一种有色金属激光焊接方法

1.本发明涉及激光焊接技术领域，具体而言，涉及一种有色金属激光焊接方法。


背景技术：

2.铝合金、钛合金、铜合金等有色金属由于其出色的性能，在新能源电池、电子等领域有着广泛的应用。使用过程中，通常需要对较薄及超薄的有色金属试件进行焊接，常规焊接工艺由于热输入量大、焊接效率低，焊后变形较大，通常不用超薄试件的焊接。激光焊由于精度高、焊速快、热输入量少等特点，比较适合薄板件的焊接。
3.然而，使用市面上常用的近红外激光束(波长超过1000nm)来焊接有色金属时，有色金属对于激光束的反射率较大，吸收率较低，需要在较大的激光功率下才能实现有色金属的熔化及熔池的形成，功率的增加使得熔池变得非常不稳定，易产生飞溅、气孔等缺陷，且试件的氧化和变形会较大。因此，常规的激光焊接不适合有色金属的焊接，尤其是较薄及超薄的有色金属试件的焊接。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种有色金属激光焊接方法，旨在提供一种适合于有色金属薄板的焊接方法，避免光束反射造成的设备损伤，且焊缝成形好，焊接变形小。
6.本发明是这样实现的：
7.本发明提供一种有色金属激光焊接方法，利用可见光激光束和近红外光激光束形成的复合光束对有色金属试件的连接处进行激光焊接。
8.本发明具有以下有益效果：通过采用可见光激光束和近红外激光束所形成的复合激光束对有色金属试件进行焊接，特别适用于厚度较薄的有色金属试件的焊接，可以极大降低光束反射造成的设备损伤；焊接过程中熔池稳定，几乎没有飞溅产生，焊缝成形较好，内部没有缺陷产生，焊接变形较小，很好的实现了较薄及超薄的有色金属试件的焊接。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
10.图1为0.5mm铝合金的蓝色光和近红外光复合激光束的焊接；
11.图2为0.5mm铝合金的蓝色光激光束的焊接；
12.图3为0.5mm铝合金的近红外激光束的焊接；
13.图4为0.1mm铜合金的蓝色光和近红外光复合激光束的焊接；
14.图5为0.1mm铜合金的蓝色光激光束的焊接；
15.图6为0.1mm铜合金的近红外激光束的焊接；
16.图7为0.5mm铜合金的蓝色光和近红外光复合激光束的焊接；
17.图8为0.1mm钛合金的蓝色光和近红外光复合激光束的焊接；
18.图9为0.8mm钛合金的蓝色光和近红外光复合激光束的焊接；
19.图10为对比例1焊接效果图；
20.图11为对比例2焊接效果图；
21.图12为对比例3焊接效果图；
22.图13为对比例4焊接效果图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
24.发明人创造性地采用可见光和近红外光复合焊接的方法，能够很好地解决现有技术中有色金属薄板焊接所存在的问题。
25.本发明实施例提供一种有色金属激光焊接方法，采用可见光和近红外光复合焊接的方法，包括：利用可见光激光束和近红外光激光束形成的复合光束对有色金属试件的连接处进行激光焊接。
26.需要说明的是，和近红外光相比，有色金属对于可见光(波长范围300-800nm)的吸收率有着明显的提升，可以在较低的激光功率下形成熔池，且熔池稳定，缺陷较少。但是，当前有色激光功率较低，对于板材深度上的穿透能力有限。有色金属一旦熔化形成熔池，对于近红外光的吸收率会有较大幅度的提升。本发明实施例通过可见光和近红外光复合激光束的使用，可以解决有色金属薄板的高质量焊接难题。具体地，可见光激光束可以为蓝光。
27.具体地，本发明实施例所称的有色金属薄板的厚度是指厚度小于1mm的板材。有色金属是指包括铝合金、铜合金、钛合金和镁合金等多种合金在内的有色金属。
28.在一些实施例中，有色金属试件在进行焊接之前，进行表面处理以去除有色金属试件表面的氧化膜；优选地，去除试件要焊接部位表面的氧化膜之后进行清洗、干燥。具体地，可以通过打磨或碱液处理等常规的方法去除氧化膜，可以采用酒精、丙酮进行清洗去除表面的油污，再进行吹干，将试件固定于焊接工位处。
