专利名称：一种用于激光焊接的双光束焊接方法
技术领域：
本发明是一种用于激光焊接的双光束焊接方法，尤指对工件需同时进行两侧对称焊接的方法，适合各种材料的角接或T型接头的焊接，以及双平行对接焊缝的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，属于一种新的激光焊接方法。
激光焊是出现于20世纪60年代的焊接技术，与电子束焊一样具有高能束流焊接特性。激光能量密度高、加热集中、对材料的热损伤小并且不受电磁力的影响，非常适合薄板、高熔点难熔材料以及轻质高强材料的焊接。此外，激光焊接过程易于集成化、自动化、柔性化，可实现高速和高精度制造，焊接生产率大大高于常规焊接方法。随着大功率激光器的出现，光束模式质量的提高，激光焊不在局限于医疗器械、电子产品中的小功率激光焊，而在汽车、船舶、机械结构、管道工程，以及航空结构等的焊接应用上，并被认为是未来航空结构材料的理想焊接技术之一。
在飞机的蒙皮、壁板的制造中，采用以焊接代替铆接的方法，减重效果明显，社会经济效益显剧。现有的焊接技术主要是氩弧焊和电子束焊接。氩弧焊是一种常规的焊接方法，焊缝宽，接头强度相对较低。为了提高飞机的作战性能，延长使用寿命，设计、使用部门开始考虑采用高能束流焊接技术。电子束焊接技术就是其中之一，它具有常规弧焊所不具备的一些优点，如焊缝窄，深宽比大，接头强度高等等。它的主要不足在于，所焊接零件的大小受焊机真空室体积的限制，焊接过程中，对准、调整不方便。激光焊接也是一种高能束流焊接方法，基本具备电子束焊接的一些优点，同时克服了电子束焊接零件尺寸受真空室体积限制、调整不方便等不足，在薄板、大型蒙皮、壁板的焊接方面具有优势。但激光焊接在焊接一些类似T型接头的工件时，由于需要在工件的两侧进行相同方式的焊接，现在所能采用的方法就是先用一束激光焊接角焊缝的一侧，然后再焊接另一侧，这种方法显然存在焊接热源不对称，容易产生变形等焊接缺陷。这类接头包括对接接头、搭接接头、端焊接头、T型接头等等。从焊接接头的形式出发，激光焊方法非常适合，它可以充分保证焊接结构的精度和焊缝的质量，但这类接头的焊接往往要求对称焊接，为此英国的TWI、美国的EWI等国外研究机构采用传统的焊接工艺，利用两台激光器提供双光束，实现T型接头的对称焊接，并已用于飞机带筋壁板的焊接。
利用两台激光器实现双光束焊接，需要两台电源，两套激光输出系统，以及两套焊接头控制系统装置，焊接过程虽只是焊接头的简单机械组合，但很难保证两束光的移动位置和移动速度完全同步，且激光的模式由于有不同的激光器和光路系统传输，也难保证完全一致，这一方面增加了激光焊接工艺参数的确定的难度，另一方面T型接头的对称焊接的工艺要求不易满足。此外也很难保证两台激光器光闸开启完全同步，因而很难保证焊接结构精度。
虽然采用两台激光器实现双光束对称焊接有上述诸多的缺点，由于这些缺点是因为所采用的加工方式所决定的，所以，属于一种自身的、先天性的问题，从自身角度来看，解决起来非常困难。但从目前的情况来看，这种方法还是一种相对来说比较容易想到并可以实现的方法，并在相应的领域内一直使用着。
本发明的目的正是为了克服上述方法中所存在的问题，另辟新径，设计提供了一种新的激光焊接方法，由于激光具有分离性这一特点，可通过光学上的光路结构分成两束光，虽然这种方法早已被人们也熟悉并根据不同的需要而经常利用，该方法正是基于这种原理，将其与激光焊接结合起来，具体说，就是将其运用到需同时对工件进行两侧对称焊接的激光焊接工艺方法中，它是利用同一激光器分光实现双光束焊接的，这样就可以利用单光束分光技术来保证两束激光的模式相同、光束对称，焊接工艺参数相同，从而可避免现在方法中所存在的问题，保证焊接接头的质量和精度。同时可以降低焊接成本。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的该种用于激光焊接的双光束焊接方法，尤指对工件需同时进行两侧对称焊接的方法，其特征在于将同一台激光器发出的激光束分成能量相当的两束光，同时到达需同时进行两侧对称焊接的的工件的焊接部位，实现两侧同步焊接。根据所采用的激光发生器的不同，当使用CO2激光发生器作为光源时，上述方法的具体实现方式是采用半透半反射的光学镜片将一束激光分成能量相当的两束光，一束经一级反射转向再聚焦送入到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的一侧，另一束经两级反射转向再反射聚焦送到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的另一侧，实现对工件的两侧同步焊接。可以采用ZnSe半透半反射的光学镜片对激光进行分光。当使用YAG激光发生器作为光源时，上述方法的具体实现方式是首先经过一级反射后，再通过扩束镜进行扩束，然后经分光镜分光，分成两束对等光束，再经反射聚焦进入准直镜，经透镜聚焦后通过光纤传输到焊接加工头，由两个焊接加工头对焊接工件两侧对称的焊接部位进行同步焊接。
附图的图面说明如下
