CN111958109A - 镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法、系统及介质 - Google Patents

镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法、系统及介质，包括：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，并对表面进行净化处理；将两块经过表面净化处理的DP钢板搭接置于工作台上；把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45°夹角；根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层DP钢板与非镀层DP钢板搭接接头的激光焊接。本发明只需调整合适的双光束激光焊接参数，利用前束激光与试板的相互作用减少焊接过程中Zn蒸汽的影响，前后双光束相互配合实现高速焊接，消除焊接缺陷，提高接头强度。

Description

镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体地，涉及一种镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法、系统及介质。尤其地，涉及一种提升镀锌双相钢板搭接焊缝成形质量和接头性能的串列双光束高速激光焊接方法。
背景技术
为实现目前汽车行业对汽车安全性和轻量化的需求，先进高强度钢在国内外汽车行业得到了广泛的运用。先进高强钢性能优异，加工成本低廉，能够同时满足汽车安全性和轻量化的需求，其中，镀锌双相(DP)钢是应用最广泛的先进高强钢之一。双相钢是一种马氏体和铁素体双相组织的钢，具有较高的强度和塑性，加工性能好。但焊接过程中焊缝区容易产生较多的马氏体组织，强度和硬度上升明显，但塑性下降。
镀锌DP钢广泛应用在汽车的边梁、侧面构件、横梁、支柱、底盘加强件、油箱支架及车体的结构件、加强件和防撞件，在车身用材料中位居主要地位，达到了74％。激光焊接是DP钢构件制造过程中不可缺少的一种关键技术，目前主要采用激光搭接焊的方式，这种焊接方式有利于减轻汽车的重量，吸收汽车的振动，同时提高汽车的安全性。Zn镀层的存在带来了许多优点，同时也给DP钢的激光搭接焊带来了许多难点。
因为Zn的沸点较低，大约907℃，而钢的熔化温度较高，大约1500℃，由于焊接过程中的高温会导致Zn镀层在上下两板间的接合面蒸发，产生具有高度压力的Zn蒸汽。Zn蒸汽的存在会对焊接熔池产生强烈的冲击，将熔融态的金属冲出熔池,导致大量飞溅、气孔等焊接缺陷出现，从而严重降低焊接接头的力学性能。而当焊接速度较快时，由于焊接热输入量减少，导致焊接接合面面积较小，没有足够大的承载面积，使接头的力学性能受到影响。
目前对于镀锌钢的激光搭接焊接，想要获得良好的焊缝成形，一般采用焊前预热、预留搭接间隙或者降低焊接速度等手段，这些手段工序繁多，且生产效率低下。
针对以上问题，本发明提出了一种在不降低焊接生产效率的前提下，且无需焊前预热处理，无需预留搭接间隙，可直接对具有Zn镀层钢板搭接接头进行焊接，并获得成形良好，接头力学性能合格的激光搭接焊工艺。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于镀锌双相钢板的串列双光束激光焊接方法、系统及介质。
根据本发明提供的用于镀锌双相钢板的串列双光束激光焊接方法，包括：
步骤1：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，对两块双相DP钢板的表面进行净化处理；
步骤2：将两块经过表面净化处理的双相DP钢板搭接置于工作台上；
步骤3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；
步骤4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45°夹角；
步骤5：根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层双相DP钢板与非镀层双相DP钢板搭接接头的激光焊接。
优选的，具有Zn镀层的双相DP钢板厚度为0.8mm～2.0mm。
优选的，所述净化处理包括：使用丙酮或者无水乙醇对具有Zn镀层和非镀层的双相DP钢板的表面进行油污清洗，再冷却风干。
优选的，所述具有Zn镀层的双相DP钢板置于非镀层的双相DP钢板之上，两块钢板的搭接部位完全贴合，通过焊接夹具保持平整。
优选的，所述双光束激光焊接工作头包括把一束输入激光分成两束激光输出的焊接工作头，两束激光之间的功率分配比和光斑间距在预设范围内连续可调；
输入激光包括来自光纤激光器或DISK激光器的激光。
优选的，激光束入射方向沿焊接方向倾斜7°，激光束指向熔池后壁，双光束光斑沿焊接方向串行排列。
优选的，吹气口距焊接熔池中心20mm，所用侧吹气体为99.99％纯氩气体。
优选的，所述焊接工艺参数包括：
激光束焦点处光斑直径为450μm；
两束激光均为零离焦；
根据板厚组合激光输出总功率为5000～8000W；
两束激光的光斑间距为0.6～2.0mm；
前后两束激光的功率配比为30％:70％；
根据板厚组合焊接速度为3～6m/min；
侧吹气体流量为15～25L/min。
