CN105364430B - 一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它涉及一种焊接方法。本发明要解决激光焊接薄板端接接头过程中容易出现的漏光、焊缝成形不连续、焊后变形大等问题。本发明的方法为：对待焊接工件进行处理，装夹；设置滚轮与待焊接工件位置，以及相关参数；并设置待焊接的工艺参数，实施焊接。相比于传统电弧焊等，显著提高效率，焊接速度，降低了生产成本。减少热输入，降低残余变形及残余应力，减少缺陷，降低材料焊接热裂纹倾向及消除气孔，提高接头力学性能及密封性。

Description

一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种薄板端接接头激光与碾压同步的焊接方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
目前工业中经常使用的薄板连接形式多为搭接或者对接，主要于汽车板材、电机轴与屏蔽套、水箱等构件。通常材料为奥氏体和马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢、高镍合金和钛等。但是，搭接或者对接接头焊接过程中，由于薄板容易失稳变形使得搭接效果较差，对接时可能产生的气孔及裂纹也会降低其力学性能。因此，对于密封容器的连接过程中，一般除了采用搭接或对接之外，还可能采用另外一种接头形式——端接接头。
根据相关文献，最常使用的方法是TIG焊和微束等离子弧焊，焊接时易产生电弧挺度小、出现双弧等不稳定现象，存在冷却收缩应力大，热输入量大，焊接速度低，焊接应力和变形大，容易产生热裂纹等缺点。
目前，采用传统方法进行薄板焊接存在以下一些问题：
(1)对于薄板端接接头焊接，尤其是厚度小于1.0mm以下的端接接头，采用弧焊焊接过程中焊缝金属容易下趟，导致焊缝成形差，甚至无法连接；
(2)传统弧焊焊接熔深浅，抗剪强度低；
(3)焊接热输入大，工件变形较大，且焊接过程不稳定，容易产生缺陷，对力学性能及密封性有显著影响；
(4)焊接速度小，效率低，不适应大批量生产；
(5)难以实现焊接过程的自动化控制，自动化程度低。
随着科学技术的发展，对接头力学性能及密封性要求也日益提高，因而其制造方法的改进和完善有相当重大的意义。激光作为“二十一世纪最有发展潜力的焊接技术”之一，由于其具有能量密度高，焊缝质量好，深宽比大，热影响区小，焊接变形小，而且焊接速度快以及易于实现自动化等优点，已经在工业生产中得到广泛的应用。
但激光焊接对结构件装配精度要求很高，对于薄板端接接头，如何保障激光焊接过程中板的紧密贴合和焊接过程的稳定性是这一连接工艺的关键技术。同时，激光焊接的焊缝较窄，且在实际焊接过程中，在接头处易产生大量气孔缺陷，以上缺点均不利于此类结构件的力学性能及密封性。
发明内容
本发明针对激光焊接薄板端接接头过程中容易出现的漏光、焊缝成形不连续、焊后变形大等问题，而提出了一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法。
本发明旨在焊接薄板端接接头，采用激光与碾压同步的焊接方法，进行单层焊接得到符合要求的焊缝，其示意图如图1所示。激光与碾压同步焊接是将传统激光焊进行改进且与随焊碾压处理结合所得到的方法。在平行无间隙竖直放置的两薄板两侧分别放置一滚轮，在焊接过程中对焊缝进行碾压，使焊缝严格对中，激光束位于两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，通过滚轮的转动和激光束的移动来完成焊接。
本发明的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊工件的待焊接部位的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为1～10mm，激光束垂直入射，且焦点位于待焊接工件的两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-100mm～100mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为50～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～10mm；
步骤四:设定工艺参数，激光功率为500W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为5L/min～35L/min；滚轮压力为1kN～20kN，焊接速度为0.5～3m/min；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接；即完成所述的薄板端接接头同步碾压的激光焊接。
本发明相比于传统搭接接头焊接主要有以下几点优势：
1、相比于传统电弧焊等，显著提高效率，焊接速度，降低了生产成本。减少热输入，降低残余变形及残余应力，减少缺陷，降低材料焊接热裂纹倾向及消除气孔，提高接头力学性能及密封性；
2、相比于单激光焊接，通过对焊缝两侧进行碾压，效果有以下几点：(1)不仅对接头固定较强，消除了板间间隙、降低装配精度要求，更好的利用激光能量，防止漏光及焊缝成形不连续。(2)同时降低了对前道工序(剪板)直线度的要求，降低了生产成本，提高了焊接质量。(3)由于使用了滚轮进行随焊碾压，不仅可以降低薄板的变形，降低了焊后矫形成本，而且可以降低焊缝内应力，显著提高了焊缝的疲劳性能。
附图说明
图1为本发明激光同步碾压焊接示意图；
图2为实施例1焊缝宏观形貌的焊缝正面电镜图；
图3为实施例1焊缝宏观形貌的焊缝侧面电镜图；
图4为实施例1的单激光焊缝正面形貌电镜图；
图5为TIG焊焊缝宏观形貌焊缝正面电镜图；
图6为TIG焊焊缝宏观形貌焊缝侧面电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊工件的待焊接部位的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为1～10mm，激光束垂直入射，且焦点位于待焊接工件的两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-100mm～100mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为50～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～10mm；
步骤四:设定工艺参数，激光功率为500W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为5L/min～35L/min；滚轮压力为1kN～20kN，焊接速度为0.5～3m/min；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接；即完成所述的薄板端接接头同步碾压的激光焊接。
