一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光焊接具有能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变 形小等突出优点。随着工业激光器发展，特别是大功率光纤激光器的应用，使得激光焊接技 术也得到了越来越广泛的应用。
[0003] 对于激光深熔焊接，特别是铝合金材料，常出现焊接稳定性差，焊接气孔多的问 题。激光焊接时，由于铝合金粘度小、表面张力小，激光作用下形成的深熔小孔不稳定，极易 收缩和坍塌，导致焊接过程不稳定，液态金属也容易在熔池的剧烈搅动下飞出熔池，产生大 量飞溅。熔池搅动剧烈和深熔小孔的不稳定，会导致小孔间歇性闭合，金属蒸汽和卷入的保 护气在快速冷却的熔池中来不及逸出而形成气孔。仅通过改变激光焊接工艺参数难以改善 铝合金激光焊接过程稳定性。
[0004] 为改善激光焊接的稳定性，国内外的学者提出了双光束激光焊接。双光束激光焊 接通常是在激光传输聚焦过程中，引入激光分束及聚焦器件，将单束激光分成双束激光进 行焊接。在合适的光束间距下焊接，双激光形成一个大的深熔小孔，不易闭合且有利于金属 蒸汽的排出，因而能改善激光焊接过程的稳定性及减少焊接气孔。但是由于对激光进行了 分束，激光能量密度降低。所以双光束焊接虽然可有效稳定焊接过程，但焊缝熔深显著下 降。
[0005] 光束旋转或摆动的方法也被用于改善激光焊接过程稳定性和减少焊接气孔。研究 表明，光束旋转的方法能改变激光光束的能量分布，增强深熔小孔的稳定性，从而能够改善 激光焊接过程稳定性。激光焦点旋转时，深熔小孔随着焦点的旋转而旋转，对熔池具有显著 的搅拌作用，同时焦点旋转改变了熔池的温度场和液态金属的流动，有利于熔池中气泡的 逸出，因而焊缝中的气孔减少。但与双光束激光焊接类似，通过光束旋转或摆动的激光焊接 方法获得的焊缝熔深也有明显地减小。
[0006] 本方法在焦点旋转激光焊接的基础上增加垂直工件平面的焦点振动，在焦点旋转 改善焊接过程稳定性的同时，通过焦点的垂直振动消除或减小焦点旋转对焊缝熔深的不利 影响。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，适用于金属材 料的激光焊接。
[0008] 所述的焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，其特征在于，焊接时，激光焦点在平 行工件表面上按一定半径和频率做匀速圆周运动，在垂直工件表面方向上按一定振幅和频 率做往复运动，实际运动轨迹为二者的合运动，三维空间内以螺旋形前进。
[0009] 所述的焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，主要工艺参数为水平旋转半径0.1 ~Ο . 5mm，频率50~400Hz ;垂直振幅1~3mm，频率50~400Hz。垂直振动时，激光焦点始终在 工件表面以下。
[0010] 本发明的有益效果是，在优化的工艺参数下焊接时，焦点的旋转和垂直振动可有 效稳定激光焊接过程，改善焊缝表面成形，减少激光焊接时的飞溅和气孔。同激光旋转或摆 动焊接方法相比，本发明对熔深的不利影响较小。
【附图说明】
[0011] 图1为激光焦点振动焊接示意图；
[0012] 图2为实施例1得到的焊缝表面及截面；
[0013] 图3为实施例2得到的焊缝表面及截面；
[0014] 图中，1.激光束，1-1.激光束焦点，2.待焊工件，3.焦点合运动路径，4.焦点水平旋 转路径，5.焦点垂直振动路径。
[0015] 图4,光路示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0017] 实施例！
[0018]实施例1焊接工艺参数如下表所示：
[0020] 其中，P为激光功率，V为焊接速度，rxy为焦点水平旋转半径，Fxy为焦点水平旋转频 率，Az为焦点垂直振动振幅，Fz为焦点垂直振动频率，df在焦点无垂直振动时表示离焦量，有 垂直振动时为焦点振动范围的中心位置。