根据本发明提供的用于镀锌双相钢板的串列双光束激光焊接系统，包括：
模块M1：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，对两块双相DP钢板的表面进行净化处理；
模块M2：将两块经过表面净化处理的双相DP钢板搭接置于工作台上；
模块M3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；
模块M4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45°夹角；
模块M5：根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层双相DP钢板与非镀层双相DP钢板搭接接头的激光焊接。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明无需对Zn镀层试板进行焊前预热处理，也无需预留搭接间隙，只需调整合适的双光束激光焊接参数，利用前束激光与试板的相互作用就可以减少焊接过程中Zn蒸汽的影响，消除焊接缺陷，提高接头强度；
2、本发明提高了镀锌双相DP钢板搭接接头焊接质量，同时也提高了生产效率；
3、本发明采用串列双光束可以延长熔池冷却时间，降低了焊缝淬硬倾向，改善了组织性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的串列双光束激光焊接示意图；
图2为采用单光束与串列双光束激光焊接表面质量对比图；
图3为采用单光束与串列双光束激光焊接方法所得焊缝截面图；
图4为串列双光束激光焊接接头与单光束激光焊接接头拉伸性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
由于镀锌钢板上Zn镀层的存在，Zn蒸发温度与钢熔化温度差异巨大，焊接过程中蒸发的Zn蒸汽会对熔池产生冲击，形成大量飞溅，孔洞等缺陷，严重影响接头的力学性能。
从基本原理出发，焊缝质量很大程度上与Zn在焊接过程中的蒸发有关。为了提高焊缝质量，提高接头强度，可从构建Zn蒸汽稳定逸出通道的方向寻找解决方案。
基于上述原理，如图1所示，本发明提供一种提升镀锌双相钢板搭接焊缝成形质量和接头性能的串列双光束激光焊接工艺，具体包括以下步骤：
步骤1：取一块具有Zn镀层的DP钢板与一块无镀层DP钢板，其厚度为0.8～2.0mm，对其表面进行净化处理，并准备焊接夹具，备用；
步骤2：将两块经过表面净化处理的DP钢板搭接放置于工作台上，其中，有Zn镀层的钢板置于无镀层的钢板之上，并用焊接夹具固定，保证两块试板搭接部位完全贴合，并保持平整；
步骤3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方，激光束在试板上的入射方向沿焊接方向倾斜7°左右，激光束指向熔池后壁，双光束光斑沿焊接方向串行排列；
步骤4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成大约45°夹角，吹气口距焊接熔池中心约20mm，所用侧吹气体为99.99％纯氩气体；
步骤5：根据板材厚度组合调整激光焊接工艺参数，设定前后两束激光为零离焦；前后两束光斑间距为0.6～2.0mm；前后两束激光功率配比为30％:70％；激光输出功率为5000～8000W；焊接速度为3～6m/min；侧吹气体流量为15L～25L/min；
步骤6：按照步骤5中设定的焊接工艺参数，完成Zn镀层DP钢板与非镀层DP钢板搭接接头的激光焊接。
根据如上所述激光搭接焊工艺所获得的DP钢焊接接头，其焊缝表面飞溅很少，焊缝成形良好，焊缝内部无任何焊接缺陷。
该发明提供了一种特殊的串列双光束激光焊接工艺，利用前束激光对Zn镀层进行预处理，同时为Zn蒸汽构建稳定的蒸汽逸出通道；后束激光进行正常焊接，从而降低了焊接过程中Zn蒸汽对焊缝的影响，改善了焊缝成形，也提高了接头的力学性能。
根据本发明提供的用于镀锌双相钢板的串列双光束激光焊接系统，包括：
激光器(光纤激光器或DISK激光器)、传导光纤、双光束激光焊接工作头、焊接机器人、焊接工作台及试样夹持装置、工控计算机数据采集与监控系统等；
利用自动化设备进行如下操作：
模块M1：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，对两块双相DP钢板的表面进行净化处理；
模块M2：将两块经过表面净化处理的双相DP钢板搭接置于工作台上；
模块M3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；
模块M4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45夹角；
模块M5：根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层双相DP钢板与非镀层双相DP钢板搭接接头的激光焊接。
实施例2：
本实例提供了一种提升镀锌双相钢板搭接焊缝成形和接头性能的串列双光束激光焊接工艺。
本实施案例中，实验材料为1.75mm厚Zn镀层DP钢板与1.8mm厚非镀锌DP钢板搭接，其Zn镀层约为10μm。
步骤1：取一块1.75mm且具有Zn镀层的DP钢板与一块1.8mm厚的无镀层DP钢板，对其表面进行净化处理，并准备焊接夹具，备用；
