CN109175571B - 一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车钎焊技术领域，尤其涉及一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，该方法包括以下步骤：使铜锰锌焊丝和汽车零件均与加热电源电连接，将激光发生装置产生的激光光束聚焦到汽车零件的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；通过送丝装置将铜锰锌焊丝送入激光光斑内，同时铜锰锌焊丝与汽车零件接触，铜锰锌焊丝在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池；使激光发生装置产生的激光光斑和送丝装置带动铜锰锌焊丝沿焊缝所在轨迹移动进行焊接，在焊接过程中，使用氧气和氩气的混合气体作为保护气体。本发明有利于保持焊缝表面光洁度和附着性，且避免产生大量焊接烟尘，保持汽车零件表面附着性。

Description

一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法

技术领域

本发明涉及汽车钎焊技术领域，尤其涉及一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法。

背景技术

激光钎焊具有焊接速度快，热输入低、焊接变形小，焊缝平整均匀光滑、成形美观等优点，是一种近净成形的先进的材料加工工艺，非常适用于对焊加工时、母材变形量和焊缝美观度有很高要求的汽车外观面，如顶篷、后盖等部位的焊接。目前大多数国际主流汽车厂商均采用激光钎焊来焊接汽车的顶篷、后盖等，使用的焊丝为CuSi3青铜焊丝。CuSi3焊丝强度很高，加工性能也不错，但是耐腐蚀性方面稍显不足。严苛的耐腐蚀性试验表明，在环境酸碱度频繁交替的极限情况下，CuSi3焊丝焊缝上的油漆可能出现脱落的情况。

针对CuSi3焊丝耐腐蚀性不足的问题，一种全新的铜锰锌焊丝被研发出来，用于代替CuSi3焊丝进行汽车顶篷的激光钎焊。铜锰锌焊丝的耐腐蚀性相比CuSi3焊丝有明显改善，其强度也与CuSi3焊丝大致相当，但是液态金属的流动性不佳，且铜锰锌焊丝中的锌元素比较活泼且极易蒸发。导致采用目前CuSi3焊丝的激光钎焊工艺来焊接铜锰锌焊丝容易导致焊缝表面产生凹凸不平的鱼鳞纹，影响焊缝美观，同时由于锌元素的快速蒸发和氧化，导致焊缝产生气孔和强度下降。

因此现有技术中，采用两台激光发生装置增加热熔池热输入的方式使熔池较长时间保持在高温状态，从而改善铜锰锌液态金属的流动性；但由于铜锰锌焊丝中锌元素比较活泼且极易蒸发，增加熔池热输入会引起铜锰锌焊丝中的锌元素快速、大量蒸发，锌元素遇到焊缝两侧的母材后冷却凝固下来，形成大量的焊接烟尘，这些焊接烟尘附着在母材上，会影响母材对油漆的附着性，对汽车零件的耐腐蚀性产生严重影响。

发明内容

本发明的目的是提供有利于保持焊缝表面光洁度和附着性，且避免产生大量焊接烟尘，保持汽车零件表面附着性的一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：使铜锰锌焊丝和汽车零件均与加热电源电连接，将激光发生装置产生的激光光束聚焦到汽车零件的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；

步骤2：通过送丝装置将铜锰锌焊丝送入激光光斑内，同时铜锰锌焊丝与汽车零件接触，铜锰锌焊丝在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池；

步骤3：使激光发生装置产生的激光光斑和送丝装置带动铜锰锌焊丝沿焊缝所在轨迹移动进行焊接，在焊接过程中，使用氧气和氩气的混合气体作为保护气体，所述保护气体中氧气的体积含量为0<O₂≤5％。

可选的，所述铜锰锌焊丝焊接过程中产生的电阻热为25000～32000J，所述铜锰锌焊丝与加热电源的电连接点到铜锰锌焊丝焊接的一端的长度为铜锰锌焊丝伸长量L，所述送丝装置的送丝速度为V_f，所述铜锰锌焊丝通电电流为I，则有L、V_f和I满足下述关系式：

