CN114985934A - 一种大间隙薄板激光填料焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大间隙薄板激光填料焊接方法，待焊接板材的焊缝放置在底部成型板上的水平面处，送料头位于激光焊接头运动方向的前方将焊料送往焊缝内，焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；送料头带动熔化的焊料在焊缝内往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。本发明中通过焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高了待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，解决了大间隙薄板激光焊接中，焊缝背面有多余焊料不规整、焊接易熔穿、焊接头质量不合格等问题。

Description

一种大间隙薄板激光填料焊接方法及装置

技术领域

本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种大间隙薄板激光填料焊接方法及装置。

背景技术

薄板焊接主要应用在如集装箱、换电站、武器包装箱等箱体类产品的生产中，薄板主要承担防护的功能，对焊缝的密封性要求较高。目前工业生产中对于薄板的焊接主要采用MAG弧焊工艺进行，焊接速度较低，导致生产效率低下，同时带来热变形量大的问题。并且，实际生产中MAG弧焊工艺要求板厚不可太薄，否则易产生熔穿现象，目前，业界常用的薄板厚度不低于1.2mm。随着国民经济的发展，对于货运的需求越来越大，同时，近年来新能源汽车的发展，换电站将作为解决汽车续航问题的有力措施大力推广，对于箱体类产品生产效率的要求越来越高，而且，如果能降低板材厚度将会在成本和重量上得到大的突破。激光焊接作为一种焊接速度高、热影响区小、清洁的焊接方式可应用于薄板焊接生产中。

所用的薄板，一般是采用剪板机进行裁剪，边缘质量较差，再加上有些需求下为了提高板材整体刚性，需要压制不同形式的瓦楞形状，使得板材发生轻微变形，当两块薄板对接后，使得之间的间隙较大，目前激光焊接中对于间隙问题有激光填丝焊、激光摆动熔焊、激光摆动填丝焊接等方法，但这些方法主要是应对小间隙厚板焊接问题，对于大间隙的薄板，激光焊接还无法有效地满足需求。

发明内容

本发明提供一种大间隙薄板激光填料焊接方法及装置，解决了大间隙薄板激光焊接中，焊缝背面有多余焊料不规整、焊接易熔穿、焊接头质量不合格等问题。

在本发明的第一个方面，提供一种大间隙薄板激光填料焊接方法，

待焊接板材的焊缝放置在底部成型板上的水平面处，送料头位于激光焊接头运动方向的前方将焊料送往焊缝内，所述激光焊接头将发出的激光束传输至焊缝位置，焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；

送料头带动熔化的焊料在焊缝内往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。

优选地，所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行的往复摆动是选择由生成交变磁场的电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种，驱动所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动。

优选地，所述待焊接板材为薄板，厚度为0.4-1.5mm；所述待焊接板材的焊缝间隙为0-2.0mm；所述激光焊接头发出的激光束的光斑直径为0.5-1mm。

优选地，所述焊料为焊丝或焊粉中的一种。

在本发明的第二个方面，提供一种基于上述方法的应用，一种大间隙薄板激光填料焊接装置，包括待焊接板材、激光焊接头、送料头、底部成型板和往复驱动模块，

待焊接板材的焊缝放置在底部成型板上的水平面处，送料头位于激光焊接头运动方向的前方将焊料送往焊缝内，往复驱动模块安装在送料头的上方，用以在焊接过程中带动送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；

送料头带动熔化的焊料在焊缝内垂直焊缝方向上往复摆动，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。

优选地，所述往复驱动模块采用生成交变磁场的电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种。

优选地，所述底部成型板上设有至少一个表面为水平面的凸台。

所述凸台的高度为0.5-2mm。

所述激光焊接头选用单向摆动或双向摆动中的一种，所述激光焊接头发出的激光束光斑直径为0.5-1mm；所述激光束的往复摆动范围为焊缝间隙的1.5倍。

优选地，所述焊接装置还包括安装在送料头端部的电热块，电热块连接电源用以对送料头输出的焊料进行预热。

本发明和现有技术相比具有如下有益效果：

1.本发明中通过焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动，进而带动熔化的焊料在焊缝内往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高了待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，使得激光焊接大间隙薄板成为可能。

2.本发明提供了具体的焊接方法及装置，使得薄板激光焊接速度会明显由于电弧焊接，大大提高了箱体类产品的生产效率。而且还可以将薄板焊接应用于大规模工业化生产，箱体类产品可以使用更薄的板材作为围挡，重量更轻，成本降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1为本发明中大间隙薄板激光填料焊接装置的示意图；

图2为本发明中焊缝处的结构放大示意图；

图3为本发明实施例中底部成型板的结构示意图；

1为激光焊接头，2为待焊接板材，3为底部成型板，4为连接杆，5为往复驱动模块，6为送料头，7为电热块，8为凸台，11为焊料，12为焊缝内送丝头摆动位置的一侧边缘位置，13为焊缝内送丝头摆动位置的另一侧边缘位置，14为焊缝内待焊接板材的一侧底部与熔化后的焊料的结合点，15为焊缝内待焊接板材的另一侧底部与熔化后的焊料的结合点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

