CN114603254B - 一种薄板叠层组合激光焊接方法及其纵截面焊缝轮廓形状 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接领域，公开了一种薄板叠层组合激光焊接方法：所述薄板叠层组合包含多层金属板，其中单层板厚度不大于2.5mm，所述焊接方法的特征在于，使用连续激光器输出的激光，使激光束以摆动路径作用在叠层组合上层板的上表面；同时，对激光束的输出能量进行调制控制，使所述激光束能量输出过程中存在周期性低于主体设定能量的低能量时段。本发明方法能够控制薄板叠层组合焊缝熔深，获得无泄露点的连续密封焊缝，适合于薄板密封承压产品的焊接。

Description

一种薄板叠层组合激光焊接方法及其纵截面焊缝轮廓形状

技术领域

本发明涉及薄板叠层组合焊接领域，具体涉及多层板激光焊接焊缝缺陷和表面成形以及底层板熔深控制的焊接方法。

背景技术

在交通行业的车身结构、通用设备与建筑行业的钣金外观、能源电力等行业的热管理系统冷却件，以及其他类似产品中，存在大量薄板叠层组合结构，通常使用电阻焊、常规激光焊、钎焊等技术，现有工艺方法分别存在焊缝表面成形差、内部有气孔与裂纹缺陷、能耗高且母材强度损失严重等问题，尤其是现有激光焊技术取代电阻焊、钎焊等方法时，通常不能满足表面质量要求与连续焊缝不泄露等条件，从而导致激光焊技术难以获得规模化应用，不能实现生产效率的提升与制造成本的降低。因此，如何通过激光焊接工艺方法创新以实现焊缝表面质量高、内部缺陷少，满足产品件的外观要求、强度与密封等功能要求是扩大激光焊技术应用规模、提升制造业技术水平、促进产品竞争力提高和经济快速发展的关键点。

在材料应用方面，铝合金作为低密度、高导热材料在热管理器件中得到广泛应用，随着新能源汽车发展，热管理产品形式与材质逐渐多样化，传统的钎焊技术存在设备投资大、应对材质受限以及环保压力等问题难以适应行业未来需求，激光焊以其柔性和绿色特性受到行业重点关注，但是，铝合金叠层组合激光焊面临着焊缝气孔、裂纹、薄板底层板易焊透等问题，不能满足产品保压密封、接触面平整等使用要求。因此，亟需铝合金激光焊工艺方案，以解决上述问题，实现技术转型升级。

在现有技术中，比如文献CN109759699B和CN107511584A，通常采用单纯的脉冲激光实施、或者沿着设计的摆动路径实施，往往还需要采用清除表面氧化层、施加保护气体、预热等辅助措施，并且被焊材料组合通常板厚范围较窄、或者接头形式限制，不能满足多层板叠层组合连续长焊缝密封焊要求。

参考文献CN111843211A公开了一种利用摆动连续激光和摆动脉冲激光分别同步进行搭接焊的方法，其中摆动脉冲激光对摆动连续激光形成的熔池进行冲击搅拌，该方法需要两套激光系统才能实施，具有较大的限制。

发明内容

为了解决薄板叠层组合结构，尤其是铝合金薄板叠层结构，在激光焊接过程中存在的焊缝裂纹、气孔缺陷，和焊缝上表面成形差、底层板背面焊透突起等问题，使焊接产品满足焊缝保压密封、接触面光滑平整等使用要求，本发明提供了一种薄板叠层结构激光焊工艺解决方案，本发明提供的一种技术方案为：使用连续激光器输出的激光，使激光束沿着设定的路径作用在叠层组合上层板的上表面，所述路径具有周期性重复的特征，其最小重复单元具有幅度A和宽度L，且位于边长3mm的方形区域内；所述幅度A为最小重复单元在焊缝宽度方向覆盖范围的最大值，所述宽度L为最小重复单元在焊缝长度方向覆盖范围的最大值；在所述激光束沿着设定路径扫描的同时，对作用在叠层组合上的激光束能量进行调制控制，使所述激光束能量作用过程中存在周期性低于主体设定能量的低能量时段；所述主体设定能量为高能量，单个高能量时段和单个低能量时段组成的最短单元为一个能量周期；所述激光束在所述叠层组合中形成的焊缝在叠层组合底层板的下表面不可见、或者可见焊缝的宽度不大于上表面焊缝宽度的50％；所述叠层组合包含多层金属工件，其中单层工件的焊接区域的厚度不大于2.5mm。