I²·L/V_f＝25000～32000J。

可选的，所述保护气体中氧气的体积含量为0<O₂≤2％。

可选的，所述保护气体中氧气的体积含量为2<O₂≤4％。

可选的，所述保护气体中氧气的体积含量为4<O₂≤5％。

实施本发明的实施例，具有以下技术效果：

一方面，通过使铜锰锌焊丝连接加热电源，使铜锰锌焊丝产生电阻热代替部分激光能量，从而降低对激光发生装置输出功率的要求，进而降低汽车零件的热输入，避免由于汽车零件的热输入过大，导致汽车零件发生热变形，另外，焊缝在较低输出功率的激光发生装置的作用下，温度较低，避免焊缝的热输入过大导致铜锰锌焊丝中的锌元素快速、大量蒸发，保证汽车零件表面的光洁度和附着性；

另一方面，通过激光发生装置与加热电源配合焊接，既降低了汽车零件表面的热输入，同时，无需操作多台激光发生装置移动，且铜锰锌焊丝移动不变，降低了焊接的复杂程度；

最后，在焊接过程中，通过使用氧气体积含量为4％的氩氧混合气作为保护气体，使熔池的液态金属在氧元素的作用下，熔池表面张力随温度升高而升高，此时，激光光斑中心温度最高，液态金属表面张力最大，熔池后沿温度最低，液态金属表面张力最小；熔池中心与熔池后沿表面的张力差值驱动液态金属从熔池后沿想光斑中心流动，由于光斑中心温度较高，液态金属流动过程中产生的波动有充足的时间进行铺展，当熔池凝固波动已经完全铺展平展，因此得到表面光滑平整的焊缝，避免焊缝产生高低不平的鱼鳞纹，提高焊缝的质量。

附图说明

图1是本发明优选实施例的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

参考图1，本实施例提供了一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，在本实施例中，铜锰锌焊丝为CuMn₆Zn₅焊丝，该方法包括以下步骤：

步骤1：使CuMn₆Zn₅焊丝和汽车零件均与加热电源电连接，将激光发生装置产生的激光光束聚焦到汽车零件的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；

步骤2：通过送丝装置将CuMn₆Zn₅焊丝送入激光光斑内，同时CuMn₆Zn₅焊丝与汽车零件接触，CuMn₆Zn₅焊丝在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池；

步骤3：使激光发生装置产生的激光光斑和送丝装置带动CuMn₆Zn₅焊丝沿焊缝所在轨迹移动进行焊接，在焊接过程中，使用氧气和氩气的混合气体作为保护气体，保护气体中氧气的体积含量为0<O₂≤5％。

一方面，通过使CuMn₆Zn₅焊丝连接加热电源，使CuMn₆Zn₅焊丝产生电阻热代替部分激光能量，从而降低对激光发生装置输出功率的要求，进而降低汽车零件的热输入，避免由于汽车零件的热输入过大，导致汽车零件发生热变形，另外，焊缝在较低输出功率的激光发生装置的作用下，温度较低，避免焊缝的热输入过大导致CuMn₆Zn₅焊丝中的锌元素快速、大量蒸发，保证汽车零件表面的光洁度和附着性；

另一方面，通过激光发生装置与加热电源配合焊接，既降低了汽车零件表面的热输入，同时，无需操作多台激光发生装置移动，且CuMn₆Zn₅焊丝移动不变，降低了焊接的复杂程度；

最后，在焊接过程中，通过使用氧气体积含量为4％的氩氧混合气作为保护气体，使熔池的液态金属在氧元素的作用下，熔池表面张力随温度升高而升高，此时，激光光斑中心温度最高，液态金属表面张力最大，熔池后沿温度最低，液态金属表面张力最小；熔池中心与熔池后沿表面的张力差值驱动液态金属从熔池后沿想光斑中心流动，由于光斑中心温度较高，液态金属流动过程中产生的波动有充足的时间进行铺展，当熔池凝固波动已经完全铺展平展，因此得到表面光滑平整的焊缝，避免焊缝产生高低不平的鱼鳞纹，提高焊缝的质量。

在本实施例中，CuMn₆Zn₅焊丝焊接过程中产生的电阻热优选为25000～32000J，使CuMn₆Zn₅焊丝在产生电阻热的同时保持CuMn₆Zn₅焊丝的刚性，从而保证焊接过程的稳定性，CuMn₆Zn₅焊丝与加热电源的电连接点到CuMn₆Zn₅焊丝焊接的一端的长度为CuMn₆Zn₅焊丝伸长量L，送丝装置的送丝速度为V_f，CuMn₆Zn₅焊丝通电电流为I，因此，根据焦耳定律可以推导出L、V_f和I满足下述关系式：I²·L/V_f＝25000～32000J，使得CuMn₆Zn₅焊丝能准确的送入激光光斑中的焊接位置熔化进行焊缝焊接。

