CN111037099B

CN111037099B - 一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法和系统

Info

Publication number: CN111037099B
Application number: CN201911414269.3A
Authority: CN
Inventors: 蔡得涛; 罗子艺; 韩善果; 董春林; 易耀勇; 薛亚飞; 郑世达
Original assignee: China Uzbekistan Welding Research Institute of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: China Uzbekistan Welding Research Institute of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111037099A

Abstract

本发明公开了一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法和系统，涉及焊接技术领域。该方法包括：采用激光束对第一板材和第二板材的待焊接端面进行正弦摆动焊接，其中，第一板材和第二板材的厚度不相等，根据第一板材和第二板材的厚度设置激光束的功率、摆动幅度和摆动频率以获得过渡圆滑焊缝；激光束在进行正弦摆动时的运动轨迹为Y＝Asin(X+φ)；激光束的功率沿着焊缝向第一板材和第二板材的方向分别逐渐缩小。其能能够稳定焊接不等厚度的铜及其合金板，保证端面铺满，表面焊缝过渡圆滑。此外，本申请提供的系统能够实现上述焊接方法，使得不等厚的铜及其合金板的能够稳定焊接，焊缝表面过渡圆滑，内部呈U型。

Description

一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法和系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法和系统。

背景技术

焊接技术是工程制造过程中关键技术之一，激光焊接技术因其具有能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变形小等突出优点广泛应用于电子、化工、汽车等工业生产中。然而激光焊接反射率较高、导热性好的金属比如铜及其合金时上述优势将大打折扣，常用焊接铜合金方法除了TIG焊接，MIG焊接和钎焊外，极大限制了铜合金的焊接效率和降低焊接性能。现有绿光激光器利用绿光波段的激光增加铜及其合金的吸收率从而提高激光焊接铜及合金的焊接质量，但由于设备能力问题，目前仅能采用叠焊方法焊接1-2mm铜薄片，远满足不了和适应电子及新能源工业迅速发展过程中对铜及其合金的焊接需求，除了焊接铜及其合金厚度需求增加外，不同厚度焊接和端面连接方式也增加了焊接复杂程度，同时端面接头导电性和力学性能要求更高的焊接质量。

因此，现有技术中缺乏有效的铜及其合金端面焊接方法。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法，其能够稳定焊接不等厚的铜及其合金板端面，保证端面铺满，焊缝表面过渡圆滑，内部呈U型。

本发明的目的在于提供一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接系统，其能够实现上述焊接方法，使得不等厚的铜及其合金板端面能够稳定焊接，获得表面过渡圆滑，内部呈U型的焊缝。

本发明是这样实现的：

第一方面，实施例提供一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法，其包括：

采用激光束对第一板材和第二板材的待焊接端面进行正弦摆动焊接；

其中，所述第一板材和所述第二板材的厚度不相等，根据所述第一板材和所述第二板材的厚度设置激光束的功率、摆动幅度和摆动频率以获得表面过渡圆滑，内部呈U型的焊缝；

所述激光束在进行正弦摆动时的运动轨迹为

所述运动轨迹与焊接方向平行且沿焊缝垂直方向负偏离B＝(T2-T1)/2，(T1＜T2)；

其中，Y为激光束距离所述第一板材和所述第二板材的中间距离，Y-B为激光束距离焊缝中心位置的距离；

A为激光束平均摆动幅度，其值为第一板材和第二板材的厚度的平均值，即A＝(T1+T2)/2，T1为第一板材的厚度，T2为第二板材的厚度；

X为在焊接方向上激光束与开始位置的垂直距离，X＝2πft，f为激光束摆动频率，t为时间；

为激光束开始的位相，

所述激光束的功率沿着焊缝中心位置向所述第一板材和所述第二板材的方向分别逐渐缩小。

在可选的实施方式中，所述激光束为红光波段激光或绿光波段激光。

在可选的实施方式中，当所述激光束为红光波段激光时，所述激光束的光斑模式为双光斑；

优选地，所述双光斑包括用于给所述第一板材和所述第二板材加热的外环激光以及用于焊接的圆心激光。

在可选的实施方式中，根据所述第一板材和所述第二板材的厚度和需要获得的熔深设置所述激光束的最大功率，所述外环激光的功率为所述最大功率的20-35％，所述圆心激光的功率随着所述激光束的运动轨迹而发生多阶段的线性变化。

