CN111571010B - 提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，用于不同厚度的5xxx系列铝合金板拼焊；包括步骤：1、第一工件（10）和第二工件（20）的氢元素浓度小于阈值，执行步骤2；2、清洗第一工件和第二工件的焊缝，清除焊接区域的氧化层和油膜层；步骤3：将第一工件和第二工件通过铜板组件拼接，采用焊接激光束（50）经焊丝（52）对第一工件和第二工件的焊接区域的正面进行激光拼焊，并在焊接时进行喷气保护。本发明能对不同厚度、不同强度的铝合金板进行激光拼焊，制成适用于汽车车身构件的坯料，无需铝板整板冲压，减轻了板件的重量，提高了材料的利用率，降低了生产成本，能工业化量产。

Description

提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法

技术领域

本发明涉及一种板材坯料的焊接方法，尤其涉及一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法。

背景技术

目前，由平板经过冲压成型后的铝合金板已经广泛用于车身结构件的制造，平板为一整块板的形式为主流应用现状，整板冲压成型的难度和成本较高；为了提高材料利用率并降低成本，可采用不同厚度、不同强度的铝合金板材拼焊来实现；但不同厚度、强度的板材在激光拼焊过程中容易发生焊接气孔、接头强度低等问题，导致板材在整板冲压过程中无法达到良好的强度性能，尤其是以5182铝合金板为代表的5xxx系列汽车铝合金板，5xxx系列铝合金板中的镁含量较高，为板材的主要强化元素，而2xxx系列和6xxx系列等铝合金板依靠热处理强化。5xxx系列铝合金板在焊接时容易导致金属镁在高温下蒸发，进而使得材料的强度损失。此外5xxx系列铝合金熔体更易吸收氢元素而产生焊接气孔。

中国发明专利申请CN201911238248.0公开了一种电感耦合超声辅助脉冲激光焊接装置及方法，该焊接方法采用脉冲激光作为热源，采用机床带动铝合金板相对激光光斑沿焊缝方向移动并同时施加超声波以及用电感装置加热控温。该焊接方法通过温控和振动降低焊接过程中的温度梯度，从而减少焊接气孔和裂纹的产生，能耗较高，且仅适用于2219铝合金的焊接，无法应用于不同厚度的5182等5xxx系列铝合金薄板的激光拼焊。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，能对不同厚度、不同强度的5xxx系列铝合金板进行激光拼焊，制成适用于汽车车身构件的坯料，无需铝板整板冲压，减轻了板件的重量，提高了材料的利用率，降低了生产成本，能工业化量产。

本发明是这样实现的：

一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，该激光拼焊方法应用于不同厚度的5xxx系列铝合金板即第一工件和第二工件的拼焊；所述的激光拼焊方法包括以下步骤：

步骤1：对第一工件和第二工件的氢元素浓度进行检测，若氢元素浓度小于阈值，执行步骤2，反之，无动作；

步骤2：清洗第一工件和第二工件的焊缝，清除焊接区域的氧化层和油膜层；

步骤3：将第一工件和第二工件通过铜板组件拼接，采用焊接激光束经焊丝对第一工件和第二工件的焊接区域的正面进行激光拼焊，并在焊接时进行喷气保护。

所述的焊接激光束为光纤激光器输出的脉冲激光，且所述的脉冲激光波形包括：

第一时间段t1，第一时间段t1的脉冲宽度为0.2-3ms，第一时间段t1内的第一功率P1为4-20kW，铝合金板在焊接处熔化并开始形成小孔且等离子体尚未形成；

第二时间段t2，第二时间段t2的脉冲宽度为2-15ms，第二时间段t2内的第二功率P2为0.5-0.7P1，且第二功率P2的能量密度不小于35kW/cm²；在第二时间段t2内，维持第一时间段t1焊接形成的小孔，等离子体刚刚形成极大干扰状态；

第三时间段t3，第三时间段t3的脉冲宽度为0.2-3ms，第三时间段t3内的第三功率P3从第二功率P2降低至基值Pmin，等离子体的温度和密度降低；

第四时间段t4，第四时间段t4的脉冲宽度为3-20ms，第四时间段t4内的第四功率P4为基值Pmin，Pmin为50-200W；

记第二时间段t2、第三时间段t3和第四时间段t4作为焊接激光束的一个激光周期T，即T=t2+t3+t4。

所述的焊接激光束配有保护气喷管，保护气喷管喷出的保护气体为20-50%He +50-80%N₂ + 0.5-1%O₂。

所述的焊接激光束配有保护气喷管，保护气喷管喷出的保护气体为20-50%He +50-80%N₂ + 2-5%CO₂。

所述的焊接激光束与焊接面的夹角为45°-80°。

所述的焊丝通过吐丝嘴吐丝，焊丝中，按质量百分比计，镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%，且焊丝中的氢含量≤0.05ml/100g。

