CN106695121A - 一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，包括激光头、保护气管、传送机构和板材夹具；其中，保护气管包括出气口、第一气管、第二气管、第一气阀和第二气阀，第一气阀用于控制第一气管的开启和闭合，第二气阀用于控制第二气管的开启和闭合；激光头设置为用于使激光和保护气体通过激光头聚焦照射到板材上，保护气管将保护气体送到指定位置，传送机构设置为用于传送板材，板材夹具设置为用于固定板材。本发明的一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法是激光通过激光头聚焦照射到板材表面，调整激光头的高度以调整激光在板材表面形成光斑的尺寸，保护气管将保护气体送到熔池位置，实现激光去除镀层。

Description

一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法。

背景技术

高强钢越来越多地应用于例如汽车领域，在不牺牲强度、冲击性能的条件下，通过减少用料板的厚度，降低车身重量，从而降低燃油消耗。当强度达到一定程度时，普通的冷成形方法很难将高强钢板材冲压成有精度要求的合适形状。冷成形方法下，需要更高的压力吨位，对模具也会产生更大的磨损。热成形技术则是利用板料在热成形过程中强度的差异，在软态时成形，使零部件获得目标形状尺寸，然后在经过特别设计的水冷模具中冷却淬火，当冷却速度达到30K/s，会使材料从铁素体和珠光体的混合组织转变为马氏体组织，最终获得极高的强度，从而使该方法开始广泛地应用于汽车车身加强结构件。

热成形前需要将母材加热到900℃，使材料完全奥氏体化，保温一定时间后迅速转移到模具中，在加热和转移过程中，如果缺少合适的保护气氛，钢板会出现氧化起皮和脱碳的现象，表面质量差，需要后续喷砂处理。为了获得更好的表面质量并在服役过程中提供防护作用，通常选择热镀Al-Si镀层或Zn合金镀层，镀层在热成形过程中可以保持完整形貌，会抑制钢板的氧化和脱碳。

这类镀层钢板在激光拼焊时，镀层的铝成分渗入到焊缝区域，并且在随后模压淬火的热成形后出现强度不足的问题。因而在焊接此类板料时需要在待焊接区域内沿焊接方向去除镀层。优选将该区域的宽度限制在3～5mm，否则焊缝区域仍会出现氧化起皮和脱碳，引起焊缝区域抗腐蚀性能的降低。

目前去除镀层的方法有多种，包括热学的、化学的和机械的方法。例如可以通过酸腐蚀指定区域去除镀层，但在去除时需要将板料其余部分费时地覆盖起来。另外，化学去除用到的酸性试剂控制不当易造成基板腐蚀，废液需要额外处理。机械方法中包括刨床、磨床等方法去除镀层，两者都要求板料的平整度非常高，由于待去除镀层很薄，在高度方向上需要机床保持高稳定性，否则很容易造成基板的机械损伤。而采用磨床去除镀层还存在一些问题，因为铝镀层较软，容易变形后嵌入砂轮，使砂轮在后续打磨过程中出现打滑的现象，降低了去除镀层的质量，另外高精度微米级磨床的造价成本高。

脉冲激光去除镀层的原理是采用高能量密度的激光将待去除区域中的镀层直接蒸发，例如德国新型专利DE202007018832U1，在合适的参数下，可以不将镀层完全地去除，而是将中间层保留在基体上，该中间层至少可以保护去除镀层的区域不受腐蚀。但该方法使用的脉冲激光器成本很高，尤其是飞秒或皮秒脉冲激光器。另外，激光烧蚀去除会在基板上形成一定深度的热影响区。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法，结合了热效应和空气流体的作用，无损基材地去除镀层，效果显著，同时由压缩空气机和普通连续激光的组合替代昂贵的脉冲激光器作为光源，通过合适的气流压力、吹气角度，激光功率和移动速度就可以获得理想的去除效果，极大地降低了去除成本。另外，该普通连续激光器还可以通过保护气管装置用于激光焊接。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法，结合了热效应和空气流体的作用，无损基材地去除镀层，效果显著，同时由压缩空气机和普通连续激光组合替代昂贵的脉冲激光器作为光源，通过合适的气流、吹气角度，激光功率和移动速度就可以获得理想的去除效果，极大地降低了成本。另外，该普通连续激光器还可以通过保护气管装置用于激光焊接。

