CN103008897B - 一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现焊接板的焊接速度快，焊接质量高的复合焊接方法，该焊接方法将激光和搅拌摩擦焊这种复合焊接技术应用于材质较硬地焊接板如不锈钢的高效连接，解决了硬材质焊接板的搅拌摩擦焊高效连接的难题。该方法主要包括：在待焊焊接板上，所述焊接板板厚度在20-50mm之间，第一激光束布置在焊接板背面，第二激光束、摩擦搅拌头布置在焊接板正面，沿着焊接方向依次布置第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束。

Description

一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法

技术领域

本发明涉及激光加工制造领域，具体涉及一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接的方法。

背景技术

由于搅拌摩擦焊是利用高速旋转的搅拌头和轴肩与金属出于塑性状态，随着搅拌头前进，金属向搅拌头后方移动而形成致密焊缝的一种固相焊方法，所以其适合于材质较软的金属的焊接，其被应用于有色金属如Al、Cu的焊接已经获得成功，但同时搅拌摩擦焊接材质较硬的焊接板时仍然存在着弊端。例如，由于不锈钢硬度较高，因此，其焊接速度慢，效率低，成为制约不锈钢的搅拌摩擦焊的广泛应用的桎梏；另外基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件的末端留有“匙孔”，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”，这对焊接设备的装卡方面又是一种资源的浪费，此外还有研究发明设计专用搅拌头或者采用嵌入式搅拌摩擦焊的方法来减少此类问题的发生几率，中国公开专利CN102120287A共公开了一中异种金属嵌入式搅拌摩擦缝焊方法，具体公开了在较硬的第二母材上加工一个或多个燕尾槽，然后按搭接形式组装，要求将铝板置于较硬第二母材燕尾槽的上侧；使用无针搅拌头并倾斜安装；启动搅拌头旋转并使之与铝板上表面接触：限制搅拌头的压入深度约为0.1mm～2mm之间，无需穿透焊接界面；经在起始端摩擦预热数秒后，移动旋转着的搅拌头或工作台，即可将铝板旋挤入下板的槽内，完成焊接或包覆，通过这种摩擦焊接方法，能避免匙孔的产生，然而应用范围较窄，且焊前工作量大，焊接效率很低。因此，迫切需要解决这两方面的问题。同时，由于激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在不锈钢焊接领域广泛应用，但是激光焊接对装卡精度要求较高，这也制约了不锈钢的激光焊接的发展。

发明内容

为了解决背景技术中材质较硬的焊接板的焊接存在的问题，本项发明提供了一种可实现焊接板焊接速度快，焊接质量高的复合焊接方法，该焊接方法成功地将激光和搅拌摩擦焊这种复合焊接技术应用于焊接板的高效连接，解决了焊接板的搅拌摩擦焊高效连接的难题。

本发明公开了一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法，其包括：在待焊接板上，在待焊接板的背面布置第一激光束，在待焊接板的正面布置摩擦搅拌头和第二激光束；焊接时，首先由第一激光束沿焊接方向软化待焊接板上的待焊接部位，然后由摩擦搅拌头进行搅拌摩擦焊接，最后由所述第二激光束重熔已经被搅拌摩擦焊焊接完成的焊缝。

所述第一激光束沿着焊接方向提前预热并初步软化待焊不锈钢板，这样能显著提高搅拌摩擦焊的焊接速度；所述第二激光束，能够重熔已经被搅拌摩擦焊焊接完成的焊缝，一方面能够改善被搅拌摩擦焊焊接完成的焊缝的外观，消除搅拌摩擦焊所留下的匙孔；另一方面，能够进一步改善焊缝的质量。根据板厚的不同合理选择适合的第一激光束及第二激光束的功率，焊接开始时，第一激光束首先作用到待焊不锈钢板，然后摩擦搅拌头、第二激光束依次作用在待焊不锈钢板上；焊接结束时，第一激光束首先离开待焊不锈钢板，然后摩擦搅拌头、第二激光束依次离开待焊不锈钢板上。整个焊接过程都不需要引焊板或出焊板。

