專利名稱：一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及箔材零件焊接領域，特別涉及一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法及其裝置。
背景技術：
目前，用于連接大型晶格結構的常用焊接技術主要有三類(1)電弧焊，(2)電阻焊，(3)激光熱傳導焊接。電弧焊(electric arc welding)是工業生產中應用最廣泛的焊接方法,它的原理 是利用電弧放電所產生的熱量將焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭的焊接過程。電弧焊是用手工操縱焊條進行焊接工作的，可以進行平焊、立焊、橫焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊條電弧焊設備輕便，搬運靈活，所以說，焊條電弧焊可以在任何有電源的地方進行焊接作業。適用于各種金屬材料、各種厚度、各種結構形狀的焊接。當晶格結構部件截面設計較厚時，較多采用電弧焊。但該技術應用于連接采用O. 25mm厚或更薄箔材的晶格結構時，箔材會熔穿、變形，或者連接不良。而且電弧焊的工藝特點降低了其運用于箔材焊接的可行性。電阻焊(resistance welding)是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流,利用電流流經工件接觸面及鄰近區域產生的電阻熱效應將其加熱到熔化或塑性狀態，使之形成金屬結合的一種方法。截面較薄的時候往往會使用電阻焊。在井篩的制作中，電阻焊局限于制作不能看作箔材的較厚截面。電阻焊需要高壓力和高電流，而這種高的壓力會使箔材變形。激光熱傳導焊接(Laser heat conduction welding)是把激光投射在材料表面，將光能轉化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導的方式繼續向材料深處傳遞，最后將兩焊件溶接在一起。激光熱傳導焊接法也已開始較多地運用于箔材的焊接，但它僅限于一定的接頭幾何形狀，因為裝配精度要求很嚴格。以上三種焊接方法的主要缺陷就是施焊時的高溫會導致變形。而且這三種焊接法都采用傳統制作技術，如圖I所示，即將支撐桿2和金屬箔材I作為兩個單獨的部件焊接在一起，形成晶格結構。傳統的焊接法需要較厚的連接材料，以避免缺陷的形成。但是，如果為了方便焊接而加大部件厚度，材料或設計性能的優化就不能被充分利用了。

發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法及其裝置，克服傳統焊接法僅能焊接較厚連接材料及施焊時的高溫會導致箔材零件變形、熔穿、連接不良等缺陷。
本發明通過下述技術方案實現一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，包括下述步驟(I)把待焊接的箔材相應的置于夾具夾板之間，并根據箔材之間焊縫的大小，將各箔材焊接部位預留在夾板以外；(2)將夾具放入焊接缸中，在粉末焊接缸內鋪入與箔材對應的金屬粉末，金屬粉末填充在各箔材焊接部位之間，鋪粉刮板將鋪設在箔材頂部的金屬粉末刮平，根據焊接熔深要求，使得粉末平面高于箔材頂部；(3)光纖激光器發出激光束，通過擴束鏡后，進入由移動負透鏡與聚焦鏡組成的動態聚焦單元，根據激光焊點在箔材上平面的位置，微調移動負透鏡與聚焦鏡片之間的距離，激光束進入掃描振鏡內，入射到X軸鏡片上，激光束被反射到Y軸鏡片上，通過X軸鏡片與Y軸鏡片的相互配合，使激光束在箔材焊接面上獲得的3(Γ200 μ m可調光斑，將箔材的焊接 部位與金屬粉末熔化并焊接在一起。所述步驟(3)光纖激光器的輸入功率100 400W、光束質量因子M2〈l. 1，波長1090nm ；所述掃描振鏡的掃描范圍為600 X 600mm。所述粉末焊接缸在焊接時實施惰性氣體保護，所述惰性氣體為氬氣。