一种金属板的激光焊接系统和方法与流程

本申请涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种金属板的激光焊接系统和方法。

背景技术：

激光焊接具备精度高、速度快、以及易于实现自动化的优点，非常适合金属薄板的焊接。

现有金属薄板激光焊接技术中，大多对金属薄板进行点焊，形成有一定抗拉强度的连接接头。但是这种的点焊也带有明显的缺点，例如点焊的焊缝尺寸较大，不容易控制焊缝的熔深。因此点焊不适合要求密封，并且不能焊透的产品。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种金属板的激光焊接系统和方法，有利于降低焊缝尺寸以及精确控制熔深。

本申请实施例第一方面提供一种金属板的激光焊接系统，该系统包括：传输光纤，焊接控制单元以及与所述焊接控制单元连接的激光发生器、激光振镜和夹具；

所述激光发生器通过所述传输光纤与所述激光振镜连接，用于在所述焊接控制单元的控制下发出纳秒级别的激光，所述激光通过所述传输光纤传输至所述激光振镜，所述激光振镜，用在所述焊接控制单元的控制下于对所述激光进行处理，并且控制所述激光按照焊接轨迹进行运动；所述夹具设置于所述激光振镜的出光面下方，用于在所述焊接控制单元的控制下根据所述焊接轨迹夹持待焊接的金属板。

本申请实施例第二方面提供一种金属板的激光焊接方法，该方法应用于本申请实施例第一方面的金属板的激光焊接系统，该方法包括：

所述焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹；

所述焊接控制单元基于所述焊接轨迹控制所述夹具将待焊接的金属板固定于所述激光振镜的出光面下方；

所述焊接控制单元获取所述激光振镜与所述金属板的目标焊接距离，将所述激光振镜与所述金属板的实际距离调整为所述目标焊接距离；

所述焊接控制单元控制所述激光发生器按照预设激光参数发射激光，其中，所述激光为纳秒级别的激光；

所述激光振镜在所述焊接控制单元的操控下，控制所述激光按照所述焊接轨迹进行运动。

本申请实施例公开了一种金属板的激光焊接系统和方法，通过焊接控制单元可以获取待焊接的金属板的焊接轨迹，之后基于焊接轨迹控制夹具将待焊接的金属板固定于激光振镜的出光面下方，获取激光振镜与金属板的目标焊接距离，将激光振镜与金属板的实际距离调整为目标焊接距离，控制激光发生器按照预设激光参数发射激光，通过激光振镜控制激光按照焊接轨迹进行运动，本实施例中激光为纳秒级别的激光，结合激光振镜可以实现对金属板的高频高速焊接，这种高频高速焊接可以有效降低金属板的焊缝尺寸，并且提升对熔深的精确控制。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种金属板的激光焊接系统的结构示意图；

图2为本申请实施例中激光发生器输出的激光的波形示意图；

图3为本申请实施例提供的一种金属板的激光焊接方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1，图1示出了一种金属板的激光焊接系统，该系统包括激光发生器11、传输光纤12、激光振镜13、夹具14以及与激光发生器11、激光振镜13和夹具14连接的焊接控制单元15；

激光发生器11通过传输光纤12与激光振镜13连接，用于在焊接控制单元15的控制下发出纳秒级别的激光，激光通过传输光纤12传输至激光振镜13，激光振镜13，用于在焊接控制单元15的控制下于对激光进行处理，并且控制激光按照焊接轨迹进行运动；夹具14设置于激光振镜13的出光面下方，用于在焊接控制单元15的控制下根据焊接轨迹夹持待焊接的金属板16。

本实施例中，激光振镜13的扫描频率可以根据需要设置，本实施例对此没有限制，可选的，可以设置一扫描频率阈值，并设置激光振镜13的扫描频率不低于扫描频率阈值。本实施例中，待焊接的金属板可以由至少两层重叠在一起的金属薄板构成，例如图1中，待焊接的金属板16由两层叠在一起的金属薄板组成。本实施例的激光焊接系统可以将重叠的多层金属板焊接在一起。

本实施例中，可选的，激光发生器11发射激光的模式为脉冲模式，激光发生器11发射的激光为脉冲激光。参见图2，本实施例的激光发生器发射的脉冲激光的波形如图2所示。

可选的，本实施例中的激光发生器11发射的激光满足预设激光参数，该预设激光参数包括：脉冲宽度低于300ns，峰值功率低于1000w，脉冲频率大于1000000hz，可选的，预设激光参数中还可以包括其他的参数，例如激光的速度，激光束的粗细等等。可选的，预设激光参数中的各参数可以根据被焊接的金属板的材料种类和厚度确定，和/或根据激光焊接金属板需要的目标焊缝熔深来确定。例如，对于待焊接金属板为316l不锈钢，且上层金属板的厚度为0.08mm，下层金属板的厚度为0.08mm，选择激光的频率为4000000hz，脉宽为250ns，速度为300mm/s，峰值功率为500w或600w或700w进行焊接。

