CN202367347U

CN202367347U - 一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***

Info

Publication number: CN202367347U
Application number: CN 201120451715
Authority: CN
Inventors: 张健; 张庆茂; 张卫
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2021-11-15

Abstract

本实用新型公开一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***，包括三光路输出装置和将固体激光器的能量分成三路的分光装置，分光装置包括激光器输出镜、45°全反镜、主光路45°半反镜、辅助光路45°半反镜、辅助光路45°全反镜和三个光纤耦合镜。三光路输出装置与分光装置之间通过输出光纤连接，实现柔性输出，通过改变三束光的排布方式可以实现不同方式的焊接。当三束光沿焊接方向串行排布时，可以对轻量化合金（如铝合金）起到“预热缓冷”的效果，从而增加吸收率、减少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。

Description

一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***

技术领域

本实用新型涉及涉激光焊接加工技术领域，具体涉及用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***。

背景技术

轻量化合金材料是指以镁、铝、钛等为主要组分的低密度合金，一般也称为轻合金、轻金属或轻量化合金。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量化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。

轻量化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。轻量化合金由于密度低，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，使轻量化合金在焊接过程中极易产生气孔、裂纹等缺陷，影响了轻量化合金焊接的密封性，制约了轻量化合金在关键零部件上的应用。

以轻量化铝合金为例，为了解决轻量化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匀性的限制，使激光焊的稳定性和重复性很差，因此轻量化合金的激光精密焊接技术尚不成熟。本实用新型提供的多光路***可以解决激光在时间和空间上不均匀性的，从而有效改善激光焊的稳定性和重复性。

实用新型内容

为了解决轻量化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，本实用新型提供一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***，尤其适用于易产生焊接缺陷的轻量化合金薄板焊接。本实用新型通过以下技术方案实现。

一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***，包括三光路输出装置和将固体激光器的能量分成三路的分光装置，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，所述分光装置包括一个主光路和两个辅助光路；主光路的输出端通过输出光纤与三光路输出装置的主光路输出头连接，两个辅助光路相应地与三光路输出装置的两个辅助光路输出头连接。三光路输出装置与分光装置之间采用光纤连接实现三光路的柔性输出。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***中，所述两个辅助光路位于主光路的两侧并与主光路成设定的角度。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***中，三个输出头输出的三束光沿焊接方向串行排布。

上述用于轻量化合金熔接的多光路***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。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***中，所述分光装置具体包括：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条所述输出光纤。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***中，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。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***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。

上述用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***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。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型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）提供一机多用的方案，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，可以对轻量化合金起到“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，本实用新型解决了轻量化合金焊接热裂纹问题，增加了轻量化合金的吸收率，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。

本实用新型主要用于难焊金属、母材厚度不同、焊接间隙稍大、异种金属的连接，尤其适用于易产生焊接缺陷的薄板焊接及轻量化合金（如铝合金）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***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（可用于轻量化合金的焊接，如铝合金薄板焊接）为例，进一步说明本实用新型的具体实施，但本实用新型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性输出。

本实施例利用一个主光路两个辅助光路的方法将固体激光器的能量进行分割成三路，分割后的三路光分别耦合进入三路光纤，耦合进入光纤的光最后分别进入到一设计好的三光路输出装置。通过此方法来解决焊接缺陷问题，同时还能实现三光路的柔性加工。具体实施是：在高功率Nd：YAG固体激光器的输出端放置一45°全反镜，激光器发出的光经45°全反镜反射后，沿入射光线成90°的方向照射到第一个45°半反镜膜片上。照射到45°半反镜膜片上的光分为两束，一束经反射后沿与入射光束垂直的方向进入光纤耦合头，而后进入光纤，占总能量的1/2，成为主光路；另一束沿原直线方向透射过45°半反镜照射到第二个45°半反镜膜片上。照射到第二个45°半反镜上的光同样也分为两束，一束经反射后沿与入射光束垂直的方向进入光纤耦合头，而后进入光纤，占总能量的1/4，成为辅助光路一；另一束沿原直线方向透射过45°半反镜照射到第三个45°全反镜膜片上，照射到此镜片上的光全部沿与入射光束垂直的方向进入光纤耦合头，而后进入光纤，占总能量的1/4，成为辅助光路二。最后这三路光经光纤传输后最终到达三光路输出装置。可通过改变主光路45°半反镜5和辅助光路45°半反镜6的透射率来改变激光能量在三光路中的不同分配比例。

