CN111112834A - 一种采用co2激光器激光焊接镀层金属工件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，本发明通过焊接时在传统保护气体中添加一定比例的O2，使O2与低熔点镀层反应生成氧化物，来提高金属工件对激光的吸收率以及焊接接头熔深，从而提高焊接质量，另外，由于减少了惰性气体的使用比例，使焊接成本下降，总体达到在得到更优质焊缝的条件下降低成本的目的。

Description

一种采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法
技术领域
本发明涉及一种具有低熔点镀层金属工件的激光焊接方法，特别是涉及汽车工业、航空、造船、铁路和房屋建筑等行业中镀锌层钢板的激光焊接方法。
背景技术
为了使金属工件具有良好的防腐蚀作用，工件表面通常镀有一层可防腐的低熔点镀层特别是锌镀层，镀锌钢板以其成本低、抗腐蚀性能优异得到广泛应用，尤其是在汽车、航空、造船、铁路和房屋建筑等领域。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，越来越多的被应用于金属工件的焊接中。但是在实际焊接中，使用CO2激光器激光焊接金属工件时，由于该类激光波长较长，金属工件本身对激光的吸收率较低，具有低熔点镀层金属工件表面的镀层在焊接过程中会蒸发产生更多的等离子体，等离子体对CO2激光吸收率高，更加严重阻碍金属工件对激光的吸收，造成焊缝熔深小，质量低，强度低，所以焊接时通常需要更大的功率，从而造成能耗和成本都增高。另外，实际焊接中，由于空气对焊缝金属有有害作用，所以在焊接时必须从外界添加保护气体将空气排开，应用最多的保护气体就是He、Ar等惰性气体，但是惰性气体价格十分昂贵，这也导致焊接成本更高。
因此，需要一种质量更好、强度更高、成本更低的镀层金属工件的CO2激光焊接方法，来实现镀层钢板低成本、高质量的激光焊接。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种在传统保护气体中减少惰性气体的使用量而添加一定比例O2的方法，来降低采用CO2激光器焊接具有低熔点镀层金属工件时所产生的缺陷。
为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：一种采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，包含以下步骤：
(a)、提供两个或两个以上的金属工件，其中至少一个金属工件表面具有低熔点的镀层；
(b)、将所述金属工件进行焊接装配；
(c)、采用CO2激光器焊接设备将装配好的金属工件在保护气体的条件下进行激光焊接；所述保护气体为O2与惰性气体的混合气体，其中O2占混合气体的体积比例为2％-15％。
在另一优选例中，所述金属工件至少有一个是基材为钢的金属工件。
在另一优选例中，所述低熔点镀层为镀锌层。
在另一优选例中，所述装配形式为搭接或对接。
在另一优选例中，所述金属工件的厚度为0.3-3.5mm，优选地为0.5-3mm。
在另一优选例中，所述激光焊接的功率为500-10000w，焊接速度为0.2-10m/min。
在另一优选例中，所述惰性气体选自氦气、氩气、氖气、氪气和氙气中的一种或几种。
在另一优选例中，所述激光焊接的过程中所述保护气体流量为10-25L/min。
在另一优选例中，所述保护气体是从保护气管路通出，所述保护气管路出口直径为1-5mm。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
本发明的有益效果是：采用CO2激光器焊接具有低熔点镀层金属工件时通过在传统保护气体中添加一定比例的O2，O2可以与低熔点镀层反应生成氧化物，提高金属工件对激光的吸收率，增加了产热量，提高焊接接头熔深，从而提高了焊接质量；另外，由于O2相对惰性气体的价格较低，本发明减少惰性气体的使用量而增加一定O2的使用量，可以降低制造成本，并且由于添加O2比例相对较少，并不影响惰性气体对焊缝的保护作用，总体达到在得到更优质焊缝的条件下降低成本的目的。
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做简单地介绍，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他的可替代的实施方式。
图1所示为采用本发明焊接方法焊接金属工件的一个示意图；
图2所示为实施例1使用本发明焊接方法后所得到的焊缝表面形貌；
图3所示为实施例2使用本发明焊接方法后所得到的另一个实施例的焊缝表面形貌；
图4所示为对比实例未使用本发明焊接方法焊接后所得到的焊缝表面形貌；
图5所示为实施例1中图2的焊缝的截面形貌；
图6所示为实施例2中图3的焊缝的截面形貌；
图7所示实施例3中图4的焊缝截面形貌；
图8所示为分别使用实施例1、2和3焊接方法进行焊接后所得到的焊缝拉伸性能的比较图；
附图标记，1-金属工件1，2-金属工件2,3-焊缝，4-焊接保护气体，5-使用CO2激光器发射的激光束，6-激光头，7-保护气管路。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，发现了一种在传统保护气体中减少惰性气体的使用量而添加一定比例O2的方法，来降低采用CO2激光器焊接设备焊接具有低熔点镀层金属工件时所产生的缺陷，在此基础上完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“低熔点镀层”是指镀层金属工件表面的镀层的熔点小于金属工件基材的熔点。
如图1所示为一带有CO2激光器的激光焊接装置采用本发明焊接方法焊接金属工件的一个示意图，图中激光焊接装置包括焊接装置本体、激光头6和保护气管路7，激光头6和保护气管路7位于焊接装置本体上，采用本发明的焊接方法进行焊接的步骤为：首先提供至少一个表面具有低熔点镀层的金属工件，例如提供如图1中金属工件1和2，基材为钢，两者表面均镀有锌层；然后将金属工件1和2根据要求进行焊接装配，例如如图1中所示为对接装配；最后采用CO2激光器发射的激光束5将装配好的金属工件1和2在保护气体4的条件下焊接在一起。其中保护气体为O2与惰性气体的混合气体，激光束5由激光头6中发射出，混合保护气体4由保护管路7中通出。