为实现上述目的，本发明提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，包括激光头、保护气管、传送机构和板材夹具；其中，保护气管包括出气口、第一气管、第二气管、第一气阀和第二气阀，第一气阀用于控制第一气管的开启和闭合，第二气阀用于控制第二气管的开启和闭合；激光头设置为用于使激光和气体通过激光头聚焦照射到板材上，保护气管将气体送到指定位置，传送机构设置为用于传送板材，板材夹具设置为用于固定板材。

进一步地，激光通过激光头聚焦照射到板材表面，调整激光头的高度以调整激光在板材表面形成光斑的尺寸，获得小于临界值的激光功率密度，实现热导焊模式加热熔化镀层，保护气管将压缩气体以一定倾斜角度送到熔池位置，实现激光去除镀层。

进一步地，激光通过激光头聚焦照射到板材表面，调整激光头的高度以调整激光在板材表面形成光斑的尺寸，获得大于临界值的激光功率密度，实现深熔焊模式熔化基材，保护气体通过激光头与激光同轴送到熔池位置，防止熔池氧化，实现激光焊接。

进一步地，激光通过激光头聚焦照射到板材表面，调整激光头的高度以调整激光在板材表面形成光斑的尺寸，获得大于临界值的激光功率密度，实现深熔焊模式熔化基材，保护气体通过保护气管与激光异轴送到熔池位置，防止熔池氧化，实现激光焊接

进一步地，保护气管与板材的角度设置为15°-60°。

进一步地，第一气管用于输送压缩空气，第二气管用于输送保护气体。去除镀层时开启第一阀门，关闭第二阀门；焊接时关闭第一阀门，开启第二阀门。

进一步地，压缩空气通过压缩机提供，焊接用保护气体通过装有保护气体的气瓶提供，气瓶设置有控制气体流量的流量计。

进一步地，压缩机的压强范围为0.1-0.8MPa，流量范围50L/min-200L/min。

进一步地，当装置用于去除镀层，小离焦量时激光功率范围为200W～1000W，大离焦量时激光功率可高达10kW。移动速度范围为1.2m/min～20m/min。

进一步地，旋转保护气管90°，压缩空气流向板材外，去除板材边缘位置的镀层。

技术效果

1、本发明的装置结构简单，成本低，易于实现；

2、本发明的一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，去除镀层效果极佳，现有设备利用率高，并且成本低；

3、环保、污染少、热效应小、机械损伤小。

4、当选用长距离焦距的激光头时，可以让去除工艺无明显的空间需求，使得本发明的装置及方法适用性更佳。

5、选择合适的激光功率、速度、离焦量、气体种类，利用现有设备还可实现焊接功能，使用一套设备实现多种功能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置的结构示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的实用压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置经压缩空气处理后去除镀层的效果示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的实用压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置未经压缩空气处理后去除镀层的效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，包括激光头1、保护气管2、传送机构和板材夹具；其中，保护气管2包括出气口21、第一气管22、第二气管23、第一气阀24和第二气阀25，第一气阀24用于控制第一气管22的开启和闭合，第二气阀25用于控制第二气管23的开启和闭合；第一气管22用于输送压缩空气，第二气管23用于输送保护气体；压缩空气通过压缩机提供，焊接用保护气体通过装有保护气的气瓶提供，气瓶设置有控制气体流量的流量计。去除镀层时开启第一阀门24，关闭第二阀门25；焊接时关闭第一阀门24，开启第二阀门25。激光头1设置为用于使激光通过激光头1聚焦照射到板材上，保护气管2将气体送到指定位置，传送机构设置为用于传送板材，板材夹具设置为用于固定板材。

