CN107030382A - 一种镀锌钢板激光叠接焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤1，提供母材并使其定位；步骤2，提供激光焊接系统；步骤4，启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光焊接头发射的激光束垂直辐照工件上表面；步骤5，温度传感器实时采集母材背面温度，当采集到的温度达到或超过母材气化的温度值时，转动激光焊接头与高压气柱喷嘴，使得激光焊接头相对工件上表面倾斜，高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面；步骤6，控制高压气柱喷嘴供气阀门，使高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头继续施焊；步骤7，完成焊接过程。在本发明中，采用高压微细气柱辅助维持小孔，提高了焊接小孔和熔池稳定性。
Description
技术领域
本发明领域本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种镀锌钢板的激光叠接焊接方法。
背景技术
目前，镀锌钢的主要焊接工艺有三种：电阻点焊、电弧焊和激光焊接。对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易于锌层合金化，降低电极的寿命。而采用电弧焊接镀锌钢时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，电弧的稳定性也因此受到影响，焊接质量下降，同时焊接过程中还会产生大量烟雾粉尘。另外，由于电弧焊的焊缝宽度较大，且热输入量大，镀层锌的大量气化降低了镀锌钢焊缝处的抗腐蚀性能。镀锌钢叠接接头采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及焊接气孔、飞溅、未熔合等缺陷。
为此，公开号为“CN 102233481 B”、“CN 102120288 B”和“US8692152 B2”的发明专利公开了镀锌钢板的激光叠接焊接方法，其中采用高功率大光斑激光束高速焊接镀锌钢板，在从激光照射点向后方延伸的熔融池内，形成细长孔，从而由激光照射产生的金属蒸气通过细长孔向激光行进方向后方并在朝向激光照射源的方向上排出，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板叠接接头焊缝飞溅、针孔和气泡眼等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过高功率激光和极快的焊接速度形成的细长小孔，实际焊接中难以控制，且高功率激光光源成本大幅提高。
公开号为“CN 102451955 B”、“CN 101695790 B”和“JP61-74793A”的发明专利公开了镀锌钢板的激光叠接焊接方法，其中利用间隔物或者水平差距，在将经受叠接焊接的镀锌钢板之间设置用于排出锌蒸气的间隙，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板叠接接头焊缝飞溅和气孔等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过预先设置叠接板之间的间隙，在实际操作中，难以保持一致的间隙，如此增加了激光焊接工艺参数的匹配选择难度。
公开号为“US6479168 B2”、“US20080035615 A1”、“US7329828 B2”和“CN101508058 B”的发明专利公开了镀锌钢板叠接激光焊接方法，其中在钢板叠接面之间放置Cu、Al、Zn/Al和Al-Sn等金属箔，利用合金元素与锌的冶金反应降低锌蒸气对焊接过程的影响，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板叠接接头焊缝飞溅和气孔等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：预置金属箔增加了工艺复杂性，且预置的合金元素会带来新的焊接问题，如氧化、接头软化、耐蚀性降低等。
工业应用中，激光焊接镀锌钢板叠接接头通常为激光深熔焊接模式。这种模式下，材料在高能量密度激光的直接辐照下，发生熔化甚至气化，在蒸发压力作用下熔池表面下陷形成“匙孔”（也称小孔），激光束通过小孔深入到材料内部，同时，小孔内部的蒸发金属蒸汽继续在高能量密度激光的作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成一团光致等离子体。小孔效应（即形成小孔和等离子体）是激光深熔焊接的本质特征，因此又称激光深熔焊接为小孔模式焊接。小孔的张开和闭合受小孔壁的压力平衡直接影响的。换言之，小孔的稳定维持是孔壁压力平衡的结果。已有研究表明，镀锌钢板激光叠接焊接时飞溅、气孔、未熔合等缺陷的形成与锌蒸汽干扰小孔直接相关。
发明内容
在本发明的目的是解决目前镀锌钢板叠接接头激光焊接过程中，焊接过程极不稳定，易出现飞溅、气孔、未熔合等缺陷的问题。
本发明的技术方案是提供一种镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于。
步骤1，提供母材并使其定位。
步骤2，提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器、传输光纤、焊接机械手、与激光发生器连接的激光焊接头、高压气柱喷嘴、保护气体喷管、温度传感器，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管对准焊接位置，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管能相对母材移动，温度传感器置于焊接起始点下方用于实时采集母材背面温度。
步骤3，启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光焊接头发射的激光束垂直辐照工件上表面。
步骤4，温度传感器实时采集母材背面温度，当采集到的温度达到或超过母材气化的温度值时，转动激光焊接头与高压气柱喷嘴，使得激光焊接头相对工件上表面倾斜，高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面。
步骤5，控制高压气柱喷嘴供气阀门，使高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头继续施焊。
步骤6，达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴和保护气体喷管开关，关闭激光发生器，完成焊接过程。
进一步地，在步骤1中，母材为带有两面镀锌层的镀锌钢板，并采用夹具夹紧上下两个母材，保证叠接上下母材板间间隙为零。
