[發明專利]一種擺動激光-超聲復合焊接方法

有效

• 申請號: 202010438292.2
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111673272B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 雷正龍;黎炳蔚;陳源;陳彥賓
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K26/12
• 分類號: B23K26/12;B23K26/346;B23K26/70
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

一種擺動激光?超聲復合焊接方法，它涉及材料加工工程領域，本發明旨在解決擺動激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和氣孔的問題。本發明采用超聲進行輔助改變熔體流動情況，避免兩側咬邊缺陷。使用超聲輔助后，進一步細化晶粒、抑制氣孔，利用超聲改善匙孔形態，抑制等離子體與飛濺噴發，增加能量有效利用率。采用同軸保護氣進行焊接保護，對熔池的保護效果更好，更適用于鈦合金、鋁合金等易氧化材料的焊接。相比于接觸式超聲輔助，非接觸式超聲振動可適用于各種復雜結構及軌跡的焊接，避免接觸不良和空間限位導致的應用障礙。本發明應用于材料加工領域。

技術領域

本發明屬于材料加工工程領域，具體涉及一種擺動激光-超聲復合焊接方法及裝置設計。

背景技術

激光作為“二十一世紀最有發展潛力的焊接技術”之一，由于其具有能量密度高，焊縫質量好，深寬比大，熱影響區小，焊接變形小，而且焊接速度快以及易于實現自動化等優點，已經在工業生產中得到廣泛的應用，但激光焊接對結構件裝配精度要求很高，通常需要保障激光焊接過程中板的緊密貼合和焊接過程的穩定性。而在生產應用過程中由于設計、加工、裝配等各個生產環節帶來的誤差，實際需要焊接的工件往往具有較大的間隙和錯邊，對激光焊接的生產應用提出了更高的要求。

擺動激光焊技術是利用激光束優異的可控性發展而來的焊接技術，控制激光熱源沿著某一運動規律的路線進行重復運動，常用的掃描路線主要包括橫向掃描、縱向掃描、環形掃描以及三角掃描等方式。由于激光可以受振鏡的反射從而實現一定頻率和路線的運動，較常規激光焊接技術的熱源特征、熔池流動行為等都發生了較大變化。擺動激光焊主要被應用于解決間隙適應性差、成形不良以及氣孔缺陷等問題，尤其在異種材料連接、不等厚板材連接、缺陷抑制、晶粒細化和力學性能提升等方面有著得天獨厚的優勢。

目前的研究結果表明，橫向掃描、環形掃描以及三角掃描等方式都可能導致劇烈的飛濺，在低頻掃描時焊縫成形較好，但在高頻掃描時反而出現焊縫成形不良、內部產生氣孔缺陷等問題，其主要原因是匙孔帶動熔體反復向熔池邊緣移動，造成熔池震蕩引起飛濺、咬邊、氣孔等問題，因此限制了擺動激光焊接的應用。而超聲輔助焊接主要集中于在母材或焊絲上施加超聲振動，用以攪拌熔池、細化晶粒（如專利200410009170.2），或是隨焊進行振動，消除焊后殘余應力（如專利201920270556.0），對于超聲對熔池流動和焊縫成形的影響雖然有一定的研究，但并沒有更多的應用。

發明內容

本發明旨在解決擺動激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和氣孔的問題，提出一種擺動激光-超聲復合焊接方法，并對激光-超聲復合焊接頭結構進行設計。

本發明的一種擺動激光-超聲復合焊接方法，它是按照以下步驟進行的：

步驟一:將工件的待焊接部位根據需要加工成所需要的精度，并對工件加工后的兩側表面進行打磨或清洗；

步驟二:將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，超聲發生裝置的超聲變幅桿垂直于待焊工件表面，超聲發生裝置端頭下方距離待焊工件表面5～15cm；

步驟三:激光離焦量為﹣5～﹢5mm，激光功率為1000～8000W，焊接速度為0.5～5m/min，激光擺動頻率為20～400Hz，擺動幅度為0.5～8mm，超聲振動頻率為10kHz～1MHz，振動幅度為5μm～30μm，保護氣采用Ar氣或其他混合氣體，流量為20～60L/min；

步驟四:在實際焊接過程中，采用機器人集成系統控制焊接工藝參數，首先施加超聲振動，然后激光器控制發出激光，最后控制機器人使得復合焊接頭運動完成焊接過程。

進一步地，所述的超聲發生裝置包括超聲發生器和反射式激光頭；

所述的超聲發生器由超聲換能器、超聲變幅桿、反射式聚焦鏡、高透玻璃窗口、插入式玻璃保護鏡片和變幅桿端頭組成；反射式激光頭由光纖、準直鏡、振鏡掃描反射鏡和插入式玻璃保護鏡片組成；