專利名稱：一種用于激光焊接的雙光束焊接方法
技術領域：
本發(fā)明是一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對工件需同時進行兩側對稱焊接的方法，適合各種材料的角接或T型接頭的焊接，以及雙平行對接焊縫的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，屬于一種新的激光焊接方法。
激光焊是出現(xiàn)于20世紀60年代的焊接技術，與電子束焊一樣具有高能束流焊接特性。激光能量密度高、加熱集中、對材料的熱損傷小并且不受電磁力的影響，非常適合薄板、高熔點難熔材料以及輕質高強材料的焊接。此外，激光焊接過程易于集成化、自動化、柔性化，可實現(xiàn)高速和高精度制造，焊接生產率大大高于常規(guī)焊接方法。隨著大功率激光器的出現(xiàn)，光束模式質量的提高，激光焊不在局限于醫(yī)療器械、電子產品中的小功率激光焊，而在汽車、船舶、機械結構、管道工程，以及航空結構等的焊接應用上，并被認為是未來航空結構材料的理想焊接技術之一。
在飛機的蒙皮、壁板的制造中，采用以焊接代替鉚接的方法，減重效果明顯，社會經濟效益顯劇?，F(xiàn)有的焊接技術主要是氬弧焊和電子束焊接。氬弧焊是一種常規(guī)的焊接方法，焊縫寬，接頭強度相對較低。為了提高飛機的作戰(zhàn)性能，延長使用壽命，設計、使用部門開始考慮采用高能束流焊接技術。電子束焊接技術就是其中之一，它具有常規(guī)弧焊所不具備的一些優(yōu)點，如焊縫窄，深寬比大，接頭強度高等等。它的主要不足在于，所焊接零件的大小受焊機真空室體積的限制，焊接過程中，對準、調整不方便。激光焊接也是一種高能束流焊接方法，基本具備電子束焊接的一些優(yōu)點，同時克服了電子束焊接零件尺寸受真空室體積限制、調整不方便等不足，在薄板、大型蒙皮、壁板的焊接方面具有優(yōu)勢。但激光焊接在焊接一些類似T型接頭的工件時，由于需要在工件的兩側進行相同方式的焊接，現(xiàn)在所能采用的方法就是先用一束激光焊接角焊縫的一側，然后再焊接另一側，這種方法顯然存在焊接熱源不對稱，容易產生變形等焊接缺陷。這類接頭包括對接接頭、搭接接頭、端焊接頭、T型接頭等等。從焊接接頭的形式出發(fā)，激光焊方法非常適合，它可以充分保證焊接結構的精度和焊縫的質量，但這類接頭的焊接往往要求對稱焊接，為此英國的TWI、美國的EWI等國外研究機構采用傳統(tǒng)的焊接工藝，利用兩臺激光器提供雙光束，實現(xiàn)T型接頭的對稱焊接，并已用于飛機帶筋壁板的焊接。
利用兩臺激光器實現(xiàn)雙光束焊接，需要兩臺電源，兩套激光輸出系統(tǒng)，以及兩套焊接頭控制系統(tǒng)裝置，焊接過程雖只是焊接頭的簡單機械組合，但很難保證兩束光的移動位置和移動速度完全同步，且激光的模式由于有不同的激光器和光路系統(tǒng)傳輸，也難保證完全一致，這一方面增加了激光焊接工藝參數(shù)的確定的難度，另一方面T型接頭的對稱焊接的工藝要求不易滿足。此外也很難保證兩臺激光器光閘開啟完全同步，因而很難保證焊接結構精度。
雖然采用兩臺激光器實現(xiàn)雙光束對稱焊接有上述諸多的缺點，由于這些缺點是因為所采用的加工方式所決定的，所以，屬于一種自身的、先天性的問題，從自身角度來看，解決起來非常困難。但從目前的情況來看，這種方法還是一種相對來說比較容易想到并可以實現(xiàn)的方法，并在相應的領域內一直使用著。
本發(fā)明的目的正是為了克服上述方法中所存在的問題，另辟新徑，設計提供了一種新的激光焊接方法，由于激光具有分離性這一特點，可通過光學上的光路結構分成兩束光，雖然這種方法早已被人們也熟悉并根據(jù)不同的需要而經常利用，該方法正是基于這種原理，將其與激光焊接結合起來，具體說，就是將其運用到需同時對工件進行兩側對稱焊接的激光焊接工藝方法中，它是利用同一激光器分光實現(xiàn)雙光束焊接的，這樣就可以利用單光束分光技術來保證兩束激光的模式相同、光束對稱，焊接工藝參數(shù)相同，從而可避免現(xiàn)在方法中所存在的問題，保證焊接接頭的質量和精度。同時可以降低焊接成本。
本發(fā)明的目的是通過以下技術措施來實現(xiàn)的該種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對工件需同時進行兩側對稱焊接的方法，其特征在于將同一臺激光器發(fā)出的激光束分成能量相當?shù)膬墒?，同時到達需同時進行兩側對稱焊接的的工件的焊接部位，實現(xiàn)兩側同步焊接。根據(jù)所采用的激光發(fā)生器的不同，當使用CO2激光發(fā)生器作為光源時，上述方法的具體實現(xiàn)方式是采用半透半反射的光學鏡片將一束激光分成能量相當?shù)膬墒猓皇浺患壏瓷滢D向再聚焦送入到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的一側，另一束經兩級反射轉向再反射聚焦送到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的另一側，實現(xiàn)對工件的兩側同步焊接?？梢圆捎肸nSe半透半反射的光學鏡片對激光進行分光。當使用YAG激光發(fā)生器作為光源時，上述方法的具體實現(xiàn)方式是首先經過一級反射后，再通過擴束鏡進行擴束，然后經分光鏡分光，分成兩束對等光束，再經反射聚焦進入準直鏡，經透鏡聚焦后通過光纖傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^，由兩個焊接加工頭對焊接工件兩側對稱的焊接部位進行同步焊接。
附圖的圖面說明如下

