CN113967788A - 一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法，包括将至少两个钢基底金属工件重叠构成堆叠件，将激光束引导至堆叠件的顶表面，使激光束沿着堆叠件顶表面以一定的焊接路径行进，焊接路径具有多个阶段，每个阶段的行进路径具有起始点、终点以及行进方向，至少一个阶段的初始行进点为上一阶段的行进终点，且该阶段的总体行进方向与上一阶段的总体行进方向相反，通过激光束多阶段的作用，使堆叠件形成焊接接头，多阶段路径的快速焊接有助于抑制焊接过程产生的缺陷。

Description

一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法。

背景技术

为了使钢板具有良好的防腐蚀作用，钢板表面通常镀有一层可防腐的镀层，特别是镀锌层。镀锌钢板以其成本低、抗腐蚀性能优异得到广泛应用，尤其是在汽车、航空、造船、铁路和房屋建筑等领域。目前对于镀锌板的搭接焊接方法主要集中在电阻点焊工艺上，但是电阻点焊存在能耗高、表面质量差、电极寿命低、焊接所需法兰尺寸大等缺点，而激光焊接具有生产效率高、焊接质量好、能耗低等一系列优点，因此越来越多的厂商希望能采用激光焊接的方法代替电阻点焊。

由于在镀锌钢的搭接激光焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异(锌的熔点约420℃，沸点约908℃，基体钢的熔点约1300℃，沸点约2861℃)，镀层锌的气化先于基体钢的熔化，在激光束刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，特别是在焊接终了时刻，焊接匙孔的不连续性，使锌蒸汽压力在匙孔处释放带出熔化的金属，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，导致焊接质量下降，特别是在进行激光点焊时，随着焊点半径增大，外圈相对镀层量增加，这种缺陷将更加明显，极大地限制了镀锌钢板的激光焊接应用。

中国专利CN102451955B和CN101695790B公开了利用在镀锌钢搭接界面添置间隔物或水平差距的方法，通过预留出锌蒸汽排出的通道，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板搭接焊缝气孔和飞溅的问题，但该方法在实际操作中，控制复杂且成本较高。

现有技术中还有利用在焊接前搭接界面预制凸起、预留间隙或设置排气通道的方法来使焊接过程中的锌蒸汽排出，这些方法虽然可以解决焊接质量问题，但额外工序的增加，无疑会提高制造成本降低生产效率。

中国专利CN105899323B公开了利用多步的激光焊接方法来预热或先产生激光小孔排出锌蒸汽再通过后续的激光焊接工序来实现低缺陷的镀锌板搭接激光焊接，该方法虽然也在一定程度上可解决焊接缺陷的问题，但是对于工艺的控制也较为复杂。

中国专利CN107735208B、CN107949453B和CN106583926B公开了一系列利用螺旋路径激光远程焊接搭接镀锌板的方法，该方法在执行焊接过程中需要多次变换调整工艺参数，而在实际生产中对于不确定的搭配状态，以及针对于涂层厚度较厚时，并不一定能形成稳定优质的焊接接头。

申请号为201780091922.0的专利文本中公开了一种利用双光束相同路径的激光焊接方法，其必须要使第二束光束作用时第一束光束形成的熔池仍然保持在熔化状态，这对于整个工艺的控制极其复杂难于实现。

因此，需要一种高效、低成本的激光焊接方法，能够有效地在焊接过程过排出锌蒸汽或使其氧化转变，使镀锌钢板焊接时可以得到良好焊接质量的焊点或焊缝。

发明内容

本发明提供一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法，包括以下步骤：

将至少两个钢基底金属工件重叠构成堆叠件，堆叠件至少包括第一金属工件和第二金属工件，第一金属工件具有第一外表面和第一接合表面，第二金属工件具有第二外表面和第二接合表面，至少一个接合表面具有低熔点的锌基涂层，第一接合表面与所述第二接合表面堆叠构成第一接合界面；将激光束引导至堆叠件的顶表面以形成焊接小孔和围绕所述小孔的熔化焊池，使激光束沿着堆叠件顶表面以一定的焊接路径行进，所述焊接路径包括多个阶段，每个阶段的行进路径具有起始点、终点以及行进方向，至少一个阶段的初始点为上一阶段的所述终点，且该阶段的总体行进方向与上一阶段的总体行进方向相反；通过激光束多阶段的作用，使堆叠件形成焊接接头。