所述的第一工件和第二工件的厚度均为0.7-4.0mm，且第一工件的厚度与第二工件的厚度差为0-2.5mm。

所述的铜板组件上设有若干个真空吸盘，第一工件和第二工件分别通过真空吸盘吸附在铜板组件上，使第一工件和第二工件能通过铜板组件移动并对拼，且第一工件与第二工件之间留有对拼间隙；铜板组件内部设有中空回路，且中空回路内流动循环冷却水。

在所述的步骤2中，通过分别面向焊缝正面和反面的第一清洗激光束和第二清洗激光束对焊接区域进行清洗，第一清洗激光束和第二清洗激光束均配有若干根位于焊缝上方和下方的氩气喷管，第一清洗激光束和第二清洗激光束与焊接激光束之间的直线距离均为100-200mm。

所述的焊缝为直线或曲线，且第一清洗激光束、第二清洗激光束和焊接激光束沿焊缝X轴方向等速同步运动。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明由于对5xxx系列铝合金板的氢含量进行了限制，在铝合金板合金中氢元素浓度低于0.15ml/100g时进行清洗、保护和焊接操作，可有效减少氢元素导致的焊接气孔，从而提高焊缝强度。

2、本发明由于采用了激光烧蚀清洗氧化层和油膜层，同时采用氩气将被清洗后的焊道与空气隔离，并立即进行激光焊接，通过对焊接区域含氧量的严格控制确保了焊缝强度。

3、本发明在激光拼焊时采用He、N₂和O₂（或CO₂）配比的特殊气体进行保护，能降低等离子体的温度，有效抑制等离子体对激光传输的影响。

4、本发明由于采用了镁含量较高的焊丝，能避免焊接热裂纹，弥补了接头强度和塑性的降低的不足，从而保证了焊接强度。

5、本发明由于采用了内置循环冷却水的铜板组件对铝合金板的焊接热影响区进行冷却，提高焊缝和热影响区的强度和塑性。

综上所述，本发明能对不同厚度、不同强度的铝合金板进行激光拼焊，制成的坯料焊缝的强度和塑性高，可替代铝板整板制作汽车车身构件，无需铝板整板冲压，减轻了板件的重量，提高了材料的利用率，降低了生产成本，能工业化量产。

附图说明

图1是本发明提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法的正面操作示意图；

图2是本发明提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法的清洗剖面图；

图3是本发明提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法的反面操作示意图；

图4是本发明提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法中焊接激光束的脉冲示意图；

图5是本发明实施例3中第一工件和第二工件的曲线焊缝的示意图。

图中，10第一工件，11第一上表面，111第一焊接面，12第一下表面，121第二焊接面，20第二工件，21第二上表面，211第三焊接面，22第二下表面，221第四焊接面，30第一清洗激光束，31第一氩气喷管，32第二氩气喷管，33第三氩气喷管，40第二清洗激光束，41第四氩气喷管，42第五氩气喷管，43第六氩气喷管，50焊接激光束，51保护气喷管，52焊丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1至附图3，一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，该激光拼焊方法应用于不同厚度的5xxx系列铝合金板即第一工件10和第二工件20的拼焊；该激光拼焊方法包括以下步骤：

步骤1：对第一工件10和第二工件20的氢元素浓度进行检测，若氢元素浓度小于阈值，阈值优选为0.5mL/100g，执行步骤2，反之，无动作。

所述的第一工件10和第二工件20的厚度均为0.7-4.0mm，且第一工件10的厚度与第二工件20的厚度差为0-2.5mm，适用于不同厚度的5xxx系列铝合金薄板的焊接。第一工件10和第二工件20的长度为200-2000mm，宽度为200-1500mm。

步骤2：清洗第一工件10和第二工件20的焊缝，清除焊接区域的氧化层和油膜层；在第一工件10的第一上表面11上形成第一焊接面111，第一工件10的第一下表面12上形成第二焊接面121，在第二工件20的第二上表面21上形成第三焊接面211，第二工件20的第二下表面22上形成第四焊接面221。

