具有金屬蒸氣毛細管形成控制的雷射束焊接方法

2023-06-02 00:52:36

專利名稱：具有金屬蒸氣毛細管形成控制的雷射束焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射焊接方法，其中在焊接過程中熔池的流體動力學 性質由於集中於在雷射束作用點處形成的毛細管上的氣流而受到控制。
背景技術：
在雷射束焊接中，在兩工件之間形成焊縫是基於材料在雷射束作用點 處的熔化和蒸發現象。對於足夠高的比功率密度、即幾MW/cm2，在材料中形成充滿金屬蒸 氣的毛細管或孔隙，它們使得能量能直接傳遞到材料的核心部分。毛細管壁由熔化的金屬形成，並由於利用內部蒸氣建立起的動力學平 衡而得以維持。根據運動而定，該熔化的金屬在毛細管周圍經過，並在其 後面形成"熔池"。在不斷運動的熔池的核心部分中存在所述空腔是引發多數可能會使得 到的焊接質量下降的缺陷的不穩定性的起因。事實上，藉助於相機觀察焊接點可觀察到，在焊接熔池與噴出的蒸氣 相接觸的表面上逐步形成很大的不穩定性，從而形成"波，，。從毛細管噴 出的金屬蒸氣也不時地攜帶有液態金屬滴。熔池有時會在其自身重力作用 下塌陷，並暫時阻斷毛細管，從而導致很大的不穩定性。因此，當出現多孔結構並使得到的焊縫變薄時，焊接表面外觀常非常 粗糙且參差不齊。換句話說，所得到的焊縫質量很差。在Kamimuki等人的文獻"P^evewftVmw似/wg siV/e g"s朋</ /to附ofi/tof/"g附C/rofif i" 而ve ^/W: E4( /flser w/必"g " (J. ofLaser Appl.， 14(3)， p.136-145, 2002)中解釋說，經由獨自定位在孔隙後 面的具有小直徑的常規的圓柱形噴嘴噴出的橫向氣體射流有時能減少焊縫 中的焊渣和多孔結構。但是，該方案的主要問題在於很難定位噴嘴。事實上，如果氣體射流 的壓力略微過高或相對於毛細管後面偏移幾亳米就足以封閉毛細管並增加 熔池中的不穩定性，從而導致與所希望的相反的結果。此外，利用這種噴嘴只能沿一個方向進行焊接，這在根據待焊接的工 件的複雜性而定的必須能夠沿多個方向進行焊接的工業條件下不太實用。另夕卜，文獻JP陽A-61229491、 JP-A暢04313485和US-A-4684779提出利 用輔助氣體的雷射焊接方法。將一股或多股氣流送向待焊接的工件以清除 焊接區域中在環境大氣中可見的氣體雜質。換句話說，在這些文獻中，氣 流在低壓下,皮輸送，且僅用於建立遮護焊接區域的氣體環境。這些方法並不能使所得到的焊縫的質量得以提高，因為氣流只在焊接 熔池上施加壓力，迫使熔化的金屬朝向毛細管，從而導致毛細管不穩定或 非常容易導致毛細管被阻斷。因此引發的問題在於改進現有的雷射焊接方法，使得能夠提高焊縫質 量並同時避免上述有害現象。本發明的解決方案還必須能夠在工業條件下應用，也就是說，它必須 結構簡單且在4吏用上具有很大的靈活性、尤其是不局限於一個焊接方向。發明內容本發明的解決方案是至少 一個金屬工件、優選為兩個金屬工件相互之 間的雷射束焊接方法，其中a)使用雷射束、第一氣體流和裝備有出口孔的焊接噴嘴，所述雷射 束和第一氣體流通過所述出口孔；以及b )通過在待焊接的工件上在雷射束的作用點處熔化待焊接的工件的金 屬來焊接所述工件，同時形成被金屬蒸氣填充的毛細管或孔隙。根據本發明，在焊接過程中，僅朝向金屬蒸氣毛細管開口和沿垂直於待焊接的工件的方向引導第一氣體流，以向那裡施加氣體動壓力並保持孔 隙敞開，同時使其變寬。