CN207900455U - 一种超声辅助激光焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超声辅助激光焊接装置，该装置通过将轴线处于同一平面且相互垂直的两个变幅杆分别激光头机机械耦合连接，基于振动合成原理，通过控制两组超声振动的振幅和振动的相位差，使激光束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动，一方面将合成超声振动通过激光头直接作用于激光束，强化激光的热力复合作用，另一方面，部分超声能量通过激光束传入熔池中，影响到熔池的传热与流动行为。由于超声与激光复合能场的作用，与单一激光焊接工艺相比，本实用新型的激光束能量密度得到加强，同时焊接熔池受到高频振动能量的作用使焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，因而焊接接头的质量得到大幅改善。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声辅助激光焊接装置与工艺，属于高效激光加工技术领域。
背景技术
激光焊接作为高能束焊接技术的一种，具有能量密度高、焊接热输入小、焊接速度快、自动化程度高、焊接结构变形小、可达性和柔性强等特点，具有特有的技术和经济优势，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛的应用。但是激光焊接也面临着能量转换效率低，能量消耗大；对工件的装配精度要求高；对激光的反射率高的材料焊接，激光的实际利用率低等挑战，这些问题制约了激光在焊接方面应用的进一步扩展。
超声加工是利用高频振动在物质中传播时产生的力学效应、热效应进行加工的一种加工技术。在常规加工工艺中引入超声能量可以提高材料加工速率、质量和完成常规技术所不能胜任的材料加工与处理，因此，功率超声技术在机械加工、表面改性、铸造和焊接领域有广泛的研究和应用。如果将超声波与激光焊接有效结合则可以拓展激光焊接的应用范围，并提升激光焊接质量。目前已经有将超声振动引入激光焊接的报道：如专利CN102059453 A公开的《超声波非接触式辅助激光焊接的方法》，该方法是在激光焊接过程中，在激光焊接产生的熔池的上方悬空放置功率超声装置通过超声在熔池内产生的空化和破碎作用来细化焊缝晶粒，以提高焊缝的力学性能。专利CN 103114286 A公开的《一种超声辅助激光修复钛合金的方法》，该方法是在钛合金激光修复过程中，超声设备至于工件表面，通过工件将超声导入熔池，利用超声的空化效应细化焊接区域晶粒。工件修复后，超声作用于修复区域表面，以达到消除内应力的作用。专利CN 105583523 A公开的《一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法》，该方法是在大厚(>12mm)板材激光平焊过程中，将频率为25kHz，振幅为30um的超声装置分别置于焊缝两端，频率为35kHz，振幅为10um 的超声装置悬空置于激光焊接熔池的上方，分别通过工件和空气将两种不同的超声振动导入焊接熔池，利用超声的空化和搅拌效应改善焊缝气孔缺陷，提高焊接接头致密性，并减小焊缝区域的残余应力。专利CN 106914700 A公开的《一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法》，该方法是在异种金属密封件激光焊接过程中，通过旋转夹紧工装夹具将超声振动引入焊缝区域，从而提高试件的密封性能。专利CN 107414291 A公开的《超声辅助激光焊接异种材料》，该方法针对金属/陶瓷材料与高分子材料激光焊接过程中，通过工件将超声振动引入焊接区域，从而消除激光产生的气泡，并增强高分子材料和金属或者陶瓷之间的化学结合，增强两种材料之间的焊接强度。
这些专利方法通过工件或空气将超声振动引入熔池，利用超声的空化效应、力学效应提高焊缝力学强度，减小焊缝应力，从而提高焊接质量，超声作用限于辅助液态金属材料凝固过程，对激光无明显作用，即这些专利方法本质属于单一激光能源焊接的范畴。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：设计一种超声辅助激光焊接装置使激光束能量密度得到加强,焊接接头的质量得到大幅改善。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：设计一种超声辅助激光焊接装置，包括超声波发生器、激光头、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述的超声振动装置包括换能器，振动传导装置包括变幅杆；所述超声波发生器与换能器连接；所述变幅杆的一端与换能器连接，其另一端与激光头连接，所述激光头与激光发生器通过激光传导装置连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述变幅杆与激光头通过可拆卸机构机械耦合连接。
作为上述技术方案的进一步改进，超声波发生器可以同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是0或者π/2。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的换能器的数量为两个，两个所述的换能器的轴向处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振动传导装置包括变幅杆的数量为两个，两个所述的变幅杆分别与上述两个换能器同轴连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的变幅杆的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的换能器为压电换能器或磁致伸缩换能器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器为CO2激光器、Nd:YAG激光器、半导体激光器或光纤激光器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发生器的输出方式为脉冲或连续。
本实用新型的有益效果是：设计一种超声辅助激光焊接装置一方面将合成的超声振动通过激光头直接作用于激光束形成一种超声复合的激光束，使激光束能量密度得到加强，另一方面焊接熔池受到高频振动能量的作用，焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，因而焊接接头的质量得到大幅改善。
除外，本实用新型激光头与变幅杆采用机械耦合连接，拆装过程方便，对不同型号的激光头适应性强。超声与激光的发生控制系统相互分离，超声与激光之间参数可以独立调节，通过对激光焊接工艺参数(激光功率、焊接速度、气体流量)与超声参数(频率、振幅)的优化耦合匹配，拓宽了激光焊接的工艺参数范围。
再者，本实用新型具有激光焊焊接过程稳定、焊缝成形良好，并提高了激光的穿孔能力和小孔稳定保持能力。超声辅助激光焊接工艺可以实现碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、镁合金及钛合金等材料的焊接。
本实用新型涉及一种超声辅助激光焊接装置与工艺，属于高效激光加工技术领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本实用新型超声复合激光焊接装置示意图；
图2是本发明超声复合激光焊接直线振动轨迹示意图一；
图3是本发明超声复合激光焊接直线振动轨迹示意图二；
图4是本发明超声复合激光焊接倾斜直线振动轨迹示意图一；
图5是本发明超声复合激光焊接倾斜直线振动轨迹示意图二；