在一优选例中，所述一个能量周期中高、低能量的强度E满足关系式：E＝P*t/D；其中，P为高、低能量时段分别对应的激光功率(单位：W)，t为高、低能量时段分别对应的持续时间(单位：ms)，D为高、低能量时段分别对应的作用在叠层组合上表面的光斑直径(单位：mm)；所述低能量时段对应的强度E1与高能量时段强度E0的比值为0～0.5。低能量可以通过降低对应时段的激光功率、提高对应时段的激光扫描速度、增大对应时段的光斑直径等手段实现，可以单独实施上述手段中的一种、或者同时实施多种。所述高低能量以方波的形式表现。

在另一优选例中，所述周期性重复路径的重复频率范围为100～400Hz；所述重复路径具有相邻最小重复单元相交的特征。

在另一优选例中，所述相邻最小重复单元相交的重叠量为0.5％～60％，所述重叠量为两个重复单元相交部分的宽度W与单个重复单元宽度L比值的百分数。

在另一优选例中，所述能量周期设置的频率范围为10～150Hz；在一个能量周期中，所述高能量时段持续时间为所述低能量时段持续时间的1～20倍。

本发明提供的另一种技术方案为，所述叠层组合由多层厚度在0.2～2.0mm之间的铝合金工件组成，使连续激光器输出的激光束沿着周期性重复路径作用在叠层组合上层板的上表面，所述路径的重复频率范围为150～300Hz，所述路径的最小重复单元在边长2mm的方形区域内，且相邻最小重复单元存在相交的区域；对所述激光束的能量进行调制控制，使焊接过程中激光束的能量存在以设定能量为主的高能量时段和强度更低的低能量时段，所述高、低能量时段组成重复单元，所述能量的强度与激光功率、对应持续时间成正比，与作用在上层板上表面的光斑直径成反比，所述重复单元的重复频率范围为20～100Hz。

在一优选例中，所述激光束在铝合金叠层组合产生的焊缝在底层板的下表面不可见，所述焊缝熔深的大小在底层板的焊缝纵向截面上呈周期性变化。

在另一优选例中，所述激光焊接方法包含第二激光束，使第二激光束沿着幅度A更大的周期性重复路径作用在所述焊接方法产生的焊缝上表面、或者作用在所述能量调制激光束在叠层组合中形成的熔池的表面；当所述第二激光束作用在已经成形的焊缝表面时，其能量强度不高于所述高能量的60％；当所述第二激光束作用在尚未凝固的焊缝或者熔池表面时，其能量强度不高于所述高能量的40％；且第二激光束单独作用产生的焊缝具有不大于0.8mm的熔深，或者熔深不大于叠层组合焊接区域总厚度的30％。

在另一优选例中，所述第二激光束由同一激光系统通过分光产生。

本发明提供的另一种技术方案为，提供一种薄板叠层组合的焊缝纵截面熔深轮廓形状，使激光束沿着具有周期性重复特征的设定路径、以周期性高低能量时段的形式作用在叠层组合上层板的上表面，所形成的焊缝实现了叠层组合多层板的连接，在焊缝纵截面上熔深大小呈周期性变化，叠层组合焊缝的纵截面在底层板具有锯齿状或者波浪状的轮廓形状。

在一优选例中，所述底层板的熔深与底层板焊接区域厚度的比值范围为0.1～0.9，焊缝纵截面在底层板与材料本体之间的熔合区轮廓形状具有周期性的峰谷样式，即焊缝在底层板的熔深呈周期性变化；或者由多个峰谷位置不同的周期性峰谷轮廓重叠组成。

本发明的有益效果在于：

1、针对单层工件待焊区域厚度不大于2.5mm的多层金属工件叠层组合，通过重复性激光扫描路径与激光能量调制相结合的创新工艺方法，可以同步实现焊缝气孔、裂纹等缺陷的抑制和消除，以及底层板焊缝熔深的控制，以满足待焊产品对连续焊缝保压密封的要求、和外观平整要求。

2、适合于多层薄板叠层组合连续密封焊接，尤其是铝合金薄板叠层组合的焊接，采用周期性重复路径、并对激光能量进行调制，在激光束沿周期性路径扫描的同时，以高低能量的形式控制能量输出，与现有技术中的脉冲激光工艺或者恒定能量摆动路径工艺相比，兼具了能量调控以防止熔池过热、以及激光束周期性扫描以避免小孔坍塌两种特点，从而真正实现铝合金焊缝气孔、裂纹的消除，满足焊缝密封不泄露的要求。

