激光焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种激光焊接方法及装置。
背景技术
目前，随着国内外城轨地铁市场的发展，无涂装不锈钢地铁车辆由于其强度高、耐蚀性好、安全性高等优点得到越来越广泛的认可，具有广阔的市场空间。不锈钢地铁车辆的侧墙大部件主要由侧墙板和增强梁组成，一般设计为搭接接头，现有技术主要采用激光焊接完成对搭接接头的连接。现有不锈钢轨道车辆搭接接头激光焊接采用非全熔透的方式，对焊缝成形质量主要有两方面的要求：一是搭接处熔宽大于设定值，满足搭接接头连接强度的设计要求；二是熔深小于设定值，满足搭接接头背面不凸出的外观要求。但由于激光光斑直径小、能量密度高的特点，焊缝深宽比大，焊缝熔宽和熔深同时满足要求的工艺窗口较小，工艺适应性差。对于搭接处熔宽具有更高要求的搭接接头而言，由于激光焊缝熔宽和熔深的相关性，熔宽不能实现单独控制，因此现有的常规激光焊接方法往往不能满足搭接接头焊缝成形要求。此外，由于搭接接头为非全熔透焊缝，容易产生气孔缺陷，从而造成组织不均匀性的问题，进而影响焊缝质量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种激光焊接方法，能够满足搭接接头焊缝成形要求，提高了焊缝质量。
本发明还提出一种激光焊接装置。
根据本发明第一方面实施例的激光焊接方法，包括：
采用两束摆动激光对搭接接头进行焊接，其中一束激光为摆动连续波激光，所述摆动连续波激光沿焊接方向在焊缝两侧进行焊接；另一束激光为摆动脉冲波激光，所述摆动脉冲波激光沿焊接方向同步的在所述摆动连续波激光形成的熔池内进行冲击和搅拌。
根据本发明的一个实施例，根据所述搭接接头的板厚和熔宽要求，控制所述摆动连续波激光沿焊接方向在焊缝两侧以预定的摆动频率H1和相同的摆动幅值A1进行焊接。
根据本发明的一个实施例，所述摆动连续波激光在焊接过程中，以焊接位置中心线为基准，以所述摆动幅值A1为限值，沿焊接方向在焊缝两侧摆动，形成锯齿形轨迹或方波形轨迹。
根据本发明的一个实施例，所述搭接接头的焊缝熔宽通过调节所述摆动幅值A1进行独立控制。
根据本发明的一个实施例，所述摆动连续波激光的功率为2000W～4000W，离焦量为-2mm～+4mm，摆动幅值A1为0.3mm～3mm，摆动频率H1为20Hz～500Hz，焊接速度为3000mm/min～6000mm/min。
根据本发明的一个实施例，控制所述摆动脉冲波激光在所述摆动连续波激光形成的熔池内以预定的摆动频率H2和预定的摆动幅值A2进行冲击和搅拌。
根据本发明的一个实施例，所述摆动脉冲波激光在焊接过程中，沿焊接位置中心线进行往复摆动。
根据本发明的一个实施例，所述摆动脉冲波激光在摆动焊接时，使所述摆动脉冲波激光作用于所述摆动连续波激光形成的熔池范围内，且所述摆动脉冲波激光产生的熔深不大于所述摆动连续波激光产生的熔深。
根据本发明的一个实施例，所述摆动脉冲波激光的摆动幅值A2为0.1mm～0.5mm，摆动频率H2为20Hz～500Hz，焊接速度为3000mm/min～6000mm/min。
根据本发明第二方面实施例的激光焊接装置，用于执行上述实施例的激光焊接方法，包括：
连续波激光发生器，用于向搭接接头的上层板表面发射摆动连续波激光，形成熔池；
脉冲波激光发生器，用于向所述摆动连续波激光形成的熔池内发射摆动脉冲波激光；
连续波激光摆动轨迹控制器，与所述连续波激光发生器相连，用于控制所述摆动连续波激光的摆动频率H1和摆动幅值A1，使所述摆动连续波激光以焊接位置中心线为基准，以所述摆动幅值A1为限值，沿焊接方向在焊缝两侧摆动；
