利用用于使用氩覆盖气体的钛焊接的光纤激光器的系统和方法

摘要

本发明是用于减少由光纤激光器产生的等离子体焊接所导致的污染的方法和系统。本发明在用于将高密度光束应用于焊接材料的最佳配置中确定光纤激光器，该最佳配置消除了光谱干扰。在焊接区域周围的横流或受控环境中使用惰性屏蔽气体——优选为氩——的一个操作条件中，所述光束以1064nm+/-0.5nm的窄带宽进行应用，以防止在所述焊接区域中形成的等离子体的污染。所述方法通过确定并避免所述光纤激光器和所述一种或多种覆盖气体的发射光谱以及所述焊接材料的任何特定的激发光谱来优化。所述系统可利用单个激光器输入，或可利用由耦合装置连接的多个激光器，并利用切换器来选择一个或多个光纤激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及使用光纤激光器并使用惰性覆盖气体焊接钛或钛合金的 方法和系统。具体地，本发明涉及通过缩小作用于钛或钛合金工件的光纤 激光器的带宽来减小焊接中的污染，从而减小或消除激光光束与覆盖气体 之间的光学交互作用。

背景技术

在光纤激光器技术中的最近的技术发展扩展了激光焊接的性能。此 外，这些发展在很多方面改变了激光焊接的成本动态。现在，可使用具有 高达20ms的脉冲持续时间和高达6kW的峰值功率水平的新型紧凑和气冷 式脉冲模式光纤激光器。遗憾的是，对涉及钛或钛合金以及惰性覆盖气体 的具体应用使用这些标准宽带光纤激光器导致非预期的后果和将进行讨 论的焊接质量的降低。

通常，激光光束焊接的主要优点是对部件的较低热输入，其最小化焊 接应力并减小变形。这点通过高能量密度的光束来实现，该光束产生高焊 接速度和小熔化区。可在无填充物金属的情况下并使用有效的屏蔽气体来 焊接钛材料以避免污染。此外，激光焊接具有帮助减小制造成本的高生产 率和易于自动化的优点。所有这些益处增加了激光焊接在诸如医疗设备制 造的领域中的使用。

钛是优良的耐腐蚀和生物相容的材料，其广泛地用在与精度或美学有 关的应用例如医疗器械行业中的应用中。然而，钛可容易与低密度元素例 如氧和氮起反应，这要求焊接区域用惰性气体彻底屏蔽以在焊接过程期间 避免来自空气、湿气和/或其它形成烟尘的含烃物质的污染。

激光器提供广泛范围的焊接性能，例如点、传导、穿透和混合焊接。 激光焊接实质上应用在每个行业，因为它提供很多益处，例如高焊接速度、 短焊接周期、低的热输入、低的热影响区和最小的变形。

光纤激光器是一种激光器，其中活性增益介质是一般掺杂有稀土元素 例如铒或镱(等等)的光纤。

光纤激光器优于其它类型的激光器的优点包括一般高于壁式插座的 30％的非常高的效率。此外，应注意，与可比较功率的棒或气体型激光器 相比，光纤激光器是紧凑的。光纤的波导性质消除了光路的热变形，从而 产生衍射限制的高质量光束。光纤激光器还展示高的振动稳定性，且在操 作期间不需要维护。

与高CW电源耦合的光纤激光器的良好的光束质量提供深穿透焊接， 以及浅传导模式焊接，但可产生烟尘产生的困难。对于低热输入应用，调 制这些CW激光器提供高峰值和低平均功率的脉冲激光器性能。在高达 10kW的高功率激光器上的高的调制频率在脉冲应用中提供非常高的吞吐 量。光纤传递提供集成到常规焊接机头、电流计头、自动机器和远程焊接 系统中的灵活性。不论使用什么样的光束传递，光纤激光器都提供独一无 二的性能。

一般点焊接应用包括基于电流计的光束传递，其传递产品例如剃刀刀 片和HDD弯曲部的高速焊接，HDD弯曲部利用光纤激光器的脉冲性能。 光纤激光器能以非常长的焦距聚焦到小斑点，因此使用光纤激光器极大地 增强了远程激光焊接性能。在1-2米数量级的远距离的益处将工作区域比 常规自动系统增加了几倍。配备有光纤激光器的这样的远程焊接站包括焊 接门板、遍及汽车底架的多个点焊接和搭焊接。

