CN107498177B - 一种非熔透激光焊接方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非熔透双光束激光焊接方法与系统，包括如下步骤：步骤1、提供需要叠接焊接的第一母材与第二母材；步骤2、将第一母材和第二母材上下垂直叠接并夹紧；步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有第一激光头、第二激光头，第一激光头、第二激光头聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布；步骤4、启动激光焊接系统，第一激光头、第二激光头分别聚焦形成的双激光束倾斜辐照第一母材表面，完成焊接过程。本发明还公开一种非熔透双光束激光焊接系统。相对于现有技术，本发明具有良好的焊接效果，且工艺简单、控制容易、成本低廉。

Description

一种非熔透激光焊接方法与系统

技术领域

本发明涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种非熔透双光束激光焊接方法与系统。

背景技术

在激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度的焊接方法，是激光加工技术应

用的重要方面之一，激光技术应用于焊接中极大地推动了焊接技术的发展，激光焊接由于具有焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单等优点，在工业领域得到广泛应用。

激光焊接分为两种模式：激光热传导焊和激光深熔焊接。激光热传导焊类似于钨

极氩弧焊，焊接效率较低。激光深熔焊接是采用高能量密度（大于106 W/cm2）激光束照射到材料表面，材料快速熔化、汽化，甚至形成等离子体，巨大的材料蒸发汽化压力使材料中熔化的液态表面向下凹陷，形成“匙孔”，又称为“小孔”，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁和底部产生剧烈的蒸发。随着激光的继续照射，小孔持续维持，当激光停止照射后，小孔周边的熔液回流，冷却凝固形成焊缝。

目前针对类似电梯轿厢壁板等件的加强筋工艺为胶粘，工序繁琐，费时费力，使用一定年限后胶会老化。采用电阻点焊接头密闭性差，容易影响表面质量。在某些精密场合，为保证箱体内部元器件的工作环境，箱体外的加强筋都采用非熔透焊接，较为普遍的是电弧铆焊，通过填充焊丝改善焊点的性能，但是焊点表面会有很大的凸起，箱体内部容易产生变形，加强筋与箱体的搭接边尺寸大，不仅浪费材料，还增加了箱体的重量，而非熔透激光焊接单面成型就能弥补这些缺点，使用激光不仅可以点焊，而且可以很容易实现快速的连续缝焊，达到比单个焊点强度高得多的焊接接头。

相比全熔透激光焊接，非熔透激光焊接对焊接参数的变化更敏感，焊接参数的微小变化都可能导致接头产生未融合、背部烧穿等缺陷。焊缝的外观形貌是判断非熔透激光焊接试件焊接质量的重要因素，要求焊缝表面不能出现熔渣，甚至不能出现表面变色。

公开号为 “CN 104002044 B”的发明专利公开了一种非熔透激光焊接设备及焊接方法，通过实时捕捉焊缝背面的温度，得出焊接熔深情况，从而对激光功率进行实时调节，在一定程度上解决了激光非熔透焊接时焊接熔深精确控制的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中焊缝背面温度与焊接熔深的对应关系在实际生产难以准确获得，且工艺复杂。

公开号为 “CN 204524558 U”的实用新型专利公开了一种激光未熔透焊的装置，把待焊工件放置在带冷却水的工作台上，在一定程度上解决了激光非熔透焊接时下层钢材表面的受热变形问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过20℃ 的冷却水冷却下层钢材，对下层钢材的受热变形改善程度有限，对下层钢材的外表面氧化变色无能为力。

公开号为 “CN 103008884 A”的发明专利公开了一种激光搭接非熔透焊接方法，在未熔透面覆盖保护膜隔断空气进行焊接，在一定程度上解决了不锈钢轨道客车钢结构外露的未熔透面发生氧化的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法对于焊接过程中激光参数的波动等因素引起的背部烧伤甚至烧穿难以控制。

发明内容

在本发明提供一种非熔透激光焊接的方法与系统，具有良好的焊接效果，且工艺简单、控制容易。

本发明提供一种非熔透双光束激光焊接方法，包括如下步骤。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一母材与第二母材，第一母材与第二工母材。

步骤2、将第一母材和第二母材上下垂直叠接并夹紧。

步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有第一激光头、第二激光头，第一激光头、第二激光头聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布。