优选地，堆叠件还包括第三金属工件，第三金属工件具有相对的两个接合表面，第三金属工件的一个接合表面与所述第一金属工件的第一接合表面构成第一接合界面，第三金属工件的另一个接合表面与第二金属工件的第二接合表面构成第二结合界面。

优选地，堆叠件的各个结合界面间的搭接间隙为零。

优选地，锌基涂层为纯锌或锌合金。

优选地，焊接路径的第一阶段为由中心向外扩展的螺旋行进路径。

优选地，焊接路径的第二阶段为由外向内收缩的螺旋行进路径。

优选地，焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径相同。

优选地，焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径相适形。

优选地，焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径部分重叠。

优选地，焊接路径的后一阶段的激光束开始作用时刻即上一阶段的激光束作用终了时刻。

本发明的有益效果在于：通过多个相反方向的激光束快速作用，可使得前一束激光在去除或氧化转变结合界面的锌的基础上，稳定地形成低飞溅、孔洞少的焊接接头，特别是有助于减少焊接终了时刻位置锌蒸汽飞出导致的缺陷。

附图说明

图1为本发明远程激光焊接总体示意图；

图2为本发明实施例中一种堆叠钢工件焊接截面图；

图3为本发明实施例中一种堆叠钢工件焊接截面图；

图4为本发明实施例中一种堆叠钢工件焊接截面图；

图5为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图6为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图7为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图8为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图9为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图10为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图11为本发明实施例中一种焊接路径示意图；

图12为未使用本发明方法所得到的焊点表面图；

图13为本发明实施例中得到的焊点表面图；

图14为本发明实施例中得到的焊接横截面图。

附图标记：1-第一金属工件；2-第二金属工件；4-具有光束扫描移动的激光加工头；5-激光束；6-焊接路径；7-焊接熔池；8-激光匙孔；10-第一金属工件的厚度；12-锌涂层；1a-第一金属工件的顶面；1b-第一金属工件的接合面；13-第一接合界面；20-第二金属工件的厚度；2a-第二金属工件的顶面；2b-第二金属工件的底面；23-第二接合界面；30-第三金属工件的厚度；3a-第三金属工件的顶面；3b-第三金属工件的底面；40-激光束焦点；61-焊接路径的第一阶段行进路径；61a-焊接路径的第一阶段行进路径的起点；61b-焊接路径的第一阶段行进路径的终点；61c-焊接路径的第一阶段行进路径的总体行进方向；611-焊接路径的第一阶段行进路径的第一部分路径；612-焊接路径的第一阶段行进路径的第二部分路径；613-焊接路径的第一阶段行进路径的第三部分路径；614-焊接路径的第一阶段行进路径的第四部分路径；62-焊接路径的第二阶段行进路径；62a-焊接路径的第二阶段行进路径的起点；62b-焊接路径的第二阶段行进路径的终点；621-焊接路径的第二阶段行进路径的第一部分路径；622-焊接路径的第二阶段行进路径的第二部分路径；623-焊接路径的第二阶段行进路径的第三部分路径；624-焊接路径的第二阶段行进路径的第四部分路径；62c-焊接路径的第二阶段行进路径的总体行进方向。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

需要说明的是，在本发明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为本发明远程激光焊接总体示意图，其中激光束5由激光器发射经激光加工头4传输出。激光器可以包括多种类型，例如固态激光束或气体激光束，可以是光纤激光器、盘形激光器、半导体二极管激光器和Nd：YAG类的固态激光器，或是二氧化碳气体激光器。扫描光学加工头4通过内部的反射镜片实现激光束偏转和移动加工头，可以实现三维坐标系多个方向的激光束运动偏转，远程激光焊接系统内部包括聚焦透镜以及反射镜，具有很快的相应速度，可以实现高速激光束沿一定图案的运动，例如圆形、椭圆形、螺旋线、曲线或直线以及各种由曲线和直线组合而成的复杂空间轨迹。

