CN112743230B - 一种镁合金激光焊接的方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镁合金激光焊接方法，包括如下步骤：步骤1、提供需要焊接的第一工件与第二工件。步骤2、将第一工件和第二工件对接并夹紧，放置于两个左右磁体中间。步骤3、提供三激光焊接***，三个激光焊接头通过法兰盘固定于机械手末端，位于同一平面内。步骤4、启动磁场发生装置，启动激光焊接***，开启保护气，第一激光束垂直辐照工件表面，第二激光束和第三激光束倾斜辐照于工件表面。步骤5、当机械手末端运动到焊接路径的终点时，关闭激光器、关闭保护气、关闭电磁场发生装置，完成焊接过程。本发明还公开一种镁合金激光焊接***。相对于现有技术，本发明可以有效解决熔融状态下镁合金表面张力较小，易产生塌陷等问题。

Description

一种镁合金激光焊接的方法与***

技术领域

本发明涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种镁合金激光焊接的方法与***。

背景技术

激光焊接具有非接触、高效、热变形量小等优点，已广泛应用于汽车、模具、电子等行业。

随着汽车工业的快速发展,节能降耗要求的不断提高以及安全和环保法规的日趋严格,汽车轻量化的要求更为迫切,采用镁合金制成汽车零部件可取得显著的减重效果(为钢、铸铁的60％～75％)，我国作为镁资源大国,镁合金的产业化应用己成为国家科技战略发展目标之一。

镁合金作为21世纪的绿色工程材料，相比于传统的钢铁材料具备诸多优良的特性，越来越受到国内外的重视，但其物理性质也使镁合金在焊接时遇到一系列问题，主要存在以下问题：

由于镁合金在融融状态下表面张力较小，因此焊接过程中容易产生焊缝下塌的缺陷，造成焊缝成形不良。

活性剂针对镁合金的激光焊接加工开发，采用无毒成分替代剧毒的氟化物，通过添加Ca、Mn等元素不仅改变了电弧形态、焊接熔池表面张力，而且增强了活性剂的脱渣性以及镁合金的焊后外观，采用严格控制粒径范围的方式增强了活性剂的性能。在增强焊接熔深的同时保证了镁合金的激光焊接质量。

针对上述在镁合金焊接时出现的问题，现有的激光焊接领域，存在以下几种解决方案：

2003年9月20日公布，公开号为CN 1526507 A的发明专利“镁合金激光-TIG焊接方法”，本发明利用激光和TIG两种工艺相结合，提出了焊接过程中两种热源功率的相互有机匹配，在一定程度上解决了原有激光焊接方法的能源消耗大、生产效率低的问题，但由于TIG焊方高热量输入，使得具有极强的氧化性的Mg，在焊接时更容易与空气中的氮、氧等元素形成多种化合物杂质，焊接过程中若这些杂质随着熔体被卷入到熔池内部不易排出就会形成夹渣。

2020年1月10日公布，公开号为CN 110666310 A的发明专利“一种铝镁合金薄板的平对接MIG焊接方法”，本发明采用平位置将2块铝镁合金薄板进行MIG焊接，坡口采用对称V型坡口进行焊接，在一定程度上改善了焊缝的耐腐蚀性能，但因焊前需要开15°-20°坡口，使得加工难度大大提高，且减小了装配间隙。

可以看出，在现有的技术中，对于镁合金的焊接过程中出现的焊缝塌陷、接头软化、焊缝变形问题，并未得到明显解决，因此，需要一种适应性好、控制容易且焊接效果好的激光焊接镁合金的方法与***。

发明内容

本发明针对熔融状态下镁合金表面张力较小，焊缝成形差，易产生塌陷等缺陷问题，提供了的一种镁合金激光焊接的方法与***，具有良好的焊接效果。

本发明提供一种镁合金激光焊接的焊接方法，包括如下步骤：

步骤1、提供需要对接焊接的第一工件与第二工件。

步骤2、将第一工件和第二工件对接并夹紧，放置于两个左右磁体中间。

步骤3、提供激光焊接***，激光焊接***具有激光器、传输光纤、光闸、第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤、第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头、保护气喷嘴器、电磁场装置以及机械手；第一激光焊接头竖直向下布置、第二激光焊接头与第三激光焊接头并列对称分布于第一激光焊接头两侧，横向分布于同一平面内，通过法兰盘固定于机械手末端。

步骤4、启动电磁场发生装置，启动激光焊接***，开启保护气，第一激光焊接头位于对接接头正上方，发射第一激光束，垂直辐照工件表面，第二激光焊接头与第三激光焊接分别发射第二激光束和第三激光束倾斜辐照于工件表面，第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头同步向前，实施焊接工作。

步骤5、当机械手末端运动到焊接路径的终点时，关闭激光器、关闭保护气，完成焊接过程。

在其中一实施例中，步骤1中，第一工件与第二工件材料为镁合金。

进一步地，第一工件和第二工件厚度5～10mm。

在其中一实施例中，步骤2中，磁体为两个，平行安装在水平放置的焊接夹具的凹槽内，工件在两个磁体之间并通过焊接夹具夹紧定位。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接***中，激光器功率为5～10kW。