29.复合焊接在实际操作过程中，将可见光激光束和近红外光激光束复合至一个斑点位置处，并调整两束光的焦点位置处于同一水平面上以形成复合光束，将复合光束的光斑调整至有色金属试件的连接处，沿着试件连接处设置光束的扫描路径，以通过焊接形成符合试件连接处的焊缝。具体地，根据试件连接处设置光束扫描路径属于现有技术，其通过扫描建立模型，在焊接时运行程序即可。
30.可见光和近红外光在实际操作过程中需要对操作参数进行控制，需要设置两束激光功率、激光扫描速度、激光离焦量、保护气流量、开光及关光时间等，具体如下：
31.可见光激光束和近红外光激光束均呈高斯热源分布为宜，高斯热源分布是指温度在等直径的圆范围里，呈中心高外缘低的形式，在等直径的圆范围里，温度的高低是按照高
斯曲线分布的。
32.在可见光激光束和近红外光激光束复合之后，调整焦点位置处可见光激光束的光斑直径大于近红外光激光束的光斑直径；可见光激光束的光斑直径为1～1.5mm(如1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm等)，近红外光激光束的光斑直径为0.3～1.0mm(如0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm等)。复合焊时要控制有色激光束光斑要适当大于近红外激光束的光斑，这样可以保证首先产生一个较大的熔池，近红外光激光束一旦和有色金属发生作用，是和液态的熔池作用而非和固态的有色金属作用，从而避免过多能量重新反射回激光焊接光路系统，造成设备的损伤。
33.进一步地，焊接开始时，先开启可见光激光再开启近红外激光；可见光激光对试样提前作用时间为10-100ms。基于有色金属在固态的情况下对可见光激光束的吸收率较高，而此时对于近红外激光的吸收率较低，通过控制可见光激光束先运行，使得有色金属发生熔化而产生熔池；然后，根据熔化的有色金属对于可见光激光束和近红外光激光束的吸收率均相对较大，再继续打开运行近红外激光束，增加熔池深度，以弥补有色光激光束的功率不足。
34.进一步地，焊接结束时，先关闭近红外激光再关闭可见光激光；可见光激光对试样迟滞作用时间为10-100ms。焊接结束前要先关闭近红外激光，后关闭可见光激光，这样做同样是为了避免近红外激光和固态有色金属作用，造成过多的能量反射而损坏焊接光路设备。
35.焊接过程中，要特别控制有色光激光和近红外光激光的功率大小，即要避免能量不够而造成焊接熔深较小，又要避免能量过大所造成的试件的烧穿、变形较大等问题。
36.在一些实施例中，当有色金属试件的厚度小于0.5mm时，控制可见光激光束的功率为100～500w，近红外光激光束的功率为50～500w，激光离焦量范围为1～5mm；优选地，当有色金属试件的厚度小于0.5mm时，控制可见光激光束的功率为200～300w，近红外光激光束的功率为150～300w。
37.具体地，当有色金属试件的厚度小于0.5mm时，可见光激光束的功率可以为100w、150w、200w、250w、300w、350w、400w、450w、500w等，近红外光激光束的功率可以为50w、100w、150w、200w、250w、300w、350w、400w、450w、500w等，激光离焦量范围可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm等。
38.在一些实施例中，当有色金属试件的厚度为0.5～1.0mm时，控制可见光激光束的功率为500～1000w，近红外光激光束的功率为500～2000w，激光离焦量范围为-1～1mm；当有色金属试件的厚度为0.5～1.0mm时，控制可见光激光束的功率为600～800w，近红外光激光束的功率为800～1500w。
