CN101036953A - 采用铜焊丝和氧化混合气体对钢工件进行钎焊的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对钢工件进行钎焊的方法，该方法使用激光束，例如Nd:YAG、二氧化碳、光纤或二极管类型激光，以自耗焊丝作为填充金属，以混合气体作气体保护，从而在工件之间形成钎焊接头。所述自耗焊丝为铜基焊丝，所述混合气体包含40％－60％的氧气和至少一种选自氩气、氮气和氦气的气体。

Description

采用铜焊丝和氧化混合气体对钢工件进行钎焊的方法
技术领域
本发明涉及一种对钢工件，优选由镀层钢制成的工件进行钎焊的方法，该方法采用激光束，特别是Nd:YAG激光束，以铜基自耗焊丝作为填充金属，并采用合适的氧化气体作为气体保护。
背景技术
激光钎焊是一种使用自耗焊丝和由激光发生器产生的激光束，例如Nd:YAG激光束的著名焊接方法，其中，焊丝被激光束熔化从而在待结合在一起的多个金属工件之间形成钎焊接头。
本方法主要应用于汽车行业用来装配车体部分，例如由镀层钢，即热浸镀锌或电镀锌的钢制成的天窗、行李箱等等。
由于本方法在产率，尤其是装配率方面有优势，并且不需要精整工作，而且在质量方面：外观好，工件变形少，表面镀锌层降解有限等等，因此本方法在工业中受到重视。
本方法可以使用或不使用保护气体。
但是，在缺少气体保护的情况下，所得焊缝外观将出现问题，尤其是焊缝粗糙度高，沿焊缝边缘沉积有烟粒，以及焊缝形状杂乱。
为了避免这些问题，因此优选在有气体保护的情况下进行本方法。因而，使用惰性保护气体，例如氩气、氮气或氦气，与无保护气体的情况相比较，可以获得更光滑和大体更干净的焊缝，也就是说，烟粒沉积较少。
但是，使用惰性气体导致产率降低，特别是钎焊速度降低。
为了改善这种情况，文件WO-A-2004/014599提出利用混合气体来对钢、铝或铝合金工件进行钎焊，此混合气体包括氩气和一种或多种选自二氧化碳、氧气、氢气、氮气的活性气体，此活性气体所占体积比例高达30％，并优选为二氧化碳。
但是，使用上述气体所获得的结果显示，所得的焊缝并没有获得显著的改善。
此外，文件EP-A-1428604提出一种用于对钢工件进行钎焊的方法，此方法使用由二氧化碳激光装置产生的激光束，采用铜基或青铜基自耗焊丝作为填充金属，使用混合气体作为气体保护，所述混合气体包含少于2.5％的活性气体，10％-35％的氦气，其余为氩气，从而在所述工件之间形成钎焊接头。
因此，这里接着提出一个问题，如何改进现有的采用激光——特别是Nd:YAG激光来对钢工件进行钎焊的方法，从而获得表面外观美观的焊缝，而同时又不降低产率。
发明内容
一种解决上述问题的用于对钢工件进行钎焊的方法：使用激光束，以自耗焊丝作为填充金属，以混合气体作为气体保护，从而在所述工件之间形成钎焊接头，其特征在于：
-所述自耗焊丝为铜基焊丝；以及
-所述混合气体包含40％-60％的氧气和其余为至少一种选自氩气、氮气和氦气的气体。
根据情况，本发明的方法可包括下述特征中一个或多个：
-所述混合气体包含45％-55％的氧气；
-所述混合气体包含大约50％的氧气；
-所述混合气体包含氩气；
-所述自耗焊丝由铜-硅或铜-铝合金制成；
-所述工件由镀层钢制成；
-所述激光束通过Nd:YAG、二氧化碳、掺镱光纤或二极管类型的激光发生器，或任何其它可以发射1.06μm波长的激光束的装置来获得；
-气体由带有允许激光束通过的凹缝或孔的喷嘴输送；
-气体流量在5L/min和30L/min之间；
-所述焊丝直径在0.8mm和2.4mm之间。
因此，本发明的方法结合使用具有特定组成的氧化气体来对钢工件——特别是由镀锌钢制成的工件进行钎焊，所述氧化气体的组成与铜基自耗焊丝——即包含数量不可忽略的铜的焊丝——的具体类型有关。本发明的氧化气体/铜焊丝的这种具体结合使用非常有利地利用铜焊丝对激光束的吸收。
这是因为铜对激光束的吸收通常是有限的，在液态下仅仅约16.1％(占激光束的入射能的百分比)。但是，如果采用高氧化保护气体以在暴露于激光束的金属表面上形成比原金属吸收力强很多的氧化物，那么此吸收值增加。
由于保护气体流的成分和分布的稳定性，所以，存在持续的氧化并稳定地向填充金属提供能量。这样可以实现填充金属均匀熔化。
因此，本发明的发明者从这些现象中获得启发，提出改进现有激光钎焊的方法。
具体地，保护气体包含一种或多种惰性气体，和高于40％的氧气，典型地该保护气体为由体积百分数为50％的氧气和体积百分数为50％的惰性气体例如氩气、氮气或氦气组成的二元混合物，该保护气体经由合适的输送喷嘴送到激光束的冲击部位(point of impact)，铜基填充金属和这种保护气体的结合使用使得可以在激光钎焊时，由于铜的氧化反应而产生对激光束吸收更好的氧化物，并且因此提高性能：在产率方面，提高熔化填充金属的速度和/或总量，在质量方面，特别是提高焊缝外观感以及增加润湿性。
依照本发明的内容，可以使用任何能够形成稳定和可靠的气体保护的气体输送喷嘴，从而实现填充金属的均匀氧化。
在此方面，如文件FR-A-0107245所说明的以及附图4示意性所示的一侧向喷嘴3，其中加工有一狭槽，以便允许熔化焊丝2的激光束1通过，所述侧向喷嘴尤为适合，这是因为它提高了在相互作用区域被输送混合气体的连续性，而不像传统的不能形成有效气体保护罩的柱形喷嘴那样。
