專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于激光焊接的雙光束焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對(duì)工件需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的方法，適合各種材料的角接或T型接頭的焊接，以及雙平行對(duì)接焊縫的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，屬于一種新的激光焊接方法。
激光焊是出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代的焊接技術(shù)，與電子束焊一樣具有高能束流焊接特性。激光能量密度高、加熱集中、對(duì)材料的熱損傷小并且不受電磁力的影響，非常適合薄板、高熔點(diǎn)難熔材料以及輕質(zhì)高強(qiáng)材料的焊接。此外，激光焊接過(guò)程易于集成化、自動(dòng)化、柔性化，可實(shí)現(xiàn)高速和高精度制造，焊接生產(chǎn)率大大高于常規(guī)焊接方法。隨著大功率激光器的出現(xiàn)，光束模式質(zhì)量的提高，激光焊不在局限于醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品中的小功率激光焊，而在汽車(chē)、船舶、機(jī)械結(jié)構(gòu)、管道工程，以及航空結(jié)構(gòu)等的焊接應(yīng)用上，并被認(rèn)為是未來(lái)航空結(jié)構(gòu)材料的理想焊接技術(shù)之一。
在飛機(jī)的蒙皮、壁板的制造中，采用以焊接代替鉚接的方法，減重效果明顯，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯劇。現(xiàn)有的焊接技術(shù)主要是氬弧焊和電子束焊接。氬弧焊是一種常規(guī)的焊接方法，焊縫寬，接頭強(qiáng)度相對(duì)較低。為了提高飛機(jī)的作戰(zhàn)性能，延長(zhǎng)使用壽命，設(shè)計(jì)、使用部門(mén)開(kāi)始考慮采用高能束流焊接技術(shù)。電子束焊接技術(shù)就是其中之一，它具有常規(guī)弧焊所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，如焊縫窄，深寬比大，接頭強(qiáng)度高等等。它的主要不足在于，所焊接零件的大小受焊機(jī)真空室體積的限制，焊接過(guò)程中，對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整不方便。激光焊接也是一種高能束流焊接方法，基本具備電子束焊接的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了電子束焊接零件尺寸受真空室體積限制、調(diào)整不方便等不足，在薄板、大型蒙皮、壁板的焊接方面具有優(yōu)勢(shì)。但激光焊接在焊接一些類(lèi)似T型接頭的工件時(shí)，由于需要在工件的兩側(cè)進(jìn)行相同方式的焊接，現(xiàn)在所能采用的方法就是先用一束激光焊接角焊縫的一側(cè)，然后再焊接另一側(cè)，這種方法顯然存在焊接熱源不對(duì)稱(chēng)，容易產(chǎn)生變形等焊接缺陷。這類(lèi)接頭包括對(duì)接接頭、搭接接頭、端焊接頭、T型接頭等等。從焊接接頭的形式出發(fā)，激光焊方法非常適合，它可以充分保證焊接結(jié)構(gòu)的精度和焊縫的質(zhì)量，但這類(lèi)接頭的焊接往往要求對(duì)稱(chēng)焊接，為此英國(guó)的TWI、美國(guó)的EWI等國(guó)外研究機(jī)構(gòu)采用傳統(tǒng)的焊接工藝，利用兩臺(tái)激光器提供雙光束，實(shí)現(xiàn)T型接頭的對(duì)稱(chēng)焊接，并已用于飛機(jī)帶筋壁板的焊接。
利用兩臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)雙光束焊接，需要兩臺(tái)電源，兩套激光輸出系統(tǒng)，以及兩套焊接頭控制系統(tǒng)裝置，焊接過(guò)程雖只是焊接頭的簡(jiǎn)單機(jī)械組合，但很難保證兩束光的移動(dòng)位置和移動(dòng)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統(tǒng)傳輸，也難保證完全一致，這一方面增加了激光焊接工藝參數(shù)的確定的難度，另一方面T型接頭的對(duì)稱(chēng)焊接的工藝要求不易滿(mǎn)足。此外也很難保證兩臺(tái)激光器光閘開(kāi)啟完全同步，因而很難保證焊接結(jié)構(gòu)精度。
雖然采用兩臺(tái)激光器實(shí)現(xiàn)雙光束對(duì)稱(chēng)焊接有上述諸多的缺點(diǎn)，由于這些缺點(diǎn)是因?yàn)樗捎玫募庸し绞剿鶝Q定的，所以，屬于一種自身的、先天性的問(wèn)題，從自身角度來(lái)看，解決起來(lái)非常困難。但從目前的情況來(lái)看，這種方法還是一種相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易想到并可以實(shí)現(xiàn)的方法，并在相應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)一直使用著。