39.具体地，当有色金属试件的厚度为0.5～1.0mm时，可见光激光束的功率可以为500w、550w、600w、650w、700w、750w、800w、850w、900w、950w、1000w等，近红外光激光束的功率可以为500w、600w、700w、800w、900w、1000w、1100w、1200w、1300w、1400w、1500w、1600w、1700w、1800w、1900w、2000w等，激光离焦量范围可以为-1mm、0mm、1mm等。
40.进一步地，可见光激光束和近红外光激光束的激光扫描速度为0.5～10m/min；优选为2～5m/min。具体地，激光扫描速度可以为0.5m/min、1.0m/min、2.0m/min、3.0m/min、4.0m/min、5.0m/min、6.0m/min、7.0m/min、8.0m/min、9.0m/min、10.0m/min等。
41.进一步地，激光焊接的过程是在保护气体存在的条件下进行，保护气体流量为15-25l/min，保护气可以为一般的惰性气体。
42.对于较薄或超薄的有色金属试件采用蓝光(可见光)和近红外光所组成的复合激光束进行焊接时，发明人对包括不同厚度的铝合金、铜合金、钛合金的优化的工艺参数进行总结，在优化的参数范围下，焊缝成形好，变形较小，无飞溅产生，内部气孔、裂纹等缺陷较少，结果如表1：
43.表1不同合金对应的优化焊接参数范围
[0044][0045]
也就是说，对于铝合金材料的焊接，在厚度小于0.5mm时，控制可见光激光束的功率为100～500w，近红外光激光束的功率为50～500w，激光离焦量范围为2～5mm，焊接速度为2-5m/min，可见光激光对试样提前作用时间为50-80ms，可见光激光对试样滞后作用时间为40-60ms；在厚度为0.5～1mm时，控制可见光激光束的功率为500～1000w，近红外光激光束的功率为500～1500w，激光离焦量范围为-1～1mm，焊接速度为1-2m/min，可见光激光对试样提前作用时间为70-90ms，可见光激光对试样滞后作用时间为50-70ms。
[0046]
对于铜合金材料的焊接，在厚度小于0.5mm时，控制可见光激光束的功率为100～500w，近红外光激光束的功率为100～500w，激光离焦量范围为2～3mm，焊接速度为2-3m/min，可见光激光对试样提前作用时间为60-80ms，可见光激光对试样滞后作用时间为50-70ms；在厚度为0.5～1mm时，控制可见光激光束的功率为500～1000w，近红外光激光束的功率为500～2000w，激光离焦量范围为-1～1mm，焊接速度为1-1.5m/min，可见光激光对试样提前作用时间为80-100ms，可见光激光对试样滞后作用时间为70-90ms。
[0047]
对于钛合金材料的焊接，在厚度小于0.5mm时，控制可见光激光束的功率为100～500w，近红外光激光束的功率为50～500w，激光离焦量范围为2～5mm，焊接速度为2-6m/min，可见光激光对试样提前作用时间为40-60ms，可见光激光对试样滞后作用时间为20-40ms；在厚度为0.5～1mm时，控制可见光激光束的功率为500～1000w，近红外光激光束的功率为500～1300w，激光离焦量范围为-1～1mm，焊接速度为1-2m/min，可见光激光对试样提前作用时间为50-80ms，可见光激光对试样滞后作用时间为40-60ms。
[0048]
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0049]
实施例1
[0050]
本实施例提供一种有色金属激光焊接方法，包括以下步骤：
[0051]
(1)材料准备：所用材料为0.5mm厚的铝合金板材，去除表面氧化膜并用酒精和丙酮清洗油污，吹干后用夹具将其固定在焊接工位。
[0052]
(2)使用可见光为蓝光和近红外光所组成的复合激光束对试件进行焊接，其中蓝光激光功率设置为500w，蓝光斑点设置为1mm，近红外光功率设置为600w，近红外光斑点设置为0.4mm，激光离焦量设为0mm，激光扫描速度范围为1m/min。
