超声辅助激光点焊装置及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点焊装置及方法，所述装置包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；激光焊接头安装在六轴联动机器人上，与激光器连接；C形架安装在激光焊接头下方，C形架上端设置有开孔，激光焊接头发出的激光可以穿过开孔照射到开孔下方的待焊金属材料上；气压传动系统固定在C形架下端，超声振动装置安装在气压传动系统上。本发明专利技术将高频超声能量引入焊接中，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。

【技术实现步骤摘要】
超声辅助激光点焊装置及方法
本专利技术涉及焊接
，特别涉及一种超声辅助激光点焊装置及方法。
技术介绍
据环保局有关数据显示，除电力工业外，交通运输业的温室气体排放量是最高的，而车身的轻量化是解决此问题的关键方法之一。为实现轻量化的同时保证汽车安全系数，车身结构和承重部位采用高强钢，其余部分采用铝合金等轻质合金材料，充分发挥各种材料的优势，因此异种材料连接技术成为一个研究热点。在单一材料钢制车身的焊接中，电阻点焊的自动化、机械化具有不可替代的优势，已经在大规模的工业生产中应用了几十年。然而对于异种金属的焊接，传统方式的电阻点焊会在连接界面产生大量的脆性金属间化合物，极大地影响了接头的连接强度。激光焊接具有高效快速的优点，可形成深而窄、热影响区小的焊缝，焊接一致性、稳定性好，通常不需要加入填充金属和焊丝。激光工艺参数高度灵活可调，可精确控制加热区域和加热时间。随着先进制造技术的发展，焊接产品的自动化、柔性化与智能化必将成为发展趋势，因此激光点焊具有很好的发展前景。超声波作为一种廉价、环保的能源，在辅助激光焊接过程中，其产生的高频振动能量会在熔池中产生空化效应和声流效应。空化效应具有显著的排气效果，其产生的巨大压力变化会打破枝晶，增加对第二相粒子的润湿性，提高异质形核；声流的扰动效应能提高熔池的流动性，促进形成对流或涡流，降低温度梯度，改善元素偏析，从而提高接头整体结构强度。传统电阻点焊工艺参数难以控制，焊接质量不稳定，温度过高导致异种金属连接界面大量硬脆金属间化合物的产生，接头会残余应力和气孔。中国专利CN104439684A公开了一种超声辅助的自冲铆接方法，是将超声振动头呈一定角度施加在半空心铆钉的夹具上，解决了异种金属材料的电阻点焊中硬脆金属间化合物的产生，减小了铆钉的阻力。但其本质仍为机械连接，达不到冶金结合的强度。中国专利CN104400237A公开了一种多物理场辅助异种金属的焊接方法，在焊接前将材料预热到一定温度，然后在电磁、超声双物理场的作用下进行焊接，利用异种金属反应生成的金属间化合物形成颗粒增强的焊缝，以期提高接头力学性能。但该方法中工件的预热温度、电磁场及超声场之间能否实现真正的耦合还有待商榷且多物理场在熔池中纷杂的力学状况难以把控，很难实现预期效果。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术实施例提供了一种超声辅助激光点焊装置及方法。所述技术方案如下：一方面，一种超声辅助激光点焊装置，包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；激光焊接头安装在六轴联动机器人上，与激光器连接；C形架安装在激光焊接头下方，C形架上端设置有开孔，激光焊接头发出的激光可以穿过开孔照射到开孔下方的待焊金属材料上；气压传动系统固定在C形架下端，超声振动装置安装在气压传动系统上。进一步的，气压传动系统包括：气压缸、第一气孔、活塞、第二气孔和活塞杆；活塞安装在活塞杆下端，并套装在气压缸中；第一气孔设置在气压缸下端，第二气孔设置在气压缸上端。进一步的，超声振动装置包括：超声波振动工具头、变幅杆、超声换能器和超声波发生器；超声换能器通过轴套固定在活塞杆上端，超声波振动工具头与变幅杆连接，变幅杆与超声换能器连接，超声换能器连接超声波发生器。进一步的，超声波振动工具头端部开有凹槽，凹槽宽4-6mm，深2-4mm。进一步的，激光器发出的激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束。进一步的，激光平均功率3-4kW，光斑直径3-5mm。进一步的，超声波发生器发出的超声波振幅为10-20μm，工作频率为20-50kHz，超声振动工具头与待焊金属材料的接触压力控制在0.3-0.5MPa。另一方面，一种超声辅助激光点焊方法，包括以下步骤：(1)将待焊金属材料进行激光表面织构化处理；(2)将处理后的待焊金属材料采用搭接方式固定；(3)在待焊金属材料下方施加超声波，在待焊金属材料上方使用激光照射焊接。进一步的，步骤(3)激光与超声波共同作用2s，激光停止，超声波继续作用2-4s。进一步的，步骤(2)中，将高熔点、低光反射率材料置于上方，低熔点、高光反射率材料置于下方。进一步的，步骤(1)中，激光的平均功率为20-100W，脉冲频率为20-400kHz，扫描速度为130-200mm/s。进一步的，步骤(1)中，激光表面织构化处理在待焊金属材料表面烧蚀出微凹坑，微凹坑包括圆形阵列微凹坑、槽状微凹坑和蜂窝状微凹坑；圆形阵列微凹坑平均直径为220-250μm，深度为150-180μm，表面织构的面密度为22％；槽状微凹坑宽度为200-230μm，深度为160-200μm，表面织构的面密度为30％；蜂窝状微凹坑直径220-250μm，深度为150-180μm，表面织构面密度为55％。