具有金属蒸气毛细管形成控制的激光束焊接方法

摘要

本发明涉及一种利用激光束焊接至少一个金属工件、优选相互焊接两个金属工件的方法，该方法包括：使用激光束(10)、第一气体流、以及设有激光束和第一气体流从中通过的出口孔的焊接喷嘴；以及通过在待焊接的工件上在激光束的作用点处熔化所述工件的金属来焊接所述工件，同时形成被金属蒸气填充的毛细管(11)或孔隙(12)。在焊接过程中，仅沿垂直于待焊接的工件的方向将第一气体流引导至金属蒸气毛细管的开口，以产生气体动压力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，其中在焊接过程中熔池的流体动力学性质由于集中于在激光束作用点处形成的毛细管上的气流而受到控制。

背景技术

在激光束焊接中，在两工件之间形成焊缝是基于材料在激光束作用点处的熔化和蒸发现象。

对于足够高的比功率密度、即几MW/cm²，在材料中形成充满金属蒸气的毛细管或孔隙，它们使得能量能直接传递到材料的核心部分。

毛细管壁由熔化的金属形成，并由于利用内部蒸气建立起的动力学平衡而得以维持。根据运动而定，该熔化的金属在毛细管周围经过，并在其后面形成“熔池”。

在不断运动的熔池的核心部分中存在所述空腔是引发多数可能会使得到的焊接质量下降的缺陷的不稳定性的起因。

事实上，借助于相机观察焊接点可观察到，在焊接熔池与喷出的蒸气相接触的表面上逐步形成很大的不稳定性，从而形成“波”。从毛细管喷出的金属蒸气也不时地携带有液态金属滴。熔池有时会在其自身重力作用下塌陷，并暂时阻断毛细管，从而导致很大的不稳定性。

因此，当出现多孔结构并使得到的焊缝变薄时，焊接表面外观常非常粗糙且参差不齐。

换句话说，所得到的焊缝质量很差。

在Kamimuki等人的文献“Prevention of welding defect by side gas flowand its monitoring method in continuous wave Nd:YAG laser welding”(J.ofLaser Appl.，14(3)，p.136-145，2002)中解释说，经由独自定位在孔隙后面的具有小直径的常规的圆柱形喷嘴喷出的横向气体射流有时能减少焊缝中的焊渣和多孔结构。

但是，该方案的主要问题在于很难定位喷嘴。事实上，如果气体射流的压力略微过高或相对于毛细管后面偏移几毫米就足以封闭毛细管并增加熔池中的不稳定性，从而导致与所希望的相反的结果。

此外，利用这种喷嘴只能沿一个方向进行焊接，这在根据待焊接的工件的复杂性而定的必须能够沿多个方向进行焊接的工业条件下不太实用。

另外，文献JP-A-61229491、JP-A-04313485和US-A-4684779提出利用辅助气体的激光焊接方法。将一股或多股气流送向待焊接的工件以清除焊接区域中在环境大气中可见的气体杂质。换句话说，在这些文献中，气流在低压下被输送，且仅用于建立遮护焊接区域的气体环境。

这些方法并不能使所得到的焊缝的质量得以提高，因为气流只在焊接熔池上施加压力，迫使熔化的金属朝向毛细管，从而导致毛细管不稳定或非常容易导致毛细管被阻断。

因此引发的问题在于改进现有的激光焊接方法，使得能够提高焊缝质量并同时避免上述有害现象。

本发明的解决方案还必须能够在工业条件下应用，也就是说，它必须结构简单且在使用上具有很大的灵活性、尤其是不局限于一个焊接方向。

发明内容

本发明的解决方案是至少一个金属工件、优选为两个金属工件相互之间的激光束焊接方法，其中：

a)使用激光束、第一气体流和装备有出口孔的焊接喷嘴，所述激光束和第一气体流通过所述出口孔；以及

b)通过在待焊接的工件上在激光束的作用点处熔化待焊接的工件的金属来焊接所述工件，同时形成被金属蒸气填充的毛细管或孔隙。

根据本发明，在焊接过程中，仅朝向金属蒸气毛细管开口和沿垂直于待焊接的工件的方向引导第一气体流，以向那里施加气体动压力并保持孔隙敞开，同时使其变宽。

在本发明中，在待焊接的金属板的表面可见、且金属蒸气通过其中逸出的毛细管区域被称为“金属蒸气毛细管(或孔隙)开口”。这样，图5示出在利用激光束10进行焊接的过程中焊接区域的纵剖面。该图一方面突出显示了金属蒸气12通过其中逸出的毛细管11，另一方面突出显示了在后面13形成熔池的金属液体壁面14。箭头表示焊接方向S。

