一种超声辅助激光焊接装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声辅助激光焊接装置与方法，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，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。本发明专利技术涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助激光焊接装置与方法
本专利技术涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工

技术介绍
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CN102059453A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CN103114286A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CN105583523A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CN106914700A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CN107414291A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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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与方法，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，所述的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输装置连接。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；所述振动传动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。一种超声辅助激光焊接装置与方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：工频交流电经过超声发生器后转换为高频交流电，高频交流电通过换能器转换为同频超声振动；步骤二：换能器发出的超声振动经过变幅杆进行放大，变幅杆振动通过与机械耦合结构传递到激光头；步骤三：焊接时，激光发生器产生激光，保护气体输入激光头，激光头对激光束进行聚焦，产生焊接所需激光束，超声振动通过激光头传递到激光束和焊接熔池。作为上述技术方案的进一步改进，所述换能器和变幅杆设有的数量均为两个，所述超声发生器能够输出1路或2路高频信号到变幅杆，所述两个变幅杆能够分别放大两个所述换能器发出的超声振动。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤一中超声发生器的功率为50～3000W，频率为20～200KHz；当超声发生器发出2路高频交流电时，两路交流电相位差设置为0或π/2；所述两个换能器型号相同；所述步骤二中变幅杆放大后的超声振动振幅为1～100μm。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤三中激光器为CO2激光器或Nd:YAG激光器或半导体激光器或光纤激光器，输出方式为脉冲或连续。激光器的输出功率为100～10000W。保护气体为氦、或氩气，气体流量为1～100L/min。本专利技术的有益效果是：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，本专利技术激光头与变幅杆采用可拆机械连接，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，本专利技术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。本专利技术涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工
附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一部分实施例，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是本专利技术超声复合激光焊接装置示意图；图2是本专利技术超声复合激光焊接直线振动轨迹示意图；图3是本专利技术超声复合激光焊接倾斜直线振动轨迹示意图；图4是本专利技术超声复合激光焊接圆形振动轨迹示意图；图5是本专利技术超声复合激光焊接椭圆形振动轨迹示意图。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专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本专利技术的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本专利技术的实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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输装置连接。

【技术特征摘要】
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输装置连接。2.根据权利要求1所述的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所述的超声辅助激光焊接装置，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的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；所述振动传动装置包括变幅杆(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。7.一种超声辅助激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：工频交流电(22...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨景卫，卢清华，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44