[0021] 实施例1所用材料为1060纯铝，焊前用丙酮去除待焊工件表面油污，NaOH溶液去除 表面氧化膜，30 % HN〇3溶液中和残留碱液。
[0022]从焊缝表面和截面图可以看出（图2)，对于实施例1，仅旋转及旋转振动时，激光焊 接的焊缝表面成形明显优于非振动焊接，焊接过程更稳定，焊缝气孔均有所减少，但焦点旋 转和垂直振动焊接抑制气孔的效果更明显（以焊缝纵截面气孔面积计算，焦点旋转焊接气 孔减少约42%，增加垂直振动后约减少61 % )，而焊缝熔深基本无变化。显然在此实施例条 件下，焦点旋转振动对焊接过程稳定性的改善效果最好。
[0023] 实施例2
[0024]实施例2焊接工艺参数如下表所示：
[0026]其中，P为激光功率，v为焊接速度，rxy为焦点水平旋转半径，Fxy为焦点水平旋转频 率，Az为焦点垂直振动振幅，Fz为焦点垂直振动频率，df在焦点无垂直振动时表示离焦量，有 垂直振动时为焦点振动范围的中心位置。
[0027]实施例2所用材料和焊前处理方式同实施例1。
[0028]从焊缝表面和截面图可以看出（图2)，对于实施例2,仅旋转及旋转振动条件下，激 光焊接的焊缝表面成形均明显优于非振动焊接，焊接过程更稳定，焊缝气孔和焊缝熔深均 有所减少。具体来看，焦点仅旋转焊接时，气孔相对非振动约减少90%，焦点旋转和垂直振 动焊接时相对非振动约减少87%，差别不大，但焦点垂直振动的加入使焊缝熔深相对于仅 旋转焊接增加了约17 %，同时焊缝面积也增加了约24 %，即熔化效率较高。综合来看，在实 施例2条件下，焦点旋转振动焊接的效果较好。
[0029]可采的装置设计思路如下：
[0030] 焦点水平旋转运动由楔形镜的旋转运动产生，楔形镜安装在与楔形镜同心的从带 轮内，从带轮的运动由主带轮及齿形带传输;焦点水平旋转电机驱动主带轮，带动从带轮和 楔形镜的匀速运动，实现了激光束的匀速旋转。
[0031] 聚焦透镜同楔形镜同心安装，聚焦透镜通过导轨和滑块保证聚焦透镜振动过程中 聚焦透镜的中轴线始终同楔形镜同心；偏心轮与焦点垂直振动电机连接，连杆的一端与偏 心轮连接，连杆的另一端通过弹性销钉固定在聚焦镜连接块上，滑块固定在聚焦镜连接块 上，滑块安装在导轨上且能在导轨上滑动，导轨长度方向平行于聚焦透镜与楔形镜的中轴 线。
[0032] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，其特征在于:焊接时，激光焦点在平行工 件表面上按一定半径和频率做匀速圆周运动，同时在垂直工件表面方向上按一定振幅和频 率做往复运动。2. 根据权利要求1所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，其特征在于:水平 旋转半径为〇.1~〇. 6mm，频率为50~400Hz;垂直振幅为1~3mm，频率为50~400Hz。3. 根据权利要求1所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，其特征在于:垂直 振动时，焦点始终在工件表面以下。
【专利摘要】本发明的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法，适用于金属材料的激光焊接。特征在于，焊接时，激光焦点在平行工件表面上按一定半径和频率做匀速圆周运动，在垂直工件表面方向上按一定振幅和频率做往复运动。水平旋转半径为0.1～0.5mm，频率为50～400Hz；垂直振幅为1～3mm，频率为50～400Hz。垂直振动时，焦点始终在工件表面以下。本发明的有益效果是，在优化的工艺参数下焊接时，焦点的旋转和垂直振动可有效稳定激光焊接过程，改善焊缝表面成形，减少激光焊接时的飞溅和气孔。同激光旋转或摆动焊接方法相比，本发明对熔深的不利影响较小。
【IPC分类】B23K26/046, B23K103/10, B23K26/24
【公开号】CN105414759
【申请号】CN201510907271
【发明人】肖荣诗, 官祥威, 武强, 邹江林
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月9日