一种高频振动激光自熔丝焊接方法与流程

本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及到一种高频振动激光自熔丝焊接方法。

背景技术：

激光焊接与其它传统焊接工艺相比有着其独特的优势和特点。其中最主要的优势就是对能量输入的控制性比较精确，能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能密度的集中热源，快速扫过焊缝，是一种优质、高效、高质的焊接方法。激光焊接目前越来越广泛地应用在汽车、航空航天等领域。

但是，激光光斑小，焊接要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移，允许的最大间隙不超过板厚的10％，因此大多数的激光焊接都是采用激光填丝焊工艺。有研究表明，激光填丝焊可以提高焊接间隙，降低焊接时装配精度。与激光自熔焊相比，激光填丝焊不仅可以保持激光焊固有的优点，还可以改善铝合金激光焊接的表面成形，提高接头的力学性能，防止裂纹产生。

激光填丝焊可以很好的解决装配精度对激光焊接应用的限制问题，但是多加了一个外部送丝装置，使得焊接参数的控制比较复杂，送丝精度要求严格，送丝速度与激光功率、焊接速度必须严格的相匹配。在激光填丝焊过程中，焊丝的稳定性以及对激光的反射性都会影响熔池的流动及激光能量的变化。

激光自熔丝焊接是一种新型的激光焊接技术，激光束直接作用于焊丝末端而不是母材，焊丝熔化带动薄壁母材熔化并耦合形成液态熔池完成间隙搭桥，进而冷却凝固形成焊缝，通过在焊丝末端添加压电陶瓷制动器，对高焊速下的熔池流动及凝固行为进行主动调控，增大激光焊对间隙的适应性，提高焊缝间隙宽容度。

技术实现要素：

本发明是要解决现有激光填丝焊的熔丝方法存在焊接效率低、送丝精度要求高、焊丝稳定性差、焊接参数控制复杂、自间隙适应性差以及焊缝质量差的问题，而提出一种高频振动激光自熔丝焊接方法。

本发明高宽容度激光焊接工艺及过程智能控制方法，按以下步骤进行：

一、将激光光斑聚焦在焊丝上，压电陶瓷制动器安装在焊丝末端；二、通入保护气体，启动激光器和压电陶瓷制动器，送丝速度为5～10m/min，使激光束始终聚焦在焊丝上，从而实现激光自熔丝焊接。

步骤二中通入保护气的流量为15～25l/min。

步骤二中焊接速度为5～10m/min。

步骤二中激光器的输出功率为1000w～6000w。

步骤二中压电陶瓷振动频率在50～2000hz，振幅在0～100微米。

本发明采用激光自熔丝的方式，激光束直接作用于焊丝末端而不是母材，焊丝熔化带动薄壁母材熔化并耦合形成液态熔池完成间隙搭桥，进而冷却凝固形成焊缝，通过在焊丝末端添加压电陶瓷制动器，对高焊速下的熔池流动及凝固行为进行主动调控，增大激光焊对间隙的适应性，提高焊缝间隙宽容度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)针对铝合金弱刚性复杂焊缝在焊缝间隙不均匀和高速激光焊接条件下熔池铺展困难焊缝成形差及气孔率高的技术难题，提出一种全新的激光焊接工艺，在传热方式上，提出激光自熔丝热导焊接方法，激光直射焊丝，而不是焊缝母材，大幅提高激光焊接对焊缝间隙的宽容度和适应性。在熔池流动及形貌的主动控制上，提出高频微幅径向振动送丝的新方法，由焊丝末端往熔池传递振动能量，弥补高温度下仅靠表面张力驱动熔池流动性不足的问题，保障液态熔池快速充分铺展形成对接焊缝搭桥。相比于传统激光熔丝方法，其焊接间隙不能超过板厚的10％，而采用激光自熔丝方法，其允许的间隙最高能达到板厚的50％，提高了激光对间隙的宽容度，降低了激光焊接时的装配精度；

2)对熔滴进入熔池的状态控制更加精确灵活，通过改变压电陶瓷制动器的频率、幅值等，实现了焊丝进入熔池的区域的搅拌及液桥过渡作用，对于改善凝固结晶过程、细化晶粒等更加有利。

附图说明

图1为本发明的实施例的一种高频振动激光自熔丝焊接方法示意图；

附图中标号：1为铝合金板，2为激光束，3为激光头，4为压电陶瓷制动装置，5为焊丝，6为为送带轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式高频振动激光自熔丝焊接方法，按以下步骤进行：：一、将激光光斑聚焦在焊丝上，压电陶瓷制动器安装在焊丝末端；二、通入保护气体，启动激光器和压电陶瓷制动器，送丝速度5～10m/min，使激光束始终聚焦在焊丝上，从而实现激光自熔丝焊接。

传统激光熔丝焊接方法适宜的待焊工件的材质和厚度均适用于本实施方式的方法。特别需要指出的是该方法涉及的参数有间隙宽度、送丝速度、激光功率、焊接速度、保护气体成份及流量，应该根据实际材料的种类、尺寸和接头形式、间隙大小等对这些主要工艺参数进行系统的优化，综合考虑这些参数的合理匹配，这样才能保证获得高质量接头。其中，对该方法焊接效果起决定作用的是间隙宽度、送丝速度、激光功率，总的选取原则是保证带状焊丝能够熔化，同时进行搭桥过渡，具体为：送速度越大，匹配的激光功率和压电陶瓷振动频率和振幅越大。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中通入保护气的流量为15～25l/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实丝施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中焊接速度为5～10m/min。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤二中激光器的输出功率为1000w～6000w。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：步骤二中压电陶瓷振动频率在50～2000hz，振幅在0～100微米。其它与具体实施方式一至五相同。

本实施方式高频振动激光自熔丝焊接方法获得的焊缝截面，结果表明，高频微幅径向振动送丝，由焊丝末端往熔池传递振动能量，弥补高温度下仅靠表面张力驱动熔池流动性不足的问题，保障液态熔池快速充分铺展形成对接焊缝搭桥。振动加快了熔池的热运动，使熔池散热缓慢，振动对熔池的搅拌作用更强，从而提高了激光对间隙的宽容度，降低了激光焊接时的装配精度，减小了熔滴和熔池的温度梯度以及熔滴对熔池的冲击，改善凝固结晶过程、细化晶粒，有利于减少气孔、未熔合等缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种高频振动激光自熔丝焊接方法，解决现有激光填丝焊的熔丝方法存在焊接效率低、送丝精度要求高、焊丝稳定性差、焊接参数控制复杂、间隙适应性差以及焊缝质量差的问题，本发明包括：将激光光斑聚焦在焊丝上，压电陶瓷制动器安装在焊丝末端；通入保护气体，启动激光器和压电陶瓷制动器，送丝速度5～10m/min，使激光束始终聚焦在焊丝上，从而实现激光自熔丝稳定液桥过渡焊接。

技术研发人员：陈树君;黄文浩;肖珺;贾亚洲;苑城玮
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2019.03.24
技术公布日：2019.05.28