CN113523568A - 一种铝或铝合金搭接激光点焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光焊接领域，公开了一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，此方法包括以下步骤：(1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；(2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面进行多个单一路径的扫描，单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；(3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描，直至完成第一层与第二层工件焊接，所述第二激光束的激光功率密度与扫描速度的比值低于所述第一激光束；(4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；本发明焊接方法可以降低焊缝气孔、提高表面焊接质量。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种铝或铝合金搭接激光点焊方法。
背景技术
铝及铝合金材料具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性能，在钣金、汽车、轨道交通、航空航天等领域具有广泛的应用市场。以汽车行业为例，随着节能减排需求的提高、汽车轻量化发展使铝合金应用比例逐渐增加，在新能源汽车零部件中通常使用铝制内板、外板等材料进行搭接，所用的连接方法主要是机械连接，比如自冲铆接。自冲铆接需要使用专门的设备将铆钉刺穿搭接组合的上层材料，在凹模中使铆钉与下层材料发生变形，实现连接。这种方法生产效率较低、工艺复杂、使用成本较高，汽车不同的搭接组合需要使用不同的铆枪、铆钉、凹模，同时，铆钉增加了车身的重量和成本。
之所以在目前市场上，机械连接方法使用较为普遍，是因为铝合金材料在熔化焊接过程中面临着诸多问题，其中，最为常见的是铝合金焊缝内部存在气孔、以及铝合金表面存在氧化且较为粗糙。以激光焊为例，铝合金对激光反射率较高，通常需要使用较大的激光功率进行焊接、形成小孔，而熔化的铝表面张力较低，容易扰动、造成小孔坍塌；另一方面，铝合金材料表面通常存在一层较薄的氧化铝膜，其熔点较高、并且容易吸收水分，当小孔与搭接材料的界面相交时，材料表面的氧化膜与水分将加剧小孔的坍塌。小孔坍塌将会使焊缝中形成气孔，气孔的存在将降低接头的强度、弱化服役性能。同时，熔融铝较低的表面张力和铝材较高的热传导率使扰动的焊缝快速冷却，造成表面粗糙。铝的易氧化特性则使焊缝表面氧化严重、影响美观。对于汽车外观件来说，可能需要对表面进行打磨处理，费时费力。
一般而言，激光焊在进行铝合金焊接时的常规应用涉及到搭接角焊缝、线焊焊缝等，通常应用于汽车车门等对服役载荷要求相对较低的部位。如果能够实现高质量、高强度的激光点焊，将有助于扩大激光焊技术的应用范围，提高生产效率、降低生产成本。
公开号为CN108367391A的专利(以下称作专利文献1)和公开号为CN109070271A(以下称作专利文献2)的专利分别提供了一种叠层铝工件的激光点焊方法。
专利文献1描述的激光束行走路径包括一个或者多个非线性内部路径和环绕所述内部路径的外部周边路径；专利文献2描述的激光束行走路径位于内径边界和外径边界限定的环形焊接区域内。专利文献1和专利文献2实施焊接过程的类似之处是：使激光束在工件堆叠的顶部表面沿着所述路径行进时，由激光束产生的“小孔和环绕所述小孔的熔融铝焊池从所述顶部表面朝向所述底部表面穿入到所述工件堆叠中并与所述工件堆叠内建立的每个接合界面相交”，上述技术方案原理图如图19、20所示。在专利文献的实施例中有具体的描述，专利文献1段落[0032]描述是“类似熔融铝焊池76，小孔78也从顶部表面20朝底部表面22穿入到工件堆叠10中。小孔78提供用于激光束24的通道，以将能量向下输送到工件堆叠10中”；专利文献2段落[0042]描述是“在激光束24沿光束行进图案74的前进期间，小孔78和熔融铝焊池76与工件堆叠10内存在的在堆叠10的顶部表面20和底部表面22之间的每个接合界面34(或50、52)相交”。专利文献1和专利文献2公开的技术方案表述了类似的有益效果，即“促进保护性涂覆层的更大扰动(例如，破裂和分解、汽化、或以其他方式)”，从而达到减少焊接接头内部气体孔隙的目的。