一種激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，包括粉末鋪設系統、激光焊接系統，所述粉末鋪設系統包括粉末焊接缸、鋪粉刮板、粉末升降缸、升降活塞、計算機，所述粉末焊接缸內設置有夾具，所述粉末升降活塞設置于粉末缸升降底部；所述激光焊接系統包括依次連接的光纖激光器、擴束鏡、移動負透鏡、聚焦鏡、掃描振鏡；所述粉末焊接缸、粉末升降缸、光纖激光器分別與計算機連接。所述夾具由活動柵欄和設在活動柵欄上的夾板構成。掃描振鏡包括X軸鏡片、Y軸鏡片、X軸鏡片伺服電機、Y軸鏡片伺服電機，所述X軸鏡片安裝在X軸鏡片伺服電機的轉軸上，所述Y軸鏡片安裝在Y軸鏡片伺服電機的轉軸上。所述掃描振鏡的入射光孔徑為20臟，所述聚焦鏡為Φ 40、焦距f = 500mm的透鏡。與現有技術相比本發明的有益效果在于I、采用動態聚焦，能獲得較大的掃描范圍，可以達到30 200 μ m的聚焦光斑，功率密度達到5*106W/cm2以上，滿足了激光熱傳導焊和深熔焊接的需要。2、移動負透鏡、聚焦鏡等構成的振鏡單元提供了足夠的掃描速度，達到7m/s，大大降低了非焊接時間(laser off)。3、同一個掃描振鏡，配合由移動負透鏡與聚焦鏡組成的動態聚焦單元，可獲得可變工作距離、掃描范圍和焦點直徑的焊接參數，其中金屬粉末的熔透深度范圍為O. I 1mm，焊縫寬度范圍為O. I O. 5mm，擁有很大的靈活性。4、采用活動柵欄為收縮式，能夠適應不同寬度的箔材，擴寬了箔材晶格結構部件設計的制約因素，能夠成型更加微型、更加精細的箔材晶格結構。5、掃描路徑可調，可以針對不同的箔材選取不同的掃描路徑和策略。6、本發明技術手段簡便易行，焊接精度高，工藝用途廣泛，可適用于多種產品。不僅克服了傳統焊接法僅能焊接較厚連接材料的缺陷，同時還克服了施焊時的高溫會導致箔材零件變形、熔穿、連接不良等缺陷。


圖I是傳統箔材焊接方法示意圖。圖2是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置夾具4結構示意圖。圖3是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置結構示意圖。圖4是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接過程示意圖。圖5是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接過程中，焊接缸實施惰性氣體保護的裝置結構示意圖。
圖6A是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接方法中，箔材與金屬粉末焊接實例成型的焊縫俯視圖。圖6B是本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接方法中，箔材與金屬粉末焊接實例成型的焊縫方向平行的截面示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規技術進行。實施例如圖3、圖2所示，本發明激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，包括粉末鋪設系統、激光焊接系統，所述粉末鋪設系統包括粉末焊接缸13、鋪粉刮板11、粉末升降缸14、升降活塞15、計算機16，所述粉末焊接缸13內設置有夾具4，所述升降活塞15設置于粉末升降缸14底部；所述激光焊接系統包括依次連接的光纖激光器5、擴束鏡7、移動負透鏡8、聚焦鏡9、掃描振鏡10 ;所述粉末焊接缸13、粉末升降缸14、光纖激光器5分別與計算機16連接。所述夾具4由活動柵欄3和設在活動柵欄3上的夾板3-1構成。掃描振鏡10包括X軸鏡片、Y軸鏡片、X軸鏡片伺服電機、Y軸鏡片伺服電機，所述X軸鏡片安裝在X軸鏡片伺服電機的轉軸上，所述Y軸鏡片安裝在Y軸鏡片伺服電機的轉軸上。光纖激光器5,水冷卻，激光功率200W。掃描振鏡10米用scanlab公司的Hurryscan20型號，入射光孔徑為20mm。聚焦鏡9采用Φ40、焦距f = 500mm的透鏡。