一种汽车顶篷高速激光钎焊的方法与流程

本发明涉及汽车钎焊技术领域，尤其涉及一种汽车顶篷高速激光钎焊的方法。

背景技术

激光焊接技术由于其具有焊接速度快，热输入低、焊接变形小，焊缝成形美观等优点而在汽车制造上得到越来越广泛的应用，激光钎焊已经成为汽车顶篷与侧围连接的主流技术，大多数欧美主流汽车厂商均采用激光钎焊来连接汽车的顶篷与侧围。

激光钎焊的焊接速度是影响顶篷激光钎焊工位生产节拍的关键因素。在钎焊过程中，焊接速度提高会引起熔池流动紊乱，从而产生驼峰焊道与咬边缺陷，导致当前汽车顶篷的焊接速度较低，汽车顶篷焊接的速度均为8mm～70mm/s，不能满足激光钎焊工位的生产节拍，阻碍了汽车技术的进一步发展。

现有技术中通过改变汽车顶篷的结构，从而减小汽车顶篷需要钎焊的距离，缩短汽车顶篷的钎焊时间，使得激光钎焊工位的生产节拍满足要求，但这种方法降低了汽车顶篷与侧围的连接强度，另外，或通过在生产线上建有两个激光房，两个激光房轮流加工使激光钎焊工位的生产节拍满足要求，但两个激光房大幅增加了设备的成本，因此，上述现有技术均不利于大范围的推广。

现有的汽车顶篷钎焊技术中，由于技术思路本身具有缺陷，导致了汽车顶篷钎焊技术不能从根本上得到解决，汽车顶篷的钎焊效率和技术便于推广始终得不到兼顾。

该技术难题的存在，阻碍了现有技术的进一步发展。同时，由于这一问题是现有技术的技术思路本身的缺陷带来的，因此，发展出一种保持汽车顶篷与侧围具有较高的连接强度，焊接成本较低，且能满足激光钎焊工位的生产节拍的高速激光钎焊技术是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能防止汽车顶篷焊接过程形成驼峰焊道，实现汽车顶篷的焊接高达100～120mm/s的焊接速度，且有利于保持汽车顶篷与侧围连接强度，同时避免产生较高的焊接成本，从而便于技术的推广的汽车顶篷高速激光钎焊的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种汽车顶篷高速激光钎焊的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：使焊丝和汽车顶篷均与加热电源电连接，将激光发生装置产生的激光光束聚焦到汽车顶篷的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；

步骤2：通过送丝装置将焊丝送入激光光斑内，同时焊丝与汽车顶篷接触，焊丝在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池，且焊丝与熔池的接触位置位于熔池的前沿；

步骤3：使激光发生装置产生的激光光斑和送丝装置带动焊丝沿焊缝所在轨迹移动进行焊接。

步骤1中，激光发生装置的输出功率p为4.5～6kw；

激光光斑的直径d与焊丝直径d满足以下关系式：

d：d＝1.5～2:1；

步骤2中焊丝的轴线与焊丝移动方向所成夹角r≤30°。

可选的，步骤2中的焊丝伸出送丝装置的长度l和焊丝直径d满足以下关系式：

l：d≤8:1。

可选的，步骤2中，焊丝与激光光斑之间的光丝距h为零。

可选的，步骤1中，激光发生装置的输出功率p为4.6～5.9kw。

可选的，步骤1中，激光发生装置的输出功率p为5～5.5kw。

可选的，步骤2中的焊丝为铜合金材料。

实施本发明的实施例，具有以下技术效果：

本发明无需对汽车结构进行改变，保持汽车顶篷和侧围的连接强度，同时减少设备的增加，降低成本，实现汽车顶篷在以100～120mm/s的速度进行焊接时不会产生驼峰焊道和鱼鳞纹，激光加热和电加热的方式同时作用于焊丝使焊丝熔化，提高了焊丝的熔化速度，减小固态焊丝在移动时对熔池的冲击力，且降低单一的激光加热对激光输出功率较高的要求；

通过分析工艺参数对高速焊接状态下熔池流动的影响机理，掌握了减小焊丝对熔池流动扰动的关键参数，此时，将激光发生装置的激光输出功率设置在4.5～6kw，且激光发生装置形成的激光光斑直径d与焊丝直径d的比为1.5～2:1，一方面，通过减小激光光斑的直径使激光功率密度增加，熔池温度升高，有利于焊丝吸收熔池热量，迅速熔化，另一方面，避免激光光斑过小，导致焊丝难以准确送入熔池前沿；

另外，在熔池形成后，熔池在移动方向的前沿的温度明显高于熔池的后沿，焊丝与熔池的接触位置位于熔池的前沿，有利于焊丝吸收熔池的热量，进一步提高焊丝的熔化速度，减少固态焊丝对熔池的扰动；

最后，使焊丝的轴线与焊丝移动方向所成夹角r≤30°，此时，焊丝主要送入熔池的上部，此处的熔池温度相对熔池下部的温度较高，提高焊丝的熔化速度，使得焊丝对熔池的扰动大幅减小，且此时焊丝对熔池的扰动位置距离熔池表面很近，扰动可以迅速传递到熔池表面，此时熔池表面的温度较高，焊丝对熔池造成的扰动有充足的时间进行铺展，从而抑制了汽车顶篷表面鱼鳞纹和驼峰焊道的产生，从根本上解决了汽车顶篷钎焊无法满足激光钎焊工位的生产节拍的问题。

