CN109175691A - 一种镀锌钢的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种镀锌钢的焊接方法，该焊接方法包括：通过所述第一准直镜对所述第一激光进行准直；通过所述第二准直镜对所述第二激光进行准直；通过所述聚焦镜使准直后的第一激光和准直后的第二激光聚焦，聚焦的第一激光与准直后的第二激光同轴。本发明实施例提供的一种镀锌钢的焊接方法，通过使用两种聚焦光斑直径大小不同的两束激光，通过小聚焦光斑直径的激光保证焊缝熔深和焊接效率，通过大聚焦光斑直径的激光破坏待焊处锌层、扩大熔池体积以及延缓熔池冷却速度，以便减少焊接过程中出现的大量气孔的问题。

Description

一种镀锌钢的焊接方法

技术领域

本发明实施例涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种镀锌钢的焊接方法。

背景技术

随着汽车制造工业的快速发展，为了提高汽车使用寿命，镀锌钢因为其良好的耐蚀性得到了广泛的应用，也因此镀锌钢的焊接需求越来越多，而且要求焊接后的镀锌钢镀锌层尽量少的损失，并能够获得高效率、高质量的焊缝。

传统焊接工艺主要是采用手工电弧焊、熔化极气体保护焊、氩弧焊、电阻焊等方法来进行连接的。由于锌的熔点约为420℃，沸点约为907℃，而钢的熔点约为1540℃，采用传统工艺焊接时，当钢达到熔点时，锌早已气化，导致易产生大量气孔，锌层在电弧热的作用下剧烈蒸发，进入熔池，凝固时锌蒸汽残留在内形成大量气孔；单光纤激光焊接时，因为热输入大，作用时间短，焊缝熔深大，但是焊缝依然存在大量气孔，而采用单光纤激光或者单半导体激光等常规激光焊接也存在大量气孔的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种镀锌钢的焊接方法，用以解决现有技术中焊接时存在大量气孔的问题。

本发明实施例提供一种镀锌钢的焊接方法，包括：

通过第一激光模块输出第一激光；

通过第二激光模块输出第二激光；

通过激光转接头输出复合激光，以使得通过所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括第一激光和第二激光，所述第一激光的聚焦光斑直径小于所述第二激光的聚焦光斑直径，且所述复合激光中所述第一激光和所述第二激光同轴，所述待焊接区域为两块镀锌钢的接触区域。

本发明实施例提供的一种镀锌钢的焊接方法，通过使用两种聚焦光斑直径大小不同的两束激光，通过小聚焦光斑直径的激光保证焊缝熔深和焊接效率，通过大聚焦光斑直径的激光破坏待焊处锌层、扩大熔池体积以及延缓熔池冷却速度，以便减少焊接过程中出现的大量气孔的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种镀锌钢的焊接方法的流程图；

图2为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为叠焊时的示意图；

图3为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为对接时的示意图；

图4为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为塔接时的示意图；

图5为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为角接时的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种镀锌钢的焊接方法的流程图，如图1所示，该焊接方法包括：

S1，通过第一激光模块输出第一激光；

S2，通过第二激光模块输出第二激光；

S3，通过激光转接头输出复合激光，以使得通过所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括第一激光和第二激光，所述第一激光的聚焦光斑直径小于所述第二激光的聚焦光斑直径，且所述复合激光中所述第一激光和所述第二激光同轴，所述待焊接区域为两块镀锌钢的接触区域。

在进行焊接之前，首先对两块镀锌钢的焊接位置进行去污去油清洗，然后将两块镀锌钢组装并固定在工作台上，使得两块镀锌钢的待焊处相接触，得到待焊接区域，允许待焊接区域两块镀锌钢接触处局部存在小于等于0.2mm的间隙量。

在焊接时，通过第一激光模块输出第一激光，第二激光模块输出第二激光，第一激光的聚焦光斑直径和第二激光的聚焦光斑直径不同，因此，在焊接时第一激光和第二激光对焊接贡献的能量也不一样。在激光转接头部分对第一激光和第二激光进行处理，使得最后得到的复合激光为一束光，也就是说第一激光和第二激光同轴，并且第一激光的聚焦光斑直径小于第二激光的聚焦光斑直径。