所述的第一焊接面111、第二焊接面121、第三焊接面211和第四焊接面221的宽度为1-3mm，第一焊接面111、第二焊接面121、第三焊接面211和第四焊接面221长度根据焊接区域的长度确定。

在所述的步骤2中，采用清洗激光束对第一工件10和第二工件20的焊接区域进行烧蚀清洗；由于5xxx系列铝合金板与空气自然接触、氧化并吸附水分形成附着于整板表面的氧化层，该氧化层的主要物质为AL₂O₃、MgO、AlMg₂O₄及其水合物AL₂O₃.xH₂O（x取值为1、2、3），氧化层的厚度为2-50nm，且出厂时5xxx系列铝合金板表面涂敷0.5-12g/m²的油膜层，清洗激光束的功率优选为500-1000W，脉冲宽度优选为30-80ns，能有效清除焊接区域100%的氧化层和油膜层。

优选的，所述的清洗激光束包括第一清洗激光束30，第一清洗激光束30面向焊缝的正面，且第一清洗激光束30配有若干根氩气喷管，优选为位于第一清洗激光束30正前方的第一氩气喷管31、位于第一清洗激光束30后方且位于焊接激光束50前方的第二氩气喷管32和第三氩气喷管33，第二氩气喷管32和第三氩气喷管33分别位于焊缝的两侧；第一氩气喷管31的出气口正对第一清洗激光束30的焦点位置15-20mm距离，第二氩气喷管32和第三氩气喷管33正对着刚经过第一清洗激光束30清洗后的第一焊接面111和第三焊接面211，可减少清洗后的第一焊接面111和第三焊接面211与空气的接触，防止其再次被氧化；激光烧蚀清洗时通过第一氩气喷管31、第二氩气喷管32和第三氩气喷管33提供99.99%纯度的氩气对焊接区域进行保护，采用EDS能谱分析，第一焊接面111和第三焊接面211表面的氧O含量低于0.5%，则清洗合格。

优选的，所述的清洗激光束还包括第二清洗激光束40，第二清洗激光束40面向焊缝的反面，第二清洗激光束40配有若干根氩气喷管，优选为位于第二清洗激光束40正前方的第四氩气喷管41、位于第二清洗激光束40后方且位于焊接激光束50前方的第五氩气喷管42和第六氩气喷管43，第五氩气喷管42和第六氩气喷管43分别位于焊缝的两侧；第四氩气喷管41的出气口正对第二清洗激光束40的焦点位置15-20mm距离，第五氩气喷管42和第六氩气喷管43正对着刚经过第二清洗激光束40清洗后的第二焊接面121和第四焊接面221，可减少清洗后的第二焊接面121和第四焊接面221与空气的接触，防止其再次被氧化；激光烧蚀清洗时通过第四氩气喷管41、第五氩气喷管42和第六氩气喷管43提供99.99%纯度的氩气对焊接区域进行保护，采用EDS能谱分析，第二焊接面121和第四焊接面221处氧O含量低于0.5%，则清洗合格。

步骤3：将第一工件10和第二工件20通过铜板组件拼接，采用焊接激光束50经焊丝52对第一工件10和第二工件20的焊接区域的正面进行激光拼焊，并在焊接时进行喷气保护。

在拼接第一工件10和第二工件20时，第一工件10的下表面和第二工件20的下表面齐平在铜板组件的铜板上。

请参见附图4，所述的焊接激光束50优选为光纤激光器输出的脉冲激光，且所述的脉冲激光波形包括：

第一时间段t1，第一时间段t1的脉冲宽度为0.2-3ms可调，第一时间段t1内的第一功率P1为4-20kW，铝合金板在焊接处熔化并开始形成小孔且等离子体尚未形成。

第二时间段t2，第二时间段t2的脉冲宽度为2-15ms可调，第二时间段t2内的第二功率P2为0.5-0.7P1，且第二功率P2的能量密度不小于35kW/cm²，维持第一时间段t1焊接形成的小孔，等离子体刚刚形成极大干扰状态。