可选的，本实施例中的激光振镜中包含准直镜片和聚焦镜片，激光通过准直镜片的扩束后被传输至聚焦镜片进行聚焦，最终在激光振镜下方的待焊接金属板上聚焦形成焊点。可选的，传输光纤传输的激光束通过准直镜片后的光束直径在预设直径范围内，可选的，该预设直径范围为8mm-12mm，进一步的，通过准直镜片后的光束直径优选为10mm。可选的，本实施例中聚焦镜片的焦距在预设焦距范围内，该预设焦距范围可以是200mm-500mm。进一步的，聚焦镜片的焦距优选为330mm。

本实施例中的激光振镜内部设置有偏摆镜片，由激光振镜内的电机驱动，可以使得激光按照焊接轨迹进行运动，从而让焊点在待焊接的金属板表面形成焊接轨迹。

进一步的，参见图1，本实施例中的夹具14包括垫块141和压块142，夹具14夹持待焊接的金属板16时，垫块141位于金属板16下方，压块142位于金属板16上方，垫块141与压块142的内部分别设置有第一通孔1411和第二通孔1421，垫块141和压块142分别通过第一气体传输通道a和第二气体传输通b与焊接控制单元15连接，焊接控制单元15还用于通过第一气体传输通道a往第一通孔1411吹送保护气体，以使得保护气体经由第一通孔1411被吹送至金属板16的上表面，以及通过第二气体传输通道b往第二通孔1421吹送保护气体，以使得保护气体经由第二通孔1421被吹送至金属板16的下表面。向金属板吹送保护气体可以有效防止焊缝氧化，并且加速焊缝冷却，降低焊接变形，压块和垫块相互压合，对薄板起到压紧固定的作用。

可选的，本实施例中，保护气体可以选择惰性气体，进一步地，保护气体优选氩气，因为氩气比空气重，容易在焊缝表面聚集，起到隔离空气的作用。可选的，一个实施例中，从第一气体传输通道与第二气体传输通道可以相互独立，第一气体传输通道传输的保护气体的密度小于空气的密度，第二气体传输通道传输的保护气体的密度大于空气的密度。

进一步的，本实施例中的焊接控制单元15包括激光控制单元151、振镜控制单元152以及夹具控制单元153，激光控制单元151与激光发生器连接，用于控制激光发生器，例如控制激光发生器发出纳秒级别的激光。振镜控制单元152与激光振镜连接，用于控制激光振镜，例如，振镜控制单元152控制激光振镜实现激光对待焊接的金属板的扫描，以使得激光按照用户需要的焊接轨迹进行运动。夹具控制单元与夹具连接，用于控制夹具，例如夹具控制单元控制夹具根据焊接轨迹夹持待焊接的金属板，如控制夹具对金属板的夹持松紧程度。又例如，夹具控制单元用于通过第一气体传输通道往第一通孔吹送保护气体，以使得保护气体经由第一通孔被吹送至待焊接的金属板的上表面，以及通过第二气体传输通道往第二通孔吹送保护气体，以使得保护气体经由第二通孔被吹送至待焊接的金属板的下表面。本实施例中，待焊接的金属板可以为两层金属板，两双层金属板在夹具的夹持作用下，被固定在垫块和压块之间，可选的，如图1所示，本实施例的压块由两个压块子件构成，两个压块子件正对设置，在夹持待焊接的金属板时，两个压块子件需避开金属板上将形成的焊接轨迹，避免阻碍激光对金属板的焊接，避免干扰金属板上焊接轨迹的形成。另一方面，本实施例中，压块与垫块压合的边缘与金属板上将要形成的焊接轨迹要保持一定的距离，例如保持在0.8mm-1.2mm之间，本实施例优选1.0mm。

可选的，上述激光控制单元151与振镜控制单元152以及夹具控制单元153连接，激光控制单元151可以在发射激光后将激光发射的消息传输至振镜控制单元152以及夹具控制单元153，以使得振镜控制单元152以及夹具控制单元153开始工作。

