CN111545906A - 一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置与方法，涉及激光焊接领域。为了解决竖直位置下双激光束同步镜像激光焊接时，熔池受重力作用向下流动造成焊缝塌陷，导致焊缝成形差、力学性能差的问题，本发明提出了利用光可以在透明介质中传播的原理，在焊接工件下装夹高透光耐高温玻璃作为焊接衬板，实现利用玻璃衬板作为支撑防止焊缝成形过程中出现塌陷。设备包括激光发生器、激光头、高透光耐高温玻璃、焊接机器人、焊接工装夹具、焊接工作台。本发明可以解决镜像激光焊接中焊缝成形的塌陷问题，得到优于已有双激光束同步镜像激光焊接的焊缝成形效果，更好地取代单面激光焊接工艺。

Description

一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置与方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种优化焊缝熔池成形的双光束镜像激光焊接装置与方法。

背景技术

激光焊接作为一种高效精密的焊接方法，利用高能量密度的激光束作为热源具有能量密度高、加热速度快、焊接变形小、加工柔性小等优点，广泛应用于航空航天、汽车工业、精密仪器等行业中。激光可在光学仪器的引导聚焦下穿越障碍，在较小空间内进行焊接，在焊接过程中具有较强的适应性。本发明利用激光的光学穿透性能达到优化双激光束镜像焊接焊缝成形的焊接效果。

当焊接工件的厚度较大或激光功率较小时，激光单面焊存在未焊透、焊缝成形差等问题，导致焊接质量低，因此目前在对较大厚度母材焊接时采用激光双面焊接，但激光双面焊接过程中两面焊接的不同步，导致依然存在较大变形且效率低下的问题。相较于双面激光焊，采用双激光束镜像焊接不仅能够节省工件翻转装夹的工序时间，提高焊接效率，还能够减小工件的变形率，使工件上下两侧受热均匀，提高焊接接头质量。

但在目前的双激光束镜像焊接时，激光通过辐射加热工件表面使工件熔化，焊缝中熔融的金属在重力作用下凝固产生焊缝塌陷，导致接头焊接力学性能和外观质量大大降低，使工件整体无法达到使用要求。

为了使双激光束镜像焊接工艺能够更好地取代激光单面焊、激光双面焊，解决双激光束镜像焊接工艺中焊缝成形的塌陷问题，本发明通过在焊接过程中工件下部装夹耐高温玻璃来改善接头成形、优化接头质量。因此，本发明对提供一种优化大厚度工件激光对接焊缝成形的方法具有一定现实意义，且本发明操作简单，焊接效率高，易于实现自动化。

发明内容

本发明提供的一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置与方法能够在维持激光焊接原有的热量辐射基础上，整体改善焊缝的成形和焊接接头质量。

本发明是通过以下技术手段和方法实现上述工艺目的的。

一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置包括：耐高温玻璃(1)、焊接工装夹具(2)、焊接工作台(7)、激光发生器、激光头、焊接机器人；所述优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置的两个激光头由两个六轴机械臂夹持，待焊工件与高温玻璃通过夹具固定于焊接工作台上，其中待焊工件置于玻璃上部，两个激光头分别位于工件的上下两侧。

其中，焊接接头类型为对接。

优选地，所用耐高温玻璃的熔点＞2500K，激光透光率＞90％，以保证双激光束激光镜像焊接的正常进行。

优选地，所用的耐高温玻璃表面光洁，厚度应小于2mm，以保证进行激光焊接时耐高温玻璃低激光吸收率以及焊后高散热率。

一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接方法包括如下步骤：

步骤一、将洁净的耐高温玻璃装夹在需要对接的工件下部，在正式焊接前采用双光束激光点焊对工件进行固定，根据实际的母材规格确定点焊功率及次数；

步骤二、正式焊接时，工件上部的激光束直接作用于金属工件表面，工件下部的激光束透过玻璃辐射加热工件的下表面；

步骤三、在焊接结束后，等待工件冷却到室温再对工件和耐高温玻璃进行拆卸。

其中，采用较小激光功率时，考虑到玻璃对激光功率的影响，工件下部的激光束功率等于或略大于上部激光束功率；当激光功率较大时，考虑到重力作用的影响，下部激光束的激光功率应小于上部激光功率。

优选地，对焊接工件和耐高温玻璃进行装夹时，将两者作为一个整体进行装夹，从而保证工件与耐高温玻璃之间装夹紧密，以实现焊缝成形时玻璃的防塌陷作用效果。

本发明具有以下优点：

第一、本发明通过在焊接工件下侧紧密装夹高透激光率耐高温玻璃，可以在保证下侧激光束的热量辐射到工件下表面的同时，有效防止焊接时出现塌陷等缺陷，使双激光束镜像焊接能够更好地取代普通激光双面焊、激光单面焊。

第二、本发明采用的高透激光率耐高温玻璃不需要进行特别的加工或特殊形状要求，在不同的工件材料和尺寸下具有通用性，且由于焊接工件和耐高温玻璃作为一个整体进行装夹，因此，本发明在实施过程中可大幅度节约生产时间，便于实现焊接自动化。

第三、采用双激光束镜像焊接时上下两侧的激光束在同一时间内聚焦于工件焊缝的上下表面，上下两侧熔深存在重叠现象，增大了小功率激光束的总穿透力，使较小功率的激光束焊接较厚工件能够实现，打破目前大多数普通激光设备的功率限制。

第四、本发明的高温玻璃通过装夹与焊接工件固定，作为一个独立部件，耐高温玻璃的焊前清洁、更换、拆卸极为方便，可以根据不同的焊接工件选择合适的耐高温玻璃尺寸，本发明的适应性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术步骤和设备装置，将在下文中参考附图描述示例具体实施方式，其中：

