CN109048052B - 一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，包括：步骤S1、焊接前，将待焊接薄板试样表面进行预处理，将预处理后的试样进行预热处理；步骤S2、将预热处理后的薄板试样的待加工面朝上并固定在焊接工作台上；步骤S3、设置激光焊接工艺参数；步骤S4、采用“对称抛物线”型的变速扫描方法按照二次抛物线的变化规律控制扫描的速度对试样进行激光扫描焊接。本发明是在保证合理激光热输入的前提下，通过将常规恒定扫描速度改为“对称抛物线”型的扫描速度，来改善扫描线上温度和应力分布不均匀情况，减少焊道在起始端和末端所产生的凹坑塌陷，同时也能抑制薄板焊接时所发生的非期望弯曲变形。
Description
技术领域
本发明涉及薄板的激光焊接技术领域，特指一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，适合薄板的高效率高质量焊接。
背景技术
薄板金属广泛应用于医疗器械、微电子、精密仪器、汽车、航天航空等领域，在工程制造过程中涉及薄板金属的连接。薄板金属连接通常以焊接为主，其中激光焊接方法最具代表性，这种焊接方法具有能量密度高，热影响区小，焊接残余应力和应力应变小等优势，被逐渐推广应用到薄板金属的连接上。在激光焊接薄板时，主要是以金属薄板保持不动，激光焊接头沿着焊缝运动的方式进行焊接。由于激光焊接热量输入比较集中，在焊接金属薄板时，仍然存在较严重的弯曲变形问题，一直没有得到较好地解决，这导致产品尺寸精度的大幅度降低与偏差、性能降低、报废和失效，从而严重限制了其工程应用。
目前，针对薄板金属激光焊接出现的非期望弯曲变形问题，许多专家提出了许多不同的解决措施，其中发明相关的焊接夹具装置尤为常见。但由于现在许多焊接夹具设计的体积较为庞大，同时夹具本身具有较大高度，灵活调整性极差，造成了生产的困难。薄板焊接变形主要是由于扫描线上最高温度分布不均和板材厚度方向上的温度梯度分布不均匀造成。因此，通过控制合理的热输入来抑制薄板金属焊接的变形显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，通过控制合理的热输入来抑制薄板金属焊接的变形，从改变激光与工件的作用时间出发，通过改变常规的激光焊接扫描方法来改善激光能量的热输入，从而抑制金属薄板焊接件的变形问题，提高薄板焊接效率和质量。
本发明的技术方案是：采用薄板自由边刚性固定和“对称抛物线”型的变速扫描方法进行薄板的激光焊接，限制焊接工件的移动，调控激光能量的热输入，减少起始端和末端的凹坑塌陷，有效抑制焊接产生的弯曲变形。
一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，包括以下步骤：
步骤S1、焊接前，将待焊接薄板试样表面进行预处理，将预处理后的试样进行预热处理；
步骤S2、将预热处理后的薄板试样的待加工面朝上并固定在焊接工作台上；
步骤S3、设置激光焊接工艺参数；
步骤S4、采用“对称抛物线”型的变速扫描方法按照二次抛物线的变化规律控制扫描的速度对试样进行激光扫描焊接。
上述方案中，所述的待焊接薄板试样的厚度优选为0.5mm～2mm。
上述方案中，所述步骤S1中的预处理具体为：对待焊接薄板试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥。
上述方案中，所述步骤S1中将预处理后的试样放置于恒温箱中保温预热处理。
上述方案中，所述的预热处理温度为200℃，时间为1h。
上述方案中，所述步骤S2中通过夹具将薄板试样的双侧自由边压紧固定在焊接工作台上。
上述方案中，所述步骤S3中激光焊接工艺参数为：激光功率为2000W～2500W，离焦量为-3mm～+3mm，光斑直径为0.3mm～0.5mm。
上述方案中，所述步骤S4是在保护气体下进行激光扫描焊接的。
优选的，所述保护气体为高纯氩气，气体流量为15L/min～20L/min。
上述方案中，所述步骤S4中扫描的速度是先从速度V1减速到V2，再从V2加速到V1的规律变化。
优选的，所述步骤S4中扫描的速度先从35mm/s减速到20mm/s，再从20mm/s加速到35mm/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明是在保证合理激光热输入的前提下，通过将常规恒定扫描速度改为“对称抛物线”型的扫描速度，有效控制激光能量的热输入，来改善扫描线上温度和应力分布不均匀情况，减少焊道在起始端和末端所产生的凹坑塌陷，抑制薄板焊接时所发生的非期望弯曲变形，提高薄板焊接效率和质量；
2.本发明激光扫描线上的起始端和末端扫描速度较快，避免热量过多集中于起始端和末端而形成的下凹塌陷，同时减小了由两端应力而引起的翘曲变形，提高了焊接质量；
3.本发明减小了扫描线上中间段的焊接速度，为薄板厚度方向的热传递预留了较长的时间，降低了薄板厚度方向的温度梯度，减小了薄板的弯曲变形；
4.本发明采用两自由边对称夹紧约束，限制薄板加热所产生的垂直于焊缝方向的热膨胀，增进了对薄板焊接变形的抑制效果；
5.本发明工艺过程简单，易于操作，成本低，适合于大规模批量化生产。
附图说明
图1为本发明的“对称抛物线”型的变速激光扫描焊接方法的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
在薄板两侧自由边夹紧固定基础上，通过采用“对称抛物线”型的变速扫描方法，在保证合理激光热输入的前提下，来减小薄板焊接首末两端由于过高的热输入导致的凹坑塌陷，同时减小焊接过程中的非期望弯曲变形，其步骤为：
步骤S1：焊接1.5mm厚的Q235薄板试样，将试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理，将预处理后的试样放置在200℃的恒温箱中保温1h，进行预热处理；
