CN207372497U - 一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其包括机械手、固定在机械手活动端的激光焊接机构、位于激光焊接机构下方的高位保护气刀、位于高位保护气刀下面且位于待焊位置上面的低位保护气刀以及从待焊位置两侧进行吹气的气体保护装置，激光焊接机构包括发射功率为5KW以上的激光器、准直镜、45°全反射镜、沿激光束方向移动的聚焦镜、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、驱动聚焦镜移动的Z轴驱动机构以及控制装置，控制装置与激光器、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜以及Z轴驱动机构电气连接，聚焦镜的焦距为300mm以上。本实用新型能够解决铝合金焊接爆点、气孔和焊接裂纹等问题，获得强度高、焊接熔深与焊接熔宽稳定的铝合金焊缝。

Description

一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统

【技术领域】

本实用新型涉及一种焊接系统，特别是涉及一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统。

【背景技术】

随着“十三五”规划中有关新能源汽车产业发展的各项规划与政策不断落实，电动汽车市场化发展的春风扑面而来。电池作为新能源汽车三大核心技术之一，一定程度上决定了电动汽车的可靠性和安全性问题。铝合金电池模组壳体部件是动力电池的重要支撑，对其焊接位置有很高的强度要求。电池模组壳体部件一般选用的是五系或六系高强铝合金，其化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且其熔点高出铝的三倍，加之铝合金导热性强，焊接时容易造成熔合困难；铝合金氧化膜中吸收较多的水分，易导致焊缝中氢气孔的形成，降低焊接接头的力学性能；此外，铝合金的线膨胀系数大，导热性能极强，焊接时很容易产生咬边、塌陷和翘曲变形等缺陷。

目前有采用长聚焦的高速扫描振镜焊接方式焊接铝合金以实现“U”型焊缝，增大焊接接头的力学性能，但是焊接过程不稳定伴随焊接熔深不稳定。因此，有必要提供一种新的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的主要目的在于提供一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，能够解决铝合金焊接爆点、气孔和焊接裂纹等问题，获得高强度的铝合金焊缝。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其包括机械手、固定在所述机械手活动端的激光焊接机构、位于所述激光焊接机构下方的高位保护气刀、位于所述高位保护气刀下面且位于待焊位置上面的低位保护气刀以及从待焊位置两侧进行吹气的气体保护装置，所述激光焊接机构包括发射功率为5KW以上的激光器、准直镜、45°全反射镜、沿激光束方向移动的聚焦镜、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、驱动所述聚焦镜移动的Z轴驱动机构以及控制装置，所述控制装置与激光器、所述X轴扫描振镜、所述Y轴扫描振镜以及所述Z轴驱动机构电气连接，所述聚焦镜的焦距为300mm以上。

进一步的，所述Z轴驱动机构包括沿激光束方向设置的滑轨、设置在所述滑轨上的滑块以及驱动所述滑块移动的伺服电机，所述聚焦镜设置在所述滑块上。

进一步的，所述低位保护气刀吹出0.2Mpa的干燥空气或氮气，气刀长约60-70mm。

进一步的，所述高位保护气刀吹出0.7Mpa的干燥空气，气刀长约200-300mm。

进一步的，所述气体保护装置包括设置在焊缝位置两侧的气罐、向所述气罐内部吹入保护气体的管道，两个所述气罐相对面上设置有与焊缝平行的长条形开口，所述管道贯穿所述气罐内部。

进一步的，所述高位保护气刀与所述低位保护气刀的吹气方向相互呈90°设置。

与现有技术相比，本实用新型一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统的有益效果在于：

1)采用高速扫描振镜椭圆形螺旋线轨迹的扫描焊接方法，可以实现电池模组壳体部件的高速焊接，采用激光功率为5.5kw、焊接速度为4.8m/min、光束扫描频率为150Hz、光束摆动短径/长径为4/8的焊接工艺，可以使得焊接接头表面成形均匀一致，横、纵截面观察均无气孔和裂纹出现；

2)与光束直线模式焊接相比，椭圆形螺旋线轨迹的扫描焊接模式结合高位与低位的气刀吹气，使得激光焊接小孔形状规则，孔径变化波动程度小，等离子体的喷发稳定，减小了小孔周围的羽状物质，焊接接头表面飞溅量也大大减小，大大提高了激光焊接小孔的稳定性；

