CN109702342A - 铝合金激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金激光焊接方法，在激光焊接头沿焊缝长度方向运行的同时，使激光光斑在焊缝宽度方向上按设定频率进行摆动运动，在铝合金母材上进行激光深熔焊，其中，在焊缝中间位置的激光加工功率大于焊缝边缘位置的激光加工功率。本发明采用激光深熔焊工艺，其具有能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高等优点，可较好地解决现有技术中铝合金焊接过程中存在的难点及缺陷；结合激光束的偏摆运动，并在焊缝宽度方向上采用不同的激光加工功率，在焊缝中间位置采用相对较大功率进行加工，使得能量集中，以保证焊缝熔深和强度，在焊缝边缘位置采用相对较小功率进行加工，以保证焊缝边缘不会出现明显咬边和烧蚀痕迹，从而达到良好的焊缝效果。
Description
技术领域
本发明属于铝合金焊接加工技术领域，尤其是全铝车身的激光焊接加工，具体涉及一种铝合金激光焊接方法。
背景技术
在降低油耗增加能耗比的社会大背景下，全铝车身因其重量轻、强度高、耐腐蚀性能好等优势，被越来越多的汽车厂所应用。随着工业企业对轻型金属材料的需求日益增加，轻金属焊接工艺显得尤为重要。然而，由于目前合金技术原因，铝材成型后易氧化，而氧化铝有着熔点高、光线反射率高的特点，造成了全铝车身熔焊对工艺要求更高。
铝合金车身在焊接过程中有如下难点：
(1)铝金属的化学性质较为活泼，铝合金表面直接暴露在空气中极易氧化形成一层氧化铝薄膜(三氧化二铝)，氧化铝融点高，需达2050℃才可以将其融化；
(2)铝合金焊接过程中极易形成气孔，这是由于熔池中的氢无法在焊接表面成型前将其排出，而导致小气孔的形成；
(3)铝合金膨胀系数大，在高温作用下容易变形，在变形膨胀作用下，焊接面在成型时容易产生热裂纹，直接影响到了板材自身的强度；
(4)铝合金热导电率大(约为钢的4倍)，相同的焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。
发明内容
本发明实施例涉及一种铝合金激光焊接方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明实施例涉及一种铝合金激光焊接方法，在激光焊接头沿焊缝长度方向运行的同时，使激光光斑在焊缝宽度方向上按设定频率进行摆动运动，在铝合金母材上进行激光深熔焊，其中，在焊缝中间位置的激光加工功率大于焊缝边缘位置的激光加工功率。
作为实施例之一，所述激光光斑的运行轨迹呈正弦波状。
作为实施例之一，激光光斑自焊缝边缘位置摆动至焊缝中间位置过程中，激光加工功率呈先增大、再减小、再增大的线性变化规律。
作为实施例之一，激光光斑自焊缝中间位置摆动至焊缝边缘位置过程中，激光加工功率先保持不变运行设定时间后再线性减小至加工功率谷值，并保持该加工功率谷值至焊缝边缘位置。
作为实施例之一，激光加工过程中，采用保护气使金属熔池与空气隔离。
作为实施例之一，保护气为氩气，且纯度不低于99.9％。
作为实施例之一，保护气的喷吹角度与焊接面之间的夹角为45°。
作为实施例之一，焊接过程中，采用夹持件作用在焊缝四周，用以抑制铝合金母材的形变。
作为实施例之一，所述夹持件呈方管状，用以压紧在上板母材的顶面上，其中空管腔供激光束进行加工。
作为实施例之一，所述夹持件为铬锆铜质夹持件。
本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明提供的铝合金激光焊接方法，采用激光深熔焊工艺，其具有能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高等优点，可较好地解决现有技术中铝合金焊接过程中存在的难点及缺陷。结合激光束的偏摆运动，并在焊缝宽度方向上采用不同的激光加工功率，在焊缝中间位置采用相对较大功率进行加工，使得能量集中，以保证焊缝熔深和强度，在焊缝边缘位置采用相对较小功率进行加工，以保证焊缝边缘不会出现明显咬边和烧蚀痕迹，从而达到良好的焊缝效果。采用上述铝合金激光焊接方法形成的焊缝，焊接表面纹路清晰工整，没有明显气孔，焊接熔深达到下板母材的三分之一，强度能够达到既定的要求。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1为本发明实施例提供的激光束偏摆的示意图；