本發(fā)明的目的正是為了克服上述方法中所存在的問(wèn)題，另辟新徑，設(shè)計(jì)提供了一種新的激光焊接方法，由于激光具有分離性這一特點(diǎn)，可通過(guò)光學(xué)上的光路結(jié)構(gòu)分成兩束光，雖然這種方法早已被人們也熟悉并根據(jù)不同的需要而經(jīng)常利用，該方法正是基于這種原理，將其與激光焊接結(jié)合起來(lái)，具體說(shuō)，就是將其運(yùn)用到需同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的激光焊接工藝方法中，它是利用同一激光器分光實(shí)現(xiàn)雙光束焊接的，這樣就可以利用單光束分光技術(shù)來(lái)保證兩束激光的模式相同、光束對(duì)稱(chēng)，焊接工藝參數(shù)相同，從而可避免現(xiàn)在方法中所存在的問(wèn)題，保證焊接接頭的質(zhì)量和精度。同時(shí)可以降低焊接成本。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的該種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對(duì)工件需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的方法，其特征在于將同一臺(tái)激光器發(fā)出的激光束分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，同時(shí)到達(dá)需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的的工件的焊接部位，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步焊接。根據(jù)所采用的激光發(fā)生器的不同，當(dāng)使用CO2激光發(fā)生器作為光源時(shí)，上述方法的具體實(shí)現(xiàn)方式是采用半透半反射的光學(xué)鏡片將一束激光分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，一束?jīng)一級(jí)反射轉(zhuǎn)向再聚焦送入到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的一側(cè)，另一束經(jīng)兩級(jí)反射轉(zhuǎn)向再反射聚焦送到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的兩側(cè)同步焊接?？梢圆捎肸nSe半透半反射的光學(xué)鏡片對(duì)激光進(jìn)行分光。當(dāng)使用YAG激光發(fā)生器作為光源時(shí)，上述方法的具體實(shí)現(xiàn)方式是首先經(jīng)過(guò)一級(jí)反射后，再通過(guò)擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，然后經(jīng)分光鏡分光，分成兩束對(duì)等光束，再經(jīng)反射聚焦進(jìn)入準(zhǔn)直鏡，經(jīng)透鏡聚焦后通過(guò)光纖傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^，由兩個(gè)焊接加工頭對(duì)焊接工件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的焊接部位進(jìn)行同步焊接。
附圖的圖面說(shuō)明如下

圖1為當(dāng)使用CO2激光發(fā)生器作為光源時(shí)，本發(fā)明方法的實(shí)施結(jié)構(gòu)的原理示意2為當(dāng)使用YAG激光發(fā)生器作為光源時(shí)，本發(fā)明方法的實(shí)施結(jié)構(gòu)的原理示意圖以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步地詳述參見(jiàn)附圖1所示，實(shí)施例是同時(shí)對(duì)T型接頭(壁板)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接。目前T型接頭(壁板)焊接主要采用氬弧焊和電子束焊，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，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；(二)T型接頭兩側(cè)角縫加強(qiáng)高不足。而本發(fā)明技術(shù)方案提出的激光焊接雙光束焊接方法在針對(duì)對(duì)該種T型接頭(4)兩側(cè)角縫(5)焊接時(shí)，是對(duì)工件同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的，該種方法是將同一臺(tái)激光器發(fā)出的激光束分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，同時(shí)到達(dá)需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的的工件的焊接部位，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步焊接。當(dāng)使用CO2激光發(fā)生器作為光源時(shí)，如圖1所示，上述方法的具體實(shí)現(xiàn)方式是采用ZnSe半透半反射的光學(xué)鏡片(1)將一束激光A分成能量相當(dāng)?shù)膬墒釧1和A2，其中一束光(A1)經(jīng)一級(jí)反射鏡(2)反射轉(zhuǎn)向后通過(guò)反射聚焦鏡(3)再聚焦送到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的一側(cè)，另一束(A2)通過(guò)兩個(gè)反射鏡(2)的兩級(jí)反射轉(zhuǎn)向后再通過(guò)一個(gè)反射聚焦鏡(3)反射聚焦送到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的兩側(cè)同步焊接。
當(dāng)使用YAG激光發(fā)生器作為光源時(shí)，參見(jiàn)附圖示2所示，光束B(niǎo)首先經(jīng)過(guò)反射鏡(2)的一級(jí)反射后，再通過(guò)擴(kuò)束鏡(6)進(jìn)行擴(kuò)束，然后經(jīng)分光鏡(7)分光，分成兩束對(duì)等光束B(niǎo)1、B2，這兩束光再同時(shí)經(jīng)反射聚焦鏡(3)反射聚焦后進(jìn)入準(zhǔn)直鏡(8)，再經(jīng)透鏡(9)聚焦后通過(guò)光纖(10)傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^(11)，由兩個(gè)焊接加工頭(11)對(duì)焊接工件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的焊接部位進(jìn)行同步焊接。
