CN117921121A - 一种激光填丝焊装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光填丝焊装置，包括连接激光源并输出激光的激光头和连接送丝机构并输出焊丝的导丝头，所述激光头输出激光和所述导丝头输出焊丝在时间上通过反馈调节控制，即所述激光填丝焊装置包含检测机构，所述反馈调节通过检测机构检测位置并调整焊丝与激光束聚焦光斑的位置和焊丝与激光束输出时序，在焊接开始之前和结束之后分别持续送丝，解决填充金属不足导致的缺口和连接不良问题。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种激光填丝焊的装置和焊接方法。
背景技术
激光填丝焊是一种使用激光能量熔化填充用焊丝，同时激光能量使材料本体熔化，熔化的焊丝和材料本体混合形成熔池、冷却凝固形成焊缝的焊接方法。在实际应用中，焊接组合开始和结束位置通常位于工件边部，而激光束作用在上述两处位置时，由于熔池流动和缺乏补充，通常造成边部出现缺口，对焊接件后续加工和使用带来问题。尤其是在薄板对接拼焊应用场景中，容易出现首尾填充不足形成的较大缺口，比如汽车行业激光拼焊板，出现焊缝端部缺口会提高后续冲压过程中零件发生开裂的风险。在基体强度较低的钢板中，由于焊缝相变硬化使焊缝强度处于较高水平，通常直接激光拼焊可以满足使用要求；但是基体强度较高的钢板中，比如1200MPa及以上的高强度钢，其拼焊焊缝存在淬硬倾向，容易造成开裂，当缺口存在时，会加剧开裂风险。又比如热成形钢，其在热冲压之后的基体强度可达1500MPa，焊缝端部缺口也会造成冲压或者后续使用中焊缝的开裂，尤其是热成形钢，缺口可能成为氢脆开裂的薄弱位置，不利于长时间存储。在实际应用中，通常对缺口部位的焊缝进行切除处理，这也是汽车行业激光切割的一个重要应用领域，即对热冲压零件进行包括拼焊首尾部位的切割去除。此外，当热压成形钢表面有铝或铝基镀层时，影响更甚，因为镀层本身的存在增加了获得合格焊缝成形和焊缝强度的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光填丝焊装置和焊接方法，以实现焊缝首尾部位的有效填充，避免产生缺口等缺陷，使焊缝首尾部位成形与焊缝中间相当，确保焊缝质量的一致性。
本发明的激光填丝焊装置具有以下特征：
包括连接激光源并输出激光束的激光头、连接送丝机构并输出焊丝的导丝头，所述激光头输出激光束和所述导丝头输出焊丝的位置和时间通过反馈调节系统控制，所述反馈调节控制过程包括：
在待焊工件的焊接开始位置前方Xm处，所述激光头提前输出激光束、所述导丝头以速度V1提前输出焊丝，且使所述激光束作用在所述焊丝上，直至达到待焊工件的焊接开始位置X1处；所述导丝头以速度V0输出焊丝，直至达到待焊工件的焊接结束位置X2处；所述导丝头以速度V2输出焊丝，所述激光头继续输出激光束，使所述激光束作用在所述焊丝上，直至到达待焊工件的焊接结束位置后方Xn处；
Xm到X1的距离S1满足如下关系：S1＝(3.5～5.5)*V0*D/π*r2*V1；
X2到Xn的距离S2满足如下关系：S2＝(2.5～4.5)*V0*D/π*r2*V2；
上述关系式中，D是待焊工件组合的平均板厚，其范围是1.0～3.2mm；r是使用焊丝的半径，其范围是0.4～0.8mm；
优选的，所述焊丝输出速度V0、V1和V2满足如下关系：
V1＝(0.4～0.8)*V0，V2＝(0.4～0.8)*V0。
在一优选例中，在开始焊接位置之前，所述激光头提前输出激光束和所述导丝头提前输出焊丝的时间是0.1～0.5s；在焊接结束位置之后，所述激光头滞后输出激光束和所述导丝头滞后输出焊丝的时间是0.1～0.5s。
在另一优选例中，激光填丝焊装置还包括位移调节机构，所述位移调节机构根据待焊工件板厚情况以及对激光束离焦和聚焦的要求调节激光头的位置；随后调节导丝头的位置，使输出焊丝的端部在接触待焊工件在上表面时，位于激光束作用在待焊工件在上表面的光斑中。
在又一优选例中，激光填丝焊装置还包括检测机构，所述检测机构提前检测待焊工件组合的板厚、开始和结束焊接位置，以及激光头与待焊工件在上表面的相对距离，检测数据反馈于位移调节机构进行激光头与导丝头的位置调节；反馈于控制系统进行激光束与焊丝提前或滞后输出的调节。
