CN105643103A - 一种镀锌钢板激光搭接焊接方法 - Google Patents

一种镀锌钢板激光搭接焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：步骤1：在第一母材（2）上沿焊接方向加工一系列斜孔（1）；步骤2：第一母材（2）和第二母材（4）准确搭接并夹紧，在焊道上形成一系列倾斜盲孔；步骤3：激光束（5）垂直辐射工件上表面，沿预制斜孔（1）倾斜方向扫描，完成焊接过程。在本发明中，通过预制斜孔流道，改善了焊接熔化前沿的熔池流动状态，避免了搭接处锌层的直接蒸发，从而实现镀锌钢板零间隙激光搭接焊接。

Description

一种镀锌钢板激光搭接焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种镀锌钢板的激光搭接焊接方法。
背景技术
镀锌钢众多的优良性能，尤其是其优良的防腐蚀性能和经济效益，使得其在现代工业生产中占有非常重要的地位。各种类型的镀锌板材在汽车制造、建筑、通风和供热设施以及家具制造等领域得到广泛的应用。
然而，因镀锌钢中锌层的存在，使得镀锌钢的焊接工艺性大大降低。原因是在镀锌钢的焊接过程中，镀层锌和基体钢物理特性的极大差异（镀锌层锌的熔点是420℃，沸点是907℃，远低于基体铁的熔点是1300℃），镀层锌的气化先于基体钢的熔化。目前，镀锌钢的主要焊接工艺有三种：电阻点焊、电弧焊和激光焊接。对电阻点焊而言，由于镀锌层的存在，焊接时电极易于锌层合金化，降低电极的寿命。而采用电弧焊接镀锌钢时，由于锌的低沸点，在电弧刚接触到镀锌层时，锌迅速气化，产生的锌蒸气向外喷射，很容易使焊接产生熔渣粒子、气孔、飞溅、未熔合及裂纹等焊接缺陷，电弧的稳定性也因此受到影响，焊接质量下降，同时焊接过程中还会产生大量烟雾粉尘。另外，由于电弧焊的焊缝宽度较大，且热输入量大，镀层锌的大量气化降低了镀锌钢焊缝处的抗腐蚀性能。镀锌钢搭接接头采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及焊接气孔、飞溅、未熔合等缺陷。
为此，公开号为“CN102233481B”、“CN102120288B”和“US8692152B2”的发明专利公开了镀锌钢板的激光搭接焊接方法，其中采用高功率大光斑激光束高速焊接镀锌钢板，在从激光照射点向后方延伸的熔融池内，形成细长孔，从而由激光照射产生的金属蒸气通过细长孔向激光行进方向后方并在朝向激光照射源的方向上排出，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板搭接接头焊缝飞溅、针孔和气泡眼等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过高功率激光和极快的焊接速度形成的细长小孔，实际焊接中难以控制，且高功率激光光源成本大幅提高。
公开号为“CN102451955B”、“CN101695790B”和“JP61-74793A”的发明专利公开了镀锌钢板的激光搭接焊接方法，其中利用间隔物或者水平差距，在将经受搭接焊接的镀锌钢板之间设置用于排出锌蒸气的间隙，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板搭接接头焊缝飞溅和气孔等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过预先设置搭接板之间的间隙，在实际操作中，难以保持一致的间隙，如此增加了激光焊接工艺参数的匹配选择难度。
公开号为“US6479168B2”、“US20080035615A1”、“US7329828B2”和“CN101508058B”的发明专利公开了镀锌钢板搭接激光焊接方法，其中在钢板搭接面之间放置Cu、Al、Zn/Al和Al-Sn等金属箔，利用合金元素与锌的冶金反应降低锌蒸气对焊接过程的影响，在一定程度上解决了激光焊接镀锌板搭接接头焊缝飞溅和气孔等焊接缺陷问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：预置金属箔增加了工艺复杂性，且预置的合金元素会带来新的焊接问题，如氧化、接头软化、耐蚀性降低等。
发明内容
本发明的目的是解决目前镀锌钢板搭接接头激光焊接过程中锌层剧烈蒸发，焊接过程极不稳定，易出现焊接飞溅、气孔、未熔合等缺陷的问题。
本发明的技术方案是提供一种镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于。
步骤1：在第一母材上沿焊接方向加工一系列斜孔。
步骤2：除去第一母材和第二母材上下表面上的杂质，用焊接夹具将第一母材和第二母材准确搭接并夹紧，在焊道上形成一系列倾斜盲孔。
步骤3：启动激光焊接系统，激光束垂直辐射工件上表面，激光束聚焦光斑大小平均分布在预制的斜孔中心，然后沿预制斜孔倾斜方向扫描，完成焊接过程。
进一步地，在步骤1中，第一母材上预制的一系列斜孔孔径大小D为0.5~3mm，其与上表面所成角度β为30°～75°，相邻两孔之间距离d为2～5mm，在焊接方向上相邻两孔的重叠距离δ为1～3mm。
