一种基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法和装置与流程

本发明涉及焊接，特别涉及一种基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法和装置。

背景技术：

1、夹芯板通常具有多层结构，鉴于其结构的特殊性，采用传统的常规焊接工艺过程比较复杂，实现困难，而且会导致较大的焊接变形。激光焊接作为先进的焊接制造方法，具有焊接效率高、焊接变形小、焊缝质量高、可实现一次深熔焊接的优点，使其成为快速高效地制造夹芯板结构的有效手段。

2、目前常规的激光焊接可实现2mm及以下夹芯板接头的焊接。但是随着夹芯板基板厚度的增加，由于常规激光的能量密度集中，焊缝会呈现“丁”字形，导致焊缝的有效熔炼区域较小，焊接强度降低。通过增加激光光束摆动后，激光束的光斑能量密度降低，但由于常规摆动激光的能量分布呈现为均匀状态，在焊缝两侧区域的焊接能量不足，导致焊缝有效熔炼区域的增加并不明显。

3、cn111037099a的一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法和系统，提出可以根据待焊接的第一板材和第二板材的厚度设置激光束功率、激光束摆动幅度和摆动频率，能够稳定焊接不等厚度的铜及其合金板，保证端面铺满，表面焊缝过渡圆滑。但是仍然存在如下问题：1.激光束摆动为正弦波，而激光功率为线性波，二者协同效果较差，无法实现有效的时间空间耦合，导致焊接效果不理想；2.未实现各摆动位置处激光功率的精确控制，仅采用不同偏离处的简单线性变化，控制各区域的激光功率，精度较差；3.激光功率控制精度较差，无气体保护装置，容易出现气孔等焊接缺陷，且对封闭的活泼金属的等厚端面焊或夹芯板适用性较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法和装置，以解决搭接焊缝有效熔炼区域小，连接强度低的问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本发明提出一种基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法，采用激光焊接装置，所述激光焊接装置包括激光头、控制器和激光器，所述激光头、激光器分别和控制器连接，所述激光器用于输出激光，并通过光纤传递至激光头，激光头用于对激光器输出的激光进行聚焦形成导向激光束，所述激光束在金属夹芯板的焊缝上左右摆动，用于对金属夹芯板进行焊接，控制器采集接收激光束的摆动参数，并通过控制器控制激光器的输出功率和输出的脉冲波形为正弦波，输出功率改变从而改变不同摆动位置的激光束的能量，使激光功率脉冲频率和激光束空间摆动频率同频率、同相位。本发明利用二者在时间和空间上的高精度耦合控制，激光束能量的差异化分配增加了焊缝两侧的焊接能量，搭接焊缝的形貌呈“u”形，使焊缝有效熔炼区域增加。激光功率脉冲频率和激光束空间摆动频率的耦合，能更好的控制激光束摆动轨迹上的激光束能量分布，实现焊缝热输入的准确控制，以得到预期的焊缝剖面尺寸，满足不同的连接强度要求，可用于厚度加大的基板的焊接。

4、进一步的，激光的脉冲波形为正弦波，激光束摆动到两侧位置即最左侧位置和激光束最右侧位置，对应的功率分别为p1、p3，此时激光功率处于峰值p峰，摆动到中间位置时，对应的功率为p2，此时激光功率处于基值p基。

5、进一步的，所述激光器输出的激光功率由以下公式确定：

6、

7、其中，p为激光器输出的激光的瞬时功率，单位为w；

8、p峰为峰值功率，单位为w；

9、p基为基值功率，单位为w；

10、t为时间，单位为s；

11、t1为金属夹芯板上层板的厚度，单位为mm；

12、s为焊缝的深度，单位为mm；

13、k为相位协同修复系数，单位为s；

14、d为激光束摆动的位置距离，单位为mm。

15、进一步的，所述激光焊接方法用于对金属夹芯板进行焊接，所述金属夹芯板依次包括上基板、夹层板和下基板，所述激光焊接方法具体包括如下步骤：

16、步骤一、将上基板、夹层板和下基板进行酸洗，上基板上具有第一焊缝，然后清理第一焊缝区域20~40mm范围处；

17、步骤二、将上基板、夹层板和下基板进行装配点焊，装配间隙应小于0.5mm；

18、步骤三、用工装将待焊的工件固定，调整激光束的轨迹，使激光束形成的光斑正好位于待焊区域的正中间，光斑的偏移误差小于0.3mm；

19、步骤四、根据工艺要求设置激光束的空间摆动幅值、摆动频率和焊接速度；

20、步骤五、设置激光脉冲功率输出为正弦波，通过控制器设置激光功率脉冲频率和激光束空间摆动频率一致、相位相同，并设置峰值功率p1和p3、基值功率p2，使激光束摆动到第一焊缝左右两侧位置时，功率处于p1或p3，摆动到第一焊缝中间位置时，功率处于p2；

21、步骤六、通入氩气，确保从焊接开始到焊接结束，第一焊缝区域、热影响区域处于氩气氛围；

22、步骤七、启动焊接，激光束产生横向摆动，且激光束按照设定的焊接速度运动，在第一焊缝上呈现波浪的摆动轨迹；

23、步骤八、到达焊接终点后，激光输出停止，完成上基板和夹层板的焊接；

24、步骤九、翻转金属夹芯板，使下基板位于最上侧，下基板上具有第二焊缝；

25、步骤十、重复步骤三到步骤七的操作，到达焊接终点后，激光输出停止，通过第二焊缝完成下基板和夹层板的焊接，得到焊接在一起的金属夹芯板。

26、进一步的，当焊接上基板和夹层板时，t1为上基板的厚度，当焊接下基板和夹层板时，t1为下基板的厚度。

27、另一方面，本发明还提出一种激光焊接装置，所述激光焊接装置采用上述的基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法，所述激光焊接装置包括两个保护工装，所述保护工装设置于金属夹芯板的上层板上，且两个保护工装平行于焊缝的两侧布置，两个保护工装之间有空腔形成了待焊区域。通过设置相对设置的保护工装，氩气能弥漫在保护工装之间的空腔内，有效的进行焊缝的保护。

28、进一步的，所述保护工装包括进气管和气孔，所述气孔开设于保护工装朝向焊缝的一端面，且气孔设置于此端面的下部，所述进气管一端和氩气气源连通，另一端和保护工装连通。氩气通过进气管通入保护工装内，经由气孔溢出到空腔内，并均匀的下沉至待焊区域，由于氩气密度较大，可以向上排出空腔上部区域的空气，直至氩气弥漫到整个空腔区域，实现有效的气体保护，保证焊接接头的强度。

29、相对于现有技术，本发明所述的一种基于激光脉冲摆动的金属夹芯板激光焊接方法和装置具有以下优势：

30、1.激光功率脉冲频率和激光束空间摆动频率同频率、同相位，使二者在时间和空间上耦合，有利于增加焊缝两侧的输出功率，使搭接焊缝的相貌呈宽窄可调的“u”形，焊缝有效熔炼区域和强度增加；焊缝中间位置采用低功率，降低整体的热输入，进一步降低了焊接变形；

31、2.通过控制激光束摆动轨迹上的激光能量分布，实现焊缝热输入的准确控制，能够得到预期的焊缝剖面尺寸，满足不同连接强度的要求；

32、3.采用脉冲、摆动时空耦合的激光焊接，可以降低传统激光焊接对装配间隙的要求；

33、4.平行于焊缝两侧设置的保护工装，实现有效的氩气气体保护，保证焊接接头的强度。