專利名稱：一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型激光點焊方法，特別涉及金屬材料薄板的激光脈沖點焊的方法。
背景技術：
點焊技術是目前連接薄板搭接接頭的一種最主要的連接方法，作為一種成熟的焊 接工藝在各種工業(yè)生產(chǎn)中的應用都非常廣泛。點焊的種類非常多，有傳統(tǒng)的電阻點焊、電弧 點焊，也有近幾年發(fā)展迅速的激光點焊、攪拌摩擦點焊和復合點焊等，如表1所示。激光點 焊是一種以激光作為熱源的高效、高精密點焊新方法，焊點深寬比大，變形小，特別是單面 非接觸式的焊接方法可以極大地增強點焊工藝對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的適應性，特別是針對蒙皮骨架 結(jié)構(gòu)可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，有望在不久的將來替代傳統(tǒng)點焊工藝和鉚接工藝 在汽車與航空、航天工業(yè)中推廣應用。表1各種點焊方法的比較
點焊方法點焊方式焊點形態(tài)焊接變形自動化程度電阻點焊雙面接觸封閉式焊點較大較高激光點焊單面非接觸熔透焊點較小較高攪拌摩擦點焊單面接觸非熔透焊點較小一般但是由于激光點焊屬于定點加熱，因此激光點焊時工件某一點位置的熱輸入量要 高于激光連續(xù)焊接，這對于一些低熔點材料如鋁合金和鎂合金來說，激光點焊過程中材料 的燒損量較大，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、下塌等缺陷，特別是鋁合金材料對激光的反射率較高， 導致點焊過程的穩(wěn)定性較差。由于激光點焊焊點內(nèi)部的氣孔和裂紋缺陷較為嚴重，因此對 于缺陷的形成原因及解決措施的研究文獻較多。大量文獻表明金屬的蒸發(fā)損失和飛濺是 導致下塌的主要原因；而氣孔和裂紋的產(chǎn)生原因則是由于點焊的加熱和冷卻速度極快，熔 池中的氣泡無法在匙孔閉合前溢出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決目前激光點焊過程中材料的燒損量較大，容易產(chǎn)生氣孔、 裂紋和下塌缺陷的問題。—種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，它提出的調(diào)制激光輸出脈沖波形的方法 可以有效減少氣孔、裂紋和下塌，是一種抑制激光點焊缺陷的較為簡便和理想的方法。具體 實施方案一、對待焊工件進行預處理；二、固定待焊工件；三、采用激光脈沖點焊方法進行 焊接，激光脈沖點焊可以以抑制氣孔和裂紋的形成，控制下塌現(xiàn)象的發(fā)生，能使焊點尺寸的 一致性好，且表面光滑。
一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法其優(yōu)點具體表現(xiàn)在以下幾點(1)采用脈沖波形可以有效減少焊接過程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋和下塌；(2)采用脈沖波形可以降低激光的平均功率，降低激光對材料的熱輸入；(3)采用脈沖波形的激光可以對熔池形成攪拌作用，從而改善焊縫質(zhì)量；(4)采用脈沖波形有利于材料對激光功率的吸收，提高焊接速度；(5)采用脈沖波形可以實現(xiàn)小功率激光器對中厚板的點焊。


圖1是本發(fā)明的激光脈沖點焊過程示意圖； 圖2是本發(fā)明采用的尖峰式脈沖波形；
圖3-1 3-3是本發(fā)明采用的三種緩降脈沖波形； 圖4-1 4-2是本發(fā)明采用的兩種緩升脈沖波形； 圖5-1 5-2是本發(fā)明采用的兩種鋸齒脈沖波形。
具體實施例方式具體實施方式
一本發(fā)明采用激光脈沖點焊方法，對工件進行點焊接。該方法包括以下步驟步驟一、將待焊工件的焊縫加工成所需精度，并去除工件表面氧化膜；步驟二、將待焊工件固定在工作臺上，由于沒有電阻點焊中電極壓力的作用，因此 點焊時需要將上、下兩板夾緊；步驟三、點焊時采用連續(xù)出光的方式，脈沖波形的激光通過透鏡聚焦后作用于工 件表面，經(jīng)過一定的點焊時間形成焊點；步驟三的工藝參數(shù)范圍是脈沖激光功率的平均值為0.6_2kW，出光時間為 0. 3-ls，離焦量為-2-0mm，板間隙小于0. 4mm。步驟三中激光光束類型為0)2氣體激光光束、NdiYAG固體激光光束、半導體激光 光束或光纖激光光束。點焊時工件正、背面均采用Ar氣保護，其中正面采用側(cè)吹噴嘴保護，保護氣流量 為15L/min，背面則通過夾具中的通氣孔進行保護，保護氣流量為5L/min。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中采用是機 械方法去除工件表面氧化膜。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟一中采用是化 學方法去除工件表面氧化膜。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟三中采用尖峰 脈沖波形進行點焊接，尖峰脈沖在0. 02s內(nèi)上升功率達到1800w，0. 02s 0. 05s之間功率 下降至1200w，0. 05s之后功率保持1200w不變至焊接結(jié)束，具體波形如圖2所示。根據(jù)本實施方式，通過對焊接工件的剖切與普通激光點焊對比可以得到高能量的 尖峰式激光脈沖波形足以突破熔化金屬材料所需的激光功率閾值，形成匙孔，從而增大材 料對后續(xù)小功率矩形波的能量吸收率，并保證不會由于能量過大造成合金元素的過量燒損 和蒸發(fā)而影響焊點質(zhì)量。而且高能量的尖峰波段可以克服材料表面的粗糙度、凹坑等因素的情況，從而提高小功率下激光點焊的穩(wěn)定性，保證最終焊點尺 寸的一致性好。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟三中采用緩降 脈沖波形進行點焊接。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
