采用双激光器对金属材料实施激光焊接的方法

摘要

一种采用双激光器对金属材料实施激光焊接的方法，包括如下步骤：步骤1：对焊接材料进行清理，并将焊接材料安装固定；步骤2：采用双激光器产生两束激光，该两束激光聚焦于焊接材料的表面；步骤3：在焊接材料的表面侧吹保护气体；步骤4：第一束激光由准连续激光器发生，使焊接材料表面熔化形成熔池；步骤5：第二束连续激光束聚焦于已熔化的焊接材料区域；步骤6：该二束激光束以给定的扫描速度同步移动，在焊接材料的表面形成焊缝，完成焊接。本发明可以改变铝合金的表面微观形貌，使铝合金表面熔化形成熔池，以促进铝合金对连续波激光束的吸收率，提高焊接质量。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种采用双激光器对金属材 料实施激光焊接的方法。

背景技术

金属材料尤其是铝合金在现代工业中广泛应用，铝合金的焊接需求越 来越大。相对于传统焊接方法，激光焊接方法具有能量集中、热变形小、 可控性好等优点。铝合金激光焊接由于其高反射率与高导热率，使的单一 激光热源对铝合金实施焊接难度较大，通常需要功率密度大于5×10⁶W/cm²。 目前有人提出采用激光-MIG复合焊接技术对铝合金实施焊接 (ZL201010280596.7)，工艺相对复杂。文献(铝合金双光束焊接特性研究， 中国激光，2007，35(11)：1783-1788)公开了一种采用分光束的办法，将 激光束通过分束镜分为两束激光，对铝合金实施焊接，焊缝质量有所提高， 但是通过分束镜得到的两束激光能量比不可调节，通用行差。

本发明针对上述问题，采用双激光器-双激光束的办法对铝合金实施 焊接，两束激光束分别来自准连续激光器与连续激光器，两束激光参数可 任意调节，准连续激光器凭借其高峰值功率使铝合金表面快速熔化，连续 激光器聚焦于已熔化的铝合金区域，铝合金对激光的吸收率大幅增加，可 提高焊接深度与焊缝质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用双激光器对铝合金实施激光焊接的 方法，本方法可以改变铝合金的表面微观形貌，使铝合金表面熔化形成熔 池，以促进铝合金对连续波激光束的吸收率，提高焊接质量。

本发明提供一种采用双激光器对金属材料实施激光焊接的方法，包括 如下步骤：

步骤1：对焊接材料进行清理，并将焊接材料安装固定；

步骤2：采用双激光器产生两束激光，该两束激光聚焦于焊接材料的 表面；

步骤3：在焊接材料的表面侧吹保护气体；

步骤4：第一束激光由准连续激光器发生，使焊接材料表面熔化形成 熔池；

步骤5：第二束连续激光束聚焦于已熔化的焊接材料区域；

步骤6：该二束激光束以给定的扫描速度同步移动，在焊接材料的表 面形成焊缝，完成焊接。

本发明的有益效果是，本方法可以改变铝合金的表面微观形貌，使铝 合金表面熔化形成熔池，以促进铝合金对连续波激光束的吸收率，提高焊 接质量。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说 明如后，其中：

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种采用双激光器对金属材料实施激光 焊接的方法，包括如下步骤：

步骤1：用砂纸对焊接材料进行清理，并将焊接材料安装固定在焊接 平台上，准备就绪。

步骤2：采用双激光器产生两束激光，该两束激光聚焦于焊接材料的 表面，所述双激光器分别为准连续激光器与连续激光器，该准连续激光器 最大输出功率为100-500W，脉冲宽度为50-200ns，重复频率为 10kHz-30kHz，峰值功率大于10⁵W，所述连续激光器最大输出功率为 500-10000W，所述焊接材料为铝合金、铜合金、纯铝或纯铜材料；

由于铝合金和铜合金具有较高的反射率，对于铝合金激光焊接、铜合 金激光焊接不易形成熔池，可焊性差。准连续激光器具有较高的峰值功率， 可达10⁵W/cm²以上，在具有高峰值功率的激光束条件下，铝合金和铜合金 表面容易形成熔池，液态的熔池可以增大焊接材料对激光束能量的吸收 率。

