CN114192983A - 一种激光自熔焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光自熔焊接方法，包括：第一工件与第二工件贴合搭接，且第一工件位于第二工件的外侧，第一工件的厚度D≥2mm；预设填充材料，填充材料固定于第一工件的侧部，填充材料沿焊缝的长度方向布置；激光自动焊接系统产生的激光束以一定的预设角度θ作用于填充材料，在激光束作用下产生熔池，熔池的区域大于填充材料所在的区域，其中，预设角度θ为激光束与第二工件所在的平面之间形成的夹角。克服了现有的激光自熔焊接用于焊接厚度超过2mm的上层材料时，无法满足焊缝质量要求的问题，进而达到了无咬边、焊缝饱满、成型美观均匀一致，无附着飞溅，操作简单的技术效果。

Description

一种激光自熔焊接方法

技术领域

本申请属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种激光自熔焊接方法。

背景技术

激光自熔焊接是指需要焊接的两个部分或是多个部分，自身熔化、冷却进而凝聚成一个整体，达到焊接的目的。该焊接的方式在使用的过程中不需要添加焊丝和焊剂，整个过程依靠的是工件自身的物理性质，达到熔接在一起的目的。当激光功率密度达到一定值的时候，工件表面的温度在较短的时间内迅速上升并达到其沸点，使得金属汽化，并形成一个细长的孔洞。当金属蒸汽反冲压力与液态金属表面张力、重力等达到一个平衡值后，细长的孔洞不再继续加深，最终形成一个性质温度、深度稳定的孔洞，当小孔闭合后，焊缝就此形成，激光深熔焊接完成。

现有技术中，采用激光自熔焊进行搭接焊接时，适用于上层材料厚度在2mm以内，当上层材料的厚度超过2mm，上层材料熔化后与下层材料融合一起，由于上层材料与下层材料之间的高度落差较大，且金属溶液自身流动性较差，焊缝容易产生凹陷、咬边、不饱满、连接宽度较窄等无法满足焊缝质量要求的情况。

发明内容

本申请实施例提供一种激光自熔焊接方法，以解决现有的激光自熔焊接用于焊接厚度超过2mm的上层材料时，无法满足焊缝质量要求的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种激光自熔焊接方法，包括：

第一工件与第二工件贴合搭接，且第一工件位于第二工件的外侧，所述第一工件的厚度D≥2mm；

预设填充材料，所述填充材料固定于所述第一工件的侧部，所述填充材料沿焊缝的长度方向布置；

激光自动焊接系统产生的激光束以一定的预设角度θ作用于所述填充材料，在所述激光束作用下产生熔池，所述熔池的区域大于所述填充材料所在的区域，其中，所述预设角度θ为所述激光束与所述第二工件所在的平面之间形成的夹角。

