CN109848560B - 一种激光电弧复合热源装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光电弧复合热源装置及其焊接方法，包括激光头、弧焊枪和用于调节激光头与弧焊枪相对位置的运动机构，所述运动机构包含有圆弧杆、运动单元和环形单元，所述运动单元包含X方向运动单元、Y方向运动单元和XZ面夹角运动单元，该装置可用于两层或多层搭接板材组合焊接，尤其是用于含有镀层的板材焊接。

Description

一种激光电弧复合热源装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光电弧复合热源装置及其焊接方法，属于焊接装备技术领域。

背景技术

镀层材料，比如镀锌层钢板，由于具有优良的防腐蚀性能，在汽车、家电、建筑等领域得以广泛应用。

在汽车行业中，白车身所使用的钢板材料表面通常含有镀锌层，比如电镀锌、热镀锌、合金化镀锌等。材料进行焊接的组合方式通常是搭接，包括两层板或者多层板材料搭接组合，对这类材料组合进行焊接的常规方法是电阻点焊，是一种通过使用铜电极，从搭接材料板上下两面使用几千牛顿的压力压住材料，然后通过几千安培甚至更大的焊接电流，利用材料之间的接触电阻产热熔化实现连接的焊接方法。这种焊接方法需要双面操作、针对不同的材料组合需要不同的电极和焊枪，同时能耗高、二氧化碳排放量大。

汽车轻量化与节能减排是汽车制造的发展方向，因此需要新的耗能更少的焊接方法。同时新的汽车轻量化材料，比如超高强钢，在电阻点焊过程中会出现裂纹、飞溅大等问题，因此需要新的更为有效的焊接方法。

激光焊接作为一种高效率、高柔性、低能耗的绿色焊接方法，最近十几年在汽车行业中得到越来越多的应用。但是，单独使用激光在镀锌钢板零间隙搭接焊过程中，搭接界面镀锌层低沸点（907℃）的锌蒸发，形成高压锌蒸汽，会造成焊缝产生飞溅、孔洞等缺陷。为了应用激光，在实际生产中使用了激光制造凸点的预处理工序（laser dimpling），这种预处理工序增加了固定资产投入，降低了生产效率。更为重要的是，即使使用了预处理工序，也只能进行短线、C形等焊缝形状的焊接，而无法获得强度更高的圆形焊点形状焊缝。

为了扩大激光焊接技术的应用，降低生产成本，解决镀锌钢板零间隙搭接激光焊以及超高强钢焊接缺陷多、性能差的问题，需要新的焊接产品与焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光电弧复合装置，激光与电弧的作用位置可以任意调节，同时提出一种方法，取代电阻点焊，提高焊接强度和焊接效率，解决现有板材，尤其是含有镀层板材的焊接问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的激光电弧复合热源装置包括激光头、弧焊枪和用于调节激光头与弧焊枪相对位置的运动机构，所述运动机构包含有圆弧杆、运动单元和环形单元，所述运动单元包含X方向运动单元、Y方向运动单元和XZ面夹角运动单元。

进一步地，所述XZ面夹角运动单元安装在圆弧杆上，所述X方向运动单元安装在环形单元上，所述Y方向运动单元连接在圆弧杆一端，另一端与X方向运动单元连接。

进一步地，所述激光电弧复合热源装置还包括电磁调节机构，利用软件控制运动机构各运动单元的位置，实现在焊接过程中弧焊枪尖端与激光束焦点相对位置的自动调节；所述激光头通过光纤与激光器连接，所述弧焊枪通过钨极或焊丝与工件之间产生电弧。

本发明提出一种采用激光电弧复合热源装置进行两层或多层搭接板材组合焊接方法，包括如下步骤：

（a）通过弧焊枪在上层板的上表面产生电弧并持续或者以脉冲的形式作用一段时间，从起弧到电弧熄灭作用时间整体范围0.1秒到5秒，优选从0.5秒到2秒；

（b）将单束或多束激光束作用在电弧作用区域的中心，持续或者以脉冲的形式整体作用时间0.1秒到5秒，优选从0.3秒到2秒；

（c）焊接区域冷却凝固在板材组合之间形成焊缝。

进一步地，所述激光束与弧焊枪在材料表面固定圆周范围内进行焊接，所述焊缝的形状包括但不限于圆点形或者椭圆形。

进一步地，本发明的激光电弧复合热源装置进行两层或多层搭接板材组合焊接方法还包括先进行电弧作用，电弧作用停止后进行激光作用。

进一步地，本发明的激光电弧复合热源装置进行两层或多层搭接板材组合焊接方法还包括电弧与激光作用在工件表面的起止时间范围部分或全部重合。

进一步地，本发明的激光电弧复合热源装置进行两层或多层搭接板材组合焊接方法还包括弧焊枪先在工件表面产生电弧，在此过程中，运动机构控制焊枪移动使电弧在一定范围内运动，然后电弧停止，激光头发射一个大尺寸光斑的激光束作用在此前电弧作用过的区域，产生熔池，形成焊缝连接。

