一种铝或铝合金搭接激光点焊方法技术

本发明专利技术属于激光焊接领域，公开了一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，此方法包括以下步骤：(1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；(2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面进行多个单一路径的扫描，单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；(3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描，直至完成第一层与第二层工件焊接，所述第二激光束的激光功率密度与扫描速度的比值低于所述第一激光束；(4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；本发明专利技术焊接方法可以降低焊缝气孔、提高表面焊接质量。提高表面焊接质量。提高表面焊接质量。

【技术实现步骤摘要】
一种铝或铝合金搭接激光点焊方法


[0001]本专利技术属于激光焊接领域，具体涉及一种铝或铝合金搭接激光点焊方法。

技术介绍

[0002]铝及铝合金材料具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性能，在钣金、汽车、轨道交通、航空航天等领域具有广泛的应用市场。以汽车行业为例，随着节能减排需求的提高、汽车轻量化发展使铝合金应用比例逐渐增加，在新能源汽车零部件中通常使用铝制内板、外板等材料进行搭接，所用的连接方法主要是机械连接，比如自冲铆接。自冲铆接需要使用专门的设备将铆钉刺穿搭接组合的上层材料，在凹模中使铆钉与下层材料发生变形，实现连接。这种方法生产效率较低、工艺复杂、使用成本较高，汽车不同的搭接组合需要使用不同的铆枪、铆钉、凹模，同时，铆钉增加了车身的重量和成本。
[0003]之所以在目前市场上，机械连接方法使用较为普遍，是因为铝合金材料在熔化焊接过程中面临着诸多问题，其中，最为常见的是铝合金焊缝内部存在气孔、以及铝合金表面存在氧化且较为粗糙。以激光焊为例，铝合金对激光反射率较高，通常需要使用较大的激光功率进行焊接、形成小孔，而熔化的铝表面张力较低，容易扰动、造成小孔坍塌；另一方面，铝合金材料表面通常存在一层较薄的氧化铝膜，其熔点较高、并且容易吸收水分，当小孔与搭接材料的界面相交时，材料表面的氧化膜与水分将加剧小孔的坍塌。小孔坍塌将会使焊缝中形成气孔，气孔的存在将降低接头的强度、弱化服役性能。同时，熔融铝较低的表面张力和铝材较高的热传导率使扰动的焊缝快速冷却，造成表面粗糙。铝的易氧化特性则使焊缝表面氧化严重、影响美观。对于汽车外观件来说，可能需要对表面进行打磨处理，费时费力。
[0004]一般而言，激光焊在进行铝合金焊接时的常规应用涉及到搭接角焊缝、线焊焊缝等，通常应用于汽车车门等对服役载荷要求相对较低的部位。如果能够实现高质量、高强度的激光点焊，将有助于扩大激光焊技术的应用范围，提高生产效率、降低生产成本。
[0005]公开号为CN108367391A的专利(以下称作专利文献1)和公开号为CN109070271A(以下称作专利文献2)的专利分别提供了一种叠层铝工件的激光点焊方法。
[0006]专利文献1描述的激光束行走路径包括一个或者多个非线性内部路径和环绕所述内部路径的外部周边路径；专利文献2描述的激光束行走路径位于内径边界和外径边界限定的环形焊接区域内。专利文献1和专利文献2实施焊接过程的类似之处是：使激光束在工件堆叠的顶部表面沿着所述路径行进时，由激光束产生的“小孔和环绕所述小孔的熔融铝焊池从所述顶部表面朝向所述底部表面穿入到所述工件堆叠中并与所述工件堆叠内建立的每个接合界面相交”，上述技术方案原理图如图19、20所示。在专利文献的实施例中有具体的描述，专利文献1段落[0032]描述是“类似熔融铝焊池76，小孔78也从顶部表面20朝底部表面22穿入到工件堆叠10中。小孔78提供用于激光束24的通道，以将能量向下输送到工件堆叠10中”；专利文献2段落[0042]描述是“在激光束24沿光束行进图案74的前进期间，小孔78和熔融铝焊池76与工件堆叠10内存在的在堆叠10的顶部表面20和底部表面22之间的
每个接合界面34(或50、52)相交”。专利文献1和专利文献2公开的技术方案表述了类似的有益效果，即“促进保护性涂覆层的更大扰动(例如，破裂和分解、汽化、或以其他方式)”，从而达到减少焊接接头内部气体孔隙的目的。
[0007]但是，专利文献1和专利文献2的技术存在以下问题：
[0008]铝合金材料与激光相互作用存在激光反射率高的特点，因此需要较高的激光功率以使材料熔化并产生小孔，使用较高激光功率是常规搭接线焊激光焊的基本参数，以保证在激光束单向行走的过程中实现两层或者多层工件的熔化，即激光束产生的小孔以及小孔周围的熔池与两层或者多层工件的结合界面相交；而熔融铝存在激光吸收率高的特点，因此对于专利文献1和专利文献2所述的激光点焊技术，在焊接区域范围内将产生严重的热量累积和过热，熔融铝同时具有表面张力小、易氧化的热点，铝材本身存在导热率高的特点，最终造成焊点表面成形粗糙且氧化严重(如图23所示)、背面坍塌(如图24所示)等问题；而在控制过热情况下，小孔与界面相交造成的小孔坍塌将产生焊缝内部气孔残留(如图25所示)。

