CN109396646A - 激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接方法，包括：对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内沿第二方向摆动，所述第一方向和第二方向相互垂直，所述光斑的振幅为0.08mm～0.3mm。上述激光焊接方法，能够得到截面形状为矩形或梯形的焊缝，该类焊缝强度较高。

Description

激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种激光焊接方法。
背景技术
通常情况下未经过光束整形的光纤激光器，其能量呈高斯分布，在实际的焊接过程中，所得焊缝形貌一般为顶部宽底部窄的V型或Y型焊缝，导致在有限焊接范围内，诸如搭接、对接等接头结合面积较小，焊缝强度低。
发明内容
基于此，有必要针对传统激光焊接头结合面积小、强度低的问题，提供一种激光焊接方法。
一种激光焊接方法，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内沿第二方向摆动，所述第一方向和第二方向相互垂直，所述光斑的振幅为0.08mm～0.3mm。
上述激光焊接方法，采用单模光纤激光器能够压缩激光的光斑直径，光斑直径较小有利于实现对焊缝熔宽的精确控制。并且在焊接过程中，光斑以一定的振幅发生摆动，使得熔池一直处于连续的大范围流动状态，同时熔池内部的气泡被快速排出，熔池凝固后形成的焊缝腰长近似等于熔宽，焊缝的截面形状为矩形或梯形，该类焊缝强度较高。
一种激光焊接方法，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹呈圆形，所述圆形摆动轨迹的圆心位于工件的运动轨迹上，半径为0.1mm～0.25mm。
一种激光焊接方法，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹呈椭圆形，当所述椭圆形的长轴位于工件的运动轨迹上时，所述椭圆形的长半轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短半轴为0.1mm～0.15mm，或，所述椭圆形的长半轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短半轴大于0.15mm且小于或等于0.25mm；
当所述椭圆形的短轴位于工件的运动轨迹上时，所述椭圆形的长半轴为0.1mm～0.3mm，所述椭圆形的短半轴为0.1mm～0.25mm。
一种激光焊接方法，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹包括相外切的两个圆形且切点位于所述工件的运动轨迹上，所述光斑沿两个所述圆形进行循环摆动。
在其中一个实施例中，两个所述圆形的圆心均位于工件的运动轨迹上，且两个所述圆形的直径均为0.1mm～0.15mm。
在其中一个实施例中，两个所述圆形圆心的连线垂直于所述工件的运动轨迹位，所述光斑沿两个所述圆形进行循环摆动，且两个所述圆形的直径均为0.1mm～0.25mm。
一种激光焊接方法，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹包括相外切的两个椭圆形且切点位于所述工件的运动轨迹上，所述光斑沿两个所述椭圆形进行循环摆动。
在其中一个实施例中，两个所述椭圆形的长轴均位于所述工件的运动轨迹上，所述长轴为0.1mm～0.2mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm，或，两个所述椭圆形的短轴均位于所述工件的运动轨迹上，所述椭圆形的长轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.05mm～0.1mm。
在其中一个实施例中，两个所述椭圆形的长轴位于同一直线上，且所述直线垂直于所述工件的运动轨迹：所述长轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm，或，所述长轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.15mm～0.25mm。
在其中一个实施例中，两个所述椭圆形的短轴位于同一直线上，且所述直线垂直于所述工件的运动轨迹：所述椭圆形的长轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm；或所述椭圆形的长轴为0.25mm～0.3mm，所述短轴为0.1mm～0.25mm。
附图说明
图1为焊缝截面尺寸示意图；
图2为激光摆动形成梯形焊缝的示意图；
图3A为光斑做直线摆动的示意图；
图3B为光斑做圆形摆动的示意图；
图3C为光斑做椭圆形摆动的示意图；
图3D为一实施例中光斑摆动轨迹为两个相切圆形的示意图；
图3E为另一实施例中光斑摆动轨迹为两个相切圆形的示意图；
图4A为一实施例中光斑摆动轨迹为两个相切椭圆形的示意图；
图4B为另一实施例中光斑摆动轨迹为两个相切椭圆形的示意图；
图5为实施例1所形成的焊缝截面；
图6为实施例2所形成的焊缝截面；
图7为实施例3所形成的焊缝截面；
图8为实施例4所形成的焊缝截面。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
对金属板进行激光焊接后，金属板对应激光照射处会形成焊缝。请参阅图1，焊缝的截面形貌尺寸包含熔深D、熔宽W、余高h、锥度θ及腰长L等。为获取较高的焊缝强度，要求腰长L近似等于熔宽W，即锥度θ尽可能小。
