以功率调制来激光焊接钢以避免热裂纹制造技术

一种用于以激光射束焊接工件(1)的方法，其中，将对准工件(1)的激光射束(2)相对于工件(1)运动，使得工件(1)沿着焊缝(5)焊接，其中，在激光射束(2)的周围环境中在工件(1)上构成熔池(4)，其中，熔池(4)具有特征振荡频率fco，其中，激光射束(2)的激光功率(P)至少有时以调制频率f和调制振幅Π调制，存在(I)，其中，Pmin：在一调制周期期间的最小激光功率，和Pmax：在一调制周期期间的最大激光功率，和其中，工件(1)由钢、尤其调质钢或表面硬化钢制成，其特征在于，调制频率f选择成，对于熔池(4)的经标准化的特征振荡频率Λco和经标准化的调制频率Λ存在：Λ≥2.2*Λco，优选Λ≥2.7*Λco，存在(II)，v：激光射束(29)相对于工件(1)的进给速度，和df：激光射束(2)的激光射束焦斑(6)的直径，和(III)由以激光射束(2)在不调制激光功率(P)的情况下进行的测试测量确定，其中，fco

Laser welding of steel with power modulation to avoid thermal cracking

A method for welding workpiece (1) by laser beam is presented, in which the laser beam (2) of the target workpiece (1) moves relative to the workpiece (1) so that the workpiece (1) is welded along the weld (5), in which a molten pool (4) is formed on the workpiece (1) in the surrounding environment of the laser beam (2), where the molten pool (4) has a characteristic oscillation frequency fco, in which the weld pool (4) has a characteristic oscillation frequency. The laser power (P) of the laser beam (2) exists (I) at least sometimes with modulation frequency f and modulation amplitude modulation, in which Pmin: the minimum laser power during a modulation period, and P max: the maximum laser power during a modulation period, and in which workpiece (1) is made of steel, especially quenched and tempered steel or surface hardened steel. The feature is that the modulation frequency f is selected as the normalized characteristic oscillation frequency CO and the normalized modulation frequency existence: > 2.2 * co, preferred > 2.7 * co, existence (II), v: laser beam (29) feed speed relative to workpiece (1), and the diameter of laser beam focal spot (6) of df: laser beam (2). And (III) are determined by measurement of a laser beam (2) without modulating the laser power (P), where FCO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以功率调制来激光焊接钢以避免热裂纹
本专利技术涉及一种用于以激光射束焊接工件的方法，其中，将对准到工件上的激光射束相对于工件运动，使得工件沿着焊缝焊接，其中，在激光射束的周围环境中在工件上形成熔池，其中，熔池具有特征振荡频率fco，其中，激光射束的激光功率至少有时以调制频率f和调制幅值Π调制，其中，Pmin：在一调制周期期间的最小激光功率，和Pmax：在一调制周期期间的最大激光功率，和其中，工件由钢、尤其调质钢或表面硬化钢制成。
技术介绍