激光焊接时，随着时间（通常以毫秒为单位）的延续，被焊接的金属迅速吸收热量熔化，并蒸发金属原子四散。四散的金属原子被激光加热失去电子，形成带正电的阳离子。另外保护气的气体分子如氩气、氦气等也因激光的加热而逐渐升温，最后因高温导致的剧烈微观运动而失去电子，变成带正电的气体阳离子，从而在被焊接位置的正上方数个毫米的空间内形成了带正电荷的金属阳离子和气体阳离子、电子以及吸收电子而表现带负电的气体分子、不带电的原子和分子等，上述这些带正电荷的金属阳离子和气体阳离子、电子以及吸收电子而表现带负电的气体分子、不带电的原子和分子等全部聚合在一起形成了激光焊接所特有的“等离子体”。而这一过程不是在第一时间段t1的0时刻就形成的，需要时间来成形等离子体。

“极大干扰”概念：在激光焊接形成等离子体以后，该等离子体便会与用于焊接的激光束产生相互作用。因为等离子体形成以后，恰好在被焊接位置的正上方数个立方毫米范围内，而激光焊接金属就必须要穿过这个等离子体才能实现对被焊接处金属的加热。而这一过程中等离子体就会产生对激光的干扰，体现在反射一部分激光，导致照射到被焊接处的激光能量降低；也体现在对激光的散射等。

而类似反射和散射等负面最用取决于等离子体的自身状态，关键在于等离子体的温度和等离子体内原子和分子的密度，温度越高、密度越大，则负面影响越大。在焊接的条件（即焊接材料、激光、保护气等等）确定后，则可以确定负面作用的最大化状态，也即“极大干扰”状态。

第三时间段t3，第三时间段t3的脉冲宽度为0.2-3ms可调，第三时间段t3内的第三功率P3从第二功率P2迅速降低至基值Pmin，在第三时间段t3内，由于激光功率迅速降低，等离子体的温度和密度也随之迅速降低甚至熄灭。小孔由最大直径迅速变小、最深深度迅速变浅。若在第三时间段t3内第三功率P3不降低，即第三功率P3保持为第二功率P2，则小孔直径会持续变大且变深；等离子体温度会持续升高且密度增加，增强对激光的干扰且达到“极大干扰”状态。另一方面当焊接激光束50向焊缝前方运动后，焊接时刚刚形成的小孔及其周围流动的金属会造成小孔突然闭合而形成焊接孔洞。所以第三功率P3采用直线下降或曲线下降的方式能有效避免这一影响，其功效是：1、降低等离子体的干扰；2、使的铝合金焊接小孔避免立刻塌陷封闭而形成外观不可见的孔洞（该孔洞可能是气孔、低真空的孔洞等形式的孔洞）。

第四时间段t4，第四时间段t4的脉冲宽度为3-20ms可调，第四时间段t4内的第四功率P4为基值Pmin，Pmin优选为50-200W。

第三时间段t3将能量密度从第二能量密度P2迅速降低至基值Pmin并在第四时间段t4保持，可促进高温（800℃以上）液态铝合金的焊接熔池缓慢冷却至凝固温度（640-680℃），错开等离子体峰值周期性极大干扰态的出现。

记第二时间段t2、第三时间段t3和第四时间段t4作为焊接激光束50的一个激光周期T，即T=t2+t3+t4，激光频率可调，即T的脉冲宽度为5.2-38ms，频率在26-192赫兹之间。

所述的焊接激光束50配有保护气喷管51，用于在焊接时喷气保护。氩气是一种常用的焊接保护气体，但氩气的电离能太低，不利于抑制等离子体，且导热系数低，不利于降低等离子体的温度。氧化性气氛有利于减少氢，激光焊接开始的同时将在焊接熔池即匙孔内部和外部产生等离子体，等离子体含有镁正二价阳离子，铝阳离子，气体阳离子、电子和中性原子，且所有粒子处于运动状态。高温等离子体对传入的激光产生逆韧致辐射，且强度处于变化状态，可采用特殊的保护气体以最大限度降低等离子体对激光传输的影响。

所述的保护气喷管51喷出的保护气体为20-50%He + 50-80%N₂ + 0.5-1%O₂，有利于降低等离子体的温度，能有效抑制等离子体对激光传输的影响。

所述的保护气喷管51喷出的保护气体为20-50%He + 50-80%N₂ + 2-5%CO₂，有利于降低等离子体的温度，能有效抑制等离子体对激光传输的影响。

所述的焊接激光束50的焦点直径为0.1-0.8mm可调，在激光功率选定以后，需要关注激光的能量密度，即激光功率除以焦点面积的商，由于激光焦点的直径将直接影响激光能量密度，能量密度直接影响激光焊接质量，且铝合金对激光尤其是固体激光的反射率较高，因此必须要选择小的焦点直径，来达到较高的能量密度。相同工艺下，选择比焊接黑色金属更小的焦点直径，优选为0.1-0.8mm。

