CN111390386A - 一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法 - Google Patents

一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法。该方法通过在层叠放置的待焊的上层工件表面打孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，剩余部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使上层工件和下层工件之间通过剩余部分材料达到初始连接的状态；然后按照预设焊接图形，在焊接区域对所述待焊的上层工件和下层工件进行焊接。该激光叠焊方法在焊接0.3mm以下厚度的金属产品时，可兼容材料间的压合间隙不超过材料厚度的60％，能够在较大的压合间隙下获得较好的焊接效果。

Description

一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体而言，涉及一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法。
背景技术
激光焊接通过利用高能量密度的激光束在极短的时间内让金属工件达到熔融温度，并且形成特定的熔池。作为一种高效精密焊接方法，由于其独特的优点，激光焊接已成功应用于微、小型零件的精密焊接中，比如：消费电子、医疗和新能源行业等行业已广泛使用非接触式的激光技术对零部件进行高效连接，而强度高、变形量小、无飞溅、无穿透、无虚焊以及焊接稳定性高是这些焊接领域的典型焊接效果要求。
金属部件进行激光焊接时，由于产品生产时存在公差并且在组装时又存在一定的装配精度偏差，因此在焊接材料压合过程中压合位置通常存在一定的间隙，目前使用QCW激光器或者纳秒激光器对这些薄板金属材料进行焊接时，需要保证的压合间隙通常不超过材料厚度的10％，否则压合间隙过大后，容易造成虚焊、强度低以及焊接过程非常不稳定等焊接缺陷，很难满足焊接良率要求。
鉴于此，提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种兼容材料贴合间隙的激光叠焊方法，包括以下步骤：
将激光器发出的激光光束聚焦到待焊的上层工件的焊接区域表面，按照预设打孔图形进行打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，剩余部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使上层工件和下层工件之间通过剩余部分材料达到初始连接的状态，其中，待焊的上层工件和下层工件叠放固定于治具上，上层工件和下层工件之间的压合间隙保持一致；待焊的上层工件和下层工件的厚度均小于或等于0.3mm，且下层工件材料厚度大于等于上层工件材料厚度，待焊的上层工件和下层工件之间的压合间隙最大不超过上层材料厚度的60％；
按照预设焊接图形，在焊接区域对待焊的上层工件和下层工件进行焊接。
目前，在微焊接领域，使用QCW激光器或者纳秒激光器对薄板金属材料进行焊接时，需要保证的压合间隙通常不超过材料厚度的10％，否则压合间隙过大后，容易造成虚焊、强度低以及焊接过程非常不稳定等焊接缺陷，很难满足焊接良率要求。
为了使两件待焊工件之间能够在不具有压合间隙或者具有较大的压合间隙下均能够获得有效的焊接，本发明实施例提供一种兼容材料贴合间隙的激光叠焊方法，包括以下步骤：
采用治具固定待焊工件，并且确保待焊工件之间的压合间隙一致；
使用光束质量较好的激光器发射激光束，使得激光束聚焦在材料表面；
设定打孔图形及工艺参数，在上层工件的焊接区域表面打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，另外部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使上下工件之间通过这部分材料达到初始连接的状态；
设定焊接图形、扫描方式和工艺参数，在焊接区域对待焊工件进行焊接，由于微孔使得上下工件之间通过部分材料达到了初始连接的状态，而在焊接时通过激光作用在上层材料表面使得材料能不断的填充间隙并伴有连续的热胀冷缩过程，进而让上下层材料之间的间隙变小甚至没有间隙，最终实现上下层材料的焊接效果。
可见，本发明实施例提供的叠焊方法：通过在待焊的两片工件的上层工件的表面打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使上下工件之间通过回填部分材料达到初始连接的状态，然后进行焊接，从而实现了待焊的两片工件之间的有效焊接。该方法：在上下工件材料厚度均小于等于0.3mm，下层工件材料厚度大于等于上层工件材料厚度，上下工件之间的压合间隙最大不超过上层材料厚度的60％，均能够获得良好的焊接效果，从而克服了传统焊接时直接将两片待焊工件进行焊接，存在的焊接的范围小以及焊接效果差的缺陷。
在可选的实施方式中，激光器的光束质量M2<1.8，激光光束波长范围为1050-1080nm；M2越小，光束质量越好，激光器的穿透力越强，可焊接的材料越厚，在微小型零件的精密焊接中，一般材料的厚度较薄，要求M2<1.8就基本可以做到所需的焊接效果。
在可选的实施方式中，打微孔所用的激光器需要具备的峰值功率密度大于等于材料达到气化点所需的峰值功率密度，焊接所用的激光器需要具备的峰值功率密度大于等于材料达到融化点所需的峰值功率密度。
打微孔所用的激光器需要具备的峰值功率密度必须超过材料达到气化点所需的峰值功率密度，焊接所用的激光器需要具备的峰值功率密度必须超过材料达到融化点所需的峰值功率密度。