3、本发明的技术方案在焊接之前，不需要对材料表面的氧化层进行专门去除；在焊接过程中，也不需要使用专门的保护气体，可以直接在空气环境下焊接；即使是铝合金材料，也不需要除氧化层或者使用保护气体。

4、本发明的技术方案使用第二激光束进行焊后焊缝表面的扫描处理，有利于减小焊缝余高、消除咬边、减少氧化，使焊缝表面成形平整、具有更好的外观特性。

5、本发明的技术方案所需要的激光焊接系统为一台套连续激光器，其功率根据叠层组合厚度进行调整，从而能够适应较大的板厚范围；同时，不需要额外的预热工序或者多台套激光器，其中，第二激光束可以通过同一台激光器进行分光实现。

6、本发明技术方案焊缝纵截面熔深呈周期性变化，以轮廓形状，在确保底层板有效连接的同时，有利于提升底层板背面的平整度，减少背面受到的热影响，避免背面较大的凸起。

附图说明

图1是叠层组合连续激光焊过程示意图。

图2是最小重复单元相交重叠的周期性激光扫描路径示意图。

图3是激光能量调制时采用激光功率调制的示意图。

图4是激光能量调制时采用激光扫描速度调制的示意图。

图5是激光能量调制时采用作用在上层板的光斑直径调制的示意图。

图6是激光能量调制时采用离焦量调制的示意图。

图7是焊缝纵截面底层板熔深轮廓形状示意图。

图8是本发明技术实际焊缝纵截面底层板周期性熔深轮廓形状照片。

图9是现有技术(摆动焊接)纵截面底层板焊缝熔深不均匀照片。

图10是现有技术(摆动焊接)在焊缝拐角处出现裂纹。

图11是本发明技术消除了焊缝拐角处的裂纹。

图12是现有技术(摆动焊接)未使用保护气而氧化的焊缝表面。

图13是本发明技术使用第二激光束扫描焊缝过程示意图。

图14是本发明技术使用第二激光束扫描焊缝形成新焊缝横截面的示意图。

图15是本发明技术未使用保护气获得光亮的焊缝表面。

附图标记：1-用于焊接的激光束；2-激光束经过能量调制、沿重复路径扫描形成的焊缝；3-叠层组合上层板；31-叠层组合上层板的上表面；4-叠层组合底层板；5-叠层组合纵截面底层板焊缝轮廓形状；6-叠层组合焊接之前底层板与相邻板之间的界面；7-第二激光束扫描后的焊缝表面；8-焊缝；9-第二激光束扫描后的横截面熔化区域；11-第二激光束。

具体实施方式

下面将结合附图1-12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。

随着振镜扫描激光焊接头和摆动激光焊接头产品的出现，使激光束沿着重复路径作用在待焊材料上以实现焊接的工艺(激光摆动焊)逐渐增多，通常应用于铝合金材料焊接，在有些铝合金如1系、5系，有些接头形式如对接(打底)接头，激光摆动焊在消除焊缝气孔、获得密封焊缝等方面有较好的效果。但是，新材料和接头形式的出现，导致单一的摆动焊工艺不能满足抑制焊缝缺陷的要求。本发明的技术方案是在激光束沿着重复路径作用时，对激光能量进行调制控制。

对比例1

叠层组合激光摆动焊的焊缝纵截面出现较大的熔深波动，如图9所示，这种波动没有明显的规律，而且在局部区域出现了底层板下表面焊透的情况。同时，焊缝中仍然存在一定量的气孔。上述情况不能满足实际使用要求。

对比例2

在对6系铝合金或者3系铝合金的薄板叠层组合进行常规激光焊或者激光摆动焊时，容易出现肉眼不可见的细小裂纹，如图10所示，在显微镜放大之后的照片上可以在焊缝表面看见裂纹。即使改变摆动路径的形式，比如“8”字形、圆形、正弦波形等，均不能消除焊缝裂纹的产生，尤其是图10中连续焊缝拐角位置裂纹的产生。当焊缝产生这种显微裂纹之后，就会导致焊缝存在泄露，不能满足产品件密封要求。