[0053]
(3)设置光束扫描长度为100mm，并设置蓝光优先近红外光开光时间为80ms，蓝光滞后近红外光关光时间为60ms。
[0054]
(4)使用氩气对熔池进行保护，气流量为25l/min。
[0055]
(5)打开氩气，运行程序，完成焊接过程，焊接结果如图1所示。
[0056]
对比案例1：单独采用功率500w的蓝光和功率为1100w的近红外光对同样的试件进行焊接，结果分别如图2和3所示。
[0057]
根据图1可以看出，采用蓝光和近红外光所组成的复合激光束焊接0.5mm厚的铝合金，可以实现单面焊双面成形，板材变形较小，焊缝表面和背面均光滑连续，没有飞溅的生成，焊缝内部也没有气孔和裂纹产生。
[0058]
如图2所示，单独采用蓝光焊接，仅在试件表面形成较小的熔池，熔深几乎可以忽略不计；而采用单独近红外激光焊接时；如图3所示，即使激光功率和复合光功率相等，也仅仅是在试件表面得到窄而浅的焊缝，大部分光束的能量被反射掉。
[0059]
实施例2
[0060]
本实施例提供一种有色金属激光焊接方法，包括以下步骤：
[0061]
(1)材料准备：所用材料为0.1mm厚的铜合金板材，去除表面氧化膜并用酒精和丙酮清洗油污，吹干后用夹具将其固定在焊接工位。
[0062]
(2)使用可见光为蓝光和近红外光所组成的复合激光束对试件进行焊接，其中蓝光激光功率设置为200w，蓝光斑点设置为1mm，近红外光功率设置为200w，近红外光斑点设置为0.4mm，激光离焦量设为3mm，激光扫描速度范围为2m/min。
[0063]
(3)设置光束扫描长度为100mm，并设置蓝光优先近红外光开光时间为50ms，蓝光滞后近红外光关光时间为30ms。
[0064]
(4)使用氩气对熔池进行保护，气流量为20l/min。
[0065]
(5)打开氩气，运行程序，完成焊接过程，焊接结果如图4所示。
[0066]
对比案例2：为了便于和上述结果进行比较，单独分别采用功率300w的蓝光和功率为500w的近红外光对同样的试件进行焊接，结果分别如图5和6所示。
[0067]
根据图4可以看出，采用蓝光和近红外光所组成的复合激光束焊接0.1mm厚的铜合金，也实现单面焊双面成形，板材变形小，焊缝表面和背面均光滑连续，有鱼鳞纹产生，无飞溅的生成，焊缝内部也没有气孔和裂纹产生。
[0068]
如图5所示，单独采用蓝光焊接，虽然板材也实现焊透，但焊缝比较细小，局部不均匀，焊缝成形不及复合光成形好；如图6所示，单独采用近红外激光焊接时，激光功率已经超过复合光功率，但激光能量几乎完全反射，板材没有发生任何熔化，只留下一道激光热作用的痕迹。
[0069]
实施例3
[0070]
本实施例提供一种有色金属激光焊接方法，包括以下步骤：
[0071]
(1)材料准备：所用材料为0.5mm厚的铜合金板材，去除表面氧化膜并用酒精和丙酮清洗油污，吹干后用夹具将其固定在焊接工位。
[0072]
(2)使用可见光为蓝光和近红外光所组成的复合激光束对试件进行焊接，其中蓝光激光功率设置为600w，蓝光斑点设置为1mm，近红外光功率设置为800w，近红外光斑点设置为0.4mm，激光离焦量设为0mm，激光扫描速度范围为1.2m/min。
[0073]
(3)设置光束扫描长度为100mm，并设置蓝光优先近红外光开光时间为100ms，蓝光滞后近红外光关光时间为80ms。
[0074]
(4)使用氩气对熔池进行保护，气流量为25l/min。
[0075]
(5)打开氩气，运行程序，完成焊接过程。
[0076]
焊接结果如图7所示，采用蓝光和近红外光所组成的复合激光束焊接0.5mm厚的铜合金，可以实现单面焊双面成形，板材变形小，焊缝表面和背面均光滑连续，无飞溅的生成，焊缝内部也没有气孔和裂纹产生。
[0077]
实施例4
[0078]
本实施例提供一种有色金属激光焊接方法，包括以下步骤：
[0079]