附图说明

图1是本发明优选实施例1～8的焊接示意图；

图2是本发明优选实施例1～8中影响高速焊接的参数框图；

图3是本发明优选实施例1～8中夹角r≤30°时焊丝对熔池扰动的熔池内流体流动示意图；

图4是现有技术中夹角r>30°时焊丝对熔池扰动的熔池内流体流动示意图。

附图标记说明：

1、激光发生装置，2、送丝装置，3、加热电源，4、焊丝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

本实施例包括激光发生装置1、送丝装置2和用于与汽车顶篷电连接的加热电源3，焊丝4加热电源3与送丝装置2电连接。

参考图1～图4，本实施例提供了一种汽车顶篷高速激光钎焊的方法，包括以下步骤：

步骤1：使焊丝4和汽车顶篷均与加热电源电连接，将激光发生装置1产生的激光光束聚焦到汽车顶篷的焊缝，在焊缝上形成激光光斑；

步骤2：通过送丝装置2将焊丝4送入激光光斑内，同时焊丝4与汽车顶篷接触，焊丝4在激光能量和电阻热的共同作用下发生熔化，形成熔池，且焊丝4与熔池的接触位置位于熔池的前沿；

步骤3：使激光发生装置1产生的激光光斑和送丝装置2带动焊丝4沿焊缝所在轨迹移动进行焊接。

步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为4.5kw；

激光光斑的直径d与焊丝4直径d满足以下关系式：

d：d＝2:1；

步骤2中焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r≤30°。

本发明方法的改进主要包括两个方面，第一是焊丝进入熔池后能够迅速熔化，从而减小固态焊丝对熔池的冲击力；第二是焊丝对熔池的扰动能够迅速铺展平复，防止扰动凝固下来产生驼峰焊道。

本发明无需对汽车结构进行改变，保持汽车顶篷和侧围的连接强度，同时减少设备的增加，降低成本，实现汽车顶篷在以100～120mm/s的速度进行焊接时不会产生驼峰焊道，激光加热和电加热的方式同时作用于焊丝4使焊丝4熔化，提高了焊丝4的熔化速度，减小固态焊丝4在移动时对熔池的冲击力，且降低单一的激光加热对激光输出功率较高的要求；

参考图2，通过分析工艺参数对高速焊接状态下熔池流动的影响机理，掌握了减小焊丝4对熔池流动扰动的关键参数，通过调整汽车顶篷钎焊技术的工艺参数，获得高速的汽车顶篷钎焊技术，相对现有技术，不仅符合汽车生产节拍的要求，且避免对汽车进行结构修改和成本的增加，使汽车生产的综合效果有了明显的提高。

此时，将激光发生装置1的激光输出功率设置在4.5kw，且激光发生装置1形成的激光光斑直径d与焊丝4直径d的比为2:1，一方面，通过减小激光光斑的直径使激光功率密度增加，熔池温度升高，有利于焊丝4吸收熔池热量，迅速熔化，另一方面，避免激光光斑过小，导致焊丝4难以准确送入熔池前沿；

另外，在熔池形成后，熔池在移动方向的前沿的温度明显高于熔池的后沿，焊丝4与熔池的接触位置位于熔池的前沿，有利于焊丝4吸收熔池的热量，进一步提高焊丝4的熔化速度，减少固态焊丝4对熔池的扰动；

最后，参考图3和图4，本发明使焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r≤30°，此时，焊丝4主要送入熔池的上部，此处的熔池温度相对熔池下部的温度较高，提高焊丝4的熔化速度，使得焊丝4对熔池的扰动大幅减小，且此时焊丝4对熔池的扰动位置距离熔池表面很近，扰动可以迅速传递到熔池表面，此时熔池表面的温度较高，焊丝4对熔池造成的扰动有充足的时间进行铺展，从而抑制了汽车顶篷表面鱼鳞纹和驼峰焊道的产生，从根本上解决了汽车顶篷钎焊无法满足激光钎焊工位的生产节拍的问题。

步骤2中的焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d满足以下关系式：l：d≤8:1，使焊丝4在焊接过程中保持有良好的刚性，从而方便送丝装置2准确的将焊丝4送到熔池的前沿，减少焊丝4对熔池的扰动，提高汽车顶篷焊接质量。

步骤2中，使焊丝4与激光光斑之间的光丝距h为零，光丝距即焊丝4轴线与熔池的接触点与激光光斑中心点之间的距离，使光丝距h为零，则焊丝4在进入熔池时直接获得的激光能量越高，进一步提高了焊丝4的熔化速度，同时提高对激光光束能量的利用率，减少能量的损耗。

步骤2中的焊丝4为铜合金材料，铜合金焊丝4的电阻率较小，因此产生的电阻热较小，且铜合金材料的导热率较高，可以快速导热熔化，进一步提高焊丝4的熔化速度，减小焊丝4对熔池的扰动。

实施例2：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为4.6～5.9kw，激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.5:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝30°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝6:1；

实施例3：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为6kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.7:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝25°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝7:1；

实施例4：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为5～5.5kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.7:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝25°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝7:1；

实施例5：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为5kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.8:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝15°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝5:1；

实施例6：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为4.5kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.7:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝23°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝5.5:1；

实施例7：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为5.5kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.9:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝12°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝3.5:1；

实施例8：

本实施例与实施例的区别在于：步骤1中，激光发生装置1的输出功率p为5.9kw，且激光光斑的直径d与焊丝4直径d的比为d：d＝1.6:1，焊丝4的轴线与焊丝4移动方向所成夹角r＝18°，焊丝4伸出送丝装置2的长度l和焊丝4直径d的比为l：d＝4:1；

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“前”、“后”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。