在使用过程中，分为如下几个步骤：

焊接准备:根据待焊镀锌钢的焊接位置进行去污去油清洗，然后将待焊的镀锌钢组装并固定在工作台上，使两镀锌钢待焊处相接触，允许接触处局部存在≤0.2mm的间隙量；

调整第一激光和第二激光的出光功率，并将输出的复合激光对准镀锌钢上的待焊接区；

调整上述焊接装置与镀锌钢之间的相对距离，同时调整复合激光束入射待焊区的角度；相对距离和入射角度确定后，在焊接过程中均保持不变；

调整好激光束的输出功率及上述相对距离和入射角度后，开始焊接镀锌钢。

本发明实施例提供的一种镀锌钢的焊接方法，通过使用两种聚焦光斑直径大小不同的两束激光，通过小聚焦光斑直径的激光保证焊缝熔深和焊接效率，通过大聚焦光斑直径的激光破坏待焊处锌层、扩大熔池体积以及延缓熔池冷却速度，以便于减少锌蒸汽对焊缝质量的影响。本发明可有效解决镀锌钢焊接中出现的大量气孔问题，提高镀锌钢激光焊接的质量。

在上述实施例的基础上，优选地，

通过所述第一准直镜对所述第一激光进行准直；

通过所述第二准直镜对所述第二激光进行准直；

通过所述聚焦镜使准直后的第一激光和准直后的第二激光聚焦，聚焦的第一激光与准直后的第二激光同轴。

具体地，激光转接头内部通过第一准直镜、第二准直镜和聚焦镜来对第一激光和第二激光进行处理，使得准直后的第一激光和准直后的第二激光平行，然后准直后的第一激光和准直后的第二激光经过聚焦镜后变为一束激光，也就是本发明实施例中的复合激光，在复合激光中，第一激光和第二激光是同轴的。

在上述实施例的基础上，优选地，在实际焊接过程中，所述第一激光模块在焊接过程中第一时间段内的输出功率由所述第一预设功率的预设比例逐渐变大至所述第一预设功率，在第二时间段内的输出功率保持所述第一预设功率不变，在第三时间段内的输出功率由所述第一预设功率逐渐变小直至所述第一预设功率的预设比例，所述第一时间段为焊接过程中的前50ms，所述第三时间段为焊接过程中的后100ms，所述预设比例为5％至20％。

具体地，预设比例可以是5％到20％之间的任何比例，也就是说输出功率在第一时间段内的起始值在第一预设功率的5％到第一预设功率的20％之间。本发明实施例以输出功率在第一时间段内的起始值为第一预设功率的10％为例进行说明。

第一激光模块在焊接过程中，在第一时间段内的输出功率由第一预设功率的10％逐渐增大到第一预设功率，其中，增大的过程是线性增大，然后在第二时间段内，第一激光模块的输出功率保持第一预设功率不变，在第二时间段内的第一激光输出模块一直以第一预设功率输出激光，然后进入第三时间段，进入到第三时间段时第一激光输出模块的输出功率由第一预设功率逐渐减小直至第一预设功率的10％，也就是说第二激光在第三时间段内的能量在逐渐的减小。

在上述实施例的基础上，优选地，所述第二激光模块在焊接过程中的输出功率均为第二预设功率。

具体地，第二激光模块在焊接过程中保持第二预设功率不变，也就是说

第二激光模块在输出第二激光的过程中激光能量保持不变。

在上述实施例的基础上，优选地，所述第二激光的聚焦光斑直径为所述第一激光的聚焦光斑直径的4倍以上。

具体地，第二激光的聚焦光斑直径是第一激光的聚焦光斑直径的4倍以上，也就是说第一激光和第二激光的波长不同，这样在焊接时，通过不同波长激光焊接镀锌钢的焊接方法热输入效率较高，并且可以将能量集中在焊缝区域，所以对该焊接方法来说，总的热输入量比较低，并且焊缝热影响区极小，焊缝附近区域的锌层破坏程度较低，基本不影响焊缝接头的耐蚀性，可以很好的满足产品的要求。