結合圖3，所示激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，包括下述步驟(I)把待焊接的箔材相應的置于夾具4夾板3-1之間，并根據箔材之間焊縫的大小，將各箔材焊接部位預留在夾板3-1以外；(2)將夾具4放入粉末焊接缸13中，在粉末焊接缸13內鋪入與箔材I對應的金屬粉末12，金屬粉末12填充在各箔材I焊接部位之間，鋪粉刮板11將鋪設在箔材I頂部的金屬粉末12刮平；另外，根據焊接要求，鋪粉層數為I 2層，每層粉末的厚度約為30 100 μ mD(3)光纖激光器5發出激光束6，通過擴束鏡7后，進入由移動負透鏡8與聚焦鏡9組成的動態聚焦單元，根據激光焊點在箔材I上平面的位置，微調移動負透鏡8與聚焦鏡片9之間的距離，激光束6進入掃描振鏡10內，入射到X軸鏡片上，激光束6被反射到Y軸鏡片上，通過X軸鏡片與Y軸鏡片的相互配合，使激光束6在箔材I焊接面上獲得的3(Γ200 μ m可調光斑，將箔材I的焊接部位與金屬粉末12熔化并焊接在一起。上述粉末焊接缸13焊接時實施惰性氣體保護。根據公式d=4 λ M2F/ ( Ji D)調整焊接時的光斑直徑，其中d為聚焦光斑，M2為光束質量因子，λ為波長，F為移動負透鏡8的焦距，D為聚焦前激光束6直徑，d與M2成正比關系。以下結合圖3具體描述焊接方法。移動負透鏡8與聚焦鏡片9構成動態聚焦模塊。移動負透鏡8與聚焦鏡9構成動態聚焦模塊。移動負透鏡8由伺服電機(圖中未示出)帶動在激光束6傳輸方向小距離行走，根據激光束6的掃描位置，調整移動負透鏡8與聚焦鏡9之間的距離，使得激光束6經過掃描振鏡偏轉后在箔材I上的平面焊接光斑大致相同。將移動負透鏡8和伺服電機置于移動導軌上(圖中未示出)調整距離，使得掃描振鏡掃描范圍在600 X 600mm內靈活調整。
光纖激光器5發出高質量激光束6，通過擴束鏡7后，進入由移動負透鏡8與聚焦鏡9組成的動態聚焦模塊，根據焊點在箔材I上平面的位置，微調移動負透鏡8與聚焦鏡片9之間的距離。激光束6進入掃描振鏡10內，入射到X軸鏡片上，激光束6被反射到Y軸鏡片上，X軸鏡片與Y軸鏡片的掃描角度偏轉范圍是±20°，通過X軸鏡片與Y軸鏡片的相互配合，能夠將箔材I與填充在各箔材I間隙中的金屬粉末12焊接在一起。所述金屬粉末12與所要焊接的箔材I材料一致，粉末粒子尺寸5 — 30 μ m ;如不銹鋼粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末、工具鋼粉末等。同時，通過計算機16控制(或者手動控制)，實現移動負透鏡8和伺服電機在激光束6傳輸方向的大距離行走，能夠獲得不同的工作距離(焦距)，對應掃描范圍在600 X 600mm內可調，，光斑直徑在30 μ m到200 μ m之間。其中焊接過程中，待焊接的箔材I、夾具4與金屬粉末12之間的連接關系如圖4所示，通過調節夾具4的寬度，將箔材I固定在其間，夾具4需要凹入金屬粉末12平面以下(O. f Imm)以形成一個坑，供金屬粉末12充填在各個箔材I的焊接部位，夾具4的凹入的深度視所需焊縫外形而定。經過聚焦和反射后的激光束6投射到箔材和金屬粉末12的表面，將其熔化后與箔材焊接成型。如上所述在焊接過程中，需要對粉末焊接缸13進行惰性氣體保護，將粉末焊接缸13密封并充滿高純氬氣。如圖5所示，在金屬粉末12熔化形成焊縫的過程中，為了保證活性元素不產生氧化，還需要局部氣體保護，即可將高純氬氣輸送管18設計成“回”字形，環繞在待焊接成型的箔材I周圍，在管壁上開有小孔19，向箔材I周圍釋放高純氬氣17，形成局部氣體保護。圖6A、6B是箔材I與金屬粉末12焊接實例成型示意圖；其中6A是箔材I與金屬粉末12焊接實例成型的焊縫俯視圖；6B是箔材I與金屬粉末12焊接實例成型的焊縫方向平行截面示意圖；圖中20是焊縫。在實際焊接過程中，夾具4在粉末焊接缸13內如果定位不好，箔材I輕微的變形也會導致金屬粉末12掉入箔材I與夾板3-1之間的縫隙中，由此導致的金屬粉末12水平面下降將使箔材I接合不佳。要克服這個問題，需要在夾板3-1與箔材I之間加入臨時支撐材料，其厚度為結構要求的縫隙寬度，并且凹入至箔材I表面之下。