圖1為當使用CO2激光發(fā)生器作為光源時，本發(fā)明方法的實施結構的原理示意2為當使用YAG激光發(fā)生器作為光源時，本發(fā)明方法的實施結構的原理示意圖以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明方法作進一步地詳述參見附圖1所示，實施例是同時對T型接頭(壁板)進行兩側對稱焊接。目前T型接頭(壁板)焊接主要采用氬弧焊和電子束焊，都是采用熔透基板然后焊接筋板的方式，其主要不足有(一)基板被熔透，導致強度下降；(二)T型接頭兩側角縫加強高不足。而本發(fā)明技術方案提出的激光焊接雙光束焊接方法在針對對該種T型接頭(4)兩側角縫(5)焊接時，是對工件同時進行兩側對稱焊接的，該種方法是將同一臺激光器發(fā)出的激光束分成能量相當?shù)膬墒?，同時到達需同時進行兩側對稱焊接的的工件的焊接部位，實現(xiàn)兩側同步焊接。當使用CO2激光發(fā)生器作為光源時，如圖1所示，上述方法的具體實現(xiàn)方式是采用ZnSe半透半反射的光學鏡片(1)將一束激光A分成能量相當?shù)膬墒釧1和A2，其中一束光(A1)經一級反射鏡(2)反射轉向后通過反射聚焦鏡(3)再聚焦送到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的一側，另一束(A2)通過兩個反射鏡(2)的兩級反射轉向后再通過一個反射聚焦鏡(3)反射聚焦送到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的另一側，實現(xiàn)對工件的兩側同步焊接。
當使用YAG激光發(fā)生器作為光源時，參見附圖示2所示，光束B首先經過反射鏡(2)的一級反射后，再通過擴束鏡(6)進行擴束，然后經分光鏡(7)分光，分成兩束對等光束B1、B2，這兩束光再同時經反射聚焦鏡(3)反射聚焦后進入準直鏡(8)，再經透鏡(9)聚焦后通過光纖(10)傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^(11)，由兩個焊接加工頭(11)對焊接工件兩側對稱的焊接部位進行同步焊接。
采用本發(fā)明方法，通過實際操作，利用雙光束激光焊接可以在兩個方面得到改進，一是可以克服單光束激光焊接時熱源不對稱，焊接變形較大的問題。二是在使用YAG激光發(fā)生器作為光源時，最后焊接使用的激光束是通過光纖傳輸?shù)模脙蓚€機器人各自驅動一根光纖及其焊接加工頭，從T型接頭的兩邊同時施焊，這樣就可以很自由地調節(jié)角度和姿態(tài)，而充分滿足工件形狀和焊接操作中環(huán)境的限制。因此，對于飛機制造中大型加強壁板的焊接具有十分重要的意義。
本發(fā)明技術方案是從我國的實際情況出發(fā)，為了保證焊接質量，通過跟蹤國際最前沿的激光焊接技術和航空制造技術的發(fā)展，并結合目前我國飛機預研和重點型號制造的實際情況，利用高能束流加工國防科技重點試驗室的現(xiàn)有條件，提出了T型接頭(大型壁板)的YAG激光雙光束焊接技術，意在解決現(xiàn)有工藝技術存在的問題，提高我國飛機制造水平，滿足型號研制的需要。
權利要求
1.一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對工件需同時進行兩側對稱焊接的方法，其特征在于將同一臺激光器發(fā)出的激光束分成能量相當?shù)膬墒猓瑫r到達需同時進行兩側對稱焊接的的工件的焊接部位，實現(xiàn)兩側同步焊接。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于當使用CO2激光發(fā)生器作為光源時，上述方法是采用半透半反射的光學鏡片(1)將一束激光分成能量相當?shù)膬墒猓皇?A1)經一級反射轉向再聚焦送入到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的一側，另一束(A2)經兩級反射轉向再反射聚焦送到需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位的另一側，實現(xiàn)對工件的兩側同步焊接。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于采用ZnSe半透半反射的光學鏡片(1)對激光進行分光。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于用于激光焊接的雙光束焊接方法，其特征在于當使用YAG激光發(fā)生器作為光源時，首先經過一級反射后，再通過擴束鏡(6)進行擴束，然后經分光鏡(7)分光，分成兩束對等光束B1、B2，再經反射聚焦進入準直鏡(8)，經透鏡(9)聚焦后通過光纖(10)傳輸?shù)胶附蛹庸ゎ^(11)，由兩個焊接加工頭(11)對焊接工件兩側對稱的焊接部位進行同步焊接。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于激光焊接的雙光束焊接方法，尤指對工件需同時進行兩側對稱焊接的方法，適合各種材料的角接或T型接頭的焊接，尤其是薄板的高速激光焊接，它是將同一臺激光器發(fā)出的激光束分成能量相當?shù)膬墒?，同時到達需同時進行兩側對稱焊接的工件的焊接部位，實現(xiàn)兩側同步焊接。這樣就可以利用單光束分光技術來保證兩束激光的模式相同、光束對稱，焊接工藝參數(shù)相同，從而可避免現(xiàn)在方法中所存在的熱源不對稱，焊接變形較大的問題。保證焊接接頭的質量和精度。同時可以降低焊接成本。
文檔編號B23K26/06GK1657222SQ200410088810
公開日2005年8月24日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權日2004年11月5日
發(fā)明者鞏水利, 陳俐, 姚偉, 段愛琴 申請人:中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空制造工程研究所