专利名称：激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
近年来，激光制造技术得到了突飞猛进的发展，著名的A380空客在制造工艺上即 采用激光焊接技术替代传统的铆接技术进行了新型铝合金复合材料机身的连接，由于激光 焊接技术所展示出的对材料与结构的较强的适应能力，因此无论是在航空航天、国防还是 在民用工业上，均具有极大的发展潜力。基于此背景下，激光点焊技术开始在汽车制造业中崭露头角，它对于钢材料结构， 无论是焊点性能，还是焊接效率及焊接成本上，都具有明显优势。然而，对于高反射率的铝 合金材料，采用激光点焊工艺仍存在较大问题。由于铝合金表面状态对激光吸收率的影响 很大，会导致焊点结合面尺寸很不稳定；此外，气孔、热裂纹与表面凹坑也是铝合金激光点 焊难以解决的问题。事实上，对于铝合金材料，无论是采用电阻点焊还是激光点焊都存在较 多问题，但由于铝合金材料又是航空航天与汽车工业中应用较为广泛的材料，所以提高铝 合金的点焊效率与焊点性能，成为研究者们面对的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决激光点焊工艺应用于铝合金材料时，焊点性能差的问 题，提供一种激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法。本发明所述焊接方法基于现有对待焊接母材进行电阻点焊的方法，所述电阻点焊 方法中的上电极采用空芯电极，在对待焊接母材进行电阻点焊的同时，将激光束从所述空 芯电极中心穿过，对待焊接母材进行激光点焊，以实现激光点焊与电阻点焊的同轴复合。采用本发明所述的焊接方法，激光点焊在待焊接母材上形成焊接熔池与匙孔，并 与电阻点焊所形成的熔池相贯通，最终形成十字型结构的焊点。本发明的优点是本发明在金属材料的激光焊接技术上，开辟了一条借助外能量 辅助作用改变激光焊接机制的新路，它具有以下优点一、提高了焊点的力学性能本发明方法最终形成的十字型结构焊点与单独的激 光点焊焊点及电阻点焊熔核相比，它“十”字形焊点的撕裂阻力明显增大，在同等结合面尺 寸条件下具有更大的抗剪力与抗疲劳强度。二、能够抑制金属材料的内部缺陷、改善微观组织本发明方法的复合点焊过程 中，电阻点焊的强电流在熔池中产生的电磁搅拌力可促进激光点焊与电阻点焊的热交换作 用，它能增大熔池宽度，并加速内部气泡的外溢，有利于形成均勻的微观组织结构；电阻点 焊对待焊接母材的预热作用可提高铝合金材料对激光的吸收率与焊接稳定性，电阻点焊的 后热作用能够延缓熔池的冷却速度，抑制热裂纹、凹坑的形成，从而改善了现有技术中将激 光点焊工艺应用于铝合金材料时，所存在的焊点性能差的问题。三、材料适应性强和能量效率高本发明方法不仅适合于铝合金、铜合金、镀锌钢板等难焊金属，也适用于异种材料的连接，及大厚度板与较大间隙的搭接接头、T型接头等 连接。在本发明所述的复合焊接方式下，较低的激光功率即可成孔，两种热源耦合在待焊接 工件内部形成的体热源可显著提高能量作用效率。本发明实现了激光与电阻点焊的同轴复合，它利用强电流作用下的电磁效应剧烈 搅拌熔池，通过激光与电阻点焊的能量耦合作用在工件内部建立新型体热源，在解决了铝 合金的激光点焊问题的同时，获得了一种特殊形态的高强度焊点，为轻量化结构件的研制 生产开辟了更宽广的设计空间。
图1为本发明中电阻点焊的预热示意图，图中A所示为电阻点焊所形成的熔池；图2为电阻点焊结合激光点焊的示意图，图中箭头表示激光热量向四周的传递， 图中B所示为激光束；图3为本发明中电阻点焊和激光点焊的能量耦合后在工件内部形成体热源的示 意图；图4为电阻点焊后热量传递方向示意图；图5为本发明方法最终形成的焊点的示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述焊接方 法基于现有对待焊接母材进行电阻点焊的方法，所述电阻点焊方法中的上电极采用空芯电 极，在对待焊接母材进行电阻点焊的同时，将激光束从所述空芯电极中心穿过，对待焊接母 材进行激光点焊，以实现激光点焊与电阻点焊的同轴复合。激光点焊在待焊接母材上形成焊接熔池与匙孔，并与电阻点焊所形成的熔池相贯 通，最终形成十字型结构的焊点。本实施方式中电阻点焊方法中的下电极采用现有方式中使用的电极的形式。工作原理激光束从空芯电极中心穿过实现了与电阻点焊的同轴复合，将电阴点焊与激光点 焊同时启动，在电阻点焊的实施过程中，首先实现了对待焊接母材的电阻热预热，这个预热 过程提高了铝合金对激光的吸收率，同时有利于消除待焊接母材的板间间隙；激光束作用在上下板待焊接母材上，会使其熔化形成焊接熔池与匙孔，此时激光 点焊的热量通过匙孔和熔池迅速向四周传导，与电阻点焊的电阻热相贯通，在材料内部形 成了一个统一的体热源，由此产生一个较大的焊接熔池；当上下板待焊接母材实现连接后，会有几千安培的电阻点焊电流从熔池中流过， 电流会在熔池中产生强磁场，电磁力搅拌作用导致熔池流动状态与热交换条件发生改变， 这个过程促进了材料内部气泡的溢出。