但是，专利文献1和专利文献2的技术存在以下问题：
铝合金材料与激光相互作用存在激光反射率高的特点，因此需要较高的激光功率以使材料熔化并产生小孔，使用较高激光功率是常规搭接线焊激光焊的基本参数，以保证在激光束单向行走的过程中实现两层或者多层工件的熔化，即激光束产生的小孔以及小孔周围的熔池与两层或者多层工件的结合界面相交；而熔融铝存在激光吸收率高的特点，因此对于专利文献1和专利文献2所述的激光点焊技术，在焊接区域范围内将产生严重的热量累积和过热，熔融铝同时具有表面张力小、易氧化的热点，铝材本身存在导热率高的特点，最终造成焊点表面成形粗糙且氧化严重(如图23所示)、背面坍塌(如图24所示)等问题；而在控制过热情况下，小孔与界面相交造成的小孔坍塌将产生焊缝内部气孔残留(如图25所示)。
发明内容
为解决以上问题，本发明公开了一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，包括以下步骤：
(1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；
(2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面依次进行多个单一路径的扫描。每个单一路径焊接参数单独设置，使单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；
(3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描。所述第二激光束扫描路径焊接参数单独设置，其激光功率密度与扫描速度的比值比所述第一激光束小；
(4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；
所述第一激光束单个路径的扫描轨迹为圆或多边形，所述第二激光束的扫描轨迹为螺旋线。
在一优选例中，所述圆的外径为4-16mm，所述多边形的外边长为4-16mm。
在另一优选例中，焊接过程中所述圆或多边形的数量为3-20个。
在另一优选例中，所述第二激光束螺旋线的单一扫描路径为两个，第一个螺旋线激光功率密度与扫描速度的比值大于第二个螺旋线，第一个螺旋线的外径小于第二个螺旋线的外径。
在另一优选例中，所述第一个螺旋线的外径为2-8mm，第二个螺旋线的外径为6-18mm。
在另一优选例中，所述螺旋线为二维螺旋线，所述第一个螺旋线的最小内径为0mm，所述第二个螺旋线的内径大于外径的二分之一。
在另一优选例中，所述第一激光束的功率W1与所述叠层的厚度t和聚焦光斑直径D1的关系为：W1＝(1000–4000)W/mm2*t*D1，其中t为1-10mm；第一激光束的扫描速度V1为10-50m/min，聚焦光斑直径D1为0.2-0.8mm，离焦量F1为0-(±5)mm。
在另一优选例中，所述第一个螺旋线的激光扫描速度V2与V1的关系为：V2＝(0.6-3.0)V1；激光聚焦光斑直径D2与D1的关系为：D2＝(0.8-1.5)D1；离焦量F2为0–(±15)mm；激光功率W2与W1的关系为：W2＝(0.5-1.2)W1。
在另一优选例中，所述第二个螺旋线路径的激光扫描速度V3与V1的关系为：V3＝(1.5-4.0)V1；激光聚焦光斑直径D3与D1的关系为D3＝(1.0-5.0)D1；离焦量F3为(±75)-(±10)mm；激光功率W3与W1的关系为W3＝(0.3-1.2)W1。
在另一优选例中，所述螺旋线相邻曲线之间的间隔D与第一激光束的激光聚焦光斑直径D1的关系为：D＝1～3D1。
有益效果：本发明焊接方法避免了焊接过程中形成的小孔由于与连接界面相交造成的气孔问题，以及由于高功率和大热输入的热量累积造成的焊点坍塌、焊缝严重氧化、表面粗糙问题。该技术方案能够实现高强度和高表面质量的铝或铝合金工件叠层焊接，有助于推进铝激光焊接技术在钣金、汽车、轨道交通、航空航天等领域的应用。
附图说明