五的不同點是步驟三中采用的緩 降脈沖波形在最后0. 2s的時間內(nèi)，功率由ISOOw下降至1400w，此時焊接結(jié)束，具體波形如 圖3-1所示。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
五的不同點是步驟三中采用的緩 降脈沖波形在最后0. 2s的時間內(nèi)，功率由ISOOw下降至0w，此時焊接結(jié)束，具體波形如圖 3-2所不。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
五的不同點是步驟三中采用的緩 降脈沖波形從Os起，功率從ISOOw開始下降至Ow，此時焊接結(jié)束，具體波形如圖3-3所示。根據(jù)具體實施方式
五至八，通過對焊接工件的剖切可以得到緩降脈沖的作用緩 降波形對焊點中的氣孔和裂紋有了一定的抑制作用，尤其是對裂紋的抑制作用較為明顯。 通過對采用不同緩降波形焊接工件剖切焊點的對比，發(fā)現(xiàn)緩降波段的持續(xù)時間越長，缺陷 的抑制作用越明顯。但是由于激光功率的逐步降低，熔池周圍金屬逐步凝固，無法充分回填 到焊點中心位置。因此，在抑制缺陷的同時要選擇合適的緩降時間，減少焊點表面的下塌 量。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟三中采用緩升 脈沖波形進行點焊接。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九的不同點是步驟三中采用的緩 升脈沖波形在開始0. 2s的時間內(nèi)，功率由Ow上升至1800w，之后保持在ISOOw不變至焊接 結(jié)束，具體波形如圖4-1所示。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
九的不同點是步驟三中采用的 緩升脈沖波形在工作時間內(nèi)，功率持續(xù)上升，由Ow上升至1800w，此時焊接結(jié)束，具體波形 如圖4-2所示。根據(jù)具體實施方式
九至十一，通過對焊接工件的剖切可以得到緩升脈沖的作用 緩升脈沖波形還能起到減少表面下塌的作用。這主要是由于緩升脈沖的加入減少了實際輸 入工件的熱量，金屬蒸發(fā)量有所降低。功率的逐步增加抑制了飛濺的產(chǎn)生，從而減少金屬損 失量。焊點內(nèi)部氣孔除了由于匙孔坍塌形成的大氣孔外，還存在由于材料表面氧化膜中含 有的水分所帶來的小氣孔。緩升脈沖可以很好的消除焊點內(nèi)部的一些小氣孔，但是不能避 免匙孔坍塌引起的大氣孔。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟三中采用鋸 齒脈沖波形進行點焊接。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
十二的不同點是步驟三中采用 的鋸齒脈沖波形在最后0. 2s的時間內(nèi)，功率由ISOOw下降至lOOOw，在這段時間內(nèi)，功率在 IOOOw與ISOOw之間波動，且每次下降后再上升的功率不超過下降之前的功率，當功率下降 至IOOOw時焊接結(jié)束，具體波形如圖5-1所示。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
十二的不同點是步驟三中采用
5的鋸齒脈沖波形在開始0. 2s的時間內(nèi)，功率由1400w上升至1800w，在最后0. 2s的時間內(nèi)， 功率由1800w下降至lOOOw，在這段時間內(nèi)，功率在IOOOw與1800w之間波動，且每次下降后 再上升的功率不超過下降之前的功率，當功率下降至IOOOw時焊接結(jié)束，具體波形如圖5-2 所示。根據(jù)具體實施方式
十二至十四，通過對焊接工件的剖切可以得到鋸齒脈沖的作 用減少緩降波段功率的下降速度，從而減少表面下塌量。裂紋和氣孔缺陷較少，同時由于 減少了功率下降速度，使得熔池外圍金屬能夠充分的回填，因此焊點表面下塌量也不大。特 別是在主脈沖前期預制一個緩升波段能夠進一步減少表面下塌量。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十四的不同點是步驟三中 先尖峰脈沖波形、后緩降脈沖波形的組合進行點焊接，其中緩降脈沖波形可以是圖3-1 3-3中的任何一種。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十四的不同點是步驟三中 先緩升脈沖波形、后緩降脈沖波形的組合進行點焊接，其中緩升脈沖和緩降脈沖波形可以 是圖4-1 圖4-2中的任何一種與圖3-1 圖3-3中的任何一種的組合。