进一步地，在步骤2中，第一母材和第二母材在焊接夹具装夹下紧密贴合，即搭接板间间隙为零。
进一步地，第一母材和第二母材板厚t为0.5~3mm。
进一步地，该方法适用于两层镀锌钢板搭接焊或三层镀锌钢板搭接焊接头。
本发明的有益效果是。
1）在本发明中，通过在焊道上预制一系列斜孔，在焊接起始部分，搭接处锌蒸气从预制斜孔逸出；在焊接过程中熔化前沿的熔融金属沿着预制斜孔向上流动，使得搭接处锌层在熔融金属的热传导作用下，提前熔化并融入到焊接熔池中，避免了搭接处锌层直接蒸发而形成剧烈锌蒸气，从而克服了镀锌钢板激光搭接焊接时焊接过程不稳定，易发生飞溅、气孔和未熔合等缺陷的问题。
2）采用本发明提供的镀锌钢板激光搭接焊接方法，实现了镀锌钢板零间隙激光搭接焊接，大大较少了焊装夹具的调整时间。
3）采用本发明提供的镀锌钢板激光搭接焊接方法，避免了传统电弧高温引起焊接缺陷，锌层烧损、焊件变形以及残余应力等焊接缺陷大大减少。
4）在实验过程中，实验人员发现预制斜孔大小与所在母材板厚t之间存在D=（0.3~0.8）*t关系时，激光焊接熔池最稳定，形成的焊接接头异常平滑，出现了意料不到的技术效果。
附图说明
图1是本发明所述镀锌钢板激光搭接焊接方法示意图。
图2是第一母材倾斜圆孔分布侧视图。
图3是第一母材倾斜圆孔分布俯视图。
图4是直接激光搭接焊接的焊缝成形图。
图5是本发明方法焊接的焊缝成形图。
图6是实施方式二的示意图。
其中：1、预制斜孔，2、第一母材，3、镀锌层，4、第二母材，5、激光束，6、小孔前沿壁，7、焊接小孔，8、焊接熔池，9、凝固的焊缝，10、第三母材，11、第四母材，12、第五母材。
具体实施方式
以下将结合着附图1-6对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，焊接工件为双面镀锌的两块板材，其中置于上方的镀锌钢板沿焊接方向预先制备一系列倾斜圆孔，两板重叠组成两层搭接接头。激光束垂直入射在工件上表面，实现镀锌钢板零间隙激光搭接焊接连接。
该实施例中，镀锌钢板激光搭接焊接方法包括以下几个步骤。
步骤1：在第一母材2上沿焊接方向加工一系列倾斜圆孔1；
如图1～3所示，第一母材2上预制的一系列倾斜圆孔1孔径大小D为0.5~3mm，其与上表面所成角度β为30°～75°，相邻两孔之间距离d为2～5mm，在焊接方向上相邻两孔的重叠距离δ为1～3mm。
步骤2：除去第一母材2和第二母材4上下表面上的杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物；然后用专用焊接夹具将第一母材2和第二母材4准确搭接并夹紧，即搭接板间间隙为零，在焊道上形成一系列倾斜盲孔。
步骤3：启动激光焊接系统，激光束5垂直辐射工件上表面，激光束5聚焦光斑大小平均分布在预制圆孔1的中心，然后沿预制圆孔1倾斜方向扫描，完成焊接过程。
在该实施例中，第一母材2和第二母材4板厚为0.5~3mm。
在该实施例中，激光束为CO2激光或Nd：YAG激光或半导体激光，激光功率为2~8kW，焊接速度为0.5～5m/min。
在该实施例中，激光功率密度大于106W/cm2，形成深入材料内部的焊接小孔7，焊接小孔内部充满高压高速金属蒸气和等离子体，激光束5直接耦合到小孔内部，激光能量主要被小孔前沿壁6的多重反射菲涅尔吸收。
如图1所示，在该实施例中，通过在焊道上预设一系列倾斜圆孔1，在焊接起始部分，搭接处锌蒸气从预制圆孔1逸出；在焊接过程中熔化前沿的熔融金属沿着预制圆孔1向上流动，使得搭接处锌层3在熔融金属的热传导作用下，提前熔化并融入到焊接熔池中，避免了搭接处锌层3直接蒸发而形成剧烈锌蒸气，从而克服了镀锌钢板激光搭接焊接时焊接过程不稳定，易发生飞溅、气孔和未熔合等缺陷的问题。
如图4~5所示，通过对比试验发现，预制倾斜圆孔1的镀锌钢板激光搭接焊接方式比直接激光搭接焊接方式效果有明显的提升，直接激光搭接焊接时焊缝表面大量孔洞和飞溅缺陷，如图4所示，而预制倾斜圆孔1条件下激光搭接焊接几乎没有孔洞和较大颗粒的飞溅，且焊缝成形良好，焊接强度稳定，如图5所示。
具体实施方式2：
结合附图6对本发明的另一个实施方式进行详细说明。
如图6所示，焊接工件为双面镀锌的三块板材，其中置于上方的两块镀锌钢板沿焊接方向预先制备一系列倾斜圆孔，三块镀锌钢板重叠组成三层搭接接头。激光束垂直入射在工件上表面，实现镀锌钢板零间隙激光搭接焊接连接。
该实施例中，镀锌钢板激光搭接焊接方法包括以下几个步骤。
步骤1：在第三母材10和第四母材11上沿焊接方向加工一系列倾斜圆孔1；
与实施方式一（图2和3）相同，第三母材10和第四母材11上预制的一系列倾斜圆孔1孔径大小D为0.5~3mm，其与上表面所成角度β为30°～75°，相邻两孔之间距离d为2～5mm，在焊接方向上相邻两孔的重叠距离δ为1～3mm。
步骤2：除去第三母材10、第四母材11和第五母材12上下表面上的杂质，这些杂质包括水渍、油污、铁锈等对焊接质量有影响的杂物；然后用专用焊接夹具将第三母材10、第四母材11和第五母材12准确搭接并夹紧，即搭接板间间隙为零。
其余步骤同实施方式一。
尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (7)