在可选的实施方式中，激光束的聚焦光斑大小为10-100μm；
本发明实施例根据两片待焊工件的厚度以及客户要求的工艺效果(包括强度、焊缝宽度和密封性)进行选择，在满足工艺效果的前提下，焦距越长越好，即尽量选择大焦距场镜。场镜的焦距越长，能一次性焊接的幅面越大；但是焦距越长会使聚焦光斑变大导致单位面积内激光的功率密度变小了，焊接能力下降，从而达不到所需要的工艺效果。
在可选的实施方式中，打孔图形包含点或者圆但不仅限于这两种图形，可以打一次或多次；
在可选的实施方式中，微孔大小为10-300μm，可以在焊接区域打一个或者多个微孔；焊接图形必须避开已有微孔的区域。
通常在微焊接领域，待焊工件的厚度薄，焊接区域小，并且本发明实施例提供的激光叠焊方法，两片待焊工件之间可以存在一定的压合间隙，因此，设定待焊工件上的激光打孔形成的微孔大小为10-300μm，微孔的大小一般是根据材料的厚度以及焊接位置的大小来选择的，首先微孔大小必须小于焊接图形，其次，在能达到焊接效果的前提下，微孔越小越好，但是微孔太小后会使上下层材料无法达到初始连接的状态，从而导致无法焊接，而打孔大则占用了部分焊接区域，使得可焊接的面积变小，强度变低，无法达到焊接要求。
在可选的实施方式中，焊接图形为螺旋线、一个或多个圆环，焊接方向可以从内向外，也可以从外向内。
在可选的实施方式中，激光器的激光扫描方式可以是直线、椭圆曲线、正弦曲线、螺旋线等。
在可选的实施方式中，焊接图形大小为0.4-1.0mm。
焊接图形的大小是根据客户提供的可焊接区域以及焊接效果来选择，如客户要求拉力较大则需要较大的焊接图形，客户如果提供的可焊接区域小，则需要较小的焊接图形。
在可选的实施方式中，焊接时可以增加保护气体，保护气体可以是氦气、氩气、二氧化碳、氧气、氮气和氢气等。
本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法。激光叠焊方法通过在待焊的两片工件的上层工件的表面打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使上下工件之间通过回填部分材料达到初始连接的状态，然后进行焊接，从而实现了待焊的两片工件之间的有效焊接。该方法适用于：上下工件材料厚度均小于等于0.3mm，下层工件材料厚度大于等于上层工件材料厚度，上下工件之间的压合间隙最大不超过上层材料厚度的60％的两片待焊工件之间的焊接。该方法能够在较大的压合间隙下对金属材料实现有效焊接，从而获得较高的强度、较好的外观并且焊接过程稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是打孔图形示意图，可以是点或者圆；
图2是上下工件之间通过部分材料达到初始连接的示意图；
图3是打孔+焊接图形示意图；打孔为点时，焊接图形可以是螺旋线、一个或者多个圆环；
图4是多个微孔+焊接图形示意图；
图5是任意微孔+焊接图形示意图；
图6是扫描方式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例涉及一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法，该激光叠焊方法包含以下步骤：
采用治具固定待焊工件，并且确保待焊工件之间的压合间隙一致；
使用光束质量较好的激光器发射激光束，使得激光束聚焦在材料表面；
设定打孔图形及工艺参数，在上层工件的焊接区域表面打微孔，打孔图形包含点或者圆但不仅限于这两种图形(微孔示意图参见图1)，可以打一次或多次。形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，另外部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使上下工件之间通过这部分材料达到初始连接的状态，形成初始连接的示意图参见图2；
设定焊接图形、扫描方式和工艺参数，在焊接区域对待焊工件进行焊接，由于微孔使得上下工件之间通过部分材料达到了初始连接的状态，而在焊接时通过激光作用在上层材料表面使得材料能不断的填充间隙并伴有连续的热胀冷缩过程，进而让上下层材料之间的间隙变小甚至没有间隙，最终实现上下层材料的焊接效果。
上下工件材料厚度均小于等于0.3mm，下层工件材料厚度大于等于上层工件材料厚度，上下工件之间的压合间隙最大不超过上层材料厚度的60％；
激光器的光束质量M2<1.8，激光光束波长范围为1050-1080nm；激光束的聚焦光斑大小为10-100μm；
微孔大小为10-300μm，可以在焊接区域打一个或者多个微孔；微孔包含点或者圆但不仅限于这两种图形，焊接图形必须避开已有微孔的区域；
焊接图形可以为螺旋线、一个或多个圆环，焊接方向可以从内向外，也可以从外向内。
以上打孔图形+焊接图形成的示意图可以参见图3-图5，图3中，打孔图形为点时，图3中的(a)图是点+螺旋线；图3中的(b)图是点+1个圆环；如图3中的(c)图是点+多个圆环；
打孔图形为微孔时，图4是多个微孔+焊接图形示意图；图5是任意微孔+焊接图形示意图；
激光扫描方式示意图参见图6，扫描方式可以是直线、椭圆曲线、正弦曲线、螺旋线等；
焊接图形大小为0.4-1.0mm；
焊接方法可以增加保护气体，保护气体可以是氦气、氩气、二氧化碳、氧气、氮气和氢气等。
本发明实施例中的叠焊方法可以应用于任意两者金属材料工件的焊接，上层工件和下层工件可采用包括金、银、铜、铁、铝或者其他合金材料。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
以0.2mm厚度的不锈钢叠焊为例，焊接区域不超过0.6mm*0.7mm的长方形，上下材料间的压合间隙为0.1mm，要求焊接强度大于50N，不允许穿透下层材料。
