一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接方法与系统与流程

本发明涉及一种激光焊接领域，尤其涉及一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接方法与系统。

背景技术：

在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。镀锌钢叠接接头采用激光焊接时，同样存在镀锌层的气化，以及表面飞溅、焊接气孔等缺陷。

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。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接过程中锌层剧烈蒸发，焊接过程极不稳定，易出现焊接表面飞溅、气孔等缺陷的问题。

本发明提供一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接方法，包括如下步骤。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件与第二工件，第一工件与第二工件均为镀锌钢板。

步骤2、将第一工件和第二工件上下垂直叠接并夹紧。

步骤3、提供激光自熔焊接系统，激光自熔焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第二传输光纤、第一激光焊接头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第二传输光纤与第一激光焊接头相连。

步骤4、提供激光填丝焊接系统，激光填丝焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第三传输光纤、第二激光焊接头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第二传输光纤与第二激光焊接头相连，激光焊接头、送丝头与激光切割头在焊接方向上串行成列设置。

步骤5、启动激光自熔焊接系统，第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件表面。

步骤6、启动激光填丝焊接系统，第二激光焊接头、送丝头跟随第一激光焊接头的轨迹进行填丝焊接，熔化的焊丝与激光填丝焊接熔池冷却后共同形成接头，完成焊接过程。

在其中一实施例中，步骤1中，镀锌钢板厚度为0.8~3mm。

在其中一实施例中，步骤2中，第一工件和第二工件之间板间间隙为零。

在其中一实施例中，步骤3中，激光自熔焊接系统中，第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束激光功率为3~6kw，焦点功率密度为10⁶~10⁷w/cm²。

在其中一实施例中，步骤3中，激光自熔焊接系统中，第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束可以是光纤激光，碟片激光或co2激光。

在其中一实施例中，步骤4中，激光填丝焊接系统中，第二激光焊接头聚焦形成的第二激光束激光功率为1~2.5kw。

在其中一实施例中，步骤4中，激光填丝焊接系统中，第二激光焊接头聚焦形成的第二激光束中心线与竖直方向的夹角α为0~15°。

在其中一实施例中，步骤4中，激光填丝焊接系统中，送丝头的送丝角度β为30~75°。

在其中一实施例中，步骤5中，激光自熔焊接系统中，第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件和第二工件叠接接头，得到严重塌陷的焊缝。

本发明还提供一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接系统，包括激光自熔焊接系统和激光填丝焊接系统两个子系统，激光自熔焊接系统中第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束、激光填丝焊接系统中送丝头和第二激光焊接头聚焦形成的第二激光束在焊接方向上串行成列设置，第一激光焊接头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件表面，得到严重塌陷的焊接熔池，第二激光焊接头、送丝头跟随第一激光焊接头的轨迹进行填丝焊接，熔化的焊丝与填丝焊接熔池冷却后共同形成接头，完成焊接过程，激光自熔焊接系统和激光填丝焊接系统中第一激光焊接头和第二激光焊接头固定连接在机械手末端的连接法兰上。

在其中一实施例中，激光自熔焊接系统中还包括与第一激光焊接头对应设置的第一保护气喷嘴，第一保护气喷嘴固定在第一激光焊接头的第一固定支架上。

在其中一实施例中，激光填丝焊接系统中还包括与第二激光焊接头对应设置的第二保护气喷嘴，送丝头、第二保护气喷嘴分别固定在第二激光焊接头的第二固定支架和第三固定架上。

在其中一实施例中，激光填丝焊接系统中第二激光焊接头中心线与竖直方向的夹角α为0~15°。

在其中一实施例中，激光填丝焊接系统中送丝头的送丝角度β为0~75°。

在其中一实施例中，激光自熔焊接系统中第一激光焊接头聚焦形成的第一接轨迹垂直辐照第一工件和第二工件叠接接头，得到严重塌陷的焊缝。

本发明的有益效果是。

1）在本发明中，首先采用高能量激光束对镀锌钢板叠接接头进行激光自熔焊接，利用高能量激光束形成贯穿上下工件的焊接小孔，且持续稳定维持焊接小孔底部开口开放，大量金属蒸汽和小孔前沿熔融金属从小孔底部喷出，焊接熔池严重塌陷，获得严重塌陷的焊缝。在此过程中上下工件叠接处的锌层蒸发产生的锌蒸汽也随小孔内的金属蒸汽向下喷出，即使叠接处的锌层蒸发产生的锌蒸汽没有向下喷出，对严重塌陷的焊接熔池也不会产生干扰，从而有效避免了叠接处锌层直接蒸发而干扰焊接熔池，大幅提高了镀锌钢板激光叠接焊接时焊接过程的稳定性，有效抑制了镀锌钢板激光叠接焊接时表面飞溅、气孔等缺陷。

2）采用本发明提供的镀锌钢板叠接接头激光焊接方法与系统，实现了镀锌钢板零间隙激光叠接焊接，大大减少了焊装夹具的调整时间。

3）采用本发明提供的镀锌钢板叠接接头激光焊接方法与系统，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。

附图说明

图1是本发明实施例一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接方法与系统的设备与母材布置示意图。