图1为当使用CO2激光发生器作为光源时，本发明方法的实施结构的原理示意2为当使用YAG激光发生器作为光源时，本发明方法的实施结构的原理示意图以下将结合附图和实施例对本发明方法作进一步地详述参见附图1所示，实施例是同时对T型接头(壁板)进行两侧对称焊接。目前T型接头(壁板)焊接主要采用氩弧焊和电子束焊，都是采用熔透基板然后焊接筋板的方式，其主要不足有(一)基板被熔透，导致强度下降；(二)T型接头两侧角缝加强高不足。而本发明技术方案提出的激光焊接双光束焊接方法在针对对该种T型接头(4)两侧角缝(5)焊接时，是对工件同时进行两侧对称焊接的，该种方法是将同一台激光器发出的激光束分成能量相当的两束光，同时到达需同时进行两侧对称焊接的的工件的焊接部位，实现两侧同步焊接。当使用CO2激光发生器作为光源时，如图1所示，上述方法的具体实现方式是采用ZnSe半透半反射的光学镜片(1)将一束激光A分成能量相当的两束光A1和A2，其中一束光(A1)经一级反射镜(2)反射转向后通过反射聚焦镜(3)再聚焦送到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的一侧，另一束(A2)通过两个反射镜(2)的两级反射转向后再通过一个反射聚焦镜(3)反射聚焦送到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的另一侧，实现对工件的两侧同步焊接。
当使用YAG激光发生器作为光源时，参见附图示2所示，光束B首先经过反射镜(2)的一级反射后，再通过扩束镜(6)进行扩束，然后经分光镜(7)分光，分成两束对等光束B1、B2，这两束光再同时经反射聚焦镜(3)反射聚焦后进入准直镜(8)，再经透镜(9)聚焦后通过光纤(10)传输到焊接加工头(11)，由两个焊接加工头(11)对焊接工件两侧对称的焊接部位进行同步焊接。
采用本发明方法，通过实际操作，利用双光束激光焊接可以在两个方面得到改进，一是可以克服单光束激光焊接时热源不对称，焊接变形较大的问题。二是在使用YAG激光发生器作为光源时，最后焊接使用的激光束是通过光纤传输的，用两个机器人各自驱动一根光纤及其焊接加工头，从T型接头的两边同时施焊，这样就可以很自由地调节角度和姿态，而充分满足工件形状和焊接操作中环境的限制。因此，对于飞机制造中大型加强壁板的焊接具有十分重要的意义。
本发明技术方案是从我国的实际情况出发，为了保证焊接质量，通过跟踪国际最前沿的激光焊接技术和航空制造技术的发展，并结合目前我国飞机预研和重点型号制造的实际情况，利用高能束流加工国防科技重点试验室的现有条件，提出了T型接头(大型壁板)的YAG激光双光束焊接技术，意在解决现有工艺技术存在的问题，提高我国飞机制造水平，满足型号研制的需要。
权利要求
1.一种用于激光焊接的双光束焊接方法，尤指对工件需同时进行两侧对称焊接的方法，其特征在于将同一台激光器发出的激光束分成能量相当的两束光，同时到达需同时进行两侧对称焊接的的工件的焊接部位，实现两侧同步焊接。
2.根据权利要求1所述的用于用于激光焊接的双光束焊接方法，其特征在于当使用CO2激光发生器作为光源时，上述方法是采用半透半反射的光学镜片(1)将一束激光分成能量相当的两束光，一束(A1)经一级反射转向再聚焦送入到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的一侧，另一束(A2)经两级反射转向再反射聚焦送到需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位的另一侧，实现对工件的两侧同步焊接。
3.根据权利要求2所述的用于用于激光焊接的双光束焊接方法，其特征在于采用ZnSe半透半反射的光学镜片(1)对激光进行分光。
4.根据权利要求1所述的用于用于激光焊接的双光束焊接方法，其特征在于当使用YAG激光发生器作为光源时，首先经过一级反射后，再通过扩束镜(6)进行扩束，然后经分光镜(7)分光，分成两束对等光束B1、B2，再经反射聚焦进入准直镜(8)，经透镜(9)聚焦后通过光纤(10)传输到焊接加工头(11)，由两个焊接加工头(11)对焊接工件两侧对称的焊接部位进行同步焊接。
全文摘要
本发明是一种用于激光焊接的双光束焊接方法，尤指对工件需同时进行两侧对称焊接的方法，适合各种材料的角接或T型接头的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，它是将同一台激光器发出的激光束分成能量相当的两束光，同时到达需同时进行两侧对称焊接的工件的焊接部位，实现两侧同步焊接。这样就可以利用单光束分光技术来保证两束激光的模式相同、光束对称，焊接工艺参数相同，从而可避免现在方法中所存在的热源不对称，焊接变形较大的问题。保证焊接接头的质量和精度。同时可以降低焊接成本。
文档编号B23K26/06GK1657222SQ200410088810
公开日2005年8月24日 申请日期2004年11月5日 优先权日2004年11月5日
发明者巩水利, 陈俐, 姚伟, 段爱琴 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所