可选的，上述激光控制单元151与振镜控制单元152以及夹具控制单元153可以是相互独立设置的器件，也可以是一个装置中的不同部件。本实施例对此没有限定。

本实施例公开一种金属板的激光焊接方法，应用于上述图1对应的示例中的金属板的激光焊接系统，能够实现两层金属薄板的密封，并且能够精确控制熔深，不会焊透产品。

参见图3，该金属板的激光焊接方法包括：

步骤301、焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹；

需要说明的是，步骤301中获取的焊接轨迹是将要通过激光在待焊接金属板上焊接得到的焊接轨迹，该待焊接的金属板上暂时没有该焊接轨迹。

可选的，上述步骤301具体可以由振镜控制单元和/或夹具控制单元实现。焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹包括：焊接控制单元获取焊接轨迹图纸，根据焊接轨迹图纸上的信息获取待焊接金属板上将要形成的焊接轨迹。可选的，焊接轨迹图纸可以是从网络或与焊接控制单元连接的外部装置中获取的，也可以是基于用户在焊接控制单元(的输入模块)上编辑的焊接轨迹形成的，本实施例对此没有限制。

本实施例中，步骤301中获取待焊接的金属板的焊接轨迹时，不仅获取了焊接轨迹的形状，还获取了焊接轨迹在金属板上的位置。

步骤302、焊接控制单元基于焊接轨迹控制夹具将待焊接的金属板固定于激光振镜的出光面下方；

可选的，步骤302中具体可以由夹具控制单元基于焊接轨迹控制夹具将待焊接的金属板固定于激光振镜的出光面下方，其中，在夹具包括垫块和压块的情况下，压块与垫块压合的边缘与金属板上的焊接轨迹的距离在预设距离范围内，预设距离范围为0.8mm-1.2mm，可选的，压块与垫块压合的边缘与金属板上的焊接轨迹的距离优选为1mm。

可选的，焊接控制单元基于焊接轨迹控制夹具将待焊接的金属板固定于激光振镜的出光面下方包括：焊接控制单元基于焊接轨迹的形状以及焊接轨迹在金属板上的位置，确定压块与垫块压合的边缘与焊接轨迹的距离(压块未压在轨迹上)，在该距离不在预设距离范围内时，调整压块与垫块压合的边缘与焊接轨迹的距离以使得该距离在预设距离范围内。

步骤303、焊接控制单元获取激光振镜与金属板的目标焊接距离，将激光振镜与金属板的实际距离调整为目标焊接距离；

上述步骤303具体可以由振镜控制单元实现，上述目标焊接距离是振镜与金属板在竖直方向的距离。

本实施例中，该目标焊接距离可以在步骤303之前通过对测试金属板的焊接测试确定，可选的，在焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹前，还包括：

在夹具固定测试金属板后，焊接控制单元控制激光发生器以小能量单点连续出光的模式发射激光，并调节激光振镜与测试金属板的距离，其中，距离为第一距离；

焊接控制单元获取各第一距离下激光照射在测试金属板上发出的火花的大小，确定最大的火花对应的距离为激光振镜与测试金属板的目标距离；

焊接控制单元控制激光发生器以预设激光参数发射激光；

焊接控制单元控制激光振镜移动，以使得激光振镜与测试金属板的距离在目标距离附近变化，得到在激光振镜与测试金属板的不同距离下，激光在测试金属板上的焊缝，其中激光振镜与测试金属板的距离为第二距离；

焊接控制单元获取各第二距离下的焊缝对应的焊接效果，确定最好的焊接效果对应的第二距离为激光振镜与待焊接的金属板的目标焊接距离。

其中，激光发生器以脉冲模式发射激光，该预设激光参数包括但不限于：脉冲宽度低于300ns，峰值功率低于1000w以及脉冲频率大于1000000hz。

可选的，上述测试金属板的材料与待焊接的金属板的材料相同，进一步的，本实施例中，在步骤301之前，可以通过上述的焊接测试确定各种材料的金属板对应的目标焊接距离，然后建立各金属板材料与目标焊接距离的对应关系，在步骤303中焊接控制单元可以确定待焊接金属板的材料种类，获取金属板材料与目标焊接距离的对应关系，根据该对应关系与待焊接的金属板的材料种类确定激光振镜与待焊接的金属板的目标焊接距离。

步骤304、焊接控制单元控制激光发生器按照预设激光参数发射激光，其中，激光为纳秒级别的激光；

其中，预设激光参数参见上述的相关记载，本实施例在此不再赘述。

一个示例中夹具包括垫块和压块，在焊接控制单元控制激光发生器按照预设激光参数发射激光时，还包括：焊接控制单元通过垫块和压块上的通孔向待焊接的金属板的上下面吹送保护气体。

可选的，本实施例中的预设激光参数可以根据待焊接的金属板的材料种类和/或厚度确定，例如，对于316l不锈钢的待焊接金属板，假设上层的金属板厚度为0.08mm，下层的金属板厚度为0.08mm，则选择激光的频率为4000000hz，脉宽为250ns，速度为300mm/s，峰值功率为500w或600w或700w进行焊接。