如图2所示，是本发明所涉及到的一种钢工件堆叠方式截面图，激光束作用时形成金属熔池和匙孔，激光束使熔池和匙孔完全穿透了工件叠层。如图3所示，是本发明中所涉及到的一种钢工件堆叠方式截面图，其中激光束作用时形成的金属熔池和匙孔，激光束使熔池和匙孔部分穿透了工件叠层。如图2和图3所示，两个金属工件1和2重叠构成堆叠件，第一金属工件1具有第一顶表面1a和第一接合面1b，第二金属工件具有第二接合面2a和底面2b,其中顶面、底面或接合面是相对钢工件本身而言，并不局限于任何一个特定的面。由第一接合面1b和第二接合面2a构成第一结合界面13，另外结合界面之间可以包含具有间隙或是完全零间隙的。在一个特定的实施例下，其间隙为零。堆叠件还可以包括第三金属工件，如图4所示，其同样具有接合面和底面以及堆叠构成的第二接合界面23。金属工件1、2和3中至少一个接合界面处的表面上具有锌涂层12，包括纯锌或锌合金，可以通过诸如电化学沉积或热沉积等方法来实现，其一般具有厚度2μm到100μm，可以彼此相同或不同。金属工件1、2和3分别具有厚度10、厚度20和厚度30，通常为0.5到3mm之间，可以彼此相同或不同。而金属工件基材可以是一些更特定的钢，包括但不限于：低碳钢、无间隙原子钢、双相钢、多相钢、孪晶诱导钢、冷成型钢和热成型钢等，可以被经过诸如退火、回火或淬火的热处理过程。

利用激光器发射的激光束经过传输介质，例如光纤传输至扫描光学镜头4，扫描光学镜头一般是安装在具有多个轴可运动的机床或机器人臂上，通过编程可迅速且精准地将激光束辐照到堆叠件待焊位置的顶表面上，一般认为所输送的激光束具有波长300nm到1400nm波长范围的固态激光束。激光束可以是脉冲形式或连续的，功率范围一般是500W到50000W。

如图2、图3和图4所示，通过激光束在堆叠件表面的照射，形成激光匙孔8以及围绕8的焊接熔池7，激光匙孔通常是包含等离子体的汽化工件金属形成的柱状形状，并产生朝外的蒸汽压力，通常焊接熔池7向内塌缩。形成的匙孔和熔池是穿过接合界面的，可以是完全穿透堆叠件或部分穿透，如图2和图3所示，一般是通过控制输出激光束的物理参数例如功率大小、光斑大小或离焦量等来改变功率密度实现。在堆叠件上形成匙孔和焊接熔池后，通过激光束在堆叠件顶面沿着光束行径路径以6m/min以上的扫描速度前进。

激光束的扫描图像路径可以是整体为线性缝焊图案，弯曲性或者C形焊图案，圆点图案或者振荡图案。其中激光束的行进路径中具有多个阶段，每个阶段的行进路径具有起始点、终点以及行进方向，其中至少包含一个阶段的初始行进点为前一阶段的终点，且该阶段的总体行进方向与上一阶段的总体行进方向相反。

如图5所示，为本发明实施例中一种焊接路径示意图。其中，第一阶段的激光束路径61具有起点61a和终点61b，行进路径为由中心向外沿着逆时针方向的螺旋线，总体前进方向61c为由内向外，而在后一阶段接着以终点61b为后一阶段路径62的起点62a继续沿着逆时针方向，整体路径为由外向内的方向62c行进到达终点62b。值得注意的是，其行进路径62和61的螺旋线形状可以是完全相同或不同的，只是整体行进方向具有差别。例如图5所示，行进路径62是由与原行进路径61都为逆时针，但整体仍然是由外向内的62c区别于上一阶段的由内向外的61c。