在可选的实施方式中，根据运动轨迹

设置所述圆心激光的功率，

当Y＝(T2-T1)/2(T1＜T2)时，X位置的所述圆心激光的功率为所述最大功率的100％；

当Y＝-T1/2或T2/2时，X位置的所述圆心激光的功率为所述最大功率的40-60％；

当Y＝±(T1+T2)/2时，X位置的所述圆心激光的功率为所述最大功率的25-30％；

将满足上述取值的点均作为功率基准点，线性连接任意两个相邻的功率基准点，其余X和Y值对应的点的功率按照其对应的连线的斜率线性变化。

在可选的实施方式中，所述激光束的功率为1-10kw；优选地，所述激光束的最大功率为5-10kw。

在可选的实施方式中，所述激光束的摆动幅度为1-10mm。

在可选的实施方式中，所述激光束的摆动频率为50-500Hz；优选地，所述激光束的摆动频率为80-200Hz。

第二方面，实施例提供一种不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接系统，其包括激光焊接机构和控制系统，

所述激光焊接机构包括激光焊接头，所述控制系统设置有激光功率控制机构和摆动控制机构，所述控制系统分别与所述激光功率控制机构和所述摆动控制机构通信连接，所述激光功率控制机构和所述摆动控制机构分别与所述激光焊接头电连接。

在可选的实施方式中，所述激光焊接机构还包括用于检测焊接过程中熔深变化的传感器，所述传感器设置于所述激光焊接头上且与所述控制系统通信连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接方法，针对不等厚度铜及其合金板端面激光焊接中出现的焊接问题，提出采用大功率激光进行摆动焊接，根据待焊接的第一板材和第二板材的厚度设置激光束功率、激光束摆动幅度和摆动频率，由于端面焊接要求焊缝宽度需要铺满端面，采用

来预设激光束运动轨迹；由于不等厚度导致焊缝不在中心线上，本申请中通过调整激光功率以使保证激光束在不等厚度铜及其合金板端面焊接位置与功率匹配，保证最高能量在焊缝中心，边缘功率降低形成圆滑过渡的端面焊接接头，同时焊缝形状类U型而不是常见的I型，从而获得良好的焊缝质，激光摆动及功率变化解决了不等厚端面的焊接可行性问题。

采用上述焊接方法，能够稳定焊接不等厚度铜及其合金板端面，保证端面铺满，表面焊缝过渡圆滑，焊缝成U型，导电性能够达到既定要求。本发明提供的不等度铜及其合金板端面的激光焊接系统，能够实施本发明提供的方法，该系统可稳定完成铜及其合金板端面焊接。

附图说明

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。

图1为不等厚度铜及其合金板端面的示意图(T1不等于T2)；

图2为不等厚度铜及其合金板端面在连接缝处剖面示意图；

图3为2束激光束示意图；

图4为激光束摆动的示意图；

图5为激光功率随轨迹变化示意图；

图6为焊后截面形貌示意图；

图7为本发明实施例提供的不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接系统的工作流程示意图。

图标：1-第一板材；2-第二板材；3-焊缝；4-焊接方向；5-激光头运动轨迹；100-不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接系统；110-控制系统；120-激光功率控制机构；130-摆动控制机构；140-激光焊接头；210-圆心激光功率变化曲线；220-外环激光功率变化曲线；230-激光束运动轨迹；300-激光束；301-圆心激光束；302-外环激光束。

具体实施方式

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。

本申请提供了一种不等厚铜及其合金板端面的激光焊接方法，其包括：采用激光束对第一板材1和第二板材2的待焊接端面进行正弦摆动焊接。

具体的，请参阅图1和图2，本申请中针对的是不等厚的铜及其合金板进行激光焊接，焊接前将第一板材1和第二板材2装配好，分别测量第一板材1的和第二板材2的厚度，本申请中记第一板材1的厚度为T1，第二板材2的厚度为T2，其中，T1不等于T2，且具体到本实施例中，T1小于T2。

根据第一板材1和第二板材2的厚度设置激光头的运动路线，激光头运动轨迹5与焊接方向4平行，其中在激光焊接过程中，激光头不发生摆动，直接沿着激光头运动轨迹5运动。

本申请中，根据第一板材1和第二板材2的厚度设置激光束300的功率、摆动幅度和摆动频率以获得过渡圆滑的焊缝3。请参阅图3，激光束300在进行正弦摆动时的运动轨迹为

激光头运动轨迹5与焊接方向4平行且沿焊缝3垂直方向负偏离B＝(T2-T1)/2，(T1＜T2)，应理解，本申请中的焊接方向4也即是第一板材1和第二板材2对接时形成的待焊接的缝隙的位置。