在本發明中，在待焊接的金屬板的表面可見、且金屬蒸氣通過其中逸出的毛細管區域被稱為"金屬蒸氣毛細管(或孔隙)開口"。這樣，圖5 示出在利用雷射束10進行焊接的過程中焊接區域的縱剖面。該圖 一方面突 出顯示了金屬蒸氣12通過其中逸出的毛細管11,另一方面突出顯示了在 後面13形成熔池的金屬液體壁面14。箭頭表示焊接方向S。 才艮據情況，本發明的方法可包括以下特徵中的一個或多個 -第一氣體流用於向蒸氣毛細管的開口施加持續不變的氣體動壓力； -第一氣體流用於穩定熔化金屬的熔池的流動； -還使用圍繞第一氣體流的外圍分布的第二保護氣體流； -還使用圍繞雷射束的軸線且與第一氣體流同軸分布的第二保護氣體流；-第一氣體的流量約為10-20 1/min，第二氣體的流量約為20-30 !/min;-所述噴嘴是同軸噴嘴；-所述第一氣體和第二氣體選自氬氣、氦氣、氮氣及其混合物，並可 能含有較小份額的C02、氧氣或氫氣；-所述雷射束由Nd: YAG雷射發生器、摻鐿光纖雷射發生器或C02 雷射發生器產生；-所述焊接噴嘴由機械手支承；-待焊接的金屬工件由塗層或未塗層的碳鋼、鋁或不鏽鋼製成； -輸送第一氣體流的焊接噴嘴具有介於0.1和10mi^之間的氣體流通 面積；以及國第一氣體流的壓力介於l和10kPa之間。因此，本發明基於使焊接過程中熔池流動穩定一一通過使被引導向或 引導到所述毛細管開口的"快速的"第一氣體射流或氣流作用在孔隙開口 上來向該位置處施加氣體動壓力，從而使所述開口形狀穩定、或者甚至增 大所述開口，並通過這種方式來解決上述問題。事實上，由於所述動壓力，毛細管保持敞開，因為第一氣體壓力使得 毛細管變寬，而在毛細管中產生的金屬蒸氣可不受周圍熔化金屬的熔池的 幹擾而逸出。因此發現濺斑的數量明顯減少，且液態金屬的動力學流動變得更加容 易，從而可改善焊縫的外觀和減少焊接中的多孔結構一一 因為金屬蒸氣不 再或很少被滯留在那裡。作為補充，例如在雷射焊接中通常使用的、圍繞外圍設置低流量/流率 下的第二保護氣體射流，以通過形成圍繞焊接區域的氣體保護層或遮護層 來遮護焊接熔池不被氧化。換句話說，本發明的解決方案優選利用圍繞雷射束的軸線對稱布置且 -故引導或聚集到孔隙開口上的第一 "快速"穩定氣體射流和用於遮護或保 護焊接區域的"慢速的，，第二氣體射流。如果所述聚集的氣體能具有或獲得足夠的動能以在孔隙上施加足夠的 動壓力來保持孔隙敞開，則該聚集的氣體可被稱為是"快速的"。相反， 所述遮護氣體被稱為是"慢速的"，因為其必須不能干擾熔池的流動，而 只是防止後者與環境空氣中的氧氣相接觸。快速的第一氣體的流量約為10-20 1/min，而慢速的第二遮護氣體的流 量約為20-30 1/min。"快速，，氣體的流動橫截面通常介於0.1和10 mm2 之間。事實上，氣體流的直徑比噴嘴出口處的雷射束的直徑僅大零點幾毫 米。所述氣體流量直接取決於用來獲得有效動壓力的氣體的密度。該壓力 的數量級通常為幾kPa。因此，對於給定的焊接操作，本領域技術人員將能根據所希望的焊接 條件一一特別是待焊接的材料的類型、可用的氣體的種類和所使用的雷射 發生器的功率一一經驗性地作出對最適合的氣體流量的特定的選擇。所述氣體射流或流動可通過單個"雙流動"噴嘴一一即，輸送兩股彼 此同軸的氣流的噴嘴，也稱為"同軸"噴嘴，如圖1至4所示一一進行輸 送。這種原理可擴展到多股、特別是三股同心的氣體流。