根据情况，本发明的方法可包括以下特征中的一个或多个：

-第一气体流用于向蒸气毛细管的开口施加持续不变的气体动压力；

-第一气体流用于稳定熔化金属的熔池的流动；

-还使用围绕第一气体流的外围分布的第二保护气体流；

-还使用围绕激光束的轴线且与第一气体流同轴分布的第二保护气体流；

-第一气体的流量约为10-20l/min，第二气体的流量约为20-30l/min；

-所述喷嘴是同轴喷嘴；

-所述第一气体和第二气体选自氩气、氦气、氮气及其混合物，并可能含有较小份额的CO₂、氧气或氢气；

-所述激光束由Nd:YAG激光发生器、掺镱光纤激光发生器或CO₂激光发生器产生；

-所述焊接喷嘴由机械手支承；

-待焊接的金属工件由涂层或未涂层的碳钢、铝或不锈钢制成；

-输送第一气体流的焊接喷嘴具有介于0.1和10mm²之间的气体流通面积；以及

-第一气体流的压力介于1和10kPa之间。

因此，本发明基于使焊接过程中熔池流动稳定——通过使被引导向或引导到所述毛细管开口的“快速的”第一气体射流或气流作用在孔隙开口上来向该位置处施加气体动压力，从而使所述开口形状稳定、或者甚至增大所述开口，并通过这种方式来解决上述问题。

事实上，由于所述动压力，毛细管保持敞开，因为第一气体压力使得毛细管变宽，而在毛细管中产生的金属蒸气可不受周围熔化金属的熔池的干扰而逸出。

因此发现溅斑的数量明显减少，且液态金属的动力学流动变得更加容易，从而可改善焊缝的外观和减少焊接中的多孔结构——因为金属蒸气不再或很少被滞留在那里。

作为补充，例如在激光焊接中通常使用的、围绕外围设置低流量/流率下的第二保护气体射流，以通过形成围绕焊接区域的气体保护层或遮护层来遮护焊接熔池不被氧化。

换句话说，本发明的解决方案优选利用围绕激光束的轴线对称布置且被引导或聚集到孔隙开口上的第一“快速”稳定气体射流和用于遮护或保护焊接区域的“慢速的”第二气体射流。

如果所述聚集的气体能具有或获得足够的动能以在孔隙上施加足够的动压力来保持孔隙敞开，则该聚集的气体可被称为是“快速的”。相反，所述遮护气体被称为是“慢速的”，因为其必须不能干扰熔池的流动，而只是防止后者与环境空气中的氧气相接触。

快速的第一气体的流量约为10-20l/min，而慢速的第二遮护气体的流量约为20-30l/min。“快速”气体的流动横截面通常介于0.1和10mm²之间。事实上，气体流的直径比喷嘴出口处的激光束的直径仅大零点几毫米。

所述气体流量直接取决于用来获得有效动压力的气体的密度。该压力的数量级通常为几kPa。

因此，对于给定的焊接操作，本领域技术人员将能根据所希望的焊接条件——特别是待焊接的材料的类型、可用的气体的种类和所使用的激光发生器的功率——经验性地作出对最适合的气体流量的特定的选择。

所述气体射流或流动可通过单个“双流动”喷嘴——即，输送两股彼此同轴的气流的喷嘴，也称为“同轴”喷嘴，如图1至4所示——进行输送。这种原理可扩展到多股、特别是三股同心的气体流。

可选择地，所述快速的聚集气体可通过合适布置的多个喷嘴进行输送，例如通过四个具有小直径(通常小于3mm)、且与光束的轴线成20°-45°角、并定位成围绕输送“慢速”气体的常规的环形保护喷嘴的外围均匀分布的渐缩喷嘴进行输送。