请参阅图2，单模光纤激光器发射出的激光经过光纤传输到达焊接头。在焊接头内，激光依次经过偏转镜片、准直镜片及聚焦镜片10，最后到达工件20表面。当激光处于位置1、2、3时，工件20受到激光的激波冲击与高温熔化，分别形成熔池a、b、c；偏转镜片的高频摆动和激光的持续输出，使得熔池一直处于连续的大范围流动状态，同时熔池内部的气泡被快速排出，当激光停止输出时，熔池凝固后形成腰长较大的焊缝。
需要说明的是，准直镜片焦距为150mm，聚焦镜片焦距为250mm～350mm，经过聚焦后的光斑直径为0.03mm～0.05mm。
激光焊接方法包括：对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；工件沿第一方向运动，且光斑在工件待焊接区域内沿特定轨迹发生摆动。
上述激光焊接方法，采用单模光纤激光器能够压缩激光的光斑直径，较小的光斑直径有利于实现对焊缝熔宽的精确控制。并且在焊接过程中，光斑沿特定轨迹发生摆动，使得熔池一直处于连续的大范围流动状态，同时熔池内部的气泡被快速排出，从而熔池凝固后形成的焊缝腰长近似等于熔宽，焊缝的截面形状为矩形或梯形，该类焊缝强度较高。
在一些实施例中，工件相对焊接头沿第一方向移动，同时，焊接头内部的偏转镜片发生转动从而改变激光束的出射方向，使得形成于工件表面的光斑沿特定轨迹摆动。
具体的，该单模光纤激光器的参数如下：光束质量M2≤1.2，光纤芯径为20μm，激光的波长为1060nm～1080nm。钢板对该波长范围的激光吸收率较高。
光斑摆动轨迹可为直线、圆形、∞型或8型。
规定第一方向和第二方向相互垂直。在一实施例中，第一方向为沿X轴方向，则第二方向为垂直于X轴方向。
请参阅图3A，光斑做直线摆动时，光斑在工件待焊接区域内沿第二方向摆动，光斑沿第二方向的振幅为0.08mm～0.3mm。具体的，振幅大于或等于0.08mm且小于0.15mm时，能够获得倒梯形焊缝。振幅大于或等于0.15mm且小于0.25mm时，能够获得矩形焊缝。振幅大于或等于0.25mm且小于0.3mm时，能够获得梯形焊缝。
请参阅图3B，光斑在工件待焊接区域内摆动，光斑的摆动轨迹呈圆形，且圆形摆动轨迹的圆心位于工件的运动轨迹上。圆形摆动轨迹的半径为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝；圆形摆动轨迹的半径大于0.15mm且小于或等于0.25mm时，获得矩形焊缝。
请参阅图3C，光斑在工件待焊接区域内摆动，光斑的摆动轨迹呈椭圆形。在一些实施例中，该椭圆形的长轴位于工件的运动轨迹上，长半轴为0.1mm～0.25mm，短半轴为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝；长半轴为0.15mm～0.25mm，短半轴大于0.15mm且小于或等于0.25mm，获得矩形焊缝。
在其他实施例中，该椭圆形的短轴位于工件的运动轨迹上：当长半轴为0.1mm～0.15mm，短轴为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝；当长轴大于0.15mm且小于或等于0.25mm，短轴0.1mm～0.25mm时，获得矩形焊缝；当长轴大于0.25mm且小于或等于0.3mm，短轴为0.1mm～0.25mm时，获得梯形焊缝。
在一些实施例中，光斑的摆动轨迹包括相外切的两个圆形且切点位于工件的运动轨迹上，光斑沿两个圆形进行循环摆动。请参阅图3(D)，两个圆形的圆心均位于工件的运动轨迹上，也就是说光斑做∞型摆动，两个圆形的直径均为0.1mm～0.15mm，能够获得倒梯形焊缝。请参阅图3(E)，两个圆形圆心的连线垂直于工件的运动轨迹位，光斑沿两个圆形进行循环摆动，且两个圆形的直径均为0.1mm～0.25mm，即工件的运动轨迹为8型摆动。具体的，圆形的直径为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝。圆形的直径大于0.15mm且小于或等于0.25mm，则获得矩形焊缝。
在其他实施例中，光斑的摆动轨迹包括相外切的两个椭圆形且切点位于工件的运动轨迹上，光斑沿两个椭圆形进行循环摆动。
请参阅图4A，两个椭圆形的长轴均位于工件的运动轨迹上，也就是说光斑做∞型摆动，长轴为0.1mm～0.2mm，短轴为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝。当两个椭圆形的短轴均位于工件的运动轨迹上，长轴为大于0.15mm且小于或等于0.25mm，短轴为0.05mm～0.1mm，获得矩形焊缝。
请参阅图4B，两个椭圆形的长轴位于同一直线上，且该直线垂直于工件的运动轨迹，即光斑做8型摆动，长轴为0.1mm～0.25mm，短轴为0.1mm～0.15mm时，获得倒梯形焊缝；长轴为0.15mm～0.25mm，短轴为0.15mm～0.25mm，获得矩形焊缝。
两个椭圆形的短轴位于同一直线上，且该直线垂直于工件的运动轨迹：当长轴为0.1mm～0.15mm，短轴为0.1mm～0.15mm，获得倒梯形焊缝；当长轴为0.15mm～0.25mm，短轴为0.1mm～0.15mm时，获得矩形焊缝；当长轴为0.25mm～0.3mm，短轴为0.1mm～0.25mm时，获得梯形焊缝。
焊接头包括两个偏转镜片和两个电机，电机用于带动相应的偏转镜片发生摆动，激光束依次经由两个偏转镜片反射并射向工件，偏转镜片的摆动频率为500Hz～1200Hz。
单模光纤激光器的功率为500W～1500W。
工件沿第一方向的运动速度为20mm/s～60mm/s。
激光束的离焦量为-2mm～2mm。
焊接时，采用同轴直吹保护气，气流量为15L/min～25L/min。
实施例1：
本实例针对4.0mm厚的SUS316不锈钢进行激光焊接，焊前用酒精清理材料表面，然后用夹具固定工件。采用光束不摆动的方式对工件进行焊接，所用激光功率300W，焊接速度20mm/s，在焦点位置焊接，采用同轴直吹保护气，保护气采用纯氩气，气流量15L/min。焊后制作金相观察测量焊缝截面，试验结果如图5所示，焊缝截面呈Y形，焊缝熔深1.65mm，熔宽0.64mm，焊缝腰长较小。
