[发明专利]一种激光同轴式间接热至辅助微搅拌摩擦焊装置

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种可调节离焦量的激光同轴式间接热至辅助微搅拌摩擦焊装置。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种新型固相连接方法，具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小，焊接接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁合金、以及传统熔化焊难以焊接的材料，甚至可适用于异种金属的焊接。

微小厚度尺寸构件搅拌摩擦焊接时需要提高局部热输入，使周围材料进入塑性状态，同时需要降低搅拌工具轴肩尺寸，以降低焊缝宽度，扩大其应用范围。而减小轴肩尺寸的直接影响就是产热不足以使材料达到塑性状态，因此需要提高主轴转速来补足轴肩减小所降低的热量。由于传统有倾角搅拌摩擦焊焊接设备需要五轴四联动，当采用超高速主轴进行焊接时，将对设备主轴动平衡非常不利，导致微小厚度尺寸构件的微搅拌焊接过程稳定性难以保证。NASA和TWI的研究结果都表明，超高转速搅拌焊面临了高速稳定性控制难题，当旋转速度过高，焊缝成形和焊缝减薄量更加难以控制，并且给设备传动与驱动带来了更大挑战，而且由于电主轴扭矩随着转速提高而大幅度下降，因此要在大扭矩和大转速之间找到平衡点，对于电主轴载荷的设计和选择也提出了难题。基于这种现状，复合热源的无倾角式搅拌摩擦焊方法，不失为一种可行的技术手段。

通过激光施加额外能量，增加焊缝局部热输入，可显著降低所需旋转速度，因此复合热源的搅拌摩擦焊将更具潜力。利用激光能量加热搅拌工具，通过搅拌工具热传导间接加热工件，可弥补搅拌摩擦焊产热不足，减小轴肩尺寸，降低焊接所需的力，提高焊接速度，通过搅拌工具形状的设计，提高激光能量的利用效率。同时采用同轴方式可直接加热到针部，控制了加热的区域，缩小了焊接的热影响区。

综上所述，对微搅拌摩擦焊过程实施额外辅助热源，可获得高稳定性、高质量的薄壁构件焊接效果。辅助热源的施加必须解决由于微搅拌摩擦焊工艺特性带来的一系列问题，亟需开发针对超薄壁构件固相连接的新型可调节离焦量的激光同轴式辅助微搅拌摩擦焊接装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可调节离焦量的激光同轴式间接热至辅助微搅拌摩擦焊装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种激光同轴式间接热至辅助微搅拌摩擦焊装置，包括空心主轴、设备主轴箱、激光头、传动轮、蜗轮蜗杆、丝杠和线轨；所述空心主轴装卡在设备主轴箱上，激光头安装在空心主轴的正上方，并保证激光头与空心主轴的同轴度和平行度；由所述传动轮的转动带动蜗轮蜗杆，将动力传动至丝杠上，再依靠传动丝杠带动激光头上下运动，所述线轨保证激光头的运动轨迹，以调整激光头的离焦量，控制激光头距离主轴及搅拌针的加热距离。

进一步，所述激光头的激光束包括固体激光、光纤激光、盘式固体激光、Nd:YAG激光。

进一步，所述激光头的激光束通过焊接工具的中空内腔对搅拌针进行加热，加热方式包括正离焦或负离焦。

优选地，所述中空腔内充填保护气体。

优选地，所述搅拌针和设备主轴箱的轴肩采用高熔点材料制造。

进一步，所述高熔点材料包括钨、钼及其合金或热作模具钢。

优选地，所述搅拌针内部设有小孔，所述小孔直径小于搅拌针直径。

本发明的目的是为了解决现有微搅拌摩擦焊方法在微小厚度尺寸构件焊接过程的高速主轴稳定性及设备复杂性问题，提供一种新型可调节离焦量的激光同轴式间接热至辅助微搅拌摩擦焊装置。该焊接装置适用材料范围广泛，焊接质量好，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的固相连接以及异种金属连接过程。同时可应用于微小厚度尺寸构件的微搅拌焊接，解决了搅拌焊设备复杂性和高转速稳定性问题。

在焊接过程中，采用同轴辅助加热方式，聚焦激光束进入搅拌针中心微孔内腔，辐照在搅拌针小孔内腔壁上。由于搅拌针内腔小孔具有深而窄的几何特征，激光束进入小孔后，可在孔内壁多次反射，直至大部分能量被材料吸收转化为热能，达到近似黑体的效果。因此，采用该种方式可将大部分激光辐照能量瞬时转化为热能，解决了能量耦合效率问题；其次，这种激光热源的耦合方式，在瞬间将能量高度集中的光能，转换为同样能量高度集中的热能，表现为极大的温度梯度，即搅拌针微小区域的局部高温，轴肩与其它区域温度较低，而这种温度场可以通过调整激光输出波形（功率幅值、脉冲等）以及正负离焦量来进行精确调控，解决了能量输入的精确控制问题。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。