一种大间隙薄板激光填料焊接方法，包括：待焊接板材的焊缝放置在底部成型板上的水平面处，送料头位于激光焊接头运动方向的前方将焊料送往焊缝内，所述激光焊接头将发出的激光束传输至焊缝位置，焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；送料头带动熔化的焊料在焊缝内往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。本发明提供的焊接方法，能够提高待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，焊料摆动的焊接方法还可提高激光焊接时对待焊板材之间的缝隙的容忍度。

在一个具体的实施例中，所述焊料为焊丝或焊粉中的一种，送料头可以送焊丝也可以送焊粉，进行焊接工作。本发明提供的焊接方法，能够适用薄板厚度0.4-1.5mm范围内的待焊接板材，而且焊缝间隙0-2.0mm范围内，均能够完成焊接工作，激光焊接头发出的激光束光斑直径为0.5-1mm；激光束的摆动范围约为焊缝间隙的1.5倍。

本发明中，所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行的往复摆动是电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种，驱动所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动即可。

本发明提供的焊接方法，适用于2.0mm范围内的大间隙薄板激光焊接需求，由于待焊接板材的间隙较大，当焊料熔化后由毛细力实现与熔化的板材，间隙越大其作用力越小，所以通过带动熔化后的焊料在焊缝内进行微小的往复摆动，调整熔化后的焊料和焊缝边缘的距离，进而提高熔化的焊料和待焊接板材之间的结合能力，提高焊接质量。

基于上述焊接方法，本发明提供一种采用了大间隙薄板激光填料焊接方法的装置，一种大间隙薄板激光填料焊接装置，如图1所示，包括待焊接板材2、激光焊接头1、送料头6、底部成型板3和往复驱动模块5，待焊接板材2的焊缝放置在底部成型板3上的水平面处，送料头6位于激光焊接头1运动方向的前方将焊料11送往焊缝内，往复驱动模块5安装在送料头6的上方，用以在焊接过程中带动送料头6在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；送料头6带动熔化的焊料11在焊缝内垂直焊缝方向上往复摆动，调整熔化后的焊料11和焊缝边缘之间的距离，在激光作用下，待焊接板材2和熔化后的焊料11形成焊接头。

本发明提供的焊接装置中，待焊接板材2的焊缝位置放置在底部成型板3上的水平面位置处，选用具有单向摆动功能的激光焊接头1将激光传输至焊缝位置，送料头6在运动方向的前方往焊缝内送料，由往复驱动模块5带动送料头6在焊缝内垂直焊缝方向做往复运动，调整熔化后的焊料11和焊缝边缘的距离，进而提高熔化的焊料11和待焊接板材2之间的结合能力，激光作用下将板材和熔化的焊料形成焊接接头。

焊接中，焊料11直径应与待焊接板材2厚度相近，因为焊料11直径较大时，所需的激光能量较多，易将板材熔穿。一般将焊料11送在焊缝的中心位置，如图2中的11位置处，由于待焊接板材2间隙较大，当焊料11熔化后由毛细力实现与熔化的板材结合，如图2中的14、15位置处，14处为焊缝内待焊接板材2的一侧底部与熔化后的焊料11的结合点，15处为焊缝内待焊接板材2的另一侧底部与熔化后的焊料11的结合点。间隙越大其作用力越小，纯铜的底部成型板3的快速降温会减弱上述毛细力作用。在焊接中往复驱动模块5产生往复摆动，带动送料头6沿垂直焊缝方向进行微小的往复摆动，左右摆动范围为焊缝内送料头6摆动位置的一侧边缘位置至另一侧边缘位置，如图2中的12、13所示，12为焊缝内送料头6摆动位置的一侧边缘位置，13为焊缝内送料头6摆动位置的另一侧边缘位置，提高熔化后的焊料11与板材的结合能力，提高焊接质量。

在一个具体的实施例中，所述底部成型板3内设有至少一个表面为水平面的凸台8，如图2所示，所述凸台8的高度为0.5-2mm。

如图3所示，底部成型板3可以设有多个上表面为水平面的凸台8。底部成型板3可选择导热性极好的纯铜材料或其他导热性好的材料制成，使得焊缝可以快速凝固，减少待焊接板材2的变形同时细化晶粒尺寸提高焊接头硬度和韧性。传统焊接方法中，底部成型板3处为一凹槽，方便焊接熔池中的气体排出；对于大间隙薄板焊接，熔池中气体很容易溢出，但由于间隙较大，熔化的金属很容易滴落影响背面成型质量。所以本发明中的底部成型板3设有至少一个凸台8，高度优选为0.5mm，在待焊接板材2压紧时，保证两侧板材可以搭在凸台8上，并且不会让板子产生变形，熔化的焊料11和待焊接板材2被凸台8很好地承接，同时可以保证焊接质量。

