CN102091871A - 一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法 - Google Patents

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李俐群
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Abstract

一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，本发明涉及一种新型激光点焊方法，特别涉及金属材料薄板的激光脉冲点焊的方法。本发明的目的是为了解决在现有技术中激光点焊过程中材料的烧损量较大，容易产生气孔、裂纹、下塌等缺陷，特别是铝合金材料对激光的反射率较高，导致点焊过程的稳定性较差的问题。本发明的具体焊接过程分为：1.对待焊工件进行预处理；2.固定待焊工件；3.采用激光脉冲点焊法焊接。本发明的优点是提高焊接效率、改善焊点质量、保证焊点尺寸具有良好的一致性，且实现了小功率激光器对中厚板的点焊。本发明主要用于焊接金属材料，特别适用于焊接金属材料薄板。

Description

一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法
技术领域
本发明涉及一种新型激光点焊方法，特别涉及金属材料薄板的激光脉冲点焊的方法。
背景技术
点焊技术是目前连接薄板搭接接头的一种最主要的连接方法，作为一种成熟的焊接工艺在各种工业生产中的应用都非常广泛。点焊的种类非常多，有传统的电阻点焊、电弧点焊，也有近几年发展迅速的激光点焊、搅拌摩擦点焊和复合点焊等，如表1所示。激光点焊是一种以激光作为热源的高效、高精密点焊新方法，焊点深宽比大，变形小，特别是单面非接触式的焊接方法可以极大地增强点焊工艺对产品结构的适应性，特别是针对蒙皮骨架结构可以提高生产效率，降低生产成本，有望在不久的将来替代传统点焊工艺和铆接工艺在汽车与航空、航天工业中推广应用。
表1各种点焊方法的比较
  点焊方法   点焊方式   焊点形态   焊接变形   自动化程度
  电阻点焊   双面接触   封闭式焊点   较大   较高
  激光点焊   单面非接触   熔透焊点   较小   较高
  搅拌摩擦点焊   单面接触   非熔透焊点   较小   一般
但是由于激光点焊属于定点加热，因此激光点焊时工件某一点位置的热输入量要高于激光连续焊接，这对于一些低熔点材料如铝合金和镁合金来说，激光点焊过程中材料的烧损量较大，容易产生气孔、裂纹、下塌等缺陷，特别是铝合金材料对激光的反射率较高，导致点焊过程的稳定性较差。由于激光点焊焊点内部的气孔和裂纹缺陷较为严重，因此对于缺陷的形成原因及解决措施的研究文献较多。大量文献表明：金属的蒸发损失和飞溅是导致下塌的主要原因；而气孔和裂纹的产生原因则是由于点焊的加热和冷却速度极快，熔池中的气泡无法在匙孔闭合前溢出。
发明内容
本发明目的是为了解决目前激光点焊过程中材料的烧损量较大，容易产生气孔、裂纹和下塌缺陷的问题。
一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，它提出的调制激光输出脉冲波形的方法可以有效减少气孔、裂纹和下塌，是一种抑制激光点焊缺陷的较为简便和理想的方法。具体实施方案：一、对待焊工件进行预处理；二、固定待焊工件；三、采用激光脉冲点焊方法进行焊接，激光脉冲点焊可以以抑制气孔和裂纹的形成，控制下塌现象的发生，能使焊点尺寸的一致性好，且表面光滑。
一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法其优点具体表现在以下几点：
(1)采用脉冲波形可以有效减少焊接过程中产生的气孔、裂纹和下塌；
(2)采用脉冲波形可以降低激光的平均功率，降低激光对材料的热输入；
(3)采用脉冲波形的激光可以对熔池形成搅拌作用，从而改善焊缝质量；
(4)采用脉冲波形有利于材料对激光功率的吸收，提高焊接速度；
(5)采用脉冲波形可以实现小功率激光器对中厚板的点焊。
附图说明
图1是本发明的激光脉冲点焊过程示意图；图2是本发明采用的尖峰式脉冲波形；图3-1～3-3是本发明采用的三种缓降脉冲波形；图4-1～4-2是本发明采用的两种缓升脉冲波形；图5-1～5-2是本发明采用的两种锯齿脉冲波形。
具体实施方式
具体实施方式一：本发明采用激光脉冲点焊方法，对工件进行点焊接。
该方法包括以下步骤：
步骤一、将待焊工件的焊缝加工成所需精度，并去除工件表面氧化膜；
步骤二、将待焊工件固定在工作台上，由于没有电阻点焊中电极压力的作用，因此点焊时需要将上、下两板夹紧；
步骤三、点焊时采用连续出光的方式，脉冲波形的激光通过透镜聚焦后作用于工件表面，经过一定的点焊时间形成焊点；
步骤三的工艺参数范围是：脉冲激光功率的平均值为0.6-2kW，出光时间为0.3-1s，离焦量为-2-0mm，板间隙小于0.4mm。
步骤三中激光光束类型为：CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。
点焊时工件正、背面均采用Ar气保护，其中正面采用侧吹喷嘴保护，保护气流量为15L/min，背面则通过夹具中的通气孔进行保护，保护气流量为5L/min。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中采用是机械方法去除工件表面氧化膜。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中采用是化学方法去除工件表面氧化膜。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中采用尖峰脉冲波形进行点焊接，尖峰脉冲在0.02s内上升功率达到1800w，0.02s～0.05s之间功率下降至1200w，0.05s之后功率保持1200w不变至焊接结束，具体波形如图2所示。
