CN110539076A - 用于激光焊接的保护气体及应用其的激光焊接方法 - Google Patents

用于激光焊接的保护气体及应用其的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于激光焊接的保护气体，按照体积比计算，所述保护气体包括7.5％‑15％的Ar、2.5％‑7.5％的He和80％‑90％的CO2，同时提供了一种利用上述气体对工件进行焊接的焊接方法，包括首先通过夹具和机床控制使得工件的待焊接工件的表面与激光器垂直，之后调节激光焊接器的激光功率密度，最后令焊枪以2‑4m/min的速度对待焊接工件进行焊接。本发明采用CO2作为焊接保护气体的主要气体，以便于在高温焊接的情况下降CO2分解产生O2，在焊接过程中在焊缝表面形成氧化层，对焊缝表面进行保护，增加焊缝的强度。

Description

用于激光焊接的保护气体及应用其的激光焊接方法
技术领域
本发明属于激光焊接领域，尤其是涉及一种用于激光焊接的保护气体及应用其的激光焊接方法。
背景技术
在焊接过程中，需要对焊接部位提供保护气体，以防止在激光焊接的过程中金属蒸汽和金属液体熔滴对光学镜片造成影响，同时对工件进行冷却，减小热影响区，但是现有的保护气体为了减少气体对焊材的影响，常规选择气体由N2、He、Ar三种气体或三种气体的混合气体作为保护气体，但是惰性气体的价格较高，从而增加了焊接产品的生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于激光焊接的保护气体及应用其的激光焊接方法，以降低所使用保护气的价格，从而降低焊接成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于激光焊接的保护气体，按照体积比计算，所述保护气体包括7.5％-15％的Ar、2.5％-7.5％的He和80％-90％的CO2。
进一步的，按照体积比计算，所述保护气体包括7.5％的Ar、2.5％的He以及90％的CO2。
根据上述保护气体，本发明还提供了一种焊接方法，将上述保护气体喷射于待焊接工件的焊道处；
S1、通过夹具和机床控制使得工件的待焊接工件的表面与激光器垂直；
S2、调节激光焊接器的激光功率密度，包括
调节激光照射在待焊接工件表面上的光斑大小、激光器的脉冲宽度和激光器的输出功率；
S3、令焊枪以2-4m/min的速度对待焊接工件的待焊接表面进行焊接。
进一步的，所述激光功率密度为106W/CM2。
进一步的，激光器照射在工件表面的光斑为3mm*3mm-5mm*5mm的实心方光斑。
进一步的，调节光斑的方法包括调节激光器的离焦量，所述离焦量的范围为20-50mm。
进一步的，激光器的输出功率为1KW-8KW。
进一步的，激光器实际输出的脉冲宽度为激光器最大输出脉冲宽度的90％。
进一步的，在焊接过程中，当激光对焊道起始点进行焊接时，激光器的功率为4KW，之后对待焊接表面进行焊接时，激光器的功率提升到5KW-8KW，焊接到终止点处，激光器的功率为5KW。
进一步的，在开始焊接前，激光器在焊道起始点前2mm处开光工作，开关延时为300ms，在焊接至焊道终止点前150ms关光，停止工作。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于激光焊接的保护气体具有以下优势：
本发明采用CO2作为焊接保护气体的主要气体，以便于在高温焊接的情况下降CO2分解产生O2，在焊接过程中在焊缝表面形成氧化层，对焊缝表面进行保护，增加焊缝的强度；
利用高激光功率密度，产生高温，利于工件熔接，同时分解CO2产生O2，便于工件表面氧化。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为激光器在不同输出功率下利用本焊接方法对低碳钢进行焊接的焊接速度与熔接深度关系示意图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明所述的激光焊接方法，通过激光器对焊材进行叠材焊接,光束质量因子BPP＝8mm*mrad；光纤芯径Fiber＝φ200μm；本实施例采用扫描焊接的方式对镀锌低碳钢板进行焊接；
具体焊接步骤包括：
S1、通过夹具和机床控制使得工件的待焊接工件的表面与激光器垂直；
具体的，在焊接过程中，激光束根据零件的焊道通过六轴机器人对焊接角度进行调整，调整的依据是：激光束垂直零件表面的焊道，激光束和焊道保持法向进行焊接；
S2、调节激光焊接机的激光功率密度，包括
调节激光射在待焊接工件表面上的光斑大小以及激光器的脉冲宽度；
S21、将光斑调节为实心3mm*3mm-5mm*5mm的方光斑，具体的，可手动调整激光器在板材上进行单点出光，根据光束出光的光斑使用卡尺测量实际的光斑大小进行调整光斑。
为了调节激光设在工件表面上的光斑大小，对激光器的离焦量进行调节，使得离焦量为20-50mm；