一种激光填丝焊接方法，包括如下步骤：
在焊接控制系统输入激光参数，包括激光束离焦量；
输入待焊工件组合的板厚数据，或者通过检测机构获得板厚数据；
检测机构提前检测焊接开始位置，并计算焊接开始位置前方Xm处；
激光束在Xm处输出，同时焊丝以速度V1输出，使所述激光束作用在所述焊丝上，直至达到待焊工件的焊接开始位置X1处；
焊丝以速度V0输出，所述激光束部分作用于焊丝，部分作用于待焊工件，直至达到待焊工件的焊接结束位置X2处；
焊丝以速度V2输出，所述激光束作用在所述焊丝上，直至到达待焊工件的焊接结束位置后方Xn处；
在上述过程中，激光束与待焊工件以焊接速度V保持相对运动；
Xm到X1的距离S1满足如下关系：S1＝(3.5～5.5)*V0*D/π*r2*V1；
X2到Xn的距离S2满足如下关系：S2＝(2.5～4.5)*V0*D/π*r2*V2；
上述关系式中，D是待焊工件组合的平均板厚，r是使用焊丝的半径；
优选的，所述焊丝输出速度V0、V1和V2满足如下关系：
V1＝(0.4～0.8)*V0，V2＝(0.4～0.8)*V0。
在一优选例中，所述待焊工件组合是对接拼焊组合，其对接板平均板厚D的范围是1.0～3.2mm；使用焊丝半径r的范围是0.4～0.8mm。
在另一优选例中，所述待焊工件的基体或者经过热处理之后的基体抗拉强度不小于1200MPa，基体表面有铝或者铝基镀层，所述待焊工件以对接形式进行拼焊，所述焊丝中合金元素质量百分数含量至少满足以下关系：0.1％<C<0.2％<Si<1.2％<Mn<3％<Ni，2％<Cr+Mo<4％和8％<Cr+Mo+Ni<15％；在未设置拼焊间隙的对接拼焊中所述送丝速度V0与焊接速度V以及待焊工件组合平均板厚D的数值满足关系：V0＝(0.8～1.1)*(D-0.8)*V。
优选的，所述焊丝中合金元素质量百分数含量同时还包括：0.5％～1.5％的Cu，0.05％～0.1％的Ti和0.001％～0.006％的Nb、W、B、V中的多种或全部；P、S的含量均控制在0.008％以内。
本发明具有以下技术效果：1)解决板料边部焊接开始和结束位置，由于材料缺失导致的塌陷、缺口等填充不足问题；2)解决汽车激光拼焊板位于薄板边部的焊缝端部，即焊接开始和结束位置，容易出现的焊缝长度方向的缺失或者对接两板的不连续连接，确保焊缝整体的连续均匀有效连接，避免焊缝冲压过程出现头尾引起的开裂；3)采用本发明技术方案提供的焊丝和填丝比例(不同板厚送丝速度与焊接速度比例参数)实现1200MPa及以上超高强度钢，包括带铝或铝基镀层的热压成形钢对接拼焊焊缝开头和结尾获得良好成形，以及保证在无间隙对接时焊缝的余高要求满足工业需求；同时实现对镀层铝元素不利作用的抑制，满足接头强度要求，即拉伸接头断裂在母材；4)在给定的焊接参数条件下，比如提前和滞后送丝时间0.1～0.5s，提前和滞后送丝速度为正常送丝速度的40％～80％，可以确保焊缝端部有足够的熔化填充金属，满足对接板的连接；同时不至于形成过多的金属堆积或者凸出；5)减少或者消除拼焊焊缝开始和结束位置的大量切割损失。
附图说明
图1为激光填丝焊装置焊接示意图；
图2为常规薄板焊接端部缺口示意图；
图3为实际激光填丝拼焊现有技术端部未连接照片；
图4为本发明方案技术获得成形良好焊缝端部照片；
图5为本技术方案拼焊1500MPa铝硅镀层热成形钢拉伸断裂照片。
图中标注说明：1是激光头，11是激光束，12是与激光源连接的部件，2是导丝头，21是焊丝，22是与送丝机构连接的部件，3是焊接位置检测机构，31是角度调节机构，32是XY向位置调节机构，33是Z向位置调节机构，4是待焊工件，41是对接拼焊区域。
上述附图的目的在于对本发明作出详细描述以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细描述。
本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