对比例3

在未使用保护气体的条件下，使用激光摆动焊进行5系铝合金的焊接，焊缝表面氧化严重，对外观影响较大，如图12所示。

实施例1

如图1所示，激光束1作用在薄板工件3和4组成的叠层组合的上表面31上，形成焊缝2。其中，单一工件的厚度不大于2.5mm，激光束1来源于连续激光，且沿着具有周期性重复特征的路径扫描，在一个实施例中，其扫描路径如示意图2所示。示意图2展示了周期性重复路径的3个最小重复单元，每个最小重复单元具有幅度A和宽度L，相邻最小重复单元具有相交重叠宽度W。通常，A和L均不大于3mm；优选的，A和L均不大于1.5mm。相交重叠宽度W满足0＜W＜L，优选的，W与最小重复单元的宽度L的比值百分数为0.5％～60％。在最小重复单元参数不变的前提下，改变其重复频率可以应对不同的叠层工件组合，通常，最小重复单元的重复频率为100～400Hz，优选为150～300Hz。在上述参数范围内，当激光束1沿着示意图2所示的最小重复单元扫描时，对激光束1的能量进行调制，使扫描过程中存在周期性低于主体设定能量的低能量时段；所述主体设定能量为高能量，单个高能量时段和单个低能量时段组成的最短单元为一个能量周期；激光束的能量高低的数值E可以表示为E＝P*t/D，其中，P为高、低能量时段分别对应的激光功率，t为高、低能量时段分别对应的持续时间，D为高、低能量时段分别对应的作用在叠层组合上表面的光斑直径；在激光束1聚焦光斑直径d固定时，通过调节离焦量F也可以改变作用在叠层组合上表面的光斑直径D的大小。因此，可以通过单独或者同时调节如图3-6所示的参数变量以控制对激光束1的能量调制。在一个实施方式中，如图3所示，主体设定激光功率较高，使激光功率周期性低于设定功率以获得周期性的低能量时段，也可以将低功率设定为0以适用于某些叠层组合。在另一个实施方式中，如图4所示，主体设定激光扫描速度较低，设置周期性高于设定速度的扫描速度以获得周期性的低能量时段。在另一个实施方式中，如图5所示，作用在上表面31的激光束1的主体设定光斑直径较小，设置周期性大于设定光斑直径的光斑以获得周期性的低能量时段；当设定光斑直径不可变时，采用如图6所示的实施方式，即主体设定激光束1的聚焦光斑作用在上表面31，设置周期性离焦(可以设置正离焦或负离焦)以获得周期性的低能量时段。在一个能量周期中，设定高能量的强度为E0，通过包括图3-6在内的实施方式获得的低能量的强度E1与E0的比值为0～0.5，高低能量周期设置的频率为10～150Hz；在一个能量周期中，所述高能量时段的持续时间为10-60ms，所述低能量时段的持续时间为1-50ms。采用上述参数设置调节激光束1的能量和作用在叠层组合上表面31的方式，获得焊缝在叠层组合底层板的下表面不可见、或者可见焊缝的宽度不大于上表面焊缝宽度的50％。

实施例2

采用实施例1中的工艺方法，获得焊缝纵截面具有如图7所示的焊缝轮廓形状5。其中，焊缝8消除了叠层组合之间的连接界面6，焊缝8在底层板的熔深呈周期性变化，优选的，焊缝8与底层板的界面轮廓5表现为周期性的峰谷形状，即波浪形状或者锯齿形状。在实际焊接实施中，界面轮廓形状5可以由多个峰谷形状叠加组成，如图8中实际焊缝纵截面所示；在一些实施例的焊缝横截面也可以获得图8中由两个峰谷形状叠加的组合形状。与对比例1中如图9所示的焊缝波动情况相比，本发明的技术方案可以有效控制叠层组合底层板的熔深，避免背面焊透，从而满足底层板对表面平整的使用要求。获得图8所示的截面形状的实施参数为：板厚0.8mm+1.0mm厚度的铝合金叠层组合，重复路径幅度A＝0.8mm，L＝0.6mm，重复频率150Hz，在路径重复的同时，每20ms时段设置2ms低能量时段，对应激光功率设置为0-50％高能量功率水平。

实施例3

采用实施例1中的工艺方法，针对6系或者3系铝合金薄板叠层组合，获得如图11所示的焊缝，消除了对比2中出现的如图10所示的焊缝裂纹，包括敏感的焊缝拐角位置处的裂纹，从而保证焊接产品满足密封保压的使用要求。

