激光焊接方法技术

公开了用于金属合金的激光小孔焊接的方法。该方法独立地调整聚焦中心束中的功率和同心聚焦环形束中的功率。在焊接的终止处，中心束中的功率先斜升然后斜降，而环形束中的功率斜降。增加中心束中的功率可以控制和延长小孔和熔池的收缩，从而防止不希望的开裂。从而防止不希望的开裂。从而防止不希望的开裂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光焊接方法
[0001]优先权
[0002]本申请要求于2019年2月13日提交的美国临时申请序号62/805,244的优先权，其公开内容整体并入本文。


[0003]本专利技术总体上涉及使用激光辐射的聚焦束的焊接。本专利技术特别涉及使用聚焦中心束和聚焦环形束焊接金属合金。

技术介绍

[0004]激光辐射束越来越多地用于对由多种材料制成的工件进行切割、钻孔、焊接、标记和划线；包括金属和金属合金。传统的机械加工会产生不需要的缺陷，例如当加工工件受力时可能会传播的微裂纹，从而降级和削弱加工工件。激光加工最大限度地减少了这种不需要的缺陷，通常更清洁，并产生更小的热影响区。激光加工使用聚焦激光束来产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。
[0005]在激光焊接中，聚焦的激光束精确地定位每个焊点或焊缝，同时最小化附带加热。区分两种主要的激光焊接方式很有用。传导焊接发生在较低的激光功率和较低的功率密度下。吸收的激光功率加热被照射的材料，熔化要连接的每个部分的材料，然后流动、混合，然后固化。小孔焊接在较高的激光功率和较高的功率密度下发生，足以使某些受辐照材料汽化。汽化的材料对周围熔化材料的压力打开了一条通过熔化材料的通道，具有特征性的窄而深的轮廓。成品小孔焊缝通常比传导焊缝更窄、更深、强度更高。然而，在热的、动态的熔化材料池中保持稳定的小孔可能很困难。
[0006]激光焊接一些金属和金属合金时的一个问题是在激光焊缝的末端处形成缺陷，特别是裂纹。一些缺陷是由工件冷却时产生的应力引起的。这些初始缺陷会削弱焊接工件的强度，如果在使用成品焊接工件时施加热应力或机械应力，这些缺陷可能会进一步传播。不可靠的焊缝可能会导致灾难性的故障。减轻末端缺陷的一种已知解决方案是在焊缝末端处迅速斜降激光功率，而不是以数字方式关闭功率。另一种已知的解决方案是在焊缝末端处快速提升聚焦束，从而用强度逐渐降低的光束照射工件上逐渐增大的区域。尽管这些解决方案已对许多材料取得成功，但已证明它们不足以用于现代高强度合金或具有相对较高热导率的金属。这些材料在激光焊缝开始和/或末端处，特别是在激光焊缝末端处，仍然顽固地容易开裂。
[0007]需要简单且可靠的方法来激光焊接在焊缝末端处特别容易开裂的金属和金属合金。优选地，该方法不会损害现代激光焊接的任何优点，例如焊接速度、精度、焊接质量和每焊接成本。
[0008]专利技术概述
[0009]根据本专利技术的用于激光焊接工件的方法包括将激光辐射的聚焦束传送到工件。聚焦束具有聚焦中心束和同心聚焦环形束。在工件上的焦点处，聚焦中心束小于聚焦环形束。
焦点相对于工件从起始位置向停止位置横向移动。中心束具有中心加工功率，环形束具有环形加工功率。当焦点到达停止位置时，环形束在斜降时间内从环形加工功率下降到关闭功率。中心束在第一持续时间内从中心加工功率斜升，然后中心束在第二持续时间内斜降到关闭功率。第一持续时间是在斜降时间期间。
附图说明
[0010]包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。
[0011]图1A是示意性地示出了用于实施本专利技术的激光焊接方法的激光焊接设备的一个优选实施方案的侧视图，部分横截面，该设备包括产生至少两束激光辐射的激光源，以及光纤和聚焦透镜。
[0012]图1B是示意性地示出图1A的光纤的细节的截面图，其具有用于引导中心束的中心纤芯和用于引导环形束的环形纤芯。
[0013]图2A是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了使用仅具有中心纤芯的传统光纤的现有技术焊接方法。
[0014]图2B是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了使用具有中心纤芯和环形纤芯的光纤的现有技术焊接方法。
[0015]图3A和图3B是功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本专利技术的激光焊接方法的一个实施方案。
[0016]图4A和图4B是功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本专利技术的激光焊接方法的另一个实施方案。
[0017]图5A是通过现有技术方法制造的高强度钢合金工件中搭接焊缝的放大平面图，该照片显示了焊缝末端附近的裂纹。
[0018]图5B是工件中搭接焊缝的放大平面图，与图5B相同，使用图3B的本专利技术的方法得到，照片显示焊缝无裂纹。