图1为三维双激光束镜像激光焊接防塌陷示意图；

图2为二维双激光束镜像激光焊接防塌陷示意图；

图3为可升降中空双激光束镜像激光焊接焊接工作台示意图；

图4为化焊缝熔池成形防塌陷的镜像焊接方法步骤流程图。

图中：1-耐高温玻璃、2-夹具、3-焊接工件、4-焊缝、5-上侧激光束、6-下侧激光束、7-中空焊接工作台、8-可升降桌腿。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，以便对本发明的核心要点有更加直观的了解。此外，在本领域内不脱离本发明的相关改进或改变，都属于本发明的保护范围内。

参见图1和图2，其示出了竖直位置下一种优化焊缝成形防塌陷的双激光束同步镜像对接2219铝锂合金的局部示意图。其中，焊接激光器为德国IGP Photonics公司的YLS-10000光纤激光器，上、下侧的激光束由配合双六轴KUKA六轴机器人夹持的激光焊接头发出，激光束呈竖直状态，分别聚焦于焊接工件的上下表面。

优选地，在选择耐高温玻璃的尺寸时，选择与待焊工件相同的尺寸，如图1所示，以便焊接装夹，且高温玻璃的透激光率应在90％以上，保证激光功率绝大部分都被工件吸收，且防止高温玻璃吸收较多激光热量温度升高而软化。

耐高温玻璃的熔化温度应小于待焊工件的熔池温度，否则玻璃熔化不仅无法起到防焊接塌陷的作用，还会将杂质带入焊接接头，甚至损坏激光头。

具体地，上、下侧激光束功率均在2.5～5.0kW范围内，激光焦距为300mm，激光焊接速度保持在1.5～4.0m/min范围内。

焊接前，先调整焊接工作台高度，如图3所示，使KUKA六轴机器人夹持的激光器能够自由进入工件下侧，并有足够空间完成焊件操作。

按照图4所示的焊接步骤，首先将待焊接的4mm厚2219铝锂合金板用砂纸进行打磨，去掉其表面的油污和氧化层，再用酒精棉擦拭，吹干；将2mm厚的光滑耐高温玻璃清洗干净，为了保证其表面无其它杂质，采用酸洗、水洗，再用酒精擦洗吹干。

利用焊接工装夹具将待焊工件和耐高温玻璃装夹固定于焊接工作台上，焊缝位于工作台的中空位置；此外，在进行装夹时，尽量使待焊工件与耐高温玻璃之紧密贴合，从而保证本发明的作用效果。

在正式焊接前，先用激光点焊固定待焊工件。激光点焊的基体操作过程如下：利用上、下侧激光束分别在待焊工件前后两端进行点焊固定，根据实际的母材规格确定点焊功率及次数，点焊激光束功率在2.0～4.0kW范围内，激光焦距为300mm，点焊速度为0.4m/min。

正式焊接时，当焊接激光束采用较小功率时，考虑到玻璃对激光功率的影响，工件下部的激光束功率等于或略大于上部激光束功率；当激光功率较大时，考虑到重力作用的影响，下部激光束的激光功率应小于上部激光功率；上侧激光束的激光功率为2.5～5.0kW，两束激光的聚焦点在同一竖直线上，焊接速度在1.5～4.0m/min范围内。

焊接结束后，采用自然冷却法直至焊接工件降至室温，然后再将工件和耐高温玻璃从焊接工作台上拆卸下来。

在进行竖直双激光束镜像焊接试验时，对比未在焊接工件下部装夹耐高温玻璃的焊接接头成形情况，加入耐高温玻璃的焊接接头成形明显优于前者，接头塌陷缺陷明显改善。此外，在工件下加入耐高温玻璃可以增加大功率激光焊接工件试验时下侧激光头的安全性，加入玻璃后可以有效防止因焊接加热导致的熔池飞溅损害激光头。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置，其特征在于：包括耐高温玻璃、焊接工装夹具、焊接工作台、激光发生器、激光头、焊接机器人；所述优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接装置的两个激光头由两个六轴机械臂夹持，待焊工件与高温玻璃通过夹具固定于焊接工作台上，其中待焊工件置于玻璃上部，两个激光头分别位于工件的上下两侧。

2.根据权利要求1所述的优化焊缝熔池成形防塌陷的镜像焊接装置，其特征在于：所用耐高温玻璃的熔点＞2500K，激光透光率＞90％，以保证双激光束激光镜像焊接的正常进行。

3.根据权利要求1所述的优化焊缝熔池成形防塌陷的镜像焊接装置，其特征在于：所用的耐高温玻璃表面光洁，厚度应小于2mm，以保证进行激光焊接时耐高温玻璃低激光吸收率以及焊后高散热率。

4.一种优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接方法，其特征在于，该方法是在焊接前，先将洁净的耐高温玻璃装夹在需要对接的工件下部，在正式焊接前采用双光束激光点焊对工件进行固定，根据实际的母材规格确定点焊功率及次数；正式焊接时，工件上部的激光束直接作用于金属工件表面，工件下部的激光束透过玻璃辐射加热工件的下表面；在焊接结束后，等待工件冷却到室温再对工件和耐高温玻璃进行拆卸。

5.根据权利要求4所述的优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接方法，其特征在于，采用较小激光功率时，考虑到玻璃对激光功率的影响，工件下部的激光束功率等于或略大于上部激光束功率；当激光功率较大时，考虑到重力作用的影响，下部激光束的激光功率应小于上部激光功率。

6.根据权利要求4所述的优化焊缝熔池成形的镜像激光焊接方法，其特征在于，对焊接工件和耐高温玻璃进行装夹时，将两者作为一个整体进行装夹，从而保证工件与耐高温玻璃之间装夹紧密，以实现焊缝成形时玻璃的防塌陷作用效果。

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