进一步地，本发明所述大尺寸光斑作用在工件表面的光斑直径为0.8-5.0毫米，电弧作用过程中在15毫米的圆周范围内移动。

进一步地，本发明的激光电弧复合热源装置进行两层或多层搭接板材组合焊接方法，所述搭接板材含有镀层，所述镀层包括但不限于热镀锌层、电镀锌层、合金化镀锌层、铝硅镀层、铝镁锌镀层或氧化铝镀层。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的有益效果是：通过电弧热源的预热作用使搭接材料组合界面间的镀层部分烧蚀与氧化，再利用激光的高能量密度熔化多层材料，从而可以消除镀层的不利作用，比如镀锌层的高压蒸汽造成的熔池***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1表示发明装置与焊接材料组合示意图。

图2表示使用单独电弧预热作用后焊点组合横截面照片。

图3表示使用电弧预热之后，再通过激光作用形成的焊点横截面照片。

图4表示使用电弧预热之后，再通过激光作用形成的四个焊点表面照片。

附图标记，1-激光头、11-激光束、12-聚焦模块、13-激光头连接部件、2-弧焊枪、21-钨极或焊丝、22-弧焊枪连接部件、3-运动机构、31-圆弧杆、32-XZ面夹角运动单元、33-Y方向运动单元、34-X方向运动单元、35-环形单元、4-板材、41-板材4上表面、42-板材4下表面、5-板材、51-板材5上表面、52-板材5下表面、45-板材4下表面42与板材5上表面51组成搭接焊接组合的界面。

具体实施方式

下面将结合附图1-4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。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例

如附图1所示，本发明装置由激光头1、弧焊枪2、运动机构3组成。

其中激光头1通过连接部件13与激光器的操作光纤进行连接并输入激光能量，之后经过准直、光斑塑形等模块，通过聚焦模块12输出激光束11。

弧焊枪2通过连接部件22与弧焊电源连接，可以同时与焊丝输送机构以及保护气管路进行连接，之后经过焊枪杆与焊枪嘴，通过钨极或者焊丝21与工件4表面产生电弧。其中，钨极或者焊丝21的伸出焊嘴的长度可以通过焊枪内部的抽送机构进行任意调节，以适应不同焊接工艺的需求，优选伸出长度范围5毫米到20毫米。

激光头1与弧焊枪2之间在通讯上通过可编程控制器等信号操控软硬件进行同步，通讯方面市场上已经有成熟的方案，能够实现本发明装置的实施。

激光头1与弧焊枪2之间在物理上通过运动机构3进行连接，运动机构3由几个相互独立的运动单元组成，可以实现焊接过程中弧焊枪的运动，具体运动功能描述如下：

1、弧焊枪2可以在运动机构3的圆弧杆31上以钨极或者焊丝21在某一长度时的端点为圆心旋转，从而调节弧焊枪2与激光头1之间在XZ面上的夹角，夹角的调节范围从15°到75°变化。

2、弧焊枪2在上述圆心与圆弧杆圆弧径向上的位置通过XZ面夹角运动单元32进行调节。

3、弧焊枪2可以绕激光束11的中心轴线做圆周旋转，通过Y方向运动单元33和X方向运动单元34在环形单元35上的圆周移动实现。

4、弧焊枪2在X方向上的位置通过X方向运动单元34进行调节，移动范围0–15毫米之间，X方向运动单元34相对于环形单元35在X方向上移动。

5、弧焊枪2在Y方向上的位置通过单元33进行调节，移动范围0–15毫米之间，Y方向运动单元33相对于X方向运动单元34在Y方向上移动。

6、弧焊枪2在Z方向上的位置通过环形单元35进行调节，移动范围0–30毫米之间，环形单元35相对于激光头1在Z方向上移动。

在附图1中，用于说明本发明进行焊接试验的材料组合包含板材4和板材5，板材4包含上表面41和下表面42，板材5包含上表面51和下表面52，板材4的下表面42与板材5的上表面51组成搭接焊接组合的界面45。对于镀锌钢板材料，板材4和板材5的上下表面分别都有一层镀锌层，镀锌层的厚度为2微米到50微米，优选为5微米到25微米。

