一种用于轻质合金熔接的方法与多光路系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于轻质合金熔接的方法与多光路系统，所述方法将用于焊接的固体激光器的能量通过一个主光路和两个辅助光路分割成三路，分割后的三路光分别耦合进入三路光纤，耦合进入光纤的激光最后分别与三光路输出装置的三个输出头连接实现柔性输出。所述多光路系统中，45°全反镜、主光路45°半反镜、辅助光路45°半反镜、辅助光路45°全反镜把激光器的能量分割成三路。当三束光沿焊接方向串行排布时，可以对轻质合金（如铝合金）起到“预热缓冷”的效果，增加了吸收率，减少了焊缝的热裂纹和气孔的产生；当三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布时,可提高焊缝的熔宽、避免焦点偏离焊缝的现象，从而提高激光对焊缝的间隙适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光焊接加工
，具体涉及一种用于轻质合金熔接的方法与多光路系统。
技术介绍
轻质合金材料是指以镁、铝、钛等为主要组分的低密度合金，一般也称为轻合金、 轻金属或轻质合金。由于节能降耗的低碳要求，汽车、电器、航空航天和装备制造业等日益关注并加大以镁合金、铝合金及钛合金为代表的轻质合金绿色材料的使用。据测算，汽车每减重10%，耗油将减少8% 10%，以镁合金为例，如果每辆车能使用70kg的镁合金，CO2的年排放量就能够减少30 %以上，且汽车减重可达数百千克，因此镁合金作为实际应用中最轻的结构金属材料，并且极易回收，在汽车的减重和性能改善中所起的重要作用受到人们的重视。轻质合金关键零部件的制造技术尤其是焊接技术，因材料本身的特性、焊接装备技术的制约还不成熟。轻质合金由于密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大，化学活泼性强，易氧化，且氧化物的熔点较高，使轻质合金在焊接过程中极易产生气孔、裂纹等缺陷，影响了轻质合金焊接的密封性，制约了轻质合金在关键零部件上的应用。以轻质铝合金为例，为了解决轻质铝合金激光焊接过程中极易产生热裂纹、气孔、 焊缝不规则等缺陷和吸收率低的问题，目前在工业加工中，主要采用激光填丝焊、激光-TIG 电弧复合焊、激光-MIG电弧复合焊等。其中激光填丝焊的效率和普通激光焊接差不多，而且增加了焊丝；激光-MIG电弧复合焊主要用于大厚板焊接；激光-TIG电弧复合焊在焊接薄板、铝合金等难焊材料时，热影响区、热变形、及焊缝外观形貌相对于普通激光焊接也较大、较差。以上各种焊接虽然都不同程度的解决了焊接主要问题，但是由于受到激光在时间和空间上不均勻性的限制，使激光焊的稳定性和重复性很差，因此轻质合金的激光精密焊接技术尚不成熟。本专利技术提供的方法和多光路系统可以解决激光在时间和空间上不均勻性的，从而有效改善激光焊的稳定性和重复性。
技术实现思路
为了解决轻质合金薄板焊接中的热裂纹、气孔、焊缝不规则、吸收率低及焊接效率问题，本专利技术提供一种用于轻质合金熔接的方法与多光路系统，尤其适用于易产生焊接缺陷的轻质合金薄板焊接，具体技术方案如下。本专利技术提供的一种用于轻质合金熔接的方法，具体是将用于焊接的固体激光器的能量通过一个主光路和两个辅助光路分割成三路，分割后的三路光分别耦合进入三路光纤，耦合进入光纤的激光最后分别与三光路输出装置的三个输出头连接，通过三光路输出装置输出的三束光对轻质合金进行焊接。上述用于轻质合金熔接的方法中，三光路输出装置输出的三束光中，主光路能量较高，物理位置居中；两个辅助光路，能量较低，物理位置居主光路的两侧并与主光路成设定的角度。上述用于轻质合金熔接的方法中，三个输出头输出的三束光沿焊接方向串行排布，实现串行焊接。上述用于轻质合金熔接的方法中，三个输出头输出的三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布，相应的实现并行焊接或交叉焊接。本专利技术还提供了一种用于实现上述方法的多光路系统，包括固体激光器、激光器输出镜、45°全反镜、主光路45°半反镜、辅助光路45°半反镜、辅助光路45°全反镜、三个光纤耦合镜和输出光纤，所述固体激光器、激光器输出镜安装在光聚座上，45°全反镜安装在激光器输出镜的出射光的光线上，主光路45°半反镜、辅助光路45°半反镜、辅助光路45°全反镜与45°全反镜平行并按照间隔安装在45°全反镜的出射光线的方向上；三个光纤耦合镜分别以安装在主光路45°半反镜、辅助光路45°半反镜和辅助光路45°全反镜的反射光线上；三个光纤耦合镜的输出端各连接有一路所述输出光纤。