專利名稱：一種用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及涉激光焊接加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
輕量化合金材料是指以鎂、鋁、鈦等為主要組分的低密度合金，一般也稱為輕合金、輕金屬或輕量化合金。由于節(jié)能降耗的低碳要求，汽車、電器、航空航天和裝備制造業(yè)等日益關(guān)注并加大以鎂合金、鋁合金及鈦合金為代表的輕量化合金綠色材料的使用。據(jù)測算， 汽車每減重10%，耗油將減少8% 10%，以鎂合金為例，如果每輛車能使用70kg的鎂合金，CO2的年排放量就能夠減少30%以上，且汽車減重可達數(shù)百千克，因此鎂合金作為實際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，并且極易回收，在汽車的減重和性能改善中所起的重要作用受到人們的重視。輕量化合金關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)尤其是焊接技術(shù)，因材料本身的特性、焊接裝備技術(shù)的制約還不成熟。輕量化合金由于密度低，熔點低，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率大，熱膨脹系數(shù)大，化學(xué)活潑性強，易氧化，且氧化物的熔點較高，使輕量化合金在焊接過程中極易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，影響了輕量化合金焊接的密封性，制約了輕量化合金在關(guān)鍵零部件上的應(yīng)用。以輕量化鋁合金為例，為了解決輕量化鋁合金激光焊接過程中極易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、焊縫不規(guī)則等缺陷和吸收率低的問題，目前在工業(yè)加工中，主要采用激光填絲焊、激光-TIG電弧復(fù)合焊、激光-MIG電弧復(fù)合焊等。其中激光填絲焊的效率和普通激光焊接差不多，而且增加了焊絲；激光-MIG電弧復(fù)合焊主要用于大厚板焊接；激光-TIG電弧復(fù)合焊在焊接薄板、鋁合金等難焊材料時，熱影響區(qū)、熱變形、及焊縫外觀形貌相對于普通激光焊接也較大、較差。以上各種焊接雖然都不同程度的解決了焊接主要問題，但是由于受到激光在時間和空間上不均勻性的限制，使激光焊的穩(wěn)定性和重復(fù)性很差，因此輕量化合金的激光精密焊接技術(shù)尚不成熟。本實用新型提供的多光路系統(tǒng)可以解決激光在時間和空間上不均勻性的，從而有效改善激光焊的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

實用新型內(nèi)容為了解決輕量化合金薄板焊接中的熱裂紋、氣孔、焊縫不規(guī)則、吸收率低及焊接效率問題，本實用新型提供一種用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)，尤其適用于易產(chǎn)生焊接缺陷的輕量化合金薄板焊接。本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。一種用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)，包括三光路輸出裝置和將固體激光器的能量分成三路的分光裝置，所述三光路輸出裝置包括主光路輸出頭和兩個輔助光路輸出頭，所述分光裝置包括一個主光路和兩個輔助光路；主光路的輸出端通過輸出光纖與三光路輸出裝置的主光路輸出頭連接，兩個輔助光路相應(yīng)地與三光路輸出裝置的兩個輔助光路輸出頭連接。三光路輸出裝置與分光裝置之間采用光纖連接實現(xiàn)三光路的柔性輸出。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，所述兩個輔助光路位于主光路的兩側(cè)并與主光路成設(shè)定的角度。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，三個輸出頭輸出的三束光沿焊接方向串行排布。上述用于輕量化合金熔接的多光路系統(tǒng)中，三個輸出頭輸出的三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，所述分光裝置具體包括激光器輸出鏡、45°全反鏡、主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡、輔助光路45°全反鏡、三個光纖I禹合鏡和輸出光纖，所述固體激光器、激光器輸出鏡安裝在光聚座上，45°全 反鏡安裝在激光器輸出鏡的出射光的光線上，主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡、輔助光路45°全反鏡與45°全反鏡平行并按照間隔安裝在45°全反鏡的出射光線的方向上；三個光纖耦合鏡分別以安裝在主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡和輔助光路45°全反鏡的反射光線上；三個光纖耦合鏡的輸出端各連接有一條所述輸出光纖。