1.本发明涉及一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，该方法尤其适用于各种高强度、中厚板钢制车轮轮辋的三束激光焊接制造，属于钢制车轮轮辋焊接制造技术领域。
背景技术：2.目前，我国运输行业约77％仍以公路运输为主，汽车作为重要的陆地运输工具，对我国经济发展做出了重要贡献。虽然商用车仅占到国内汽车保有量的13.9％，而燃料消耗量和氮氧化合物、碳化合物等污染物的排放占机动车辆的49.2％以上，百公里排放量约为乘用车排放量的3-4倍。所以商用车节能减排已成为我国汽车产业的必然发展趋势和重点工作。据研究，汽车每降重100kg，节约燃油0.6l/100km；若整车重量降低10％，燃油效率可提高6％～8％。轻量化成为实现汽车节能减排的最直接有效的手段之一。针对商用车实施轻量化，对于整车传动效率、节能减排、燃油经济性、碰撞安全性、车辆控制稳定性等都大有裨益。
3.车轮作为商用车最重要的零部件之一，具有支撑车体重量和传递动力的作用,对于汽车行驶中的安全性和舒适性具有重要意义。如何获得优质的钢制车轮轮辋焊接接头就成为了提升整车安全性和可靠性的不可忽视的问题。所以探究更有效的车轮钢焊接方法及工艺就尤为关键。近年来热成型硼钢作为抗拉强度可达1500mpa等级的超高强度钢，逐渐被各大汽车厂商所关注。采用热成型钢制成的钢制车轮，在保证车身安全性能的同时，减轻了车身重量。但由于热成型过程中温度较高，表面氧化严重，进行激光焊接前需要进行表面喷丸处理，降低了生产效率，对钢制车轮轮辋表面粗糙度也有一定影响。此外，由于热成型钢激光焊接过程中冷却速率过快，导致焊接接头焊缝区淬硬组织过多，接头延伸率大幅度降低。这些因素都在一定程度上限制了钢制车轮轮辋的发展。
技术实现要素：4.本发明要解决的技术问题，就是针对现有钢制车轮轮辋焊接技术所存在的不足，而提供一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，该方法可以同时实现钢制车轮轮辋的焊前清理、焊接以及缓冷，避免了杂质进入焊缝形成的气孔等缺陷，使焊接接头热影响区软化区变窄，降低了焊接接头的内应力，获得无气孔缺陷、硬度较高、成形良好的焊接接头，实现钢制车轮轮辋高质量的焊接制造。
5.本方案是通过如下技术措施来实现的：一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，它包括如下步骤：
6.(1)将待焊的钢板进行卷圆处理；
7.(2)将处理后的待焊圆形钢圈置于焊接夹具上进行对接、装夹固定，对接接头背面配置与钢圈宽度相同的气体保护装置；
8.(3)调整主光束和两辅助光束的作用位置：
9.高功率激光器中激光头的激光聚焦为圆形光斑辐照于钢圈对接缝的中间位置；
10.激光除锈装置聚焦成一定长度的扫描线且该扫描线位于圆形光斑的前方，扫描线与圆形光斑的中心距为20～100mm，所述扫描线与钢圈对接缝垂直且扫描线中点位于钢圈对接缝上；
11.激光缓冷装置中激光头的激光聚焦为矩形光斑，且圆形光斑位于矩形光斑前方，圆形光斑与矩形光斑的中心距为30～100mm；
12.焊接过程中，三束激光沿着焊接方向以相同速度移动，所述钢圈和焊接夹具保持不动；或者，三束激光保持位置不动，所述钢圈和焊接夹具沿着与焊接方向相反的方向以相同速度移动；在焊接过程中两侧钢圈同时熔化且熔化量相同；
13.(4)按照设定的工艺参数进行焊接，焊缝背面完全熔通，保证单面焊双面成形，焊接过程中通入惰性气体对熔池正面及背面进行保护。
14.优选的，所述钢板为中碳优质非合金钢、低合金钢或热成型钢，所述钢板的厚度为2～15mm。
15.优选的，所述高功率激光器为连续型光纤激光器、yag激光器或碟片激光器，所述高功率激光器的功率与钢圈的厚度及焊接速度成正比，所述高功率激光器的功率为4.0～15kw，所述高功率激光器的圆形光斑的直径为0.2～1.5mm，所述高功率激光器的焊接速度为0.5～8.0m/min。
16.优选的，所述激光除锈装置为光纤激光器或yag激光器，所述激光除锈装置的功率与钢圈锈蚀深度及焊接速度成正比，所述激光除锈装置的功率为20w～500w，所述激光除锈装置聚焦形成的扫描线长度为20～60mm。
17.优选的，所述激光缓冷装置为连续性激光器、yag激光器或碟片激光器，所述激光缓冷装置的功率为50～500w，所述激光缓冷装置的矩形光斑的宽度为3～8mm、长度为5～15mm。