所述的焊丝52通过吐丝嘴吐丝，焊丝52的成分是：按质量百分比计，镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%；焊丝52中氢含量≤0.05ml/100g。焊丝52中镁Mg含量较高，通过激光填丝的方法给予强度补偿，避免了采用现有技术中含有1-4%镁Mg和0.5-2.0%硅的焊丝52容易出现焊接热裂纹的问题。镁元素作为第一强化元素，锰、铜、硅元素作为次要强化元素，钛、锆元素作为间接强化元素，可通过细化晶粒度、改善析出物的状态来达到细晶强化和析出强化。而铁元素一般形成脆性相析出物，是有害元素，必须最大限度降低含量，因此控制在≤0.02%。氢元素是导致焊接气孔的根源，必须最大限度的降低氢含量，因此控制在≤0.05ml/100g。上述各元素的含量能实现最优化合理分配，从而确保5xxx系列铝合金板的焊接接头性能最优。

所述的焊缝可以为直线，焊缝沿X轴方向直线延伸，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40对称设置在焊缝的上方和下方，第一清洗激光束30、第一氩气喷管31、第二氩气喷管32、第三氩气喷管33、第二清洗激光束40、第四氩气喷管41、第五氩气喷管42、第六氩气喷管43、焊接激光束50、保护气喷管51和焊丝52沿焊缝即X轴等速同步运动，且第一清洗激光束30和第二清洗激光束40与焊接激光束50之间均留有间距。从而实现对直线焊缝进行清洗、保护和焊接的目的。

所述的焊缝可以为曲线，焊缝的长度方向沿X轴方向延伸，同时焊缝沿Y轴方向存在弯曲延伸，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40对称设置在焊缝的上方和下方并沿焊缝等速同步运动，即在X轴和Y轴方向上均等速同步运动；第一氩气喷管31和第二氩气喷管32沿X轴和Y轴等速同步运动，且第一氩气喷管31、第二氩气喷管32和第三氩气喷管33沿X轴方向的运动速度与第一清洗激光束30沿X轴方向的运动速度相等；第四氩气喷管41和第五氩气喷管42沿X轴和Y轴等速同步运动，且第四氩气喷管41、第五氩气喷管42和第六氩气喷管43沿X轴方向的运动速度与第二清洗激光束40沿X轴方向的运动速度相等；焊接激光束50、焊丝52和保护气喷管51沿X轴和Y轴等速同步运动，且焊接激光束50、焊丝52和保护气喷管51沿X轴方向的运动速度与第一清洗激光束30和第二清洗激光束40沿X轴方向的运动速度相等，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40与焊接激光束50之间均留有间距。从而实现对曲线焊缝进行清洗、保护和焊接的目的。

所述的第一清洗激光束30和第二清洗激光束40与焊接激光束50之间的直线距离均为100-200mm，由于机械设计的原因，焊接激光束50与第一清洗激光束30之间需要相隔一定距离，与第一清洗激光束30同步的第二清洗激光束40也相应的与焊接激光束50需要相隔一定距离，在这段距离内通过喷出氩气进行保护，减少焊接面与空气的接触即可。但若焊接激光束50与第一清洗激光束30的相隔距离过大，则不利于氩气等保护气体对清洗后的焊接面的保护，因此将焊接激光束50与第一清洗激光束30的直线距离控制在100-200mm之间，能确保六根氩气喷管喷出氩气对相隔距离内焊接面的有效保护。

所述的焊接激光束50与焊接面的夹角为45°-80°，可防止焊接面反射的激光烧损焊接设备。

所述的铜板组件上设有若干个真空吸盘，第一工件10和第二工件20分别通过真空吸盘吸附在铜板组件上，使第一工件10和第二工件20能通过铜板组件移动并对拼，且第一工件与第二工件之间留有对拼间隙，可通过铜板组件调节对拼间隙的大小，对拼间隙优选为0.1-0.3mm。铜板组件为现有技术的激光拼焊工作台的一部分，具有固定和移动板件的功能，此处不再赘述。