通过上述结合激光束和搅拌摩擦焊的复合焊接方法，达到了1+1＞2的效果，使得不锈钢的焊接实现了又快又好的焊接。

附图说明

图1是本发明中激光和搅拌摩擦焊复合焊接待焊接板的装配示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出了一种激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法，其包括：在待焊焊接板上，所述焊接板厚度在20-50mm之间，第一激光束布置在焊接板背面，第二激光束、摩擦搅拌头布置在焊接板正面，沿着焊接方向依次布置第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束；所述第一激光束来源于CO2激光器，所述第一激光束的中心线同焊接板上表面的垂直方向的夹角为α，其中15°≤α≤30°，所述第一激光束的激光功率为P1，其中1400w≤P1≤2500w，调节激光束焦点相对于待焊焊接板表面的位置，使照射在待焊接板上的激光光斑的直径尺寸在2-5mm；所述第二激光束来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直与焊接板上表面，所述第二激光束的激光功率为P2，其中2000w≤P2≤4000w；所述摩擦搅拌头的中心线同焊接板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中0.5°＜θ≤2°；焊接过程中不需要引焊板或出焊板，第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为1.5-3m/min，所述第一激光束在焊接板表面上的作用点距离摩擦搅拌头在焊接板表面上的作用点水平距离为3-6cm，所述第二激光束在焊接板表面上的作用点距离摩擦搅拌头在焊接板表面上的作用点水平距离为8-18cm，其中所述焊接板可以是不锈钢板。

通过将第一激光束布置在不锈钢板的背面，能防止搅拌摩擦焊头妨碍第一激光束的射入，并能有效减小所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点距离摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离，这样能保证不锈钢软化后立即进行搅拌摩擦焊，大大提高生产效率；通过调节第一激光束焦点相对于待焊不锈钢板表面的位置，而使得大光斑照射在不锈钢表面上，这样能够使得不锈钢板在较大面积上能够受热均匀，软化均匀，由于搅拌摩擦头与不锈钢板的接触面积大，通过大光斑照射不锈钢板，能使得在后续搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与软化均匀的不锈钢板接触，使得搅拌摩擦焊效果改善明显，焊后焊缝表面成形更加美观；其中通过第一激光束的倾斜入射也在一定程度上能增大第一激光束的照射面积；第一激光束和第二激光束均采用CO2激光器产生，能充分利用CO2激光波长同不锈钢的作用机理，使得不锈钢板起到很好的软化效果，并大大节约成本；为了进一步增大搅拌摩擦焊的焊接速度，而使得摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为θ接近于0，具体为0.5°＜θ≤2°，这是申请人在大量实验研究基础上发现的规律，这样在提高焊接速度的同时，不会降低焊接质量；通过按照所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点距离摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为3-6cm，所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点距离摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为8-18cm这样的位置关系来布置第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束，充分利用了激光束同摩擦焊之间的协同作用，从而实现了1+1＞2的效果，明显提高了不锈钢板的焊接速度及焊接质量。

实施例一

待焊不锈钢板1厚度为20mm，沿着焊接方向依次布置第一激光束3、摩擦搅拌头2、第二激光束4；所述第一激光束3来源于CO2激光器，所述第一激光束3的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为α＝30°，所述第一激光束的激光功率为P1＝1400w，调节激光束焦点相对于待焊不锈钢板表面的位置，使辐射在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸在5mm；所述第二激光束4来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直于不锈钢板上表面，所述第一激光束的激光功率为P2＝2000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中θ＝2°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为6cm，所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为8cm；焊接过程中不需要引焊板或出焊板，第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为3m/min。焊接后的不锈钢板焊接区的抗拉强度高于不锈钢板母材的抗拉强度。

实施例二

待焊不锈钢板1厚度为25mm，沿着焊接方向依次布置第一激光束3、摩擦搅拌头2、第二激光束4；所述第一激光束3来源于CO2激光器，所述第一激光束3的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为α＝30°，所述第一激光束的激光功率为P1＝1800w，调节激光束焦点相对于待焊不锈钢板表面的位置，使辐射在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸在3mm；所述第二激光束4来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直于不锈钢板上表面，所述第一激光束的激光功率为P2＝4000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中θ＝1°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为4cm，所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为18cm；焊接过程中不需要引焊板或出焊板，第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为2.5m/min。焊接后的不锈钢板焊接区的抗拉强度高于不锈钢板母材的抗拉强度。

实施例三

待焊不锈钢板1厚度为35mm，沿着焊接方向依次布置第一激光束3、摩擦搅拌头2、第二激光束4；所述第一激光束3来源于CO2激光器，所述第一激光束3的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为α＝15°，所述第一激光束的激光功率为P1＝2000w，调节激光束焦点相对于待焊不锈钢板表面的位置，使辐射在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸在4mm；所述第二激光束4来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直于不锈钢板上表面，所述第一激光束的激光功率为P2＝3500w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中θ＝0.5°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为4cm，所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为15cm；焊接过程中不需要引焊板或出焊板，第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为1.9m/min。焊接后的不锈钢板焊接区的抗拉强度高于不锈钢板母材的抗拉强度。