3)增加了激光束与焊接熔池的接触面积，加剧了熔融金属的蒸发，金属蒸发反冲力的增加，导致驱动小孔增大的轴向力和径向力增加，焊接小孔稳定性因而得到提高；

4)本焊接方法能够保证焊接熔深稳定在2.8mm左右，焊接熔宽稳定在3.0mm左右，同时，66毫米长度焊缝的焊接接头最大拉力可达24.54KN。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中激光焊接机构的原理结构示意图；

图3为本实用新型实施例中气体保护装置的结构示意图；

图4a为采用激光直线模式焊接方法得到的焊接接头焊缝表面形貌图；

图4b为采用激光直线模式焊接方法得到的焊接接头焊缝截面宏观图；

图4c为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头焊缝表面形貌图；

图4d为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头焊缝截面宏观图；

图5a为采用激光直线模式焊接方法得到的焊接接头拉伸断裂后纵截面的宏观图；

图5b为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头拉伸断裂后纵截面的宏观图；

图6为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头检测出来的焊接熔深和熔宽变化曲线图；

图7为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头焊缝表面的10倍宏观图；

图8为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头焊缝区500倍微观金相组织图；

图9为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头中母材的500倍微观金相组织图；

图10为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头热影响区500倍微观金相组织图；

图中数字表示：

1激光焊接机构，11激光器，13聚焦镜，14准直镜，15 45°全反射镜，16X轴扫描振镜，17Y轴扫描振镜，18Z轴驱动机构，19控制装置；2高位保护气刀；3低位保护气刀；4气体保护装置，41气罐，42管道，43长条形开口。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1-图2，本实施例为基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其包括机械手(图中未标示)、固定在所述机械手活动端的激光焊接机构1、位于激光焊接机构1下方的高位保护气刀2、位于高位保护气刀2下面且位于待焊位置上面的低位保护气刀3以及从待焊位置两侧进行吹气的气体保护装置4。

所述激光焊接机构1按照光束传递方向依次包括激光器11、准直镜14、45°全反射镜15、沿激光束方向移动的聚焦镜13、X轴扫描振镜16、Y轴扫描振镜17、驱动聚焦镜13移动的Z轴驱动机构18以及控制装置19，控制装置19与激光器11、X轴扫描振镜16、Y轴扫描振镜17以及Z轴驱动机构18电气连接。

本实施例基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统主要针对厚度在3mm以上的铝合金板材非焊透非熔透要求的激光焊接，本实施例中，进行焊接试验分析用的两块铝合金板材分别厚3mm和16mm。由于铝合金板材厚度较厚，因此需要更宽的焊接熔宽才能保证两个板材之间的连接强度；且由于母材为铝合金材质，铝合金为高反材料，易造成激光能量减弱；由于铝合金的化学性较为活泼，且要求非焊透，因此在激光焊接接头中易形成氢气孔，导致焊接不合格。

为了产生较宽的焊接熔宽，增大焊接板材之间的连接强度，本实施例中采用的聚焦镜13的焦距为300mm以上，最佳的为450mm，当采用450mm的聚焦镜13时，激光束聚焦后再经过X轴扫描振镜16与Y轴扫描振镜17反射至工件表面形成足够大的光斑，在扫描摆动后的激光束焊接时更容易获得“U”型焊缝，从而增大了有效焊接接头的面积。但是由于激光束的焦距增大，激光束的光束质量相对不稳定，且由于铝合金本身为高反材料，则更加加大了激光束能量减弱的程度，因此，本实施例中使用的激光器11的输出功率为7.5KW以上，光纤芯径为100μm，产生的光斑直径为0.37mm-0.39mm，波长为1.06-1.08μm，其发射的激光功率为5KW-6KW。加大激光器11的功率从而增加了焊接过程的热量输出，使得到达工件表面的激光束能量足够，从而在保证达到较宽的焊接熔宽的同时也能够抑制焊接裂纹的出现。

