CN111715998A - 一种激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光焊接方法，将多激光束激光能量作用于搭接材料组合表面，持续一段时间，使材料熔化，冷却凝固之后形成焊缝，实现材料连接；作用期间光束位置保持不变或在直径15毫米圆周范围内任意移动，获得大尺寸焊点，所形成焊缝形状包括圆形、椭圆形或弧形轮廓；光束数量变化范围为2到10，激光束光斑形状包括圆点、环形、多边形或短线形，聚焦光斑直径变化范围为0.05毫米到10毫米，激光功率变化范围为0.1千瓦到50千瓦，光束能量以连续或脉冲的形式输出，作用时间范围为0.1秒到10秒。

Description

一种激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
激光作为一种热源被应用于材料焊接已经有超过40年的历史，可以实现大多数金属材料的焊接以及部分非金属材料，比如塑料、陶瓷、玻璃等的焊接。使用激光进行焊接的方式包括脉冲激光点焊、脉冲激光点焊搭接形成缝焊、连续激光缝焊、连续激光通过振镜扫描进行点焊等，使用激光能量来源于单束激光，焊接效率与应用范围受到了一定的限制。
例如，在汽车行业，钢板无镀层板或者镀锌板搭接焊是一种常见的焊接组合形式，传统的焊接方法是电阻点焊。电阻点焊是一种双面焊接方法，同时需要使用直径较大的电极帽(通常为16毫米或者19毫米)，由此需要足够的操作空间与足够宽度的法兰边以便进行焊接，不利于汽车减重。而且电阻点焊需要集中的电流通过搭接板材产生电阻热，因此一方面能耗高并且只能获得较小的焊核尺寸(通常为直径5–7毫米的焊点)，另一方面焊点之间需要保证足够的间距(通常为25毫米左右)以避免电流分流，而小尺寸焊点和大间距分布不利于提高车辆的刚度和NVH等性能。激光焊接是一种单面焊接方法，可以实现连续焊缝，已经在车身部分部位取代电阻点焊，比如车顶与侧围的焊接，将搭接电阻点焊改为对接激光钎焊。但是激光焊接镀锌钢板搭接组合时会面临极大的挑战，由于低沸点锌蒸汽的存在会使焊接过程中产生飞溅孔洞等缺陷，造成焊接失败。现有的方法是使用前处理工序在搭接板材之间制造间隙，给锌蒸汽逸出留下通道，然后进行焊接。但是这种方法需要额外的固定资产投入用以建立前处理工作站，并且即使使用了前处理方法，也只能进行短线、C形、S形等焊缝形状的焊接，这类焊接形式接头强度有限，因此应用部位受到限制。
随着激光与光学技术以及自动化控制技术的发展，通过单一激光源与激光头实现多光束激光输出，或者通过协调多激光头控制多束激光已经成为可能，本发明方法旨在利用多束激光能量进行搭接板材焊接。该焊接方法可以解决前文所述现有焊接方法的问题与限制，例如，能够实现镀锌钢板搭接直接焊接，不需要前处理工序；并且可以实现大尺寸圆点形状焊缝，提高接头强度，从而扩大激光焊接的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光焊接方法，使焊点表面质量好、焊点大，同时降低能量损耗，提高效率，有利于在实际生产的高节拍条件下使用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明将多激光束激光能量作用于搭接材料组合表面，持续一段时间，使材料熔化，冷却凝固之后形成焊缝，实现材料连接；所述多激光束的数量变化范围为2到10，光斑形状包括圆点、环形、多边形或短线形，优选圆点光斑，聚焦光斑直径变化范围为0.05毫米到10毫米，激光功率变化范围为0.1千瓦到50千瓦，所述光束能量以连续或脉冲的形式输出，作用时间范围为0.1秒到10秒，作用期间光束位置保持不变或在直径15毫米圆周范围内任意移动，获得大尺寸焊点，所形成焊缝形状包括圆形、椭圆形或弧形轮廓。
在另一优选例中，光束来源于单一激光头，通过光斑塑形或者多光纤输入等方式实现多激光束输出。
在另一优选例中，多激光束通过两个或者多个激光头输出。
在另一优选例中，多束激光能量作用于材料表面，每一道激光束具有各自独立的光斑形状，或者呈现为相同的光斑形状，光斑形状优选为圆点、环形、多边形、短线形，以及其他可能通过激光光路传输系统获得的形状。
在另一优选例中，多束激光能量的输出方式为连续输出或者脉冲输出，不同的激光束在同一时间表现出相同或者不同的输出方式。
在另一优选例中，多光束的相对位置在作用期间保持不变，或者在一定范围内任意移动，移动范围优选为直径15毫米圆周范围内。对于单一激光头输出的多束激光，各激光束的轴心处于相同位置或者分布在上述移动范围内。通过多个激光头输出的多束激光作用在同一位置或者上述移动范围内的不同位置。