技术实现思路

[0009]为解决以上问题，本专利技术公开了一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，包括以下步骤：
[0010](1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；
[0011](2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面依次进行多个单一路径的扫描。每个单一路径焊接参数单独设置，使单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；
[0012](3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描。所述第二激光束扫描路径焊接参数单独设置，其激光功率密度与扫描速度的比值比所述第一激光束小；
[0013](4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；
[0014]所述第一激光束单个路径的扫描轨迹为圆或多边形，所述第二激光束的扫描轨迹为螺旋线。
[0015]在一优选例中，所述圆的外径为4-16mm，所述多边形的外边长为4-16mm。
[0016]在另一优选例中，焊接过程中所述圆或多边形的数量为3-20个。
[0017]在另一优选例中，所述第二激光束螺旋线的单一扫描路径为两个，第一个螺旋线激光功率密度与扫描速度的比值大于第二个螺旋线，第一个螺旋线的外径小于第二个螺旋线的外径。
[0018]在另一优选例中，所述第一个螺旋线的外径为2-8mm，第二个螺旋线的外径为6-18mm。
[0019]在另一优选例中，所述螺旋线为二维螺旋线，所述第一个螺旋线的最小内径为0mm，所述第二个螺旋线的内径大于外径的二分之一。
[0020]在另一优选例中，所述第一激光束的功率W1与所述叠层的厚度t和聚焦光斑直径D1的关系为：W1＝(1000
–
4000)W/mm2*t*D1，其中t为1-10mm；第一激光束的扫描速度V1为10-50m/min，聚焦光斑直径D1为0.2-0.8mm，离焦量F1为0-(
±
5)mm。
[0021]在另一优选例中，所述第一个螺旋线的激光扫描速度V2与V1的关系为：V2＝(0.6-3.0)V1；激光聚焦光斑直径D2与D1的关系为：D2＝(0.8-1.5)D1；离焦量F2为0
–
(
±
15)mm；激光功率W2与W1的关系为：W2＝(0.5-1.2)W1。
[0022]在另一优选例中，所述第二个螺旋线路径的激光扫描速度V3与V1的关系为：V3＝(1.5-4.0)V1；激光聚焦光斑直径D3与D1的关系为D3＝(1.0-5.0)D1；离焦量F3为(
±
75)-(
±
10)mm；激光功率W3与W1的关系为W3＝(0.3-1.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将两层或两层以上的铝或铝合金工件进行叠加，形成叠层；(2)采用第一激光束对叠层第一层工件的上表面依次进行多个单一路径的扫描。每个单一路径焊接参数单独设置，使单一路径扫描过程中形成的小孔位于第一层与第二层工件连接界面的上部；(3)采用第二激光束对所述第一激光束扫描所形成的焊点或熔池继续进行激光扫描。所述第二激光束扫描路径焊接参数单独设置，其激光功率密度与扫描速度的比值比所述第一激光束小；(4)依次实施步骤2和3或者重复步骤2和3，直至完成对所有叠层工件的焊接；所述第一激光束单个路径的扫描轨迹为圆或多边形，所述第二激光束的扫描轨迹为螺旋线。2.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述圆的外径为4-16mm，所述多边形的外边长为4-16mm。3.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，焊接过程中所述圆或多边形的数量为3-20个。4.如权利要求1所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第二激光束螺旋线的单一扫描路径为两个，第一个螺旋线激光功率密度与扫描速度的比值大于第二个螺旋线，第一个螺旋线的外径小于第二个螺旋线的外径。5.如权利要求4所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述第一个螺旋线的外径为2-8mm，第二个螺旋线的外径为6-18mm。6.如权利要求5所述的铝或铝合金搭接激光点焊方法，其特征在于，所述螺旋线为二维螺旋线，所述第一个螺旋线的最小内径为0mm，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶武，杨上陆，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：