CN105689896A - 一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法。本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，包括以下步骤：1)，将待焊接的热轧钢板进行清洗后固定于焊接工装夹具上，热轧钢板具有Al-Si涂层；2)，调节激光束L1、L2分别垂直于热轧钢板的上下两侧面且正对焊缝中心；调节激光束L3位于激光束L1或激光束L2距离为d的位置，调节激光束L3垂直于热轧钢板且正对焊缝中心；3)，调节激光束L1、L2以焊接速度V运动以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3以焊接速度V同步运动以完成热轧钢板的焊接；本发明的激光加工方法只需通过一次装夹工序即可完成涂层去除以及焊接的全过程，提高了焊接效率和焊接质量。

Description

一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法。
背景技术
近年来，汽车行业正努力设计一种超轻、高强的车身结构，一方面为了降低碳排放，另一方面为了实现环境友好的车身结构。在众多被采用的车身加工工艺中，热轧钢板的使用占据了极其重要的部分。热轧钢板时，将抗拉强度为600MPa和延伸率为22％的含硼钢板在950℃的高温下加热5分钟，然后在成型过程中将其淬火，得到了抗拉强度达到1.5GPa、延伸率达到7％的钢板。在此过程中，为了防止含硼钢板被氧化，通常会在钢板两侧喷涂一层25-45μm厚的Al-Si涂层。但是，在对此类热轧钢板进行焊接的过程中，其表面的Al-Si涂层会混入焊缝，导致焊缝的力学性能下降，因此在焊接前必须将钢板表面的Al-Si涂层去除然后再进行施焊。
目前广泛采用的Al-Si涂层去除方法有以下两种：1、机械去除，即采用机械的方法去除涂层，在去除涂层的过程中容易导致薄板的变形，且效率低下，远不能满足现代汽车行业的需求，目前已很少采用；2、激光烧蚀去除，是目前主要的去除涂层方法，其主要方式为在焊接前，采用飞秒激光器对待焊部位进行激光烧蚀，然后进行焊接，但其仍然存在总体效率偏低、装配次数多的问题。
采用激光焊接热轧钢板是一种极具潜力的薄板焊接方法，其具有焊接效率高、焊接质量好等显著的优点，现有技术中，在热轧钢板的涂层去除和焊接过程要经过多次装夹工序，加工效率低，并且热轧钢板的焊接效率以及焊接质量有待提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，该加工方法只需通过一次装夹工序即可完成涂层去除以及焊接的全过程，保证了装配的一致性，提高了焊接效率和焊接质量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，包括以下步骤：
步骤1)，将待焊接的热轧钢板进行清洗后固定于焊接工装夹具上，所述热轧钢板具有Al-Si涂层；
步骤2)，调节第一激光器发出激光束L1和激光束L2，使激光束L1、激光束L2分别垂直于步骤1)清洗后的热轧钢板的上下两侧面，调节激光束L1、激光束L2位于同一条直线且正对焊缝中心；调节第二激光器发出激光束L3，使激光束L3位于激光束L1或激光束L2距离为d的位置，调节激光束L3垂直于热轧钢板且正对焊缝中心；
步骤3)，按照预设的焊接工艺参数，调节激光束L1、激光束L2以焊接速度V运动以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3以焊接速度V同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
其中，步骤2)中所述的第一激光器为超短脉冲激光器，优选地，所述超短脉冲激光器为纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器中的一种；
第二激光器为焊接用激光器，所述焊接用激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器和半导体激光器中的一种，优选地，所述焊接用激光器为YAG固体激光器，因YAG固体激光器更加高效和环保。
其中，步骤3)中所述的焊接工艺参数由机器人集成系统控制；
所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为100～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为500～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为50～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为200～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为1000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为300～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为300～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为2000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为400～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为3000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为500～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为600～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为700～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4500W，焊接速度V为4500mm/min，d为450mm。