实施例4

如图13所示，在实施例1的工艺方法的基础上，使第二激光束11沿着幅度A更大的周期性重复路径作用在焊缝2的上表面，其能量强度不高于所述高能量E0的60％。在另一种实施方式中，第二激光束11作用在激光束1形成的熔池的表面，其能量强度不高于所述高能量E0的40％。在上述实施方式中，第二激光束11单独作用在叠层组合上表面31产生的焊缝具有不大于0.8mm的熔深，或者熔深不大于叠层组合焊接区域总厚度的30％。产生的焊缝横截面如图14所示，其中8为激光束1形成的焊缝，9为第二激光束11扫描后使材料熔化的区域，该区域与焊缝8混合或者以独立可见的形态存在。实际获得的焊缝表面如图15所示，与对比例3中的图12表面氧化的焊缝形态相比，消除了焊缝表面的灰黑色，并且使焊缝表面更加平整，表面几乎与母材相平。满足产品对外观的要求。

上述实施例中，铝合金材料的焊接均未使用保护气体，也无须对氧化层进行专门的打磨和清除，与常规铝合金激光焊需要打磨氧化层、使用保护气体相比，消除了此类工序，在获得更高焊接质量的前提下，节省了制造成本。

Claims (7)

1.一种薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，具有周期性重复的焊接路径,在激光束沿着该焊接路径扫描时，对激光束的能量进行控制，使所述激光束能量作用过程中存在周期性低于主体设定能量的低能量时段；所述主体设定能量为高能量，单个高能量时段和单个低能量时段组成的最短单元为一个能量周期；

所述一个能量周期的时间长度为5-100ms，在一个能量周期中，所述高、低能量的强度E满足关系式：E=P*t/D；其中，P为高、低能量时段分别对应的激光功率，t为高、低能量时段分别对应的持续时间，D为高、低能量时段分别对应的作用在叠层组合上表面的光斑直径；所述低能量时段对应的强度E1与高能量时段强度E0的比值为0~0.5；

在一个能量周期中，所述高能量时段的持续时间为10-60ms，所述低能量时段的持续时间为1-50ms。

2.如权利要求1所述的薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，所述激光束在所述叠层组合中形成的焊缝在叠层组合底层板的下表面不可见、或者可见焊缝的宽度不大于上表面焊缝宽度的50%。

3.如权利要求1所述的薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，所述周期性重复路径的重复频率范围为100~400Hz，所述重复路径具有相邻最小重复单元相交的特征。

4.如权利要求1所述的薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，所述的焊接路径的最小单元具有幅度A和宽度L，相邻最小重复单元相交的重叠量为0.5%~60%，所述重叠量为两个重复单元相交部分的宽度W与单个重复单元宽度L比值的百分数。

5.如权利要求1所述的薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，使激光束沿着具有周期性重复特征的设定路径、以周期性高低能量时段的形式作用在叠层组合上层板的上表面，所形成的焊缝实现了叠层组合多层板的连接，在焊缝纵截面上熔深大小呈周期性变化，叠层组合焊缝的纵截面在底层板具有锯齿状或者波浪状的轮廓形状。

6.如权利要求5所述的薄板叠层组合单束激光焊接方法，其特征在于，所述底层板的熔深与底层板焊接区域厚度的比值范围为0.1~0.9，焊缝纵截面在底层板与材料本体之间的轮廓形状具有周期性的峰谷样式；或者由多个峰谷位置不同的周期性峰谷轮廓重叠组成。

7.一种薄板叠层组合双束激光焊接方法，其特征在于，两束光具有不同幅度、周期性重复的二条路径，其中第一激光束作为焊接光束，沿着焊接路径扫描时，对焊接光束的能量进行控制，使所述焊接光束能量作用过程中存在周期性低于主体设定能量的低能量时段；所述主体设定能量为高能量，单个高能量时段和单个低能量时段组成的最短单元为一个能量周期；第二激光束作为成形光束，该成形光束的能量始终低于焊接光束的能量；所述第二激光束的作用路径具有较大的幅度A，当所述第二激光束作用在已经凝固的焊缝表面时，其能量强度不高于所述高能量的60%；当所述第二激光束作用在尚未凝固的焊缝或者熔池表面时，其能量强度不高于所述高能量的40%；且第二激光束单独作用产生的焊缝具有不大于0.8mm的熔深。

Images