专利名称：T型接头双光束激光同步焊接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率激光加工方法，特别涉及T型接头的激光焊接。
背景技术：
在船舶、飞机等的制造中，存在大量的T型接头。T型接头的联接方法包括铆接、粘接和焊接。铆接和粘接不仅生产效率低，而且浪费材料并增加结构重量，因此主要应用于一些难以焊接或传统焊接方法不能满足要求的材料和结构的联接，如飞机制造中高强铝合金结构的联接，目前主要还是采用铆接方式。相比于铆接和粘接，焊接生产效率高，是包括T型接头在内的各种结构联接最主要的方法。但是，传统的焊接方法—如火焰、电弧、等离子体弧等，能量密度不高，焊接速度低，热输入量大，焊接结构的内应力和变形量大，对于高强铝合金之类的时效强化材料，还存在着接头软化等不足。
激光焊接具有诸多优点，已在工业生产中得到越来越广泛的应用。由于激光具有优良的传输和聚焦特性，经过聚焦后可以将全部能量集中于一点，因此，激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的区域，作用时间也大大缩短，即加工速度大大提高，因而热输入量小，从而可以得到极其细小的焊缝组织，热影响区也最小，保证了焊接接头具有很好的性能，焊接结构的变形也最小。
公知的激光焊接方法一般采用一束激光。对于T型接头，采用单一光束分别从接头的两侧顺序施焊时，不仅焊接效率低，而且应力变形不易很好控制。另一方面，公知的激光焊接一般情况下不添加填充材料。为了降低激光焊接对坡口准备和装配精度的要求，或者为了改善焊接接头的冶金机械性能，发展了采用填充焊丝的激光焊接方法。但是，采用填充焊丝的激光焊接对焊丝指向性和焊接工艺要求极为严格，激光焊接质量有赖于焊丝的对位精度，焊丝送进过程的任何干扰会立即导致焊缝缺陷的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种T型接头双光束激光同步焊接方法及装置，以避免现有激光焊接技术中的不足。
本发明的技术方案中T型接头双光束激光同步焊接方法特征在于将从一个激光源产生的一束激光分为两束激光，然后，采用两个独立的焊接头将分光后的两束激光分别聚焦于工件T型接头的两侧，并通过两路送粉分别向T型接头两侧的激光熔池输送粉末填充材料进行同步施焊。
该方法中焊接所需的两束激光是由一台CO2激光器产生的一束激光通过分光的方式获得。焊接所需的两路填充粉末由两个相互独立的送粉系统供给，或者通过分粉的方式来产生所需的两路粉末。
本发明技术方案中完成T型接头双光束激光同步焊接方法的双光束激光焊接装置，特征在于激光器发出的主光束7通过第一分光反射镜8和第二分光反射镜9分为左右两个光束6和6’，左右两个光束6和6’分别经左右转折镜10和10’进入左右两个焊接头11和11’分别聚焦后作用于T型接头的两侧。
本发明所述的双光束激光焊接装置中，第一分光反射镜8相对于主光束7的径向可以左右移动，可以精确调整左右两个光束6和6’的光功率比例，其中右光束6的光功率比例调节范围为0～70％，左光束6’的光功率比例调节范围为30～100％。
本发明所述的双光束激光焊接装置中，焊接头11或11’包含一个反射镜17和一个反射式聚焦镜18，激光器发出的分光束先进入反射镜再经反射式聚焦镜分别聚焦后作用于T型接头的两侧；整个焊接头可以绕C轴360°旋转，聚焦镜18可以绕B轴偏摆±175°。
本发明所述的双光束激光焊接装置中，转折镜10连同焊接头11、转折镜10’连同焊接头11’可以一起左右移动，结合焊接头绕C轴的旋转和聚焦镜18绕B轴的偏摆，两个聚焦光斑之间的距离可以在0～600mm之间任意调节。
本发明技术方案中完成T型接头双光束激光同步焊接方法所需的填充粉末激光焊接的分粉装置，特征在于是由腔体12、进粉口13、雾化腔14、两个漏斗式分粉腔15和15’及两个出粉口16和16’组成。其中进粉口13位于腔体12上方的正中部位，分粉腔15和15’对称布置于腔体12的下方。