进一步的，步骤(3)中，超声波振幅为10-20μm，工作频率为20-50kHz。进一步的，步骤(3)中，激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种。进一步的，步骤(3)中，激光平均功率3-4kW，光斑直径3-5mm。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术的超声辅助激光点焊装置及方法，将高频超声能量引入焊接中，在熔体中产生空化、声流现象，有效控制界面反应和强化熔体流动，提高界面润湿性，细化焊缝晶粒，且后续的超声振动更有助于减小或消除焊缝和连接面的残余应力，提高连接强度。利用短脉冲或超短脉冲激光对金属表面进行激光表面织构化处理，在金属材料表面形成微凹坑，将高强钢等高熔点、低光反射率材料置于上端，铝合金等低熔点、高光反射率合金材料置于下端，高熔点的母材在激光照射下不发生熔化，在热传导作用下低熔点的母材却熔化，依靠毛细作用及超声振动作用产生的流动性，提高界面润湿性，使熔融母材更饱满的填充了另一侧母材的微凹坑，从而在焊后形成了不同形状的“扎钉”并发生液-固冶金反应，一方面避免了金属间化合物的产生，一方面增加了连接强度。将超声振动设备和气压传动装置组合，可以高效、灵活的控制超声振动头与焊接材料表面的接触力，实现高效、连续的超声辅助激光点焊。附图说明为了更清楚地说明本专利技术施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是本专利技术实施例1超声辅助激光点焊装置的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例1超声辅助激光点焊装置的局部结构示意图；图3是本专利技术实施例1超声辅助激光点焊装置中端部开槽的超声波振动工具头结构示意图；图4是本专利技术实施例2-4中焊接过程中焊缝示意图；图5是本专利技术实施例2中高强钢进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的高强钢表面圆形阵列微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部放大的圆形阵列微凹坑示意图；图6是本专利技术实施例3中304不锈钢进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的304不锈钢表面槽状微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部放大的槽状微凹坑示意图；图7是本专利技术实施例4中钛合金进行激光表面织构化处理后的表面形貌示意图，图中A是激光表面织构化处理后的钛合金表面蜂窝状微凹坑示意图，图中B是点焊区域局部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声辅助激光点焊装置，其特征在于，包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；所述激光焊接头安装在所述六轴联动机器人上，与所述激光器连接；所述C形架安装在所述激光焊接头下方，所述C形架上端设置有开孔，所述激光焊接头发出的激光可以穿过所述开孔照射到所述开孔下方的待焊金属材料上；所述气压传动系统固定在所述C形架下端，所述超声振动装置安装在所述气压传动系统上。

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助激光点焊装置，其特征在于，包括：激光焊接头、C形架、六轴联动机器人、激光器、超声振动装置和气压传动系统；所述激光焊接头安装在所述六轴联动机器人上，与所述激光器连接；所述C形架安装在所述激光焊接头下方，所述C形架上端设置有开孔，所述激光焊接头发出的激光可以穿过所述开孔照射到所述开孔下方的待焊金属材料上；所述气压传动系统固定在所述C形架下端，所述超声振动装置安装在所述气压传动系统上。2.如权利要求1所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述气压传动系统包括：气压缸、第一气孔、活塞、第二气孔和活塞杆；所述活塞安装在所述活塞杆下端，并套装在所述气压缸中；所述第一气孔设置在所述气压缸下端，所述第二气孔设置在气压缸上端。3.如权利要求2所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述超声振动装置包括：超声波振动工具头、变幅杆、超声换能器和超声波发生器；超声换能器通过轴套固定在所述活塞杆上端，所述超声波振动工具头与所述变幅杆连接，所述变幅杆与所述超声换能器连接，所述超声换能器连接所述超声波发生器。4.如权利要求3所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，超声波振动工具头端部开有凹槽，凹槽宽4-6mm，深2-4mm。5.如权利要求1-4任一项所述的超声辅助激光点焊装置，其特征在于，所述激光器发出的激光可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳，李忠，石岩，白陈明，张宏，刘双宇，刘凤德，徐春鹰，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22