在其中一实施例中，步骤3中，激光焊接***中，第二激光束和第三激光束与第一激光束中心线的所成夹角α可以根据板厚，进行调节。

进一步地，夹角α调节范围为15°～60°。

在其中一实施例中，步骤3中，通过电流发生器提供的电流作用在工件熔池上，使得被焊工件在稳态磁场中受到稳定电磁力的作用，基于该电磁力，使得下部熔池不会往下坠落。

进一步地，该磁场强度为20～200mT。

在其中一实施例中，步骤4中，第二激光束与第三激光束作用点与第一激光束作用点相距δ为3～5mm。

在其中一实施例中，步骤4中，激光焊接时，第二激光束与第三激光束所形成第二熔池、第三熔池的末端，位于第一激光束所形成的第一熔池底部。

进一步地，焊接熔池底部宽度B为3～10mm。

本发明还提供一种镁合金激光焊接***，包括激光器、传输光纤、光闸、第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤、第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头、保护气喷嘴、电磁场发生装置以及机械手；其中，第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头通过法兰盘固定于机械手末端。

在其中一实施例中，由激光器发出的激光经光闸分光，通过第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤分别传送到第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头。

在其中一实施例中，固定于机械手末端法兰盘上的、第二激光焊接头、第三激光焊接头与第一激光焊接头之间的角度可根据被焊工件的厚度实时调节，其调节范围在15°～60°之间。

在其中一实施例中，由于第二激光束和第三激光束的作用，使得熔池呈现上方窄，下方宽的形状，熔池上部分为三个独立区域，得到在单面施焊情况下，下表面较宽的焊缝。

在其中一实施例中，在电磁场的辅助作用下，下方熔池的下掉得到有效控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1.本发明在第一激光束施焊的基础上，增设并列的第二激光束和第三激光束，焊接过程中第一激光束、第二激光束和第三激光束分别获得第一焊接熔池、第二焊接熔池和第三焊接熔池。第一焊接熔池、第二焊接熔池和第三焊接组成焊接熔融区，焊接熔融区的上部分为三个独立区域，焊接熔融区底部宽度增大，更多熔融金属直接在位于焊缝底部的电磁场的作用下而受到向上的洛伦兹力；如此，有效避免了镁合金焊缝塌陷的问题。

2.本发明在第一激光束施焊的基础上，增设并列的第二激光束和第三激光束，焊接熔融区底部宽度增大，更多熔融金属直接受到位于焊缝底部的电磁场的作用，由此电磁场的强度大大降低，增强了电磁场辅助激光焊接工艺的环境适应性。

附图说明

图1是本发明实施一种镁合金激光焊接的方法与***所涉及的设备与母材布置示意图；

图2是图1所示方法中焊接区横截面示意图；

图3是常规焊接方法中焊缝横截面成型示意图；

图4是图2所示状态中焊缝横截面成型示意图；

图5是本发明实施一种镁合金激光焊接的方法过程中熔池在电磁场中所受向上洛伦兹力示意图。

图1中：1、第一工件2、第二工件3、激光器4、传输光纤5、光闸6、第一操作光纤7、第二操作光纤8、第三操作光纤9、第一激光焊接头10、第二激光焊接头11、第三激光焊接头12、第一激光束13、第二激光束14、第三激光束15、保护气喷嘴16、保护气瓶17、机械手18、左磁体19、右磁体

图2中：1、第一工件2、第二工件20、第一熔池21、第二熔池22、第三熔池23、第一小孔24、第二小孔25、第三小孔12、第一激光束13、第二激光束14、第三激光束

图5中：1、第一工件2、第二工件18、左磁体19、右磁体20、第一熔池

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，一种镁合金激光焊接方法包括如下步骤：

步骤1、提供需要焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2均为镁合金板，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一工件1与第二工件2的厚度为5～10mm。

步骤2、除去第一工件1和第二工件2上下表面上的杂质，并打磨清理对接焊缝周围10毫米区域，用毛刷将糊状活性剂刷涂在清理后的区域，涂层厚度1-2毫米，干燥5分钟。

步骤3、将第一工件1和第二工件2准确对接并夹紧，使得第一工件1和第二工件2紧密贴合，即对接板间间隙为零，此时第一工件1和第二工件2位于左磁体18和右磁体19中间。

步骤4、提供激光焊接***，激光焊接***具有激光器3、传输光纤4、光闸5、第一操作光纤6、第二操作光纤7、第三操作光纤8、第一激光焊接头9、第二激光焊接头10、第三激光焊接头11以及保护气喷嘴15。

步骤5、启动磁场发生装置，启动激光焊接***，开启保护气，第一激光焊接头位于对接接头正上方，发射第一激光束，垂直辐照工件表面，第二激光焊接头与第三激光焊接分别发射第二激光束和第三激光束倾斜辐照于工件表面。

步骤6、当机械手运动到对接接头的末端时，关闭激光器、关闭保护气、关闭磁场，完成焊接过程。

在工件表面所表面涂覆的镁合金焊接专用活性剂，由SiO₂、CaO、MnO₂、钙的碳酸盐按一定比例混合均匀，其中二氧化硅、氧化钙、二氧化锰、钙的碳酸盐粒径为45μm。