在一个具体的实施例中，往复驱动模块5采用电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种。电磁驱动方式可以由交变磁场制成，在送料头上方设置线圈，然后接通交变电流，产生交变磁场，使得送料头6在交变磁场内往复摆动，还可以通过调整线圈的长度控制送料头6的运动行程，通过控制交变电流的频率改变送料头6往复运动的速度频率。电机结合机械结构驱动方式可以通过设置机械臂完成，机械臂携带送料头6在预设的焊缝宽度内往复摆动，进而带动熔化后的焊料11进行微小的往复摆动。电机直接驱动方式可以通过采用设置直线电机和运动轨道的方式，电机带动送料头6在轨道内往复摆动。此外，也可以选择激光填料焊接装置整体进行往复摆动，送料头相对于装置的运动未摆动，仍然可以带动送料头往复摆动，本发明中的重点是整体的实现方法，不限于具体的装置实现结构。

在一个具体的实施例中，所述激光焊接头1选用单向摆动或双向摆动中的一种，所述激光焊接头1发出的激光束光斑直径为0.5-1mm；激光束摆动范围约为焊缝间隙的1.5倍。

本实施例中的激光焊接头1优选单向摆动功能，可以垂直焊缝方向进行摆动，该技术在激光焊接领域已应用多年，主要用途是焊接中对熔池进行搅拌，减少焊接气孔的产生。但在本发明的焊接过程中，需要激光束沿垂直焊缝方向高频往复运动。因为激光能量密度的限制，使得焊接时光斑直径很小，一般在1-2mm范围，在大间隙工况下，不能很好地加热待焊板材，与熔化的焊丝无法很好地结合，无法形成焊接接头，所以利用摆动焊接头的摆动能力，增大激光的作用范围，使得大间隙薄板焊接成为可能。所以，本发明在焊接时选用的激光束的光斑直径要小(激光束光斑直径建议为0.5-1mm)，当光斑直径较大时，能量密度变低，再加上摆动又会减弱激光的作用能力，焊接同等厚度的板材所需的激光功率增大。

本实施例中，激光焊接头1也可以使用具有双摆功能的激光焊接头1，使得激光进行多样的运动轨迹，使用不同波长的、不同形式的激光，焊接过程正常进行。

在一个具体的实施例中，所述焊接装置还包括安装在送料头6端部的电热块7，电热块7连接电源用以对送料头6输出的焊料11进行预热，减少焊丝熔化所需的热量，提高焊接效率。此方法中利用该措施，可降低焊接所需的功率密度，有效减少待焊接板材2被熔穿的风险，同时也可增加焊接速度。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大间隙薄板激光填料焊接方法，其特征在于，

待焊接板材的焊缝放置在底部成型板上的水平面处，送料头位于激光焊接头运动方向的前方将焊料送往焊缝内，所述激光焊接头将发出的激光束传输至焊缝位置，焊接过程中送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；

送料头带动熔化的焊料在焊缝内往复摆动，调控熔化后的焊料和焊缝边缘之间的距离，提高待焊接板材和熔化后的焊料之间的结合力，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。

2.根据权利要求1所述的一种大间隙薄板激光填料焊接方法，其特征在于，所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行的往复摆动是生成交变磁场的电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种，驱动所述送料头在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动。

3.根据权利要求1所述的一种大间隙薄板激光填料焊接方法，其特征在于，所述待焊接板材为薄板，厚度为0.4-1.5mm；所述待焊接板材的焊缝间隙为0-2.0mm；所述激光焊接头发出的激光束的光斑直径为0.5-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种大间隙薄板激光填料焊接方法，其特征在于，所述焊料为焊丝或焊粉中的一种。

5.一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，包括待焊接板材(2)、激光焊接头(1)、送料头(6)、底部成型板(3)和往复驱动模块(5)，

待焊接板材(2)的焊缝放置在底部成型板(3)上的水平面处，送料头(6)位于激光焊接头(1)运动方向的前方将焊料送往焊缝内，往复驱动模块(5)安装在送料头(6)的上方，用以在焊接过程中带动送料头(6)在焊缝内垂直焊缝方向上进行往复摆动；

送料头(6)带动熔化的焊料在焊缝内垂直焊缝方向上往复摆动，在激光作用下，待焊接板材和熔化后的焊料形成焊接头。

6.根据权利要求5所述的一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，所述往复驱动模块(5)采用生成交变磁场的电磁驱动方式、电机结合机械结构驱动方式或电机直接驱动方式中的一种。

7.根据权利要求5所述的一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，所述底部成型板(3)上设有至少一个表面为水平面的凸台(8)。

8.根据权利要求7所述的一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，所述凸台(8)的高度为0.5-2mm。

9.根据权利要求5所述的一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，所述激光焊接头选用单向摆动或双向摆动中的一种，所述激光焊接头(1)发出的激光束光斑直径为0.5-1mm；所述激光束的往复摆动范围为焊缝间隙的1.5倍。

10.根据权利要求5所述的一种大间隙薄板激光填料焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括安装在送料头(6)端部的电热块(7)，电热块(7)连接电源用以对送料头(6)输出的焊料进行预热。

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