进一步地，在步骤2中，激光焊接系统还包括具有焊接机械手的机械手控制系统，激光焊接头固定在焊接机械手上，能随机械手旋转任意角度，高压气柱喷嘴与保护气体喷管均和激光焊接头相连。
进一步地，在步骤2中，高压气柱喷嘴与激光焊接头两者所成夹角α为5°~ 20°，保护气体喷管与工件表面所成夹角β为15°~ 60°。
进一步地，在步骤5中，温度传感器实时采集到母材背面温度后，将信号传输给红外温度采集系统，红外温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断母材背面温度是否达到或超过母材气化的温度值，当温度达到或超过母材气化的温度值时，处理系统向机械手控制系统发出偏转角度的信号，机械手控制系统控制焊接机械手末端轴旋转，使得激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，且高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面。
进一步地，在步骤6中，通过机械手控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门。
进一步地，步骤6中，高压喷射的惰性气体气柱直径小于焊接小孔直径。
本发明的有益效果是。
（1）本发明的技术方案，采用高压微细气柱辅助维持小孔，直接与叠接处锌蒸汽作用，压制锌蒸汽干扰焊接小孔和熔池，提高了焊接小孔和熔池稳定性，从而克服了镀锌钢板激光叠接焊接时焊接过程不稳定，易发生飞溅、气孔和未熔合等缺陷的问题。
（2）本发明的技术方案，采用高压微细气柱辅助维持小孔，避免了激光穿透焊接激光能量穿过小孔产生的溢出损失，提高激光的能量利用率40%以上，因此，在获得同样焊缝熔深的情况下，可以减小激光功率，从而降低成本。
（3）本发明中由于采用微细高压气柱辅助焊接，高压气柱吹散小孔上方以及小孔内部大部分金属蒸气和等离子体，很大程度上减少了金属蒸气和等离子体对激光的辐射和吸收，提高了激光利用率。
（4）在本发明中高压微细气柱吹走小孔内金属蒸气和金属颗粒，减少焊接飞溅。
（5）在本发明中高压微细气柱维持小孔，激光只要用来熔融母材，进而可以降低激光能量的输入，减小焊接变形。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种镀锌钢板激光叠接焊接方法涉及的设备与母材布置示意图。
图2是本发明实施例所述激光焊接起始阶段未熔透时焊接区示意图。
图3是本发明实施例所述激光焊接刚熔透时焊接区示意。
图4是本发明实施例所述气柱辅助激光焊区示意图。
其中：1、第一母材，2、第二母材、3、保护气体喷管，4、固定支架，5、高压气柱喷嘴，6、焊接头，7、激光束，8、机械手，9、计算机，10、温度传感器，11、焊接方向，12、金属颗粒，13、金属蒸汽/光致等离子体，14、焊接小孔，15、焊接熔池，16、高压气柱，17、凝固焊缝，18、传输光纤，19、激光发生器，20锌蒸汽，21、镀锌层。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例使用的激光焊接系统包括激光发生器19、传输光纤18、焊接机械手8、通过传输光纤18与激光发生器19连接且安装于焊接机械手8的激光焊接头6、高压气柱喷嘴5、保护气体喷管3、温度传感器10、机械手控制系统。
高压气柱喷嘴与保护气体喷管均和激光焊接头通过固定支架4相连，使激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管能相对母材同步移动，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管设置为均对准焊接位置，且激光焊接头、高压气柱喷嘴与母材表面的交点前后布置，相隔一定距离。
温度传感器10置于焊接起始点下方用于实时采集母材背面温度。
机械手控制系统能控制焊接机械手使激光焊接头旋转任意角度。
激光焊接系统还包括与温度传感器相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统（即图1中所示计算机9），温度传感器实时采集到母材背面温度后，将信号传输给红外温度采集系统，红外温度采集系统将温度传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断母材背面温度是否达到或超过母材气化的温度值，当温度达到或超过母材气化的温度值时，处理系统向机械手控制系统发出偏转角度的信号。
如图2至图4所示，本实施例所述一种镀锌钢板激光叠接焊接方法包括以下具体步骤。
步骤1，提供母材（包括第一母材1与第二母材2），且均为带有两面镀锌层的镀锌钢板，并采用夹具夹紧第一母材1与第二母材2，保证叠接第一母材1与第二母材2上下板间间隙为零。
步骤2，提供上述激光焊接系统；本实施例中，高压气柱喷嘴与保护气体喷管均和激光焊接头相连，从而只要控制其中一个即能使三者同步运动；与母材安装后，高压气柱喷嘴与激光焊接头两者所成夹角α为5°~ 30°，保护气体喷管与工件表面所成夹角β为15°~60°。
步骤3，启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光焊接头发射的激光束7垂直辐照工件上表面，沿焊接方向11进行焊接，母材在高能量密度激光的直接辐照下，发生熔化形成焊接熔池15，冷却后形成凝固焊缝17。
步骤4，温度传感器实时采集母材背面温度，当采集到的温度达到或超过母材气化的温度值时，转动激光焊接头与高压气柱喷嘴，使得激光焊接头相对工件上表面倾斜，高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面；具体方式为：温度传感器实时采集到母材背面温度后，将信号传输给红外温度采集系统，红外温度采集系统将温度传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断母材背面温度是否达到或超过母材气化的温度值，当温度达到或超过母材气化的温度值时，处理系统向机械手控制系统发出偏转角度的信号，机械手控制系统控制焊接机械手末端轴旋转，使得激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，且高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面。
步骤5，通过机械手控制系统发信号控制高压气柱喷嘴供气阀门，使高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱16贯穿在蒸发压力作用下焊接熔池15表面下陷形成的焊接小孔14，激光焊接头继续施焊；本实施例中，高压喷射的惰性气体气柱直径小于焊接小孔直径，惰性气体气柱直径为0.1 ~ 1 mm，高压喷射的惰性气体气柱压力为1 ~ 10 bar；高压气柱16能吹散小孔14上方以及小孔14内部大部分金属蒸气/等离子体13，很大程度上减少了金属蒸气和等离子体对激光的辐射和吸收，提高了激光利用率；特别地，高压气柱16能压制第一母材1和第二母材2叠接处锌层蒸发产生的剧烈锌蒸汽20，避免了锌蒸汽20干扰焊接小孔14和熔池15的稳定性，使得镀锌钢板激光叠接焊接过程稳定性得到大大提高，飞溅、气孔和未熔透缺陷得到极大改善。
