CN113967791A - 一种铝制密封件的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光焊接领域，公开了一种铝制密封件的激光焊接方法。所述方法包括多个阶段：1)焊缝熔化区增大阶段，所述焊缝熔化区由铝基材被激发熔化并增大；2)焊缝熔池凝固阶段，其中包括允许熔池部分或全部地冷却凝固形成全部地或部分地焊缝；3)焊缝再熔化阶段，其中包括，焊缝的至少一部分被再熔化；以及4)再熔化焊缝凝固阶段，其中包括焊缝的再熔化部分冷却并凝固。本发明通过对初始焊缝进行重新熔化凝固，解决了首次激光焊接铝材之后会形成焊穿孔洞、咬边缺陷等问题，可以使缺陷位置处重新熔化并填补缺陷，形成致密性结构，从而达到提升焊接结构的密封性要求。

Description

一种铝制密封件的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，更具体地涉及一种铝制密封件的激光焊接方法。

背景技术

密封结构件是防止流体、固体颗粒等从相邻的结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入结构内部的零部件，在国防、化工、石油、机械制造等领域具有广泛的应用，通常其对结构的密封性能有较高的要求，一般是通过焊接方法来实现密封结构件的各部件(板材或型材)之间的永久性连接。例如变压器用散热器，变压器运行时负载电流通过变压器绕组会产生大量的热量，而这些多余的热量必须及时的散失掉以防产生过热而造成绝缘损坏，对于大型的变压器常使用油浸式的散热器，油浸式散热器是通过将油中的热量热传导至周围的空气中以此来降低变压器中冷却油的温度，从而达到散热效果。目前散热器的外壳散热片材质主要为普通的冷轧钢材，例如ST13、08AL钢板等，但是由于变压器容量的增大，对于散热器的体积散热能力也提出了更高的要求。由于铝材相比钢材具有更小的密度和更好的热传导效率，所以在同等散热能力下，变压器的整体体积、重量可以更小，并且对变压器的承载结构的强度和刚度要求降低，另外由于铝材本身具有防腐蚀能力，所以不需要后期的酸洗、喷漆等工序，可大幅降低制造成本并降低环境污染。但是在散热器的制造中，一般是由两块冲压成型的波形板搭接进行缝焊而形成一个散热片，然后再将多个散热片依次排列并焊接在导油管上而形成一个散热器，但是在对铝制散热片进行焊接时会出现严重问题。

传统的散热片焊接时是通过电阻缝焊的方法来实现，缝焊是用一对滚轮电极作相对运动，一个一个焊点熔核叠加搭接而成的密封焊缝。但是在对铝制散热片使用电阻缝焊时，由于铝合金导电性、导热性较好，所以需采用较大的焊接电流，往往导致表面严重过热并导致产生裂纹，焊接质量不可靠，使气密性不够产生漏油，并且电极的使用寿命较低，不但严重影响生产效率还会增加制造成本。

除了散热器以外，一些其他的必须具有密封性能的铝材密封构件同样存在这样的问题，而激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。由于激光焊接具有更高的焊接效率等优点，所以各大密封件生产厂家都希望能采用激光焊接的方法来实现对密封件的焊接，但是在对铝制密封件进行激光焊接时，由于在对铝工件进行装配时并不能保证完全一致均匀的装配间隙尺寸，以及工件本身存在的形状误差，导致在激光焊接时造成局部焊穿塌陷、内部气孔以及焊趾处的咬边缺陷等情况，当焊接结构在工作并承受一定的压力后，就无法满足焊缝的致密性要求，达不到使用要求。

所以，本领域急需一种高质量、稳定、无缺陷的激光焊接方法来实现铝制密封结构件的焊接。

发明内容

本发明为了解决铝制密封结构件进行激光焊接时焊缝密封性不足的问题，提出了一种铝制密封结构件的激光焊接方法，该方法包括以下步骤：

将待焊铝制密封件的组合部件搭接在一起，形成叠层，搭接在一起的组合部件之间具有结合界面；

对所述搭接在一起的组合部件的上表面在需要进行焊接的位置采用激光束进行首次激光焊接，使得所述激光束产生的热量在组合部件结合界面传输并使铝基材首次熔化形成焊接熔池并长大，冷却所述焊接熔池使其凝固形成初始焊缝；

