[发明专利]一种摆动激光-超声复合焊接方法

说明书

一种摆动激光‑超声复合焊接方法，它涉及材料加工工程领域，本发明旨在解决摆动激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和气孔的问题。本发明采用超声进行辅助改变熔体流动情况，避免两侧咬边缺陷。使用超声辅助后，进一步细化晶粒、抑制气孔，利用超声改善匙孔形态，抑制等离子体与飞溅喷发，增加能量有效利用率。采用同轴保护气进行焊接保护，对熔池的保护效果更好，更适用于钛合金、铝合金等易氧化材料的焊接。相比于接触式超声辅助，非接触式超声振动可适用于各种复杂结构及轨迹的焊接，避免接触不良和空间限位导致的应用障碍。本发明应用于材料加工领域。

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种摆动激光-超声复合焊接方法及装置设计。

背景技术

激光作为“二十一世纪最有发展潜力的焊接技术”之一，由于其具有能量密度高，焊缝质量好，深宽比大，热影响区小，焊接变形小，而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点，已经在工业生产中得到广泛的应用，但激光焊接对结构件装配精度要求很高，通常需要保障激光焊接过程中板的紧密贴合和焊接过程的稳定性。而在生产应用过程中由于设计、加工、装配等各个生产环节带来的误差，实际需要焊接的工件往往具有较大的间隙和错边，对激光焊接的生产应用提出了更高的要求。

摆动激光焊技术是利用激光束优异的可控性发展而来的焊接技术，控制激光热源沿着某一运动规律的路线进行重复运动，常用的扫描路线主要包括横向扫描、纵向扫描、环形扫描以及三角扫描等方式。由于激光可以受振镜的反射从而实现一定频率和路线的运动，较常规激光焊接技术的热源特征、熔池流动行为等都发生了较大变化。摆动激光焊主要被应用于解决间隙适应性差、成形不良以及气孔缺陷等问题，尤其在异种材料连接、不等厚板材连接、缺陷抑制、晶粒细化和力学性能提升等方面有着得天独厚的优势。

目前的研究结果表明，横向扫描、环形扫描以及三角扫描等方式都可能导致剧烈的飞溅，在低频扫描时焊缝成形较好，但在高频扫描时反而出现焊缝成形不良、内部产生气孔缺陷等问题，其主要原因是匙孔带动熔体反复向熔池边缘移动，造成熔池震荡引起飞溅、咬边、气孔等问题，因此限制了摆动激光焊接的应用。而超声辅助焊接主要集中于在母材或焊丝上施加超声振动，用以搅拌熔池、细化晶粒（如专利200410009170.2），或是随焊进行振动，消除焊后残余应力（如专利201920270556.0），对于超声对熔池流动和焊缝成形的影响虽然有一定的研究，但并没有更多的应用。

发明内容

本发明旨在解决摆动激光焊接后的焊接件存在的成形缺陷和气孔的问题，提出一种摆动激光-超声复合焊接方法，并对激光-超声复合焊接头结构进行设计。

本发明的一种摆动激光-超声复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；

步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，超声发生装置的超声变幅杆垂直于待焊工件表面，超声发生装置端头下方距离待焊工件表面5～15cm；

步骤三:激光离焦量为﹣5～﹢5mm，激光功率为1000～8000W，焊接速度为0.5～5m/min，激光摆动频率为20～400Hz，摆动幅度为0.5～8mm，超声振动频率为10kHz～1MHz，振动幅度为5μm～30μm，保护气采用Ar气或其他混合气体，流量为20～60L/min；

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先施加超声振动，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得复合焊接头运动完成焊接过程。

进一步地，所述的超声发生装置包括超声发生器和反射式激光头；

所述的超声发生器由超声换能器、超声变幅杆、反射式聚焦镜、高透玻璃窗口、插入式玻璃保护镜片和变幅杆端头组成；反射式激光头由光纤、准直镜、振镜扫描反射镜和插入式玻璃保护镜片组成；