如上所述便可較好地實現本發明。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何 未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，其特征在于包括下述步驟 (1)把待焊接的箔材相應的置于夾具夾板之間，并根據箔材之間焊縫的大小，將各箔材焊接部位預留在夾板以外； (2)將夾具放入焊接缸中，在粉末焊接缸內鋪入與箔材對應的金屬粉末，金屬粉末填充在各箔材焊接部位之間，鋪粉刮板將鋪設在箔材頂部的金屬粉末刮平，根據焊接熔深要求，使得粉末平面高于箔材頂部； (3)光纖激光器發出激光束，通過擴束鏡后，進入由移動負透鏡與聚焦鏡組成的動態聚焦單元，根據激光焊點在箔材上平面的位置，微調移動負透鏡與聚焦鏡片之間的距離，激光束進入掃描振鏡內，入射到X軸鏡片上，激光束被反射到Y軸鏡片上，通過X軸鏡片與Y軸鏡片的相互配合，使激光束在箔材焊接面上獲得的3(Γ200 μ m可調光斑，將箔材的焊接部位與金屬粉末熔化并焊接在一起。
2.根據權利要求I所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，其特征在于，所述步驟(3)光纖激光器的輸入功率100 400W、光束質量因子M2〈l. 1，波長1090nm。
3.根據權利要求I或2所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，其特征在于，所述掃描振鏡的掃描范圍為600 X 600mm。
4.根據權利要求3所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接方法，其特征在于，所述粉末焊接缸在焊接時實施惰性氣體保護，所述惰性氣體為氬氣。
5.一種激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，其特征在于，包括粉末鋪設系統、激光焊接系統，其特征在于 所述粉末鋪設系統包括粉末焊接缸、鋪粉刮板、粉末升降缸、升降活塞、計算機，所述粉末焊接缸內設置有夾具，所述粉末升降活塞設置于粉末缸升降底部；所述激光焊接系統包括依次連接的光纖激光器、擴束鏡、移動負透鏡、聚焦鏡、掃描振鏡；所述粉末焊接缸、粉末升降缸、光纖激光器分別與計算機連接。
6.根據權利要求5所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，其特征在于所述夾具由活動柵欄和設在活動柵欄上的夾板構成。
7.根據權利要求5或6所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，其特征在于掃描振鏡包括X軸鏡片、Y軸鏡片、X軸鏡片伺服電機、Y軸鏡片伺服電機，所述X軸鏡片安裝在X軸鏡片伺服電機的轉軸上，所述Y軸鏡片安裝在Y軸鏡片伺服電機的轉軸上。
8.根據權利要求7所述的激光掃描熔化金屬粉末焊接裝置，其特征在于所述掃描振鏡的入射光孔徑為20mm,所述聚焦鏡為Φ40、焦距f = 500mm的透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種激光掃描熔化金屬粉末焊接方法及其裝置，主要用于箔材晶格結構的精細焊接。本發明基于激光自由成型制造理念，將箔材集成到金屬粉末層下面，再通過熔化金屬粉末和箔材使它們連接成晶格結構。該方法采用高功率密度、高光束質量的激光器，通過動態聚焦單元和振鏡掃描鏡的作用，使激光束聚焦形成可調的聚焦光斑，采用計算機控制設計掃描路徑，最后通過激光的掃描，將金屬箔材和金屬粉末層熔化，將其焊接成型。該裝置由光纖激光器、動態聚焦單元、振鏡掃描鏡、計算機、夾具、粉末焊接缸和粉末升降缸等組成。本發明采用的激光光束模式好，焊接精度高，適用范圍廣。
文檔編號B23K26/04GK102699531SQ201210170030
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者劉睿誠, 楊永強, 王迪 申請人:華南理工大學