在另一优选例中，多束激光能量在作用过程中具有各自独立的聚焦光斑直径与能量密度，在整个激光作用时间范围内，聚焦光斑直径大小保持不变，或者在0.05毫米到10毫米范围内变化，优选0.5毫米到3.0毫米。能量密度保持不变，或者随激光功率改变而变化，激光功率变化范围从0.1千瓦到50千瓦，优选从0.5千瓦到20千瓦。
在另一优选例中，所述多激光束为双激光束时，光束间距为2–6毫米。
在另一优选例中，所述大尺寸焊点直径为10-20毫米。
在另一优选例中，所述双激光束所需要的能量损耗比单光束降低30％以上，同时效率提高一倍。
在另一优选例中，焊接过程对焊接区域提供保护气体。
在另一优选例中，焊接过程对焊接区域添加焊料。
在另一优选例中，作用于材料表面的多束激光，在整个激光作用的时间范围内，光束数量保持固定，或者光束数量发生变化，逐渐增加、逐渐减少、先增加后减少、先减少后增加等趋势变化。
在另一优选例中，利用多光束激光进行连接的材料组合通常由金属材料组成，或者是非金属材料组合，优选是同种或者同质材料组合，或者是异种或者异质材料组合。
在另一优选例中，利用多光束激光进行连接的材料组合通常是两层或者多层板材组合，连接组合可以是板材与型材组合，或者板材与铸件组合，或者其他可能的组合形式。
在另一优选例中，所述搭接材料为镀锌钢板。
在另一优选例中，当板材组合厚度范围0.8-6.0毫米时，激光能量作用时间为0.5-5.0秒。
在另一优选例中，聚焦光斑直径大小0.5-3.0毫米，激光功率0.5千瓦到20千瓦。
本发明的有益效果是：利用多束激光能量的复合作用，能够有效地扩大焊接区域的尺寸，焊点表面质量好、焊点大，同时降低能量损耗，提高效率，有利于在实际生产的高节拍条件下使用，并且对镀锌钢板零间隙搭接焊具有良好的效果。
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表示从单激光头输出两束激光能量，对两层搭接板材组合进行焊接的示意图。
图2表示从单激光头输出三束激光能量，对两层搭接板材组合进行焊接的示意图。
图3表示从两个激光头输出两束激光能量，对两层搭接板材组合进行焊接的示意图。
图4表示从两个激光头输出三束激光能量，对两层搭接板材组合进行焊接的示意图。
图5表示两层搭接板材横截面焊缝连接区域示意图。
图6表示三层搭接板材横截面焊缝连接区域示意图。
图7表示一层板材与一层型材或者铸件搭接横截面焊缝连接区域示意图。
图8表示两层板材与一层型材或者铸件搭接横截面焊缝连接区域示意图。
图9表示单激光头双激光束焊接两层搭接板材组合的过程中，通过侧面管道向焊接区域提供保护气体示意图。
图10表示单激光头双激光束焊接两层搭接板材组合的过程中，通过侧面送丝装置向焊接区域提供焊丝材料。
图11表示焊缝形状为一个圆点的焊件正面示意图。
图12表示焊缝形状为一个椭圆的焊件正面示意图。
图13表示焊缝形状为一个四边圆弧组成的焊件正面示意图。
图14表示使用双光束激光能量与单光束激光能量进行无镀层材料焊接效果对比照片。
图15表示使用双光束激光能量焊接获得大尺寸焊点照片。
图16表示使用双光束激光能量与单光束激光能量进行镀锌层材料焊接效果对比照片。
图17表示使用双光束激光能量焊接镀锌板焊缝横截面镀锌层被烧损部位的照片。
需要注意示意图所示焊缝区域形状并不是限定实际焊接效果应该形成的形状，只是表示本发明焊接效果的一种存在。
附图标记，1-激光头、11-激光头、12-激光头、21-激光束、22-激光束、23-激光束、3-焊缝区域、31-圆形焊缝表面形状、32-椭圆形焊缝表面形状、33-花形焊缝表面形状、4-板材、41-板材4上表面、5-板材、6-板材、7-管道、8-送丝装置、9-型材或铸件
具体实施方式
下面将结合附图1-17对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
图1显示了本发明的一种实施方式，激光头1输出激光束21和激光束22，两束激光能量作用在板材4和板材5搭接组合的上表面41，持续作用一段时间之后形成焊缝区域3。
图2、图3和图4依次显示了本发明的其他三种实施方式：激光头1输出三束激光21、22和23；激光头11和激光头12分别输出激光束21和激光束22两束激光；激光头11输出激光束21，激光头12输出激光束22和23。其他实施方式包括利用单个激光头或者更多激光头输出更多激光束，优选的光束数量少于10。以两束、三束或者数量更多的激光束能量作用在搭接材料组合表面41，从而使作用区域材料熔化，冷却凝固之后形成焊缝区域3。