这是因为，已发现，采用这种传统喷嘴，在某些构型下，所获得的气体保护罩可能由于环境空气的进入而被污染并因此具有大气污染物，该大气污染物在焊缝形成时会干扰焊缝。这是因为这些传统喷嘴必须大体置于熔池的后部，因而允许空气不合时地进入气体保护层。
在任何情况下，当进行焊接时，要注意抑制源自喷嘴的气体喷流的分散，以便在冲击区域(impact zone)的金属板表面上尽可能获得最薄的(层流)一维流动。因此，完好地保护了相互作用区域(interaction zone)，因而该激光焊接方法更加有效。
尤其是，使用根据FR-A-0107245所述的喷嘴，由于喷嘴的允许激光束通过的凹缝端部——该端部的侧壁向保护气体提供了额外的导向，所以在喷嘴出口之外气流的层流特征得以保持。
另外，采用所述喷嘴，可以使用“热”焊丝——焊丝通过焦耳(电阻)加热而被预热，因为这样在焊丝被加热的整个长度上气态环境得到控制。
附图说明
图1示出现有技术的试验B中所获得的焊缝；
图2示出现有技术的试验C中所获得的焊缝；
图3示出根据本发明方法进行的试验E中所获得的焊缝；
图4示意性示出一带凹缝的喷嘴。
具体实施方式
示例
为了说明本发明方法的有效性，使用由Nd:YAG激光发生器产生的激光束，并将直径1.6mm的铜-硅(CuSi3)自耗焊丝作为填充金属，对激光钎焊进行了对比试验。
焊接工件由镀锌钢——即在表面镀有0.8mm厚的锌——制成。
所使用的保护气体为根据本发明的等体积Ar/O2混合气体(试验E)，或者，如果合适，使用现有技术中的气体(试验A到D)。在试验B中，进行钎焊时没有保护气体，因而是在环境空气中进行。
气体流量为20L/min，压力约为1bar，也就是说，稍微高于大气压。气体由图4示意性说明的带凹缝的喷嘴1输送。
下面的表格给出结果。
                                 表格
 试验  气体   激光功率(kW)   焊速(m/min)   送丝速度(m/min)   焊缝外观   图
 A  纯氩   3   1.5   1.2   好   -
 B  空气   2.7   2   1.5   差   1
 C  Ar+30％O2   4   2.5   2.2   好   2
 D  Ar+30％CO2   3   1.5   1.2   好   -
 E(本发明)  50％Ar+50％O2   4   2.5   2.2   非常好   3
差：表面外观粗糙；烟粒沉积在焊缝边缘；焊缝未被很好“湿润”。
好：焊缝平滑；很少的烟粒沉积在焊缝边缘；焊缝勉强被“湿润”。
非常好：焊缝非常平滑；没有烟粒沉积；焊缝被很好地“湿润”。
图1示出试验B中所获得的焊缝，也即是说，没有保护气体，因而焊缝暴露在环境空气中。可以看到，焊缝沉积有烟粒，表面外观粗糙，并且外形拱起，所以焊缝质量很差。
图2示出试验C中所获得的焊缝，也就是说，采用现有技术中的、氧含量仅占约30％的混合气体。可以看到，烟粒沉积在边缘上，所以所获得的焊缝不完美，并且仍能观察到不规则表面。
图3示出试验E中所获得的焊缝，也就是说，采用根据本发明的混合气体。可以看到，焊缝外观非常好，并且平滑、稳固、有光泽，没有烟粒沉积。
此外，当考虑焊速时(参照表格)，根据本发明的混合气体获得最大的焊速，即速度为2.5m/min。
因此，本发明的方法不仅可以提高所获得的焊缝的质量，而且还可以具有高焊速，因此可以保证高产率。

Claims (10)

1.一种对钢工件进行钎焊的方法，该方法使用激光束，以自耗焊丝作为填充金属，以混合气体作为气体保护，从而在工件之间形成钎焊接头，该方法特征在于：
-所述自耗焊丝为铜基焊丝；
-所述混合气体包含：40％-60％的氧气，其余为至少一种选自氩气、氮气和氦气的气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合气体包含45％-55％的氧气。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合气体包含约50％的氧气。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合气体包含氩气。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，所述自耗焊丝由铜-硅或铜-铝合金制成。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件由镀层钢制成。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束由Nd:YAG、二氧化碳、掺镱光纤或二极管类型的激光发生器产生。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体由带有允许激光通过的凹缝或孔的喷嘴输送。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，气体流量在5L/min和30L/min之间。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其特征在于，所述焊丝直径在0.8mm和2.4mm之间。
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