CN110238511B - 一种激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊接方法，用于焊接具有不同碳含量的部件，包括第一部件和第二部件，所述第一部件的碳含量低于所述第二部件的碳含量，所述第一部件和所述第二部件具有相互配合的结合面，通过激光束照射所述结合面的至少部分边沿，在所述结合面的至少部分边沿形成焊接所述第一部件和所述第二部件的焊缝；所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积大于所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积。本发明通过控制激光焊接的焊缝位于不同碳含量的部件中的熔池体积，使形成的焊缝质量高，强度大，且焊接过程不易产生气孔，焊接均匀。

Description

一种激光焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地说，涉及一种用于焊接具有不同碳含量的部件的激光焊接方法。

背景技术

激光焊接由于其较高的能量密度与较小的热影响区域而广受关注，这种优异的焊接方式，在很多技术领域，例如压缩机行业大规模进行应用，用于焊接一些焊接性能较差的材料，比如铸铁等。铸铁的力学性能强度偏低，基本无塑性，采用普通焊接方式容易发生裂纹，而激光焊接由于能量密度较高，热变形影响区域小，因此能降低热变形，避免发生裂纹。

对于两种不同材质(主要是指不同碳含量)的零部件之间的焊接，申请人发现，若采用常规的激光焊接方式，当激光光斑打在碳含量较低的零部件上时，激光焊接的质量较好，而当激光光斑打在碳含量较高的零部件上时，容易引起碳含量的析出，影响焊接质量。

因此，需要研发一种能够控制激光束的入射角度和焊缝熔深的方法，来实现两种不同碳含量的零部件之间的高质量焊接。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种用于焊接具有不同碳含量的部件的激光焊接方法，可以在不同碳含量的部件之间形成强度可靠的焊缝连接。

根据本发明的一个方面，提供一种激光焊接方法，用于焊接具有不同碳含量的部件，包括第一部件和第二部件，所述第一部件的碳含量低于所述第二部件的碳含量，其中：

所述第一部件和所述第二部件具有相互配合的结合面，通过激光束照射所述结合面的至少部分边沿，在所述结合面的至少部分边沿形成焊接所述第一部件和所述第二部件的焊缝；

所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积大于所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积和所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积的比值，与所述第二部件的碳含量和所述第一部件的碳含量的比值呈正比。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积和所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积的比值R2与所述第二部件的碳含量和所述第一部件的碳含量的比值R1满足：

R2＝R1*C，其中C为系数，C取值0.05～0.2。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述激光束的入射点位于所述第一部件临近所述结合面处，或位于所述第二部件临近所述结合面处，

当所述激光束的入射点位于所述第一部件时，M-K/sinα＜K/sinα；

当所述激光束的入射点位于所述第二部件时，M-K/sinα＞K/sinα；

其中，α为所述激光束的入射方向与所述结合面之间的夹角，0°≤α＜90°，K为所述激光束的入射点与所述结合面的边沿的垂直距离，M为所述焊缝的熔深。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述焊缝的熔深大于等于0.5mm。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述激光束的功率大于等于200W。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述第一部件和所述第二部件之间的配合方式为间隙配合，且所述第一部件和所述第二部件之间的间隙d满足：d≤1mm。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述第一部件和所述第二部件之间的配合方式为过盈配合。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述焊缝包括沿所述结合面的边沿分布的多个焊接点或多个焊接段。

优选地，上述的激光焊接方法中，所述焊缝为沿所述结合面的边沿连续延伸的直线焊缝、折线焊缝或圆弧焊缝。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明在两种不同碳含量的部件进行激光焊接时，通过控制焊缝在不同碳含量的部件中的熔池体积大小，来控制焊接精度，使得不同碳含量的部件之间形成高质量高强度的焊缝，且焊接过程不易产生气孔，焊接均匀

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。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他的附图。

图1是实施例中激光焊接方法运用于两种不同碳含量的部件上的示意图；

图2是实施例中激光束的入射点位于第一部件的示意图；

图3是实施例中激光束的入射点位于第二部件的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

本发明的激光焊接方法，用于焊接具有不同碳含量的部件，参照图1所示，包括第一部件1和第二部件2，第一部件1的碳含量低于第二部件2的碳含量。针对两种不同材质的部件来说，不同碳含量是相对的概念，例如当两种部件分别为铸铁和碳钢时，因铸铁的碳含量一般在2％以上，而碳钢的碳含量一般在1.7％以下，此时则碳钢为第一部件1，铸铁为第二部件2。本发明的方法适用于任意两种碳含量不同的部件之间进行焊接。