可选的，本实施例中步骤301之前，可以根据不同激光参数下各激光对测试金属板的焊接熔深，来确定激光的峰值功率。可选的，焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹前还包括：

在夹具固定测试金属板后，焊接控制单元控制激光发生器依次以不同的峰值功率发射激光，其中，测试金属板与待焊接的金属板的材料种类和厚度相同；

激光振镜在焊接控制单元的操控下，控制激光在不同峰值功率下在测试金属板上焊出不同的焊缝，其中，激光振镜与测试金属板之间的距离为上述的目标焊接距离；

获取不同峰值功率下的焊缝对应的熔深，根据熔深确定待焊接金属板使用的峰值功率。

其中，为了得到不同峰值功率下的焊缝对应的熔深，可以通过切割机器对不同峰值功率下的焊缝进行切割，得到对应的多个焊缝截面，然后制作焊缝截面金相，通过焊缝截面金相确定各个焊缝的焊缝熔深。

例如，对于材料为316l不锈钢的待焊接的金属板，在上层的金属板厚度为0.08mm，下层的金属板厚度为0.08mm，激光的频率为4000000hz，脉宽为250ns，速度为300mm/s的情况下，依次以峰值功率500w、600w、700w对测试金属板进行焊接，通过观察熔深，最终确定优选峰值功率为600w。

步骤305、激光振镜在焊接控制单元的操控下，控制激光按照焊接轨迹进行运动。

为了进一步保证焊缝尺寸的可控性，以及提升对熔深的精确控制，本实施例中，对于各种类型、厚度的金属板，激光通过激光振镜照射在金属板上的照射光斑的尺寸不同。可选的，在焊接控制单元控制激光发生器按照预设激光参数发射激光前，还包括：获取金属板的照射光斑的目标尺寸，其中，照射光斑为穿过激光振镜的激光照射在金属板的上表面的光斑；在保持实际距离为目标焊接距离的情况下，调整激光振镜的参数，使得激光发生器发射激光后金属板上的照射光斑的尺寸为目标尺寸。

进一步的，获取金属板的照射光斑的目标尺寸包括：

确定金属板的参数，根据参数与照射光斑目标尺寸的预设对应关系，确定金属板对应的照射光斑的目标尺寸，其中，参数包括金属板的材料种类和厚度。可选的，在一个示例中，待焊接的金属板中的上层金属板和下层金属板的厚度可以相同或不同，本实施例对此没有限制。

例如，对于材料为316l不锈钢的待焊接的金属板，在上层的金属板厚度为0.08mm，下层的金属板厚度为0.08mm，则光斑的直径约为两层金属板总厚度的0.2-0.3倍。本实施例优选0.25倍。

进一步的，本实施例在焊接待焊接的金属板之前，还对包括激光振镜的幅面进行校正。可选的，在焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹前，还包括：

在夹具固定测试金属板后，焊接控制单元控制激光发生器发射激光；

焊接控制单元控制激光振镜通过激光在测试金属板上画出一个预设尺寸的矩形；

焊接控制单元获取矩形的实际尺寸；

若实际尺寸与预设尺寸的差异不满足要求，则焊接控制单元调整激光振镜的参数，直到激光振镜通过激光在测试金属板上画出的矩形的实际尺寸与预设尺寸的差异满足要求。

例如，在焊接控制单元获取待焊接的金属板的焊接轨迹前，在夹具固定测试金属板后，焊接控制单元控制激光发生器发射激光；焊接控制单元控制激光振镜通过激光在测试金属板上画出一个30*30mm的矩形；焊接控制单元获取矩形的实际尺寸；若实际尺寸与预设尺寸的差异不满足要求，则焊接控制单元调整激光振镜的参数，直到激光振镜通过激光在测试金属板上画出的矩形的实际尺寸为30*30mm。

采用本实施例的方案，通过焊接控制单元可以获取待焊接的金属板的焊接轨迹，之后基于焊接轨迹控制夹具将待焊接的金属板固定于激光振镜的出光面下方，获取激光振镜与金属板的目标焊接距离，将激光振镜与金属板的实际距离调整为目标焊接距离，控制激光发生器按照预设激光参数发射激光，通过激光振镜控制激光按照焊接轨迹进行运动，本实施例中激光为纳秒级别的激光，结合激光振镜可以实现对金属板的高频高速焊接，这种高频高速焊接可以有效降低金属板的焊缝尺寸，并且提升对熔深的精确控制。所以通过本实施例的方案，能够实现两层金属薄板的密封，并且能够精确控制熔深，不会焊透产品。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：u盘、移动硬盘、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本申请所提供的金属板的激光焊接系统和方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。