这种方法由US6,900,410B2已知。激光射束焊接用于焊接工件，所述工件尤其应快速地(以高进给速度)制成或应仅经历小的热翘曲。通过激光射束焊接也还可制成窄和细长的焊缝形状。在激光射束焊接时，在工件上绕激光射束的焦斑由熔化的工件材料形成所谓的熔池。熔池基本上随着相对于工件传播的激光射束游移；在远离激光射束时工件材料又凝固。又凝固的工件材料构成焊缝。在工件材料凝固时可形成所谓的热裂纹。热裂纹可强地负面影响焊缝的强度。因而希望的是这样实施激光焊接过程，使得焊缝中的热裂纹保持尽可能少或甚至避免。US6,900,410B2描述了一种用于激光射束焊接的方法，其中，激光功率脉冲式调制，和其中，调制频率相应于熔池的自然振荡频率。由此应防止焊接缺陷，尤其裂纹。激光焊接在钢板上进行。DE60111790T2(也即US6,483,072B2)描述了一种激光焊接方法，其中，激光功率周期性地脉冲式改变，其中，基本输出功率为峰值输出功率的50％或更多，且功率波动频率为200Hz或更小。作为激光射束的侵入深度提出10毫米或更大。该方法应避免焊接缺陷。DE102009056592A1提出，在激光焊接金属工件时借助功率调制来控制引入到焊池中的能量。在激光功率基本水平上脉冲式地叠加较高的激光功率。作为频率提出50至500Hz。JPH09108872A同样提出在激光焊接时的脉冲式功率调制。电镀的钢板在频率为约50Hz的情况下加工。在M.Schneider写的“VonWerkzeugstahlbiszurSuperlegierung”，Laser-Journal4/2013，24-27页，中提出，在激光射束焊接时使用脉冲式激光且借助形成热脉冲来执行对材料的吸收表现的适配。通过补充脉冲阶段应防止热裂纹。此外可通过调制激光功率影响熔池动态性并从而影响凝固形貌。提出的激光功率调制常常可降低裂纹倾向，但在很多情况中即使在应用经调制的激光功率的情况下在工件的焊缝中仍出现大量的热裂纹。尤其当激光功率如在US6,900,410B2中建议的那样以相应于熔池的自然振荡频率的频率调制时对于钢制工件是这种情况。在A.Heideretal.,JournalofLaserApplications,Vol.27,No.2中已提出一种激光功率调制，以将铜的激光焊接稳定化。应用正弦形调制。此外提出，可观察经标准化的调制幅值Π和经标准化的调制频率Λ。功率调制的应用也可针对铝材料提出，例如P.Strittetal.,，，HeiβrisskriteriumfürdasrandnaheLaserstrahlschweiβenvonAluminium“,BeitragWorkshop-HeiβrissbildungbeimLaserstrahlschweiβen,Stuttgart18.11.2014。应用以40Hz频率进行的正弦形调制。由M.etal.,，，AnalysingHotCrackFormationinLaserWeldingofTemperedSteel“,Tagungsbeitrag，，LasersinManufacturingConference2015“,WissenschaftlicheGesellschaftLasertechnike.V.(WLT)已知，在使用具有高射束品质(射束参数积SPP为2mm*mrad)的激光和高成像比例时可避免热裂纹。在焊透时也没有观察到任何热裂纹。但高品质激光的使用是昂贵的且会带来变化的窄焊缝几何形状；此外，焊透仅针对确定的工件类型考虑。由DE102012021755A1已知，在激光射束焊接时，为了避免热裂纹，由焊缝子段组合成连贯的焊缝，其中，在制造直接邻接在彼此上的焊缝子段时遵循在时间上的中断。该做法是费事的且需要合适的快速扫描光具。
技术实现思路
本专利技术的任务是在以激光射束焊接钢制工件时以简单的方式减少并直至完全避免热裂纹的形成。本专利技术的简短描述该任务通过开头提到的方法解决，该方法的特征在于，调制频率f这样选择，使得对于熔池的经标准化的特征振荡频率Λco和经标准化的调制频率Λ存在：Λ≥2.2*Λco，优选Λ≥2.7*Λco，其中，v：激光射束相对于工件的进给速度，和df：激光射束的激光射束焦斑的直径，和这基于以激光射束在不调制激光功率的情况下进行的测试测量确定，其中，fcotest：在测试测量时所测量的特征振荡频率；df，cotest：在测试测量时激光射束焦斑的直径；vcotest：在测试测量时激光射束相对于工件的进给速度。焊池振荡是熔池的基本上周期性的变大和变小，熔池振荡一般(当没有应对措施时)在激光射束焊接时出现，不考虑可能出现的焊接飞溅物。熔池振荡可例如通过熔池长度的在时间上的变化来感测，熔池长度可热成像地以合适的摄像机识别。在本专利技术的范畴中已发现，调制频率f或者说经标准化的调制频率Λ的选择在以激光射束焊接钢制材料时对于避免热裂纹意义重大。更确切地说，在应用相应于特征振荡频率fco(或者说经标准化的特征振荡频率Λco)的调制频率f(或者说经标准化的调制频率Λ)时，相对于未经调制的激光射束焊接已出现热裂纹的一定程度的减少。但当经标准化的调制频率Λ选择得显著大于熔池的经标准化的特征振荡频率Λco时，还可显著减少热裂纹，并从而极大地改善焊缝品质。当以激光射束在不调制激光功率的情况下但在除此之外相同的条件下焊接工件时，熔池以特征振荡频率fco振荡，不考虑可能存在的焊接飞溅物。特征振荡频率fco尤其取决于工件。对于在激光射束焊接时调制频率f的根据本专利技术的调制重要的仅仅是经标准化的频率的比例。