CN114211116B - 一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法 - Google Patents

一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，其特点是，采用尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形抑制激光焊点气孔和凝固裂纹生成，包括尖峰阶段、矩形主波段、陡降波段和缓降波段；所述尖峰波段的峰值功率变化区间为2×p→p，脉冲时间为0～1ms；所述矩形主波段的峰值功率为p，脉冲时间为1ms～4ms；所述陡降波段的峰值功率变化区间为p→n，0.1p≤n≤0.5p，脉冲时间为t，1ms≤t≤5ms；所述缓降波段的峰值功率变化区间为n→0，脉冲时间为t。本发明方法可有效抑制激光点焊缺陷生成，提高激光点焊吸收率，改善激光焊点质量。

Description

一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法。
背景技术
现有技术中，镁合金在汽车产业中的应用主要为压铸件。近年来，本领域技术人员尝试利用变形镁合金制造汽车白车身，这就不可避免地遇到一个问题，即：变形镁合金的焊接适应性。在汽车生产制造中，应用最多的焊接方法是电阻点焊。由于镁合金的活性强，在与电阻电极接触时，易使电极表面发生烧损，产生焊接飞溅，熔核尺寸减小，坑剪力下降。为保证镁合金电阻焊点质量，必须频繁整修及更换电极，严重降低生产效率，并且焊点质量不稳定。Nd:YAG脉冲激光点焊是一种非接触式的单面成形点焊方法，其对焊接结构及夹具的空间分布的要求较低，因而是一种理想的汽车白车身的自动化生产点焊技术。由于脉冲激光焊点熔池体积小，矩形脉冲激光束闭合具有瞬时特性，使得激光焊点熔池的冷却速度极快，易形成焊点气孔和凝固裂纹等缺陷，制约脉冲激光点焊技术的发展及应用。
为了解决上述存在的问题，如公开号为CN102091871A的中国专利公开了一种金属材料薄板的激光脉冲点焊方法，其核心办法是采用缓降脉冲(800～1000ms/0～1000ms)、缓升脉冲(0～200ms/0～1000ms)、锯齿脉冲(0～200ms/800～1000ms)和缓升-缓降脉冲等脉冲波形抑制焊点缺陷生成，但是并未针对不同热物理性能的金属材料开发专属脉冲波形，因而应用范围十分有限。在研究论文方面，针对铝合金和不锈钢的激光点焊脉冲波形的研发较多，而对镁合金激光点焊的关注较少。现有文献中，张效宾(变形镁合金脉冲激光点焊工艺及机理的研究,吉林大学,2020.)开发了陡降恒定缓冷式脉冲波形抑制镁合金激光焊点缺陷，结果表明：该脉冲波形对焊点气孔的抑制效果较好，而对凝固裂纹仅具有一定的抑制效果，并且激光焊点的吸收率较低。
目前国内外尚无抑制镁合金激光焊点气孔和凝固裂纹以及提高激光焊点吸收率的联控高效的脉冲波形，为此，本发明设计了一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，开发适用于镁合金热物理特性的激光点焊的专属脉冲波形，抑制激光焊点凝固裂纹的生成并提高激光焊点吸收效率，改善镁合金脉冲激光焊点成形质量，提高焊点承载能力，为镁合金的激光点焊技术在汽车生产制造领域的探索性应用提供保障。
发明内容
针对上述的不足，本发明的目的是提供一种科学合理、简单实用、生产效率高、焊点质量好的镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，包括：利用砂纸和丙酮溶液打磨并擦拭镁合金焊接母材表面，去除镁合金焊接母材表面的氧化层和油脂；采用专属激光点焊夹具，将镁合金焊接母材固定在焊接工作台上；设置脉冲激光束的脉冲波形，其特征是：采用尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形进行激光点焊，所述尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形包括尖峰阶段、矩形主波段、陡降波段和缓降波段；所述尖峰波段的峰值功率变化区间为2×p→p，脉冲时间为0～1ms；所述矩形主波段的峰值功率为p，脉冲时间为1ms～4ms；所述陡降波段的峰值功率变化区间为p→n，0.1p≤n≤0.5p，脉冲时间为t，1ms≤t≤5ms；所述缓降波段的峰值功率变化区间为n→0，脉冲时间为t。
进一步，所述镁合金焊接母材成分为镁-铝-锌合金，合金元素含量≤10wt％。
进一步，所述镁合金焊接母材厚度为0.3mm～3.0mm。
进一步，采用纯度为99.999％的高纯氩气为保护气体，正面保护气体流量为10L/min，反面保护气体流量为5L/min。
本发明的一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，由于创造性的采取尖峰阶段、矩形主波段、陡降波段和缓降波段组成的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形进行激光点焊技术，所具有的有益效果体现在：
(1)有效减少激光焊点熔池的凝固及冷却速度，显著降低焊点气孔和凝固裂纹的敏感性，有望获得“无气孔、无裂纹和高吸收率”的理想脉冲激光焊点，焊点质量好；
(2)脉冲波形的设置和调节方法十分简便，无需焊前预热和焊后热处理，焊接工艺简单，生产效率大大提高；
(3)脉冲波形调控可实现对焊点气孔、凝固裂纹和吸收率的联合抑制及调控作用；
(4)广泛适用于不同成分、不同厚度和不同层数的镁合金脉冲激光点焊搭接形式的冶金缺陷抑制和吸收率调控。
附图说明
图1为本发明进行的镁合金脉冲激光点焊示意图；
其中，1为脉冲激光发生器，2为脉冲激光束，3为镁合金焊接母材，4为脉冲激光焊点；
图2为本发明所述的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形示意图；
其中，I1为尖峰阶段、I2为矩形主波段、I3为陡降波段和I4为缓降波段，p为脉冲峰值功率，t为脉冲时间；
图3为脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形图；
图4为实施例1中所得到的本发明所述的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片；
图5为实施例2中所得到的脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片。
