[發(fā)明專利]一種用于控制羽輝和保護(hù)熔池的雙層同軸激光焊接頭

在審

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• 申請日: 2019-07-20
• 公開（公告）號: CN110434459A
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒江林;韓雪;李飛;肖榮詩;楊武雄
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B23K26/21
• 分類號: B23K26/21;B23K26/046;B23K26/142;B23K26/12
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明涉及一種用于控制羽輝和保護(hù)熔池的雙層同軸激光焊接頭，屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域。焊接頭結(jié)構(gòu)主要包括激光聚焦系統(tǒng)、同軸雙層噴嘴和抽氣裝置。經(jīng)聚焦系統(tǒng)聚焦的激光束穿過雙層同軸噴嘴的內(nèi)管到達(dá)工件表面；噴嘴內(nèi)管與抽氣裝置連接，使小孔口區(qū)域處形成穩(wěn)定負(fù)壓狀態(tài)，孔內(nèi)噴出羽輝經(jīng)內(nèi)管抽氣而快速逸出；噴嘴外管通保護(hù)氣體保護(hù)焊接熔池。該發(fā)明的有益效果是通過噴嘴內(nèi)管于小孔口上方產(chǎn)生的局部負(fù)壓，徹底去除羽輝激光束傳輸?shù)呢?fù)面影響、提高熔深和焊接效率；且可去除羽輝對保護(hù)氣的干擾，噴嘴外管可更好的保護(hù)焊接熔池。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，具有加工柔性高、結(jié)構(gòu)緊促、焊接效率高、熔池保護(hù)效果好等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種焊接頭，屬于激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于控制羽輝和保護(hù)熔池的雙層同軸激光焊接頭。

背景技術(shù)

羽輝是固體激光(如光纖激光、碟片激光和Nd:YAG激光)和半導(dǎo)體激光焊接中一種固有的物理現(xiàn)象，對焊接過程存在明顯的負(fù)面影響。一方面，羽輝對入射激光的衰減將明顯地減小焊接熔深和影響焊接過程的穩(wěn)定性。另一方面，向上噴發(fā)的高流速羽輝對保護(hù)氣流的擾動(dòng)將嚴(yán)重影響保護(hù)氣對熔池的保護(hù)效果。因此，控制羽輝對焊接過程的負(fù)面影響具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，包括提高焊接中激光的能量利用率、提高生產(chǎn)效率、提高焊接過程穩(wěn)定性、降低焊接缺陷的產(chǎn)生、以及提高焊縫成形和熔池保護(hù)效果等方面。

焊接中利用橫向氣簾貼近板面可吹除羽輝，但超音速氣流對熔池的擾動(dòng)將對焊接過程穩(wěn)定和熔池保護(hù)等方面帶來負(fù)面影響。采用真空焊接可以抑制羽輝的產(chǎn)生、且保護(hù)效果很好，但真空焊接降低了激光焊接的柔性，且大大限制了激光焊接的應(yīng)用，大幅提高加工成本；采用旁軸雙層噴嘴內(nèi)管側(cè)吸羽輝、外管通保護(hù)氣保護(hù)熔池的方式可達(dá)到控制羽輝和保護(hù)熔池的效果，但旁軸方式對羽輝的控制偏弱，且在三維復(fù)雜構(gòu)件的激光焊接中，該方法的柔性較低。為了更有效的控制羽輝，保護(hù)焊接熔池，發(fā)揮激光焊接的優(yōu)勢，本發(fā)明提出一種用于控制羽輝和保護(hù)熔池的雙層同軸激光焊接頭。該激光焊接頭即可提高激光能量的利用率和焊接效率、改善焊接過程的穩(wěn)定性，又可保護(hù)焊接熔池，且采用模塊化設(shè)計(jì)，具有加工柔性高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于保證激光焊接高柔性和不提高加工成本的情況下，提供一種用于控制羽輝和保護(hù)熔池的雙層同軸激光焊接頭。其中焊接頭包括激光準(zhǔn)直模塊(1)、聚焦模塊(2)、保護(hù)鏡模塊(3)、傳輸光纖(4)、連接裝置(5)、橫向氣簾裝置(6)、抽氣接口(7)、保護(hù)氣裝置(8)、同軸雙層噴嘴(9)。其中傳輸光纖(4)與準(zhǔn)直模塊(1)同軸相連，準(zhǔn)直模塊(1)與聚焦模塊(2)同軸相連，保護(hù)鏡模塊(3)布置于聚焦模塊(2)的下方，保護(hù)鏡安裝于保護(hù)鏡模塊中，連接模塊(5)連接外部機(jī)械裝置和準(zhǔn)直模塊(1)，以便控制激光焊接頭位置，同軸雙層噴嘴(9)，其中，外管(9a)，內(nèi)管(9b)，連接于保護(hù)鏡模塊(3)下方，聚焦模塊(2)焦距可調(diào)，同軸雙層噴嘴(9)能夠整體沿光軸自由旋轉(zhuǎn)；同軸雙層噴嘴內(nèi)管(9b)與保護(hù)鏡模塊(3)形成密封，聚焦后的激光束經(jīng)過保護(hù)鏡片穿過噴嘴內(nèi)管到達(dá)工件表面；同軸雙層噴嘴(9)開對稱的接口分別與抽氣裝置(7)和壓縮空氣進(jìn)入口即橫向氣簾裝置(6)連接；同軸雙層噴嘴外管(9a)與保護(hù)氣裝置(8)連接。焊接時(shí)，同軸雙層噴嘴(9)的內(nèi)管基于抽氣接口(7)，給小孔口區(qū)域提供一個(gè)局部負(fù)壓環(huán)境，并吸走孔內(nèi)噴發(fā)的羽輝；同時(shí)同軸雙層噴嘴外管(9a)通保護(hù)氣體，保護(hù)焊接熔池，本焊接頭也可用于填絲焊接。

本發(fā)明采用同軸雙層噴嘴的內(nèi)管連接抽氣裝置并吸走羽輝的方法，減少羽輝對光束的衰減，降低羽輝對激光的負(fù)面影響，不僅能夠提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可顯著提高焊接過程穩(wěn)定性和改善焊縫成形，且不對熔池保護(hù)產(chǎn)生負(fù)面影響。一方面，小孔內(nèi)氣壓高于大氣壓，噴嘴內(nèi)管直徑較小，提供的負(fù)壓(吸氣量)有限；可使內(nèi)管口負(fù)壓抵消焊接小孔口處孔內(nèi)蒸氣噴發(fā)引起的局部高壓、吸走羽輝，同時(shí)對外部環(huán)境不產(chǎn)生影響或影響較小。另一方面，噴嘴外管提供的保護(hù)氣流可防止空氣中的氧氣對熔池產(chǎn)生影響。此外，該焊接頭與光束同軸，故而加工柔性很高，可實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜構(gòu)件的激光焊接制造。