18.优选的，所述气体保护装置包括熔池背部气体保护装置和熔池正面保护装置，所述熔池背部气体保护装置包括与钢圈宽度相同的铜制垫板，所述铜制垫板中间位置开设有上沟槽和下沟槽，所述下沟槽的一端开有进气孔，所述上沟槽与下沟槽通过出气孔连通，所述惰性气体通过进气孔进入下沟槽，然后通过所述出气孔吹出进入上沟槽；所述熔池正面保护装置包括位于高功率激光器前后两侧的两送气管，通过两送气管通入惰性气体对熔池正面进行惰性气体保护，所述惰性气体为纯度等于或高于99.99％的氩气，所述惰性气体的流量为10～25l/min。
19.优选的，所述铜制垫板的厚度为18mm，所述上沟槽和下沟槽的宽度为10mm、深度为5mm，所述进气孔的直径为5mm。
20.优选的，所述钢板为22mnb5热成型钢，所述钢板的厚度为6mm。
21.优选的，所述高功率激光器的功率为4.5kw，所述高功率激光器的圆形光斑的直径为0.8mm，所述高功率激光器的焊接速度为1.6m/min；
22.所述激光缓冷装置的功率为300w，所述激光缓冷装置的矩形光斑的宽度为5mm、长度为10mm，所述圆形光斑与矩形光斑的中心距为40mm。
23.优选的，所述激光除锈装置的功率为300w，所述激光除锈装置的扫描线的长度为50mm、宽度为0.6mm，所述扫描线与圆形光斑的中心距为50mm。
24.本发明的有益效果：该钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法中，通过激光除锈装置
发出的激光清理钢圈对接缝及钢圈对接缝周围区域，高功率激光器提供热量熔化钢圈，激光缓冷装置发出的激光对成形焊缝进行缓冷处理；三束激光沿着焊机方向以相同速度移动，钢圈和焊接夹具保持不动，或者三束激光保持不动，钢圈和焊接夹具沿着与焊接方向相反的方向以相同的速度移动，通过调整焊接工艺参数，去除钢圈表面铁锈油污等杂质，控制焊接热输入及缓冷温度，避免了杂质进入焊缝形成的气孔等缺陷，降低了焊接接头的内应力，获得无气孔缺陷、硬度较高、成形良好的焊接接头，由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
25.图1为本发明具体实施方式中钢圈的局部立体结构示意图。
26.图2为本发明具体实施方式中钢圈焊接时的装夹剖视结构示意图。
27.图3为图1的局部俯视结构示意图。
28.图中，1-钢圈，2-焊缝，3-矩形光斑，4-圆形光斑，5-扫描线，6-钢圈对接缝，7-焊接方向，8-焊接夹具，9-送气管，10-铜制垫板，11-激光缓冷装置，12-高功率激光器，13-激光除锈装置，14-上沟槽，15-出气孔，16-进气孔，17-下沟槽，d1-扫描线与圆形光斑的中心距，d2-圆形光斑与矩形光斑的中心距。
具体实施方式
29.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
30.一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，它包括如下步骤。
31.(1)将待焊的钢板进行卷圆处理；
32.所述钢板为中碳优质非合金钢、低合金钢或热成型钢，所述钢板的厚度为2～15mm，优选所述钢板为22mnb5热成型钢，所述钢板的厚度为6mm。
33.(2)将处理后的待焊圆形钢圈1置于焊接夹具8上进行对接、装夹固定，对接接头背面配置与钢圈宽度相同的气体保护装置；
34.所述气体保护装置包括熔池背部气体保护装置和熔池正面保护装置。所述熔池背部气体保护装置包括与钢圈1宽度相同的铜制垫板10，所述铜制垫板10的厚度为18mm，所述铜制垫板10中间位置开设有上沟槽14和下沟槽17，所述上沟槽14与下沟槽17通过出气孔15连通，所述上沟槽14和下沟槽17的宽度(即焊缝2宽度方向的尺寸)为10mm、深度为5mm，所述下沟槽17的一端开有进气孔16，所述进气孔16的直径为5mm。所述惰性气体通过进气孔16进入下沟槽17，然后通过所述出气孔15吹出进入上沟槽14。所述熔池正面保护装置包括位于高功率激光器12前后两侧的两送气管9，通过两送气管9通入惰性气体对熔池正面进行惰性气体保护。所述惰性气体为纯度等于或高于99.99％的氩气，所述惰性气体的流量为10～25l/min,优选所述惰性气体的流量为15l/min。采用这种结构形式的气体保护装置后，气体的保护范围能有效覆盖三束激光的焊接熔池的正面及背面。
35.(3)调整主光束和两辅助光束的作用位置：