如图1所示，是一种激光填丝焊装置及其进行对接拼焊的示意图，该装置包括激光头1和导丝头2，激光头1通过部件12与激光源连接，并输出激光束11，导丝头2通过部件22与送丝机构连接，并输出焊丝21。在图中，激光束11与待焊工件4在X轴正向上相对运动，即对接拼焊区域41左侧是焊接开始位置X1，右侧是焊接结束位置X2。焊接位置检测机构3能够提前检测到对接拼焊区域41并识别焊接开始和结束位置。反馈调节系统和位移调节机构31～33能够调节激光头与导丝头的在XYZ的相对位置，适应不同参数调节的需求，比如不同激光束离焦量、不同焊丝输出角度等，调节的关键在于：当焊丝21的端部位于待焊工件4中较厚工件的在上表面时，同时位于激光束11作用在待焊工件4中较厚工件的在上表面的光斑中，即激光束一部分作用在焊丝上，一部分作用在待焊工件上。
实施例1
焊接位置检测机构3提前检测到对接拼焊区域41的焊接开始位置X1，根据提前设定的焊接速度V和提前送丝速度V1，在焊丝21尚未到达开始焊接位置之前的Xm位置，激光束11和焊丝21分别输出，在0.1～0.5s内，激光束11和焊丝21到达焊接开始位置X1，提前熔化的焊丝进入对接拼焊区域41中，补充了随后的正常焊接过程中端部填充金属的缺失，获得良好的端部成形。随后，焊接位置检测机构3提前检测到对接拼焊区域41的焊接结束位置X2，根据提前设定的焊接速度和滞后送丝速度V2，在焊丝21越过焊接结束位置之后的0.1～0.5s，激光束11和焊丝21分别持续输出，熔化的焊丝金属填充到焊丝结束的端部，而此时激光束的结束位置位于Xn。在焊接开始位置X1和焊接结束位置X2之间，送丝速度为V0。
实施例2
根据实施例1的方案，待焊工件为对接拼焊组合，根据组合的平均板厚D的不同，提前和滞后送丝的位置和送丝速度满足以下关系：
Xm到X1的距离S1满足如下关系：S1＝(3.5～5.5)*V0*D/π*r2*V1；
X2到Xn的距离S2满足如下关系：S2＝(2.5～4.5)*V0*D/π*r2*V2；
上述关系式中，D是待焊工件组合的平均板厚，其范围是1.0～3.2mm；r是焊丝半径，其范围是0.4～0.8mm。
同时，焊丝输出速度V0、V1和V2满足如下关系：
V1＝(0.4～0.8)*V0，V2＝(0.4～0.8)*V0。
根据上述两种方案的实施，可以满足板厚1.0～3.2mm之间拼焊板焊缝端部有效填充，避免产生缺口。
实施例3
与前述实施例相同，所不同的是待焊工件4由至少一种表面带有铝硅镀层的热成形钢组成，对接组合不设置拼焊间隙；使用的焊丝中合金元素质量百分数含量同时满足以下关系：0.1％<C<0.2％<Si<1.2％<Mn<3％<Ni，2％<Cr+Mo<4％和8％<Cr+Mo+Ni<15％，1.0％的Cu，0.06％的Ti，0.004％左右的Nb、W、P、S；在未设置拼焊间隙的对接拼焊中所述送丝速度V0与焊接速度V以及待焊工件组合平均板厚D的数值满足关系：
V0＝(0.8～1.1)*(D-0.8)*V；采用上述方案焊接之后的拼焊焊缝成形均匀、质量稳定，焊件进行加热保温冲压之后，满足冲压和使用过程焊缝不开裂。
图4显示了使用本发明技术方案实现端部有效连接的效果，板厚组合为1.4mm+2.0mm组合；图5展示了使用本发明技术方案以及焊丝和填充参数获得的铝硅镀层热成形钢激光填丝拼焊拉伸断裂在母材的效果，板厚组合1.5mm+1.5mm，热冲压板料基体强度大于1500MPa。
对比例
不采用本发明的激光填丝焊装置，或者提前、滞后送丝方案，将在焊缝端部形成如图2所示的缺口，或者如图3所示的对接端部连接不良。
上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明权利要求的范围内，对所涉及的成分或方法进行优化或等效替换，以及在不发生原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光填丝焊装置，包括连接激光源并输出激光束的激光头、连接送丝机构并输出焊丝的导丝头，所述激光头输出激光束和所述导丝头输出焊丝的位置和时间通过反馈调节系统控制，所述反馈调节控制过程包括：
在待焊工件的焊接开始位置前方Xm处，所述激光头提前输出激光束、所述导丝头以速度V1提前输出焊丝，且使所述激光束作用在所述焊丝上，直至达到待焊工件的焊接开始位置X1处；所述导丝头以速度V0输出焊丝，直至达到待焊工件的焊接结束位置X2处；所述导丝头以速度V2输出焊丝，所述激光头继续输出激光束，使所述激光束作用在所述焊丝上，直至到达待焊工件的焊接结束位置后方Xn处；