图6是本发明超声复合激光焊接圆形振动轨迹示意图一；
图7是本发明超声复合激光焊接圆形振动轨迹示意图二；
图8是本发明超声复合激光焊接椭圆形振动轨迹示意图一；
图9是本发明超声复合激光焊接椭圆形振动轨迹示意图二。
其中，图中：1-激光头，2-变幅杆，3-换能器，4-超声波发生器。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1-9，一种超声辅助激光焊接装置，包括超声波发生器4、激光头1、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述的超声振动装置包括换能器3，振动传导装置包括变幅杆2；所述超声波发生器4与换能器3连接；所述变幅杆2的一端与换能器3连接，其另一端与激光头1连接，所述激光头1与激光发生器通过光纤连接。由此，通过超声复合的方式，激光束能量密度得到加强，能够加强激光束熔融焊接件的能力。另一方面焊接熔池受到超声高频振动能量的作用，焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，使得焊接接头的质量得到大幅改善。
进一步作为优选的实施方式，所述变幅杆2与激光头1通过可拆卸机构机械耦合连接。由此，激光头和变幅杆能够拆卸，可以方便更换不同型号的激光头或变幅杆以适应不同的工作状况需求。
进一步作为优选的实施方式，超声波发生器4可以同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是0或者π/2。由此，当超声波发生器4产生1路高频信号，只有一个变幅杆工作时，激光束振动轨迹为直线且垂直或平行于焊缝。当超声波发生器产生2路相位差为0的高频信号时，激光束振动轨迹为直线，与焊缝倾斜相交，斜率由两变幅杆的放大倍数决定。当超声波发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数相同时，激光束振动轨迹为圆形。当超声波发生器产生2路相位差为π/2的高频信号，且两变幅杆的放大倍数不同时，激光束振动轨迹为椭圆形。
进一步作为优选的实施方式，所述的换能器3的数量为两个，两个所述的换能器3处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振动传导装置包括变幅杆2的数量为两个，两个所述的变幅杆2分别与上述两个换能器3同轴连接。由此，换能器的超声震动可以通过变幅杆进行放大，两个换能器产生的超声振动分别通过各自的变幅杆进行放大，振幅为1～100μm。
进一步作为优选的实施方式，所述的变幅杆2的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。
进一步作为优选的实施方式，所述的换能器3为压电换能器或磁致伸缩换能器。
进一步作为优选的实施方式，所述激光发生器为CO2激光器、 Nd:YAG激光器、半导体激光器或光纤激光器。
进一步作为优选的实施方式，所述激光发生器的输出方式为脉冲或连续。
本实施例使用如图1所示的超声辅助激光焊接装置进行焊接工作步骤如下：
(1)工频交流电(220V/380V，50Hz经过超声波发生器6转换为频率为20～200KHz的高频交流电，高频电流同时输入到换能器3和换能器7中产生同频超声振动，超声波发生器输出功率为50～3000W。
(2)两个换能器产生的超声振动分别通过各自连接的变幅杆进行放大，振幅为1～100μm。
(3)两个变幅杆各自通过螺柱与激光头进行紧密连接。两个变幅杆轴线相互垂直，且处于同一平面。基于振动合成原理，通过控制两组输入分别与两个变幅杆相连的换能器的高频电信号的相位差与变幅杆的放大倍数，使激光4束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动。
(4)焊接时，功率为100～10000W的激光发生器9产生激光束，通过激光传输装置10传输到激光头1，激光头1聚焦后变为激光束4。激光头输入气体种类为氦、或氩气，气体流量为1～100L/min。超声振动通过激光头1作用于激光束，且通过激光束传递到工件上的熔池中，对熔池及其中的匙孔产生作用。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：包括超声波发生器(4)、激光头(1)、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述的超声振动装置包括换能器(3)，所述的振动传导装置包括变幅杆(2)；所述超声波发生器(4)与换能器(3)连接；所述变幅杆(2)的一端与换能器(3)连接，其另一端与激光头(1)连接，所述激光头(1)与激光发生器通过激光传导装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述变幅杆(2)与激光头(1)通过可拆卸机构机械耦合连接。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：超声波发生器(4)同时输出两路频率和幅值相同高频交流电，交流电的相位差是0或者π/2。
4.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述的换能器(3)的数量为两个，两个所述的换能器(3)处于同一平面、相互垂直并且均垂直于激光发生器的轴线；所述振动传导装置包括变幅杆(2)的数量为两个，两个所述的变幅杆(2)分别与上述两个换能器(3)同轴连接。
5.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述的变幅杆(2)的材料是粉末冶金钢或钛合金或铝合金。
6.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述的换能器(3)为压电换能器或磁致伸缩换能器。
7.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述激光发生器为CO2激光器或Nd:YAG激光器或半导体激光器或光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光焊接装置，其特征在于：所述激光发生器的输出方式为脉冲或连续。
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| CN201820098796.2U CN207900455U (zh) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 一种超声辅助激光焊接装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109128509A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-01-04 | 上海工程技术大学 | 一种高频振动辅助激光焊接镍基高温合金的方法 |
| US20220243299A1 (en) * | 2021-02-03 | 2022-08-04 | Jiangsu University | Device and method for peening by coupling laser shock wave and ultrasonic shock wave in real time |
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2018
- 2018-01-19 CN CN201820098796.2U patent/CN207900455U/zh active Active
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