根据本实施方式，通过对焊接工件的剖切与普通激光点焊对比可以得到高能量的尖峰式激光脉冲波形足以突破熔化金属材料所需的激光功率阈值，形成匙孔，从而增大材料对后续小功率矩形波的能量吸收率，并保证不会由于能量过大造成合金元素的过量烧损和蒸发而影响焊点质量。而且高能量的尖峰波段可以克服材料表面的粗糙度、凹坑等因素造成的激光能量大量反射的情况，从而提高小功率下激光点焊的稳定性，保证最终焊点尺寸的一致性好。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中采用缓降脉冲波形进行点焊接。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤三中采用的缓降脉冲波形在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1400w，此时焊接结束，具体波形如图3-1所示。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤三中采用的缓降脉冲波形在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至0w，此时焊接结束，具体波形如图3-2所不。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤三中采用的缓降脉冲波形从0s起，功率从1800w开始下降至0w，此时焊接结束，具体波形如图3-3所示。
根据具体实施方式五至八，通过对焊接工件的剖切可以得到缓降脉冲的作用：缓降波形对焊点中的气孔和裂纹有了一定的抑制作用，尤其是对裂纹的抑制作用较为明显。通过对采用不同缓降波形焊接工件剖切焊点的对比，发现缓降波段的持续时间越长，缺陷的抑制作用越明显。但是由于激光功率的逐步降低，熔池周围金属逐步凝固，无法充分回填到焊点中心位置。因此，在抑制缺陷的同时要选择合适的缓降时间，减少焊点表面的下塌量。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中采用缓升脉冲波形进行点焊接。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤三中采用的缓升脉冲波形在开始0.2s的时间内，功率由0w上升至1800w，之后保持在1800w不变至焊接结束，具体波形如图4-1所示。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤三中采用的缓升脉冲波形在工作时间内，功率持续上升，由0w上升至1800w，此时焊接结束，具体波形如图4-2所示。
根据具体实施方式九至十一，通过对焊接工件的剖切可以得到缓升脉冲的作用：缓升脉冲波形还能起到减少表面下塌的作用。这主要是由于缓升脉冲的加入减少了实际输入工件的热量，金属蒸发量有所降低。功率的逐步增加抑制了飞溅的产生，从而减少金属损失量。焊点内部气孔除了由于匙孔坍塌形成的大气孔外，还存在由于材料表面氧化膜中含有的水分所带来的小气孔。缓升脉冲可以很好的消除焊点内部的一些小气孔，但是不能避免匙孔坍塌引起的大气孔。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中采用锯齿脉冲波形进行点焊接。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二的不同点是：步骤三中采用的锯齿脉冲波形在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1000w，在这段时间内，功率在1000w与1800w之间波动，且每次下降后再上升的功率不超过下降之前的功率，当功率下降至1000w时焊接结束，具体波形如图5-1所示。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十二的不同点是：步骤三中采用的锯齿脉冲波形在开始0.2s的时间内，功率由1400w上升至1800w，在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1000w，在这段时间内，功率在1000w与1800w之间波动，且每次下降后再上升的功率不超过下降之前的功率，当功率下降至1000w时焊接结束，具体波形如图5-2所示。
根据具体实施方式十二至十四，通过对焊接工件的剖切可以得到锯齿脉冲的作用：减少缓降波段功率的下降速度，从而减少表面下塌量。裂纹和气孔缺陷较少，同时由于减少了功率下降速度，使得熔池外围金属能够充分的回填，因此焊点表面下塌量也不大。特别是在主脉冲前期预制一个缓升波段能够进一步减少表面下塌量。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四的不同点是：步骤三中先尖峰脉冲波形、后缓降脉冲波形的组合进行点焊接，其中缓降脉冲波形可以是图3-1～3-3中的任何一种。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十四的不同点是：步骤三中先缓升脉冲波形、后缓降脉冲波形的组合进行点焊接，其中缓升脉冲和缓降脉冲波形可以是图4-1～图4-2中的任何一种与图3-1～图3-3中的任何一种的组合。

