CN113523545A - 一种用于镀锌钢的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：对待焊接金属薄板进行表面净化处理，再将其搭接置于工作台，并使用夹持工具夹紧，然后，先沿类正弦曲线在焊点位置的中心进行焊接，再沿圆周状螺旋线在焊点位置的周边进行焊接，逐步完成对待焊接金属薄板的点焊，所述圆周状螺旋线所在的焊接路径将类正弦曲线所在的焊接路径包围住，所述类正弦曲线的振幅沿圆周变化，所述圆周状螺旋线设置为以圆为中心线，基圆绕所述中心线螺旋延伸而形成的一个二维曲线。相对于现有技术，本发明可以很好控制低沸点的镀锌涂层造成的飞溅和焊接气孔，获得性能良好的焊接接头。

Description

一种用于镀锌钢的激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接方法的技术领域，涉及一种用于镀锌钢的激光焊接方法。
背景技术
在智能及快速加工的时代大背景下，激光加工由于其对自动化生产线的适应性得到大量应用。在远程焊接中，激光束由振镜扫描系统引导至待加工件上，当系统处于“on-the-fly”工作模式下时，即扫描系统借由行走机构或者工业机器人等移动，扫描系统的工作效率还可以进一步提高。
由于对腐蚀性的要求，汽车工业中经常使用涂层金属板，例如镀锌钢板。大多数情况下，涂层具有较低的沸点，远低于金属板材料的熔点，例如镀锌钢板中，金属锌的沸点为906℃而铁的熔点为1538℃，当激光被引导至工件上时，锌突然汽化，若锌蒸汽不能及时排出将导致焊接缺陷，如穿孔、飞溅、气孔等。
远程焊接中，激光工作头与焊接部件通常隔开较大的距离，通常都大于0.2m，同时激光束处于快速运动中，这使得能有效解决焊接缺陷问题中填丝工艺难以实现。公开号为“CN 101695790”和“CN 103128444 A”的发明专利公开了镀锌钢板的激光搭接焊接方法，其中在待焊镀锌钢板之间设置用于排除锌蒸汽的间隙，在一定程度上解决了焊接气孔问题，但是该方法存在如下问题：预先设置一致的间隙在实际装配时存在操作难度，同时增大的间隙需要更大的激光功率输入来增大熔融金属的量，也增加了激光焊接工艺参数匹配的难度。
公开号为“CN 107953032 A”和“CN 107949453 A”的发明专利公开了镀锌钢的激光搭接焊接方法，其中利用远程激光摆动扫描和使用双束激光取代传统的线型焊接方法，通过改变热源加载方式使线能量分布发生变化，调节熔池冷却速度，在一定程度上解决了焊接气孔问题，但是该方法存在如下问题：以摆动曲线取代传统线型焊接的方法会导致咬边的问题；双束焊对激光前后束的匹配程度要求高。
发明内容
本发明提供了一种用于镀锌钢的激光焊接方法，达到调节能量输入均匀化，调节熔池冷却速度的目的，借助封闭的外圈焊接路径均匀化了圆形焊点边缘的能量输入，解决了咬边问题，借助类正弦曲线的内部焊接路径增大重熔面积，起到了调节熔池冷却速度的作用，增加了气孔从熔池中逸出的几率，大大减少了焊点的孔隙率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于镀锌钢的激光焊接方法，对待焊接金属薄板进行表面净化处理，再将其搭接置于工作台，并使用夹持工具夹紧，然后，先沿类正弦曲线在焊点位置的中心进行焊接，再沿圆周状螺旋线在焊点位置的周边进行焊接，逐步完成对待焊接金属薄板的点焊，所述圆周状螺旋线所在的焊接路径将类正弦曲线所在的焊接路径包围住，所述类正弦曲线的振幅沿圆周变化，所述圆周状螺旋线设置为以圆为中心线，基圆绕所述中心线螺旋延伸而形成的一个二维曲线。
进一步，同一焊点中的所述类正弦曲线所在的焊接路径与所述圆周状螺旋线所在的焊接路径不接触，相邻焊点之间留有间隙。
进一步，所述类正弦曲线的振幅所在圆周的半径记为R，所述圆周状螺旋线的中心线所在圆周的半径记为L，所述基圆的半径记为C，则满足R<＝L-C。
进一步，所述类正弦曲线的直角坐标方程式设置为，
Figure BDA0003133034210000021
Figure BDA0003133034210000031
y＝v′t-R
x＝Asin(2πf1t)