图1是扫描较少数量圆形路径时叠层工件表面焊缝区域示意图。
图2和图3是扫描较少数量圆形路径时叠层工件横截面焊缝区域示意图。
图4是扫描圆形路径增加时叠层工件表面焊缝区域示意图。
图5是扫描圆形路径增加时叠层工件横截面焊缝区域示意图。
图6是扫描较多数量圆形路径时叠层工件表面焊缝区域示意图。
图7和图8是扫描较多数量圆形路径时叠层工件横截面焊缝区域示意图。
图9是扫描多个圆形路径和1个较小外径螺旋线路径时叠层工件表面焊缝区域示意图。
图10是一种较小外径螺旋线扫描路径示意图。
图11是扫描多个圆形路径和1个较小外径螺旋线路径时叠层工件横截面焊缝区域示意图。
图12是扫描多个圆形路径、1个较小外径螺旋线路径以及1个较大外径螺旋线路径时叠层工件表面焊缝区域示意图。
图13是一种较大外径螺旋线扫描路径的示意图。
图14是扫描多个圆形路径、1个较小外径螺旋线路径以及1个较大外径螺旋线路径时叠层工件横截面焊缝区域示意图
图15是发明激光点焊技术焊接叠层铝工件焊点表面照片。
图16是发明激光点焊技术焊接叠层铝工件焊点背面照片。
图17是发明激光点焊技术焊接叠层铝工件背面刚好熔化的焊点横截面照片。
图18是发明激光点焊技术焊接叠层铝工件背面未熔化的焊点横截面照片。
图19是发明激光点焊技术在正方形扫描路径下获得的焊点表面照片。
图20是发明激光点焊技术在正方形扫描路径和2个螺旋线扫描路径下的获得的焊点表面照片。
图21和图22是专利文献1和专利文献2技术方案焊接原理示意图，即激光束形成的熔池和小孔与堆叠工件各界面相交。
图23是常规激光点焊技术焊接叠层铝工件焊点表面照片。
图24是常规激光点焊技术焊接叠层铝工件焊点背面坍塌照片。
图25是常规激光点焊技术焊接叠层铝工件焊点横截面照片。
附图标记说明：1-激光束，21-扫描较少数量圆形路径时焊缝表面，22-扫描圆形路径增加时焊缝表面，23-扫描较多数量圆形路径时焊缝表面，24-扫描多个圆形路径和1个较小外径螺旋线路径时焊缝表面，25-扫描多个圆形路径、1个较小外径螺旋线路径以及1个较大外径螺旋线路径时焊缝表面，3-叠层组合第一层工件，4-叠层组合第二层工件，51-扫描较少数量圆形路径时横截面焊缝，52-扫描圆形路径增加时横截面焊缝，53-扫描较多数量圆形路径时横截面焊缝，54-扫描多个圆形路径和1个较小外径螺旋线路径时横截面焊缝，55-扫描多个圆形路径、1个较小外径螺旋线路径以及1个较大外径螺旋线路径时横截面焊缝，6-叠层组合第一层工件与第二层工件连接界面，71-扫描较少圆形路径时熔池中的小孔，72-扫描较多圆形路径时熔池中的小孔。
具体实施方式
下面将结合附图1-18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。
实施例1
如图1-9展示了采用本发明焊接方法，使用多个直径相同的圆和两个外径大小不同的螺旋线(其中外径较小的为第一个螺旋线，外径较大的为第二个螺旋线)扫描路径组合实施激光点焊的过程。
如图1所示，将铝或铝合金工件3和4叠加在一起，形成叠层，使第一激光束在叠层组合上部工件3的上表面扫描较少数量圆心相同、外径相同的单一圆形路径，形成位于上部工件3上表面的环形焊缝区域21，控制焊接参数使单一圆形路径扫描时形成的小孔(图3中71所示)及熔池位于工件3与4的结合界面6之上，此时焊缝区域21对应的横截面如图2所示，其中焊缝区域为51，焊缝熔深仅到达上部工件3的中间部位。
如图4所示，当第一激光束在叠层组合上部工件3的上表面扫描圆形路径数量增加时，形成焊缝区域22，对应横截面焊缝如图5区域52所示，与扫描较少路径时相比，由于焊缝区域吸收激光束热量的累积，焊接熔池向路径周边以及界面方向扩展，因此形成的焊缝区域面积增大、熔深增加、环形焊缝中间未熔化区域减小。
如图6所示，当第一激光束在叠层组合上部工件3的上表面扫描较多数量圆形路径时，形成焊缝区域23，对应横截面焊缝如图7区域53所示，此时，焊接熔池累积的热量将上部工件焊点区域全部熔化，并且在扫描路径处由于小孔(图8中72所示)对激光能量吸收效果最佳，形成的熔池向界面方向扩展最迅速，因此此处的界面6逐渐熔化，熔池扩展向第二工件4。由于避免了小孔直接与界面6相交，极大地减小了小孔不稳定造成的气孔。此时，继续适当增加圆形扫描路径，界面熔化面积将逐渐增大。