第一激光焊接头9输出第一激光束12，垂直辐射于对接接头中心形成熔池；第二激光头10、第三激光焊接头11并排设置且呈对称分布分别输出第二激光束13、第三激光束14同时作用在焊接区。保护气喷嘴15位于熔池前方，以15～30L/min的流量吹出99.9％氩气作用于焊接中心区。

第一激光焊接头9、第二激光焊接头10与第三激光焊接头11通过机械手4固定，使其在同一平面内，以焊接速度为0.3～1.0m/min同步向前施焊。其所形成第二激光焊接头10、第三激光束14中心线与第一激光束12中心线的夹角为α，夹角α根据所焊工件的厚度可以在15°～60°的范围内调节，使得第二激光束、第三激光束所形成第二熔池、第三熔池的末端恰好位于第一激光束所形成熔池的底部，使熔池体积上方较小，下方较大，熔池上方为三个独立区域，下方宽度B为3～10mm。

通过电流发生器提供的电流作用在工件熔池上，使得被焊工件在左磁体18和右磁体19所形成的稳态磁场中受到稳定电磁力的作用，下方熔池不会下掉。

本发明实施例还提供一种镁合金激光焊接***，包括激光焊接***具有激光器3、传输光纤4、光闸5、第一操作光纤6、第二操作光纤7、第三操作光纤8、第一激光焊接头9、第二激光焊接头10、第三激光焊接头11。

可选地，第一激光焊接头9聚焦发射的激光束垂直辐射于对接接头中心，其功率为5～10kW，

可选地，第二激光焊接头10、第三激光焊接头11聚焦发射的激光束沿焊接方向并排设置且呈对称分布，其功率为5～10kW。

可选地，激光焊接***还包括，可以根据所焊工件的厚度调节第二激光焊接头10、第三激焊接头11与第一激光焊接头9的夹角为α，夹角α的调节范围为在10°～60°。

可选地，激光焊接***还包括保护气喷嘴15，可以吹出99.995％氩气作用于焊接中心区。

可选地，激光焊接***还包括由左磁体18、右磁体19等组成的电磁场发生装置，位于工件下方，提供磁场强度为20～200mT，保证下方熔池不会下掉。

本发明实施例能有效解决在镁合金焊接中，因镁合金在熔融状态下表面张力较小，因此焊接过程中容易产生焊缝下塌的缺陷，造成焊缝成形不良的问题。常规焊接方式所形成的熔池，上部体积大，向下的重力和流体动压力驱动形成凹陷，而采用本发明的方法所形成的熔池，上部熔池体积小，向下的重力小，通过施加电磁场，即可控制熔池下掉，避免了在常规焊接时，上部熔池体积大，向下的重力和流体动压力驱动造成焊缝下塌的缺陷。

Claims (5)

1.一种镁合金激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、提供需要对接焊接的第一工件与第二工件；

步骤2、将第一工件和第二工件对接并夹紧，放置于两个左右磁体中间；

步骤3、提供激光焊接***，激光焊接***具有激光器、传输光纤、光闸、第一操作光纤、第二操作光纤、第三操作光纤、第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头、保护气喷嘴器、电磁场装置以及机械手；第一激光焊接头竖直向下布置、第二激光焊接头与第三激光焊接头并列对称分布于第一激光焊接头两侧，横向分布于同一平面内，通过法兰盘固定于机械手末端；

步骤4、启动磁场发生装置，启动激光焊接***，开启保护气，第一激光焊接头位于对接接头正上方，发射第一激光束，垂直辐照工件表面，第二激光焊接头与第三激光焊接分别发射第二激光束和第三激光束倾斜辐照于工件表面，其所形成第二激光焊接头、第三激光束中心线与第一激光束中心线的夹角为α，夹角α根据所焊工件的厚度可以在15°～60°的范围内调节，使得第二激光束、第三激光束所形成第二熔池、第三熔池的末端恰好位于第一激光束所形成熔池的底部，使熔池体积上方较小，下方较大，熔池上方为三个独立区域，下方宽度为3～10mm，第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头同步向前，实施焊接工作；

步骤5、当机械手末端运动到焊接路径的终点时，关闭激光器、关闭保护气，完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的镁合金激光焊接方法，其特征在于，第一工件和第二工件均为镁合金板，其厚度为5～10mm。

3.根据权利要求1所述的镁合金激光焊接方法，其特征在于，第一激光焊接头所发射第一激光束、第二激光焊接头所发射第二激光束以及第三激光焊接头所发射的第三激光束功率为5～10kW。

4.根据权利要求1所述的镁合金激光焊接方法，其特征在于，第一激光焊接头、第二激光焊接头、第三激光焊接头通过机械手末端方法兰盘固定，位于同一平面内。

5.根据权利要求1所述的镁合金激光焊接方法，其特征在于，电磁场发生装置所形成电磁场位于熔池下方，磁场强度大小为20-200mT，控制下方熔池不会下掉。

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