A2+y2＝R2,y∈(-R,R)
其中，v0表示类正弦曲线上的焊接线速度,v′表示焊接线速度在竖直方向的分量，α为线速度v0和v′之间的夹角，t表示焊接时间，f1表示类正弦曲线的频率。
所述圆周状螺旋线的极坐标方程式设置为
Figure BDA0003133034210000032
Figure BDA0003133034210000033
θ＝(v″t+C(1-cos(2πf2t)))/L
r＝L+Csin(2πf2t)
其中，v1为圆周状螺旋线上的焊接线速度，v″为焊接线速度焊接速度沿轴线的分量，β为线速度v1与v″之间的夹角，t为焊接时间，f2为基圆运动频率，即单位时间内基圆激光束沿中心线前进的距离除以螺距。
进一步，所述频率f1随类正弦曲线的振幅所在圆周半径的增大而增大，所述基圆运动频率f2随圆周状螺旋线的中心线所在圆周半径的增大而增大。
进一步，相邻焊点之间的间隙d，满足d＞＞2L。
进一步，使用二丙酮对待焊接金属薄板的表面进行清洗，冷风吹干，两块所述待焊接金属薄板搭接部位完全贴合，属于零间隙下的焊接，通过夹持工具保持平整，同时，在焊点上方吹送惰性气体保护气。
有益效果：
本发明通过规划一种全新的激光点焊的焊接路径，达到调节能量输入均匀化，调节熔池冷却速度的目的，借助圆周状螺旋线焊接均匀化了圆形焊点边缘的能量输入，解决了咬边问题，借助类正弦曲线焊接增大重熔面积，起到了调节熔池冷却速度的作用，增加了气孔从熔池中逸出的几率，大大减少了焊点的孔隙率。重要的是，本发明提供的一种新的激光焊接路径及其焊接方法属于零间隙下的焊接，其所需激光功率低且装配难度低，无需额外的前处理工艺，成本较低。相对于现有技术，本发明可以很好控制低沸点涂层造成的飞溅和焊接气孔，获得性能良好的焊接接头。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明的焊接系统的结构示意图；
图3为本发明的单个焊点的激光扫描路径示意图；
图4为本发明的类正弦曲线的图示示意图；
图5为本发明的圆周状螺旋线的图示示意图；
图6为本发明的焊缝的横截面结构示意图；
图7为本发明的焊缝的纵截面结构示意图；
图8为本发明的焊接过程中重熔部分示意图；
图9为本发明的实施例提供的夹持工具的作用示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
如图1所示，本发明提供了一种用于镀锌钢的激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、对待焊接金属薄板进行表面净化处理，可以使用二丙酮对金属薄板基体表面进行清洗，冷风吹干。
步骤二、将净化处理好的两块待焊接金属薄板搭接部位完全贴合，属于零间隙下的焊接，通过夹持工具保持平整，放置在图2所示的焊接系统10的工作平台上，同时，在焊接过程中，可以在焊点上方吹送惰性气体保护气，如在焊点上方架设一个保护气喷嘴14，其与水平面的夹角为30°～60°，在进行焊接的同时保护气喷嘴14喷出惰性气体，在焊点上方形成稳定层流，吹去焊接时产生的等离子体，从而达到稳定熔池，优化焊缝的效果。
如图2所示，该焊接系统10包括一个机械臂18，在其上安装了一个振镜激光头16可操作提供激光束B远程激光焊接母材10、11即待焊接金属薄板。机械臂18和振镜激光头16是由电子控制器实时连接到控制器P，控制器P控制机械臂18和振镜激光头16。该激光束B可以是连续的或脉冲的，是从振镜扫描头中发射的1μm激光实现，振镜扫描头中高速偏转的振镜片使激光方向偏转，再由场镜聚焦成输出光斑即激光焦点，该激光焦点为直径为0.6mm的圆形光斑，能量分布符合高斯分布，该控制器P使用任意合适的定位系统确定母材10、11的位置，如导引激光。
步骤三、先沿类正弦曲线在焊点位置的中心进行焊接，再沿圆周状螺旋线在焊点位置的周边进行焊接，该圆周状螺旋线所在的焊接路径将类正弦曲线所在的焊接路径包围住，逐步完成对待焊接金属薄板的点焊，特别地，同一焊点中的类正弦曲线所在的焊接路径与圆周状螺旋线所在的焊接路径不接触，且相邻焊点之间留有间隙，如在图2所示的焊接区域13内点焊接路径20有两个，而在实际生产中应是多个的，分布应满足相邻焊点之间的间距d＞＞2L，L为下文所述的圆周状螺旋线的中心线所在圆周的半径。