如图9所示，在已经形成的焊缝区域中扫描轨迹为第一个螺旋线的第二激光束(如图10所示)，采用此扫描路径进行焊接时有小孔产生，此激光束的激光功率密度与扫描速度的比值低于第一激光束1，所述螺旋线路径的外径比圆形路径的直径小，即此时第二激光束的路径扫描位置位于焊缝区域24的中间区域，形成的焊缝对应的横截面如图11中54所示。在此前的圆形扫描路径中，界面6与第二工件4在圆形及其周边对应位置逐渐熔化，此时在螺旋线扫描路径后，界面6与第二工件在焊点中间区域熔化，形成整个焊点的完整连接。由于铝合金表面张力低、导热率高，焊缝54具有较粗糙的表面。
如图12-14进一步采用较大外径的第二个螺旋线激光束扫描焊点，如图12所示，第二激光束在焊缝区域25按照图13所示的螺旋线路径扫描，在此焊接过程中没有小孔的形成，所述螺旋线的外径比圆形路径的直径大，其内径为外径的一半，使用较低的激光功率和较高的扫描速度，形成的焊缝对应的横截面如图14中55所示。此时焊接参数的设置以较小的激光束热量输入，其作用是清除焊缝表面氧化以及减缓焊点冷却、减小焊缝表面粗糙度。由于焊点冷却过程是从周围向中心冷却，因此当材料在焊接过程中蒸发损失较多时，在焊点中间会形成凝固收缩下凹区域。
其中，第一激光束扫描的次数即直径相同的圆的数量为3-20个，第一螺旋线与第二螺旋线的扫描次数分别为1个。所述第一激光束的功率W1与所述叠层的厚度t的关系为：W1＝(1000–4000)W/mm2*t*D1，其中t为1-10mm；第一激光束的扫描速度V1为10-50m/min，聚焦光斑直径D1为0.2-0.8mm，离焦量F1为0-(±5)mm。
所述第一螺旋线的激光扫描速度V2与V1的关系为：V2＝(0.6-3.0)V1；激光聚焦光斑直径D2与D1的关系为：D2＝(0.8-1.5)D1；离焦量F2为0–(±15)mm；激光功率W2与W1的关系为：W2＝(0.5-1.2)W1。
所述第二螺旋线路径的激光扫描速度V3与V1的关系为：V3＝(1.5-4.0)V1，激光聚焦光斑直径D3与D1的关系为D3＝(1.0-5.0)D1；离焦量F3为(±75)-(±10)mm；激光功率W3与W1的关系为W3＝(0.3-1.2)W1。
所述螺旋线相邻曲线之间的间隔D与第一激光束的激光聚焦光斑直径D1的关系为：D＝1～3D1。
在另一优选例中，第二螺旋线扫描路径内径为0，其激光功率为圆形扫描路径的65％，扫描速度设置为圆形扫描路径的2.5倍，获得表面光滑、氧化较少的焊点，如图13所示。同时，焊点背面无坍塌，如图14所示。
实施例2
采用本发明焊接方法对两厚度均为1.0mm铝合金工件叠层，使用带有振镜扫描功能的激光焊接头，按照以下扫描路径和参数实施激光束扫描：1、直径为8mm圆形路径，激光功率W1为2800W，扫描速度V1为12m/min，扫描5次；2、外径6mm第一个螺旋线路径，螺旋线外圈封闭，激光功率W2为2100W，扫描速度V2为16m/min，扫描1次；3、外径为10mm第二个螺旋线路径，螺旋线外圈封闭，激光功率W3为1800W，扫描速度V3为30m/min，扫描1次。形成焊点的横截面如图15所示，其中白色虚线区域为形成的焊缝，可见使用本发明技术可以获得焊缝内部无气孔、焊缝表面光滑、焊缝底部无坍塌的焊点。
实施例3
此实施例与实施例2类似，与之不同的是两铝合金的厚度均为2.0mm，圆形扫描路径的数量为8次，激光功率W1为4000W，图16所示为焊点横截面，其中白色虚线区域为形成的焊缝，此时焊点底部材料未熔化，对于要求背面未熔化的应用场合，本发明提供的技术方案具有非常好的效果。
实施例4
使用多边形扫描路径代替圆形扫描路径，依然可以实施本发明技术方案，获得高质量焊点。如图17所示，为多个边长9mm的正方形扫描路径实施后的焊点表面。继续实施激光扫描较小直径螺旋线和较大直径螺旋线之后，获得如图18所示的表面呈圆形的焊点。焊点表面平滑、几乎无氧化。可见本发明的技术方案具有较强的拓展特性。