上述多光路系统中，所述三光路输出装置包括主光路输出头和两个辅助光路输出头，安装在主光路45°半反镜的反射光线上的光纤耦合镜通过输出光纤与三光路输出装置的主光路输出头连接，安装在辅助光路45°半反镜的反射光纤上的光纤耦合镜通过输出光纤与一个所述辅助光路输出头连接，安装在辅助光路45°全反镜的反射光线上的光纤耦合镜通过输出光纤与另一个辅助光路输出头连接。上述多光路系统中，所述三光路输出装置还包括机械连接支架，主光路输出头安装在机械连接支架上，机械连接支架两侧各安装有机械连接臂，每个机械连接臂上安装有机械抓手，每个机械抓手上安装一个所述辅助光路输出头，辅助输出头通过机械连接臂和机械连接抓手的旋转来改变竖向、横向位置及与主光路输出头的夹角。上述多光路系统中，两个辅助光路输出头关于机械连接支架的竖直中心线对称， 主光路输出头位于机械连接支架的竖直中心线上。上述多光路系统中，可以通过改变主光路45°半反镜和辅助光路45°半反镜的透射率来改变激光能量在三光路中的不同分配比例。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果本专利技术给出了具体的分光设计、分光装置及光束焊接排布方案，给高功率固体激光器(如高功率Nd =YAG固体激光器)提供一机多用的方法，使得应用空间更广泛；同时为工业生产提供了多光路装置的设计基础。 分光装置与三光路输出装置的输出头之间采用光纤连接，可实现三光路的柔性输出。在所述三光路输出装置中，主光路能量较高，物理位置居中；两个辅助光路，能量较低，物理位置居主光路的两侧并与主光路成设定的角度，通过该方案可改变光束的排布方式，当三束光沿焊接方向串行排布时，可以对轻质合金起到“预热缓冷”的效果，增加了吸收率，减少了焊缝的热裂纹和气孔的产生；当三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布时，可以提高焊缝的熔宽、避免焦点偏离焊缝的现象、提高激光对焊缝的间隙适应性和焊接效率。总之，本专利技术解决了轻质合金焊接热裂纹问题，增加了轻质合金的吸收率，大大降低了焊接气孔的数量，提高了焊接效率及焊缝规则性，最终达到改善难焊材料的焊接缺陷、适应厚度不同、焊缝间隙大、异种材料焊接目的。本专利技术主要用于难焊金属、母材厚度不同、焊接间隙稍大、异种金属的焊接，尤其适用于易产生焊接缺陷的薄板焊接及轻质铝合金的焊接。附图说明图1是实施方式中高功率Nd =YAG固体激光器的多光路系统示意图。图2是主辅光路的机械连接装置图。图3a 图3c分别为三路光束的三种焊接方式排列图。图中，1.光聚座，2.高功率Nd :YAG脉冲固体激光器，3.激光器输出镜，4. 45°全反镜，5主光路45°半反镜，6.辅助光路45°半反镜，7.辅助光路45°全反镜，8.光纤耦合镜，9.输出光纤，10.主光路输出头，11.辅助光路输出头，12.机械连接支架，13.机械连接臂，14.机械连接抓手。具体实施方式下面以高功率Nd :YAG固体激光器(可用于轻质合金的焊接，如铝合金薄板焊接) 为例，进一步说明本专利技术的具体实施，但本专利技术的保护范围不限于如下实施例。在图1中，高功率Nd =YAG脉冲固体激光器2、激光器输出镜3安装在光聚座1上， 45°全反镜4安装在激光器输出镜3出射光的光线上，主光路45°半反镜5、辅助光路45° 半反镜6、辅助光路45°全反镜7与45°全反镜4平行并间隔安装在45°全反镜4的出射光线上。三个光纤耦合镜8分别间隔安装主光路45°半反镜5、辅助光路45°半反镜6、辅助光路45°全反镜7的反射光线上。相应的三条输出光纤9安装在光纤耦合镜8上。三个输出光纤9中最上方的一条连接主光路输出头10，其他两条分别与两个辅助光路输出头11 连接，该连接方式可以实现三光路的柔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，张庆茂，郭亮，吴爱民，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：