第一部件1和第二部件2具有相互配合的结合面3(图中加粗示意)，结合面3可能是一个平面，可能是一个曲面，或者是不规则的结合面。第一部件1和第二部件2之间的配合方式可以为过盈配合，也可以为间隙配合，当为间隙配合时，第一部件1和第二部件2之间的间隙d满足d≤1mm，以保证焊接强度与焊缝质量。不管是过盈配合还是间隙配合，第一部件1和第二部件2之间均具有相互配合的结合面3，在激光焊接时，该结合面3即为激光束照射的部位。

具体的，参照图1所示，在进行激光焊接时，采用激光束4照射结合面3的至少部分边沿，使得结合面3的至少部分边沿(包括第一部件1的部分和第二部件2的部分)在激光束4的照射下熔解并冷凝，从而在结合面3的边沿形成焊接第一部件1和第二部件2的焊缝。由于第一部件1的碳含量低于第二部件2的碳含量，而激光过多打在碳含量高的部件上会引起碳含量的析出，影响焊接质量。因此，本实施例中控制焊缝位于第一部件1的熔池体积大于焊缝位于第二部件2的熔池体积，使得与碳含量较高的第二部件2相比，第一部件1更多地用于形成焊缝。

其中，激光束4的入射点(箭头4代表激光束，箭头4的指向即代表激光束4的入射方向，箭头4与部件的接触点即为激光束4的入射点。因实际进行激光照射时，激光束4具有一定的光束宽度，因此用包围箭头4的条状阴影示意出激光束4具有一定光束宽度)可以位于第一部件1临近结合面3的地方，如图示激光束4的入射点41位于第一部件1临近结合面3处，也可以位于第二部件2临近结合面3的地方(图中未示意)。在实际焊接时，采用具有一定光束宽度的激光束4进行照射时，不管其入射点位于第一部件1或第二部件2，激光束4的光束宽度的边沿均同时与第一部件1和第二部件2接触。激光束4在结合面3的边沿处的焊缝表面宽度H等于焊缝在第一部件1的表面宽度H1和焊缝在第二部件2的表面宽度H2之和，即H＝H1+H2，且H1和H2均大于0。被激光束4照射的第一部件1的部分材料和第二部件2的部分材料熔解并冷凝，形成用于焊接的焊缝。

通过控制激光束4的入射角度、入射点的位置、激光束4的功率等，来控制激光束4的速度和形成的焊缝的熔深，实现最终形成的焊缝位于第一部件1的熔池体积大于位于第二部件2的熔池体积。

进一步的，基于第一部件1的碳含量和第二部件2的碳含量，使得焊缝位于第一部件1的熔池体积和焊缝位于第二部件2的熔池体积的比值，与第二部件2的碳含量和第一部件1的碳含量的比值呈正比。也就是说，当第二部件2的碳含量和第一部件1的碳含量差别越大(即第二部件2的碳含量越高、第一部件1的碳含量越低)，则焊缝位于第一部件1的熔池体积和焊缝位于第二部件2的熔池体积差别越大(即焊缝位于第一部件1的熔池体积越大、而位于第二部件2的熔池体积越小)。从而，当第一部件1和第二部件2的碳含量差别越大，焊缝越多地偏向碳含量低的第一部件1，以保证焊接质量，避免碳含量析出。

更进一步的，使焊缝位于第一部件1的熔池体积和焊缝位于第二部件2的熔池体积的比值R2，与第二部件2的碳含量和第一部件1的碳含量的比值R1满足：R2＝R1*C，其中C为系数，C取值0.05～0.2。例如，当第二部件2的碳含量和第一部件1的碳含量的比值大于20时，控制焊缝位于第一部件1的熔池体积和焊缝位于第二部件2的熔池体积的比值大于2，以最大限度地适应部件之间碳含量的差异。

最终形成在结合面3的边沿的焊缝，可以是是多个间断的焊接点，也可以是间断的焊接段，例如直线段或圆弧段，也可以是沿结合面3的边沿连续延伸的一整条焊缝。也就是说，在进行激光照射时，可以沿着结合面3的边沿，控制激光束4间断地照射在第一部件1和第二部件2，使得最终形成的焊缝包含多个间断延伸的焊接点或者焊接段，也可以控制激光束4沿着结合面3的边沿不间断地照射第一部件1和第二部件2，使得最终形成的焊缝为沿结合面3的边沿连续延伸的一整条焊缝。

通过本实施例的方法，在具有较低碳含量的第一部件1和具有较高碳含量的第二部件2进行激光焊接时，将激光束4偏向多照射碳含量较低的第一部件1，控制激光在第一部件1和第二部件2中的熔池体积，来控制焊接精度，使得第一部件和第二部件之间形成高强度的焊缝，且焊接过程不易产生气孔，焊接均匀。