所述Xm到X1的距离S1满足如下关系：S1＝(3.5～5.5)*V0*D/π*r2*V1；
所述X2到Xn的距离S2满足如下关系：S2＝(2.5～4.5)*V0*D/π*r2*V2；
式中，D是待焊工件组合的平均板厚，其范围是1.0～3.2mm；r是使用焊丝的半径，其范围是0.4～0.8mm。
2.根据权利要求1所述的激光填丝焊装置，其特征在于，所述焊丝输出速度V0、V1和V2满足如下关系：V1＝(0.4～0.8)*V0，V2＝(0.4～0.8)*V0。
3.根据权利要求1所述的激光填丝焊装置，其特征在于，在焊接开始位置X1之前，所述激光头提前输出激光束和所述导丝头提前输出焊丝的时间是0.1～0.5s；在焊接结束位置X2之后，所述激光头滞后输出激光束和所述导丝头滞后输出焊丝的时间是0.1～0.5s。
4.根据权利要求1所述的激光填丝焊装置，其特征在于，还包括位移调节机构，所述位移调节机构根据待焊工件板厚情况以及对激光束离焦的要求调节激光头的位置；随后调节导丝头的位置，使输出焊丝的端部在接触待焊工件在上表面时，位于激光束作用在待焊工件在上表面的光斑中。
5.根据权利要求1或4所述的激光填丝焊装置，其特征在于，还包括检测机构，所述检测机构提前检测待焊工件组合的板厚、焊接开始和结束位置，以及激光头与待焊工件在上表面的相对距离，检测数据反馈于位移调节机构进行激光头与导丝头的位置调节；反馈于控制系统进行激光束与焊丝提前或滞后输出的调节。
6.一种激光填丝焊接方法，其特征在于，步骤包括：
在焊接控制系统输入激光参数，包括激光束离焦量；
输入待焊工件组合的板厚数据，或者通过检测机构获得板厚数据；
检测机构提前检测焊接开始位置，并计算焊接开始位置前方Xm处；
激光束在Xm处输出，同时焊丝以速度V1输出，使所述激光束作用在所述焊丝上，直至达到待焊工件的焊接开始位置X1处；
焊丝以速度V0输出，所述激光束部分作用于焊丝，部分作用于待焊工件，直至达到待焊工件的焊接结束位置X2处；
焊丝以速度V2输出，所述激光束作用在所述焊丝上，直至到达待焊工件的焊接结束位置后方Xn处；
在上述过程中，激光束与待焊工件以焊接速度V保持相对运动；
Xm到X1的距离S1满足如下关系：S1＝(3.5～5.5)*V0*D/π*r2*V1；
X2到Xn的距离S2满足如下关系：S2＝(2.5～4.5)*V0*D/π*r2*V2；
上述关系式中，D是待焊工件组合的平均板厚，r是使用焊丝的半径。
7.根据权利要求6所述激光填丝焊方法，其特征在于，所述焊丝输出速度V0、V1和V2满足如下关系：V1＝(0.4～0.8)*V0，V2＝(0.4～0.8)*V0。
8.根据权利要求6所述激光填丝焊方法，其特征在于，所述待焊工件组合是对接拼焊组合，其对接板平均板厚D的范围是1.0～3.2mm；使用焊丝半径r的范围是0.4～0.8mm。
9.根据权利要求6～8所述激光填丝焊方法，其特征在于，所述待焊工件的基体或者经过热处理之后的基体抗拉强度不小于1200MPa，基体表面有铝或者铝基镀层，所述待焊工件以对接形式进行拼焊，所述焊丝中合金元素质量百分数含量至少满足以下关系：0.1％<C<0.2％<Si<1.2％<Mn<3％<Ni，2％<Cr+Mo<4％和8％<Cr+Mo+Ni<15％；在未设置拼焊间隙的对接拼焊中所述送丝速度V0与焊接速度V以及待焊工件组合平均板厚D的数值满足关系：V0＝(0.8～1.1)*(D-0.8)*V。
10.根据权利要求9所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝中合金元素质量百分数含量同时还包括：0.5％～1.5％的Cu，0.05％～0.1％的Ti和0.001％～0.006％的Nb、W、B、V中的多种或全部。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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