图2为本发明实施例提供的激光光斑运动轨迹及激光加工功率变化的示意图；
图3为本发明实施例提供的激光束与保护气配合的示意图；
图4为本发明实施例提供的夹持件的作用示意图；
图5为本发明实施例提供的成型焊缝的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种铝合金激光焊接方法，在激光焊接头100沿焊缝长度方向运行的同时，使激光光斑在焊缝宽度方向上按设定频率进行摆动运动，在铝合金母材上进行激光深熔焊，其中，在焊缝中间位置的激光加工功率大于焊缝边缘位置的激光加工功率。
如图1，以焊缝长度方向为X向，焊缝宽度方向为Y向，可以理解地，激光焊接头100在带动激光束101沿X向运行的同时，激光束101还作Y向的偏摆运动，但激光束101偏摆时，仍需保证激光光斑位于焊接面上。因此，本实施例中，激光焊接头100应具有激光束偏摆功能、且摆动可调节，宜易于实时调节焦距，光斑大小宜可调节，激光扫描频率宜可调节。
上述的激光深熔焊技术，是在足够高的功率密度光束照射下，使得材料产生蒸发形成高温蒸汽，在激光光束的移动过程中，走过的焊接路径随着温度急速降低随之冷凝，通过此方式将上板母材201部分熔化与下板母材202进行连接。
本实施例提供的铝合金激光焊接方法，采用激光深熔焊工艺，其具有能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高等优点，可较好地解决现有技术中铝合金焊接过程中存在的难点及缺陷。结合激光束101的偏摆运动，并在焊缝宽度方向上采用不同的激光加工功率，在焊缝中间位置采用相对较大功率进行加工，使得能量集中，以保证焊缝203熔深和强度，在焊缝边缘位置采用相对较小功率进行加工，以保证焊缝203边缘不会出现明显咬边和烧蚀痕迹，从而达到良好的焊接效果。如图5，采用上述铝合金激光焊接方法形成的焊缝203，焊接表面纹路清晰工整，没有明显气孔，焊接熔深达到下板母材202的三分之一，强度能够达到既定的要求。
作为优选的实施方式，基于上述激光束101具有X向和Y向运动的特点，所述激光光斑的运行轨迹呈正弦波状。在图2所示的实施例中，激光束101偏摆频率为100HZ，即在10ms内完成一个扫描周期，在一个扫描周期内，激光束101自焊缝中间位置向一侧焊缝边缘位置偏摆后再偏摆至另一侧焊缝边缘位置，随后再偏摆至焊缝中间位置，可以根据激光焊接头100的X向运动速度控制前后两处焊缝中间位置之间的距离(事实上，由于一个扫描周期占用时间较短，前后两处焊缝中间位置之间的距离非常小)，以达到均匀焊接并保证焊缝203质量。
易于理解地，激光束101的偏摆可以通过激光焊接头100的偏摆运动实现，更为优选的方案是通过激光焊接头100内的振镜实现，这是易于控制的，此处不作赘述。显然地，激光束101的偏摆频率是可以调节的；激光束101的偏摆幅度则根据实际母材情况及焊缝203要求等因素进行调整。
如上所述，在焊缝宽度方向上可采用不同的激光加工功率，以达到较好的焊接质量。在图2中示出了一个扫描周期内的激光加工功率情况，但并不限于该图中的正弦波式的激光光斑运行轨迹，也即是说，上述激光加工功率设定情况也可应用于其它形式的激光光斑运行轨迹中：
(1)作为优选，激光光斑自焊缝边缘位置摆动至焊缝中间位置过程中，激光加工功率呈先增大、再减小、再增大的线性变化规律。即：激光光斑自焊缝边缘位置向焊缝中间位置过程中，依次有一个大功率加工位置和一个小功率加工位置，从焊缝边缘位置向大功率加工位置过程中，激光加工功率线性增大；从大功率加工位置向小功率加工位置过程中，激光加工功率线性减小；从小功率加工位置向焊缝中间位置过程中，激光加工功率线性增大。
基于上述激光加工功率参数设定，在保证焊缝203中部熔深和强度以及避免焊缝203边缘出现咬边和烧蚀的前提下，在焊缝203中部与焊缝203边缘之间较好地形成过渡焊缝203，保证焊缝203的结构强度以及平整性等，而且易于氢等的扩散逸出。
(2)作为优选，激光光斑自焊缝中间位置摆动至焊缝边缘位置过程中，激光加工功率先保持不变运行设定时间后再线性减小至加工功率谷值，并保持该加工功率谷值至焊缝边缘位置。基于该激光加工功率参数设定，可以保证焊缝203中部的深熔焊加工效果；尤其地，在结合上述第(1)种参数设定情况下，可以保证焊缝长度方向上熔池的均匀性。