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，安裝在主光路45°半反鏡的反射光線上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與三光路輸出裝置的主光路輸出頭連接，安裝在輔助光路45°半反鏡的反射光纖上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與一個所述輔助光路輸出頭連接，安裝在輔助光路45°全反鏡的反射光線上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與另一個輔助光路輸出頭連接。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，所述三光路輸出裝置還包括機械連接支架，主光路輸出頭安裝在機械連接支架上，機械連接支架兩側(cè)各安裝有機械連接臂，每個機械連接臂上安裝有機械抓手，每個機械抓手上安裝一個所述輔助光路輸出頭，輔助輸出頭通過機械連接臂和機械連接抓手的旋轉(zhuǎn)來改變豎向、橫向位置及與主光路輸出頭的夾角。上述用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)中，兩個輔助光路輸出頭關(guān)于機械連接支架的豎直中心線對稱，主光路輸出頭位于機械連接支架的豎直中心線上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果本實用新型給出了具體的分光設(shè)計、分光裝置及光束焊接排布方案，給高功率固體激光器(如高功率Nd =YAG固體激光器)提供一機多用的方案，使得應(yīng)用空間更廣泛；同時為工業(yè)生產(chǎn)提供了多光路裝置的設(shè)計基礎(chǔ)。分光裝置與三光路輸出裝置的輸出頭之間采用光纖連接，可實現(xiàn)三光路的柔性輸出。在所述三光路輸出裝置中，主光路能量較高，物理位置居中；兩個輔助光路，能量較低，物理位置居主光路的兩側(cè)并與主光路成設(shè)定的角度，通過該方案可改變光束的排布方式，當(dāng)三束光沿焊接方向串行排布時，可以對輕量化合金起到“預(yù)熱緩冷”的效果、增加了吸收率、減少了焊縫的熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生；當(dāng)三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布時，可以提高焊縫的熔寬、避免焦點偏離焊縫的現(xiàn)象、提高激光對焊縫的間隙適應(yīng)性和焊接效率。總之，本實用新型解決了輕量化合金焊接熱裂紋問題，增加了輕量化合金的吸收率，大大降低了焊接氣孔的數(shù)量，提高了焊接效率及焊縫規(guī)則性，最終達到改善難焊材料的焊接缺陷、適應(yīng)厚度不同、焊縫間隙大、異種材料焊接目的。本實用新型主要用于難焊金屬、母材厚度不同、焊接間隙稍大、異種金屬的連接，尤其適用于易產(chǎn)生焊接缺陷的薄板焊接及輕量化合金(如鋁合金)的焊接。

圖I是實施方式中高功率Nd =YAG固體激光器的多光路系統(tǒng)示意圖。圖2是主輔光路的機械連接裝置圖。圖3a 圖3c分別為三路光束的三種焊接方式排列圖。圖中，I.光聚座，2.高功率Nd=YAG脈沖固體激光器，3.激光器輸出鏡，4. 45°全反鏡，5主光路45°半反鏡,6.輔助光路45°半反鏡,7.輔助光路45°全反鏡,8.光纖I禹合鏡，9.輸出光纖，10.主光路輸出頭，11.輔助光路輸出頭，12.機械連接支架，13.機械連接臂，14.機械連接抓手。
具體實施方式