可选的，所述填充材料为所述第一工件的端部加工出的台阶。

可选的，所述填充材料的厚度d和宽度a根据所述第一工件的厚度D设计；其中，

厚度

宽度

可选的，所述激光束作用于所述填充材料上的位置与所述第一工件靠近所述填充材料的侧边之间的距离为L，其中，

可选的，所述激光束与所述第二工件形成一定的预设角度θ，θ∈[50°,85°]。

可选的，所述第一工件与所述第二工件之间的间隙小于0.3mm。

可选的，所述第一工件与所述第二工件由金属材料制作而成，所述填充材料的材质与所述第一工件的材质相同。

可选的，所述填充材料的材质为碳钢、不锈钢或铝合金。

可选的，所述激光自动焊接系统产生的所述激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间；

和/或，所述激光自动焊接系统包括摆动焊接头，使得所述激光束以预设的幅度摆动，以扩大所述激光束作用的区域；

和/或，所述激光自动焊接系统产生环形光斑。

可选的，所述激光自动焊接系统产生的所述激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间；

和/或，所述激光自动焊接系统产生环形光斑；

和/或，所述激光自动焊接系统包括双光束焊接头，所述激光自动焊接系统产生两路激光束，所述两路激光束并排布置。

本申请实施例提供的一种激光自熔焊接方法，采用在第一工件与第二工件的焊接位置设置填充材料，再通过自动焊接系统产生的激光束作用在第一工件、第二工件和填充材料上，在激光束作用下产生熔池，熔池的区域大于填充材料所在的区域，以实现第一工件与第二工件的自熔焊接，填充材料熔融，增加了焊缝熔池的金属填充量，形成饱满有效的焊缝，避免咬边缺陷的产生。克服了现有的激光自熔焊接用于焊接厚度超过2mm的上层材料时，无法满足焊缝质量要求的问题，进而达到了无咬边、焊缝饱满、成型美观均匀一致，无附着飞溅，操作简单的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1为本申请实施例提供的第一工件与第二工件焊接处的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的激光自熔焊接方法的流程图。

图3为本申请实施例提供的第一工件与第二工件对接的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供激光自熔焊接方法，以解决现有的激光自熔焊接用于焊接厚度超过2mm的上层材料时，无法满足焊缝质量要求的问题。

对于超过2mm以上的上层材料在焊接时，由于上层材料与下层材料的高度落差较大，焊接过程中飞溅等原因，导致焊接后的焊缝凹陷、不饱满，连接宽度在1mm～2.5mm之间，还有咬边缺陷，焊缝质量差，无法形成有效焊缝。因此，现有技术中常采用激光复合焊焊接厚度较大的材料，但是激光复合焊存在如下问题：1、焊丝使用量较大、增加的送丝机构和焊丝大大增加了一次性投入成本、后续生产和维护成本。2、焊接速度慢、焊缝深宽比较小，热输入量大、热影响区大、焊接过程中飞溅颗粒大，焊后清理困难；3、焊接工序比较复杂，过程控制比较困难，产品合格率低。4、焊工劳动强度大、劳动条件差。另外，始终在高温烘烤和有毒烟尘环境中进行手工操作及眼睛观察，粉尘、弧光对焊工的身体影响较大。

本申请实施例提供一种激光自熔焊接方法，对厚度超过2mm的上层材料进行焊接，达到了复合焊的效果，相比于复合焊接方法，操作更加简单，无需焊丝，无需打磨，减少生产成本，提高生产效率、产品质量和良品率。

以下将结合附图对激光自熔焊接方法进行介绍。

参见图1和图2所示，图1为本申请实施例提供的第一工件1与第二工件2焊接处的结构示意图，图2为本申请实施例提供的激光自熔焊接方法的流程图。

本申请实施方式提供一种激光自熔焊接方法，包括如下步骤：

S1，第一工件1与第二工件2待焊接的一端贴合搭接，且第一工件1位于第二工件2的外侧，第一工件1的厚度D≥2mm；

S2，预设填充材料3，填充材料3固定于第一工件1的侧部，填充材料3沿焊缝的长度方向布置；

S3，激光自动焊接系统产生的激光束以一定的预设角度θ作用于填充材料3，在激光束作用下产生熔池，熔池的区域大于填充材料3所在的区域，其中，预设角度θ为激光束与第二工件2所在的平面之间形成的夹角。

可以理解的，预设角度θ为激光束与第二工件2所在的平面之间形成的夹角，是指激光束中心线与第二工件2所在平面之间形成的夹角。本申请实施方式中，第一工件1待焊接的端部预先固定了填充材料3，在激光自动焊接系统焊接的过程中无需输送焊丝，无需送丝机构，且焊接过程中也不需要焊丝，节约生产成本和维护成本，避免焊接飞溅。激光自动焊接系统操作方便，控制准确，自动化焊接，提高生产效率。激光自动焊接系统将填充材料3熔融后与第一工件1的熔融部分融合，共同填充焊缝熔池，保证焊缝熔池具有足够的金属填充量，从而获得饱满较宽的焊缝。填充材料3与第二工件2的高度差，第一工件1与填充材料3的高度差，均小于第一工件1与第二工件2之间的高度差，减少金属液溶液流动距离，避免咬边缺陷的产生。