本实施例中采用的聚焦镜13的焦距为300mm以上的另一个有益效果为可以更好的保护激光焊接机构1中的各种镜片，防止焊接金属屑或者烟灰进入激光焊接机构1中，影响镜片的使用效果和使用寿命。

将激光焊接机构1设置在机械手上，可以实现多个单元的自动焊接，大大提高了焊接效率。

所述高位保护气刀2与所述低位保护气刀3的吹气方向相互呈90°设置。

低位保护气刀3吹出0.2Mpa的干燥空气或氮气，气刀长约60-70mm，能够吹走焊接飞溅，保护产品和焊接头保护镜片。低位保护气刀3距离Y轴扫描振镜17的高度距离不能太高，因过高的焦距会影响光束质量，低位保护气刀3通过在低位对激光束进行通过增加低位保护气刀3可以获得均匀一致的焊缝，且能够得到大于3mm的稳定焊接熔深。

本实施例更加适用于焦距在300mm以上的激光束，若没有低位保护气刀3则会很大程度上影响激光能量，降低焊接过程的稳定性，导致焊接熔深波动较大。

高位保护气刀2吹出0.7Mpa的干燥空气，气刀长约200-300mm，高位保护气刀2能够吹走焊接飞溅，保护产品和焊接头保护镜片；且能够吹掉等离子云，从而得到质量较好的焊缝；高位保护气刀2吹出的气压需要严格控制，当气体压力过低时，易导致等离子体和烟尘向上扩散，而阻碍激光的透过率。

请参照图3，气体保护装置4包括设置在焊缝位置两侧的气罐41、向气罐41内部吹入保护气体的管道42。两个气罐41相对面上设置有与焊缝平行的长条形开口43。管道42贯穿气罐41内部，使得保护气体输送到气罐41内部时，先均匀的充满整个气罐41再稳定充分的排出保护焊接熔池。若采用单边保护气体保护焊接熔池时，焊缝表面成形不够均匀，并且表面被氧化较为严重，影响整体焊接质量。本实施例采用两侧同时吹保护气体保护焊接熔池时，焊缝表面成形均匀连续；同时外加低位高压气体保护装置，增加了激光能量的稳定性。

由于本实施例中所述激光器11发射出的激光束的焦距在300mm以上，因此，为了更好的与机械手配合且能够提供空间利用率，所述激光焊接机构1中设置了准直镜14和45°全反射镜15，通过45°全反射镜15可以更改激光束的传递方向，使得原本需要设置在同一方向上的各个镜片可以分成两个垂直角度的方向布置，从而缩短了各个镜片在竖直方向上的布置长度，也缩短了激光焊接机构竖向尺寸，便于机械手对其实现驱动移动。

所述Z轴驱动机构18包括沿激光束方向设置的滑轨、设置在所述滑轨上的滑块以及驱动所述滑块移动的伺服电机，所述聚焦镜13设置在所述滑块上。通过移动聚焦镜13可以调整聚焦镜13与X轴扫描振镜16之间的距离来实现聚焦补偿，从而改变聚焦光点在工作平面上的位置，实现三维扫描。

所述基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统的焊接方法是：激光器11发射出激光束，经准直镜14准直后经过45°全反射镜15改变传递方向，再经过沿所述激光束方向可移动的聚焦镜13，再最后经过X轴扫描振镜16和Y轴扫描振镜17的配合作用在工件上，在此过程中，通过控制装置19控制X轴扫描振镜16、Y轴扫描振镜17以及Z轴驱动机构18，使得经过Y轴扫描振镜17折射出来的激光束在工件表面沿焊缝方向形成连续性的椭圆形螺旋线轨迹，由Y轴扫描振镜17折射出来的激光束在到达工件表面过程中，沿该激光束传递方向上依次使用高位保护气刀和低位保护气刀对其进行吹气，以增大焊接熔深，保证焊接过程的稳定性。

其中所述激光束的焦距为300mm以上，本实施例中，所述激光器11为7.5KW光纤激光器，其发射的激光功率为5KW-6KW、波长为1.06-1.08um、光斑直径为0.37mm-0.39mm，优选的激光功率为5.5KW、激光波长为1.07um、光斑直径为0.38mm。