下面以高功率Nd =YAG固體激光器(可用于輕量化合金的焊接，如鋁合金薄板焊接)為例，進一步說明本實用新型的具體實施，但本實用新型的保護范圍不限于如下實施例。在圖I中，高功率Nd =YAG脈沖固體激光器2、激光器輸出鏡3安裝在光聚座I上，45°全反鏡4安裝在激光器輸出鏡3出射光的光線上，主光路45°半反鏡5、輔助光路45°半反鏡6、輔助光路45°全反鏡7與45°全反鏡4平行并間隔安裝在45°全反鏡4的出射光線上。三個光纖稱合鏡8分別間隔安裝主光路45°半反鏡5、輔助光路45°半反鏡6、輔助光路45°全反鏡7的反射光線上。相應(yīng)的三條輸出光纖9安裝在光纖耦合鏡8上。三個輸出光纖9中最上方的一條連接主光路輸出頭10，其他兩條分別與兩個輔助光路輸出頭11連接，該連接方式可以實現(xiàn)三光路的柔性輸出。本實施例利用一個主光路兩個輔助光路的方法將固體激光器的能量進行分割成三路，分割后的三路光分別耦合進入三路光纖，耦合進入光纖的光最后分別進入到一設(shè)計好的三光路輸出裝置。通過此方法來解決焊接缺陷問題，同時還能實現(xiàn)三光路的柔性加工。具體實施是在高功率Nd =YAG固體激光器的輸出端放置一 45°全反鏡，激光器發(fā)出的光經(jīng)45°全反鏡反射后，沿入射光線成90°的方向照射到第一個45°半反鏡膜片上。照射到45°半反鏡膜片上的光分為兩束,一束經(jīng)反射后沿與入射光束垂直的方向進入光纖I禹合頭，而后進入光纖，占總能量的1/2，成為主光路；另一束沿原直線方向透射過45°半反鏡照射到第二個45°半反鏡膜片上。照射到第二個45°半反鏡上的光同樣也分為兩束，一束經(jīng)反射后沿與入射光束垂直的方向進入光纖耦合頭，而后進入光纖，占總能量的1/4，成為輔助光路一；另一束沿原直線方向透射過45°半反鏡照射到第三個45°全反鏡膜片上，照射到此鏡片上的光全部沿與入射光束垂直的方向進入光纖耦合頭，而后進入光纖，占總能量的1/4，成為輔助光路二。最后這三路光經(jīng)光纖傳輸后最終到達三光路輸出裝置。可通過改變主光路45°半反鏡5和輔助光路45°半反鏡6的透射率來改變激光能量在三光路中的不同分配比例。在圖2的主輔光路的機械連接裝置中，包括主光路輸出頭10、兩個輔助光路輸出頭11和機械連接支架12，主光路輸出頭10安裝在機械連接支架12上，機械連接支架12兩側(cè)各安裝有機械連接臂13，每個機械連接臂13上安裝有機械抓手14，每個機械抓手14上輔助光路輸出頭11，兩個輔助光路輸出頭11關(guān)于機械連接支架12的豎直中心線對稱,主光路輸出頭10位于機械連接支架12的豎直中心線上。其中輔助輸出頭11可以通過機械連接臂13、機械連接抓手14的旋轉(zhuǎn)來改變豎向、橫向距離及與主光路輸出頭的夾角。通過實驗可知，在單光束無預(yù)熱緩冷焊接過程中，容易出現(xiàn)多次炸火，焊接過程很不穩(wěn)定，且焊縫不規(guī)則、未焊透，焊縫中間有明顯的熱裂紋，熔池底部有明顯的工藝氣孔，熔深、熔寬相對較小；而在有預(yù)熱緩冷的單光束焊接過程中，基本無炸火，焊接過程穩(wěn)定，且焊縫表面光亮，完全焊透，熱裂紋消失，熔池底部的工藝氣孔消失，熔深、熔寬也明顯增大。材料對激光吸收率
虞7> 0.365乂(41 + ^7-20)/；11^2,其中,￡>為電阻率，5為溫度系數(shù)！力激光波長，從該
公式可知,材料對激光的吸收率是溫度T的函數(shù)，溫度升高吸收率增大，而輕量化合金(如鋁合金)的最大特點就是對激光具有極低的吸收率，故采用三光束預(yù)熱緩冷時能提高材料對激光的吸收率。輕量化合金的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)大，使得焊縫散熱快，冷卻速度快，快速冷卻有利于柱狀晶的快速生長，從而出現(xiàn)方向性極強的細小柱狀晶組織。具有相同散熱條件的細
小的柱狀晶沿相同的方向生長，形成一個一個的柱狀晶集團-束狀晶，在束狀晶之間
的界面上形成了有利于裂紋產(chǎn)生的條件，因而容易導(dǎo)致裂紋傾向的增加。同時，在激光作用下水蒸氣分解產(chǎn)生的氫，因冷卻結(jié)晶速度快，不利于氫氣泡的上浮逸出，不能浮逸出來，便形成焊接氣孔。因此，采用本實施方式中的三光束焊接，可以降低焊縫的冷卻速度，抑制方向性極強的細小柱狀晶組織的結(jié)晶傾向，從而抑制裂紋產(chǎn)生的傾向。冷卻速度的降低延長了熔池存在的時間，這樣也有利于氣泡的上浮逸出，抑制氣泡的產(chǎn)生。在圖3a 圖3c中，中間的光束為主光路，主光路兩側(cè)為輔助光路，調(diào)整焊縫和輔助光路輸出頭及主光路輸出頭的相對位置可以實現(xiàn)不同的焊接方式。當(dāng)焊縫和三光束平行放置時實現(xiàn)串行焊接(如圖3a);當(dāng)焊縫和三光束垂直放置時實現(xiàn)并行焊接(如圖3b)或交叉焊接(如圖3c);當(dāng)三束光沿焊接方向串行排布時，可以對鋁合金起到“預(yù)熱緩冷”的效果、增加了吸收率、減少了焊縫的熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生；當(dāng)三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布時，可以提高焊縫的熔寬、避免焦點偏離焊縫的現(xiàn)象、提高激光對焊縫的間隙適應(yīng)性。本實用新型解決了輕量化合金焊接熱裂紋、氣孔問題，增加了輕量化合金的吸收率，大大降低了焊接氣孔的數(shù)量，提高了焊接效率及焊縫規(guī)則性，最終達到改善難焊材料的焊接缺陷、適應(yīng)厚度不同、焊縫間隙大、異種材料焊接目的。