应注意，优选地，使用相同的气体作为第一和第二气体流。但是，所述两气体也可不同。

因此，在Nd:YAG激光焊接中，通常使用氩气作为用于保护激光束的气体，而在CO₂激光焊接中，需要氦气来防止逆火现象。

但是，对于某些应用，氦气/氮气、氦气/氩气或任何其它氦气基的气体混合物也可被用于来自CO₂激光发生器的光束，任何惰性气体可被用于来自YAG激光发生器或光纤激光发生器的光束。

类似地，可使用氩气、氮气、氦气或这些气体的混合物，并还含有一种或多种低含量(百分之几)的其它成分如氧气、CO₂或氢气。

附图说明

图1至4示意性示出根据本发明的“同轴”喷嘴的多个实施例。

具体实施方式

从图1至4中可以看出，同轴喷嘴是由至少两个同心的送气管路形成的喷嘴。

图1示出同轴喷嘴的第一种形式。在喷嘴中心，快速气体射流通过直径介于0.2和3mm之间的孔口1朝向孔隙开口输送。

该遮护气体转而在与开口1同心的冠状部2中扩散。所述冠状部2的轮廓可选择成使得能够获得壁面效应，也就是说，使慢速气体流的方向沿壁面曲线，如矢量3所示。

图2示出了一种利用壁面效应来使快速气体流沿激光束的轴线集中的喷嘴形式。在此实施例中，设置有三个气体通路：用于气体的慢速输送和低流量的一个轴向通路4，其主要用于避免任何污染物向后进入激光光学装置中；朝向孔隙开口引导快速气体的第一外围通路5；以及输送慢速遮护气体的第二通路6。

图3示出了其中慢速气体的气体遮护层由于“旋涡”分布(即具有易于在喷嘴出口处水平地驱动气体的旋转分量)而变宽的实施例。

图4示出了一种通过渐缩渐扩喷嘴、即渐缩渐扩孔口来加速快速气体的喷嘴。

使用同轴喷嘴的主要益处在于其定位容易且与支承喷嘴的焊接头可被移置的方向无关。这意味着，例如在使用Nd:YAG激光焊接的情况下，其可被直接设置在机械手的端部，其中激光束在被经由光纤光缆输送到支承喷嘴的激光头之前由Nd:YAG发生器产生。

在所有情况中，通过使用这种同轴喷嘴执行根据本发明的方法，第一气体射流被加速并被限制在毛细管开口方向，这使得毛细管后面的流动可被改变。

因此，毛细管沿焊接方向开口更大，且熔池的流动规则、连续且没有任何表面波动。

在使用Nd:YAG激光振荡器焊接的情况下，焊缝非常光滑且可完全消除Nd:YAG激光焊接的“V形结构”特征。

当然，气体射流的流量必须高于常规流动，但是不会太大，以避免喷出熔化的金属。

实施本发明另外还具有造成焊接的穿透深度显著增加的优点。

因此，其中利用了被引导到和限制在毛细管开口处的气体射流的试验表明穿透(深度)增加了25％。

考虑到毛细管由于根据本发明的气体射流而被加长，所述现象可通过这一事实进行解释：激光束较少地被毛细管后面的前部的波动打断。

此外，由于气体射流造成的较大的毛细管开口，可得到较不密集的等离子体，并因此得到在例如利用CO₂激光振荡器焊接时较少地吸收激光束的等离子体。

毛细管被加长也大大减少了在激光焊接期间在焊缝中产生的多孔结构。

当熔池的流动由于本发明的聚集的气体射流而被稳定下来时，熔化金属的溅斑将减少，且金属滴的喷流将被完全消除。

将快速气体射流限制在毛细管开口处的同轴喷嘴的使用能够有效地控制熔池的流体动力学性质。

因此，熔池的流动可很好地被稳定，并可完全消除金属溅斑，这使得能够获得非常高的焊接缝质量，且具有在低焊接速度下(即小于3m/min)的增加的穿透深度。

因此，该利用快速射流的焊接方法适合应用于中等厚度、即约1至5mm的激光焊接。