本发明采用两束激光从“T”接头两侧同时施焊，不仅焊接效率高，而且两束激光形成的熔池合二为一，同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制。采用柔性粉末束向焊接区提供填充材料，一方面具备采用填充焊丝的优点，如降低接头准备的要求，调整焊缝冶金机械性能，而且粉末成份的调整更加方便；另一方面又避免了采用填充焊丝的不足，如不存在焊丝校直和对中困难的问题，也不存在顶丝和粘丝的问题。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明双光束焊接装置示意图；图3为本发明焊接装置聚焦头结构示意图；图4为本发明焊接装置之分光部分；
图5为第一分光反射镜平移结构示意图；图6为反射镜和聚焦镜平移结构示意图；图7为旋转结构示意图；图8为本发明分粉装置示意图；图9本发明的T型接头双光束同步施焊的焊缝；图10现有技术中T型接头顺序施焊的焊缝；图中1.T型接头底板，2.T型接头立板，3.双光束焊缝，3’.单光束第一道焊缝，3”.单光束第二道焊缝，4.右送粉喷嘴，4’.左送粉喷嘴，5.右粉末束流，5’.左粉末束流，6.右光束，6’.左光束，7.主光束，8.第一分光反射镜，9.第二分光反射镜，10.右光束转折镜，10’.左光束转折镜，11.右光束焊接头，11’.左光束焊接头，12.腔壳，13.进粉口，14.雾化分粉腔，15.右落粉漏斗，15’.左落粉漏斗，16.右出粉口，16’.左出粉口 17.焊接头光束转折镜，18.焊接头聚焦镜，19.弹簧 20.第一分光反射镜镜座，21.位置调节螺钉，22.导光桶，23.紧固螺钉，24.导槽，25.上连接头 26.下连接头。
具体实施例方式
本发明的实施方式参见以上各附图。通常传统的采用一个半透半反镜或一个分光三棱镜将一束激光分成两束激光的方法原则上适用于上述目的。但是半透半反镜一般适用于YAG激光的分光，而分光三棱镜不适用于高功率CO2激光的分光，因为三棱镜的顶端在高功率激光照射时可能熔化而损坏。而本发明中的分光镜采用的是金属反射镜，由于金属的优良导热性能和对激光束的高反射率，使金属反射镜可以承受更大功率密度的激光束。不仅如此，金属镜面良好的冷却可以消除半透半反镜或分光三棱镜容易产生的由受热不均而引起的负面效应，所以金属反射镜非常适合大功率CO2激光的分光。本发明中所采用的镜子均为金属镜面。
当采用公知的激光焊接方法顺序从T型接头两侧施焊时，焊缝成型如图10所示。由于是单侧顺序施焊，前焊的一侧焊缝对另一个接头的装配间隙产生影响，而后焊一侧的焊缝又对前焊一侧的焊缝及应力分布状态产生影响，因此接头的装夹和焊接应力变形的控制难度增大。采用图1所示的两个聚焦光束6和6’从T型接头两侧同步焊接时，焊缝成型如图9所示。由于两束激光形成的熔池合二为一，同时冷却收缩，这样有利于应力和变形的控制。
本发明中图2表示本发明焊接装置示意图。激光器发出的主光束7通过第一分光反射镜8和第二分光反射镜9分为左右两个光束6和6’。第一分光反射镜8相对于主光束7的径向可以左右移动，第二分光反射镜9固定不动，如图4所示。通过改变第一分光反射镜8相对于主光束7的径向的位置，可以精确调整左右两个光束6和6’的光功率比例，其中右光束6的光功率比例调节范围为0～70％，左光束6’的光功率比例调节范围为30～100％。
本发明中左右两个光束6和6’分别经过左右两个转折镜10和10’后进入左右两个焊接头11和11’聚焦于T型接头的两侧。左右转折镜10和10’可以平行移动以便精确调节聚焦斑点的位置。焊接头11或11’的结构如图3所示，它包含一个反射镜17和一个反射式聚焦镜18，整个焊接头可以绕C轴360°旋转，聚焦镜18可以绕B轴偏摆±175°。这样无论是处在平焊位置的T型接头，还是处在仰焊位置的T型接头都可以采用该装置进行焊接。
本发明中图8表示本发明的分粉装置示图。带有载气的粉末从入口13进入雾化腔14，在载气气流的作用下均匀雾化，然后经两个漏斗式分粉腔15和15’从出粉口16和16’输出，这样就将来自一台送粉器的一路粉末均匀地分成两路，分别进入图1的送粉喷嘴4和4’，配合图2的焊接装置进行T型接头双光束的同步焊接。