步骤6，达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴和保护气体喷管开关，关闭激光发生器，完成焊接过程。
Claims (10)
1.一种镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：
步骤1，提供母材并使其定位；
步骤2，提供激光焊接系统，激光焊接系统包括激光发生器、传输光纤、焊接机械手、与激光发生器连接的激光焊接头、高压气柱喷嘴、保护气体喷管、温度传感器，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管对准焊接位置，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管能相对母材移动，温度传感器置于焊接起始点下方用于实时采集母材背面温度；
步骤3，启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光焊接头发射的激光束垂直辐照工件上表面；
步骤4，温度传感器实时采集母材背面温度，当采集到的温度达到或超过母材气化的温度值时，转动激光焊接头与高压气柱喷嘴，使得激光焊接头相对工件上表面倾斜，高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面；
步骤5，控制高压气柱喷嘴供气阀门，使高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头继续施焊；
步骤6，达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴和保护气体喷管开关，关闭激光发生器，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤1中还包括母材为带有两面镀锌层的镀锌钢板，并采用夹具夹紧上下两个母材，保证叠接上下母材板间间隙为零。
3.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤2激光焊接系统还包括具有焊接机械手的机械手控制系统，激光焊接头固定在焊接机械手上，能随机械手旋转任意角度，高压气柱喷嘴与保护气体喷管均和激光焊接头相连。
4.根据权利要求3所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：高压气柱喷嘴与激光焊接头两者所成夹角α为5°~ 20°，保护气体喷管与工件表面所成夹角β为15°~ 60°。
5.根据权利要求3或4所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：激光焊接系统还包括与温度传感器相连的温度采集系统、与温度采集系统及机械手控制系统相连的处理系统，步骤5中，温度传感器实时采集到母材背面温度后，将信号传输给红外温度采集系统，红外温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，并传输给处理系统，处理系统判断母材背面温度是否达到或超过母材气化的温度值，当温度达到或超过母材气化的温度值时，处理系统向机械手控制系统发出偏转角度的信号，机械手控制系统控制焊接机械手末端轴旋转，使得激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，且高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面。
6.根据权利要求5所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：处理系统包括用于判断母材背面温度是否达到或超过母材气化的温度值的处理模块、连接温度传感器与处理模块的图像采集卡、连接处理模块与机械手控制系统的I/O单元，步骤5中，图像采集卡将视频信号转化为数字信号发送给处理模块，当处理模块决断温度达到或超过母材气化的温度值时，处理模块通过I/O单元向机械手控制系统发出偏转角度的信号。
7.根据权利要求3所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤6中，通过机械手控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门。
8.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤6中，高压喷射的惰性气体气柱直径小于焊接小孔直径。
9.一种镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：选择母材为带有两面镀锌层的镀锌钢板，采用夹具夹紧上下两个母材，保证叠接上下母材板间间隙为零；
步骤2：激光焊接头固定在焊接机械手上，可随机械手旋转任意角度；
步骤3：高压气柱喷嘴与激光焊接头相连，两者所成夹角α为5°~ 30°；
步骤4：焊接保护气体喷管与激光焊接头相连，与工件表面所成夹角β为15°~ 60°；
步骤5：将温度传感器安装在焊接平台下方，要求焊接起始阶段能实时采集到母材背面温度；
步骤6：启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光束垂直辐照工件上表面；
步骤7：温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过母材气化的温度值时，计算机向控制系统发出偏转角度的信号，通过I/O单元发给机械手控制系统，焊接机械手末端轴旋转，使得高压气柱喷嘴处于竖直方向；
步骤8：机械手控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门，高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，继续施焊；
步骤9：达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴开关，关闭激光发生器，关闭保护气体开关，焊接机械手复位，完成焊接过程。
10.根据权利要求9所述的镀锌钢板激光叠接焊接方法，其特征在于：步骤8中，机械手控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门，高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动。
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