[发明专利]一种超声辅助激光焊接装置与方法

说明书

本发明公开了一种超声辅助激光焊接装置与方法，该装置通过将轴线处于同一平面且相互垂直的两个变幅杆分别激光头机机械耦合连接，基于振动合成原理，通过控制两组超声振动的振幅和振动的相位差，使激光束呈圆形、椭圆形或直线形轨迹振动，一方面强化激光的热力复合作用，另一方面，部分超声能量通过激光束传入熔池中，影响到熔池的传热与流动行为。由于超声与激光复合能场的作用，激光束能量密度得到加强，同时焊接熔池受到高频振动能量的作用使焊缝组织致密、气体析出彻底、晶粒细化、合金元素分布更加均匀，因而焊接接头的质量得到大幅改善。本发明涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。

技术领域

本发明涉及一种超声辅助激光焊接装置与方法，属于高效激光加工技术领域。

背景技术

激光焊接作为高能束焊接技术的一种，具有能量密度高、焊接热输入小、焊接速度快、自动化程度高、焊接结构变形小、可达性和柔性强等特点，具有特有的技术和经济优势，在航空航天、汽车制造、轻工电子等领域得到广泛的应用。但是激光焊接也面临着能量转换效率低，能量消耗大；对工件的装配精度要求高；对激光的反射率高的材料焊接，激光的实际利用率低等挑战，这些问题制约了激光在焊接方面应用的进一步扩展。

超声加工是利用高频振动在物质中传播时产生的力学效应、热效应进行加工的一种加工技术。在常规加工工艺中引入超声能量可以提高材料加工速率、质量和完成常规技术所不能胜任的材料加工与处理，因此，功率超声技术在机械加工、表面改性、铸造和焊接领域有广泛的研究和应用。如果将超声波与激光焊接有效结合则可以拓展激光焊接的应用范围，并提升激光焊接质量。目前已经有将超声振动引入激光焊接的报道：如专利CN102059453 A公开的《超声波非接触式辅助激光焊接的方法》，该方法是在激光焊接过程中，在激光焊接产生的熔池的上方悬空放置功率超声装置通过超声在熔池内产生的空化和破碎作用来细化焊缝晶粒，以提高焊缝的力学性能。专利CN 103114286 A公开的《一种超声辅助激光修复钛合金的方法》，该方法是在钛合金激光修复过程中，超声设备至于工件表面，通过工件将超声导入熔池，利用超声的空化效应细化焊接区域晶粒。工件修复后，超声作用于修复区域表面，以达到消除内应力的作用。专利CN 105583523 A公开的《一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法》，该方法是在大厚(>12mm)板材激光平焊过程中，将频率为25kHz，振幅为30um的超声装置分别置于焊缝两端，频率为35kHz，振幅为10um的超声装置悬空置于激光焊接熔池的上方，分别通过工件和空气将两种不同的超声振动导入焊接熔池，利用超声的空化和搅拌效应改善焊缝气孔缺陷，提高焊接接头致密性，并减小焊缝区域的残余应力。专利CN 106914700 A公开的《一种用于异种金属材料的超声辅助激光焊接装置及方法》，该方法是在异种金属密封件激光焊接过程中，通过旋转夹紧工装夹具将超声振动引入焊缝区域，从而提高试件的密封性能。专利CN 107414291 A公开的《超声辅助激光焊接异种材料》，该方法针对金属/陶瓷材料与高分子材料激光焊接过程中，通过工件将超声振动引入焊接区域，从而消除激光产生的气泡，并增强高分子材料和金属或者陶瓷之间的化学结合，增强两种材料之间的焊接强度。

这些专利方法通过工件或空气将超声振动引入熔池，利用超声的空化效应、力学效应提高焊缝力学强度，减小焊缝应力，从而提高焊接质量，超声作用限于辅助液态金属材料凝固过程，对激光无明显作用，即这些专利方法本质属于单一激光能源焊接的范畴。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种超声辅助激光焊接装置使激光束能量密度得到加强,焊接接头的质量得到大幅改善。

本发明解决其技术问题的解决方案是：设计一种超声辅助激光焊接装置与方法，包括超声波发生器、激光头、激光发生器、超声振动装置和振动传导装置；所述超声振动装置包括换能器，所述振动传导装置包括变幅杆；所述超声波发生器与换能器连接；所述变幅杆的一端与换能器连接，其另一端与激光头连接，所述激光头与激光发生器通过激光传输装置连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述变幅杆与激光头通过可拆卸机构机械耦合连接。