步骤4、启动激光焊接系统，第一激光头、第二激光头分别聚焦形成的双激光束倾斜辐照第一母材表面，完成焊接过程。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统中，双激光束中心线的交点恰好在第一工母材与第二母材叠接处。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统中，双激光束中心线与第一母材表面法线的夹角α在20°-60°之间。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接系统还包括分别与第一激光头、第二激光头对应设置的第一喷嘴、第二喷嘴，第一喷嘴、第二喷嘴分别对准第一激光头、第二激光头焊接的位置，且第一喷嘴、第二喷嘴、第一激光头、第二激光头均固定在一起。

在其中一实施例中，步骤4中，双激光束形成的熔池呈X状。

在其中一实施例中，步骤4中，双激光束依据设定的脉冲波形输出能量，双激光束设定的脉冲波形相互错开，使得双激光束能量输出此起彼伏，得到此开彼闭的焊接小孔。

本发明还提供一种非熔透双光束激光焊接系统，包括第一激光头、第二激光头，第一激光头、第二激光头聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布，且双激光束依据设定的脉冲波形输出能量，双激光束设定的脉冲波形相互错开。

在其中一实施例中，激光焊接系统还包括分别与第一激光头、第二激光头对应设置的第一喷嘴、第二喷嘴，第一喷嘴、第二喷嘴分别对准第一激光头、第二激光头焊接的位置，且第一喷嘴、第二喷嘴、第一激光头、第二激光头通过连接板固定在一起。

在其中一实施例中，双激光束中心线的交点恰好在第一母材与第二母材叠接处，双激光束中心线与第一母材表面法线的夹角α在20°-60°之间。

在其中一实施例中，双激光束形成的熔池呈X状。

附图说明

图1 是本发明实施例一种非熔透双光束激光焊接方法示意图。

图2 是图1所示焊接方法中激光束一能量输出时焊接过程横截面示意图。

图3 是图1所示焊接方法中激光束二能量输出时焊接过程横截面示意图。

图4 是图1所示焊接方法中激光束一脉冲波形图。

图5 是图1所示焊接方法中激光束二脉冲波形图。

图中：1. 第一母材 2. 第二母材 3.连接板 4.第一喷嘴 5. 第一激光头6.第一激光束7. 第二激光头 8. 第二激光束 9. 第二喷嘴 10.焊接方向 11. 夹具 12.第一焊接小孔13.熔池 14.第二焊接小孔。

具体实施方式

以下将结合附图1-5以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1－5所示，本发明实施例中，一种非熔透双光束激光焊接方法包括如下步骤。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一母材1与第二母材2，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一母材1与第二母材2的厚度为1mm-5mm。

步骤2、除去第一母材1和第二母材2上下表面上的杂质，用焊接夹具11将第一母材1和第二母材2准确上下垂直叠接并夹紧，使得第一母材1和第二母材2在焊接夹具装夹下紧密贴合，从而可大大减少了焊装夹具的调整时间。

步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有第一激光头5、第二激光头7，以及分别与第一激光头5、第二激光头7对应设置的第一喷嘴4、第二喷嘴9。

第一激光头5、第二激光头7的位置设计为聚焦发射的第一激光束6、第二激光束8沿焊接方向10并排设置且呈对称分布。双激光束中心线与母材表面法线的夹角为α，夹角α可以在20°-60°的范围内调节。第一激光头5、第二激光头7的距离与夹角配合，使双激光束中心线的交点恰好在第一母材1与第二母材2叠接处，且双激光束形成的熔池13呈X状（如图2、图3所示），得到的焊缝较宽，使两母材结合的更牢固。

第一喷嘴4、第二喷嘴9分别对准第一激光头5、第二激光头7焊接的位置，且第一喷嘴4、第二喷嘴9、第一激光头5、第二激光头7均固定在连接板上。这样，第一喷嘴4、第二喷嘴9、第一激光头5、第二激光头7可以同时移动，控制较为简单可靠。当然在其它实施例中，第一喷嘴4、第二喷嘴9、第一激光头5、第二激光头7可以对应的喷嘴和激光头相连，甚至均相互分离。

步骤4、启动激光焊接系统，第一激光头5、第二激光头7分别聚焦形成的双激光束倾斜辐照第一母材1表面，完成焊接过程。采用对称双光束激光焊接，双激光束形成的熔池合二为一，能同时冷却，有利于焊接变形的控制。并且焊缝较宽，使母材之间的连接更加牢固可靠。