并且，相对传统制作工艺，不同波长激光复合焊接镀锌钢时可以实现无气孔无裂缝的焊缝接头。

在上述实施例的基础上，优选地，所述第一激光模块为光纤激光器，所述第二激光模块为半导体激光器。

光纤激光器，是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

半导体激光器，又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。

一般地，材料(除高反材料外)对激光的吸收率随着激光波长的变小而增大，而光纤激光器的激光波长相对半导体激光器的激光波长要大，也就是一般材料对半导体激光的吸收率更高。所以在焊接过程中即使半导体激光聚焦光斑直径很大，但因其利用率高，所以仍然能够很好的产生作用，诸如能够有效清除材料表面污染物以及涂层等。

以第一激光模块为光纤激光器、第二激光模块为半导体激光器为例对本发明实施例进行说明。

首先焊接准备，根据待焊镀锌钢的焊接位置进行去污去油清洗，然后将待焊的镀锌钢组装并固定在工作台上，使两镀锌钢待焊处相接触，允许接触处局部存在≤0.2mm的间隙量，接着准备一种复合激光热源系统，包括两台激光器，其分别为光纤激光器和半导体激光器。

然后调整光纤激光器与半导体激光器的出光，使光纤激光器和半导体激光器的出光同轴，输出的复合激光对准两块镀锌钢上的待焊接区。

接着调整光纤激光器与半导体激光器的输出功率，控制复合激光的能量，上述复合激光中的光纤激光功率和半导体激光功率确定后，在焊接过程中均保持不变。

调整上述激光器的激光转接头与待焊接的两块镀锌钢之间的相对距离，同时调整复合激光束入射待焊区的角度，上述相对距离和入射角度确定后，在焊接过程中均保持不变。

调整好光纤激光器与半导体激光器的输出功率及上述相对距离和入射角度后，开始焊接镀锌钢，在实际焊接过程中，使用数控系统控制焊接工艺参数，在焊接开始时半导体激光立即使用设定的第二预设功率值开始出光，在整个焊接过程中保持第二预设功率值直到焊接过程结束。

而光纤激光器则在焊接开始时使用第一预设功率值的预设比例开始出光并逐渐线性增大，在之后的50ms内激光功率达到设定的第一预设功率，保持第一预设功率直到焊接过程结束前100ms，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为设定值的预设比例，预设比例可以是5％到20％之间的任何比例，也就是说输出功率在第一时间段内的起始值在第一预设功率的5％到第一预设功率的20％之间。

具体地，光纤激光器的最大输出功率是1000w-10000w，波长是1080±5nm，配备光纤芯径是100μm-400μm，半导体激光器的最大输出功率是500w-4000w，波长是915±10nm，配备光纤芯径是200μm-800μm。

本发明实施例中两种激光器同时参入焊接过程，其特征在于两台激光器输出的激光波长不同，而且光纤激光器产生的光纤激光发散角较小，可以使用较小芯径的光纤，半导体激光器产生的半导体激光发散角较大，需采用较大芯径的光纤。

根据公式(1)可以得出半导体激光聚焦光斑直径相对光纤激光聚焦光斑直径的大；采用特定的激光转接头，该激光转接头能够把聚焦光斑直径较小的激光束调整到直径较大的激光束中心，使两激光束同轴，采用适当的数控系统，其特征在于能够分别控制两束激光输出能量的大小及其他焊接工艺参数，采用适当的焊接工艺参数，其特征在于能够保证焊缝成型及质量稳定。

其中，φ表示聚焦光斑直径，f表示激光转接头的聚焦镜焦长，l表示激光转接头的准直镜焦长，表示光纤芯径。

上述的焊接方法，激光焊接头是能够把光纤激光束调整到半导体激光束中心，并使两者同轴，即进入焊接头的两束激光分别经过一个准直镜后形成两束平行光，然后经过同一个聚焦镜后聚焦在同一个点形成复合光源。所用第一准直镜是光纤激光光路准直镜的焦长50mm～200mm、半导体激光光路第二准直镜的焦长50mm～200mm，聚焦镜的焦长是100mm～500mm。