优选地，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为800W；激光束L3的光斑直径为0.3mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4500W，焊接速度V为4500mm/min，d为450mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，将具有Al-Si涂层的热轧钢板清洗后固定于焊接工装夹具上，激光束L1、激光束L2分别垂直于热轧钢板的上下两侧面，并且激光束L1和激光束L2的连线位于同一条直线且正对焊缝中心；激光束L3位于激光束L1或激光束L2距离为d的位置，调节激光束L3垂直于热轧钢板且正对焊缝中心；调节激光束L1、激光束L2以焊接速度V运动以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3以焊接速度V沿相同的方向同步运动以完成热轧钢板的焊接，三束激光同步运动实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工；激光束L1、激光束L2完成去除涂层过程后，激光束L3在短时间内对去除涂层后热轧钢板进行焊接，大大减少了去除涂层后钢板在空气中暴露的时间，避免焊缝表面氧化、减少杂质影响，控制了焊接缺陷，保证了焊接质量；并且整个加工过程只需通过一次装夹即可完成去除涂层以及焊接的全过程，保证了装配的一致性，提高了焊接质量，提高了工作效率。
另外，本发明的激光加工方法只需要一套焊接工装夹具，减少了焊接工装，进而降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法的加工系统的结构示意图。
附图标记如下：
1-激光束L1；2-激光束L2；3-激光束L3；4-待焊接的第一热轧钢板；5-待焊接的第二热轧钢板。
具体实施方式
下面结合附图1，并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，包括以下步骤：步骤1)，将待焊接的第一热轧钢板4和待焊接的第二热轧钢板5进行清洗后固定于焊接工装夹具上，其中，待焊接的第一热轧钢板4和待焊接的第二热轧钢板5上具有Al-Si涂层；
步骤2)，调节第一激光器发出激光束L1和激光束L2，使激光束L1、激光束L2分别垂直于步骤1)处理后的热轧钢板的上下两侧面，调节激光束L1、激光束L2，使激光束L1和激光束L2的连线位于同一条直线且正对焊缝中心；调节第二激光器发出激光束L3，使激光束L3位于激光束L1或激光束L2距离为d的位置，调节激光束L3垂直于热轧钢板且正对焊缝中心；
步骤3)，按照预设的焊接工艺参数，调节激光束L1、激光束L2以焊接速度V运动以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3以焊接速度V沿相同的方向同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
对比例
采用传统的激光烧蚀后再焊接的加工方法，对2mm厚的不同长度的带Al-Si涂层热轧钢板的焊接，包括以下步骤：
步骤1)：焊接前，对Al-Si涂层热轧钢板两侧表面进行清洗，去除表面油污等，将清洗后的待焊热轧钢板固定在专用的焊接工装夹具上；
步骤2)：由飞秒激光器产生激光束L1分别去除Al-Si涂层热轧钢板正反面涂层，保证激光束L1垂直于热轧钢板且正对焊缝中心，激光束L1运动速度为为V1；将去除涂层后热轧钢板重新装夹，焊接用激光束L2，保证激光束L2垂直于平板且正对焊缝中心，激光束L2的运动速度为V2；按照预设的焊接工艺参数如下：激光束L1由飞秒激光器产生，其离焦量为0mm，平均激光功率400W，运动速度V1为4000mm/min；激光束L2由光纤激光器产生，离焦量为0mm，激光功率2500W，焊接速度V2为4000mm/min。
步骤3)：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，完成焊接过程。
实施例1
采用本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，对2mm厚的不同长度的带Al-Si涂层热轧钢板的焊接，包括以下步骤：
步骤1)：焊接前，对Al-Si涂层热轧钢板两侧表面进行清洗，去除表面油污等，将清洗后的待焊热轧钢板固定在专用的焊接工装夹具上；
步骤2)：飞秒激光器发出激光束L1、激光束L2，将激光束L1、激光束L2分别辐射板的正反两面以用于去除表面Al-Si涂层，调节激光束L1、激光束L2连线垂直于热轧钢板表面，且正对焊缝中心；光纤激光器发出激光束L3，将焊接用激光束L3置于激光束L1、激光束L2距离为d的位置，保证激光束L3垂直于平板且正对焊缝中心；
步骤3)：采用机器人集成系统按照预设的焊接工艺参数：调节激光束L1、激光束L2运动速度一致，均为V，其离焦量为0mm，平均激光功率400W，以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3的运动速度与激光束L1、激光束L2激光束一致也为V；沿相同的方向同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3的光斑直径为0.25mm，离焦量为0mm，激光功率2500W，焊接速度V为4000mm/min，d为400mm；激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
实施例2
采用本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，对2mm厚的不同长度的带Al-Si涂层热轧钢板的焊接，包括以下步骤：
步骤1)：焊接前，对Al-Si涂层热轧钢板两侧表面进行清洗，去除表面油污等，将清洗后的待焊热轧钢板固定在专用的焊接工装夹具上；
步骤2)：飞秒激光器发出激光束L1、激光束L2，将激光束L1、激光束L2分别辐射板的正反两面以用于去除表面Al-Si涂层，调节激光束L1、激光束L2连线垂直于热轧钢板表面，且正对焊缝中心；光纤激光器发出激光束L3，将焊接用激光束L3置于激光束L1、激光束L2距离为d的位置，保证激光束L3垂直于平板且正对焊缝中心；
步骤3)：采用机器人集成系统按照预设的焊接工艺参数：调节激光束L1、激光束L2运动速度一致，均为V，其离焦量为1mm，平均激光功率500W，以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3的运动速度与激光束L1、激光束L2激光束一致也为V；沿相同的方向同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3的光斑直径为0.3mm，离焦量为2mm，激光功率3000W，焊接速度V为6000mm/min，d为500mm；激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
实施例3
采用本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，对2mm厚的不同长度的带Al-Si涂层热轧钢板的焊接，包括以下步骤：
步骤1)：焊接前，对Al-Si涂层热轧钢板两侧表面进行清洗，去除表面油污等，将清洗后的待焊热轧钢板固定在专用的焊接工装夹具上；
步骤2)：飞秒激光器发出激光束L1、激光束L2，将激光束L1、激光束L2分别辐射板的正反两面以用于去除表面Al-Si涂层，调节激光束L1、激光束L2连线垂直于热轧钢板表面，且正对焊缝中心；光纤激光器发出激光束L3，将焊接用激光束L3置于激光束L1、激光束L2距离为d的位置，保证激光束L3垂直于平板且正对焊缝中心；
