CN108453374A - 一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置 - Google Patents

一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置，所述铝合金的双光束激光焊接方法包括步骤：将高功率半导体激光器、单模光纤激光器同时作为焊接光源，其中，高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；焊接铝合金时，将两个激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头，共同作用于焊接件上，其中，高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。本发明通过选择不同波长、不同光斑尺寸的两束激光共同作用于同一熔池，通过调整两束激光的能量分布，改变匙孔的存在模式及熔池的流动方式，从而提高焊接稳定性以提高铝合金焊缝质量，减少气孔缺陷。

Description

一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置。
背景技术
铝及铝合金具有质量轻、比强度高、无磁性、耐锈蚀、热稳定性好等优点，广泛应用于机械五金、电子电气、电池工业、消费类电子产品等诸多领域、众多产品上。随着工业企业对铝及铝合金材质使用量的日益增加，以及焊接结构的大量使用，铝及铝合金焊接技术也越来越显现其重要性。现代焊接技术，尤其是激光焊接技术的发展，促进了铝及铝合金焊接技术的进步。
激光焊接技术作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，由于具有其他熔焊方法无法比拟的优势越来越受到人们的关注和认可，已经取得长足的发展并成功应用到机械制造、航空航天、新能源汽车制造、动力电池、消费电子等工业领域。虽然用激光焊接铝合金具有很多优势，但铝及铝合金在焊接过程中激光热源与材料复杂的相互作用，以及铝合金本身特殊的物理性能，焊接时存在对激光反射率高、合金元素烧损严重、焊接过程不稳定、易产生气孔缺陷等问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置，从而克服现有的铝及铝合金焊接时存在对激光反射率高、合金元素烧损严重、焊接过程不稳定、易产生气孔缺陷等的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种铝合金的双光束激光焊接方法，其中，包括步骤：
将高功率半导体激光器、单模光纤激光器同时作为焊接光源，其中，高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；
焊接铝合金时，将两个激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头，共同作用于焊接件上，其中，高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其中，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.6～1.6mm。
所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其中，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.2～0.8mm。
所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其中，焊接铝合金时，焊接速度为20～200mm/s。
所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其中，焊接铝合金时，采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min。
本发明还提供一种铝合金的双光束激光焊接装置，其中，包括：高功率半导体激光器、单模光纤激光器、焊接头，其中，高功率半导体激光器、单模光纤激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头上，用于作为焊接光源共同作用于焊接件上；所述高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其中，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.6～1.6mm。
所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其中，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.2～0.8mm。
所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其中，所述高功率半导体激光器激光波长为800～1100nm。
所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其中，所述单模光纤激光器激光波长1060～1070nm。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置，本发明通过选择不同波长、不同光斑尺寸的两束激光共同作用于同一熔池，通过调整两束激光的能量分布，改变匙孔的存在模式及熔池的流动方式，从而提高焊接稳定性以提高铝合金焊缝质量，减少气孔缺陷。
附图说明
图1为本发明铝合金的双光束激光焊接装置的结构示意图。
图2为本发明铝合金的双光束激光焊接方法的流程图。
图3为本发明铝合金的双光束激光焊接方法的焦斑分布方式图。
图4为铝合金的双光束激光焊接方法的双光束与材料的相互作用图。
图5为铝合金的双光束激光焊接方法的匙孔模式及熔池流动图。
图6为实施例1的焊缝截面图。
图7为实施例2的焊缝截面图。
图8为实施例3的动力电池焊缝效果示意图。
图9为实施例3的焊缝截面图。
具体实施方式
本发明提供一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的铝合金的双光束激光焊接装置，如图1所示，包括：高功率半导体激光器1、单模光纤激光器2、焊接头3，其中，高功率半导体激光器1、单模光纤激光器2各自发出的激光光束a和b耦合聚焦到焊接头3上，达到双光束复合效果，用于作为焊接光源c共同作用于焊接件上，其中，可以采用组合透镜的耦合方式耦合光束；所述高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
本发明选用高功率半导体激光器及单模光纤激光器作为焊接光源，根据两款激光器的任意功率组合可得到不同的焊缝截面形状，如：半圆型、Y型、V型、U型焊缝等，其中单模光纤激光器的激光功率优选为500～1500W。光斑尺寸采用特定比例的相互匹配关系，尺寸比例大于2；其中，所述高功率半导体激光器的光斑直径优选为0.6～1.6mm，所述单模光纤激光器的光斑直径优选为0.2～0.8mm。
进一步的，本发明所述高功率半导体激光器激光波长为800～1100nm。波长越短，金属材料对激光的吸收率越高，铝合金特别是对波长为800nm的激光的吸收率有明显的上升。所述单模光纤激光器激光波长为1060～1070nm。
参见图1、图4、图5所示，本发明将两束激光通过双光束复合头聚焦共同作用于同一熔池。参见图3、图4、图5所示，半导体激光光斑尺寸较大，与光纤激光共同作用于同一熔池时可作为焊前预热、焊后热处理热源并在焊接过程中扩大深熔焊小孔上端的开口，增强小孔的稳定性；光纤激光能量密度高、穿透力强，作为焊接热源实现铝合金深熔焊接。两束激光共同作用，改变匙孔的存在模式及熔池的流动方式，从而增加焊接过程稳定性和降低气孔率，有效减少铝合金焊缝气孔缺陷。