在一个优选的实施例中，通过控制激光束4的入射方向与结合面3之间的夹角，以及激光束4的入射点与结合面3的边沿的垂直距离，来控制激光在第一部件1和第二部件2中的熔深，从而控制焊缝位于第一部件1的熔池体积大于位于第二部件2的熔池体积。

具体的，参照图2所示，当激光束4的入射点41位于第一部件1时，控制M-K/sinα＜K/sinα。其中，α为激光束4的入射方向(图中绘示的位于激光束4中心的箭头即代表激光束4的入射方向)与结合面3之间的夹角，0°＜α＜90°，K为激光束4的入射点41与结合面3的边沿的垂直距离，M为焊缝的熔深(包括在第一部件1中的熔深和在第二部件2中的熔深之和)，具体指从激光束4的入射点41开始，到激光束4结束的路径上，激光束4在第一部件1和第二部件2中所经过的距离长度。K/sinα代表焊缝在第一部件1中的熔深，也即激光束4从入射点41照射到结合面3，在第一部件1中所经过的距离长度；M-K/sinα即代表焊缝在第二部件2中的熔深，也即激光束4从结合面3进入第二部件2开始，到在第二部件2中结束所经过的距离长度。当控制M-K/sinα＜K/sinα，则焊缝在第二部件2中的熔深小于焊缝在第一部件1中的熔深，从而，焊缝位于第二部件2的熔池体积即小于焊缝位于第一部件1的熔池体积。

参照图3所示，当激光束4的入射点42位于第二部件2时，控制M-K/sinα＞K/sinα。其中，与上述同理，α为激光束4的入射方向与结合面3之间的夹角，0°＜α＜90°，此时图3中激光束4的入射方向不同于图2中激光束4的入射方向，但夹角α仍控制在0°～90°之间。K为激光束4的入射点42与结合面3的边沿的垂直距离，M为焊缝的熔深(包括在第二部件2中的熔深和在第一部件1中的熔深之和)。K/sinα代表焊缝在第二部件2中的熔深，也即激光束4从入射点42照射到结合面3，在第二部件2中所经过的距离长度；M-K/sinα即代表焊缝在第一部件1中的熔深，也即激光束4从结合面3进入第一部件1开始，到在第一部件1中结束所经过的距离长度。当控制M-K/sinα＞K/sinα，则焊缝在第一部件1中的熔深大于焊缝在第二部件2中的熔深，从而，焊缝位于第一部件1的熔池体积即大于焊缝位于第二部件2的熔池体积。

进一步的，为保证焊接强度，焊缝位于第一部件1的熔深和焊缝位于第二部件2的熔深之和M应大于等于0.5mm。为达到焊缝的熔深，激光束4的功率应控制在200W以上，焊接速度越快，所达到的熔深越浅；反之，焊接速度越慢，可达到的熔深越深。

因熔池体积与夹角α、入射点距离K、熔深M有关，因此本实施例通过控制激光束4的入射方向与结合面3之间的夹角α，激光束4的入射点与结合面3的边沿的垂直距离K，来控制激光在第一部件1中的熔深大于激光在第二部件2中的熔深，从而控制焊缝位于第一部件1的熔池体积大于位于第二部件2的熔池体积，使最终形成的焊缝具有高强度、高稳固性的特点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光焊接方法，用于焊接具有不同碳含量的部件，包括第一部件和第二部件，所述第一部件的碳含量低于所述第二部件的碳含量，其特征在于：

所述第一部件和所述第二部件具有相互配合的结合面，通过激光束照射所述结合面的至少部分边沿，在所述结合面的至少部分边沿形成焊接所述第一部件和所述第二部件的焊缝；

所述激光束的入射点位于所述第二部件临近所述结合面处，且入射时所述激光束的光束边沿同时与所述第一部件和所述第二部件接触，所述入射点为所述激光束的光束中心；

M-K/sinα＞K/sinα，α为所述激光束的入射方向与所述结合面之间的夹角，0°≤α＜90°，K为所述激光束的入射点与所述结合面的边沿的垂直距离，M为所述焊缝的熔深；

所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积大于所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积，且所述焊缝位于所述第一部件的熔池体积和所述焊缝位于所述第二部件的熔池体积的比值R2与所述第二部件的碳含量和所述第一部件的碳含量的比值R1满足：R2＝R1*C，其中C为系数，C取值0.05～0.2。

2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊缝的熔深大于等于0.5mm。

3.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光束的功率大于等于200W。

4.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件之间的配合方式为过盈配合。

5.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊缝包括沿所述结合面的边沿分布的多个焊接点或多个焊接段。

6.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊缝为沿所述结合面的边沿连续延伸的直线焊缝、折线焊缝或圆弧焊缝。

Images