[發明專利]超聲輔助激光點焊裝置及方法

有效

• 申請號: 201810290661.0
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108381039B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 劉佳;李忠;石巖;白陳明;張宏;劉雙宇;劉鳳德;徐春鷹
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: B23K26/346
• 分類號: B23K26/346;B23K26/22;B23K26/70
• 代理公司: 11573 北京華智則銘知識產權代理有限公司
• 代理人: 陳向敏

本發明公開了一種超聲輔助激光點焊裝置及方法，所述裝置包括：激光焊接頭、C形架、六軸聯動機器人、激光器、超聲振動裝置和氣壓傳動系統；激光焊接頭安裝在六軸聯動機器人上，與激光器連接；C形架安裝在激光焊接頭下方，C形架上端設置有開孔，激光焊接頭發出的激光可以穿過開孔照射到開孔下方的待焊金屬材料上；氣壓傳動系統固定在C形架下端，超聲振動裝置安裝在氣壓傳動系統上。本發明將高頻超聲能量引入焊接中，有效控制界面反應和強化熔體流動，提高界面潤濕性，細化焊縫晶粒，且后續的超聲振動更有助于減小或消除焊縫和連接面的殘余應力，提高連接強度。

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，特別涉及一種超聲輔助激光點焊裝置及方法。

背景技術

據環保局有關數據顯示，除電力工業外，交通運輸業的溫室氣體排放量是最高的，而車身的輕量化是解決此問題的關鍵方法之一。為實現輕量化的同時保證汽車安全系數，車身結構和承重部位采用高強鋼，其余部分采用鋁合金等輕質合金材料，充分發揮各種材料的優勢，因此異種材料連接技術成為一個研究熱點。

在單一材料鋼制車身的焊接中，電阻點焊的自動化、機械化具有不可替代的優勢，已經在大規模的工業生產中應用了幾十年。然而對于異種金屬的焊接，傳統方式的電阻點焊會在連接界面產生大量的脆性金屬間化合物，極大地影響了接頭的連接強度。

激光焊接具有高效快速的優點，可形成深而窄、熱影響區小的焊縫，焊接一致性、穩定性好，通常不需要加入填充金屬和焊絲。激光工藝參數高度靈活可調，可精確控制加熱區域和加熱時間。隨著先進制造技術的發展，焊接產品的自動化、柔性化與智能化必將成為發展趨勢，因此激光點焊具有很好的發展前景。

超聲波作為一種廉價、環保的能源，在輔助激光焊接過程中，其產生的高頻振動能量會在熔池中產生空化效應和聲流效應。空化效應具有顯著的排氣效果，其產生的巨大壓力變化會打破枝晶，增加對第二相粒子的潤濕性，提高異質形核；聲流的擾動效應能提高熔池的流動性，促進形成對流或渦流，降低溫度梯度，改善元素偏析，從而提高接頭整體結構強度。

傳統電阻點焊工藝參數難以控制，焊接質量不穩定，溫度過高導致異種金屬連接界面大量硬脆金屬間化合物的產生，接頭會殘余應力和氣孔。

中國專利CN104439684A公開了一種超聲輔助的自沖鉚接方法，是將超聲振動頭呈一定角度施加在半空心鉚釘的夾具上，解決了異種金屬材料的電阻點焊中硬脆金屬間化合物的產生，減小了鉚釘的阻力。但其本質仍為機械連接，達不到冶金結合的強度。

中國專利CN104400237A公開了一種多物理場輔助異種金屬的焊接方法，在焊接前將材料預熱到一定溫度，然后在電磁、超聲雙物理場的作用下進行焊接，利用異種金屬反應生成的金屬間化合物形成顆粒增強的焊縫，以期提高接頭力學性能。但該方法中工件的預熱溫度、電磁場及超聲場之間能否實現真正的耦合還有待商榷且多物理場在熔池中紛雜的力學狀況難以把控，很難實現預期效果。

發明內容

為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種超聲輔助激光點焊裝置及方法。所述技術方案如下：

一方面，一種超聲輔助激光點焊裝置，包括：激光焊接頭、C形架、六軸聯動機器人、激光器、超聲振動裝置和氣壓傳動系統；激光焊接頭安裝在六軸聯動機器人上，與激光器連接；C形架安裝在激光焊接頭下方，C形架上端設置有開孔，激光焊接頭發出的激光可以穿過開孔照射到開孔下方的待焊金屬材料上；氣壓傳動系統固定在C形架下端，超聲振動裝置安裝在氣壓傳動系統上。

進一步的，氣壓傳動系統包括：氣壓缸、第一氣孔、活塞、第二氣孔和活塞桿；活塞安裝在活塞桿下端，并套裝在氣壓缸中；第一氣孔設置在氣壓缸下端，第二氣孔設置在氣壓缸上端。

進一步的，超聲振動裝置包括：超聲波振動工具頭、變幅桿、超聲換能器和超聲波發生器；超聲換能器通過軸套固定在活塞桿上端，超聲波振動工具頭與變幅桿連接，變幅桿與超聲換能器連接，超聲換能器連接超聲波發生器。