图6为实施例3中所得到的本发明所述的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片；
图7为实施例4中所得到的脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，以下实施例或附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明的一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，具体步骤如下：
1)利用砂纸和丙酮溶液打磨并擦拭镁合金焊接母材3表面，去除镁合金焊接母材3表面的氧化层和油脂；
2)采用专属激光点焊夹具，将镁合金焊接母材3固定在焊接工作台上；
3)设置脉冲峰值功率、脉冲时间和脉冲波形等脉冲激光工艺参数，完成脉冲激光点焊实验。采用尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形进行激光点焊，所述尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形包括尖峰阶段I1、矩形主波段I2、陡降波段I3和缓降波段I4；所述尖峰波段I1的峰值功率变化区间为2×p→p，脉冲时间为0～1ms；所述矩形主波段I2的峰值功率为p，脉冲时间为1ms～4ms；所述陡降波段I3的峰值功率变化区间为p→n，0.1p≤n≤0.5p，脉冲时间为t，1ms≤t≤5ms；所述缓降波段I4的峰值功率变化区间为n→0，脉冲时间为t。
所述镁合金焊接母材成分为镁-铝-锌合金，合金元素含量≤10wt％。
所述镁合金焊接母材厚度为0.3mm～3.0mm。
采用纯度为99.999％的高纯氩气为保护气体，正面保护气体流量为10L/min，反面保护气体流量为5L/min。
脉冲激光焊点4是脉冲激光发生器1发射出的脉冲激光束2辐射在镁合金焊接母材3上所形成的。
实施例1：
为避免搭接面对激光焊点气孔和凝固裂纹的影响，实施例1选取单板镁合金焊接母材，厚度为3mm，开展激光点焊实验，单板镁合金焊接母材尺寸为90mm×30mm×0.5mm，搭接面积为30mm×30mm，设定离焦量为+2mm、保护气体流量为10L/min(99.999％Ar)。
选取的尖峰降脉递进缓冷式陡冲波形的具体参数如下：尖峰波段I1的峰值功率为6kW，脉冲时间为1ms，矩形主波段I2的峰值功率为3kW，脉冲时间为4ms，陡降波段I3的峰值功率变化区间为3kW→0.9kW，脉冲时间为5ms,缓降波段I4的峰值功率变化区间为0.9kW→0，脉冲时间为5ms。
图4为使用本发明所述的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片，激光焊点熔深为2.27mm，熔宽为1.36mm，可以发现：在焊点横截面基本没有焊点气孔和凝固裂纹。
实施例2：
实施例2与实施例1的不同点是：采用脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形，如图3所示。矩形主波段的峰值功率为3kW，脉冲时间为4ms。
图5为脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片，可以发现：在焊点横截面存在显著的焊点气孔和凝固裂纹。
实施例3：
实施例3与实施例1的不同点是：选取的尖峰降脉递进缓冷式陡冲波形的具体参数如下：尖峰波段I1的峰值功率为2.4kW，脉冲时间为1ms，矩形主波段I2的峰值功率为1.2kW，脉冲时间为4ms，陡降波段I3的峰值功率变化区间为1.2kW→0.36kW，脉冲时间为5ms,缓降波段I4的峰值功率变化区间为0.36kW→0，脉冲时间为5ms。
图6为使用本发明所述的尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片，激光焊点熔深为0.38mm，熔宽为0.74mm，可以发现：在焊点横截面基本没有焊点气孔和凝固裂纹。
实施例4：
实施例4与实施例3的不同点是：采用脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形，如图3所示。矩形主波段的峰值功率为1.2kW，脉冲时间为4ms。
图7为脉冲激光工艺控制系统默认的矩形脉冲波形所产生的脉冲激光焊点横截面的体视显微镜图片，可以发现：在焊点横截面存在显著的焊点气孔和凝固裂纹。
由实施例1和实施例2以及实施例3和实施例4可看出：使用本发明方法的陡降递进缓冷式脉冲波形可以有效的抑制AZ31镁合金激光点焊内部的焊点气孔和凝固裂纹等缺陷。
本发明的实施例仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，用于镁合金搭接处的激光点焊，包括：利用砂纸和丙酮溶液打磨并擦拭镁合金焊接母材表面，去除镁合金焊接母材表面的氧化层和油脂；采用专属激光点焊夹具，将镁合金焊接母材固定在焊接工作台上；设置脉冲激光束的脉冲波形，其特征是：采用尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形进行激光点焊，提高激光点焊吸收率，抑制焊点气孔和凝固裂纹生成，所述尖峰陡降递进缓冷式脉冲波形包括尖峰阶段、矩形主波段、陡降波段和缓降波段；所述尖峰波段的峰值功率变化区间为2×p→p，脉冲时间为0—1ms；所述矩形主波段的峰值功率为p，脉冲时间为1ms—4ms；所述陡降波段的峰值功率变化区间为p→n，0.1p≤n≤0.5p，脉冲时间为t，1ms≤t≤5ms；所述缓降波段的峰值功率变化区间为n→0，脉冲时间为t。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，其特征是：镁合金焊接母材成分为镁-铝-锌合金，合金元素含量≤10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，其特征是：镁合金焊接母材厚度为0.3mm—3.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金Nd:YAG脉冲激光点焊方法，其特征是：采用纯度为99.999％的高纯氩气为保护气体，正面保护气体流量为10L/min，反面保护气体流量为5L/min。
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