光纤激光器的激光光束质量(聚焦到最小的斑点直径的能力)胜过其 它固体高功率激光器(例如Nd:YAG)。此外，由于较佳的光束质量，对 于一些应用，聚焦光学器件到工件的远距离可扩展以获得二到四英尺的净 空。这些是在将焊接应用转到光纤激光器的一些优点。

参考图1A和1B，尚未理解的是使用与标准光纤激光器和Nd:YAG激 光器相同的激光器参数进行焊接的钛的样本在焊接光纤激光器后整理中 产生相当高的烟尘含量的原因。参考图1A，使用光纤激光器焊接的样本 导致更强烈的等离子体形成和劣等焊接质量，该劣等焊接质量具有嵌入焊 接和焊缝的边缘的较高水平的烟尘，可在视觉上和通过化学分析进行确 认。在光纤激光器焊接中的这个不适宜的烟尘水平对于医疗器械行业是不 能接受的，且以前未得以理解。参考图1B，使用Nd:YAG固体激光器焊 接的样本只在焊接的边缘上产生最小量的烟尘。

因此，需要一种改进的系统和方法，其利用光纤激光器来在存在惰性 气体时影响钛或钛合金焊接，以减少较高的等离子体强度和等离子体的所 产生的污染物含量的影响。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种改进的系统和方法，其利用光纤激光器 来在存在惰性气体时影响钛或钛合金焊接，以减少在焊接过程期间形成的 等离子体的所产生的污染物含量。

本发明的另一方面是提供一种光纤激光器，其具有选定的波长的窄发 射带宽，以减小激光光束与覆盖气体和焊接等离子体的相互作用。

本发明涉及用于减少光纤激光器产生的焊接的等离子体中的污染的 系统和方法。本发明在用于将小熔化区中的高密度光束应用于焊接材料的 最佳配置中，此外优选地以具有正方形临时形状的平顶(top-hat)光束分 布来确定光纤激光器。来自光纤激光器的光束以窄带宽(作为例子， +/-0.5nm)的选定波长(作为例子，1064nm)进行应用。在焊接区域周围 的横流式或手套式操作箱配置中利用惰性屏蔽气体来防止污染。惰性屏蔽 气体可以是公认有价格限制的技术上纯的氩、氦、氖或氪，或可以是混合 物。该方法通过维持高密度光束的数值孔径、一组光束发散特性并计算最 佳焦斑尺寸同时维持窄带宽进行优化。该系统可利用单个激光输入，或可 利用通过耦合装置连接的多个激光器，并利用切换器来选择一个或多个光 纤激光器。

该方法包括多个步骤，其以在用于将小熔化区中的高密度激光光束应 用于金属焊接材料的最佳配置中确定光纤激光器开始，金属焊接材料没有 填充物金属例如钛、钛合金和任选地镍或铜。激光光束以窄带宽应用于焊 接材料以在焊接区域中形成焊接。本实施方案的最佳窄带宽是在 1064nm+/-0.5nm处，且特别避免氩在1050.65和1067.36nm处、氦在1066.76 和1082.91nm处的谱线。在焊接区域周围的横流式或手套式操作箱配置中 利用惰性屏蔽气体例如氩、氦、氪和氖，以防止污染。氪以及氦由于其高 商业成本而受冷遇，氦在一些应用中作为混合物少量地使用来实现焊接后 泄漏检查。这两种气体都具有较高的传导特性。

本系统和方法还任选地涉及特定的窄带宽光纤激光器的创建以在焊 接期间最小化与覆盖气体的谱线的交互作用并最小化与金属焊接离子的 光谱的交互作用。可能需要避免多于一个的谱线。在气体混合物用作覆盖 气体或使用金属合金的情况下，必须避免几个谱线。与窄带宽光纤激光器 的光谱交互作用必须避免。

该方法还包括如下步骤：确定并维持高密度光束的适当的数值孔径； 确定并维持一组光束发散特性；以及计算最佳焦斑尺寸。

通过从列表选择一个或多个特征来确定应用小熔化区中的高密度激 光光束的最佳配置，该列表包括：光束传递、数值孔径、焦斑尺寸、空间 分布、时间分布、脉冲持续时间、脉冲重复率、焊接斑点重叠、焊接工装 和焊接产生的速度。如果正确地应用，优化的配置产生无烟、明亮、光泽 和无氧化物的表面涂层。