所述的铜板组件内部设有中空回路，且中空回路内流动循环冷却水，可通过循环冷却水达到冷却第一工件10和第二工件20的作用，并通过对循环冷却水的流速控制调节调节第一工件10和第二工件20焊接热影响区的冷却曲线。5xxx系列铝合金板材在焊接时易发生晶粒粗化而降低塑性，表现为接头强度低于母材，通过循环冷却水降低晶粒长大粗化所需要的温度和时间，减缓晶粒长大的趋势，提高了热影响区的强度和塑性，即提高了接头处的强度。

在焊接时，可通过现有技术中探测精度为1-10微米的激光探测器探测焊接熔池即钥匙孔的深度，激光探测器的功率随探测深度的变化而事实调整；也可在焊接后进行表面光学检测等方式控制焊接质量，保障直/曲线焊缝的焊接变平整度和间隙量，并作为功率负反馈的调节方式。

实施例1：

焊接母材为两块5182铝合金板，即第一工件10和第二工件20，第一工件10的尺寸为300mm*400mm*1.5mm，第二工件20的尺寸为300mm*400mm*2mm，检测两块5182铝合金板内氢含量为0.12ml/100g。将第一工件10和第二工件20放置在铜板组件的若干个真空吸盘上，通过铜板组件调节第一工件10的下表面和第二工件20的下表面对齐在铜板上表面上，且第一工件10与第二工件20对拼间隙为0.1mm，焊缝为直线。

采用800瓦脉冲激光器通过分光器产生第一清洗激光束30和第二清洗激光束40，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的脉冲周期为30纳秒，激光焦点直径为0.8mm。第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的发射端分别对准焊缝上方和下方的起始点，第一清洗激光束30配有位于第一清洗激光束30正前方的第一氩气喷管31、位于第一清洗激光束30与焊接激光束50之间且对称在焊缝两侧的第二氩气喷管32和第三氩气喷管33；第二清洗激光束40配有位于第二清洗激光束40正前方的第四氩气喷管41、位于第二清洗激光束40后方且对称在焊缝两侧的第五氩气喷管42和第六氩气喷管43。氩气的流量调节为15L/min，压力调节为2.5bar。打开激光器对两块5182铝合金板的焊接区域进行清洗，同时开启第一氩气喷管31、第二氩气喷管32、第三氩气喷管33、第四氩气喷管41、第五氩气喷管42和第六氩气喷管43的气源，用于保护第一焊接面111、第二焊接面121、第三焊接面211和第四焊接面221。

焊接激光束50与第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的直线距离为150mm，焊接激光束50的发射端对准焊缝起始点时，开启焊接激光束50的激光发生器和保护气喷管51的气源，开始焊接，焊接激光束50的激光焦点直径为0.2mm，焊接激光束50与焊接面的夹角为45°，整机行进速度，即焊接激光束50、第一清洗激光束30和第二清洗激光束40沿X轴的行进速度均为4m/min。

焊接激光束50的第一时间段t1为2ms，第一功率P1为8kW，第二时间段t2为8ms，第二功率P2为5kW，第三时间段t3为0.3ms，第三功率P3从5kW缓降变化至200W（即Pmin），第四时间段t4为15ms，第四功率P4为200W（即Pmin）。

焊接时采用的保护气为：30%He+69%N₂+1%O₂，保护气的流量为15L/min，压力为2.5bar。

焊丝52采用直径为1.0mm 的实芯焊丝，缠绕成圆盘状，且焊丝成分如下：

镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%；氢含量≤0.05ml/100g。

焊接停止后，对焊缝进行质检，结果为：超声波探测无0.1mm以上气孔、无裂纹，杯突试验开裂在母材，焊缝质量合格。实施例2：

焊接母材为两块5182铝合金板，即第一工件10和第二工件20，第一工件10的尺寸为300mm*400mm*1.0mm，第二工件20的尺寸为300mm*400mm*1.5mm，检测两块5182铝合金板内氢含量为0.12ml/100g。将第一工件10和第二工件20放置在铜板组件的若干个真空吸盘上，通过铜板组件调节第一工件10的下表面和第二工件20的下表面对齐在铜板上表面上，且第一工件10与第二工件20对拼间隙为0.1mm，焊缝为直线。