值得注意的是，本发明中所述金属工件的数量不局限于两块，可以为厚度相同或不同的多块(大于2)，装配形式也不局限于对接，可以为搭接。金属工件的基材可以是包括钢、铝合金、镁合金等材料在内的金属材料，其中钢材可以为低碳钢、无间隙刚、烘烤硬化钢、双向钢、马氏体钢等。铝合金、镁合金可以包括变形铝合金、变形镁合金、铸造铝合金和铸造镁合金。而且其材料状态可以包括各种回火、退火、应变强化、固溶强化等状态。基板的厚度为0.3毫米至3.5毫米，优选地为从0.5毫米至3毫米厚度之间。
另外，所述CO2激光焊接方法包括普通激光焊或远程飞行焊，焊缝形式可以是缝焊或点焊。所用焊接混合保护气体中，主要气体为He、Ar等惰性气体，O2比例为混合气体的2％-15％，例如98％的He+2％的O2、98％的Ar+2％的O2或其他任意比例范围内的组合，而保护气体流量为 10-25L/min，保护气管路出口直径为1-5mm。激光焊接参数与通常焊接情况一致，例如功率为1-20kw，焊接速度为0.5-30m/min。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图2、图5所示为使用本发明焊接方法所获得的一个实施例的焊缝表面及截面形貌图。其中焊接工件分别为厚度为0.9mm、1.4mm的表面为热镀锌层的低合金高强度钢板，该种材料被大量应用于汽车车身的制造中，焊接装配形式为对接拼焊；激光焊接功率为2Kw，焊接速度为2.3m/min，保护气体为98％Ar+2％的O2，气体流量为15L/min。
由图2可看出，添加2％的O2作为保护气体后，焊缝表面质量较好，未观察到焊缝存在明显的氧化现象。由图5可看出，焊缝熔核截面成型较好，底部熔核直径为0.76mm。
实施例2
如图3、图6所示为使用本发明焊接方法所获得的另一个实施例的焊缝表面及截面形貌图。其中焊接材料分别为厚度为0.9mm、1.4mm的表面为热镀锌的低合金高强度钢板，焊接装配形式为对接拼焊；激光焊接功率为2Kw，焊接速度为2.3m/min，保护气体为95％Ar+5％的O2，气体流量为15L/min。
由图3可看出，添加5％的O2作为保护气体后，焊缝表面质量较好，未观察到焊缝存在明显的氧化现象。由图6可看出，焊缝截面成型较好,底部熔核直径为0.81mm。
对比实例
如图4、图7所示为未采用本发明焊接方法所获得的一个实施例的焊缝表面及截面形貌图，为实施例1、2的对比实施例。本实施例与实施例1和2类似，与之不同的是保护气体为 99.999％的纯Ar。
由图4可看出，未添加O2以纯Ar作为保护气体时，焊缝表面质量较好，焊缝不存在明显的氧化现象。而由图6可看出，焊缝截面成型较好，但熔核截面形状与添加O2后的形状不相同，底部熔核直径只有0.70mm，低于实施例1和2采用本发明焊接方法进行焊接所得到的熔核直径。
图8所示为采用实施例1、2和3焊接方法进行焊接后所得焊缝拉伸性能的比较图，由图8可以看出：采用实施例1和2焊接方法(即采用本发明焊接方法)进行焊接时，接头抗拉剪强度分别为4284N和4312N，而采用实施例3(未采用本发明焊接方法)进行焊接时，接头抗拉剪强度为4270N，低于实施例1和2。
需要说明的是保护气体中的惰性气体不只为氦气、氩气，还可以为氦气、氩气、氖气、氪气和氙气中的一种或几种，镀层也不只为镀锌层，可以为任何小于金属工件基材熔点的镀层。
所以，由以上对比实例可充分说明，采用本发明焊接方法，在激光焊接具有低熔点镀层的金属工件时，添加一定比例的O2可以在不影响焊接表面质量的情况下，可以提高焊接接头强度和焊缝质量，同时减少惰性气体的使用量，可降低成本，总体达到在得到更优质焊缝的条件下降低成本的目的。
尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，包含以下步骤：
(a)、提供两个或两个以上的金属工件，其中至少一个金属工件表面具有低熔点的镀层；
(b)、将所述金属工件进行焊接装配；
(c)、采用CO2激光器焊接设备将装配好的金属工件在保护气体的条件下进行激光焊接；
其特征在于，所述保护气体为O2与惰性气体的混合气体，其中O2占混合气体的体积比例为2％-15％。
2.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述金属工件至少有一个是基材为钢的金属工件。
3.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述低熔点镀层为镀锌层。
4.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述装配形式为搭接或对接。
5.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述金属工件的厚度为0.3-3.5mm。
6.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述激光焊接的功率为500-10000w，焊接速度为0.2-10m/min。
7.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述惰性气体选自氦气、氩气、氖气、氪气和氙气中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述激光焊接的过程中所述保护气体流量为10-25L/min。
9.根据权利要求1所述的采用CO2激光器激光焊接镀层金属工件的方法，其特征在于，所述保护气体是从保护气管路通出，所述保护气管路的出口直径为1-5mm。
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