脉冲波激光摆动轨迹控制器，与所述脉冲波激光发生器相连，用于控制所述摆动脉冲波激光的摆动频率H2和摆动幅值A2，使所述摆动脉冲波激光沿焊接位置中心线进行往复摆动，在所述摆动连续波激光形成的熔池内进行冲击和搅拌。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明实施例的激光焊接方法，采用两束摆动激光对搭接接头进行焊接，其中一束激光为摆动连续波激光，该摆动连续波激光沿焊接方向在焊缝两侧进行焊接，在满足熔深要求的前提下实现对搭接处熔宽的独立控制，满足不同设计强度搭接接头的制造要求；另一束激光为摆动脉冲波激光，该摆动脉冲波激光沿焊接方向同步的在摆动连续波激光形成的熔池内进行冲击和搅拌，减少焊缝气孔、裂纹缺陷，改善焊缝组织，提高焊缝性能。由此，本发明实施例的激光焊接方法，通过两束摆动激光的共同作用，获得满足焊缝成形要求的高质量、高性能搭接焊缝。
本发明实施例的激光焊接装置，包括连续波激光发生器、脉冲波激光发生器、与连续波激光发生器连接的连续波激光摆动轨迹控制器以及与脉冲波激光发生器连接的脉冲波激光摆动轨迹控制器，通过连续波激光发生器用于向搭接接头的上层板表面发射摆动连续波激光，形成熔池，通过脉冲波激光发生器用于向所述摆动连续波激光形成的熔池内发射摆动脉冲波激光，通过连续波激光摆动轨迹控制器用于控制摆动连续波激光的摆动频率H1和摆动幅值A1，使摆动连续波激光以焊接位置中心线为基准，以摆动幅值A1为限值，沿焊接方向在焊缝两侧摆动；通过脉冲波激光摆动轨迹控制器用于控制摆动脉冲波激光的摆动频率H2和摆动幅值A2，使摆动脉冲波激光沿焊接位置中心线进行往复摆动，在摆动连续波形成的熔池内进行冲击和搅拌。由此，通过本发明实施例的激光焊接装置，能够获得满足焊缝成形要求的高质量、高性能搭接焊缝。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的激光焊接方法中摆动连续波激光和摆动脉冲波激光与搭接接头之间的位置关系示意图；
图2是本发明实施例的激光焊接方法的焊缝成形示意图；
图3是本发明实施例中摆动连续波激光的一种轨迹示意图；
图4是本发明实施例中摆动连续波激光的另一种轨迹示意图；
图5是本发明实施例中摆动脉冲波激光的轨迹示意图；
图6是本发明实施例的激光焊接装置的结构示意图。
附图标记：
1：搭接接头；11：上层板；12：下层板；2：摆动连续波激光；3：摆动脉冲波激光；4：熔池；5：焊接位置中心线；6：连续波激光发生器；7：脉冲波激光发生器；8：连续波激光摆动轨迹控制器；9：脉冲波激光摆动轨迹控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1至图5所示，本发明实施例提供一种激光焊接方法。图1中，搭接接头1包括上层板11和下层板12，上层板11和下层板12从上至下依次叠加，其中上层板11可以为不锈钢板，上层板11的厚度为t1,下层板12可以为不锈钢板，下层板12厚度为t2，并且图1中虚线箭头指示的方向为焊接方向。图3至图5中虚线箭头指示的方向为焊接方向。
采用现有技术的常规激光焊接方法焊接搭接接头1时，由于激光光斑直径小，能量密度高，焊缝深宽比大，尤其是搭接处熔宽要求更大时，由于常规激光焊缝熔宽和熔深的相关性，熔宽不能实现单独控制，焊缝熔宽和熔深往往不能同时满足各自限值的要求，焊接工艺窗口窄，进而影响了搭接接头1的焊接质量。