对已经形成的初始焊缝存在焊接缺陷的地方，进行再次激光焊接，再熔化已形成的部分或全部初始焊缝使其再次形成焊接熔池，再冷却再熔化的焊接熔池使其凝固形成最终焊缝；

所述首次激光焊接所形成的焊缝的宽度为B1，深度为h1，所述再次激光焊接的宽度为B2，深度为h2，其中0.5≤B2/B1≤2，0.5≤h2/h1≤2。

在一优选例中，当所述焊接缺陷存在于初始焊缝中间时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域包含在所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域内，B1＞B2。

在另一优选例中，当所述焊接缺陷存在于整个初始焊缝时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，B1≤B2。

在另一优选例中，当所述焊接缺陷存在于初始焊缝的一边时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域位于首次激光焊接所形成的焊缝区域的侧面，并使与初始焊缝相邻的一部分新工件熔化，形成新的熔化区。

在另一优选例中，所述首次激光焊接的激光束功率为1-10kw，焊接速度为1-8m/min，所述再次激光焊接的激光束功率1-10kw，焊接速度为1-8m/min，离焦量不小于首次激光焊接的离焦量。

在另一优选例中，所述再次激光焊接焊接的深度h2小于首次激光焊接的深度h1。

在另一优选例中，所述再次激光焊接的深度h1大于上层工件的厚度。

在另一优选例中，所述再熔化、再冷却的次数大于等于1。

在另一优选例中，所述叠层的装配间隙尺寸为不大于总体面对激光束外侧板厚的30％。

在另一优选例中，所述铝制密封件的组合部件的厚度为0.3-6mm，优选地为0.5-4mm。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

有益效果：本发明通过对初始焊接焊缝进行部分或全部的重新熔化凝固，解决了首次激光焊接铝材熔化凝固之后会形成焊趾咬边及内部缺陷的问题，可以使缺陷位置附近金属重新熔化并填补缺陷，形成致密性结构，从而达到焊接结构的密封性要求。

附图说明

图1所示为一种密封结构件的结构示意图。

图2所示为图1中密封结构件的横截面示意图。

图3-1为密封结构件的组合部件叠加在一起的叠层结构示意图。

图3-2为对图3-1进行初始焊接时的熔化区域示意图。

图3-3为图3-2冷却凝固后的焊缝截面图。

图3-4为对焊接结构进行重新熔化的一个截面示意图。

图3-5为焊接结构重新熔化冷却凝固后的焊缝截面图。

图4所示为普通激光焊时焊接完成形成的焊接缺陷的焊缝截面示意图。

图5所示为本发明再次激光焊接所形成的焊缝区域包含在所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域内的示意图。

图6所示为本发明中再次激光焊接所形成的焊缝区域完全覆盖且大于所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域的示意图。

图7所示为本发明再次激光焊接所形成的焊缝区域位于首次激光焊接所形成的焊缝区域的一侧且使与初始焊缝相邻的一部分新工件熔化的示意图。

图8所示为本发明中涉及到的一种焊接方法示意图。

图9为本发明中涉及到的另一种焊接方法的示意图。

图10为本发明中涉及到的另一种焊接方法的示意图。

图11为本发明中涉及到的堆叠结构焊缝形式为搭接时的一种实施例的整体示意图。

图12为本发明中涉及到的再熔化热源为其他形式的焊接系统时的一种实施例的整体示意图。

图13为本发明中涉及到的堆叠结构焊缝形式为角接接头时的一种实施例的整体示意图。

图14所示为使用本发明方法的一个优选实施例所得的一个焊缝截面图。

图15为与图7所对比的普通激光焊接所得的焊缝截面图。

图16所示为使用本发明方法的另一个优选实施例所得的一个焊缝截面图。

图17为与图9所对比的普通激光焊接所得的焊缝截面图。

图18为与图9所对比的普通激光焊接所得的另一个焊缝截面图。

图19为实施例1所得焊缝的表面形貌。

图20为实施例1所得焊缝的截面形貌。

图21为实施例2所得焊缝的表面形貌。

图22为实施例2所得焊缝的表面形貌。

具体实施方式

如上文中所述，在对铝制密封结构件进行焊接时，对焊缝的密封性要求非常高，所以不允许内部有任何气孔、裂纹及表面的咬边，特别是在结合界面处。使用常规的激光焊接方法对其焊接时，由于铝材的物理性能原因，内部非常容易出现气孔、咬边等缺陷，导致气密性很差，最终使焊件不合格，不能满足使用要求。所以本发明中提供了一种多步激光焊接方法，通过对初始焊接焊缝进行重新熔化凝固，来消除铝制密封结构件焊接不合格的问题。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