焊接方法如下：
采用100W纳秒激光器，激光波长为1064nm，光束质量M2为1.5，聚焦光斑为52μm；
打孔图形为点，每次2.5ms，打3次，每次打点之间的时间间隔为50ms；
焊接图形为螺旋线，尺寸为0.5mm，螺旋线内环直径为0.15mm，焊接功率设置为95W，焊接速度设置为100mm/s。
焊接效果如下：实际焊接区域大小为0.62mm*0.62mm，焊接强度为62N，无穿透下层材料，满足焊接要求。
实施例2
以0.15mm厚度-0.2mm厚度的磷青铜叠焊为例，焊接区域不超过1mm*1mm，上下材料间的压合间隙为0.08mm，要求焊接强度大于35N，不允许穿透下层材料，焊接区域表面美观无飞溅。
焊接方法如下：
采用150W单模激光器，激光波长为1064nm，光束质量M2为1.1，聚焦光斑为31μm；
打孔图形为点，每次4ms，打4次，每次打点之间的时间间隔为100ms；
焊接图形为螺旋线，尺寸为0.8mm，螺旋线内环直径为0.2mm，焊接功率设置为136W，焊接速度设置为100mm/s。
焊接效果如下：实际焊接区域大小为0.93mm*0.93mm，焊接强度为46N，无穿透下层材料，焊接区域表面美观无飞溅，满足焊接要求。
综上，本发明实施例提供了一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法。
该方法包含以下步骤：
采用治具固定待焊工件，并且确保待焊工件之间的压合间隙一致；
使用光束质量较好的激光器发射激光束，使得激光束聚焦在材料表面；
设定打孔图形及工艺参数，在上层工件的焊接区域表面打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，另外部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使上下工件之间通过这部分材料达到初始连接的状态；
设定焊接图形、扫描方式和工艺参数，在焊接区域对待焊工件进行焊接，由于微孔使得上下工件之间通过部分材料达到了初始连接的状态，而在焊接时通过激光作用在上层材料表面使得材料能不断的填充间隙并伴有连续的热胀冷缩过程，进而让上下层材料之间的间隙变小甚至没有间隙，最终实现上下层材料的焊接效果。
以上的激光叠焊方法在焊接0.3mm以下厚度的金属产品时，可兼容材料间的压合间隙不超过材料厚度的60％，能够在较大的压合间隙下对金属材料实现有效焊接，从而获得较高的强度、较好的外观并且焊接过程稳定。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种兼容材料压合间隙的激光叠焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光器发出的激光光束聚焦到待焊的上层工件的焊接区域表面，按照预设打孔图形进行打微孔，形成微孔时附带的激光冲击和材料回填，使得上层材料在微孔区域的部分材料蒸发，剩余部分材料透过上层工件和压合间隙向下传递至下层工件，从而使所述上层工件和所述下层工件之间通过剩余部分材料达到初始连接的状态，其中，待焊的上层工件和下层工件叠放固定于治具上，上层工件和下层工件之间的压合间隙保持一致；所述待焊的上层工件和下层工件的厚度均小于或等于0.3mm，且所述下层工件材料厚度大于等于所述上层工件材料厚度，所述待焊的上层工件和下层工件之间的压合间隙最大不超过所述上层材料厚度的60％；
按照预设焊接图形，在焊接区域对所述待焊的上层工件和下层工件进行焊接。
2.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述激光器的光束质量M2<1.8，所述激光器发出的激光光束波长为1050-1080nm。
3.根据权利要求2所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述激光光束的聚焦光斑大小为10-100μm。
4.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，打微孔所用的激光器需要具备的峰值功率密度大于等于材料达到气化点所需的峰值功率密度，焊接所用的激光器需要具备的峰值功率密度大于等于材料达到融化点所需的峰值功率密度。
5.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述打孔图形包含点或者圆；
优选的，打孔次数为一次或多次。
6.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述微孔大小为10-300μm；
优选的，所述微孔为一个或者多个。
7.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述焊接图形的形状为螺旋线、一个或多个圆环。
8.根据权利要求7所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述焊接图形大小为0.4-1.0mm。
9.根据权利要求1所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述焊接时的激光扫描方式为直线、螺旋线、正弦曲线或者椭圆曲线。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的激光叠焊方法，其特征在于，所述焊接时增加保护气体，保护气体为氦气、氩气、二氧化碳、氧气、氮气和氢气中的任意一种。
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