權(quán)利要求1.一種用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)，其特征在于包括三光路輸出裝置和將固體激光器的能量分成三路的分光裝置，所述三光路輸出裝置包括主光路輸出頭和兩個輔助光路輸出頭，所述分光裝置包括一個主光路和兩個輔助光路；主光路的輸出端通過輸出光纖與三光路輸出裝置的主光路輸出頭連接，兩個輔助光路相應(yīng)地與三光路輸出裝置的兩個輔助光路輸出頭連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于所述兩個輔助光路位于主光路的兩側(cè)并與主光路成設(shè)定的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于三個輸出頭輸出的三束光沿焊接方向串行排布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于三個輸出頭輸出的三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于所述分光裝置具體包括激光器輸出鏡、45°全反鏡、主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡、輔助光路45°全反鏡、三個光纖I禹合鏡和輸出光纖，所述固體激光器、激光器輸出鏡安裝在光聚座上，45°全反鏡安裝在激光器輸出鏡的出射光的光線上，主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡、輔助光路45°全反鏡與45°全反鏡平行并按照間隔安裝在45°全反鏡的出射光線的方向上；三個光纖耦合鏡分別以安裝在主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡和輔助光路45°全反鏡的反射光線上；三個光纖耦合鏡的輸出端各連接有一條所述輸出光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多光路系統(tǒng),其特征在于安裝在主光路45°半反鏡的反射光線上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與三光路輸出裝置的主光路輸出頭連接，安裝在輔助光路45°半反鏡的反射光纖上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與一個所述輔助光路輸出頭連接，安裝在輔助光路45°全反鏡的反射光線上的光纖耦合鏡通過輸出光纖與另一個輔助光路輸出頭連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于所述三光路輸出裝置還包括機械連接支架，主光路輸出頭安裝在機械連接支架上，機械連接支架兩側(cè)各安裝有機械連接臂，每個機械連接臂上安裝有機械抓手，每個機械抓手上安裝一個所述輔助光路輸出頭，輔助光路輸出頭通過機械連接臂和機械連接抓手的旋轉(zhuǎn)來改變豎向、橫向位置及與主光路輸出頭的夾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多光路系統(tǒng)，其特征在于兩個輔助光路輸出頭關(guān)于機械連接支架的豎直中心線對稱，主光路輸出頭位于機械連接支架的豎直中心線上。
專利摘要本實用新型公開一種用于改善輕量化合金焊接質(zhì)量的多光路系統(tǒng)，包括三光路輸出裝置和將固體激光器的能量分成三路的分光裝置，分光裝置包括激光器輸出鏡、45°全反鏡、主光路45°半反鏡、輔助光路45°半反鏡、輔助光路45°全反鏡和三個光纖耦合鏡。三光路輸出裝置與分光裝置之間通過輸出光纖連接，實現(xiàn)柔性輸出，通過改變?nèi)獾呐挪挤绞娇梢詫崿F(xiàn)不同方式的焊接。當(dāng)三束光沿焊接方向串行排布時，可以對輕量化合金(如鋁合金)起到“預(yù)熱緩冷”的效果，從而增加吸收率、減少焊縫的熱裂紋和氣孔的產(chǎn)生；當(dāng)三束光沿焊接方向并行行排布或交叉排布時,可提高焊縫的熔寬，避免焦點偏離焊縫的現(xiàn)象，從而提高激光對焊縫的間隙適應(yīng)性。
文檔編號B23K26/32GK202367347SQ20112045171
公開日2012年8月8日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者張健, 張衛(wèi), 張慶茂 申請人:華南師范大學(xué)