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。

如图1所示为一种变压器散热片1的整体示意图，值得注意的是，该示意图只是密封结构件的一种表现形式，本发明涉及的密封结构件并不限于该散热片，也可以是具有其他形状特征的密封结构件，但其总体结构特征是由多块板材或型材构成的内部具有空腔密封结构的焊接件。如图2所示变压器散热片是由两片波形板1a、1b搭接焊接在一起成型的，11、12为散热片相对的进油口和出油口，其中在外周处具有连续的焊缝141、142、143、144、145、146，为保持散热片可承受一定的压力，中心内部具有连续的焊缝131或间隔的焊点132所组成，通常，内部的焊缝为连续的缝焊或间隔的焊点。本发明主要涉及的焊接结构为外圆周的焊缝141、142、143、144、145、146，其对焊缝的密封性要求较高，在充油工作时焊缝必须能够承受一定的压力满足密封要求。本发明主要是通过多步激光焊接来对这些焊缝实现焊接，如图3所示，图3-1为散热器两片波形板1a、1b搭接在一起后，首次采用激光焊接焊接件搭接装配截面示意图。

其中工件1a，1b由铝基体构成，铝基体的铝含量至少为85％，可以为纯铝、2xxx、3xxx、4xxx、5xxx、6xxx、7xxx的锻造铝合金板材层、挤制件、锻件、或其他方式处理过的物品组成。另外第一或第二铝工件1a、1b材料表面可以包含各种镀层，比如镀锌层、镀铝层、锌-铁合金层、铝镁合金层、锌镍合金层、铝锌合金层、铝硅合金层或氧化物层，也可以不含镀层。镀层的厚度一般为10-200μm，而氧化物层的厚度一般为1nm-10μm。工件的状态可以是包括任何的例如固溶强化、形变强化或热处理状态的。工件1a、1b的厚度一般为0.3-6mm之间，优选地为0.5-4mm，第一、第二工件的厚度可以相同也可以不同。另外，示意图中所示密封结构由两个工件1a、1b所构成，但实际上也可以是包含第三、第四等多个铝工件所构成的组合结构，所公开的方法都可以利用相同的方式来实现相同的结果。通过调节激光束的特性参数，可以比较容易地适应工件厚度、层数不同所造成的差异。另外，在工件结合界面间通常是不能保证完全无间隙的，一般都会存在或大或小的装配间隙(如图3-1中的c与c1所示)，本发明焊接方法适用的最大装配间隙范围为不大于上层板1a厚度的30％，需要说明的是当搭接工件为多个时，相邻搭接工件之间的最大装配间隙不大于相邻上层板厚的30％，比如当搭接工件为三个时，第二工件与第三工件之间的最大装配间隙范围为不大于第二工件板厚的30％。

如图3-2所示，2为由激光焊接系统所产生的激光束，其可以是通过任何类型的激光焊接设备来执行，例如常规的激光焊接设备或远程式激光焊接设备，例如由固定式激光焊接头通过高速数控机床承载的设备，其控制方式一般为手动式，自动式或振镜式，其通常是由光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器或气体激光器例如CO2激光器发射，这取决于所连接的金属工件的特性和期望实现的激光焊接形式(热传导焊接或深熔化焊接式)。不过当然也可以使用其它类型的激光器。而激光束的光斑特征可以是单光斑，多光斑或者环形光斑，其形状可以是圆形、方形等形状，而其运动方式包括固定式以及摆动式例如圆形摆动、折线摆动、曲线摆动等形式。在下文更详细地描述所公开方法的优选实施方式中，采用了光纤激光焊接设备来形成激光焊接接头，同样再热热源6可以是包括初始激光热源2在内的其他辅助热源，例如辅助激光焊接的弧焊热源(TIG、MIG、等离子焊、电子束焊等)。