步骤3)：采用机器人集成系统按照预设的焊接工艺参数：调节激光束L1、激光束L2运动速度一致，均为V，其离焦量为2mm，平均激光功率800W，以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3的运动速度与激光束L1、激光束L2激光束一致也为V；沿相同的方向同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3的光斑直径为0.2mm，离焦量为3mm，激光功率5000W，焊接速度V为10000mm/min，d为400mm；激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
表1为对比例和实施例1-3的焊接方法的焊接时间结果，焊接2mm厚的1m长、2m长、3m长的Al-Si涂层热轧钢板的焊接时间，本焊接时间包括清洗、焊接装夹、涂层去除、施焊等所有的加工所需时间。
表1
由表1可以看出，焊接2mm厚的1m长、2m长、3m长的Al-Si涂层热轧钢板，当采用本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，相对于传统的激光烧蚀后再焊接的加工方法，焊接时间明显缩短，整个加工过程只需进行一次装夹，减少了装配次数、大大提高了加工效率，减少了生产时间。对1000mm长Al-Si涂层热轧钢板进行焊接，与传统的激光烧蚀后再焊接的加工方法相比，采用本发明的激光加工方法进行的焊接加工，由于采用了一次装夹，焊接变形得到了很大的改善，提高了焊接质量，也减少了焊后矫形的时间，提高了生产效率。
本发明的热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，只需通过一次装夹工序即可完成涂层去除以及焊接的全过程，保证了装配的一致性，提高了焊接效率和焊接质量。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种热轧钢板的涂层去除与焊接一体化的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，将待焊接的热轧钢板进行清洗后固定于焊接工装夹具上，所述热轧钢板具有Al-Si涂层；
步骤2)，调节第一激光器发出激光束L1和激光束L2，使激光束L1、激光束L2分别垂直于步骤1)清洗后的热轧钢板的上下两侧面，调节激光束L1、激光束L2位于同一条直线且正对焊缝中心；调节第二激光器发出激光束L3，使激光束L3位于激光束L1或激光束L2距离为d的位置，调节激光束L3垂直于热轧钢板且正对焊缝中心；
步骤3)，按照预设的焊接工艺参数，调节激光束L1、激光束L2以焊接速度V运动以去除热轧钢板上的Al-Si涂层，同时激光束L3以焊接速度V同步运动以完成热轧钢板的焊接，激光束L3焊接完成后实现热轧钢板的涂层去除与焊接一体化激光加工。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，步骤2)中所述的第一激光器为超短脉冲激光器，优选地，所述超短脉冲激光器为纳秒激光器或皮秒激光器；
第二激光器为焊接用激光器，所述焊接用激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、光纤激光器和半导体激光器中的一种，优选地，所述焊接用激光器为YAG固体激光器。
3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，步骤3)中所述的焊接工艺参数由机器人集成系统控制；
所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为100～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为500～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为50～500mm。
4.根据权利要求3所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为200～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为1000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为300～500mm。
5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为300～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为2000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为400～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为3000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
7.根据权利要求6所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为500～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
8.根据权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为600～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4000～5000W，焊接速度V为500～15000mm/min，d为400～500mm。
9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为700～1000W；激光束L3的光斑直径为0.2～0.4mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4500W，焊接速度V为4500mm/min，d为450mm。
10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，所述焊接工艺参数设置为：激光束L1与激光束L2的离焦量为-2～+2mm，平均激光功率为800W；激光束L3的光斑直径为0.3mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4500W，焊接速度V为4500mm/min，d为450mm。
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