本发明实施例的激光焊接方法包括：采用两束摆动激光对搭接接头1进行焊接，其中一束激光为摆动连续波激光2，该摆动连续波激光沿焊接方向在焊缝两侧进行焊接，从而形成熔池4。通过该摆动连续波激光2，能够在满足熔深要求的前提下实现对搭接处熔宽的独立控制，满足不同设计强度搭接接头的制造要求。同时，利用金属熔化量大的优势，减小上层板11与下层板12组装间隙对焊缝成形的不良影响，提高焊接适应性。
另一束激光为摆动脉冲波激光3，该摆动脉冲波激光3沿焊接方向同步的在摆动连续波激光2形成的熔池4内进行冲击和搅拌。通过该摆动脉冲波激光3，能够减少焊缝气孔、裂纹缺陷，改善焊缝组织，提高焊缝性能。
也即，本发明实施例的激光焊接方法中采用的两束摆动激光，沿焊接方向前后设置，其中摆动连续波激光2位于前侧，摆动脉冲波激光3位于后侧。通过摆动连续波激光2的焊接操作在搭接处形成熔池4，与此同时，摆动脉冲波激光3同步在摆动连续波激光2形成的熔池4内进行焊接操作，从而对熔池4进行冲击和搅拌。也即，摆动连续波激光2与摆动脉冲波激光3作用于同一熔池4内。
由此，本发明实施例的激光焊接方法，通过摆动连续波激光2与摆动脉冲波激光3的共同作用，获得满足焊缝成形要求的高质量、高性能搭接焊缝。
具体来说，本发明实施例的激光焊接方法，能够用于轨道车辆中不锈钢搭接接头的激光焊接操作。
在本发明的一些实施例中，根据搭接接头1的板厚和熔宽要求，控制摆动连续波激光2沿焊接方向在焊缝两侧以预定的摆动频率H1和相同的摆动幅值A1进行焊接，不仅能够满足搭接接头1的焊接强度要求，而且由于熔化区域增大，上层板11与下层板12组装间隙对焊缝质量的影响减小，提高了对间隙的适应性，增大了工艺窗口。
其中，摆动连续波激光2的摆动频率H1和摆动幅值A1，可以根据实际情况而设定。摆动连续波激光2在焊接过程中，摆动频率H1的大小可以根据实际情况调整，而摆动连续波激光2在焊接位置两侧的摆动幅值A1相等。
其中，摆动连续波激光2在焊接过程中，以焊接位置中心线5为基准，以摆动幅值A1为限值，沿焊接方向在焊缝两侧摆动，形成如图3或图4所示的锯齿形轨迹。
在本发明的一些实施例中，搭接接头1的焊缝熔宽通过调节摆动连续波激光2的摆动幅值A1进行独立控制。也即，本发明能够利用对摆动连续波激光2的摆动幅值A1的灵活调节实现搭接处焊缝熔宽的独立控制，从而获得具有不同搭接处熔宽的搭接接头，进而满足不同搭接接头的设计强度要求。
具体来说，摆动连续波激光2的参数可以根据实际情况而设置。
在一种具体实施例中，摆动连续波激光2的参数可以设置如下：设定摆动连续波激光2的功率为2000W～4000W，离焦量为-2mm～+4mm，摆动幅值A1为0.3mm～3mm，摆动频率H1为20Hz～500Hz，焊接速度为3000mm/min～6000mm/min。通过摆动连续波激光2这种参数设置形式，能够确保搭接接头1满足焊接强度要求，从而保证搭接接头1的焊接质量。
在本发明的一些实施例中，控制摆动脉冲波激光3在摆动连续波激光2形成的熔池4内以预定的摆动频率H2和预定的摆动幅值A2进行冲击和搅拌，从而达到减少焊缝气孔、裂纹缺陷，改善焊缝组织，提高焊缝性能的目的。其中，摆动脉冲波激光3的摆动频率H1和摆动幅值A1，可以根据实际情况而设定。
其中，摆动脉冲波激光3在焊接过程中，沿焊接位置中心线5进行往复摆动，并且摆动不能超出摆动连续波激光2形成的熔池范围，也即，使摆动脉冲波激光3始终作用于摆动连续波激光2形成的熔池范围内，从而提高搭接接头1的焊接质量。
具体来说，摆动脉冲波激光3的参数可以根据实际情况而设置。