其中，数控系统是能够分别控制两束激光的输出能量及其他焊接工艺参数。

其中，焊接工艺参数包括光纤激光输出功率、半导体激光输出功率、焊接速度、离焦量、光束入射待焊材料的角度、焊缝熔池保护气体种类及流量。光纤激光器的输出功率是1000w～10000w，半导体激光器的输出功率是500w～4000w，焊接速度是20mm/s～200mm/s，离焦量是-10mm～+10mm，光束入射待焊材料的角度是0～50°，焊缝熔池保护惰性气体是Ar或He或Ar、He混合气体，其流量为5L/min～50L/min。

其中，适用于所有镀锌钢焊接接头形式，包括叠焊、对接、搭接、角接接头，此方法的关键机理在于光纤激光输出能量作为主要焊接能量，其主要作用是控制焊缝熔深、焊接效率；而半导体激光输出能量作为次要焊接能量，其主要作用是控制焊缝熔池开口面积，控制熔池的凝固时间，进而控制焊缝内气孔的形成以及焊缝成型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明相比于现有焊接工艺，操作更为简单，控制更为准确。

(2)本发明设置了具有不同波长激光复合焊接镀锌钢的激光焊接工艺，能够保证焊缝成型满足产品需求，并且无需额外辅助手段来控制焊缝质量即可获得基本无气孔无裂纹的焊缝。

在上述实施例的基础上，优选地，还包括保护模块，所述保护模块用于输出惰性气体以防止所述待焊接区域在焊接过程中被氧化以及吹走熔池上方的金属蒸汽羽。

在焊接过程中，一边通过复合激光对待焊接区域进行焊接，一边又通过保护模块输出惰性气体对焊接区域进行保护，防止待焊接区域在焊接过程中被氧化。

在上述实施例的基础上，优选地，所述保护模块输出惰性气体的流量为氩气或氦气。

具体地，该惰性气体为氩气或者是氦气。

图2为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为叠焊时的示意图，如图2所示，镀锌钢3和镀锌钢4的接头形式叠焊接头，材料厚度为2mm，上下两层材料完全贴合，采用光纤芯径为100μm的光纤激光器，光纤芯径为200μm的半导体激光器，所使用的激光复合焊接头的聚焦镜焦长为200mm，光纤激光光路准直镜焦长为100mm，半导体激光光路准直镜焦长为50mm；采用的焊接参数为复合激光1的总功率包括光纤激光功率1000w和半导体激光功率500w，焊接速度70mm/s，离焦量为0，焊接时保持激光束入射焊缝角度为30°，保护气体是氩气，流量是25L/min；焊接完成后，焊缝2成型美观，未发现气孔、裂纹。

图3为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为对接时的示意图，如图3所示，镀锌钢3和镀锌钢4的接头形式是对接接头，材料厚度为3mm，两侧待焊材料完全贴合；采用光纤芯径为200μm的光纤激光器，光纤芯径为600μm的半导体激光器，所使用的激光复合焊接头的聚焦镜焦长为150mm，光纤激光光路准直镜焦长为100mm，半导体激光光路准直镜焦长为75mm；采用的焊接参数为复合激光1的总功率包括光纤激光功率2000w和半导体激光功率500w，焊接速度20mm/s，离焦量为0，焊接时保持激光束入射焊缝角度为50°，保护气体是氩气，流量是20L/min，焊接完成后，焊缝2成型美观，未发现气孔、裂纹。