(1)材料准备：所用材料为0.1mm厚的钛合金板材，去除表面氧化膜并用酒精和丙酮清洗油污，吹干后用夹具将其固定在焊接工位。
[0080]
(2)使用可见光为蓝光和近红外光所组成的复合激光束对试件进行焊接，其中蓝光激光功率设置为100w，蓝光斑点设置为1mm，近红外光功率设置为100w，近红外光斑点设置为0.4mm，激光离焦量设为2mm，激光扫描速度范围为2.5m/min。
[0081]
(3)设置光束扫描长度为100mm，并设置蓝光优先近红外光开光时间为40ms，蓝光滞后近红外光关光时间为20ms。
[0082]
(4)使用氩气对熔池进行保护，气流量为20l/min。
[0083]
(5)打开氩气，运行程序，完成焊接过程。
[0084]
焊接结果如图8所示，采用蓝光和近红外光所组成的复合激光束焊接0.1mm厚的钛合金，可以实现单面焊双面成形，板材变形小，焊缝表面和背面均光滑连续，无飞溅的生成，焊缝内部无气孔和裂纹产生。
[0085]
实施例5
[0086]
本实施例提供一种有色金属激光焊接方法，包括以下步骤：
[0087]
(1)材料准备：所用材料为0.8mm厚的钛合金板材，去除表面氧化膜并用酒精和丙酮清洗油污，吹干后用夹具将其固定在焊接工位。
[0088]
(2)使用可见光为蓝光和近红外光所组成的复合激光束对试件进行焊接，其中蓝光激光功率设置为800w，蓝光斑点设置为1mm，近红外光功率设置为600w，近红外光斑点设置为0.4mm，激光离焦量设为0mm，激光扫描速度范围为1m/min。
[0089]
(3)设置光束扫描长度为100mm，并设置蓝光优先近红外光开光时间为80ms，蓝光滞后近红外光关光时间为60ms。
[0090]
(4)使用氩气对熔池进行保护，气流量为25l/min。
[0091]
(5)打开氩气，运行程序，完成焊接过程。
[0092]
焊接结果如图9所示，采用蓝光和近红外光所组成的复合激光束焊接0.8mm厚的钛合金，可以实现单面焊双面成形，板材变形小，焊缝表面和背面均光滑连续，无飞溅的生成，
焊缝内部无气孔和裂纹产生。
[0093]
对比例1
[0094]
本对比例提供一种有色金属激光焊接方法，与实施例2不同之处仅在于步骤(2)的参数控制，具体为：激光离焦量设为0mm。
[0095]
结果如图10所示，可以看到，此时焊缝完全割裂，无法形成有效连接。
[0096]
对比例2
[0097]
本对比例提供一种有色金属激光焊接方法，与实施例3不同之处仅在于步骤(2)的参数控制，具体为：蓝光激光功率设置为400w，近红外光功率设置为2000w。
[0098]
结果如图11所示，可以看到，当两束光的能量分配不合理，即使近红外光功率较大，而蓝光功率较小，仅能在板材表面得到深度较小的焊缝，背部不能穿透，而且焊缝不均匀。
[0099]
对比例3
[0100]
本对比例提供一种有色金属激光焊接方法，与实施例5不同之处仅在于步骤(2)的参数控制，具体为：蓝光激光功率设置为1000w，近红外光功率设置为400w。
[0101]
结果如图12所示，可以看到，当两束光的能量分配不合理，即使近蓝光功率较大，而近红外光功率较小，焊缝背部不能穿透。
[0102]
对比例4
[0103]
本对比例提供一种有色金属激光焊接方法，与实施例5不同之处仅在于步骤(2)的参数控制，具体为：蓝光激光功率设置为1000w，近红外光功率设置为1500w。
[0104]
结果如图13所示，可以看到，当两束光的能量分配不合理，近红外光功率较大，焊缝局部完全割裂，不能形成有效连接。
[0105]
对比例5
[0106]
本对比例提供一种有色金属激光焊接方法，与实施例3不同之处仅在于步骤(3)的参数控制，具体为：蓝光和近红外光开光设置为同时打开和关闭，结果得到由于刚开始光束的反射较强，激光器本身出现报警而停止程序运行，不能实施有效顺利的焊接。
[0107]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。