实施例2：
本实例针对4.0mm厚的SUS316不锈钢进行激光焊接，焊前用酒精清理材料表面，然后用夹具固定工件。采用直线摆动的方式对工件进行焊接，摆动振幅0.2mm，摆动频率1000Hz，所用激光功率900W，焊接速度20mm/s，在焦点位置焊接，采用同轴直吹保护气，保护气采用纯氩气，气流量15L/min。焊后制作金相观察测量焊缝截面，试验结果如图6所示，焊缝截面呈矩形，焊缝熔宽与腰长近似相等，其中焊缝熔深1.57mm，熔宽1.39mm，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
实施例3：
本实例针对4.0mm厚的SUS316不锈钢进行激光焊接，焊前用酒精清理材料表面，然后用夹具固定工件。采用直线摆动的方式对工件进行焊接，摆动振幅0.1mm，摆动频率1000Hz，所用激光功率900W，焊接速度20mm/s，在焦点位置焊接，采用同轴直吹保护气，保护气采用纯氩气，气流量15L/min。焊后制作金相观察测量焊缝截面，试验结果如图7所示，焊缝截面呈倒梯形，焊缝熔深2.4mm，熔宽1.29mm，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
实施例4：
本实例针对4.0mm厚的SUS316不锈钢进行激光焊接，焊前用酒精清理材料表面，然后用夹具固定工件。采用圆形摆动的方式对工件进行焊接，所用垂直振幅0.2mm，水平振幅0.1mm，摆动频率1000Hz，所用激光功率900W，焊接速度20mm/s，在焦点位置焊接，采用同轴直吹保护气，保护气采用纯氩气，气流量15L/min。焊后制作金相观察测量焊缝截面，试验结果如图8所示，焊缝截面呈矩形，焊缝熔宽与腰长近似相等，其中焊缝熔深1.87mm，熔宽1.18mm，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内沿第二方向摆动，所述第一方向和第二方向相互垂直，所述光斑沿第二方向的振幅为0.08mm～0.3mm。
2.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹呈圆形，所述圆形摆动轨迹的圆心位于工件的运动轨迹上，半径为0.1mm～0.25mm。
3.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹呈椭圆形，当所述椭圆形的长轴位于工件的运动轨迹上时，所述椭圆形的长半轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短半轴为0.1mm～0.15mm，或，所述椭圆形的长半轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短半轴大于0.15mm且小于或等于0.25mm；
当所述椭圆形的短轴位于工件的运动轨迹上时，所述椭圆形的长半轴为0.1mm～0.3mm，所述椭圆形的短半轴为0.1mm～0.25mm。
4.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹包括相外切的两个圆形且切点位于所述工件的运动轨迹上，所述光斑沿两个所述圆形进行循环摆动。
5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，两个所述圆形的圆心均位于工件的运动轨迹上，且两个所述圆形的直径均为0.1mm～0.15mm。
6.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，两个所述圆形圆心的连线垂直于所述工件的运动轨迹位，所述光斑沿两个所述圆形进行循环摆动，且两个所述圆形的直径均为0.1mm～0.25mm。
7.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：
对单模光纤激光器发射出的激光进行整形获得激光束，所述激光束能够在工件上形成直径为0.03mm～0.05mm的光斑；
工件沿第一方向运动，且所述光斑在工件待焊接区域内摆动，所述光斑的摆动轨迹包括相外切的两个椭圆形且切点位于所述工件的运动轨迹上，所述光斑沿两个所述椭圆形进行循环摆动。
8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，两个所述椭圆形的长轴均位于所述工件的运动轨迹上，所述长轴为0.1mm～0.2mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm，或，两个所述椭圆形的短轴均位于所述工件的运动轨迹上，所述椭圆形的长轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.05mm～0.1mm。
9.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，两个所述椭圆形的长轴位于同一直线上，且所述直线垂直于所述工件的运动轨迹：所述长轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm，或，所述长轴为0.15mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.15mm～0.25mm。
10.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，两个所述椭圆形的短轴位于同一直线上，且所述直线垂直于所述工件的运动轨迹：所述椭圆形的长轴为0.1mm～0.25mm，所述椭圆形的短轴为0.1mm～0.15mm；或，所述椭圆形的长轴为0.25mm～0.3mm，所述短轴为0.1mm～0.25mm。
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