通过激光光束2照射待焊位置顶部处形成熔池14a，熔池深度为h1，其中h1大于上侧工件的厚度，此处上侧工件的厚度指的是搭接在一起的组合部件的上表面到焊接结合界面的垂直距离，需要注意的是上侧工件并不一定指的是一个工件，也可以是两个或三个工件，焊接熔池的宽度为B1。图3-1、3-2、3-3为初始焊接完成后形成的焊缝截面图，对于铝工件而言，由于结合界面处的间隙控制不均匀在焊缝内部容易形成14c所示的焊穿缺陷以及图4所示的内部气孔及表面咬边等缺陷，当焊接结构在工作时承受一定压力后并不能满足密封性要求。本发明通过对初始焊缝通过一定的方式进行观察，对存在焊接缺陷的地方进行再次激光焊接，如图3-4,3-5所示，本发明采用再热热源6对焊缝周围存在焊接缺陷的地方进行再次激光焊接重新熔化部分或全部焊缝而形成再熔化区域14b,再熔化区域形成的焊缝区域宽度为B2，深度为h2，其中满足0.5≤B2/B1≤2，0.5≤h2/h1≤2。如图5所示，当焊接缺陷存在于初始焊缝中间时，再次激光焊接所形成的焊缝区域包含在所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域内，此时B1＞B2；当焊接缺陷存在于整个初始焊缝时，再次激光焊接所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，此时B1＝B2，或如图6所示，再次激光焊接所形成的焊缝区域完全覆盖且大于所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，此时B1＜B2；如图7所示，当焊接缺陷存在于初始焊缝的一边时，再次激光焊接所形成的焊缝区域位于首次激光焊接所形成的焊缝区域的一侧，并使与初始焊缝相邻的一部分新工件融化，形成新的熔化区，最终焊缝的宽度为B。一般情况下，再次激光焊接焊接的深度h2小于首次激光焊接的深度h1，但在一些特殊情况下也可以大于h1。再熔化区域的大小范围取决于所连接的铝工件的特性、装配情况和期望实现的目的。

所述首次激光焊接的激光束功率为1-10kw，焊接速度为1-8m/min，所述再次激光焊接的激光束功率1-10kw，焊接速度为1-8m/min，离焦量大于首次激光焊接的离焦量。

需要说明的是，本文本中所提到的再次激光焊接指的不只是一次激光焊接，也可以为两次或两次以上的激光焊接，比如上述说到再次激光焊接所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，此处的再次激光焊接可以指通过一次激光焊接使所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，也可以指的是通过两次或两次以上的焊接使所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域。

如图8所示为本发明中的一种实施方式，利用再热热源6将两束激光束分别作用于初始激光热源2的后方一定距离的焊缝边缘，通过设定再热热源6的激光属性可实现图5、图6、图7的结果，同样诸如图9所示的区别于第一激光热源光斑大小的第二热源6对焊缝进行再熔化焊接，或是图10所示的第二热源为至于焊缝边缘一侧的激光热源作用亦可达到目的。图中所示激光光斑为圆形光斑，但实际上可以是如前文所述的方形、环形、固定式、摆动式的任何输出光斑特性的。

这里值得注意的是，当再热热源为初始激光热源时，可以理解为对初始焊缝又利用原有激光系统对其重新进行熔化焊接，在某种程度上可理解为补焊，但其是区别于第一熔化激光束2特性的激光束，例如光斑大小、形状或激光束功率等激光束特性。当然亦可以是在一个激光系统上具有两束激光光束，其中两激光束在焊接加工时具有发射时间差或是在空间位置上具有分布差使其在同一个焊缝位置处具有时间差来达到目的，如图11所示为两束激光发射系统在作用时间上具有时间差，亦可理解为利用初始激光热源重新对初始焊缝进行再熔化的过程或是两个单独独立的系统，其主要区别为在激光控制热量分布上具有差别，例如激光功率，光斑大小，离焦量等参数，这在本领域是比较容易理解的。

另外再热热源也可以是其他热源与激光组成的复合焊接系统或独立的焊接系统，如前文所束包含MIG、TIG、等离子束焊电子束焊等热源。例如再热热源为TIG焊接热源，将激光焊接完成后的焊缝置于TIG焊接热源下对其重新再熔化修复，亦可达到目的，如图12所示。另外所述焊接堆叠结构也可以是利用角焊缝的形式来实现连接和密封，如图13所示。

另外，常常在对密封件进行焊接时，在一些部位可能会用到一些其他连接方法，来实现其具有一定的抗内压能力，其中可以包括点焊或缝焊的焊缝，而其焊接能量可以是依靠电阻点焊、电弧焊、电子束焊、激光焊的形式来实现，这里并不再赘述。