尽管准连续激光器产生的激光束具有很高的峰值功率，但限于目前的 技术水平，该类型激光束的平均功率通常不超过1000W，只采用准连续激 光器对铝合金、铜合金实施焊接，由于平均功率低，焊接深度较小。而连 续激光器产生的激光束尽管不能达到较大的峰值功率，但是可以达到较高 的平均功率，比如10000W，甚至更高。因此，结合准连续激光器与连续激 光器二者优势，采用连续激光器产生连续激光束同时辐照在焊接材料表面 的同一位置，由于准连续激光束可以使焊接材料表面熔化形成熔池，液态 的焊接材料对激光束具有很高的吸收率，能够将功率较大的连续激光束能 量吸收到焊接材料，形成更深的焊缝，可以实现更高的焊接效率，也可以 提高焊接的质量。

步骤3：在焊接材料的表面侧吹保护气体，所述侧吹保护气体，该保 护气为Ar气、He气或N气，或是Ar气、He气和N气的任意比例混合的 气体；

激光焊接过程，焊接材料温度迅速升高并达到沸点以上，在焊接材料 熔池上方形成等离子体、金属蒸气等，尤其是等离子体对激光束有一定的 屏蔽作用，使到达熔池的激光能量减少，此外空气中的氧在焊接过程容易 与焊接材料发生反应，使焊接材料发生氧化。在激光焊接过程中，在焊接 材料表面侧吹保护气体，能够吹散等离子体，并且在焊接材料表面形成惰 性气体的气氛，可以有效避免高温的焊接材料氧化。侧吹气体的作用决定 了侧吹气体必须是惰性气体，而且不易被电离。通常为Ar气、He气、或 N气，或是Ar气、He气、N气任意比例的混合气体。

步骤4：第一束激光由准连续激光器发生，使焊接材料表面熔化形成 熔池，该第一束激光的脉冲峰值功率可达10⁵W量级，可以改变铝合金的表 面微观形貌；

准连续激光由准连续激光器产生，并经过光纤传输至激光头，经聚焦 后，将准连续激光束的焦点作用于焊接材料的表面，由于准连续激光束脉 冲宽度只有50-200nm，因此可以获得很高的峰值功率密度，在极短的时间 内使焊接材料温度达到熔点，从而形成熔池。

步骤5：第二束连续激光束聚焦于已熔化的焊接材料区域；

当前工业中连续激光器产生的连续激光束，尽管没有准连续激光器那 么高的峰值功率，但其平均功率通常较高，输出功率普遍为500-10000W。 结合准连续激光束，能够更加充分发挥连续激光束大功率的优势，使铝合 金和铜合金的激光可焊性得到提高，焊接质量得到改善。

在激光焊接过程中，第一、第二束激光的光斑在焊接材料的表面的间 距为0-3mm；当间距为0时，两束激光束的中心重合；当间距大于0时， 准连续激光器的激光束位于焊接方向的前方，连续激光器的激光束位于焊 接方向的后方，所述第一、第二束激光的扫描速度为5-60mm/s；准连续激 光束在前、连续激光束在后，是为了使焊接材料首先在准连续激光束作用 下形成熔池，然后在连续激光束的作用下，对连续激光束能量具有较大的 吸收率，提高激光能量的利用率，提高铝合金和铜合金激光焊接质量。

步骤6：该二束激光束以给定的扫描速度同步移动，在焊接材料的表 面形成焊缝，完成焊接。

第一、第二激光分别由准连续激光器与连续激光器产生，分别通过光 纤、激光头聚焦于焊接材料表面，两加工头固定于同一工业机器人或机床 的端部，通过调整两加工头间距与相对角度，准连续激光器输出的激光束 位于焊接方向的前方，连续波激光器输出的激光束位于焊接方向的后方。 通过计算机控制工业机器人或机床运动，使第一、第二激光同步运动，使 焊接材料经历熔化、自然冷却过程，形成焊缝。

由于准连续激光束使铝合金表面形成熔池，使得铝合金对连续激光的 吸收率大幅提高，焊接过程无焊丝。焊缝形貌良好，无明显缺陷，焊缝抗 拉强度可达母材的90％以上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。