本实施方式在激光同步碾压焊接不锈钢薄板端接接头，激光器采用CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器等，其中，以采用光纤传输的YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器焊接效果最佳，因为其更加灵活和高效。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的L的负值代表沿着焊接方向，激光束在前，滚轮在后；正值反之。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：滚轮端面形状为圆弧形或平面形。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的参数，设定后，焊接过程中均保持不变。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-80mm～80mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为100～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～8mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-70mm～70mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为120～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～7mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-60mm～60mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为150～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～6mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-50mm～50mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为180～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～5mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-40mm～40mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为200～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～4mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-30mm～30mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为220～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～4mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-20mm～20mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为250～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～3mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-10mm～10mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为280～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～2mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四所述的激光功率为1000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为10L/min～35L/min；滚轮压力为5kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四所述的激光功率为2000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为15L/min～35L/min；滚轮压力为10kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四所述的激光功率为2500W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min～35L/min；滚轮压力为10kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四所述的激光功率为3000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为25L/min～35L/min；滚轮压力为10kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四所述的激光功率为4000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为25L/min～35L/min；滚轮压力为10kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
分别利用单激光焊、TIG焊以及本方法焊接2mm厚不锈钢板端接接头。具体实验方法如下：
采用本发明的方法焊接2mm厚不锈钢板端接接头：
步骤一:将待焊接工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为5mm，激光束垂直入射，且焦点位于两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与工件接触位置与激光束水平距离L为0mm，通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；滚轮直径为100mm；滚轮的端面形状为平面形，厚度10mm，接触表面宽度6mm；
步骤四:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，激光功率为3500W，离焦量为+1mm；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；滚轮压力为5kN；焊接速度为1m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接。
图2及图3分别为采用本实施例进行2mm厚不锈钢板端接接头焊接时的焊缝正面形貌以及侧面热影响区形貌，由图可以看出当采用本实施例进行焊接时，焊接过程稳定，焊缝表面成形平整美观、均匀一致，无明显的不良缺陷，热影响区范围较小。
实施例2
本实施例单激光焊焊接2mm厚不锈钢板端接接头的方法如下：
步骤一:将待焊接工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，激光功率为3500W，离焦量为+1mm；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；焊接速度为1m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤四:打开激光器电源，启动激光焊接控制***，实施焊接；
图4为采用单激光焊进行2mm厚不锈钢板端接接头焊接时的焊缝正面形貌，由于间隙的存在使激光束漏光，焊缝成形不够连续，且焊缝较窄。
实施例3
本实施例的TIG焊焊接2mm厚不锈钢板端接接头具体方法如下：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，TIG焊电弧电压为10V，电流为40A；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；焊接速度为0.2m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤四:打开TIG焊机电源，启动控制***，实施焊接；
图5和图6分别为采用TIG焊进行2mm厚不锈钢板端接接头焊接时的焊缝正面形貌以及侧面热影响区形貌，可以看出当采用TIG焊进行焊接时，焊接过程不够稳定，热影响区范围较大，且焊接速度只能达到激光焊接的1/5。
实施例4