具体实施方式
二 本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述空芯电极的外 径为13mm至30mm，空芯电极的内径为3mm至15mm，所述空芯电极的壁厚大于等于5mm。若空芯电极的外径过小，会使电阻点焊过程中电极容易变形，无法获得满意的焊 缝成形；若空芯电极的内径过小，会造成激光束无法通过。
具体实施方式
三本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，所述焊接方法 的焊接持续时间为0. 06s至0. 5s,电阻点焊的焊接电流为2000A至12000A，激光点焊的焊 接功率为100W至5000W。在激光-电阻点焊同轴复合焊接过程中，若激光功率过大，则激光能量和激光焊 接产生的等离子体对电极辐射产生的热量容易导致电极变形。
具体实施方式
四本实施方式是对实施方式三的进一步限定，所述电阻点焊的持 续时间比激光点焊的持续时间长0. 02s至0. Is。本发明方法中所述的激光点焊在几十 几百毫秒内即可完成，电阻点焊的过程 需比激光点焊的过程多持续一段时间，这样有利于延长熔池的冷却时间，并最终形成一个 “十”字型结构的特殊焊点形态。
具体实施方式
五本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述激光束由激光 器产生，所述激光器为CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器或光纤激光器。
权利要求
一种激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，所述焊接方法基于现有对待焊接母材进行电阻点焊的方法，其特征在于所述电阻点焊方法中的上电极采用空芯电极，在对待焊接母材进行电阻点焊的同时，将激光束从所述空芯电极中心穿过，对待焊接母材进行激光点焊，以实现激光点焊与电阻点焊的同轴复合。
2.根据权利要求1所述的激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，其特征在于所述空 芯电极的外径为13mm至30mm，空芯电极的内径为3mm至15mm，所述空芯电极的壁厚大于等 于 5mm。
3.根据权利要求1或2所述的激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，其特征在于所 述焊接方法的焊接持续时间为0. 06s至0. 5s,电阻点焊的焊接电流为2000A至12000A，激 光点焊的焊接功率为100W至5000W。
4.根据权利要求3所述的激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，其特征在于所述电 阻点焊的持续时间比激光点焊的持续时间长0. 02s至0. Is。
5.根据权利要求1所述的激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，其特征在于所述激 光束由激光器产生，所述激光器为CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器或光纤激光器。
全文摘要
激光与电阻点焊的同轴复合焊接方法，属于焊接技术领域。它解决了激光点焊工艺应用于铝合金材料时，焊点性能差的问题。它所述焊接方法基于现有对待焊接母材进行电阻点焊的方法，所述电阻点焊方法中的上电极采用空芯电极，在对待焊接母材进行电阻点焊的同时，将激光束从所述空芯电极中心穿过，对待焊接母材进行激光点焊，以实现激光点焊与电阻点焊的同轴复合。本发明作为一种焊接技术。
文档编号B23K28/02GK101934432SQ20101028192
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者李俐群, 陈彦宾, 雷正龙 申请人:哈尔滨工业大学