双激光束可依据设定的脉冲波形输出能量，在本实施例中，如图4、图5所示，双激光束设定的脉冲波形为相互错开的矩形脉冲，使得对称并排式分布的双激光束能量输出“此起彼伏”（即当第一激光束高能量输出时，第二激光束处于低能量状态，反之亦然），得到“此开彼闭”的焊接小孔（即当第一激光束形成的第一焊接小孔12贯穿第一母材1与第二母材2时，第二激光束未形成焊接小孔或形成的第二焊接小孔14未贯穿，反之亦然，如图2、图3所示），从而克服了激光叠接焊接时焊接过程不稳定性。在本实施例中，矩形脉冲处于低电平时，激光束输出的低能量低于焊接小孔形成需要的能量阈值，因此未形成焊接小孔。在其它实施例中，根据需要，矩形脉冲处于低电平时，激光束输出的低能量可以高于焊接小孔形成需要的能量阈值，形成焊接小孔。当然，在其它实施例中，还可以根据需要，设定为非矩形脉冲波形。

本发明实施例还提供一种非熔透双光束激光焊接系统，包括第一激光头5、第二激光头7，第一激光头5、第二激光头7聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布，且双激光束依据设定的脉冲波形输出能量，双激光束设定的脉冲波形相互错开。

可选地，激光焊接系统还包括分别与第一激光头5、第二激光头7对应设置的第一喷嘴4、第二喷嘴9，第一喷嘴4、第二喷嘴9分别对准第一激光头5、第二激光头7焊接的位置，且第一喷嘴4、第二喷嘴9、第一激光头5、第二激光头7通过连接板固定在一起。

可选地，双激光束中心线的交点恰好在第一母材1与第二母材2叠接处，双激光束中心线与第一母材1表面法线的夹角α在20°-60°之间。

可选地，双激光束形成的熔池呈X状。

本发明采用对称双光束激光焊接，焊接过程中焊接小孔稳定存在，从而克服未熔透焊接时焊接过程不稳定性。另外，本发明双激光束形成的熔池合二为一，能同时冷却，有利于母材背面变形控制，并且焊缝较宽，使工件之间的连接更加牢固可靠。

Claims (5)

1.一种非熔透双光束激光焊接方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、提供需要叠接焊接的第一母材与第二母材；

步骤2、将第一母材和第二母材上下垂直叠接并夹紧；

步骤3、提供激光焊接系统，激光焊接系统具有第一激光头、第二激光头，第一激光头、第二激光头聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布，双激光束中心线的交点恰好在第一母材与第二母材叠接处；

步骤4、启动激光焊接系统，第一激光头、第二激光头分别聚焦形成的双激光束倾斜辐照第一母材表面，双激光束依据设定的脉冲波形输出能量，双激光束设定的脉冲波形相互错开，使得双激光束能量输出此起彼伏，得到此开彼闭的焊接小孔，双激光束形成的熔池呈X状，完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的一种非熔透双光束激光焊接方法，其特征在于：步骤3中，激光焊接系统中，双激光束中心线与第一母材表面法线的夹角α在20°-60°之间。

3.根据权利要求1所述的一种非熔透双光束激光焊接方法，其特征在于：步骤3中，激光焊接系统还包括分别与第一激光头、第二激光头对应设置的第一喷嘴、第二喷嘴，第一喷嘴、第二喷嘴分别对准第一激光头、第二激光头焊接的位置，且第一喷嘴、第二喷嘴、第一激光头、第二激光头均固定在一起。

4.一种非熔透双光束激光焊接系统，其特征在于，包括第一激光头、第二激光头，第一激光头、第二激光头聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布，双激光束中心线的交点恰好在第一母材与第二母材叠接处，双激光束中心线与第一母材表面法线的夹角α在20°-60°之间，且双激光束依据设定的脉冲波形输出能量，双激光束设定的脉冲波形相互错开使得双激光束能量输出此起彼伏，得到此开彼闭的焊接小孔，双激光束形成的熔池呈X状，第一工件上表面与第二工件下表面在熔池中间位置还存在未熔化的基体钢。

5.根据权利要求4所述的一种非熔透双光束激光焊接系统，其特征在于：激光焊接系统还包括分别与第一激光头、第二激光头对应设置的第一喷嘴、第二喷嘴，第一喷嘴、第二喷嘴分别对准第一激光头、第二激光头焊接的位置，且第一喷嘴、第二喷嘴、第一激光头、第二激光头通过连接板固定在一起。

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