本发明所述高功率半导体激光器光束能量分布均匀，具体实施时，可以选择激光光束参数积BPP为32mm*mrad、准直透镜焦长60mm、聚焦透镜焦长250mm、光纤芯径400um、光斑尺寸为1.6mm、2.5KW高功率半导体激光器实现铝合金的加热和熔化。本发明所述单模光纤激光器光束质量好，能量密度高，穿透力强，具体实施时，可以选择激光光束参数积BPP为1.2mm*mrad、激光波长1060nm、准直透镜焦长150mm、聚焦透镜焦长250mm、光纤芯径50um、光斑尺寸0.8mm的单模光纤激光器实现铝合金的深熔焊接。
本发明通过选择不同波长、不同光斑尺寸的两束激光共同作用于同一熔池，通过调整两束激光的能量分布，改变匙孔的存在模式及熔池的流动方式，从而提高焊接稳定性以提高铝合金焊缝质量，减少气孔缺陷。
基于以上的铝合金的双光束激光焊接装置，本发明提供的一种铝合金的双光束激光焊接方法，如图2所示，包括：
步骤S100、将高功率半导体激光器、单模光纤激光器同时作为焊接光源，其中，高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；以及
步骤S200、焊接铝合金时，将两个激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头，共同作用于焊接件上，其中，高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
进一步的，所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其中，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.6～1.6mm，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.2～0.8mm。所述高功率半导体激光器激光波长为800～1100nm，所述单模光纤激光器激光波长1060～1070nm。
进一步的，焊接铝合金时，焊接速度过大易导致造成小孔闭合而在焊缝中形成较大的气孔缺陷，本发明优选的焊接速度为20～200mm/s。为维持等离子体稳定，以防止出现焊接过程光束屏蔽，从而导致能量衰减，焊接时采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min。
铝合金焊接的不稳定体现在小孔和熔池的不稳定行为，易于形成焊缝下塌或咬边，严重时造成小孔闭合而在焊缝中形成较大的气孔缺陷。本发明涉及一种不同波长、不同光斑尺寸的双光束激光焊接方法，通过改变匙孔的存在模式与熔池的流动方式以提高铝合金焊接过程的稳定性，从而提高焊缝质量、减少铝合金焊缝气孔缺陷。
下面以具体实施例对本发明做详细说明：
实施例1：
本实施例针对3003铝合金板进行叠焊。试验时，将3003铝合金板结合面用600目砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，去除表面氧化层和油污。在激光焊接过程中，用琴键式夹具夹紧焊件，防止焊后试件产生波浪式变形。焊接工艺参数为：高功率半导体激光输出功率2500W、单模光纤激光输出功率1500W、焊接速度200mm/s。焊接时采用氩气进行保护，氩气流量为15L/min。如图6所示，焊缝表面光滑、平整、美观、无飞溅，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
实施例2：
本实施例针对6063铝合金板叠焊。试验时，将6063铝合金板结合面用用砂纸打磨，然后用无水乙醇清洗，去除表面氧化层和油污。焊接工艺参数为：高功率半导体激光输出功率2500W、单模光纤激光输出功率1500W、焊接速度50mm/s。焊接时采用氩气进行保护，氩气流量为15L/min。如图7所示，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
实施例3：
本实施例针对动力电池盖板与壳体进行焊接。动力电池的壳体材料采用3003铝合金，壳体与盖板的厚度基本为0.8mm。3003铝合金焊接的难点在于铝合金对激光束的高初始反射率及其本身的高导热性，使得铝合金在未熔化前对激光的吸收率低，由于铝的电离能低，焊接过程中光致等离子体不易于扩散，使得焊接稳定性差。另外，焊接过程中合金元素的烧损，使铝合金焊接接头的力学性能下降。由于焊接过程中气孔敏感性高，焊接时不可避免地会出现一些问题缺陷，其中最主要的是气孔和热裂纹。铝合金的激光焊接过程中产生的气孔主要有两类：氢气孔和匙孔破灭产生的气孔。由于激光焊接的冷却速度太快，氢气孔问题更加严重，并且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。经过工艺参数优化，选用高功率半导体激光输出功率2300W、单模光纤激光输出功率1500W、焊接速度200mm/s。如图8、图9所示，焊缝表面光滑、平整、美观、无飞溅，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝合金的双光束激光焊接方法，其特征在于，包括步骤：
将高功率半导体激光器、单模光纤激光器同时作为焊接光源，其中，高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；
焊接铝合金时，将两个激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头，共同作用于焊接件上，其中，高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
2.根据权利要求1所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.6～1.6mm。
3.根据权利要求1所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.2～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其特征在于，焊接铝合金时，焊接速度为20～200mm/s。
5.根据权利要求1所述的铝合金的双光束激光焊接方法，其特征在于，焊接铝合金时，采用氩气进行保护，氩气流量为10～15L/min。
6.一种铝合金的双光束激光焊接装置，其特征在于，包括：高功率半导体激光器、单模光纤激光器、焊接头，其中，高功率半导体激光器、单模光纤激光器各自发出的激光光束耦合聚焦到焊接头上，用于作为焊接光源共同作用于焊接件上；所述高功率半导体激光器的激光功率为2～3KW；高功率半导体激光器的光斑直径：单模光纤激光器的光斑直径＝(2～4):1。
7.根据权利要求6所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其特征在于，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.6～1.6mm。
8.根据权利要求6所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其特征在于，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.2～0.8mm。
9.根据权利要求6所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其特征在于，所述高功率半导体激光器激光波长为800～1100nm。
10.根据权利要求6所述的铝合金的双光束激光焊接装置，其特征在于，所述单模光纤激光器激光波长1060～1070nm。
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