CN101564799A - 一种半导体激光与co2激光的复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，使用一台半导体激光器和CO2激光器成一定角度位于被焊金属焊缝的一侧，调整CO2激光的聚焦位置而使CO2激光的光斑处在半导体激光的光斑中，使焊接方向和半导体激光的慢轴方向一致；使用半导体激光对被焊金属进行预热，把进入半导体激光光斑内的待焊部位加热到200～400℃，同时使用CO2激光器焊接，对CO2激光器焊接后的被焊金属已焊部位再使用半导体激光对被焊金属进行焊后热处理。本发明焊接过程进行同步的预热和后热处理，可有效解决高强钢焊接中出现的冷裂纹问题，提高了高强钢激光焊接的质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用领域，特别涉及一种用于高强钢焊接的半导体激光与CO2激光的复合焊接方法。
背景技术
目前，汽车工业已经进入了发展的快车道，汽车工业对轻量化、安全、排放、成本控制及燃油经济性要求越来越高。改善汽车的安全和碰撞功能虽然采用更大的质量和安装更多的安全装置和手段也可使汽车更加安全，但与降低燃油消耗和排放相悖；为使汽车降低排放和具有更好的燃油经济性，就必须轻量化。采用高强度钢板，既可减少汽车质量，在降低燃油消耗的同时降低排放，又可提高汽车的安全性。随着汽车工业的发展，对高强度钢的应用越来越多，汽车工业大量采用高强度钢板和一些高强度轻量化材料，这也就驱使我们开展高强钢焊接问题的研究。
高强钢传统的焊接方法主要有手工电弧焊、埋弧焊以及金属极气体保护焊三种方法。传统的焊接方法的共同缺点：焊接速度较慢，难以获得大的熔深以及较大的热影响区等，已经越来越不能适应高速、高质量的现代化生产的需要，因此急需寻找一种新的焊接方法。
激光焊接技术是六十年代发展起来的，以高能量密度的激光为热源的精密焊接技术，已在汽车制造、航空航天、机车、船舶、容器结构、电子轻工业等行业得到了日益广泛的应用，尤其是在汽车工业中的使用越来越普遍。
与传统的焊接方法相比，激光焊的焊接速度快、生产效率高；深熔焊的焊缝深宽比高，可实现大熔深的焊接；热输入量小使焊件热影响区小，对后续加工几乎没有影响；焊接工程中焊件的变形量小；容易实现精确的数控加工，适应现代生产的需要。
但是激光焊接独特的急热和急冷焊接机制也造成了传统焊接中不常有的焊接裂纹的出现，其主要原因是：
1.焊缝金属中奥氏体明显长大使接头出现淬硬性组织。
2.在热影响区出现的马氏体组织在提高强度的同时使韧性下降，增加了产生冷裂纹的可能性。
3.热影响区周围对于热收缩抑制产生的约束应力对裂纹的产生有很大影响。
4.大气中的水分与激光接触，就成为原子状态的氢，溶解在熔化金属中，急速凝固时不能全部逸出而残存在焊缝金属中，随着温度降低而进入淬硬组织的热影响区。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，焊接过程进行同步的预热和后热处理，可有效解决高强钢焊接中出现的冷裂纹问题，提高了高强钢激光焊接的质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，使用一台半导体激光器和CO2激光器成一定角度位于被焊金属焊缝的一侧，调整CO2激光的聚焦位置而使CO2激光的光斑处在半导体激光的光斑中，使焊接方向和半导体激光的慢轴方向一致；使用半导体激光对被焊金属进行预热，把进入半导体激光光斑内的待焊部位加热到200～400℃，同时使用CO2激光器焊接，对CO2激光器焊接后的被焊金属已焊部位再使用半导体激光对被焊金属进行焊后热处理。
由于半导体激光在快轴与慢轴两个方向上发散角相差较大，所以半导体激光的光斑为矩形光斑，可以很好的对焊缝进行预热和后热处理。可以迅速把进入半导体激光光斑内的待焊部位加热到200～400℃，降低了焊接过程的温度梯度，同时对已焊部位进行焊后后热处理，减小了冷却速度。处于中间的CO2激光由于光束质量好，调整功率可实现高质量的深熔焊接。
进一步，在CO2激光焊接的同时，将半导体激光聚焦在待焊部位前端，把半导体激光的光斑聚焦在未焊部位，从而在CO2激光焊接板材之前由半导体激光对未焊部位进行同步焊前预热处理，半导体激光器的矩形光斑可实现预热的快速和均匀化，降低了焊接时的温度梯度较小了内应力。钢板经预热后再经CO2激光焊接，明显降低了冷裂纹的产生。
又，在CO2激光焊接的同时，对半导体激光进行整形，形成环行或矩形光斑，覆盖焊接熔池前后的区域，对待焊和已焊部位分别进行预热和后热处理。
使用一台CO2激光器对高强钢焊接的同时，一台半导体激光器和CO2激光器成一定角度位于焊缝的一侧，调整激光的聚焦位置而使CO2激光的光斑处在半导体激光的光斑中。使焊接方向和半导体激光的慢轴方向一致。
又，把半导体激光器沿焊接前进方向放置在CO2激光器的后方，把半导体激光的光斑聚焦在已焊部位，对经CO2激光焊接后的钢板进行焊后的后热处理，这样就降低了冷却速度，增加了温度停留时间，因而有充足的时间让焊接组织均匀化，杂质元素不易偏析以及保证了氢的逸出。