激光通过激光头1聚焦照射到板材3的表面，调整激光头1的高度以调整激光在板材3的表面形成光斑4的尺寸，获得小于临界值的激光功率密度，实现热导焊模式加热熔化镀层，保护气管2将压缩气体以一定倾斜角度送到熔池位置，实现激光去除镀层。

激光通过激光头1聚焦照射到板材3的表面，调整激光头1的高度以调整激光在板材3的表面形成光斑4的尺寸，获得大于临界值的激光功率密度，实现深熔焊模式熔化基材，保护气体通过激光头与激光同轴送到熔池位置，防止熔池氧化，实现激光焊接。

本发明的一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，激光熔融去除镀层的对象材料为镀铝硅层的22MnB5热成形钢，镀铝硅钢分为三层，第一层为Al-Si共晶合金层，厚度20μm，第二层为Fe-Al的金属间化合物层，厚度为6-8μm，第三层为基体22MnB5钢，厚度为1mm～3mm。镀铝层是通过热镀的方法制备的，通常两面均有镀层。基体材料通过热成形工艺可达到1500MPa的抗拉强度和5％左右的延伸率。热成形工艺是将钢板放入加热炉中，在900℃左右的温度下保温5min，然后将钢板迅速转移到水冷模具中，该水冷模具能保证钢板获得至少30K/s的冷却速度，最终基材组织为马氏体组织。

镀层与基体钢板在成分和组织上不同，镀层的熔点为Al的熔点，但随着加热时镀层中的Al和基体钢板中的Fe相互扩散，形成不同的Fe-Al-Si金属间化合物层，镀层的熔点从Al-Si的共晶熔点575℃，会增加到FeAl的1150℃左右的熔点。

镀层的硬度也会因为扩散形成不同的组织，具有不同的硬度。Al-Si共晶层的维氏硬度大约在70HV，Fe-Al-Si金属间化合物层的维氏硬度从400HV变化到1000HV，而热成形前基体钢板的维氏硬度大约在180HV。铝镀层主要成分是Al和Si，基体钢板主要是Fe，两者具有不同的化学势，抗腐蚀性具有差异。

本发明的一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，激光通过激光头1聚焦照射到板材3的表面，调整激光头1的高度以调整激光在板材表面形成光斑4的尺寸，将高功率密度调节至低功率密度，激光将材料熔化的模式从深熔焊模式转变成热导焊模式，熔池窄而深的形状变成宽而浅的形状。保护气管2将保护气体以一定倾斜角度送到熔池位置，吹走镀层熔池，实现激光去除镀层。优选地，倾斜角度为15°-60°。

保护气管径根据材料和工艺选择，如4mm～12mm。保护气管与板材的角度设置为15°-60°，沿着焊接方向通向熔池及熔池后方。保护气管通过转换装置连接第一气管23和第二气管24的气体，通过第一阀门25和第二阀门26开关控制，第一气管23用于输送压缩空气，提供用于镀层去除的压缩空气，压缩空气由压缩机提供，压强达到MPa级别，优选地，压强范围0.1-0.8MPa，压缩空气流速范围50L/min-200L/min；第二气管24用于输送保护气体，提供焊接用保护气，如Ar、He及Ar+CO2等保护气体。

本发明的一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，是一机两用的装置，其中激光头1、保护气管2和板材3有两种相对位置关系，一种位置关系是激光头1与保护气管2相对固定，通过机器人带着激光头和保护气管沿着板材3指定区域运动，这种方式可以提供更大的灵活性，可以实现激光焊接和激光去除；另一种位置关系是板材3通过传送机构运动，激光头1和保护气管2固定在指定位置，此种方法仅具有去除作用，无法提供焊接功能，因为焊接时存在变形，需要夹持固定。通过旋转保护气管90°，采用侧吹的方式，压缩空气流向板材外，去除板材边缘位置的镀层，将镀层有效地吹离板料的边缘面。