可選擇地，所述快速的聚集氣體可通過合適布置的多個噴嘴進行輸送，例如通過四個具有小直徑(通常小於3mm)、且與光束的軸線成20。-450 角、並定位成圍繞輸送"慢速"氣體的常規的環形保護噴嘴的外圍均勻分 布的漸縮噴嘴進行輸送。應注意，優選地，使用相同的氣體作為第一和第二氣體流。但是，所 述兩氣體也可不同。因此，在Nd: YAG雷射焊接中，通常使用氬氣作為用於保護雷射束的 氣體，而在C02雷射焊接中，需要氦氣來防止逆火現象。但是，對於某些應用，氦氣/氮氣、氦氣/氬氣或任何其它氦氣基的氣體 混合物也可被用於來自co2雷射發生器的光束，任何惰性氣體可被用於來 自YAG雷射發生器或光纖雷射發生器的光束。類似地，可使用氬氣、氮氣、氦氣或這些氣體的混合物，並還含有一 種或多種低含量(百分之幾)的其它成分如氧氣、C02或氫氣。


圖l至4示意性示出才艮據本發明的"同軸"噴嘴的多個實施例。
具體實施方式
從圖l至4中可以看出，同軸噴嘴是由至少兩個同心的送氣管路形成 的噴嘴。圖l示出同軸噴嘴的第一種形式。在噴嘴中心，快速氣體射流通過直 徑介於0.2和3111111之間的孔口 l朝向孔隙開口輸送。該遮護氣體轉而在與開口 1同心的冠狀部2中擴散。所述冠狀部2的 輪廓可選擇成使得能夠獲得壁面效應，也就是說，使慢速氣體流的方向沿 壁面曲線，如矢量3所示。圖2示出了一種利用壁面效應來使快速氣體流沿雷射束的軸線集中的 噴嘴形式。在此實施例中，設置有三個氣體通路用於氣體的慢速輸送和 低流量的一個軸向通路4，其主要用於避免任何汙染物向後進入雷射光學裝置中；朝向孔隙開口引導快速氣體的第一外圍通路5;以及輸送慢速遮 護氣體的第二通路6。圖3示出了其中慢速氣體的氣體遮護層由於"旋渦"分布(即具有易 於在噴嘴出口處水平地驅動氣體的旋轉分量)而變寬的實施例。圖4示出了一種通過漸縮漸擴噴嘴、即漸縮漸擴孔口來加速快速氣體 的噴嘴。使用同軸噴嘴的主要益處在於其定位容易且與支承噴嘴的焊接頭可被 移置的方向無關。這意味著，例如在使用Nd: YAG雷射焊接的情況下，其 可被直接設置在機械手的端部，其中雷射束在被經由光纖光纜輸送到支承 噴嘴的雷射頭之前由Nd: YAG發生器產生。在所有情況中，通過使用這種同軸噴嘴執行根據本發明的方法，第一 氣體射流被加速並被限制在毛細管開口方向，這使得毛細管後面的流動可 被改變。因此，毛細管沿焊接方向開口更大，且熔池的流動規則、連續且沒有 4壬何表面波動。在使用Nd: YAG雷射振蕩器焊接的情況下，焊縫非常光滑且可完全消 除Nd:YAG雷射焊接的"V形結構，，特徵。當然，氣體射流的流量必須高於常規流動，但是不會太大，以避免噴 出熔化的金屬。實施本發明另外還具有造成焊接的穿透深度顯著增加的優點。因此，其中利用了被引導到和限制在毛細管開口處的氣體射流的試驗 表明穿透(深度)增加了 25%。考慮到毛細管由於根據本發明的氣體射流而被加長，所述現象可通過 這一事實進行解釋雷射束較少地被毛細管後面的前部的波動打斷。此外，由於氣體射流造成的較大的毛細管開口，可得到較不密集的等 離子體，並因此得到在例如利用C02雷射振蕩器焊接時較少地吸收雷射束 的等離子體。毛細管被加長也大大減少了在雷射焊接期間在焊縫中產生的多孔結構o當熔池的流動由於本發明的聚集的氣體射流而被穩定下來時，熔化金 屬的濺斑將減少，且金屬滴的噴流將^^皮完全消除。將快速氣體射流限制在毛細管開口處的同軸噴嘴的使用能夠有效地控 制熔池的流體動力學性質。因此，熔池的流動可很好地被穩定，並可完全消除金屬'減斑，這使得能夠獲得非常高的焊接縫質量，且具有在低焊接速度下(即小於3m/min) 的增加的穿透深度。因此，該利用快速射流的焊接方法適合應用於中等厚度、即約1至5mm 的雷射焊接。