焊接过程中，固定第一工件1和第二工件2后，调节好激光束的角度，沿焊接方向，移动激光束或旋转第一工件1和第二工件2，以在第一工件1和第二工件2形成连续的直线焊缝，自动化程度高，方便操作。

在一些实施方式中，填充材料3为第一工件1的端部加工出的台阶。

可以理解的，填充材料3可以是在第一工件1待焊接的端部通过铣加工工艺加工的台阶，填充材料3与第一工件1形成一体结构。另外，填充材料3也可以是与第一工件1分体的结构，参见图3所示，当第一工件1和第二工件2呈圆筒装结构时，填充材料3也为圆筒结构，套设固定在第二工件2表面。填充材料3无论与第一工件1采用一体结构或分体结构，均无需额外的固定装置固定填充材料3，结构简单，激光自动焊接系统自动焊接，焊接操作方便，提高生产效果。

在一些实施方式中，参见图1所示，填充材料3的厚度d和宽度a根据第一工件1的厚度D设计；其中，

厚度

宽度

可以理解的，根据第一工件1的厚度设计填充材料3的厚度和宽度，根据填充材料3的厚度和宽度，确定填充材料3融化后填充量，满足补充熔池金属填充量的同时，避免因填充材料3过多过厚熔融不彻底的情况发生，形成饱满、有效的焊缝，提高焊缝质量。

在一些实施方式中，参见图1所示，激光束作用于填充材料3上的位置与第一工件1靠近填充材料3的侧边之间的距离为L，其中，

可以理解的，激光束作用于填充材料3的位置与第一工件1靠近填充材料3的侧边之间的距离L，是指激光束作用于填充材料3的中心点位置与第一工件1靠近填充材料3侧边之间的垂直距离。激光束作用于合适的位置，保证两侧能量足以熔化第一工件1的部分和填充材料3的边缘部分，避免产生咬边缺陷，进一步提升焊缝质量。

在一些实施方式中，参见图1所示，激光束与第二工件2形成一定的预设角度θ，θ∈[50°,85°]。

可以立即的，激光是倾斜设置，与焊接方向垂直设置，提高第一工件1与第二工件2的连接宽度，第一工件1与第二工件2搭接处的强度取决于焊缝的连接宽度，连接宽度越宽，强度越高，力学性能越好，提高焊缝的有效性。

在一些实施方式中，第一工件1与第二工件2之间的间隙小于0.3mm。

提高第一工件1与第二工件2的接触面之间的加工精度，保证第一工件1与第二工件2之间紧密贴合，以较低线能量实现饱满的焊缝，节约成本，降低焊缝产生咬边、凹陷、不均匀的风险。

在一些实施方式中，第一工件1与第二工件2由金属材料制作而成，填充材料3的材质与第一工件1的材质相同。

在一些实施方式中，填充材料3的材质为碳钢、不锈钢或铝合金。

可以理解的，填充材料3与第一工件1的材质相同，填充材料3与第一工件1具有相同的熔点，且相同材质相融性好，流动性相同，有利于形成有效焊缝。当然，第一工件1的材质与填充材料3的材质也可以不相同，填充材料的熔点低于第一工件1也可以。当第一工件1的材质为碳钢、不锈钢或铝合金，对应的，填充材料3的材质也可以为碳钢、不锈钢或铝合金材质。

在一些实施方式中，熔池的区域大于填充材料3所在的区域，通过设置激光自动焊接系统具有多种实现方式，如下：

设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间；

或，激光自动焊接系统包括摆动焊接头，使得激光束以预设的幅度摆动，以扩大激光束作用的区域，激光束的摆动方向与焊缝的宽度方向一致，且激光束摆动的幅度为左右0.5mm～3mm，从而扩大了激光束的作用范围；

或，激光自动焊接系统产生环形光斑，环形光斑是一个能量非常集中的中心光束，加上一个较大外环形光束组合而成的光束轮廓，中心光束有小的芯径会有大的能量密度，大的穿透力和大的熔深，外环光束有大的熔宽、好的表面成型和稳定性，因此，环形光斑也可以实现大光斑尺寸的激光束，扩大焊缝熔宽；

