[发明专利]一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，适合于金属材料的光纤激光焊接，属于激光焊接技术领域。

背景技术

激光焊接具有能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变形小等突出优点。随着工业激光器发展，特别是大功率光纤激光器的应用，使得激光焊接技术也得到了越来越广泛的应用。

对于激光深熔焊接，特别是铝合金材料，常出现焊接稳定性差，焊接气孔多的问题。激光焊接时，由于铝合金粘度小、表面张力小，激光作用下形成的深熔小孔不稳定，极易收缩和坍塌，导致焊接过程不稳定，液态金属也容易在熔池的剧烈搅动下飞出熔池，产生大量飞溅。熔池搅动剧烈和深熔小孔的不稳定，会导致小孔间歇性闭合，金属蒸汽和卷入的保护气在快速冷却的熔池中来不及逸出而形成气孔。仅通过改变激光焊接工艺参数难以改善铝合金激光焊接过程稳定性。

为改善激光焊接的稳定性，国内外的学者提出了双光束激光焊接。双光束激光焊接通常是在激光传输聚焦过程中，引入激光分束及聚焦器件，将单束激光分成双束激光进行焊接。在合适的光束间距下焊接，双激光形成一个大的深熔小孔，不易闭合且有利于金属蒸汽的排出，因而能改善激光焊接过程的稳定性及减少焊接气孔。但是由于对激光进行了分束，激光能量密度降低。所以双光束焊接虽然可有效稳定焊接过程，但焊缝熔深显著下降。

光束旋转或摆动的方法也被用于改善激光焊接过程稳定性和减少焊接气孔。研究表明，光束旋转的方法能改变激光光束的能量分布，增强深熔小孔的稳定性，从而能够改善激光焊接过程稳定性。激光焦点旋转时，深熔小孔随着焦点的旋转而旋转，对熔池具有显著的搅拌作用，同时焦点旋转改变了熔池的温度场和液态金属的流动，有利于熔池中气泡的逸出，因而焊缝中的气孔减少。但与双光束激光焊接类似，通过光束旋转或摆动的激光焊接方法获得的焊缝熔深也有明显地减小。

本装置在焦点旋转激光焊接的基础上增加垂直工件平面的焦点振动，在焦点旋转改善焊接过程稳定性的同时，通过焦点的垂直振动消除或减小焦点旋转对焊缝熔深的不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现激光束(2)焦点水平旋转和垂直振动的光纤激光焊接装置。

本发明的技术方案如图1所示，

包括焊接工作头和焦点运动控制系统，焊接工作头通过楔形镜(25)的旋转实现激光焦点的水平旋转，通过聚焦透镜(39)的振动实现激光焦点的垂直振动，激光焦点运动路径为光先通过楔形镜(25)水平旋转(水平指平行工件平面的平面方向)然后再通过聚焦透镜(39)的焦点垂直振动(垂直指垂直工件平面的方向)的合运动路径；焦点运动控制系统用于水平旋转和垂直振动参数的设定和控制。

焦点水平旋转运动由楔形镜(25)的旋转运动产生，楔形镜安装在与其同心的从带轮(34)内，从带轮(34)的运动由主带轮(26)及齿形带(28)传输，其中，主带轮(26)的直径为从带轮(34)直径的1.5～3倍，可实现转速的提升。焦点水平旋转电机(30)驱动主带轮(26)，通过从带轮(34)和楔形镜(25)的匀速运动，实现了激光束(2)的匀速旋转。

聚焦透镜(39)同楔形镜(25)同心安装，通过导轨(20)和滑块19保证其振动过程中轴线始终同楔形镜(25)同心，并且二者的垂直距离不大于40mm，以消除偏转光在聚焦透镜(39)表面的非对称分布带来的激光束聚焦能量分布不均匀，保证焊接质量。

焦点运动控制系统由焦点垂直振动电机驱动器(3)、焦点水平旋转电机驱动器(5)及参数输入模块(HMI)(4)构成，通过在参数输入模块(HMI)(4)中设置参数，可对焦点水平旋转电机(30)及焦点垂直振动电机(18)的转速集成控制，实现焦点旋转和垂直振动。其频率在0～400Hz范围内连续可调。