激光焊接拼板的方法技术

一种激光焊接装置用于工业生产的过程，该装置可向板材发射激光能并将其沿一条缝线焊接起来。激光能包括单束或多束相干光源。根据工件对接边缘之间的缝隙大小和板材的相对厚度，该装置可有选择性地改变多束激光相对于缝线的位向，以达到最大的焊接效率。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域本专利技术涉及一种用激光焊将两块或更多块板材沿一条缝线拼接在一起的改进方法，更具体地说，涉及一种利用一束或多束发自钇铝柘榴石(YAG)激光器的光束将拼接板材对焊在一起的改进方法。本专利技术的
技术介绍
在现行的制造工艺中，有一种方法是，通过把两块或更多块不同厚度和形状的金属板材焊接起来来制成一块拼接板材，由此制成成品工件。通过把不同规格、表面镀层和/或性能的不同板材焊接起来，由此制成具有最高强度和最少耗材及最轻重量的成品工件，也就是生产拼接板材。汽车工业是一个拼接板材愈益重要并用于生产各种各样汽车零部件和车辆面板的领域。例如，已知制造通过点焊加装有若干小型增强件的车门。但制造拼板的方法具有下列弊端，要利用激光，就必须将待焊的板材边缘预制成高精度，其边缘要抛光到镜面光洁度。本专利技术的概要在1998年2月24日提交的国际申请No.PCT/CA98/00153中，申请人公开了一种用来将金属板材焊接起来的改进装置，是一种多束激光焊接装置。国际申请No.PCT/CA98/00153涉及一种用于工业上的焊接装置，例如，它可以包括制造汽车零部件等拼接板材。该装置使用了多束激光源来将板材的相邻边缘焊接起来。另外，有一个机构用来可选择性变位相干光源相对于缝线的位向，从而可沿板材之间的缝隙焊接起来。本专利技术的一个目的是提供一种相对于缝线最优化地变位多束光的位向的方法，不论板材之间的缝隙大小、板材对接部位的相对厚度或待焊材料如何，都能确保将板材充分焊接起来。本专利技术设计利用YAG激光器或更具体地说Nd:YAG激光器作为最优相干光源来焊接拼接板材。应予理解的是，其他种类的激光器如CO2激光器也可用于本方法。如表1列出对Nd:YAG激光器和CO2激光器相关参数的比较。表1 NdYAG激光器和CO2激光器的性能 *在制造拼接板材中安装的激光器Nd:YAG激光器可用于对接所需强度的钢板，焊接速度满足汽车工业的需要。与CO2激光相比，Nd:YAG激光似乎更优越，因为它能更好地兼容接头缝隙波动、焊缝边缘的不直度和剪板的焊偏差量。虽然本方法可用于单束激光工艺，用多束激光进行材料激光加工的优点在于，利用更高的激光功率来达到更快的焊接速度、更好的质量、更高的效率和更大的系统灵活性。用两束或多束技术来焊接不同的拼装板材的两个主要目的是因为可焊接具有更大边缘和缝隙公差，从而可提高焊接速度和质量。因此，本专利技术一个方面，提供一种利用复合激光束将两块工件板材的相邻边部沿一条缝线焊接起来的方法，所述复合激光束包括一个第一激光束和一个第二激光器，各光束均向所述板材的待焊部分聚焦到具有一个光学中心的相应聚焦区域，各激光束的光学中心相互隔开一定距离并限定所述复合光束的聚焦线的一端，复合光束的有效直径doff由第一和第二激光束沿垂直于焊接方向和焊缝线的方向上的最大扩展区所限定，所述板材由下述步骤焊接起来(a)确定板材待焊对接边之间的缝隙宽度；(b)调节复合激光束的有效直径而基本根据下述公式充填所述缝隙rf+doff=2g(h2/h1-1)]]>其中doff=2rfg是缝隙宽度；doff是激光束中心与焊缝线之间错开的横向距离；h1是第一块较薄板的厚度；和h2是第二块较厚板的厚度。(c)大体根据下述公式改变复合光束的聚焦线相对于焊缝的旋转角度φrf=df+b·sinφ2]]>其中df是第一激光束的聚焦直径；和b是光学中心之间距离。(d)沿所述板材的相邻部分移动激光束而将工件板材焊接起来。在另一方面，本专利技术提供一种将第一和第二工件板材的边缘部分沿一条焊缝线对焊起来的装置，第一工件的厚度为h1，第二工件的厚度为h2，其中h1＜h2，所述装置包括一个激光器，可发射一个相干光源来把所述板材沿所述焊缝线焊起来并基本上可充填所述边部之间的缝隙；和一个用于控制所述相干光源的控制器，其中，在焊接过程中，所述控制器基本根据下述公式将所述相干光源保持着其有效功率。PF=S·ν·ρ(Csol·Tm+hm+Cliq·ΔT)]]>其中，PF是有效激光功率；ν是焊接速度；ρ是板材密度；Csol和Cliq分别是板材的固相和液相比热；ΔT是熔池超过熔点的平均过热温度；和S是焊缝的横截面积。