步骤S2：将预热处理后的Q235薄板试样的待加工面朝上，用现有专用焊接夹具将其固定在焊接工作台上，采用两侧自由边压紧的方式来限制工件移动，其中两侧自由边压紧是指用夹具固定住远离中间焊缝的两对称侧边；
步骤S3：设置激光焊接工艺参数：激光功率为2000W，离焦量为+3mm，光斑直径为0.3mm，焊接速度为“对称抛物线”型的变速度，即扫描速度按照二次抛物线的变化规律，优选的，先从35mm/s减速到20mm/s，然后从20mm/s加速到35mm/s；
步骤S4：待焊接参数设置好后，在气体流量为20L/min的高纯氩气保护下，利用现有KUKA机器人和光纤激光器从薄板试样正中间开始进行激光扫描焊接，从正中间开始，保证焊缝两边的温度场分布对称，焊后板材两端弯曲相同，便于测量焊接变形弯曲角。
焊接试验完成后，用激光测距仪测量变形弯曲角，与相同工艺参数的定速，焊接速度为25mm/s，激光扫描焊接薄板工件相比较，焊后板材的弯曲变形很小，起始端和末端塌陷不明显。
实施例2
在薄板两侧自由边夹紧固定基础上，通过采用“对称抛物线”型的变速扫描方法，在保证合理激光热输入的前提下，来减小薄板焊接首末两端由于过高的热输入导致的凹坑塌陷，同时减小焊接过程中的非期望弯曲变形，其步骤为：
步骤S1：焊接0.5mm厚的Q235薄板试样，将试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理，将预处理后的试样放置在200℃的恒温箱中保温1h，进行预热处理；
步骤S2：将预热处理后的Q235薄板试样的待加工面朝上，用专用焊接夹具将其固定在焊接工作台上，采用两侧自由边压紧的方式来限制工件移动；
步骤S3：设置激光焊接工艺参数：激光功率为2300W，离焦量为-3mm，光斑直径为0.5mm，焊接速度为“对称抛物线”型的变速度，即按照二次抛物线的变化规律，优选的，先从35mm/s减速到20mm/s，然后从20mm/s加速到35mm/s；
步骤S4：待焊接参数设置好后，在气体流量为15L/min的高纯氩气保护下，利用现有KUKA机器人和光纤激光器对薄板试样进行激光扫描焊接。
焊接试验完成后，用激光测距仪测量变形弯曲角，与相同工艺参数的定速，焊接速度为25mm/s，激光扫描焊接薄板工件相比较，焊后板材的弯曲变形很小，起始端和末端塌陷不明显。
实施例3
在薄板两侧自由边夹紧固定基础上，通过采用“对称抛物线”型的变速扫描方法，在保证合理激光热输入的前提下，来减小薄板焊接首末两端由于过高的热输入导致的凹坑塌陷，同时减小焊接过程中的非期望弯曲变形，其步骤为：
步骤S1：焊接2mm厚的Q235薄板试样，将试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理，将预处理后的试样放置在200℃的恒温箱中保温1h，进行预热处理；
步骤S2：将预热处理后的Q235薄板试样的待加工面朝上，用专用焊接夹具将其固定在焊接工作台上，采用两侧自由边压紧的方式来限制工件移动；
步骤S3：设置激光焊接工艺参数：激光功率为2500W，离焦量为0mm，光斑直径为0.4mm，焊接速度为“对称抛物线”型的变速度，即按照二次抛物线的变化规律，优选的，先从35mm/s减速到20mm/s，然后从20mm/s加速到35mm/s；
步骤S4：待焊接参数设置好后，在气体流量为18L/min的高纯氩气保护下，利用现有KUKA机器人和光纤激光器对薄板试样进行激光扫描焊接。
焊接试验完成后，用激光测距仪测量变形弯曲角，与相同工艺参数的定速，焊接速度为25mm/s，激光扫描焊接薄板工件相比较，焊后板材的弯曲变形很小，起始端和末端塌陷不明显。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、焊接前，将待焊接薄板试样表面进行预处理，将预处理后的试样放置于恒温箱中保温进行预热处理；
步骤S2、将预热处理后的薄板试样的待加工面朝上并固定在焊接工作台上；
步骤S3、设置激光焊接工艺参数：激光功率为2000W～2500W，离焦量为-3mm～+3mm，光斑直径为0.3mm～0.5mm；
步骤S4、采用“对称抛物线”型的变速扫描方法按照二次抛物线的变化规律控制扫描的速度对试样进行激光扫描焊接,扫描的速度是先从速度V1减速到V2，再从V2加速到V1的规律变化。
2.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述步骤S1中的预处理具体为：对待焊接薄板试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥。
3.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述的预热处理温度为200℃，时间为1h。
4.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述步骤S2中通过夹具将薄板试样的双侧自由边压紧固定在焊接工作台上。
5.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述步骤S4是在保护气体下进行激光扫描焊接的。
6.根据权利要求5所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述保护气体为高纯氩气，气体流量为15L/min～20L/min。
7.根据权利要求1所述的一种抑制激光焊接薄板弯曲变形的扫描方法，其特征在于，所述步骤S4中扫描的速度先从35mm/s减速到20mm/s，再从20mm/s加速到35mm/s。
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