其中，Y为激光束距离第一板材1和第二板材2的中间距离，Y-B为激光束距离焊缝3的中心位置的距离(由于最终成型的焊缝3具有一定宽度，因此，本申请中设定焊缝3的中心位置为第一板材1和第二板材2对接时形成的待焊接的缝隙的位置)。

A为激光束平均摆动幅度，其值为第一板材1和第二板材2的厚度的平均值，即A＝(T1+T2)/2，T1为第一板材1的厚度，T2为第二板材2的厚度；具体到本实施例中，激光束300的摆动幅度为1-10mm。应理解，在针对第一板材1和第二板材2其他厚度时，激光束300的摆动幅度还可以有其他的取值范围。

X为在焊接方向4上激光束与开始位置的垂直距离，X＝2πft，f为激光束300的摆动频率，t为时间；

为激光束300开始的位相，

具体来说，是激光束300相较于焊缝3中心位置的位相。本实施例中，激光束300的摆动频率为50-500Hz；优选地，激光束300的摆动频率为80-200Hz。

激光束300的功率沿着焊缝3中心位置向第一板材1和第二板材2的方向分别逐渐缩小。

值得说明的是，本申请中，第一板材1和第二板材2的待焊接缝隙即为焊缝3的中心位置，在摆动焊接过程中，激光束沿着焊缝3向第一板材1的端面运动或向第二板材2的端面摆动形成激光束运动轨迹230，而激光头沿着激光头运动轨迹5进行运动，不发生摆动。由于本申请中，摆动焊接的运动轨迹为正弦曲线，为了清楚的表示本申请中的运动过程，本申请中以向第一板材1的运动为正向运动，向第二板材2的运动为负向运动。

激光束300为红光波段激光或绿光波段激光。当激光束300为红光波段激光时，激光束300的光斑模式为双光斑。

优选地，请参阅图4，双光斑包括用于给第一板材1和第二板材2加热的外环激光束302以及用于焊接的圆心激光束301。本申请中通过激光整形的方式将激光束300分为2束激光，其中外环激光束302起到预热第一板材1和第二板材2的作用，较好的解决常用铜及其合金板激光焊接因导热性极好，反射率高，对红光波段激光吸收率低等特性而存在的焊接难题，实现较厚铜及其合金板端面的焊接。通过预热，将大大提高铜及其合金板对红光波段激光吸收率，提高激光焊接质量。而圆心激光束301能够采用较大的功率对第一板材1和第二板材2进行充分的焊接。

进一步地，根据第一板材1和第二板材2的厚度和需要获得的熔深设置激光束300的最大功率，外环激光束302的功率为最大功率的20-35％，圆心激光束301的功率随着激光束300的运动轨迹而发生多阶段的线性变化。

具体的，请参阅图5，根据运动轨迹

设置圆心激光束301的功率，

当Y＝(T2-T1)/2(T1＜T2)时，X位置的圆心激光束301的功率为最大功率的100％；

当Y＝-T1/2或T2/2时，X位置的圆心激光束301的功率为最大功率的40-60％；

当Y＝±(T1+T2)/2时，X位置的圆心激光束301的功率为最大功率的25-30％；

本申请中，通过调整圆心激光的功率，使其靠近焊缝3的中心位置的时候，其功率最大，随后向第一板材1或第二板材2摆动时，圆心激光束301的功率逐渐缩小，而当激光束300到达第一板材1的边缘或第二板材2的边缘时，此时圆心激光束301的功率最小，以使得其与外环激光束302的功率基本一致，实现更好的过渡。应理解，本申请中，通过控制几个特定点的圆心激光束301的功率，而当激光束300移动到其他位置时，其功率以其对应的连线进行线性变化，因此，在整个焊接过程中，圆心激光束301的功率呈现的是多阶段的线性变化。

具体到本实施例中，激光束300的功率的范围大致为1-10kw；优选地，激光束300的最大功率为5-10kw。

此外，请参阅图7，本申请还提供了一种用于实现上述焊接方法的不等厚度铜及其合金板端面的激光焊接系统100，其包括激光焊接机构和控制系统110，激光焊接机构包括激光焊接头140，控制系统110设置有激光功率控制机构120和摆动控制机构130，控制系统110分别与激光功率控制机构120和摆动控制机构130通信连接，激光功率控制机构120和摆动控制机构130分别与激光焊接头140电连接。