S大体根据下述公式确定。S=h2(rf+doff)+h1(rf-doff-g)其中，rf是在焊缝线处相干光源点垂直于焊缝线的半径；doff是相干光源中心与焊缝线错开的横向距离；和g是相邻边缘部分之间的缝隙宽度。在又一个方面，本专利技术提供一种利用一个装置将第一和第二板材的边缘部分沿一条焊缝线焊接起来的方法，第一板材的厚度为h1，第二板材的厚度为h2，其中h1≤h2，该装置包括一个激光器，可发射一个相干激光源沿所述焊缝线将所述板材焊起来，所述板材由下述步骤焊成(a)将第一和第二板材的边缘部分对起来；和(b)开动所述激光器来焊接所述边缘部分，根据下述公式保持相邻接边缘部分之间的缝隙宽度(g)g=12(h2h1-1)(rf+doff)]]>其中，rf是相干光源垂直于焊缝线方向的半径；和doff是相干光源中心横向偏离焊缝线之间的距离。附图简介通过参考附图阅读下文的说明，可理解本专利技术的其他目的和优点，附图中附图说明图1是用于根据本专利技术制造组合工件的组装生产线的示意俯视图；图2是图1所示的组装生产线中所用的激光焊接机头的侧视示意图；图3表示图1的组装生产线中的激光焊接装置，沿3-3′线表示用激光焊接板材；图4示意性地表示用Nd:YAG激光器进行双束激光焊接所用的试生产设备；图5a表示聚焦半径相对于透镜距离的曲线变化图；图6表示图4所示试验设备所用的加工和焊接参数；图7是本专利技术方法所用的双束激光试验测得的能量密度分布图线图；图8a和8b示出焊偏量和缝隙对激光焊的影响；图9示出在可焊性评价中所用的焊接模腔；图10示出激光焊的缝隙填充理论原则；图11用曲线图示出相对于板材厚度最大可接受的接头缝隙宽度；图12用焊接接头试样的剖面示出缝隙宽度对焊缝凹陷的影响；图13示出缝隙宽度和激光束尺寸对焊凹陷的影响曲线；图14示意性地示出激光焊的能量分布；图15示出激光能量吸收与向工件入射角的关系；图16示出由工件厚度与光点直径计算所得的耦合百分率；图17示出焊接速度与工件厚度之间的关系曲线；图18示意性地示出计算激光功率的表面吸收率所用模型；图19示出缝隙和焊偏量对表面吸收率的影响曲线；图20示出焊接速度对缝隙和焊偏量之间的关系曲线；图21图示出单束和双束焊接工艺之间焊接速度的差异；图22用接头的剖面示出焊头角度对激光焊缝凹陷的影响；图23图示出焊偏量与焊缝凹陷之间的关系；图24图示出缝隙与焊缝凹陷之间的关系；图25示出相对于焊头角度最大可接受的缝隙宽度；图26示出焊接速度和焊头角度之间的关系，其中焊速2-1.5mm，激光功率300W，焊偏量0.3mm；图27示意性地示出表面吸收率和焊头角度的关系模型；图28用曲线示出计算的表面吸收率与焊头角度之间的关系；图29用曲线示出缝隙宽度对焊接速度的影响；图30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用一个复合激光束沿一条缝线焊接两块板材的相邻边部的方法，所述复合光束包括一个第一激光束和一个第二激光束，第一和第二激光束各向待焊板材的一部分分别聚焦在两个焦点区，后者各有一个光学中心，所述第一和第二激光束的光学中心相互隔开一定距离并各限定所述复合激光束的聚焦线的一端，其中复合光束的有效直径ｄ↓［ｏｆｆ］定义为第一和第二激光束在垂直于焊接方向也就是缝线的方向上的最大占宽，将板材焊接起来的步骤包括：ａ）确定待焊板材的对接边之间的缝隙宽度；ｂ）基本根据下述公式调节复合 激光束的有效直径来填满缝隙：（ｒ↓［ｆ］＋ｄ↓［ｏｆｆ］）＝２ｇ／（ｈ↓［２］／ｈ↓［１］－１）其中：ｄ↓［ｏｆｆ］＝２ｒ↓［ｆ］，ｇ是缝隙宽度，ｈ↓［１］是第一块较薄板材的厚度，ｈ↓［２］是第二块较厚板材的厚度，ｄ↓［ｏｆｆ］是激 光束中心偏离较厚板材邻近边缘的横向距离；ｃ）基本按照下列公式相对于焊缝线改变复合光束聚焦线的旋转角度，＊＊＊其中：ｄ↓［ｆ］是第一激光束的焦点直径，ｂ是光束中心之间的距离，和ｄ）沿着所述板材的相邻部分移动激光束来将工件板材移 焊接起来。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖敏，
申请(专利权)人：自动化焊接系统公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]