图5表示带有焊缝区域3的板材4和板材5搭接组合的横截面示意图，焊缝区域3在多束激光能量作用下从板材4扩散长大到板材5，实现板材4和板材5的连接。
图6表示板材4、板材5和板材6搭接组合带有焊缝区域3的横截面示意图。
图7表示板材4和型材9(或者铸件9)搭接组合带有焊缝区域3的横截面示意图。
图8表示板材4、板材5和型材9(或者铸件9)搭接组合带有焊缝区域3的横截面示意图。本发明能够应用的焊接材料组合并不仅限于图5、6、7、8所示，可以是更多层与更多形式的搭接组合。
图9表示在搭接组合焊接位置侧面通过管道7向焊缝区域3输送保护气体。保护气体种类通常为氩气、氦气、氮气、二氧化碳、氧氩混合气等任何焊接用气体。
图10表示在搭接组合焊接位置侧面通过送丝装置8向焊缝区域3输送焊料。，焊料状态优选是焊丝。
图11、图12和图13表示焊接完成之后，可能形成的焊缝表面形状，依次为圆形，椭圆形，与四段圆弧组成的花边形状。
实施例1
材料组合是两层1.4毫米厚度QP980无镀层钢板搭接，分别使用双光束激光与单光束激光进行焊接，使用相同的激光功率2.5千瓦与相同的作用时间2秒，其中双光束的光斑间距是3毫米，如图14所示，双光束激光能量焊接的焊点尺寸更大。
实施例2
材料组合是两层1.4毫米厚度QP980无镀层钢板搭接，激光功率是3.0千瓦，作用时间是4秒，双光束光斑间距是5毫米，如图15所示，焊点直径是16毫米。
实施例3
材料组合是两层1.4毫米厚度QP980合金化镀锌层钢板搭接，镀锌层厚度20微米，分别使用双光束激光与单光束激光进行焊接，使用相同的激光功率3.0千瓦与相同的作用时间1.5秒，其中双光束的光斑间距是3毫米，如图16所示，双光束激光能量焊接可以获得无缺陷的完整焊点，而单光束激光能量焊接的焊点由于飞溅产生了中心穿孔、焊点尺寸过小。图17展示了使用双光束激光能量焊接两层镀锌钢板焊点横截面中焊缝与板间的情况，可以看到焊缝区附近热影响区板间的镀锌层被烧损，在远离焊缝区的母材板间存在未被烧损的镀锌层。
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 (10)

1.一种激光焊接方法，其特征在于：将多激光束激光能量作用于搭接材料组合表面，持续一段时间，使材料熔化，冷却凝固之后形成焊缝，实现材料连接；所述多激光束的数量变化范围为2到10，光斑形状包括圆点、环形、多边形或短线形，聚焦光斑直径变化范围为0.05毫米到10毫米，激光功率变化范围为0.1千瓦到50千瓦，所述光束能量以连续或脉冲的形式输出，作用时间范围为0.1秒到10秒，作用期间光束位置保持不变或在直径15毫米圆周范围内任意移动，获得大尺寸焊点，所形成焊缝形状包括圆形、椭圆形或弧形轮廓。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述多激光束为双激光束时，光束间距为2–6毫米。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述大尺寸焊点直径为10-20毫米。
4.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于：所述双激光束所需要的能量损耗比单光束降低30％以上，同时效率提高一倍。
5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：焊接过程对焊接区域提供保护气体。
6.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：焊接过程对焊接区域添加焊料。
7.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述激光束能量作用过程中光束数量发生变化。
8.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述搭接材料为镀锌钢板。
9.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述搭接材料组合厚度范围0.8-6.0毫米，所述激光束能量作用时间为0.5-5.0秒。
10.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述聚焦光斑直径大小为0.5-3.0毫米，所述激光功率为0.5千瓦到20千瓦。
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