对比实施例

如图14、15所示为对两块1mm的5系铝合金工件搭接构成的密封件使用普通单激光焊接时所得焊缝表面形貌和截面形貌，其中，所用激光焊接功率为2.85KW，离焦量为0，激光束为摆动激光束，焊接速度为3.6m/min。由图可知，当结合界面处具有较大不连续的间隙时会在焊缝中心形成出现14c所示的焊缝下榻，而造成两铝工件未能有效连接形成孔洞，而孔洞的形成将无法达到密封性要求。如图16、17所示，采用普通激光焊接在焊缝焊脚位置处同样出现了焊缝下榻的缺陷。另外如图18所示的焊缝内形成的缺陷气孔14d咬边14e，当焊接结构工作并承受一定压力时，极易在这些位置处产生破坏，导致无法满足密封性要求。

实施例1

现在参考图19、图20为采用本发明焊接方法所得焊缝的表面形貌和截面形貌。其中与对比实施例的区别在于对初始焊缝14a进行了再次激光焊接，所用激光焊接功率为2.8KW，离焦量为0，激光束为摆动激光束，焊接速度为3.6m/min。使初始焊缝经历了再熔化、再凝固的过程，所使用再熔化热源为激光热源，值得注意的是，如前文所述再熔化热源也可以是包含激光在内的其他热源。其中，再次激光焊接采用的是如图7、图10所示的实施方案，即再次激光焊接所形成的焊缝区域位于首次激光焊接所形成的焊缝区域的一侧，并使与初始焊缝相邻的一部分新工件熔化，形成新的熔化区，再熔化焊缝14b如图所示，由图可看出通过再熔化，焊缝14成型良好，消除了内部的气孔14d以及表面咬边14e,扩大了结合界面处焊接宽度，由B11变为B21，可极大的提升结合界面处的连接强度，而达到足够的密封性要求。

实施例2

现在参考图21、图22为采用本发明焊接方法所得焊缝的表面形貌和截面形貌，其中与对比实施例的区别在于对初始焊缝14a进行了再次激光焊接，其中所用激光功率为3.6kw，焊接速度为3.6m/min，离焦量为+20mm,所用激光束为圆形摆动激光束，通过再熔化、再凝固过程，所使用再熔化热源为激光热源，其中，再次激光焊接采用的是如图6、图9所示的实施方案，即再次激光焊接所形成的焊缝区域完全覆盖且大于所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，由图可看出通过再熔化，焊缝14整体成型良好，消除了表面的咬边缺陷14e，这有助于提升焊接结构的连接强度，而达到更高的密封性要求。

Claims (10)

1.一种铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待焊铝制密封件的组合部件搭接在一起，形成叠层，搭接在一起的组合部件之间具有结合界面；

对所述搭接在一起的组合部件的上表面在需要进行焊接的位置采用激光束进行首次激光焊接，使得所述激光束产生的热量在组合部件结合界面传输并使铝基材首次熔化形成焊接熔池并长大，冷却所述焊接熔池使其凝固形成初始焊缝；

对已经形成的初始焊缝存在焊接缺陷的地方，进行再次激光焊接，再熔化已形成的部分或全部初始焊缝使其再次形成焊接熔池，再冷却再熔化的焊接熔池使其凝固形成最终焊缝；

所述首次激光焊接所形成的焊缝的宽度为B1，深度为h1，所述再次激光焊接的宽度为B2，深度为h2，其中0.5≤B2/B1≤2，0.5≤h2/h1≤2。

2.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，当所述焊接缺陷存在于初始焊缝中间时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域包含在所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域内，B1＞B2。

3.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，当所述焊接缺陷存在于整个初始焊缝时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域恰好覆盖所述首次激光焊接所形成的初始焊缝区域，B1≤B2。

4.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，当所述焊接缺陷存在于初始焊缝的一边时，所述再次激光焊接所形成的焊缝区域位于首次激光焊接所形成的焊缝区域的侧面，并使与初始焊缝相邻的一部分新工件熔化，形成新的熔化区。

5.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述首次激光焊接的激光束功率为1-10kw，焊接速度为1-8m/min，所述再次激光焊接的激光束功率1-10kw，焊接速度为1-8m/min，离焦量不小于首次激光焊接的离焦量。

6.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述再次激光焊接焊接的深度h2小于首次激光焊接的深度h1。

7.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述再次激光焊接的深度h1大于上层工件的厚度。

8.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述再熔化、再冷却的次数大于等于1。

9.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述叠层相邻工件的装配间隙为不大于上层板厚度的30％。

10.如权利要求1所述的铝制密封件的激光焊接方法，其特征在于，所述铝制密封件的组合部件的厚度为0.3-6mm。

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