需要说明的是，本发明不仅适用于两层工件的焊接，同样适用于三层或三层以上工件的焊接，比如当焊接工件为三层时，首先采用第一激光束对第一层工件的上表面进行激光扫描，焊接过程中单一路径扫描时形成的小孔位于第一层工件与第二层工件连接界面的上部，然后采用第二激光束继续对第一和第二工件进行焊接，直至将第一层工件与第二层工件焊接在一起；随后再采用第一激光束继续对第一层工件上表面已形成的焊点进行扫描(此时可将第一层工件与第二层工件看为一个整体)，在此焊接过程中单一路径扫描时形成的小孔会穿越第一层工件与第二层工件，但是位于第二层工件与第三层工件连接界面的上部；最后再采用第二激光束继续对第一层工件的上表面进行激光扫描，直至完成第一、二层工件与第三层工件的焊接。
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本申请权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；
(2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面依次进行多个单一路径的扫描。每个单一路径焊接参数单独设置，使单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；
(3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描。所述第二激光束扫描路径焊接参数单独设置，其激光功率密度与扫描速度的比值比所述第一激光束小；
(4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；
所述第一激光束单个路径的扫描轨迹为圆或多边形，所述第二激光束的扫描轨迹为螺旋线。
2.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述圆的外径为4-16mm，所述多边形的外边长为4-16mm。
3.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，焊接过程中所述圆或多边形的数量为3-20个。
4.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第二激光束螺旋线的单一扫描路径为两个，第一个螺旋线激光功率密度与扫描速度的比值大于第二个螺旋线，第一个螺旋线的外径小于第二个螺旋线的外径。
5.如权利要求4所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第一个螺旋线的外径为2-8mm，第二个螺旋线的外径为6-18mm。
6.如权利要求5所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述螺旋线为二维螺旋线，所述第一个螺旋线的最小内径为0mm，所述第二个螺旋线的内径大于外径的二分之一。
7.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第一激光束的功率W1与所述叠层的厚度t和聚焦光斑直径D1的关系为：W1＝(1000–4000)W/mm2*t*D1，其中t为1-10mm；第一激光束的扫描速度V1为10-50m/min，聚焦光斑直径D1为0.2-0.8mm，离焦量F1为0-(±5)mm。
8.如权利要求4所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第一个螺旋线的激光扫描速度V2与V1的关系为：V2＝(0.6-3.0)V1；激光聚焦光斑直径D2与D1的关系为：D2＝(0.8-1.5)D1；离焦量F2为0–(±15)mm；激光功率W2与W1的关系为：W2＝(0.5-1.2)W1。
9.如权利要求4所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第二个螺旋线路径的激光扫描速度V3与V1的关系为：V3＝(1.5-4.0)V1；激光聚焦光斑直径D3与D1的关系为D3＝(1.0-5.0)D1；离焦量F3为(±75)-(±10)mm；激光功率W3与W1的关系为W3＝(0.3-1.2)W1。
10.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述螺旋线相邻曲线之间的间隔D与第一激光束的激光聚焦光斑直径D1的关系为：D＝1～3D1。
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