实施例四

待焊不锈钢板1厚度为50mm，沿着焊接方向依次布置第一激光束3、摩擦搅拌头2、第二激光束4；所述第一激光束3来源于CO2激光器，所述第一激光束3的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为α＝25°，所述第一激光束的激光功率为P1＝2500w，调节激光束焦点相对于待焊不锈钢板表面的位置，使辐射在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸在2mm；所述第二激光束4来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直于不锈钢板上表面，所述第一激光束的激光功率为P2＝3000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中θ＝0.5°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为3cm，所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点距离为16cm；焊接过程中不需要引焊板或出焊板，第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为1.5m/min。焊接后的不锈钢板焊接区的抗拉强度高于不锈钢板母材的抗拉强度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法，其包括：在待焊接板上，在待焊接板的背面布置第一激光束，在待焊接板的正面布置摩擦搅拌头和第二激光束；沿着焊接方向依次布置第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束；所述第一激光束来源于CO2激光器，所述第一激光束的中心线同待焊接板上表面的垂直方向的夹角为α，其中15°≤α≤30°，所述第一激光束的激光功率为P1，其中1400w≤P1≤2500w，调节激光束焦点相对于待焊接板表面的位置，使照射在待焊接板上的激光光斑的直径尺寸在2-5mm；所述第二激光束来源于CO2激光器，所述第二激光束的中心线垂直于待焊接板上表面，所述第二激光束的激光功率为P2，其中2000w≤P2≤4000w；所述摩擦搅拌头的中心线同待焊接板上表面的垂直方向的夹角为θ，其中0.5°＜θ≤2°；第一激光束、摩擦搅拌头、第二激光束的焊接速度相同，均为1.5-3m/min，所述第一激光束在待焊接板表面上的作用点水平距离摩擦搅拌头在待焊接板表面上的作用点水平距离为3-6cm，所述第二激光束在待焊接板表面上的作用点水平距离摩擦搅拌头在待焊接板表面上的作用点水平距离为8-18cm，其中所述待焊接板为厚度在20-50mm之间的不锈钢板；

焊接时，首先由第一激光束沿焊接方向软化待焊接板上的待焊接部位，然后由摩擦搅拌头进行搅拌摩擦焊接，最后由所述第二激光束重熔已经被搅拌摩擦焊焊接完成的焊缝。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢板的厚度为20mm；所述第一激光束的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角为α＝30°，所述第一激光束的激光功率为P1＝1400w，激光束照射在不锈钢板上的激光光斑的直径尺寸为5mm，所述第二激光束的激光功率为P2＝2000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角θ＝2°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与第一摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为6cm；所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为8cm，所述第一激光束、摩擦搅拌头和第二激光束的焊接速度均为3m/min。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢板的厚度为25mm；所述第一激光束的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角为α＝30°，所述第一激光束的激光功率为P1＝1800w，激光束照射在不锈钢板上的激光光斑的直径尺寸为3mm，所述第二激光束的激光功率为P2＝4000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角θ＝1°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为4cm；所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为18cm，所述第一激光束、摩擦搅拌头和第二激光束的焊接速度相同，均为2.5m/min。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢板的厚度为35mm；所述第一激光束的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角为α＝15°，所述第一激光束的激光功率为P1＝2000w，激光束照射在不锈钢板上的激光光斑的直径尺寸为4mm，所述第二激光束的激光功率为P2＝3500w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角θ＝0.5°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为4cm；所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为15cm，所述第一激光束、摩擦搅拌头和第二激光束的焊接速度相同，均为1.9m/min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢板的厚度为50mm；所述第一激光束的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角为α＝25°，所述第一激光束的激光功率为P1＝2500w，激光束照射在不锈钢板上的激光光斑的直径尺寸为2mm，所述第二激光束的激光功率为P2＝3000w；所述摩擦搅拌头的中心线同不锈钢板表面的垂直方向的夹角θ＝0.5°；所述第一激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为3cm；所述第二激光束在不锈钢板表面上的作用点与摩擦搅拌头在不锈钢板表面上的作用点水平距离为16cm，所述第一激光束、摩擦搅拌头和第二激光束的焊接速度相同，均为1.5m/min。