[0019]专利技术详述
[0020]现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1A和1B示意性地示出了在现有技术的激光加工方法中使用并且在本专利技术的激光焊接方法中使用的设备10。在现有技术和当前方法中，激光源12通过光纤14将至少两束激光辐射传送到聚焦透镜16。光纤14包括用于引导中心激光辐射束的中心纤芯30。中心纤芯30具有低折射率包层32。光纤14还包括用于引导环形激光辐射束的环形纤芯34。环形纤芯34同心地位于低折射率包层32与低折射率包层36之间。激光源12被配置为将中心束传送到中心纤芯30并将环形束传送到环形纤芯34。将这种激光源与这种光纤集成的激光系统是可商购的。例如，来自加利福尼亚州圣克拉拉的Coherent公司的Highlight
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ARM激光器。这种激光器的一个特点是可以独立选择和调整中心束和环形束的光功率。
[0021]聚焦透镜16形成聚焦束18，包括描绘为会聚实线的聚焦中心束和描绘为会聚虚线的同心聚焦环形束。聚焦束向焦点20会聚，其中聚焦中心束的直径比同心聚焦环形束小得多。设备10还可以包括任选的光束扩展器，此处未描绘，位于光纤14与聚焦透镜16之间。聚
焦透镜16此处描绘为光纤耦合透镜组件，其通常布置成允许从光纤出现的光纤在聚焦之前进行内部扩展。
[0022]聚焦束18被引导到工件22上，工件22最初包括要焊接在一起的两个工件。在图中，两个搭接焊接的工件在沿焊缝的横截面中被描绘。工件22由平移台24支撑和移动。焦点20靠近工件22的顶面定位，该顶面可以在该表面之上、上面或之下。对于搭接焊，焦点优选地位于表面上方约1毫米(mm)至表面下方约2mm之间的焦深处。两件工件22可以被涂覆或未涂覆。两件工件22可以直接接触或者可以由小间隙隔开。例如，镀锌钢通常以数百微米的间隙焊接，以允许高压锌蒸气逸出。
[0023]在焊接过程中，平移台24横向移动，如矢量M所示。焊缝被描绘为工件22上的阴影。对于工件22中的焊缝，存在期望的起始位置26和期望的停止位置28。横向移动工件22将焦点20相对于工件22从起始位置26移动到停止位置28。设备10可以被配置为横向移动聚焦透镜16，以相对于工件22移动焦点20。聚焦透镜组件也可以结合检流计驱动型反射镜和平场物镜以相对于工件22移动焦点20。
[0024]图2A是示意性地示出了使用常规光纤的现有技术激光焊接方法的激光辐射束中的功率与时间的关系图。传统光纤只有一根光束被引导通过一个中心纤芯。没有环形纤芯。焦点最初位于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.激光焊接工件的方法，包括以下步骤：将激光辐射的聚焦束传送至所述工件，该聚焦束具有聚焦中心束和同心聚焦环形束，在所述工件焦点处，所述聚焦中心束小于所述聚焦环形束；使所述焦点相对于所述工件从起始位置向停止位置横向移动，所述中心束具有中心加工功率，而所述环形束具有环形加工功率；当所述焦点到达所述停止位置时，在斜降时间内将所述环形束的功率从所述环形加工功率斜降到关闭功率；以及在第一持续时间内将中心束的功率从所述中心加工功率斜升，然后在第二持续时间内将所述中心束的功率斜降到关闭功率，所述第一持续时间在所述斜降时间期间。2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述激光辐射束通过光纤从激光源传送到聚焦透镜，所述聚焦透镜形成所述聚焦束。3.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其中于，所述光纤包括用于引导所述中心束的中心纤芯和用于引导所述环形束的环形纤芯。4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述工件包括两个待搭焊的工件。5.根据权利要求4所述的用于激光焊接的方法，其中，所述焦点位于相对于所述工件的表面的焦深处，所述焦深在所述表面上方1毫米到所述表面下方2毫米之间的范围内。6.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其中，所述两个工件由小间隙隔开。7.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述中心加工功率与所述环形加工功率之比小于1:1.6。8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其中，所述中心加工功率与所述环形加工功率之比小于1:5。9.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其中，所述中心加工功率与所述环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：相干公司，
类型：发明
国别省市：