用于激光光束焊接的本发明的系统包括置于最佳配置中的气冷式脉 冲模式光纤激光器，该最佳配置用于将在1064nm+/-0.5nm的窄带宽中的 高密度激光光束应用于以氩作为覆盖气体的焊接区域。焊接区域还包括： 待焊接的工件；所述焊接将应用的小熔化区；以及用于在位于工件上的小 熔化区中形成焊接的焊接材料。焊接材料包括：钛：钛合金；或任选地， 没有填充物金属并应用在最佳的材料厚度的其它有色金属，该材料厚度对 所使用的斑点尺寸是最佳的，以便避免在焊接后整理中的任何影响。使用 具有300微米的厚度的钛材料进行实验，同时使用600微米的斑点尺寸。 任选地，惰性屏蔽气体例如工业质量氩或氦应用于在横流中的焊接区域， 以防止焊接的污染。

该系统可利用单个激光输入，或可利用通过耦合装置连接的多个激光 器，并利用切换器来选择一个或多个光纤激光器。

从结合附图的下面的描述中，本发明的上述和其它方面、特征和优点 将变得明显，其中相似的参考标记表示相同的元件。

附图说明

图1A是使用Ar覆盖气体和常规宽发射带宽光纤激光器 (1070nm+/-10nm)的钛焊接；

图1B是使用Ar覆盖气体和Nd:YAG固体激光器的钛焊接；

图2是光纤激光器和Nd:YAG激光器相对于氩谱线的示例性发射光 谱；

图3是光纤激光器焊接系统的部件的结构图；

图4是光纤激光器焊接系统的部件的结构图，其中多个激光器由具有 切换特征的耦合机构连接；

图5是本发明的方法流程的流程图；以及

图6是对使用氩覆盖气体的钛的示例性焊接比较。

具体实施方式

现在将详细地参考在附图中示出的本发明的几个实施方案。在任何可 能的情况下，在附图和描述中使用相同或相似的参考标记来表示相同或相 似的部件或步骤。附图是简化的形式。

如早些时候提到的，在简单的替换期间，当在氩(Ar)覆盖气体中焊 接并使用所有其它类似的因素以1070nm常规光纤激光器替换1064nm固 体Nd:YAG激光器时，存在惊人地高的烟尘产生。这是不可接受的，且在 本发明的进展期间，发明人确定光纤激光器-物质交互作用从根本上不同于 Nd:YAG激光器-物质交互作用，因为当与使用Nd:YAG激光器产生的较 小的较不强烈的白/黄光谱信号比较时，使用光纤激光器的因而产生的等离 子体指示大得多和亮得多的白/黄光谱信号。

转到图2，这个交互作用的确定通过相对于光纤激光器和Nd:YAG激 光器的波长绘制氩的光谱(吸收/发射线)来支持。这表明，氩线与1070 的光纤激光器光谱重叠，且没有在Nd:YAG光谱内的线。为了避免这种状 况，确定了新型光纤激光器来将中心波长精确地从1070nm移动到 1064nm，以远离在1067.36nm处的氩线。因此，确定所提出的光纤激光器 能够在使用氩作为覆盖气体焊接时匹配等离子体行为和使用Nd:YAG激 光器获得的最小烟尘产生水平。因此，在光纤激光器焊接期间，钛焊接与 光纤激光器发射光谱和离子化钛粒子与等离子体区中的氩之间的组合有 关联。此外，可进一步通过使用在屏蔽中的可选的气体或混合气体、具有 较低的脉冲峰值功率水平的较长脉冲、在峰值功率水平上减小以限制焊接 等离子体的强度的较小斑点尺寸来最小化光纤激光器-钛焊接交互作用。

转到图3，所提出的系统示为光纤激光器焊接系统10的部件的结构 图。光纤激光器20将高密度光束22导至1064nm+/-0.5nm的窄带宽中。 对于光纤激光器的输出，可测量M²＝38的示例性平顶光束分布传播。使用 具有1.25毫秒的脉冲持续时间的正方形临时形状来进行焊接，但可使用焊 接行业可能需要的任何范围的其它持续时间。

将光束22导至具有小熔化区26的焊接区域30中，这允许焊接材料 28例如钛在工件24上形成焊接。当在使用中移动工件或激光器或两者时， 焊接可移动。

惰性氩屏蔽气体应用于横流区域32中(或所有部件可置于受控环境 的手套式操作箱中)，该气体在焊接区域30中用作覆盖气体以防止焊接 的污染。优选地使用具有纯度99.996％的商业级氩。优化气体屏蔽流、方 位和角度以获得明亮、光泽和无氧化物的表面涂层。