采用800瓦脉冲激光器通过分光器产生第一清洗激光束30和第二清洗激光束40，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的脉冲周期为30纳秒，激光焦点直径为0.8mm。第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的发射端分别对准焊缝上方和下方的起始点，第一清洗激光束30配有位于第一清洗激光束30正前方的第一氩气喷管31、位于第一清洗激光束30与焊接激光束50之间且对称在焊缝两侧的第二氩气喷管32和第三氩气喷管33；第二清洗激光束40配有位于第二清洗激光束40正前方的第四氩气喷管41、位于第二清洗激光束40后方且对称在焊缝两侧的第五氩气喷管42和第六氩气喷管43。氩气的流量调节为15L/min，压力调节为2.5bar。打开激光器对两块5182铝合金板的焊接区域进行清洗，同时开启第一氩气喷管31、第二氩气喷管32、第三氩气喷管33、第四氩气喷管41、第五氩气喷管42和第六氩气喷管43的气源，用于保护第一焊接面111、第二焊接面121、第三焊接面211和第四焊接面221。

焊接激光束50与第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的直线距离为150mm，焊接激光束50的发射端对准焊缝起始点时，开启焊接激光束50的激光发生器和保护气喷管51的气源，开始焊接，焊接激光束50的激光焦点直径为0.2mm，焊接激光束50与焊接面的夹角为45°，整机行进速度，即焊接激光束50、第一清洗激光束30和第二清洗激光束40沿X轴的行进速度均为4.5m/min。

焊接激光束50的第一时间段t1为2ms，第一功率P1为8kW，第二时间段t2为8ms，第二功率P2为5kW，第三时间段t3为0.3ms，第三功率P3从5kW缓降变化至200W（即Pmin），第四时间段t4为15ms，第四功率P4为200W（即Pmin）。

焊接时采用的保护气为：30%He+69%N₂+1%O₂，保护气的流量为15L/min，压力为2.5bar。

焊丝52采用直径为1.0mm 的实芯焊丝，缠绕成圆盘状，且焊丝成分如下：

镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%；氢含量≤0.05ml/100g。

焊接停止后，对焊缝进行质检，结果为：超声波探测无0.1mm以上气孔、无裂纹，杯突试验开裂在母材，焊缝质量合格。

实施例3：

焊接母材为两块5182铝合金板，即第一工件10和第二工件20，第一工件10的尺寸为300mm*400mm*1.0mm，第二工件20的尺寸为300mm*400mm*1.5mm，检测两块5182铝合金板内氢含量为0.12ml/100g。将第一工件10和第二工件20放置在铜板组件的若干个真空吸盘上，通过铜板组件调节第一工件10的下表面和第二工件20的下表面对齐在铜板上表面上，且第一工件10与第二工件20对拼间隙为0.1mm，焊缝为圆弧形，圆弧半径为290mm。

采用800瓦脉冲激光器通过分光器产生第一清洗激光束30和第二清洗激光束40，第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的脉冲周期为30纳秒，激光焦点直径为0.8mm。第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的发射端分别对准焊缝上方和下方的起始点，第一清洗激光束30配有位于第一清洗激光束30正前方的第一氩气喷管31、位于第一清洗激光束30与焊接激光束50之间且对称在焊缝两侧的第二氩气喷管32和第三氩气喷管33；第二清洗激光束40配有位于第二清洗激光束40正前方的第四氩气喷管41、位于第二清洗激光束40后方且对称在焊缝两侧的第五氩气喷管42和第六氩气喷管43。氩气的流量调节为15L/min，压力调节为2.5bar。打开激光器对两块5182铝合金板的焊接区域进行清洗，同时开启第一氩气喷管31、第二氩气喷管32、第三氩气喷管33、第四氩气喷管41、第五氩气喷管42和第六氩气喷管43的气源，用于保护第一焊接面111、第二焊接面121、第三焊接面211和第四焊接面221。

焊接激光束50与第一清洗激光束30和第二清洗激光束40的直线距离为150mm，焊接激光束50的发射端对准焊缝起始点时，开启焊接激光束50的激光发生器和保护气喷管51的气源，开始焊接，焊接激光束50的激光焦点直径为0.2mm，焊接激光束50与焊接面的夹角为45°，整机行进速度，即焊接激光束50、第一清洗激光束30和第二清洗激光束40沿X轴的行进速度均为4.2m/min。

焊接激光束50的第一时间段t1为2ms，第一功率P1为8kW，第二时间段t2为8ms，第二功率P2为5kW，第三时间段t3为0.3ms，第三功率P3从5kW缓降变化至200W（即Pmin），第四时间段t4为15ms，第四功率P4为200W（即Pmin）。