本实施例的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊接工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为10mm，激光束垂直入射，且焦点位于两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与工件接触位置与激光束水平距离L为20mm，通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；滚轮直径为300mm；滚轮的端面形状为平面形，厚度20mm，接触表面宽度10mm；
步骤四:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，激光功率为3500W，离焦量为+1mm；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；滚轮压力为5kN；焊接速度为1m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接。
实施例5
本实施例的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊接工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为1mm，激光束垂直入射，且焦点位于两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与工件接触位置与激光束水平距离L为-20mm，通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；滚轮直径为50mm；滚轮的端面形状为平面形，厚度10mm，接触表面宽度10mm；
步骤四:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，激光功率为3500W，离焦量为+1mm；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；滚轮压力为5kN；焊接速度为1m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接。
实施例6
本实施例的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊接工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为6mm，激光束垂直入射，且焦点位于两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与工件接触位置与激光束水平距离L为1mm，通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；滚轮直径为100mm；滚轮的端面形状为平面形，厚度10mm，接触表面宽度8mm；
步骤四:设定工艺参数，根据待加工材料的厚度，激光功率为3800W，离焦量为+1.5mm；保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min；滚轮压力为10kN；焊接速度为1m/min；上述参数，一旦确定，焊接过程中均保持不变；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接。
以上实施例4～6相较于传统电弧焊等，显著提高效率，焊接速度，降低了生产成本。减少热输入，降低残余变形及残余应力，减少缺陷，降低材料焊接热裂纹倾向及消除气孔，提高接头力学性能及密封性；且能够达到很好的焊接效果。
最后应当说明的是，以上实施例仅是对本发明较佳实施方案的描述并不限制本发明的保护范围，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将待焊工件的待焊接部位的两侧表面进行打磨或清洗；
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤三:保持滚轮在焊接方向两侧水平布置，两滚轮高度一致，且距离焊缝上表面垂直距离为1～10mm，激光束垂直入射，且焦点位于待焊接工件的两平板接缝处，两滚轮相对激光束位置保持不变，两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-100mm～100mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为50～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～10mm；
步骤四:设定工艺参数，激光功率为500W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为5L/min～35L/min；滚轮压力为1kN～20kN，焊接速度为0.5～3m/min；
步骤五:打开激光器和碾压装置电源，启动激光同步碾压焊接控制***，实施焊接；即完成所述的薄板端接接头同步碾压的激光焊接；
步骤三所述的参数，设定后，焊接过程中均保持不变；所述的L的负值代表沿着焊接方向，激光束在前，滚轮在后；正值反之；滚轮端面形状为圆弧形或平面形。
2.根据权利要求1所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-80mm～80mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为100～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～8mm。
3.根据权利要求2所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-60mm～60mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为200～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～6mm。
4.根据权利要求3所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤三所述的两轮与待焊接工件接触位置与激光束水平距离L为-40mm～40mm；通过滚轮的转动和激光束的移动来实现焊接；其中，滚轮直径为200～300mm；滚轮厚度≤20mm；接触表面宽度为1～4mm。
5.根据权利要求1所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤四所述的激光功率为1000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为10L/min～35L/min；滚轮压力为5kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。
6.根据权利要求5所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤四所述的激光功率为2000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为20L/min～35L/min；滚轮压力为10kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。
7.根据权利要求6所述的一种薄板端接接头同步碾压的激光焊接方法，其特征在于步骤四所述的激光功率为3000W～5kW，离焦量为﹣3～﹢3mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为30L/min～35L/min；滚轮压力为15kN～20kN，焊接速度为1～3m/min。
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