转到图4，所提出的系统示为类似于图3的系统的光纤激光器焊接系 统50的部件的结构图，但经由耦合器64和耦合路径62a、62b和62c使 用多个脉冲光纤激光器60a、60b和60c之一，以引导在1064nm+/-0.5nm 的窄带宽中的高密度光束68。将光束68导至具有小熔化区72的焊接区域 76中，这允许焊接材料74例如钛在工件70上形成焊接。

惰性氩屏蔽气体——优选为氩——应用于横流区域78中(或所有部 件可置于受控环境的手套式操作箱中)，该气体在焊接区域76中用作覆 盖气体以防止焊接的污染。

接着转到图5，示出了本发明的方法流程的流程图。该流程在步骤10 以选择气冷式脉冲模式光纤激光器开始。激光器在步骤102通过调节下列 项“配置”任务：光束传递、数值孔径、焦斑尺寸、空间分布、时间分布、 脉冲持续时间、脉冲重复率、焊接斑点重叠、焊接工装和焊接过程的速度。 注意，“配置”步骤102可与步骤104、106和108共同进行调节，如将理 解的，以便优化系统和方法的性能。在该步骤作出的设置可在使用期间按 需要在随后的步骤进行再次调节。

从步骤102中，流程前进到步骤104，步骤104中，焊接材料例如钛 放置在工件上的位置。步骤104可在步骤100和102之前执行；该步骤的 重要性在于它在激光光束产生之前执行。

如图5所示，方法流程从步骤104前进到步骤106，在步骤106中， 基于在工件的小熔化区内的焊接材料的位置来确定光束的数值孔径。流程 接着从步骤106前进到步骤108，在步骤108中，确定一组“光束发散”特 性以避免光纤激光器的光束的波长输出与覆盖气体或气体的组合和任选 地结合步骤102焊接的有色合金之间的交互作用，如箭头所示的，以达到 最大优化。所测试的实施方案包括钛，但本系统和方法可使用其它金属。 流程接着前进到步骤110，在步骤110中，确定最佳斑点尺寸并输入到光 纤激光器。

流程从步骤110前进到步骤112，在步骤112中，由于选定的氩覆盖 气体，光纤激光器产生在这里表示为1064nm+/-0.5nm的窄带宽内的光束， 这使得焊接的等离子体形成而没有污染物，据发现，污染物在最佳范围之 外形成。将激光光束接着在步骤114导至小熔化区中，其中焊接材料位于 工件上。因为光束对焊接材料起作用，系统在步骤116询问是否将惰性气 体应用于熔化区周围的横流中。如果对该询问的回答是“是”，则对系统指 定惰性气体以避免光谱干扰，惰性气体例如将氩在步骤118应用于横越工 作区的横流中(或所有部件可置于受控环境中，例如手套式操作箱(见下 面的步骤120))。然而，如果对在步骤116的询问的回答是“否”，则流 程前进到步骤120，在步骤120中，所有部件置于受控的惰性气体环境内 部。

流程从步骤118和步骤120前进到步骤122，在步骤122中，焊接在 工件上形成。在焊接形成之后，该方法询问是否执行另一焊接。如果对该 询问的回答是“是”，则流程返回到步骤104，在步骤104中，焊接材料置 于用于下一焊接形成的位置。然而，如果在步骤124对该询问的回答是 “否”，则流程前进到步骤126，在步骤126中，该过程结束。

接着转到图6，焊接结果的示例性视图确认，较强的等离子体行为和 使用1070nm光纤激光器的较高的烟尘产生的根本原因是由于激光器波长 输出和在1067.35nm处的氩吸收/发射线之间的交互作用。因此，使用该发 现以及所提出的系统和方法，改进的行为导致类似于Nd:YAG激光器的最 小烟尘产生。优良的焊接为1064nm窄带宽光纤激光器。这避免激光光束、 覆盖气体与焊接材料(钛)之间的额外的交互作用。遵循该方法，步骤将 对其它覆盖气体和焊接材料具有相同的益处。

参考附图描述了本发明的至少一个优选实施方案之后，应理解，本发 明不限于那些精确的实施方案，以及在不偏离如所附权利要求限定的本发 明的范围或精神的情况下，本领域技术人员可对其做出的各种变化、修改 和改进。