在一种具体实施例中，摆动脉冲波激光3的参数可以设置如下：设定摆动脉冲波激光3的摆动幅值A2为0.1mm～0.5mm，摆动频率H2为20Hz～500Hz，焊接速度为3000mm/min～6000mm/min。其中，摆动脉冲波激光3的峰值功率和脉冲宽度需要根据实际情况设定。
具体来说，摆动脉冲波激光3的参数设定时，要求在产生的熔深不大于摆动连续波激光2产生的熔深的前提下，具有尽可能大的脉冲个数，以实现对熔池4充分的冲击和搅拌，进而达到减少焊缝气孔、裂纹缺陷，改善焊缝组织，提高焊缝性能的目的。
具体来说，摆动连续波激光2与摆动脉冲波激光3之间的距离D可以根据实际情况进行设置，能够使摆动脉冲波激光3作用于熔池4液相区即可。
具体来说，摆动连续波激光2垂直于上层板11的上表面进行焊接，摆动脉冲波激光3可以与摆动连续波激光2相互平行，摆动脉冲波激光3也可以与摆动连续波激光2之间呈一定夹角。
如图6所示，本发明实施例还提供一种激光焊接装置，用于执行上述实施例的激光焊接方法。该激光焊接装置包括连续波激光发生器6、脉冲波激光发生器7、连续波激光摆动轨迹控制器8和脉冲波激光摆动轨迹控制器9，连续波激光发生器6与连续波激光摆动轨迹控制器8相连，脉冲波激光发生器7与脉冲波激光摆动轨迹控制器9相连。
连续波激光发生器6用于向搭接接头1的上层板11表面发射摆动连续波激光2，从而形成熔池4。
脉冲波激光发生器7用于向摆动连续波激光2形成的熔池4内发射摆动脉冲波激光3。
连续波激光摆动轨迹控制器8用于控制摆动连续波激光2的摆动频率H1和摆动幅值A1，使摆动连续波激光2以焊接位置中心线5为基准，以摆动幅值A1为限值，沿焊接方向在焊缝两侧摆动。也即，通过连续波激光摆动轨迹控制器8能够对摆动连续波激光2的摆动频率H1和摆动幅值A1进行灵活调节。通过连续波激光摆动轨迹控制器8对摆动连续波激光2的摆动幅值A1的灵活调节，能够在满足熔深要求的前提下实现对搭接处熔宽的独立控制，不仅满足了不同设计强度搭接接头的制造要求，而且利用金属熔化量大的优势，减小上层板11与下层板12组装间隙对焊缝成形的不良影响，提高焊接适应性。
脉冲波激光摆动轨迹控制器9用于控制摆动脉冲波激光3的摆动频率H2和摆动幅值A2，使摆动脉冲波激光3沿焊接位置中心线5进行往复摆动，用以在摆动连续波激光2形成的熔池4内进行冲击和搅拌，从而减少焊缝气孔、裂纹缺陷，改善焊缝组织，提高焊缝性能。也即，通过脉冲波激光摆动轨迹控制器9能够对摆动脉冲波激光3的摆动频率H2和摆动幅值A2进行灵活调节。
由此，通过本发明实施例的激光焊接装置，能够获得满足焊缝成形要求的高质量、高性能搭接焊缝。
具体来说，连续波激光摆动轨迹控制器8可以通过控制振镜镜片的偏转实现摆动连续波激光2作用位置的快速定位、切换以及摆动轨迹的任意规划，从而获得具有不同摆动频率H1和摆动幅值A1的摆动连续波激光2。
具体来说，脉冲波激光摆动轨迹控制器9可以通过控制振镜镜片的偏转实现摆动脉冲波激光3作用位置的快速定位、切换以及摆动轨迹的任意规划，从而获得具有不同摆动频率H2和摆动幅值A2的摆动脉冲波激光3。
具体来说，连续波激光发生器6可以采用光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或半导体激光器等可以采用光纤进行传输的激光器。脉冲波激光发生器7可以采用光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或半导体激光器等可以采用光纤进行传输的激光器。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