随着多个阶段的激光束对堆叠件的作用，待焊位置冷却凝固形成焊缝。另外，在激光束沿着图案行进过程中，激光束输出的物理参数可以是恒定的或者变化的，例如输出功率、离焦量或脉冲形式、入射角、扫描速度、光斑大小等。

如图6所示，为本发明实施例中一种焊接路径示意图。激光束的扫描轨迹路径与图5所示差别为后一阶段62的行进方向为与上一阶段路径相反，为顺时针方向。另外激光束行进中某一阶段的路径可以是连续的或是不连续的，例如图7、图8所示，分别为前一阶段路径61或后一阶段的路径62为多个同心圆构成的，其中行进路径62的起点62a与61的终点61b是重合的。其中路径61由611、612、613及614构成，62由621、622、623及624组成，61或62同心圆的数量并无特别限定；而相邻的两个同心圆的半径差可以是相同或不同的，如图9和图10所示。

如图11所示，当执行焊缝为线性焊缝时，其中激光束的一个路径61为由具有正弦波形或函数形状的路径，其后一个路径62为具有类似的路径特征，但62的起始点62a为61的终点61b,61与62具有总体相反的路径，例如61为相对地从左向右，62为相对地从右向左。通过以前一路径终点61b作为起点，总体方向与61相反的焊接方向，可以有效地避免在终点位置处的锌无法排除干净或转变完全，使锌蒸汽得到充分释放，得到焊接缺陷更少，质量更好的焊缝。

值得说明的是，本文中所述逆时针、顺时针，向左和向右均是相对的，并不局限示意图中所述方向。

图12所示为未使用本发明方法所得到的焊点表面示意图。其中，焊接材料为0.7mm的CR5，表面镀层为50g/m²的锌镀层，焊接时将两层板零间隙堆叠，使用远程激光焊接方法焊接。激光功率为1300W，离焦量为0,扫描速度为8m/min的螺旋焊接，螺旋路径形状如图5所示的61a。由图12可看出，使用普通单螺旋焊接时会在焊点表现特别是外圈位置产生大量的孔洞缺陷7。

图13和图14为使用本发明方法所得到的焊点表面及横截面图。与图12所示实施例所用的方法差异仅在于在执行完61a的焊接路径后继续执行沿其终点向内的螺旋路径，其中第二圈为由外向内，焊接功率不变，离焦量为-30mm，可以看出焊点成型较好，内部没有任何的缺陷产生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，基于本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和没有做出创造性劳动的前提下，所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种堆叠钢工件的远程激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

将至少两个钢基底金属工件重叠构成堆叠件，所述堆叠件至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件具有第一外表面和第一接合表面，所述第二金属工件具有第二外表面和第二接合表面，至少一个所述接合表面具有低熔点的锌基涂层，所述第一接合表面与所述第二接合表面堆叠构成第一接合界面；

将激光束引导至所述堆叠件的顶表面，使所述激光束沿着所述堆叠件顶表面以一定的焊接路径行进，所述焊接路径包括多个阶段，每个阶段的行进路径具有起始点、终点以及行进方向，至少一个阶段的所述初始点为上一阶段的所述终点，且该阶段的总体行进方向与上一阶段的总体行进方向相反；

通过激光束多阶段的作用，使所述堆叠件形成焊接接头。

2.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述堆叠件还包括第三金属工件，所述第三金属工件具有相对的两个接合表面，所述第三金属工件的一个接合表面与所述第一金属工件的第一接合表面构成第一接合界面，所述第三金属工件的另一个接合表面与所述第二金属工件的第二接合表面构成第二结合界面。

3.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述堆叠件的各个结合界面间的搭接间隙为零。

4.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述锌基涂层为纯锌或锌合金。

5.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的第一阶段为由中心向外扩展的螺旋行进路径。

6.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的第二阶段为由外向内收缩的螺旋行进路径。

7.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径相同。

8.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径相适形。

9.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的后一阶段的行进路径与上一阶段的行进路径部分重叠。

10.根据权利要求1所述的远程激光焊接方法，其特征在于，所述焊接路径的后一阶段的激光束开始作用时刻即所述上一阶段的激光束作用终了时刻。

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