1.一种镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：
步骤1：在第一母材（2）上沿焊接方向加工一系列斜孔（1）；
步骤2：第一母材（2）和第二母材（4）准确搭接并夹紧，在焊道上形成一系列倾斜盲孔；
步骤3：激光束（5）垂直辐射工件上表面，沿预制斜孔（1）倾斜方向扫描，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：在步骤1中，预制斜孔（1）直径D为0.5~3mm，统一向焊接方向的前方倾斜，倾斜角度β为30°～75°。
3.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：步骤1中，相邻两斜孔（1）之间距离d为2～5mm。
4.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：步骤1中，在焊接方向上相邻两斜孔（1）之间重叠距离δ为1～3mm。
5.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：步骤1中，第一母材（2）和第二母材（4）搭接接头板间间隙为零。
6.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：步骤1中，第一母材（2）和第二母材（4）板厚为0.5～3mm。
7.根据权利要求1所述的镀锌钢板激光搭接焊接方法，其特征在于：该方法适用于两层镀锌钢板搭接焊或三层镀锌钢板搭接焊接头。
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Application publication date: 20160608

Assignee: Guangzhou Zengcheng Shangji Machinery and Equipment Maintenance Department

Assignor: CHANGSHA University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: 2019430000003

Denomination of invention: Galvanized steel sheet laser lapping welding method

Granted publication date: 20171121

License type: Common License

Record date: 20190305

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20171121