激光的功率范围为200W～10KW。离焦量小时激光功率范围为200W～1000W，光斑尺寸范围0.4mm～3mm，镀层去除时选择第一种位置关系的移动速度范围1.2m/min～20m/min，去除镀层宽度范围0.4mm～3mm，去除镀层厚度范围5～50μm。离焦量大时，光斑尺寸大，可选择更大功率激光(比如10kw)，和更高的移动速度。

压缩空气由压缩泵机提供，其压强达到MPa级别，通过保护气管，将压缩空气送到激光作用点，管的直径根据需要去除的宽度选定。

本发明的另一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法，采用1064nm波长的光纤激光器，光斑尺寸0.7mm，在500W的激光功率和特定的离焦量条件下，通过机器人移动激光头，在限定的区域内熔化铝镀层，最高速度可达到8m/min。如图2所示，镀层在激光加热作用下熔化，再被压缩空气挤离原位置，去除深度大约30μm，仅有极少量的镀层残留在去除区域表面，该部分镀层进入焊缝对焊缝的影响可忽略不计，残余镀层能提供防腐蚀的作用。在该条件下，热量传导到基体钢板上，形成一小片热影响区，对接头性能的影响可忽略不计。

本发明的另一个较佳实施例提供了一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法，在上一实施例的其他工艺参数下，不通压缩空气，镀层熔化同时对母材的影响可以控制在更小的范围内，如图3所示。

本发明的一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置结构简单，成本低，易于实现，并且本发明的一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，去除镀层效果极佳，现有设备利用率高，并且成本低，同时具有环保、污染少、热效应小、机械损伤小的特点。当选用长距离焦距的激光头时，可以让去除工艺无明显的空间需求，使得本发明的装置及方法适用性更佳。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，其特征在于，包括激光头、保护气管、传送机构和板材夹具；其中，保护气管包括出气口、第一气管、第二气管、第一气阀和第二气阀，所述第一气阀用于控制所述第一气管的开启和闭合，所述第二气阀用于控制所述第二气管的开启和闭合；所述激光头设置为用于使激光和气体通过所述激光头聚焦照射到板材上，所述保护气管将气体送到指定位置，所述传送机构设置为用于传送板材，所述板材夹具设置为用于固定板材。

2.如权利要求1所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置，其特征在于，所述第一气管被设置为用于输送压缩空气，所述第二气管被设置为用于输送保护气体。

3.一种如权利要求1或2所述装置所使用的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，激光通过所述激光头聚焦照射到板材表面，调整所述激光头的高度以调整激光在所述板材表面形成光斑的尺寸，获得小于临界值的激光功率密度，实现热导焊模式加热熔化镀层，所述保护气管将压缩空气送到熔池位置，实现激光去除镀层。

4.如权利要求3所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，激光通过所述激光头聚焦照射到板材表面，调整所述激光头的高度以调整激光在所述板材表面形成光斑的尺寸，获得大于临界值的激光功率密度，实现深熔焊模式熔化基材，所述保护气体通过所述激光头与激光同轴送到熔池位置，实现激光焊接。

5.如权利要求3所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，激光通过所述激光头聚焦照射到板材表面，调整所述激光头的高度以调整激光在所述板材表面形成光斑的尺寸，获得大于临界值的激光功率密度，实现深熔焊模式熔化基材，所述保护气体通过所述保护气管与激光异轴送到熔池位置，实现激光焊接。

6.如权利要求5所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，所述保护气管与板材的角度设置为15°-60°。

7.如权利要求3所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，所述压缩空气通过压缩机提供。

8.如权利要求7所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，所述压缩机的压强范围为0.1-0.8MPa，流量范围50L/min-200L/min。

9.如权利要求3所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，所述激光的功率范围为200W～10KW。

10.如权利要求3所述的压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的方法，其特征在于，旋转所述保护气管90°去除板材边缘位置的镀层。