优选地，激光焊接机构还包括用于检测焊接过程中熔深变化的传感器，传感器设置于激光焊接头140上且与控制系统110通信连接。

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。

实施例1

本实施例提供的不等厚度铜及其合金板端面激光焊接方法，具体为：

采用厚度3mm和5mm厚度的紫铜作为焊接试验件，焊接位置为端面位置，焊接深度4mm，结构件长度100mm。根据焊接深度要求选择激光功率6000W，外环激光束302设定1200W，圆心激光束301设定100％为6000W；根据板厚设置激光摆动幅度4mm，摆动频率150Hz。焊接前，根据第一板材1和第二板材2的厚度设置激光头的运动路线，与焊接方向4平行，并且沿焊缝3垂直方向负偏离1mm，激光束运动轨迹230按照Y＝4sin(300πt+0.25)运动。

焊接过程中，激光束功率按激光束运动轨迹230进行多线段圆心激光功率变化曲线210和外环激光功率变化曲线220进行调整，以保证圆心激光束301在不等厚度铜及其合金板端面焊接位置与功率匹配，根据运动轨迹Y＝4sin(300πt+0.25)设置圆心激光束301功率，设置Y往第一板材1运动时方向为正，当Y往第二板材2运动时时方向为负。

即当Y＝1mm时(即Y处于焊缝3位置处时)，t位置圆心激光束301的功率6000W；当Y＝-1.5或2.5mm时(即Y处于第一板材1或第二板材2的中间位置时)，t位置圆心激光束301功率3500W；当Y＝±4mm时(即Y处于第一板材1或第二板材2的端面的边缘位置时)，t位置圆心激光束301的功率1800W，焊接速度1.7m/min，实现一次性焊接。

实施例2

采用厚度4mm和8mm厚度的紫铜作为焊接试验件，焊接位置为端面位置，焊接深度5mm，结构件长度100mm。根据焊接深度要求选择激光功率6500W，外环激光束302设定1200W，圆心激光束301设定100％为6000W；根据板厚设置激光摆动幅度6mm，摆动频率200Hz，焊接前，根据铜板板厚设置激光头运动路线，与焊接方向4平行，沿焊缝3垂直方向负偏离2mm，激光束运动轨迹230按照Y＝6sin(400πt+0.34)运动，焊接过程中，激光束功率按激光束运动轨迹进行多线段圆心激光功率变化曲线210和外环激光功率变化曲线220进行调整，以保证圆心激光束301在不等厚铜板端面焊接位置与功率匹配，根据运动轨迹Y＝6sin(400πt+0.34)设置圆心激光束301功率，当Y＝2mm时，t位置圆心激光束301功率6500W，当Y＝4mm，t位置圆心激光束301功率3000W，当Y＝-2mm时，t位置圆心激光束301功率3500W，Y＝±6mm时，t位置圆心激光束301功率1800W，焊接速度1.5m/min，实现一次性焊接。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：与实施例1不同的黄铜作为焊接试验件。激光功率采用5000W，激光摆动频率为200Hz。

综上所述，本发明实施例提供的不等厚度铜及其合金板端面激光焊接方法，针对不等厚度铜及其合金板端面激光焊接中出现的焊接问题，提出了采用大功率激光束进行摆动焊接，并且根据待焊接的第一板材1和第二板材2的厚度分别设置激光束300的摆动幅度、摆动频率和激光束功率，并且将其中激光束300经激光整形形成外环激光束302和圆心激光束301两束激光，其中，外环激光束302起到预热第一板材1和第二板材2的作用，通过预热大大提高了铜及其合金板对激光的吸收率，提高激光焊接质量，而圆心激光束301实现对第一板材1和第二板材2的焊接。进一步的，本申请中通过改变圆心激光束301的功率，实现其靠近焊缝3的位置功率大，越远离焊缝3的位置功率越小，最终和外环激光束302保持一致，实现更好的过渡，这样的设置可以保证激光束300在不等厚度铜及其合金板的端面焊接位置与功率匹配，保证最好能量在焊缝3的中心位置，边缘功率降低形成圆滑过渡的端面焊接接头，同时焊缝3形状类似于U型(请参阅图6)而不是常见的I型，从而获得良好的焊缝3质量。采用上述焊接方法，能够稳定焊接不等厚度铜及其合金，保证端面铺满，表面焊缝3过渡圆滑，焊缝3成U型，导电性能够达到既定要求。

以上所述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。