在本实施例中，所选用激光器的焦距为F＝450mm，焊接过程中焊接焦距的范围在450-500mm之间，激光器可供选择的透镜焦距范围为63-254mm；
S22、调节激光器的工作功率在1KW-8KW之间；
调节激光器的输出脉冲宽度为激光器最大脉冲宽度的90％，以防止激光器在过高的脉冲输出下减短寿命，本实施例中，选用的激光器型号为通快碟片式激光器；
通过上述方法将焊接过程的激光功率密度调节为10^6W/CM^2，本实施例中，为了适应上述激光功率密度，聚焦镜的直径PFO＝33mm
结合图1所示，S3、令焊枪以2-4m/min的速度对待焊接工件进行焊接。
为了保证焊接过程的激光密度稳定，对焊接起始点、终止点的激光功率渐升和渐降的控制，起始点的焊接功率为4KW,焊道焊接起始点处往前2mm处进行提前开光，开光延时为300ms,采用提前开光的方式，对激光器进行预使用，防止激光焊接器在开机时输出激光功率不稳定；焊接中间段的功率选择是5-8KW，焊接终止点处的功率降低为5KW，在焊道终止点处提前150ms进行关光，在延焊接终止点处延焊道继续焊接3mm；使得激光发射器在运行和停止工作时存在渐停过程，以便于对激光发射器进行保护。
根据上述步骤，对锌板进行焊接，具体的选用的激光器型号为通快碟片式激光器，且在上述激光焊接方法所选用的保护气体为惰性气体与CO2的混合气体，并根据不同的气体和气体配比进行了如下焊接试验：
在上述保护气体和激光功率的范围内，以及所进行的试验条件如下表所示：
根据上表中所述的12种焊接条件，经过焊接试验，所得的焊接效果如下表所示：
通过上述两表结合，可知在焊接锌板的过程中，采用7.5％Ar+2.5％He+90％CO2的混合气作为保护气体，采用8KW的激光焊接器以及70mm/s的焊接速度可以达到最优焊接效果。
在本发明所述的保护气体的环境下，对镀锌板进行激光焊接的原理为，在激光焊接的过程中CO2经过高温分解成CO和O2气体，镀锌板表面经过高温产生Zn蒸气，Zn蒸气在高温下和CO2分解出来的O2进行化学反应生成ZnO氧化物，在含有Ar7.5％-15％与He2.5％-7.5％的惰性保护气体下充分保证零件焊接的过程中Zn蒸气与O2完全反应，生产氧化物，氧化物对焊接后的零件表面进行保护，避免产生的焊道内部的金属被空气氧化，从而提高焊接质量，增加焊接后工件强度。
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.用于激光焊接的保护气体，其特征在于：按照体积比计算，所述保护气体包括7.5％-15％的Ar、2.5％-7.5％的He和80％-90％的CO2。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光焊接的保护气体，其特征在于：按照体积比计算，所述保护气体包括7.5％的Ar、2.5％的He和90％的CO2。
3.激光焊接方法，其特征在于：将权利要求1或2所述的保护气体喷射于待焊接工件的焊道处，所述焊接过程包括
S1、通过夹具和机床控制使得工件的待焊接工件的表面与激光器垂直；
S2、调节激光焊接器的激光功率密度，包括
调节激光照射在待焊接工件表面上的光斑大小、激光器的脉冲宽度和激光器的输出功率；
S3、令焊枪以2-4m/min的速度对待焊接工件的待焊接表面进行焊接。
4.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于：所述激光功率密度为106W/CM2。
5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于：激光器照射在工件表面的光斑为3mm*3mm-5mm*5mm的实心方光斑。
6.根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于：调节光斑的方法包括调节激光器的离焦量，所述离焦量的范围为20-50mm。
7.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于：激光器的输出功率为1KW-8KW。
8.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于：激光器实际输出的脉冲宽度为激光器最大输出脉冲宽度的90％。
9.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于：在焊接过程中，当激光对焊道起始点进行焊接时，激光器的功率为4KW，之后对待焊接表面进行焊接时，激光器的功率提升到5KW-8KW，焊接到终止点处，激光器的功率为5KW。
10.根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于：在开始焊接前，激光器在焊道起始点前2mm处开光工作，开关延时为300ms，在焊接至焊道终止点前150ms关光，停止工作。
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