进一步优化上述铝合金激光焊接方法，如图3，激光加工过程中，采用保护气使金属熔池与空气隔离，防止熔池内发生氧化反应而生成氧化铝薄膜，以及防止氧气溶于熔池中而形成气泡。保护气通过保护气喷嘴300喷吹；一般地，上述保护气采用惰性气体，本实施例中，保护气采用氩气，且纯度不低于99.9％，纯度较低则易引起焊缝203表面发黑等不良现象。
进一步优选地，保护气的喷吹角度与焊接面之间的夹角为45°；以及，优选为设定送气流量在20～30L/min范围内(以25L/min为佳)平稳地送气，既不破坏熔池同时能够隔绝空气。
进一步优化上述铝合金激光焊接方法，如图4，焊接过程中，采用夹持件400作用在焊缝203四周，用以抑制铝合金母材的形变，避免母材由于热膨胀形变对焊缝203产生向外作用力而导致裂纹的产生。
由于铝合金的膨胀系数较大，尤其是在高温作用下，因此，上述夹持件400以位于焊缝203附近且围绕整个焊接面四周为佳。
优选地，如图4，上述夹持件400压紧在上板母材201上，一方面其需要压紧在焊缝203四周，另一方面又不与激光的焊接发生干涉，因此，本实施例中，所述夹持件400呈方管状，用以压紧在上板母材201的顶面上，其中空管腔供激光束101进行加工。
优选地，上述夹持件400与上板母材201之间的贴合间隙控制在0.3mm以下，以保证压紧夹持效果；上板母材201与下板母材202之间的贴合间隙不大于0.2mm，尽量保证上下板之间满足贴合而不至于过压的状态。夹持件400与相邻焊缝203边缘之间的间距不低于5mm，避免夹持件400受热融化，以5～8mm为佳。
进一步地，上述夹持件400优选为是铬锆铜质夹持件400，具有良好的导电性、导热性、抗裂性、硬度高、耐磨抗爆以及软化温度高等优点，能够保证良好的压紧夹持效果，以及较高的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝合金激光焊接方法，其特征在于：在激光焊接头沿焊缝长度方向运行的同时，使激光光斑在焊缝宽度方向上按设定频率进行摆动运动，在铝合金母材上进行激光深熔焊，其中，在焊缝中间位置的激光加工功率大于焊缝边缘位置的激光加工功率。
2.如权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述激光光斑的运行轨迹呈正弦波状。
3.如权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：激光光斑自焊缝边缘位置摆动至焊缝中间位置过程中，激光加工功率呈先增大、再减小、再增大的线性变化规律。
4.如权利要求1或3所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：激光光斑自焊缝中间位置摆动至焊缝边缘位置过程中，激光加工功率先保持不变运行设定时间后再线性减小至加工功率谷值，并保持该加工功率谷值至焊缝边缘位置。
5.如权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：激光加工过程中，采用保护气使金属熔池与空气隔离。
6.如权利要求5所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：保护气为氩气，且纯度不低于99.9％。
7.如权利要求5所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：保护气的喷吹角度与焊接面之间的夹角为45°。
8.如权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：焊接过程中，采用夹持件作用在焊缝四周，用以抑制铝合金母材的形变。
9.如权利要求8所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述夹持件呈方管状，用以压紧在上板母材的顶面上，其中空管腔供激光束进行加工。
10.如权利要求9所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述夹持件为铬锆铜质夹持件。
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