36.将高功率激光器12作为焊接热源，高功率激光器12中激光头的激光聚焦为圆形光斑4辐照于钢圈对接缝6的中间位置，使钢圈对接缝6两侧钢圈1同时发生熔化。所述高功率
激光器12为连续型光纤激光器、yag激光器或碟片激光器，所述高功率激光器12的功率与钢圈1的厚度及焊接速度成正比，所述高功率激光器12的功率为4.0～15kw，优选所述高功率激光器12的功率为4.5kw，所述高功率激光器12的圆形光斑4的直径为0.2～1.5mm，优选所述高功率激光器12的圆形光斑4的直径为0.8mm，所述高功率激光器12的焊接速度为0.5～8.0m/min，优选所述高功率激光器12的焊接速度为1.6m/min。通过控制高功率激光器12的功率来调控钢圈1接头处热输入及温度场分布，在焊接过程中保证钢圈对接缝6两侧的钢圈1同时熔化且熔化量相同，最终获得高质量的钢制车轮轮辋三束激光焊接接头。
37.激光除锈装置13聚焦成一定长度的扫描线5且该扫描线5位于圆形光斑4的前方，所述激光除锈装置13聚焦形成的扫描线5长度为20～60mm，优选所述激光除锈装置13的扫描线5的长度为50mm、宽度为0.6mm，扫描线与圆形光斑的中心距d1为20～100mm，优选所述扫描线与圆形光斑的中心距d1为50mm，所述扫描线5与钢圈对接缝6垂直且扫描线5中点位于钢圈对接缝6上。所述激光除锈装置13为光纤激光器或yag激光器，所述激光除锈装置13的功率与钢圈1锈蚀深度及焊接速度成正比，所述激光除锈装置13的功率为20w～500w，优选所述激光除锈装置13的功率为300w。
38.激光缓冷装置11中激光头的激光聚焦为矩形光斑3，且圆形光斑4位于矩形光斑3前方，所述激光缓冷装置11为连续性激光器、yag激光器或碟片激光器，所述激光缓冷装置11的功率为50～500w，优选所述激光缓冷装置11的功率为300w，所述激光缓冷装置11的矩形光斑3的宽度为3～8mm、长度为5～15mm，优选所述激光缓冷装置11的矩形光斑3的宽度为5mm、长度为10mm，圆形光斑与矩形光斑的中心距d2为30～100mm，优选所述圆形光斑与矩形光斑的中心距d2为40mm。在焊缝2成形后，作用于成形焊缝2的上述激光缓冷装置11的功率应适中，若激光缓冷装置11的功率过大，会使成形焊缝2再次熔化，导致焊缝2力学性能降低；若激光缓冷装置11的功率过小，则不会对已成形焊缝2产生缓冷效果。
39.焊接过程中，三束激光沿着焊接方向7以相同速度移动，所述钢圈1和焊接夹具8保持不动；或者，三束激光保持位置不动，所述钢圈1和焊接夹具8沿着与焊接方向7相反的方向以相同速度移动；在焊接过程中两侧钢圈1同时熔化且熔化量相同。
40.(4)按照设定的工艺参数进行焊接，焊缝2背面完全熔通，保证单面焊双面成形，焊接过程中通入惰性气体对熔池正面及背面进行保护，惰性气体的保护范围能有效覆盖三束激光的焊接熔池的正面及背面，对熔池正面及背面进行有效地保护。
41.该钢制车轮轮辋三束激光焊接方法中，通过激光除锈装置13发出的激光清理钢圈对接缝6及钢圈对接缝6周围区域，高功率激光器12提供热量熔化钢圈1，激光缓冷装置11发出的激光对成形焊缝2进行缓冷处理；三束激光沿着焊接方向7以相同速度移动，钢圈1和焊接夹具8保持不动，或者三束激光保持不动，钢圈1和焊接夹具8沿着与焊接方向7相反的方向以相同的速度移动，通过调整焊接工艺参数，去除钢圈1表面铁锈油污等杂质，控制焊接热输入及缓冷温度，避免了杂质进入焊缝2形成的气孔等缺陷，降低了焊接接头的内应力，获得无气孔缺陷、硬度较高、成形良好的焊接接头。
42.本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：它包括如下步骤：(1)将待焊的钢板进行卷圆处理；(2)将处理后的待焊圆形钢圈置于焊接夹具上进行对接、装夹固定，对接接头背面配置与钢圈宽度相同的气体保护装置；(3)调整主光束和两辅助光束的作用位置：高功率激光器中激光头的激光聚焦为圆形光斑辐照于钢圈对接缝的中间位置；激光除锈装置聚焦成一定长度的扫描线且该扫描线位于圆形光斑的前方，扫描线与圆形光斑的中心距为20～100mm，所述扫描线与钢圈对接缝垂直且扫描线中点位于钢圈对接缝上；激光缓冷装置中激光头的激光聚焦为矩形光斑，且圆形光斑位于矩形光斑前方，圆形光斑与矩形光斑的中心距为30～100mm；焊接过程中，三束激光沿着焊接方向以相同速度移动，所述钢圈和焊接夹具保持不动；或者，三束激光保持位置不动，所述钢圈和焊接夹具沿着与焊接方向相反的方向以相同速度移动；在焊接过程中两侧钢圈同时熔化且熔化量相同；(4)按照设定的工艺参数进行焊接，焊缝背面完全熔通，保证单面焊双面成形，焊接过程中通入惰性气体对熔池正面及背面进行保护。