焊接过程可以划分为电弧预热与激光焊接两个步骤，以下描述将以这两个步骤分别进行。需要注意的是，实际焊接过程中，两个步骤可以重叠，并且可以添加焊丝、提供保护气体，通过利用本发明装置的各项功能实现相关材料组合的焊接。

在电弧预热步骤中，钨极或者焊丝21在板材4的上表面41产生电弧，电弧能量使板材4升温，靠近电弧热源的表面41的镀锌层蒸发逸走，基体钢材也发生熔化，并向周围传导热量。热量传导至板材5的过程中，使界面45温度升高，随着温度进一步升高，使板材4下表面42和板材5上表面51的镀锌层逐渐蒸发逸走，其中部分锌被氧化。经过电弧预热步骤之后，界面45会形成图2中所示锌（Zn）去除区域，从而使后续焊接过程稳定进行。

在电弧预热步骤中，钨极或者焊丝21端点的位置保持固定，电弧持续作用一段时间，范围从0.1秒到5秒，优选从0.5秒到2秒。或者其位置在电弧作用过程中，按照上述运动功能所存在的方向移动，以改变电弧作用位置。具***置移动方式和范围根据焊接材料组合的不同进行设置，可以通过后台软件编写程序进行控制。

电弧预热之后，进行激光焊接。电弧作用停止之后，钨极或者焊丝21的端点位置移动到激光束11的光束路径之外，激光束11输出并作用在此前电弧作用过的区域，光束作用形式为脉冲或者连续激光，作用时间范围从0.1秒到5秒，优选从0.3秒到2秒。在此过程中，激光束作用位置保持不变，或者在直径15毫米圆周范围内移动，根据此前电弧作用位置进行移动位置的设置与控制。激光能量在图2所示电弧预热后的试样中作用之后，形成的焊点横截面如图3所示。焊点的表面形貌见图4，采用相同装置与方法，可以获得形貌相同的一组焊点。

在另一优选例中，激光束11在电弧作用停止之前即作用在板材4的表面41，可以实现类似的焊接效果。

在另一优选例中，焊丝21在电弧作用停止之后停留在激光束11的光束路径上，在激光作用过程中，部分激光能量作用在焊丝21上，从而实现对焊缝区域添加合金元素的需求。

在另一优选例中，输出钨极或者焊丝21的弧焊枪喷嘴同时输出焊接保护气体，对焊缝区域提供防止氧化等保护作用。

尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种采用激光电弧复合热源装置进行多层搭接板材组合焊接的方法，其特征在于，

所述激光电弧复合热源装置包括激光头（1）、弧焊枪（2）、用于调节激光头与弧焊枪相对位置的运动机构（3）、电磁调节机构；

所述运动机构（3）包含有圆弧杆（31）、运动单元和环形单元（35），所述运动单元包含X方向运动单元（34）、Y方向运动单元（33）和XZ面夹角运动单元（32）；

所述XZ面夹角运动单元（32）安装在圆弧杆（31）上，所述X方向运动单元（34）安装在环形单元（35）上，所述Y方向运动单元（33）一端连接在圆弧杆（31）上，另一端与X方向运动单元（34）连接；

所述电磁调节机构利用软件控制运动机构（3）各运动单元的位置，实现在焊接过程中弧焊枪尖端与激光束焦点相对位置的自动调节，并且

所述方法包括如下步骤：

（a）通过弧焊枪在上层板的上表面产生电弧并持续或者以脉冲的形式作用一段时间，从起弧到电弧熄灭作用时间整体范围0.1-5秒；

（b）将单束或多束激光束作用在电弧作用区域的中心，持续或者以脉冲的形式整体作用时间0.1-5秒；

（c）焊接区域冷却凝固在板材组合之间形成焊缝；

其中，弧焊枪先在工件表面产生电弧，在此过程中，运动机构控制弧焊枪移动使电弧在一定范围内运动，然后电弧停止，激光头发射一个大尺寸光斑的激光束作用在此前电弧作用过的区域，产生熔池，形成焊缝连接；

所述大尺寸光斑作用在工件表面的光斑直径为0.8-5.0毫米，在电弧作用过程中，所述电弧在15毫米的圆周范围内移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光束与弧焊枪在材料表面固定圆周范围内进行焊接，所述焊缝的形状包括圆点形或者椭圆形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：先进行电弧作用，电弧作用停止后进行激光作用。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电弧与所述激光束作用在工件表面的起止时间范围部分或全部重合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述搭接板材含有镀层，所述镀层包括热镀锌层、电镀锌层、合金化镀锌层、铝硅镀层，铝镁锌镀层或氧化铝镀层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光头通过光纤与激光器连接，所述弧焊枪通过钨极或焊丝与工件之间产生电弧。

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