步骤2：将两块经过表面净化处理的DP钢板搭接放置于工作台上，其中，有Zn镀层的钢板置于无镀层的钢板之上，并用焊接夹具固定，保证两块试板搭接部位完全贴合，并保持平整；
步骤3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方，激光束在试板上的入射方向沿焊接方向倾斜7°左右，激光束指向熔池后壁，双光束光斑沿焊接方向串行排列；
步骤4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成大约45°夹角，吹气口距焊接熔池中心约20mm，所用侧吹气体为99.99％纯氩气体；
步骤5：根据板材厚度组合调整激光焊接工艺参数，设定前后两束激光均为零离焦；前后两束光斑间距为0.6mm；前后两束激光功率配比为30％:70％；激光输出功率为6000～8000W；焊接速度为6m/min，侧吹气体流量为20L/min；
步骤6：按照步骤5中设定的焊接工艺参数，完成Zn镀层DP钢板与非镀层DP钢板搭接接头的激光焊接；
参见图2(a)所示，采用相同的激光输出功率与焊接速度，单光束激光焊条件下表面形成了大量的飞溅，且有气孔的产生。参见图3(a)所示，焊缝底部成形有缺陷，易出现应力集中。参见图4所示，单光束激光焊接接头在进行拉剪实验时，最大峰值载荷为3910N，断裂位置为焊缝。
参见图2(b)所示，采用本实例中的串列双光束激光搭接焊方法，所得的焊缝表面成形较好，在较高的焊接速度下焊接飞溅大大减少，无任何其他缺陷。参见图3(a)所示，焊缝底部成型良好，过渡平滑。参见图4所示，串列双光束激光焊接接头在进行拉剪实验时，最大峰值载荷为4700N，断裂位置为热影响区。
采用本实施例中的串列双光束激光搭接焊方法，所得的焊缝表面质量良好，焊缝内部无缺陷，实测得到其拉剪峰值载荷可达到4700N，断裂位置出现在焊接热影响区。既提升了焊缝成形质量，也提高了接头的力学性能，从而也提高了产品质量和生产效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，对两块双相DP钢板的表面进行净化处理；
步骤2：将两块经过表面净化处理的双相DP钢板搭接置于工作台上；
步骤3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；
步骤4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45°夹角；
步骤5：根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层双相DP钢板与非镀层双相DP钢板搭接接头的激光焊接。
2.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，具有Zn镀层的双相DP钢板厚度为0.8mm～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，所述净化处理包括：使用丙酮或者无水乙醇对具有Zn镀层和非镀层的双相DP钢板的表面进行油污清洗，再冷却风干。
4.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，所述具有Zn镀层的双相DP钢板置于非镀层的双相DP钢板之上，两块钢板的搭接部位完全贴合，通过焊接夹具保持平整。
5.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，所述双光束激光焊接工作头包括把一束输入激光分成两束激光输出的焊接工作头，两束激光之间的功率分配比和光斑间距在预设范围内连续可调；
输入激光包括来自光纤激光器或DISK激光器的激光。
6.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，激光束入射方向沿焊接方向倾斜7°，激光束指向熔池后壁，双光束光斑沿焊接方向串行排列。
7.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，吹气口距焊接熔池中心20mm，所用侧吹气体为99.99％纯氩气体。
8.根据权利要求1所述的镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺参数包括：
激光束焦点处光斑直径为450μm；
两束激光均为零离焦；
根据板厚组合激光输出总功率为5000～8000W；
两束激光的光斑间距为0.6～2.0mm；
前后两束激光的功率配比为30％:70％；
根据板厚组合焊接速度为3～6m/min；
侧吹气体流量为15～25L/min。
9.一种镀锌双相钢板的串列双光束高速激光焊接系统，其特征在于，包括：
模块M1：获取具有Zn镀层的双相DP钢板和非镀层的双相DP钢板，对两块双相DP钢板的表面进行净化处理；
模块M2：将两块经过表面净化处理的双相DP钢板搭接置于工作台上；
模块M3：把双光束激光焊接工作头置于待焊试板上方；
模块M4：激光焊接工作头前方设有保护气侧吹装置，调节吹气口方向指向焊接熔池，并与激光入射方向成45°夹角；
模块M5：根据钢板厚度组合调整激光焊接工艺参数，完成Zn镀层双相DP钢板与非镀层双相DP钢板搭接接头的激光焊接。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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