權利要求
1.至少一個金屬工件、優選為兩個金屬工件相互之間的雷射束焊接方法，其中a)使用雷射束、第一氣體流和裝備有出口孔的焊接噴嘴，所述雷射束和第一氣體流經過所述出口孔；以及b)通過在待焊接的工件上在雷射束的作用點處熔化待焊接的工件的金屬來焊接所述工件，同時形成被金屬蒸氣填充的毛細管或孔隙，其特徵在於，在焊接過程中，僅朝向金屬蒸氣毛細管開口和沿垂直於待焊接的工件的方向引導第一氣體流，以向那裡施加氣體動壓力並保持孔隙敞開。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述第一氣體流用於 向蒸氣毛細管施加持續不變的氣體動壓力。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述第一氣體流 用於穩定熔化金屬的熔池的流動。
4. 根據權利要求1至3其中之一所述的方法，其特徵在於，還使用 圍繞第 一 氣體流外圍分布的第二保護氣體流。
5. 根據權利要求1至4其中之一所述的方法，其特徵在於，還使用 圍繞雷射束的軸線且與第 一 氣體流同軸分布的第二保護氣體流。
6. 根據權利要求1至5其中之一所述的方法，其特徵在於，第一氣 流的流量約為10-20 1/min,第二氣流的流量約為20-30 1/min。
7， 根據權利要求1至6其中之一所述的方法，其特徵在於，所述噴 嘴是同軸噴嘴。
8. 根據權利要求1至7其中之一所述的方法，其特徵在於，所述第 一氣體和第二氣體選自氬氣、氦氣、氮氣及其混合物，並可能含有較小份 額的C02、氧氣或氫氣。
9. 根據權利要求1至8其中之一所述的方法，其特徵在於，所述激 光束由Nd: YAG雷射發生器、摻鐿光纖雷射發生器或C02雷射發生器產生。
10. 根據權利要求1至9其中之一所述的方法，其特徵在於，所述焊 接噴嘴由機械手支承。
11. 根據權利要求1至10其中之一所述的方法，其特徵在於，所述 待焊接的金屬工件由塗層的或未塗層的碳鋼、鋁或不鏽鋼製成。
12. 根據權利要求1至11其中之一所述的方法，其特徵在於，輸送 第一氣體流的焊接噴嘴具有介於0.1和10mi^之間的氣體流通面積。
13. 根據權利要求1至12其中之一所述的方法，其特徵在於，所述 第一氣體流的壓力介於1和10 kPa之間。
全文摘要
本發明涉及一種利用雷射束焊接至少一個金屬工件、優選相互焊接兩個金屬工件的方法，該方法包括使用雷射束(10)、第一氣體流、以及設有雷射束和第一氣體流從中通過的出口孔的焊接噴嘴；以及通過在待焊接的工件上在雷射束的作用點處熔化所述工件的金屬來焊接所述工件，同時形成被金屬蒸氣填充的毛細管(11)或孔隙(12)。在焊接過程中，僅沿垂直於待焊接的工件的方向將第一氣體流引導至金屬蒸氣毛細管的開口，以產生氣體動壓力。
文檔編號B23K26/14GK101291773SQ200680038665
公開日2008年10月22日 申請日期2006年10月19日 優先權日2005年10月21日
發明者E·弗娜, F·白裡安, F·科斯特, R·法布洛, S·斯裡馬尼 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司;科學研究國家中心