本发明中图5表示第一分光反射镜位置调节结构示意图。第一分光反射镜8的多半圆外形和导光桶22相互配合形成导轨，使第一分光反射镜8能精确沿轴线平移，其位置由位置调节螺钉21和弹簧19来调节。20为第一分光反射镜镜座，起固定镜子和提供冷却的作用。
本发明中图6表示折射镜的平移结构示意图。内、外导光桶相互配合形成平移导轨，为了防止两者有旋转偏移，在外导光桶内壁铣一道与内导光桶凸台相配合的导槽24。当位置调节好以后，两个导光桶由紧固螺钉23固定。10为折射镜及镜座。
本发明中图7表示折射镜和聚焦镜旋转结构示意图。上下两个导光桶旋转位置确定之后，由上连接头25和下连接头26通过螺纹紧固。
本发明技术方案的实施完成了所要解决的技术问题，其中装置各部件及各部分的连接及配合可采用多种通用方式完成。
权利要求
1.一种T型接头双光束激光焊接方法，其特征在于将从一个激光源产生的一束激光分为两束激光，然后，采用两个独立的焊接头将分光后的两束激光分别聚焦于工件T型接头的两侧，并通过两路送粉分别向T型接头两侧的激光熔池输送粉末填充材料进行同步施焊。
2.根据权利要求1所述的T型接头激光焊接方法，其特征在于焊接所需的两束激光是由一台CO2激光器产生的一束激光通过分光的方式获得。
3.根据权利要求1所述的T型接头激光焊接方法，其特征在于焊接所需的两路填充粉末由两个相互独立的送粉系统供给，或者通过分粉的方式来产生所需的两路粉末。
4.一种双光束激光焊接装置，其特征在于激光器发出的主光束(7)通过第一分光反射镜(8)和第二分光反射镜(9)分为左右两个光束(6)和(6’)，左右两个光束(6)和(6’)分别经左右转折镜(10)和(10，)进入左右两个焊接头(11)和(11’)分别聚焦后作用于T型接头的两侧。
5.根据权利要求4所述的双光束激光焊接装置，其特征在于为调整左右两个光束(6)和(6’)的光功率比例，第一分光反射镜(8)相对于主光束(7)的径向可以左右移动，其中右光束(6)的光功率比例调节范围为0～70％，左光束(6’)的光功率比例调节范围为30～100％。
6.根据权利要求4所述的双光束激光焊接装置，其特征在于焊接头(11)或(11’)包含一个反射镜(17)和一个反射式聚焦镜(18)，激光器发出的分光束先进入反射镜再经反射式聚焦镜分别聚焦后作用于T型接头的两侧；整个焊接头可以绕C轴360°旋转，聚焦镜(17)可以绕B轴偏摆±175°。
7.根据权利要求4所述的双光束激光焊接装置，其特征在于转折镜(10)连同焊接头(11)、转折镜(10’)连同焊接头(11’)可以一起左右移动，结合焊接头绕C轴的旋转和聚焦镜(18)绕B轴的偏摆，两个聚焦光斑之间的距离可以在0～600mm之间任意调节。
8.一种填充粉末激光焊接的分粉装置，其特征在于由腔体(12)、进粉口(13)、雾化腔(14)、两个漏斗式分粉腔(15)和(15’)及两个出粉口(16)和(16’)组成。
9.根据权利要求8所述的双光束激光焊接装置，其特征在于进粉口(13)位于腔体(12)上方的正中部位，分粉腔(15)和(15’)对称布置于腔体(12)的下方。
全文摘要
T型接头双光束激光同步焊接方法及装置，特别涉及T型接头的激光焊接。特征是将从一个激光源产生的一束激光分为两束激光，然后，采用两个独立的焊接头将分光后的两束激光分别聚焦于工件T型接头的两侧，并通过两路送粉分别向T型接头两侧的激光熔池输送粉末填充材料进行同步施焊。为实现该方法，本发明还提出了一种由一台激光器来获得所需的两个激光束的焊接装置和一种由一台送粉器获得所需的两路粉末的分粉装置。所用的激光器发出的主光束通过分光反射镜分为两个光束，该光束分别经转折镜进入左右两个焊接头聚焦。本发明从“T”接头两侧同时施焊，不仅焊接效率高，且两束激光形成的熔池合二为一，同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制。
文档编号B23K26/42GK1586787SQ20041006924
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者左铁钏, 肖荣诗, 陈铠, 于振声, 杨武雄, 张盛海 申请人:北京工业大学