焊接时采用的保护气为：30%He+69%N₂+1%O₂，保护气的流量为15L/min，压力为2.5bar。

焊丝52采用直径为1.0mm 的实芯焊丝，缠绕成圆盘状，且焊丝成分如下：

镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%；氢含量≤0.05ml/100g。

焊接停止后，对焊缝进行质检，结果为：超声波探测无0.1mm以上气孔、无裂纹，杯突试验开裂在母材，焊缝质量合格。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，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 (9)

1.一种提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：该激光拼焊方法应用于不同厚度的5xxx系列铝合金板即第一工件（10）和第二工件（20）的拼焊；所述的激光拼焊方法包括以下步骤：

步骤1：对第一工件（10）和第二工件（20）的氢元素浓度进行检测，若氢元素浓度小于阈值，执行步骤2，反之，无动作；

步骤2：清洗第一工件（10）和第二工件（20）的焊缝，清除焊接区域的氧化层和油膜层；

步骤3：将第一工件（10）和第二工件（20）通过铜板组件拼接，采用焊接激光束（50）经焊丝（52）对第一工件（10）和第二工件（20）的焊接区域的正面进行激光拼焊，并在焊接时进行喷气保护；

所述的焊接激光束（50）为光纤激光器输出的脉冲激光，且所述的脉冲激光波形包括：

第一时间段t1，第一时间段t1的脉冲宽度为0.2-3ms，第一时间段t1内的第一功率P1为4-20kW，铝合金板在焊接处熔化并开始形成小孔且等离子体尚未形成；

第二时间段t2，第二时间段t2的脉冲宽度为2-15ms，第二时间段t2内的第二功率P2为0.5-0.7P1，且第二功率P2的能量密度不小于35kW/cm²；在第二时间段t2内，维持第一时间段t1焊接形成的小孔，等离子体刚刚形成极大干扰状态；

第三时间段t3，第三时间段t3的脉冲宽度为0.2-3ms，第三时间段t3内的第三功率P3从第二功率P2降低至基值Pmin，等离子体的温度和密度降低；

第四时间段t4，第四时间段t4的脉冲宽度为3-20ms，第四时间段t4内的第四功率P4为基值Pmin，Pmin为50-200W；

记第二时间段t2、第三时间段t3和第四时间段t4作为焊接激光束（50）的一个激光周期T，即T=t2+t3+t4。

2.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的焊接激光束（50）配有保护气喷管（51），保护气喷管（51）喷出的保护气体为20-50%He + 50-80%N₂ + 0.5-1%O₂。

3.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的焊接激光束（50）配有保护气喷管（51），保护气喷管（51）喷出的保护气体为20-50%He + 50-80%N₂ + 2-5%CO₂。

4.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的焊接激光束（50）与焊接面的夹角为45°-80°。

5.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的焊丝（52）通过吐丝嘴吐丝，焊丝（52）中，按质量百分比计，镁Mg：6.0-8.0%，锰Mn：1.0-1.2%，钛Ti：0.2-0.3%，锌Zn：0.05-0.20%，锆Zr：0.1-0.31%，铁Fe：≤0.02%，硅Si：≤0.2%，铜Cu：≤0.05%、杂质≤0.15%和余量的铝Al；其中，每个单个杂质元素的含量≤0.1%，且焊丝（52）中的氢含量≤0.05ml/100g。

6.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的第一工件（10）和第二工件（20）的厚度均为0.7-4.0mm，且第一工件（10）的厚度与第二工件（20）的厚度差为0-2.5mm。

7.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的铜板组件上设有若干个真空吸盘，第一工件（10）和第二工件（20）分别通过真空吸盘吸附在铜板组件上，使第一工件（10）和第二工件（20）能通过铜板组件移动并对拼，且第一工件（10）与第二工件（20）之间留有对拼间隙；铜板组件内部设有中空回路，且中空回路内流动循环冷却水。

8.根据权利要求1所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：在所述的步骤2中，通过分别面向焊缝正面和反面的第一清洗激光束（30）和第二清洗激光束（40）对焊接区域进行清洗，第一清洗激光束（30）和第二清洗激光束（40）均配有若干根位于焊缝上方和下方的氩气喷管，且第一清洗激光束（30）和第二清洗激光束（40）与焊接激光束（50）之间的直线距离均为100-200mm。

9.根据权利要求1或8所述的提高铝合金板材坯料件的生产效率和质量的激光拼焊方法，其特征是：所述的焊缝为直线或曲线，且第一清洗激光束（30）、第二清洗激光束（40）和焊接激光束（50）沿焊缝X轴方向等速同步运动。

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