Claims (10)

1.一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，提出的调制激光输出脉冲波形的方法可以有效减少气孔、裂纹和下塌，是一种抑制激光点焊缺陷的较为简便和理想的方法；其特征在于：一、对待焊工件进行预处理；二、固定待焊工件；三、采用激光脉冲点焊方法进行焊接。
2.根据权利要求1所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤一中采用机械或化学的方法去除工件表面氧化膜。
3.根据权利要求1所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中具体的工艺参数为：脉冲激光功率的平均值为0.6-2kW，出光时间为0.3～1s，离焦量为-2-0mm，板间隙小于0.4mm。
4.根据权利要求1所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中采用的激光光束类型为：CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。
5.根据权利要求1所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中点焊时工件正、背面均采用Ar气保护，其中正面采用侧吹喷嘴保护，保护气流量为15L/min，背面则通过夹具中的通气孔进行保护，保护气流量为5L/min。
6.根据权利要求1、3、4或5所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中输出的脉冲波形是尖峰脉冲，尖峰脉冲在0.02s内上升功率达到1800w，0.02s～0.05s之间功率下降至1200w，0.05s之后功率保持1200w不变至焊接结束。
7.根据权利要求1、3、4或5所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中输出的脉冲波形是缓降脉冲，具体采用的三种缓降脉冲波形分别是：一、在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1400w，此时焊接结束；二、在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至0w，此时焊接结束；三、从0s起，功率从1800w开始下降至0w，此时焊接结束。
8.根据权利要求1、3、4或5所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中输出的脉冲波形是缓升脉冲，具体采用的两种缓升脉冲波形分别是：一、在开始0.2s的时间内，功率由0w上升至1800w，之后保持在1800w不变至焊接结束；二、在工作时间内，功率持续上升，由0w上升至1800w，此时焊接结束。
9.根据权利要求1、3、4或5所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中输出的脉冲波形是锯齿脉冲，具体采用的两种锯齿脉冲波形分别是：一、在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1000w，在这段时间内，功率在1000w与1800w之间波动，且每次下降后再上升的功率不超过下降之前的功率，当功率下降至1000w时焊接结束；二、在开始0.2s的时间内，功率由1400w上升至1800w，在最后0.2s的时间内，功率由1800w下降至1000w，在这段时间内，功率在1000w与1800w之间波动，且每次下降后再上升的功率不超过下降之前的功率，当功率下降至1000w时焊接结束。
10.根据权利要求1、3、4或5所述一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其特征在于步骤三中输出的脉冲波形是先尖峰脉冲、后缓降脉冲的组合或先缓升脉冲、后缓降脉冲的组合。
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