權利要求
1.一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，提出的調(diào)制激光輸出脈沖波形的方法可以 有效減少氣孔、裂紋和下塌，是一種抑制激光點焊缺陷的較為簡便和理想的方法；其特征在 于一、對待焊工件進行預處理；二、固定待焊工件；三、采用激光脈沖點焊方法進行焊接。
2.根據(jù)權利要求1所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于步驟一中 采用機械或化學的方法去除工件表面氧化膜。
3.根據(jù)權利要求1所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于步驟三 中具體的工藝參數(shù)為脈沖激光功率的平均值為0. 6-2kff,出光時間為0. 3 ls，離焦量 為-2-0mm，板間隙小于0. 4謹。
4.根據(jù)權利要求1所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于步驟三中 采用的激光光束類型為ω2氣體激光光束、NdiYAG固體激光光束、半導體激光光束或光纖 激光光束。
5.根據(jù)權利要求1所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于步驟三 中點焊時工件正、背面均采用Ar氣保護，其中正面采用側(cè)吹噴嘴保護，保護氣流量為15L/ min，背面則通過夾具中的通氣孔進行保護，保護氣流量為5L/min。
6.根據(jù)權利要求1、3、4或5所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于 步驟三中輸出的脈沖波形是尖峰脈沖，尖峰脈沖在0. 02s內(nèi)上升功率達到1800w，0. 02s 0. 05s之間功率下降至1200w，0. 05s之后功率保持1200w不變至焊接結(jié)束。
7.根據(jù)權利要求1、3、4或5所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在 于步驟三中輸出的脈沖波形是緩降脈沖，具體采用的三種緩降脈沖波形分別是一、在最后 0. 2s的時間內(nèi)，功率由1800w下降至1400w，此時焊接結(jié)束；二、在最后0. 2s的時間內(nèi)，功率 由1800w下降至0w，此時焊接結(jié)束；三、從Os起，功率從1800w開始下降至0w，此時焊接結(jié) 束ο
8.根據(jù)權利要求1、3、4或5所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在 于步驟三中輸出的脈沖波形是緩升脈沖，具體采用的兩種緩升脈沖波形分別是一、在開始 0.2s的時間內(nèi)，功率由Ow上升至1800w，之后保持在1800w不變至焊接結(jié)束；二、在工作時 間內(nèi)，功率持續(xù)上升，由Ow上升至1800w，此時焊接結(jié)束。
9.根據(jù)權利要求1、3、4或5所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在 于步驟三中輸出的脈沖波形是鋸齒脈沖，具體采用的兩種鋸齒脈沖波形分別是一、在最后 0. 2s的時間內(nèi)，功率由1800w下降至lOOOw，在這段時間內(nèi)，功率在IOOOw與1800w之間波 動，且每次下降后再上升的功率不超過下降之前的功率，當功率下降至IOOOw時焊接結(jié)束； 二、在開始0. k的時間內(nèi)，功率由1400w上升至1800w，在最后0. k的時間內(nèi)，功率由1800w 下降至lOOOw，在這段時間內(nèi)，功率在IOOOw與1800w之間波動，且每次下降后再上升的功率 不超過下降之前的功率，當功率下降至IOOOw時焊接結(jié)束。
10.根據(jù)權利要求1、3、4或5所述一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，其特征在于 步驟三中輸出的脈沖波形是先尖峰脈沖、后緩降脈沖的組合或先緩升脈沖、后緩降脈沖的 組合。
全文摘要
一種金屬材料薄板的激光脈沖點焊方法，本發(fā)明涉及一種新型激光點焊方法，特別涉及金屬材料薄板的激光脈沖點焊的方法。本發(fā)明的目的是為了解決在現(xiàn)有技術中激光點焊過程中材料的燒損量較大，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、下塌等缺陷，特別是鋁合金材料對激光的反射率較高，導致點焊過程的穩(wěn)定性較差的問題。本發(fā)明的具體焊接過程分為1.對待焊工件進行預處理；2.固定待焊工件；3.采用激光脈沖點焊法焊接。本發(fā)明的優(yōu)點是提高焊接效率、改善焊點質(zhì)量、保證焊點尺寸具有良好的一致性，且實現(xiàn)了小功率激光器對中厚板的點焊。本發(fā)明主要用于焊接金屬材料，特別適用于焊接金屬材料薄板。
文檔編號B23K101/18GK102091871SQ20111000399
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權日2011年1月10日
發(fā)明者李俐群, 王銘茂, 陶汪 申請人:哈爾濱工業(yè)大學