具体如下：
如图3所示，该类正弦曲线所在的焊接路径30可设置为自上至下或者自下而上，该圆周状螺旋线所在的焊接路径40上激光焦点可从41开始沿实线箭头方向运动，激光焦点在40上是螺旋运动，螺旋线沿虚线箭头顺时针延伸，当然也可以逆时针延伸，具体根据实际情况而定。
如图4所示，该类正弦曲线的振幅沿圆周变化，其所在圆周31的半径记为R，对应的直角坐标方程式设置为，其直角坐标系以圆周所在的圆心为原心，
Figure BDA0003133034210000061
Figure BDA0003133034210000062
y＝v′t-R
x＝Asin(2πf1t)
A2+y2＝R2,y∈(-R,R)
其中，v0表示类正弦曲线上的焊接线速度,v′表示焊接线速度在竖直方向的分量，α为类正弦曲线曲线切线的倾斜角，t表示焊接时间，f1表示类正弦曲线的频率。
如图5所示，该圆周状螺旋线设置为以圆为中心线，基圆绕该中心线螺旋延伸而形成的一个二维曲线，也就是说，该螺旋线运动是几个分运动的合运动，直线运动44和基圆圆周运动43合成为螺旋直线运动42，当42沿圆形中心线延伸时，合运动为如40所示的螺旋圆周运动，形成一个圆周状螺旋线。
若圆周状螺旋线的中心线所在圆周的半径记为L，基圆的半径记为C，对应的极坐标方程式设置为，特别的，此处的极坐标系和上述直角坐标系拥有共同的原点和x轴。
Figure BDA0003133034210000063
Figure BDA0003133034210000071
θ＝(v″t+C(1-cos(2πf2t)))/L
r＝L+Csin(2πf2t)
其中，v1为圆周状螺旋线上的焊接线速度，v″为焊接线速度焊接速度沿轴线的分量，t表示焊接时间，f2为基圆运动频率，即单位时间内基圆激光束沿中心线前进的距离除以螺距，经过实验验证，对于焊接路径类正弦曲线30和圆周状螺旋线40，其控制参数和需满足的规则如下：
(1)类正弦曲线焊接线速度v0：v0的范围为0～100mm/s。
(2)圆周状螺旋线的轴线分速度v″：v″的范围为0～100mm/s。
(3)类正弦曲线中的正弦频率f1：范围为50Hz～200Hz，若圆周31的半径R大于5毫米，则正弦频率f1应适当增大，反之亦然。其作用在于保证加工过程中，激光重熔的部分占加工区域的比例足够大，以消除焊接缺陷如裂纹和气孔。
(4)圆周状螺旋线中的基圆运动频率f2：f2的范围为20～300Hz，若L大于6毫米，则基圆运动频率f2应适当增大，其作用与上述f1类似。
(5)圆周状螺旋线中心线的半径L、类正弦曲线的圆周半径R、基圆的半径C应满足R≤L-C，并且L∈(4，10)，R∈(2，8)，C∈(0.2，2)。
(6)相邻焊点之间的间隙d，满足d＞＞2L。
为了验证本发明的焊接方法的可行性，我们
第一步：用如图9所示的夹具将两块镀锌钢板安装在二维平面上，夹紧子夹具使与工作平台贴合。
第二步，通过控制器P移动机器人使振镜下方焦点落在待焊工件表面上。
第三步，在软件上编辑图形，在类正弦曲线30和圆周状螺旋线40上输入控制参数：
(1)类正弦曲线的焊接线速度v0为50mm/s。
(2)圆周状螺旋线的分速度v″为50mm/s。
(3)类正弦曲线中的正弦频率f1为100Hz。
(4)圆周状螺旋线中的基圆运动频率f2为100Hz。
(5)圆周状螺旋线的轴线的半径L为6mm、类正弦曲线的圆周半径R为5mm、基圆的半径C为0.5mm
(6)激光输出功率为4.6kW。
第四步：在焊接区域内编辑4个平行焊点，间距d取5mm。
第五步：开启线激光，调节升降台将激光焦点调到零离焦。
第六步：开启保护气，从侧面加吹保护气体，保护气体直接作用在带焊接位置的上方。
第七步：开启焊接，激光作用在待焊件表面，熔化冷却后形成平整的圆形焊点。其焊接结果如下：
图6是激光束B沿激光点焊路径20进行了一个点的焊接后，点上任意一点的焊缝W的剖面图。控制器P控制机械臂的运动和控制参数振镜激光头16，使用激光束B进行焊接，以获得无气孔，强度足够和成形完美的焊缝W。通过控制器P精准控制激光束B的运动速度和运动轨迹。
