CN107971650A - 一种车用钢-铝叠接接头焊接方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车用钢‑铝叠接接头激光焊接方法，其特征在于：步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件与第二工件；步骤2、将第一工件和第二工件上下垂直叠接并夹紧；步骤3、提供激光切割系统；步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统中激光焊接头，送丝头与激光切割头在焊接方向上串行成列设置；步骤5、启动激光切割系统，激光切割头聚焦形成的高能量激光束垂直辐照第一工件表面；步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头、送丝头沿着激光切割头的轨迹进行熔钎焊接，完成焊接过程。本发明还公开一种车用钢‑铝叠接接头激光焊接系统。相对于现有技术，本发明具有良好的焊接效果，且工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种切割焊接领域，尤其涉及一种车用钢-铝叠接接头焊接方法与系统。
背景技术
伴随世界各国节能减排政策的出台，汽车轻量化设计理念及低碳环保的产品越来越受到消费者的青睐。钢-铝异种金属的复合结构在汽车，机车等运载工具领域已然表现出了巨大的应用前景。因此，解决钢-铝异种金属的连接成为当务之急。对于钢-铝异种金属，由于两者的材料热物理，化学性能差异较大，熔化焊接时在连接界面会产生大量脆性的金属间化合物，严重影响连接接头的力学性能。为了避免钢-铝异种金属在液态下发生冶金反应，人们提出用固态焊接方法进行连接，如摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、磁脉冲焊等。这些固态焊接方法能够实现异种材料的连接，但其适用范围较小，存在各种各样的局限性而难以满足生产应用要求。比如搅拌摩擦焊（CN 103894724 B），焊接过程中存在较大机械力输入，不能适用于车身覆盖件中钢-铝异种金属叠接接头的连接。
为了实现钢-铝异种金属的良好连接，人们提出熔-钎焊方法，这种焊接方法是使钢-铝异种金属中的铝合金和填充的焊丝材料受热熔化，而钢却处在固态下，即对铝合金是熔焊，而对钢是钎焊。对于钢-铝异种金属对接接头（CN 102615398 B、CN 106513892 A）、搭接接头（CN 106624281 A），利用这种焊接方法可以实现连接。而对于钢-铝异种金属叠接接头，通常需要依靠添加冶金粉末改善界面化合物相（CN 106378530 A），辅助工艺较复杂。采用激光束直接辐照在钢-铝异种金属叠接接头的焊接方法，只能熔化位于搭接接头上方的钢板或铝板，此时激光束能量将聚集在钢-铝异种金属叠接界面，从而生成大量脆性金属间化合物。
发明内容
本发明的目的是解决车用钢-铝叠接接头激光焊接过程中易出现脆性金属间化合物，结合界面小，接头强度低等问题。
本发明提供一种车用钢-铝叠接接头焊接方法，包括如下步骤。
步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件与第二工件。
步骤2、将第一工件和第二工件上下垂直叠接并夹紧。
步骤3、提供激光切割系统，激光切割系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第二传输光纤、激光切割头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第二传输光纤与激光切割头相连。
步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第三传输光纤、激光焊接头、送丝头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第三传输光纤与激焊接头相连，激光焊接头、送丝头与激光切割头在焊接方向上串行成列设置。
步骤5、启动激光切割系统，激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件表面，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝。
步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头聚焦形成的第二激光束辐照第一工件表面，第二激光束中心线与激光切割缝的宽度方向对称面重合，激光焊接头、送丝头跟随激光切割头的轨迹进行填丝熔钎焊接，完成焊接过程。
在其中一实施例中，步骤1中，第一工件和第二工件分别为车用钢材、铝合金。
在其中一实施例中，步骤1中，第一工件和第二工件厚度为0.8~2 mm。
在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头聚焦形成的第一激光束激光功率为2~6 kW。
在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头聚焦形成的第一激光束焦斑直径为Φ0.2~Φ0.5 mm，焦点功率密度为106 ~107 W/cm2。
在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头输出的激光束可以是光纤激光，碟片激光，或CO2激光。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束激光功率为1~2.5 kW。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束焦斑直径为Φ0.6~Φ1.5 mm。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,填充焊丝为Al-Si系焊丝。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,填充焊丝直径为Φ0.5~Φ1.0mm。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,激光焊接头聚焦形成的第二激光光束中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。
在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,送丝头的送丝角度β为30°~75°。
在其中一实施例中，步骤5中，激光切割系统中,激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件和第二工件叠接接头，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝。
本发明还提供一种车用钢-铝叠接接头焊接系统，其特征在于，包括激光切割系统和激光熔钎焊接系统，激光切割系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第二传输光纤、激光切割头，激光熔钎焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、第三传输光纤、分光器、激光焊接头、送丝头，激光切割系统中激光切割头聚焦形成的第一激光束、激光熔钎焊接系统中送丝头和激光焊接头聚焦形成的第二激光束在焊接方向上串行成列设置，激光切割系统和激光熔钎焊接系统中激光切割头和激光焊接头固定连接在机械手末端的连接法兰上。
在其中一实施例中，激光切割系统中,还包括与激光切割头对应设置的第一保护气喷嘴，第一保护气喷嘴固定在激光切割头的第一固定支架上。
在其中一实施例中，激光熔钎焊接系统中,还包括与激光焊接头对应设置的第二保护气喷嘴，送丝头、第二保护气喷嘴分别固定在激光焊接头的第二固定支架和第三固定支架上。
在其中一实施例中，激光熔钎焊接系统中激光焊接头中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。
在其中一实施例中，激光熔钎焊接系统中送丝头的送丝角度β为30°~ 75°。
在其中一实施例中，激光切割系统中激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件和第二工件叠接接头，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝。
本发明的有益效果是。
1）在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钢-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝，将钢-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钢-铝异种金属对接接头，从而增大了钢-铝异种金属叠接接头的结合面积，大幅提高了钢-铝异种金属连接强度。
2) 在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钢-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝，将钢-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钢-铝异种金属对接接头，能够有效避免叠接接头焊接时激光束能量聚集在钢-铝异种金属叠接界面而生成大量脆性金属间化合物的问题，从而提高了钢-铝异种金属连接强度。
3）本发明无需钎剂和复杂的设备，操作简单，过程稳定性好，更适宜于生产实际。
附图说明
图1是本发明实施例一种车用钢-铝叠接接头激光焊接方法与系统的设备与母材布置示意图。
图2是图1所示方法中激光焊接区纵截面示意图。
图3是激光切割缝横截面示意图。
图4是激光熔钎焊焊缝横截面示意图。
图5钢-铝叠接接头常规激光焊接的焊缝示意图。
其中：1-第一工件，2-第二工件，3-焊丝，4-送丝头，5-激光切割缝， 6-第一激光束，7-第一保护气喷嘴，8-激光切割头，9-第一固定支架， 10-第二固定支架，11-激光发生器，12-第一传输光纤，13-分光器，14-第二传输光纤，15-第三传输光纤，16-激光焊接头，17-连接法兰，18-机械手，19-第三固定支架，20-第二激光束，21-第二保护气喷嘴，22-激光熔钎焊焊缝,23-激光熔钎焊熔池，24-激光切割熔渣，25-激光切割熔融金属区，26-焊接方向。
具体实施方式
以下将结合附图1-5以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
该实施例提供了一种车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，其步骤包括。
步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2分别为车用钢板和铝合金板，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一工件1与第二工件2的厚度为0.8~3 mm。
步骤2、除去第一工件1和第二工件2上下表面上的杂质，用焊接夹具将第一工件1和第二工件2准确上下垂直叠接并夹紧，使得第一工件1和第二工件2在焊接夹具装夹下紧密贴合，即叠接板间间隙为零，从而可大大减少了焊装夹具的调整时间。
步骤3、提供激光切割系统，激光切割系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第二传输光纤14、激光切割头8，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第二传输光纤14与激光切割头8相连，第一固定支架9固定第一保护气喷嘴7。
激光切割头8聚焦形成的第一激光束6激光功率为2~6kW，焦点功率密度为106 107 W/cm2，焦斑直径为Φ0.2~Φ0.5 mm。激光切割头9聚焦形成的第一激光束6可以是光纤激光，碟片激光，或CO2激光。
步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第三传输光纤15、激光焊接头16、送丝头4，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第三传输光纤15与激光焊接头16相连，激光焊接头16、送丝头4与激光切割头8在焊接方向上串行成列设置，第二固定支架10和第三固定支架19分别固定送丝头4和第二保护气喷嘴21。
激光焊接头聚焦形成的第二激光束20激光功率为1~2.5 kW，焦斑直径为Φ0.6~Φ1.5 mm；第二激光束20中心线与竖直方向的夹角α为0~30°；送丝头4的送丝角度β为30°~75°。
步骤5、启动激光切割系统，激光切割头8聚焦形成的第一激光束6垂直辐照第一工件1表面，形成激光切割熔融金属区25，得到激光切割缝5，大量的激光切割熔渣24从底部喷出。
步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头16聚焦形成的第二激光束20辐照送丝头输送的焊丝3，填充焊丝为Al-Si系焊丝，焊丝3直径为Φ0.5~Φ1.0 mm；激光焊接头16、送丝头4跟随激光切割头8的轨迹同步进行激光熔钎焊接，形成激光熔钎焊熔池23，得到激光熔钎焊焊缝22，完成焊接过程。
本发明实施例中还提供了一种车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，包括激光切割系统和激光熔钎焊接系统。
可选地，激光切割系统包括激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第二传输光纤14、激光切割头8、第一固定支架9、第一保护气喷嘴7。
可选地，激光熔钎焊接系统包括激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第三传输光纤15、焊丝3、第二固定支架10、送丝头4、第二保护气喷嘴21、第三固定支架19、激光焊接头16。
可选地，第二激光束20中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。
可选地，送丝头4的送丝角度β为30°~75°。
在本发明中，采用高能量激光束先对钢-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件1和第二工件2的激光切割缝5，将叠接接头转变为具有一定间隙的对接接头，从而增大了钢-铝异种金属叠接界面的结合面积，大幅提高了钢-铝异种金属连接强度。
在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钢-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件1和第二工件2的激光切割缝5，将钢-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钢-铝异种金属对接接头，能够有效避免叠接接头焊接时激光束能量聚集在钢-铝异种金属叠接界面（图5所示）而生成大量脆性金属间化合物的问题，从而提高了钢-铝异种金属连接强度。
Claims (10)
1.本发明提供一种车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，包括如下步骤：
步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件与第二工件，第一工件与第二工件分别为车用钢材、铝合金；
步骤2、将第一工件和第二工件上下垂直叠接并夹紧；
步骤3、提供激光切割系统，激光切割系统具有激光发生器、第一传输光纤、第二传输光纤、分光器、激光切割头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第二传输光纤与激光切割头相连；
步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第三传输光纤、激光焊接头、送丝头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第三传输光纤与激光焊接头相连，激光焊接头、送丝头与激光切割头在焊接方向上串行成列设置；
步骤5、启动激光切割系统，激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件表面，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝；
步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头聚焦形成的第二激光束辐照第一工件表面，第二激光束中心线与激光切割缝的宽度方向对称面重合，激光焊接头、送丝头跟随激光切割头的轨迹进行填丝熔钎焊接，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，其特征在于：步骤3中，激光切割系统中，激光切割头聚焦形成的第一激光束焦斑直径为Φ0.2~Φ0.5 mm，功率为2~6kW，焦点功率密度为106 ~107 W/cm2。
3.根据权利要求1所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，其特征在于：步骤4中，激光填丝焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束激光焦斑直径为Φ0.6~Φ1.5 mm，功率为1~2.5 kW。
4.根据权利要求1所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，其特征在于：步骤4中，激光熔钎焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。
5.根据权利要求1所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接方法，其特征在于：步骤4中，激光切割系统中，送丝头的送丝角度β为30°~75°。
6.一种车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，其特征在于，包括激光切割系统和激光熔钎焊接系统二个子系统，激光切割系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第二传输光纤、激光切割头，激光熔钎焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第三传输光纤、激光焊接头、送丝头，激光切割系统中激光切割头聚焦形成的第一激光束、激光熔钎焊接系统中送丝头和激光焊接头聚焦形成的第二激光束在焊接方向上串行成列设置，激光切割系统和激光熔钎焊接系统中激光切割头和激光焊接头固定连接在机械手末端的连接法兰上。
7.根据权利要求8所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，其特征在于：激光切割系统中还包括与激光切割头对应设置的第一保护气喷嘴，第一保护气喷嘴固定在激光切割头的第一固定支架上。
8.根据权利要求8所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，其特征在于：激光熔钎焊接系统中还包括与激光焊接头对应设置的第二保护气喷嘴，送丝头、第二保护气喷嘴分别固定在激光焊接头的第二固定支架和第三固定架上。
9.根据权利要求8所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，其特征在于：激光熔钎焊接系统中激光焊接头中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。
10.根据权利要求8所述的车用钢-铝叠接接头激光焊接系统，其特征在于：激光熔钎焊接系统中送丝头的送丝角度β为30°~ 75°。
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