2.根据权利要求1所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述钢板为中碳优质非合金钢、低合金钢或热成型钢，所述钢板的厚度为2～15mm。3.根据权利要求1或2所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述高功率激光器为连续型光纤激光器、yag激光器或碟片激光器，所述高功率激光器的功率与钢圈的厚度及焊接速度成正比，所述高功率激光器的功率为4.0～15kw，所述高功率激光器的圆形光斑的直径为0.2～1.5mm，所述高功率激光器的焊接速度为0.5～8.0m/min。4.根据权利要求3所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述激光除锈装置为光纤激光器或yag激光器，所述激光除锈装置的功率与钢圈锈蚀深度及焊接速度成正比，所述激光除锈装置的功率为20w～500w，所述激光除锈装置聚焦形成的扫描线长度为20～60mm。5.根据权利要求4所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述激光缓冷装置为连续性激光器、yag激光器或碟片激光器，所述激光缓冷装置的功率为50～500w，所述激光缓冷装置的矩形光斑的宽度为3～8mm、长度为5～15mm。6.根据权利要求5所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述气体保护装置包括熔池背部气体保护装置和熔池正面保护装置，所述熔池背部气体保护装置包括与钢圈宽度相同的铜制垫板，所述铜制垫板中间位置开设有上沟槽和下沟槽，所述下沟槽的一端开有进气孔，所述上沟槽与下沟槽通过出气孔连通，所述惰性气体通过进气孔进入下沟槽，然后通过所述出气孔吹出进入上沟槽；所述熔池正面保护装置包括位于高功率激光器前后两侧的两送气管，通过两送气管通入惰性气体对熔池正面进行惰性气体保护，所述惰性气体为纯度等于或高于99.99％的氩气，所述惰性气体的流量为10～25l/min。7.根据权利要求6所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述铜制垫板的厚度为18mm，所述上沟槽和下沟槽的宽度为10mm、深度为5mm，所述进气孔的直径为5mm。8.根据权利要求7所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述钢板为
22mnb5热成型钢，所述钢板的厚度为6mm。9.根据权利要求8所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述高功率激光器的功率为4.5kw，所述高功率激光器的圆形光斑的直径为0.8mm，所述高功率激光器的焊接速度为1.6m/min；所述激光缓冷装置的功率为300w，所述激光缓冷装置的矩形光斑的宽度为5mm、长度为10mm，所述圆形光斑与矩形光斑的中心距为40mm。10.根据权利要求9所述的钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，其特征是：所述激光除锈装置的功率为300w，所述激光除锈装置的扫描线的长度为50mm、宽度为0.6mm，所述扫描线与圆形光斑的中心距为50mm。
技术总结本发明提供了一种钢制车轮轮辋三束激光焊接的方法，它包括如下步骤：(1)将待焊的钢板进行卷圆处理；(2)将处理后的待焊圆形钢圈置于焊接夹具上进行对接、装夹固定，对接接头背面配置与钢圈宽度相同的气体保护装置；(3)调整主光束和两辅助光束的作用位置；(4)按照设定的工艺参数进行焊接，焊缝背面完全熔通，保证单面焊双面成形，焊接过程中通入惰性气体对熔池正面及背面进行保护。该方法避免了杂质进入焊缝形成的气孔等缺陷，降低了焊接接头的内应力，获得无气孔缺陷、硬度较高、成形良好的焊接接头。接接头。接接头。
技术研发人员：张新戈 王铎 王文权 李洪梅 王蕾 任东亭 樊慧璋 任晓雪
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