通过控制X轴扫描振镜16的摆动半径来控制所述椭圆形螺旋线轨迹的长径L，优选的所述长径L为0.7-0.8mm；通过控制Y轴扫描振镜17的摆动半径来控制所述椭圆形螺旋线轨迹的短径D，优选的所述短径D为0.4-0.5mm；通过控制Z轴驱动机构18匀速改变聚焦镜13的位置，从而实现光斑在工件上的匀速移动；所述激光束的离焦量为-4mm，X轴扫描振镜16和Y轴扫描振镜17的摆动频率为150Hz，焊接速度为4.8-5m/min。

为了解决铝合金焊缝易出现小孔型气孔的问题，本实施例对焊接中出现氢气孔的原因进行了深层次的剖析。具体的，在激光焊接小孔上方任取一点，对熔融金属进行受力分析，作用在该点的作用力包括金属蒸汽反冲力Fv、沿焊接小孔上方熔融金属切线方向的表面张力Fa以及熔融金属自身重力Fg，通过这三个力的共同作用维持小孔的平衡。在光束未摆动条件下，小孔上方的金属液体通过Fv、Fa、Fg三个力的作用处于准平衡态。但是由于焊接过程中始终存在不稳定性因素，焊接小孔的准平衡态极易遭到破坏，这将导致小孔上方金属液体下榻，小孔内部的气体不能及时排除，直接被卷入焊接小孔内部，形成小孔型气孔，留在焊缝根部。根据其气孔产生的根本原因，本实施例将激光束按照椭圆形螺旋线进行摆动，从而增加激光束与焊接熔池的作用面积，增大激光束对焊接熔池的搅拌力度，使得金属蒸汽反冲力Fv增大，使得焊接小孔上方的熔融金属向维持小孔张开的方向移动，使得小孔处于张开状态，有利于气孔的逸出，从而保证了焊接小孔的稳定性，避免了铝合金焊接爆点、气孔等问题。

为了进一步减少氢气孔的形成，在进行焊接前，将待焊的母材首先进行机械打磨和使用酒精进行擦拭。

为了进一步的增加激光束与焊接熔池的作用面积，焊接速度不宜过大，本实施例中，焊接速度控制在4.8-5m/min，最佳的为4.8m/min，这样形成的椭圆形螺旋线轨迹的螺距能够形成更好的焊缝结构，其焊接熔宽和焊接熔深均能够达到最优，以便能够获得质量更优的焊缝接头。

本实施例基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统的焊接方法的有益效果在于：通过配合控制X轴扫描振镜16和Y轴扫描振镜17的摆动半径、聚焦镜13的移动速度，从而实现了光斑在工件表面上形成的椭圆形螺旋线轨迹；再结合高位保护气刀2和低位保护气刀3从高、低位对激光束进行吹气，使得能够获得非常稳定的焊接熔深和焊接熔宽，且焊接熔深能够达到3mm以上，得到的焊接接头的连接强度高；焊接接头表面成形均匀一致，横、纵截面均无气孔和裂纹出现。

为了验证本焊接方法的有益效果，本实施例给出了采用本焊接方法和采用激光直线模式焊接方法的得到的焊接接头进行了对比分析。

如附图4a、图4b、图4c、图4d所示，图4a-4d为两种焊接方法得到的焊接接头焊缝表面形貌图和高倍放大镜下的截面宏观图。其中两种焊接方法中的激光功率均为5.5KW，离焦量均为-4mm，焊接速度均为4.8m/min；本焊接方法中设置X轴扫描振镜16摆动得到的椭圆形螺旋线轨迹的长径L为0.7mm，设置Y轴扫描振镜17摆动得到的椭圆形螺旋线轨迹的短径D为0.5mm，摆动频率为150Hz。从图4a-4d可看出，采用本实施例焊接方法得到的焊缝结构外观整齐。

图5a为采用激光直线模式焊接方法的得到的焊接接头经过拉伸断裂后纵截面的宏观图，图5b为采用本实施例焊接方法得到的焊接接头经过拉伸断裂后纵截面的宏观图。从图5a与图5b可看出，采用本实施例焊接方法能够有效的改善小孔型气孔，解决裂纹、气孔等问题。