另外，本发明还可以同时使用两束半导体激光，一束沿焊接前进方向放置在CO2激光器的前方，把半导体激光聚焦在焊前部位，另一束沿焊接前进方向放置在CO2激光器的后方，把半导体激光聚焦在焊后部位，对被焊钢板进行同步的预热和后热，降低了焊接部位焊后的冷却速度以及温度梯度，改变了焊接过程的导热各向异性和凝固收缩，减小了焊接应力，同时使焊缝组织的杂质元素扩散完全，这样降低了淬硬组织的出现，避免应力集中以及减小了氢对于接头的脆化作用以及热影响区的软化问题。有效降低了高强钢出现焊接缺陷的可能，大大提高了高强钢激光焊接的焊接质量。
大功率半导体激光器具有功率转换效率高、可靠性好、尺寸小等诸多优点，可以被直接应用于材料加工领域。大功率半导体激光器以单条为基本单位，可以被灵活地装配成各种几何形状，例如环形、矩形、长线形，这是目前其他激光器例如CO2、Nd:YAG难以甚至无法做到的。在直接应用于材料加工领域中时，根据用户需求灵活配置单条激光器以形成特定的模块，将成为大功率半导体激光器的一个重要发展方向。
本发明的有益效果
本发明使用半导体激光器对CO2激光焊接过程进行同步的预热和后热处理，降低了焊接部位焊后的冷却速度以及温度梯度，从而改变了焊接过程的导热各向异性和凝固收缩，减小了焊接应力，同时使焊缝组织的杂质元素扩散完全，这样降低了淬硬组织的出现，避免应力集中以及减小了氢对于接头的脆化作用以及热影响区的软化问题。
附图说明
图1是本发明第一实施例的示意图；
图2是本发明实施例激光聚焦熔池的放大示意图；
图3是本发明第二实施例的示意图；
图4是本发明第三实施例的示意图；
图5是本发明第四实施例的示意图。
具体实施方式
参见图1、图2，其所示为本发明第一实施例，使用一台半导体激光器和CO2激光器，CO2激光器处于正常的焊接位置，半导体激光器位于焊缝的一侧，半导体激光2聚焦在钢板7由CO2激光3产生的熔池6上，并保持同步的焊接速度，同时CO2激光的光斑4位于半导体激光光斑5之内，使焊接方向和半导体激光的慢轴方向一致；使用半导体激光对被焊金属未焊部位1进行预热，把进入半导体激光光斑5内的待焊部位加热到200～400℃，同时使用CO2激光器焊接；随着钢板7的移动，对CO2激光器焊接后的被焊金属已焊部位8，再使用半导体激光对被焊金属已焊部位8进行焊后热处理。
参见图3，其所示为本发明第二实施例，半导体激光器位于焊缝正上方，调整垂直高度以达到合适的离焦量。半导体激光2沿焊接方向上位于CO2激光3的前方，半导体激光2的光斑聚焦在CO2激光3焊接的熔池6前方的未焊部位1对钢板7进行焊前预热，提高了钢板7焊接处的温度，减小焊接裂纹的出现。
参见图4，其所示为本发明第三实施例，半导体激光器位于焊缝正上方，调整垂直高度以达到合适的离焦量。半导体激光2沿焊接方向上位于CO2激光3的后方，半导体激光2的光斑聚焦在CO2激光3焊接的熔池6后方的已焊部位8对钢板7进行焊后的后热处理。
参见图5，其所示为本发明第四实施例，两台半导体激光器分别位于CO2激光器的前方和后方。两束半导体激光2分别聚焦在CO2激光3焊接熔池6前方和后方的未焊部位1和已焊部位8，对被焊钢板7进行同步的预热和后热处理。
上述实施例中，半导体激光器和CO2激光器在焊接过程中保持固定，钢板7随机床移动。
综上所述，本发明通过两种激光的复合焊接以及独特的光斑位置，同时实现了预热和后热处理，显著提高了高强钢的焊接质量。
Claims (5)
1.一种半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，使用一台半导体激光器和CO2激光器成一定角度位于被焊金属焊缝的一侧，调整CO2激光的聚焦位置而使CO2激光的光斑处在半导体激光的光斑中，使焊接方向和半导体激光的慢轴方向一致；使用半导体激光对待焊金属进行预热，把进入半导体激光光斑内的待焊部位加热到200～400℃，同时使用CO2激光器焊接，对CO2激光器焊接后的被焊金属已焊部位再使用半导体激光对被焊金属进行焊后热处理。
2.如权利要求1所述的半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，其特征在于：在CO2激光焊接的同时，将半导体激光聚焦在待焊部位前端，把半导体激光的光斑聚焦在未焊部位，从而在CO2激光焊接板材之前由半导体激光对未焊部位进行同步焊前预热处理。
3.如权利要求1所述的半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，其特征在于：把半导体激光器沿焊接前进方向放置在CO2激光器的后方，把半导体激光的光斑聚焦在已焊部位，对经CO2激光焊接后的钢板进行焊后的后热处理。
4.如权利要求1所述的半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，其特征在于：在CO2激光焊接的同时，对半导体激光进行整形，形成环行或矩形光斑，覆盖焊接熔池前后的区域，对待焊和已焊部位分别进行预热和后热处理。
5.如权利要求1所述的半导体激光与CO2激光的复合焊接方法，其特征在于：同时使用两束半导体激光，一束半导体激光沿焊接前进方向放置在CO2激光器的前方，将半导体激光聚焦在焊前部位；另一束半导体激光沿焊接前进方向放置在CO2激光器的后方，把半导体激光聚焦在焊后部位，对被焊钢板进行同步的预热和后热处理。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Open date: 20091028 |