或，激光自动焊接系统包括双光束焊接头，激光自动焊接系统产生两路激光束，两路激光束并排布置，采用并行排布就可以实现大光斑尺寸的激光束，扩大焊缝熔宽。

也可以采用上述方式的组合，具有以下组合方式：

1)设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间，激光自动焊接系统包括摆动焊接头，使得激光束以预设的幅度摆动，以扩大激光束作用的区域；

2)设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间，激光自动焊接系统产生环形光斑；

3)设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间，激光自动焊接系统包括双光束焊接头，激光自动焊接系统产生两路激光束，两路激光束并排布置；

4)设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间，激光自动焊接系统包括摆动焊接头，使得激光束以预设的幅度摆动，以扩大激光束作用的区域，激光自动焊接系统包括双光束焊接头，激光自动焊接系统产生两路激光束，两路激光束并排布置；

5)设置自动产生的激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间，激光自动焊接系统产生环形光斑，激光自动焊接系统包括双光束焊接头，激光自动焊接系统产生两路激光束，两路激光束并排布置。

可以理解的，激光自动焊接系统包括激光焊接主机、冷却系统、激光焊接自动工作台和工作夹具，激光焊接主机用于产生焊接的激光束，由电源、激光器、光路部分、焊接头和控制系统等主要部分组成，为了实现熔池区域大于填充材料3区域，激光输出大光斑激光束，可以通过上述的方式实现，以获得大尺寸光斑的激光束，扩大焊缝熔宽，提高焊接效率，保证焊缝有效性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。

以上对本申请实施例所提供的激光自熔焊接方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种激光自熔焊接方法，其特征在于，包括：

第一工件与第二工件贴合搭接，且第一工件位于第二工件的外侧，所述第一工件的厚度D≥2mm；

预设填充材料，所述填充材料固定于所述第一工件的侧部，所述填充材料沿焊缝的长度方向布置；

激光自动焊接系统产生的激光束以一定的预设角度θ作用于所述填充材料，在所述激光束作用下产生熔池，所述熔池的区域大于所述填充材料所在的区域，其中，所述预设角度θ为所述激光束与所述第二工件所在的平面之间形成的夹角。

2.根据权利要求1所述的激光自熔焊接方法，其特征在于：

所述填充材料为所述第一工件的端部加工出的台阶。

3.根据权利要求2所述的激光自熔焊接方法，其特征在于：

所述填充材料的厚度d和宽度a根据所述第一工件的厚度D设计；其中，

厚度

宽度

4.根据权利要求2所述的激光自熔焊接方法，其特征在于：

所述激光束作用于所述填充材料上的位置与所述第一工件靠近所述填充材料的侧边之间的距离为L，其中，

5.根据权利要求4所述的激光自熔焊接方法，其特征在于，所述激光束与所述第二工件形成一定的预设角度θ，θ∈[50°,85°]。

6.根据权利要求1所述的激光自熔焊接方法，其特征在于，所述第一工件与所述第二工件之间的间隙小于0.3mm。

7.根据权利要求1所述的激光自熔焊接方法，其特征在于，所述第一工件与所述第二工件由金属材料制作而成，所述填充材料的材质与所述第一工件的材质相同。

8.根据权利要求7所述的激光自熔焊接方法，其特征在于，所述填充材料的材质为碳钢、不锈钢或铝合金。

9.根据权利要求1所述的激光自熔焊接方法，其特征在于：

所述激光自动焊接系统产生的所述激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间；

和/或，所述激光自动焊接系统包括摆动焊接头，使得所述激光束以预设的幅度摆动，以扩大所述激光束作用的区域；

和/或，所述激光自动焊接系统产生环形光斑。

10.根据权利要求1所述的激光自熔焊接方法，其特征在于：

所述激光自动焊接系统产生的所述激光束的聚焦光斑直径0.2mm～1.2mm之间；

和/或，所述激光自动焊接系统产生环形光斑；

和/或，所述激光自动焊接系统包括双光束焊接头，所述激光自动焊接系统产生两路激光束，所述两路激光束并排布置。

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