为了验证采用本焊接方法得到焊接接头的焊接熔深和焊接熔宽较为稳定，对其进行了检测，其检测结果如表1所示。由表1中的数据可知，采用本焊接方法得到的焊接熔深和焊接熔宽非常稳定。

表1本实施例焊接方法得到的焊接接头的焊接熔深与焊接熔宽检测结果

选用焊接参数为：激光功率5.5kw，焊接速度4.8m/min，离焦量-4mm，摆动频率为150Hz，摆动短径和长径分别是0.4mm和0.8mm，按此参数采用本实施例的焊接方法共做36件样品，其中32件用来检测焊接熔深和熔宽的稳定性，另外4件用来做拉伸试验，检测焊接接头强度大小。其检测出来的焊接熔深和熔宽变化曲线如图6所示。剩下的4件样品，在中间位置截取66mm长焊接接头做非标拉伸试验，其拉伸结果如表2所示。

表2本实施例焊接方法得到的焊接接头的拉伸试验结果

上述32件样品中，选择其中1件样品对其焊缝表面进行了观察，其10倍宏观图如图7所示；焊缝区500倍微观金相组织图如图8所示；母材500倍微观金相组织图如图9所示；热影响区500倍微观金相组织图如图10所示。

根据采用本实施例焊接方法得到的焊接接头的检测分析结果可以看出，本实施例基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统的焊接方法具有以下优点：

1)采用高速扫描振镜椭圆形螺旋线轨迹的扫描焊接方法，可以实现电池模组壳体部件的高速焊接，采用激光功率为5.5kw、焊接速度为4.8m/min、光束扫描频率为150Hz、光束摆动短径/长径为4/8的焊接工艺，可以使得焊接接头表面成形均匀一致，横、纵截面观察均无气孔和裂纹出现；

2)与光束直线模式焊接相比，椭圆形螺旋线轨迹的扫描焊接模式结合高位与低位的气刀吹气，使得激光焊接小孔形状规则，孔径变化波动程度小，等离子体的喷发稳定，减小了小孔周围的羽状物质，焊接接头表面飞溅量也大大减小，大大提高了激光焊接小孔的稳定性；

3)增加了激光束与焊接熔池的接触面积，加剧了熔融金属的蒸发，金属蒸发反冲力的增加，导致驱动小孔增大的轴向力和径向力增加，焊接小孔稳定性因而得到提高；

4)本焊接方法能够保证焊接熔深稳定在2.8mm左右，焊接熔宽稳定在3.0mm左右，同时，66毫米长度焊缝的焊接接头最大拉力可达24.54KN。

以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：其包括机械手、固定在所述机械手活动端的激光焊接机构、位于所述激光焊接机构下方的高位保护气刀、位于所述高位保护气刀下面且位于待焊位置上面的低位保护气刀以及从待焊位置两侧进行吹气的气体保护装置，所述激光焊接机构包括发射功率为5KW以上的激光器、准直镜、45°全反射镜、沿激光束方向移动的聚焦镜、X轴扫描振镜、Y轴扫描振镜、驱动所述聚焦镜移动的Z轴驱动机构以及控制装置，所述控制装置与激光器、所述X轴扫描振镜、所述Y轴扫描振镜以及所述Z轴驱动机构电气连接，所述聚焦镜的焦距为300mm以上。

2.如权利要求1所述的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：所述Z轴驱动机构包括沿激光束方向设置的滑轨、设置在所述滑轨上的滑块以及驱动所述滑块移动的伺服电机，所述聚焦镜设置在所述滑块上。

3.如权利要求1所述的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：所述低位保护气刀吹出0.2Mpa的干燥空气或氮气，气刀长约60-70mm。

4.如权利要求1所述的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：所述高位保护气刀吹出0.7Mpa的干燥空气，气刀长约200-300mm。

5.如权利要求1所述的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：所述气体保护装置包括设置在焊缝位置两侧的气罐、向所述气罐内部吹入保护气体的管道，两个所述气罐相对面上设置有与焊缝平行的长条形开口，所述管道贯穿所述气罐内部。

6.如权利要求1所述的基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，其特征在于：所述高位保护气刀与所述低位保护气刀的吹气方向相互呈90°设置。