如图7所示激光束与母材11、12作用，生成了一个在表面熔融区MS持续开放的匙孔K，锌蒸汽通过开放匙孔K持续沿GF向外排除并在一定程度上起到隔绝空气的作用。由于马兰格尼效应，熔融金属中会生成如LF所示的层流，LF可以将未经过匙孔的锌蒸汽排除。匙孔K在深度上确保在母材11，12的接合接口G处有足够的熔透区域，以确保匙孔K是一个连续开放的稳定的匙孔。因为匙孔K保持持续开放，避免完全崩溃，所以锌蒸汽可以持续排出。
此外如图8所示，本发明的激光焊接路径中含大量重熔部分，即图7中熔池MP1和熔池MP2重叠部分(虚线框内)，熔池MP1和熔池MP2是不同焊接时间下的焊接熔池。此处仅用类正弦曲线进行说明，螺旋曲线中的重熔部分同理。重熔部分受匙孔K作用两次，因此更容易排出残留的锌蒸汽，有利于焊缝内锌蒸汽的排除。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (7)

1.一种用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：对待焊接金属薄板进行表面净化处理，再将其搭接置于工作台，并使用夹持工具夹紧，然后，先沿类正弦曲线在焊点位置的中心进行焊接，再沿圆周状螺旋线在焊点位置的周边进行焊接，逐步完成对待焊接金属薄板的点焊，所述圆周状螺旋线所在的焊接路径将类正弦曲线所在的焊接路径包围住，所述类正弦曲线的振幅沿圆周变化，所述圆周状螺旋线设置为以圆为中心线，基圆绕所述中心线螺旋延伸而形成的一个二维曲线。
2.根据权利要求1所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：同一焊点中的所述类正弦曲线所在的焊接路径与所述圆周状螺旋线所在的焊接路径不接触，相邻焊点之间留有间隙。
3.根据权利要求2所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：所述类正弦曲线的振幅所在圆周的半径记为R，所述圆周状螺旋线的中心线所在圆周的半径记为L，所述基圆的半径记为C，则满足R＜＝L-C。
4.根据权利要求3所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：所述类正弦曲线的直角坐标方程式设置为，
Figure FDA0003133034200000011
Figure FDA0003133034200000012
y＝v′t-R
x＝Asin(2πf1t)
A2+y2＝R2，y∈(-R，R)
其中，v0表示类正弦曲线上的焊接线速度，v′表示焊接线速度在竖直方向的分量，α为线速度v0和v′之间的夹角，t表示焊接时间，f1表示类正弦曲线的频率。
所述圆周状螺旋线的极坐标方程式设置为
Figure FDA0003133034200000021
Figure FDA0003133034200000022
θ＝(v″t+C(1-cos(2πf2t)))/L
r＝L+Csin(2πf2t)
其中，v1为圆周状螺旋线上的焊接线速度，v〞为焊接线速度焊接速度沿轴线的分量，β为线速度v1与v〞之间的夹角，t为焊接时间，f2为基圆运动频率，即单位时间内基圆激光束沿中心线前进的距离除以螺距。
5.根据权利要求4所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：所述频率f1随类正弦曲线的振幅所在圆周半径的增大而增大，所述基圆运动频率f2随圆周状螺旋线的中心线所在圆周半径的增大而增大。
6.根据权利要求3所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：相邻焊点之间的间隙d，满足d＞＞2L。
7.根据权利要求1所述的用于镀锌钢的激光焊接方法，其特征在于：使用二丙酮对待焊接金属薄板的表面进行清洗，冷风吹干，两块所述待焊接金属薄板搭接部位完全贴合，属于零间隙下的焊接，通过夹持工具保持平整，同时，在焊点上方吹送惰性气体保护气。
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