采用本發(fā)明方法，通過(guò)實(shí)際操作，利用雙光束激光焊接可以在兩個(gè)方面得到改進(jìn)，一是可以克服單光束激光焊接時(shí)熱源不對(duì)稱(chēng)，焊接變形較大的問(wèn)題。二是在使用YAG激光發(fā)生器作為光源時(shí)，最后焊接使用的激光束是通過(guò)光纖傳輸?shù)模脙蓚€(gè)機(jī)器人各自驅(qū)動(dòng)一根光纖及其焊接加工頭，從T型接頭的兩邊同時(shí)施焊，這樣就可以很自由地調(diào)節(jié)角度和姿態(tài)，而充分滿(mǎn)足工件形狀和焊接操作中環(huán)境的限制。因此，對(duì)于飛機(jī)制造中大型加強(qiáng)壁板的焊接具有十分重要的意義。
本發(fā)明技術(shù)方案是從我國(guó)的實(shí)際情況出發(fā)，為了保證焊接質(zhì)量，通過(guò)跟蹤國(guó)際最前沿的激光焊接技術(shù)和航空制造技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合目前我國(guó)飛機(jī)預(yù)研和重點(diǎn)型號(hào)制造的實(shí)際情況，利用高能束流加工國(guó)防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，提出了T型接頭(大型壁板)的YAG激光雙光束焊接技術(shù)，意在解決現(xiàn)有工藝技術(shù)存在的問(wèn)題，提高我國(guó)飛機(jī)制造水平，滿(mǎn)足型號(hào)研制的需要。
權(quán)利要求
1.一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對(duì)工件需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的方法，其特征在于將同一臺(tái)激光器發(fā)出的激光束分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，同時(shí)到達(dá)需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的的工件的焊接部位，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于當(dāng)使用CO2激光發(fā)生器作為光源時(shí)，上述方法是采用半透半反射的光學(xué)鏡片(1)將一束激光分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，一?A1)經(jīng)一級(jí)反射轉(zhuǎn)向再聚焦送入到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的一側(cè)，另一束(A2)經(jīng)兩級(jí)反射轉(zhuǎn)向再反射聚焦送到需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位的另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的兩側(cè)同步焊接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于采用ZnSe半透半反射的光學(xué)鏡片(1)對(duì)激光進(jìn)行分光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于當(dāng)使用YAG激光發(fā)生器作為光源時(shí)，首先經(jīng)過(guò)一級(jí)反射后，再通過(guò)擴(kuò)束鏡(6)進(jìn)行擴(kuò)束，然后經(jīng)分光鏡(7)分光，分成兩束對(duì)等光束B(niǎo)1、B2，再經(jīng)反射聚焦進(jìn)入準(zhǔn)直鏡(8)，經(jīng)透鏡(9)聚焦后通過(guò)光纖(10)傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^(11)，由兩個(gè)焊接加工頭(11)對(duì)焊接工件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的焊接部位進(jìn)行同步焊接。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對(duì)工件需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的方法，適合各種材料的角接或T型接頭的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，它是將同一臺(tái)激光器發(fā)出的激光束分成能量相當(dāng)?shù)膬墒?，同時(shí)到達(dá)需同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)對(duì)稱(chēng)焊接的工件的焊接部位，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)同步焊接。這樣就可以利用單光束分光技術(shù)來(lái)保證兩束激光的模式相同、光束對(duì)稱(chēng)，焊接工藝參數(shù)相同，從而可避免現(xiàn)在方法中所存在的熱源不對(duì)稱(chēng)，焊接變形較大的問(wèn)題。保證焊接接頭的質(zhì)量和精度。同時(shí)可以降低焊接成本。
文檔編號(hào)B23K26/06GK1657222SQ200410088810
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者鞏水利, 陳俐, 姚偉, 段愛(ài)琴 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所