图4为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为塔接时的示意图，如图4所示，镀锌钢3和镀锌钢4的焊接接头形式为搭接接头，材料厚度为2.5mm，上下两层材料完全贴合；采用光纤芯径为200μm的光纤激光器，光纤芯径为800μm的半导体激光器，所使用的激光复合焊接头的聚焦镜焦长为500mm，光纤激光光路准直镜焦长为150mm，半导体激光光路准直镜焦长为125mm；采用的焊接参数为复合激光1的总功率包括光纤激光功率8000w和半导体激光功率3000w，焊接速度250mm/s，离焦量为-10mm；焊接时保持激光束入射焊缝角度为0(垂直入射)，保护气体是Ar，流量是50L/min；焊接完成后，焊缝2成型美观，未发现气孔、裂纹。

图5为本发明一实施例两块镀锌钢焊接接头为角接时的示意图，如图5所示，镀锌钢3和镀锌钢4的焊接接头形式角接接头，材料厚度为1.5mm，上下两层材料完全贴合；采用光纤芯径为100μm的光纤激光器，光纤芯径为300μm的半导体激光器，所使用的激光复合焊接头的聚焦镜焦长为250mm，光纤激光光路准直镜焦长为125mm，半导体激光光路准直镜焦长为75mm；采用的焊接参数为复合激光1的总功率包括光纤激光功率4000w和半导体激光功率1000w，焊接速度100mm/s，离焦量为+10；焊接时保持激光束入射焊缝角度为0(垂直入射)，保护气体是He，流量是5L/min；焊接完成后，焊缝2成型美观，未发现气孔、裂纹。

综上，相对于现有技术，本发明采用不同波长激光复合焊接镀锌钢的焊接工艺，可以实现当前镀锌钢焊接领域的需求，其具有无可比拟的优势：

(1)相对于传统制作工艺，不同波长激光复合焊接镀锌钢的焊接方法热输入效率高，而且可以集中在焊缝区域，所以总的热输入量相对较低，焊缝热影响区极小，焊缝附近区域的锌层破坏程度较低，基本不影响焊缝接头的耐蚀性，可以很好的满足产品的要求。

(2)相对于传统制作工艺，不同波长激光复合焊接镀锌钢的焊接方法可以实现无气孔无裂纹的焊缝接头的连接。

(3)相对于现有的以两束同种激光焊接镀锌钢的工艺，本申请以不同波长激光复合焊接镀锌钢，对工艺控制的要求降低，节约能源，本发明的焊接工艺焊接效率高，易实现自动化。

(4)相对于常规激光焊接制造工艺，不同波长激光复合焊接镀锌钢的焊接方法可以同时兼顾焊缝熔深以及焊缝气孔及裂纹的控制。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种镀锌钢的焊接方法，其特征在于，包括：

通过第一激光模块输出第一激光；

通过第二激光模块输出第二激光；

通过激光转接头输出复合激光，以使得通过所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括第一激光和第二激光，所述第一激光的聚焦光斑直径小于所述第二激光的聚焦光斑直径，且所述复合激光中所述第一激光和所述第二激光同轴，所述待焊接区域为两块镀锌钢的接触区域。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光转接头包括第一准直镜、第二准直镜和聚焦镜，相应地：

通过所述第一准直镜对所述第一激光进行准直；

通过所述第二准直镜对所述第二激光进行准直；

通过所述聚焦镜使准直后的第一激光和准直后的第二激光聚焦，聚焦的第一激光与准直后的第二激光同轴。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在实际焊接过程中，所述第一激光模块在焊接过程中第一时间段内的输出功率由第一预设功率的预设比例逐渐变大至所述第一预设功率，在第二时间段内的输出功率保持所述第一预设功率不变，在第三时间段内的输出功率由所述第一预设功率逐渐变小直至所述第一预设功率的预设比例，所述第一时间段为焊接过程中的前50ms，所述第三时间段为焊接过程中的后100ms，所述预设比例为5％至20％。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第二激光模块在焊接过程中的输出功率均为第二预设功率。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第二激光的聚焦光斑直径为所述第一激光的聚焦光斑直径的4倍以上。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第一激光模块为光纤激光器，所述第二激光模块为半导体激光器。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括保护模块，所述保护模块用于输出惰性气体以防止所述待焊接区域在焊接过程中被氧化以及吹走熔池上方的金属蒸汽羽。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述保护模块输出惰性气体的流量为氩气或氦气。