经标准化的特征振荡频率Λco可通过测试测量来事先确定，必要时也通过不同的进给速度和/或激光焦斑的不同直径和此外与之后真正的激光射束焊接时相同的条件确定。在测试测量时，不应用功率调制；但平均激光功率相应于之后真正的激光射束焊接。如果测试测量和真正的(经调制的)激光射束焊接以相同的进给速度和相同的激光射束焦斑直径发生，则fco＝fcotest，和简化地存在f≥2.2*fcotest，优选f≥2.7*fcotest。在本专利技术的范畴中执行的测试测量可例如以“Sandwich”焊接的形式和/或借助热成像测量技术进行。在实际中，调制频率大多处于5至200Hz之间。调制典型地在焊缝的整个激光焊接过程期间应用；但在焊透期间(焊透一般不引起热裂纹)调制可取消。根据本专利技术的方法可容易地实施，尤其以用于激光的常用的功率控制(例如TRUMPF公司的软件TruControl)和以中等射束品质(射束参数积SPP例如为16mm*mrad，或12mm*mrad≤SPP≤20mm*mrad)实施。根据本专利技术的激光射束焊接可通过传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于以激光射束焊接工件(1)的方法，其中，使取向到所述工件(1)上的激光射束(2)相对于所述工件(1)运动，使得将所述工件(1)沿着焊缝(5)焊接，其中，在所述激光射束(2)的周围环境中在所述工件(1)上形成熔池(4)，其中，该熔池(4)具有特征振荡频率fco，其中，将所述激光射束(2)的激光功率(P)至少有时以调制频率f和调制幅值Π调制，其中，

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.18 DE 102016204578.41.一种用于以激光射束焊接工件(1)的方法，其中，使取向到所述工件(1)上的激光射束(2)相对于所述工件(1)运动，使得将所述工件(1)沿着焊缝(5)焊接，其中，在所述激光射束(2)的周围环境中在所述工件(1)上形成熔池(4)，其中，该熔池(4)具有特征振荡频率fco，其中，将所述激光射束(2)的激光功率(P)至少有时以调制频率f和调制幅值Π调制，其中，其中，Pmin：在一调制周期期间的最小激光功率，和Pmax：在一调制周期期间的最大激光功率，和其中，所述工件(1)由钢、尤其调质钢或表面硬化钢制成，其特征在于，所述调制频率f选择成，对于所述熔池(4)的经标准化的特征振荡频率Λco和经标准化的调制频率Λ满足：Λ≥2.2*Λco，优选Λ≥2.7*Λco，其中，其中，v：所述激光射束(29)相对于所述工件(1)的进给速度，和df：所述激光射束(2)的激光射束焦斑(6)的直径，和，其中，这基于以所述激光射束(2)在不调制激光功率(P)的情况下进行的测试测量确定，其中，fcotest：在所述测试测量时所测量的特征振荡频率；df，cotest：在所述测试测量时激光射束焦斑(6)的直径；vcotest：在所述测试测量时所述激光射束(2)相对于所述工件(1)的进给速度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对所述熔池(4)的经标准化的特征振荡频率Λco和经标准化的调制频率Λ还满足：Λ≤8.5*Λco，优选Λ≤7.3*Λco。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对经标准化的调制频率Λ还满足：0.2≤Λ≤1.0。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，针对调制幅值Π满足：Π>0.5，优选Π≥0.75，特别优选Π≥0.8。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，针对调制幅值Π满足：Π≤0.95，优选Π≤0.85，特别优选Π≤0.80。6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述激光射束焊接以焊入深度EST执行，其中，1.0毫米<EST<10.0毫米，优选3.5毫米≤EST≤8.0毫米。7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述激光功率(P)近似正弦形地调制，尤其其中，所述正弦形每调制周期通过至少12个、优选至少18个控制点近似。8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述激光射束(2)以固体激光器产生，例如以Nd-YAG激光器或Yb-YAG-激光器。9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述激光射束(2)的平均激光功率(Pav)在以激光射束焊接所述焊缝(5)的开始区域(91)时随累进的焊接位移提高，尤...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·斯佩克，M·舍费尔，P·谢布尔，T·格拉夫，P·施特里特，
申请(专利权)人：通快激光与系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE