CN108326425B - 一种焦点平面旋转激光点焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种焦点平面旋转激光点焊焊接方法，适用于金属材料的激光点焊。特征在于，激光光斑在工件表面上做小半径、高频、匀速圆周运动。焊接时，焦点旋转频率10～120HZ；焦点旋转半径1.0～2.5mm；激光功率600～3000W；点焊时间0.4～3.0S；离焦量‑3～+3mm。本发明的有益效果是：通过匹配焦点旋转参数与焊接工艺参数，获得了基于热导焊的重复焊接热积累模式下的新型焊缝形貌，其宽深比(有效熔宽/熔深)大，且无气孔、裂纹、下榻等缺陷。与传统激光点焊相比，其焊接过程稳定且焊缝质量更好，有效熔宽(熔合面熔宽)受搭接界面间接触热阻的影响可以忽略，焊缝宽深比大大增加，具有明显工艺优势。

Description

一种焦点平面旋转激光点焊焊接方法

技术领域

本发明涉及一种可获取大宽深比(有效熔宽w/熔深h)点焊焊缝形貌的焦点旋转激光点焊焊接方法，具体方法为采用光束调控方式使得激光焦点做小半径高频匀速旋转，从而进行快速重复焊接。该焊接方法可以获得宽深比(w/h)较大的点焊焊缝形貌，改变了传统激光点焊的大深宽比“钉头”焊缝形貌，在薄板构件以及一些特殊构件的点焊中有明显的优势，属于材料加工技术领域。

背景技术

在激光加工领域，激光点焊相比电阻点焊具有众多的优点，如精度高、能量控制精准、穿透性好、焊接热变形小等，其逐渐作为一种代替技术广泛应用与航空航天、汽车船舶制造等领域。作为一种先进的点焊方式，其自身也存在一些局限性，特别是对于大功率激光点焊，一般为深熔模式点焊，其过程剧烈，容易产生大颗粒飞溅行为，且极快的加热和冷却速度下容易产生气孔、裂纹、下榻等缺陷。传统激光点焊“钉头”形焊缝形貌是其穿透性较好的原因，但是对于某些薄壁构件的搭接点焊，搭接界面间接触热阻的存在使得点焊过程中深熔小孔外围热量向下传输受限，熔池向下流动受阻，从而使得有效熔宽(熔合面熔宽)局限于深熔小孔外围很小的范围，最终焊缝形貌由“钉头”形变为“T”字形，这样大大降低了焊点的力学性能。而且，对于某些要求非穿透焊的特殊复杂三维薄壁构件，其过大的熔深将容易使得构件焊穿。而采用激光焦点旋转的点焊方法，焊接过程稳定无飞溅，焊点无气孔、裂纹、下榻等缺陷，所获焊点质量优于传统激光点焊，且较大的宽深比(w/h)和特殊的点焊形貌使得其相比与传统激光点焊在薄壁构件的点焊中有明显的优势。

本方法采用一个楔形镜使激光束发生偏折，楔形镜在一个水平旋转电机的带动之下发生匀速水平旋转，从而实现了激光束匀速旋转(该旋转方法参照本课题组已获授权的发明专利“一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法”，专利号：201510907271X.)。高速旋转的偏转光束作用在工件表面，使得焦点在工件表面围绕一点做小半径高速旋转。在激光的持续作用下，对材料进行着快速而重复的焊接，最终形成一个焊点。本发明的重点在于，利用激光焦点的高频旋转，协调控制激光能量输入，使得单次激光焊接机理为热导焊接，激光的高频重复运动，使得作用区域热量不断积累，熔池的熔化行为不断加强，最终获得成形良好的“W”形焊缝形貌。其有效熔宽大，可大大提高焊点的力学性能；且熔深较小，在一些薄壁构件的点焊中可有效避免其焊穿。同时，由于本点焊方法的机理为热导焊的重复焊接热积累过程，因此焊接过程稳定无飞溅且焊点无下榻、裂纹、气孔等缺陷。本点焊方法相对传统的激光点焊，提高了焊点质量，而且其较大的宽深比(w/h)和特殊的点焊形貌在薄壁构件的激光点焊中有着显著的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦点旋转激光点焊焊接方法，可有效解决传统激光搭接点焊中界面热阻对焊点有效熔宽的限制，大幅提高焊点宽深比(w/h)，且焊接过程稳定、无飞溅、下榻、裂纹等缺陷，适用于金属材料的激光点焊。

所述的焦点平面旋转激光点焊焊接方法，其特征在于：通过光束调控使得激光焦点在工件表面上围绕一点做高频、小半径、匀速圆周循环往复运动。

所述的焦点平面旋转激光点焊焊接方法，其特征在于：激光点焊焊接为基于热导焊的重复焊接热积累效应，通过匹配激光功率与旋转频率使得单次焊接为热导焊，通过激光作用位置的高频圆周运动，使得作用区域热量不断积累，熔池的熔化行为不断加强，经过一定的焊接时间使环形熔池中间金属基体熔化而成圆形熔池，最终获得大宽深比(w/h)的点焊焊缝形貌。如宽深比(w/h)不低于2。

所述的焦点平面旋转激光点焊焊接方法，主要工艺参数水平为焦点光斑旋转半径为1.0～2.5mm，焦点旋转频率10～120HZ，激光功率600～3000W，点焊时间0.4～3.0s，离焦量为-3～+3mm。

焦点平面旋转激光点焊焊接方法，所得焊缝沿任一旋转直径方向的截面图形为“W”形焊缝形貌。

本发明包含以下有益效果：通过匹配焦点旋转参数与焊接工艺参数，获得了基于热导焊的重复焊接热积累模式下的新型焊缝形貌，其宽深比(w/h)大，且无气孔、裂纹、下榻等缺陷。与传统激光点焊相比，其焊接过程稳定且焊缝质量更好，特别在一些薄壁构件的搭接点焊中，有效熔宽受搭接界面间接触热阻的影响可以忽略，焊缝宽深比(w/h)大大增加，具有明显工艺优势。

附图说明

图1为焦点旋转激光点焊示意图；

图2为实施例1得到的焊点截面形貌及宽深比(w/h)；

图1中，1.楔形镜，2.激光束，3.聚焦镜，4.上板材料，5.焊点，6下板材料，θ为楔形镜倾斜角，δ为激光束偏转角，f为聚焦镜焦距，r为焦点旋转半径，w为有效熔宽(熔合面熔宽)，h为熔深。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

采用的设备包括：楔形透镜、聚焦透镜、上板材料、激光器。自上而下依次为激光器、楔形透镜、聚焦透镜、上板材料，激光器发出平行光束，平行光束垂直楔形透镜的上表面，然后通过楔形透镜的斜下表面直达聚焦透镜，通过聚焦透镜的聚焦和焦点偏移达到上板材料的表面，在焊接过程中，进行匀速旋转楔形透镜，进而使得焦点在上板材料做匀速圆周运动。

实施例1焊接工艺参数如下表所示：

其中，P为激光功率，t为点焊时间，DF为离焦量，规定焦点位于工件表面之上为正，F焦点旋转频率，r为焦点旋转半径，本实例所用激光器为IPG-YLS6000光纤激光器，聚焦镜焦距为300mm,保护气体为Ar气体，气体流量为15L/min；本实施例所用材料为GH3128薄板，点焊方式为搭接，上板厚度为1mm，下板厚度为3mm，焊前先打磨工件表面及搭接面除去氧化膜，再用丙酮去除杂质及油污。

从焊点截面形貌及宽深比(图2所示)可以看出，对于实施例1，传统激光点焊方式下，不同焊接参数下所得焊点截面形貌均为“T”字形，；有效熔宽(熔合面熔宽)受搭接界面间接触热阻的限制明显，使得有效熔宽(熔合面熔宽)小而表面熔宽大，不同参数下焊点宽深比(w/h)均较小。同时焊点质量差，存在气孔、下榻等缺陷。而焦点旋转激光点焊，在不同的旋转频率之下，采用优化的工艺参数，可以得到“W”形焊点截面形貌，从根本上解决了界面间接触热阻的影响，其有效熔宽大大增加，这大大提高了焊点的宽深比(w/h)。且焊点质量好，无裂纹、气孔、下榻等缺陷。说明在此实施例条件下，焦点旋转激光点焊与传统激光点焊相比，其焊点宽深比(w/h)大，且焊点质量更高，特别在激光薄板搭接焊上有着显著的优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种薄壁构件焦点平面旋转激光点焊焊接方法，其特征在于：通过光束调控使得激光焦点在工件表面上围绕一点做高频、小半径、匀速圆周循环往复运动;激光点焊焊接为基于热导焊的重复焊接热积累效应，通过匹配激光功率与旋转频率使得单次焊接为热导焊，通过激光作用位置的高频圆周运动，使得作用区域热量不断积累，熔池的熔化行为不断加强，经过一定的焊接时间使环形熔池中间金属基体熔化而成圆形熔池，最终获得大宽深比的点焊焊缝形貌；宽深比不低于2；

焊接时，主要工艺参数为：焦点光斑旋转半径为1.0~2.5 mm，焦点旋转频率10~60 HZ，激光功率600~3000 W，点焊时间0.4~3.0 s，离焦量为-3~+3 mm；

所得焊缝沿任一旋转直径方向的截面图形为“W”形焊缝形貌。

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