在图2的主辅光路的机械连接装置中，包括主光路输出头10、两个辅助光路输出头11和机械连接支架12，主光路输出头10安装在机械连接支架12上，机械连接支架12两侧各安装有机械连接臂13，每个机械连接臂13上安装有机械抓手14，每个机械抓手14上辅助光路输出头11，两个辅助光路输出头11关于机械连接支架12的竖直中心线对称，主光路输出头10位于机械连接支架12的竖直中心线上。其中辅助输出头11可以通过机械连接臂13、机械连接抓手14的旋转来改变竖向、横向距离及与主光路输出头的夹角。

通过实验可知，在单光束无预热缓冷焊接过程中，容易出现多次炸火，焊接过程很不稳定，且焊缝不规则、未焊透，焊缝中间有明显的热裂纹，熔池底部有明显的工艺气孔，熔深、熔宽相对较小；而在有预热缓冷的单光束焊接过程中，基本无炸火，焊接过程稳定，且焊缝表面光亮，完全焊透，热裂纹消失，熔池底部的工艺气孔消失，熔深、熔宽也明显增大。

材料对激光吸收率

，其中

为电阻率，

为温度系数，为激光波长，从该公式可知，材料对激光的吸收率是温度T的函数，温度升高吸收率增大，而轻量化合金（如铝合金）的最大特点就是对激光具有极低的吸收率，故采用三光束预热缓冷时能提高材料对激光的吸收率。

轻量化合金的热导率、热膨胀系数大，使得焊缝散热快，冷却速度快，快速冷却有利于柱状晶的快速生长,从而出现方向性极强的细小柱状晶组织。具有相同散热条件的细小的柱状晶沿相同的方向生长，形成一个一个的柱状晶集团———束状晶,在束状晶之间的界面上形成了有利于裂纹产生的条件，因而容易导致裂纹倾向的增加。同时，在激光作用下水蒸气分解产生的氢，因冷却结晶速度快，不利于氢气泡的上浮逸出，不能浮逸出来,便形成焊接气孔。

因此，采用本实施方式中的三光束焊接，可以降低焊缝的冷却速度，抑制方向性极强的细小柱状晶组织的结晶倾向，从而抑制裂纹产生的倾向。冷却速度的降低延长了熔池存在的时间，这样也有利于气泡的上浮逸出，抑制气泡的产生。

在图3a~图3c中，中间的光束为主光路，主光路两侧为辅助光路，调整焊缝和辅助光路输出头及主光路输出头的相对位置可以实现不同的焊接方式。当焊缝和三光束平行放置时实现串行焊接（如图3a）；当焊缝和三光束垂直放置时实现并行焊接（如图3b）或交叉焊接（如图3c）；当三束光沿焊接方向串行排布时，可以对铝合金起到“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。

本实用新型解决了轻量化合金焊接热裂纹、气孔问题，增加了轻量化合金的吸收率，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。

Claims

1.一种用于改善轻量化合金焊接质量的多光路***，其特征在于包括三光路输出装置和将固体激光器的能量分成三路的分光装置，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，所述分光装置包括一个主光路和两个辅助光路；主光路的输出端通过输出光纤与三光路输出装置的主光路输出头连接，两个辅助光路相应地与三光路输出装置的两个辅助光路输出头连接。

2.根据权利要求1所述的多光路***，其特征在于所述两个辅助光路位于主光路的两侧并与主光路成设定的角度。

3.根据权利要求1所述的多光路***，其特征在于三个输出头输出的三束光沿焊接方向串行排布。

4.根据权利要求1所述的多光路***，其特征在于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。

5.根据权利要求1所述的多光路***，其特征在于所述分光装置具体包括：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条所述输出光纤。

6.根据权利要求5所述的多光路***，其特征在于安装在主光路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。

7.根据权利要求1所述的多光路***，其特征在于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，辅助光路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。

8.根据权利要求7所述的多光路***，其特征在于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。