击焊接装置示意图。
1.激光发生器控制装置  2.激光束发生器及导光系统  3.激光束  4.吸收层材料  5.保护层材料  6.复合层材料  7.工件  8.夹具  9.工作台  10.工作台控制装置  11.数字控制装置  12.计算机
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
本装置包括激光发生器控制装置(1)、激光发生器及导光系统(2)、吸收层材料(4)和工件夹具系统，工件夹具系统包括保护层材料(5)、复合层材料(6)、工件(7)、夹具(8)、工作台(9)及工作台控制装置(10)。
复合层材料(6)覆盖在工件(7)表面，并和工件(7)一起通过夹具(8)安装在工作台(9)上，在复合层材料(6)外侧涂布混有炸药的吸收层材料(4)，在工件(7)的非焊接部位涂布保护层材料(5)。由激光发生器控制装置(1)控制激光发生器(2)按优化好的参数产生激光脉冲(3)，照射到涂布在复合层(6)表面的吸收层材料(4)上，吸收层材料(4)汽化产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应又引爆混合在吸收层材料中的炸药产生爆轰波，复合层材料(6)在激光诱导的冲击波和炸药爆炸产生的爆轰波联合作用下高速运动并撞击工件(7)表面产生溅射形成焊点。通过工作台控制装置(10)控制工作台(9)按一定轨迹移动，逐点焊接直至将整个复合层材料全部焊接到工件表面。当焊接到复合层材料(6)边缘部分时，涂布在工件表面的保护层(5)则保护工件(7)免受激光烧蚀。
激光发生器产生能量在10～100焦耳，持续时间8～80纳秒的激光脉冲，激光束的光斑模式可是基模、多模等多种模式，由激光发生器的控制装置控制和调节。
激光发生器产生的激光脉冲光束经导光系统照射到吸收层材料上，被其中的能量转换体吸收并引起吸收层材料汽化、电离产生冲击波，同时激光热效应和冲击波效应引起吸收层中炸药爆炸产生爆轰波，二者共同作用使复合层材料高速运动，并撞击工件表面，引起撞击点材料的溅射从而焊接在一起。
通过工作台控制装置控制工件移动，逐点焊接最终使整个复合层材料全部焊接到工件上。
由于激光参数可控，且吸收层中炸药种类、含量以及吸收层厚度可以调节，因此可以控制复合层与工件之间的焊接强度，而利用工作台的移动可以适应各种形状复合层的焊接。

Claims (3)

1.激光冲击爆炸焊接的方法，其特征是复合层材料覆盖在工件表面，并和工件一起通过夹具安装在工作台上，在复合层材料外侧涂布混合一定量的炸药成分的吸收层材料，在工件的非焊接部位涂布保护层材料；由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生激光脉冲，照射到涂布在复合层表面的吸收层材料上，吸收层材料汽化产生冲击波，复合层材料在冲击波作用下撞击工件表面产生溅射形成焊点。
2.根据权利要求1所述的激光冲击爆炸焊接的方法，其特征在于通过工作台控制装置控制工作台按一定轨迹移动，逐点焊接直至将整个复合层材料全部焊接到工件表面。
3.实现权利要求1所述的激光冲击爆炸焊接的方法的装置，包括激光发生器控制装置(1)、激光发生器及导光系统(2)、吸收层材料(4)和由工件(7)、夹具(8)、工作台(9)及工作台控制装置(10)组成的工件夹具系统，其特征在于在工件外面依次设有复合层材料(6)，在复合层材料(6)外侧涂布混有炸药的吸收层材料(4)，在工件的非焊接部位涂布保护层材料(5)。
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