图2是图1所示方法中激光焊接区纵截面示意图。

其中：1-第一工件，2-第二工件，3-锌层，4-焊丝，5-送丝头，6-第一激光束，7-第一保护喷气嘴，8-第一固定支架，9-第一激光焊接头，10-第二固定支架，11-激光发生器，12-第一传输光纤，13-分光器，14-第二传输光纤，15-第三传输光纤，16-第二激光焊接头，17-连接法兰，18-机械手，19-第三固定支架，20-第二保护气喷嘴,21-第二激光束，22-小孔前沿，23-穿透小孔，24-锌蒸汽，25-塌陷，26-激光自熔焊接熔池，27-激光填丝焊焊缝，28-严重塌陷的焊缝，29-激光自熔焊熔池，30-金属蒸汽，31-飞溅。

具体实施方式

以下将结合附图1和2以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和2所示，本发明实施例中,一种零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接方法包括如下步骤。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2均为镀锌钢板，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一工件1与第二工件2的厚度为0.8~3mm。

步骤2、除去第一工件1和第二工件2上下表面上的杂质，用焊接夹具将第一工件1和第二工件2准确上下垂直叠接并夹紧，使得第一工件1和第二工件2在焊接夹具装夹下紧密贴合，即叠接接头板间间隙为零，从而可大大减少了焊装夹具的调整时间。

步骤3、提供激光自熔焊接系统，激光自熔焊接系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第二传输光纤14、第一激光焊接头9，第一保护气嘴7、第一固定支架固定8，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第二传输光纤14与第一激光焊接头9相连，第一固定支架8固定第一保护气喷嘴7。

第一激光焊接头9聚焦形成的第一激光束6激光功率为3~6kw，焦点功率密度为10⁶10⁷w/cm²。第一激光焊接头9聚焦形成的激光束可以是光纤激光，碟片激光，或co2激光。

步骤4、提供激光填丝焊接系统，激光填丝焊接系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第三传输光纤15、第二激光焊接头16、送丝头5、第二固定支架10、第三固定支架19、第二保护气喷嘴20，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第三传输光纤15与第二激光焊接头16相连，第一激光焊接头9、送丝头5与第二激光焊接头16在焊接方向上串行成列设置，第二固定支架10和第三固定支架19分别固定送丝头5和第二保护气喷嘴20。

第二激光焊接头16聚焦形成的第二激光束21激光功率为1~2.5kw；第二激光光束21中心线与竖直方向的夹角α为0~15°；送丝头5的送丝角度β为0~75°。

步骤5、启动激光自熔焊接系统，第一激光焊接头9聚焦形成的第一激光束6垂直辐照第一工件1表面，形成贯穿第一工件1和第二工件2的穿透小孔23，大量金属蒸汽30、飞溅31从穿透小孔23底部喷出，从而第一工件1和第二工件2的叠接接头焊接熔池严重塌陷25，得到严重塌陷的焊缝28。

步骤6、启动激光填丝焊接系统，第二激光焊接头16聚焦形成的第二激光束21辐照送丝头5输送的焊丝4，第二激光焊接头16、送丝头5跟随第一激光焊接头9的轨迹同步进行填丝焊接，熔化的焊丝4与激光填丝焊接熔池26冷却后共同形成接头完成焊接过程，激光自熔焊接系统和激光填丝焊接系统中第一激光焊接头9和第二激光焊接头16固定连接在机械手18末端的连接法兰17上。

在本发明中，采用高能量激光束先对镀锌钢板叠接接头进行激光自熔焊接，利用高能量激光束形成贯穿上下工件的穿透小孔23，且持续稳定维持穿透小孔23底部开口开放，大量金属蒸汽30从小孔底部喷出，小孔前沿22熔融金属从底部喷出，焊接熔池严重塌陷25，得到严重塌陷的焊缝28。在此过程中上下工件叠接处的锌层3蒸发产生的锌蒸汽24也随小孔内的金属蒸汽30向下喷出，即使叠接处的锌层3蒸发产生的锌蒸汽24没有向下喷出，也对严重塌陷的焊接熔池产生不了干扰，从而有效避免了叠接处锌层3直接蒸发而干扰激光自熔焊接熔池29，克服了镀锌钢板激光叠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。

本发明实施例中还提供了零间隙镀锌钢板叠接接头激光焊接系统，包括激光自熔焊接系统和激光填丝焊接系统。

可选地，激光自熔焊接系统包括激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第二传输光纤14、第一激光焊接头9、第一保护气喷嘴7。

可选地，激光填丝焊接系统包括第二激光焊接头16、激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第三传输光纤15、焊丝4、送丝头5、第二保护气喷嘴20，第二激光焊接头16、送丝头4与第一激光焊接头9在焊接方向上串行成列设置。

可选地，第二激光束21中心线与竖直方向的夹角α为0~15°。

可选地，送丝头5的送丝角度β为0~75°。

本发明实施例首先利用高能量激光自熔焊接零间隙镀锌钢板叠接接头，得到严重塌陷的焊缝28，其次，采用激光填丝焊接填充严重塌陷的焊缝28，最终得到激光填丝焊焊缝27，有效避免了叠接处锌层3直接蒸发而干扰激光自熔焊接熔池29，克服了零间隙镀锌钢板激光叠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。