具体的，当CuMn₆Zn₅焊丝伸长量为9mm、送丝速度为5m/min时，根据关系式I²·L/V_f＝25000～32000J，可得到在保证CuMn₆Zn₅焊丝刚性的前提下，相应的加热电源的输出电流应为117.5～133.3A。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，保护气体中氧气的体积含量为2％，通过2％体积含量的氧气使熔池液态金属的表面张力随温度升高而升高，使熔池位于激光光斑中心的温度最高，液态金属表面张力最大，熔池后沿温度最低，液态金属表面张力最小，由于表面张力差值驱动液态金属从熔池后沿想光斑中心流动，形成反马兰戈尼流，使液态金属向温度高的光斑中心流动的过程中产生的波动有充足的时间进行铺展，从而使焊缝表面光滑平整、没有高低不平的鱼鳞纹，提高焊缝的焊接质量。

实施例3：

本实施例与实施例1和2的区别在于，在本实施例中，保护气体中氧气的体积含量为4％，使液态金属向温度高的光斑中心流动的过程中产生的波动有充足的时间进行铺展，从而使焊缝表面光滑平整、没有高低不平的鱼鳞纹，提高焊缝的焊接质量。

实施例4：

本实施例与实施例1～4的区别在于，在本实施例中，保护气体中氧气的体积含量为5％，使液态金属向温度高的光斑中心流动的过程中产生的波动有充足的时间进行铺展，从而使焊缝表面光滑平整、没有高低不平的鱼鳞纹，提高焊缝的焊接质量。

综上，第一，本发明只需使用一台激光发生装置和加热电源即可完成汽车零件的焊接，大大节省了成本，降低了工艺复杂性；第二，焊接过程中，汽车零件的热输入小，有利于减小汽车零件的热变形，保持汽车零件的外观和可靠性；第三，降低了熔池的热输入，有利于减少锌元素的蒸发以及由此产生的黑色焊接烟尘，避免黑色烟尘附着汽车零件表面，从而保证汽车零件焊接后表面的附着性和光洁度；第四，在焊接过程中，通入氩氧混合气改变熔池流动方向来增加液态金属的铺展时间，而不需要通过大幅提高整个熔池热输入的方法来增加液态金属的铺展时间，因此，熔池在获得较小的热输入的情况下就可以消除焊缝表面高低不平的鱼鳞纹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：使铜锰锌焊丝和汽车零件均与加热电源电连接，将激光发生装置产生的激光光束聚焦到汽车零件的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；

步骤2：通过送丝装置将铜锰锌焊丝送入激光光斑内，同时铜锰锌焊丝与汽车零件接触，铜锰锌焊丝在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池；

步骤3：使激光发生装置产生的激光光斑和送丝装置带动铜锰锌焊丝沿焊缝所在轨迹移动进行焊接，在焊接过程中，使用氧气和氩气的混合气体作为保护气体，所述保护气体中氧气的体积含量为0<O₂≤5％；

其中，所述铜锰锌焊丝为CuMn₆Zn₅焊丝。

2.根据权利要求1所述的用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，其特征在于，所述铜锰锌焊丝焊接过程中产生的电阻热为25000～32000J，所述铜锰锌焊丝与加热电源的电连接点到铜锰锌焊丝焊接的一端的长度为铜锰锌焊丝伸长量L，所述送丝装置的送丝速度为V_f，所述铜锰锌焊丝通电电流为I，则有L、V_f和I满足下述关系式：

I²·L/V_f＝25000～32000J。

3.根据权利要求1所述的用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，其特征在于，所述保护气体中氧气的体积含量为0<O₂≤2％。

4.根据权利要求1所述的用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，其特征在于，所述保护气体中氧气的体积含量为2<O₂≤4％。

5.根据权利要求1所述的用于铜锰锌焊丝焊接汽车零件的激光钎焊方法，其特征在于，所述保护气体中氧气的体积含量为4<O₂≤5％。

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