CN101909807A - 使用能稳定孔隙的喷嘴的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用激光束焊接的方法，所述方法使用焊接喷嘴，该喷嘴包括：喷嘴体部(1)，该喷嘴体部具有轴线并包括至少一上表面(6)、一下表面(7)和一外周壁(5)；轴向通道，该轴向通道在喷嘴体部(1)的上表面(6)和下表面(7)之间延伸，以限定从所述外周壁(5)的表面凹陷的外部通道(2)；以及多个在上表面和下表面(6，7)之间钻穿喷嘴体部(1)的内部通路(3)。本发明的激光焊接方法提供了与金属熔池力学上相互作用的动态气体喷流，并且还能够更好地控制熔池的流体动力学流动，并因而能够获得更高的激光焊接效率。

Description

使用能稳定孔隙的喷嘴的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，该方法使用设计、适配和形成为用于激光束焊接的喷嘴，该喷嘴简称为“激光喷嘴”，该喷嘴具有特殊形式，当在激光束焊接方法中使用所述喷嘴时，所述特殊形式使得能够更好地控制液态金属熔池的流体动力学特性，一方面激光束通过该喷嘴，另一方面气体通过该喷嘴。
背景技术
激光束焊接是一种公知的方法，其在工业上广泛应用于装配各种材料，例如碳素钢、不锈钢、铝和轻合金等。
简而言之，为了实施激光焊接方法，使用激光源或者激光发生器产生激光束，该激光束通过光纤或者诸如镜子、透镜之类的其它光学装置传送至一个或多个待焊接的零件。光束的能量使得可以熔化待焊接的零件，并且从而在冷却后在待焊接的零件之间获得焊道。
为了防止焊道被大气杂质污染，通常使用保护气体保护焊接区域。所选择的保护气体的类型具体取决于构成待焊接零件的材料的性质，但是通常使用诸如氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氧气和氢气(在某种程度上)之类的气体以及它们的混合物。
为了输送保护气体和激光束，通常使用一般称为“激光喷嘴”的喷嘴。
用于激光焊接机上的激光喷嘴通常具有圆柱形的、锥形的或者变尖的形状，并且在激光喷嘴的中心钻有中心通道，激光束经由该中心通道通过，并且保护气体被引入该中心通道以使该保护气体在焊接区域上方与激光束同轴地分布。
这种类型的喷嘴能够使保护气体分布在激光束和待焊接的材料之间相互作用的区域附近，并且使该区域惰性化。惰性化此区域使激光束和材料之间有效地耦合，同时保护金属熔池免受大气的污染。
然而，气体流动通常是层流的和缓慢的。事实上，通过这种类型的喷嘴分布的气体喷流没有对金属熔池施加动态力，也没有影响金属熔池在焊接期间形成的流体动力学流动。
在标准的使用条件下，这些类型的低速流动产生符合要求的焊接结果。但是，使用这些流动类型存在很多不能使用激光焊接的焊接结构，例如，焊接由多个带锌涂层或者类似物并在其之间具有零间隙的金属板形成的叠层。
发明内容
本发明的目的是，提供一种使用特殊的焊接喷嘴的改进的焊接方法，也就是说，所述焊接喷嘴能够并设计成产生动态气体喷流，在实际的激光焊接期间，所述动态气体喷流与金属熔池力学上相互作用，并且所述焊接喷嘴还使所述熔池的流体动力学流动得到更好地控制，由此提高了激光束焊接方法的效率。
本发明的另一个目的是，提供一种激光焊接方法，根据不同的情况，该激光焊接方法使得可以获得比传统的方法更好的渗透和/或更好的焊接质量，特别是更好的冶金质量，并且/或者可以更好地排放在焊接期间散发的金属蒸汽，特别是在带涂层的金属板的焊接期间散发的锌蒸汽，并且/或者能够焊接诸如金属板叠层之类的被认为是难以焊接的结构，或者甚至提高焊接某些组件时的焊接速度。
本发明的解决方案是一种采用激光束焊接喷嘴的激光束焊接方法，该喷嘴由具有轴线(X-X)的喷嘴体部形成，所述喷嘴体部包括至少一上表面、一下表面和一外周壁，其特征在于，采用的喷嘴包括：
-在喷嘴体部的上表面和下表面之间延伸的轴向开口，该轴向开口设置在喷嘴体部的外周壁内，从而相对于所述外周壁的表面形成凹进的外部通道，和
-多个在所述上表面和下表面之间钻穿喷嘴体部的内部通路。
事实上，使用这样的激光焊接喷嘴使得可以产生动态气体喷流，该动态气体喷流能够与焊接毛细管和金属熔池力学上相互作用，从而向后推支承熔池的毛细管的后壁，以加宽毛细管的开口并改进所述熔池的流体动力学流动。事实上，经由激光喷嘴输送的气体喷流使毛细管的开口在至少为光束直径的一倍的深度上打开至少两倍的激光束直径。
根据不同的情况，本发明的方法可包括下面的一个或多个特征：
-喷嘴体部具有半截头锥体的总体形状，并且所述喷嘴体部的外周壁包括一平直的外周表面，形成外部通道的轴向开口设置在该外周表面内；
-喷嘴具有2到10个内部通路，优选3到5个内部通路；
-喷嘴的轴向通道形成为允许激光束通过；
-与轴向通道等距地钻有喷嘴的内部通路；
-内部通路的直径在0.5mm和5mm之间，优选在1.5mm和2.5mm之间；
-喷嘴的内部通路朝向喷嘴的轴线(X-X)；
-喷嘴的内部通路相对于水平面的斜度在10°和80°之间，优选在30°和60°之间，更优选在40°和50°之间；
-喷嘴的内部通路的长度在5mm和200mm之间，优选在20mm和100mm之间，更优选在30mm和50mm之间，内部通路的长度为在喷嘴体部的上表面和下表面之间被各内部通路贯穿的距离。
-喷嘴体部的上表面具有固定装置，该固定装置用于将喷嘴固定到支承件上，特别是固定到激光机上；
-喷嘴固定到激光束焊接机上；
-使激光束通过喷嘴的轴向通道，并且使气体或气体混合物通过喷嘴的内部通路；
-使用选自氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氧气、纯净的空气以及这些气体的混合物的气体；
-焊接由多个金属板形成的叠层；
-焊接多个带涂层的金属板；
-焊接多个带锌涂层的金属板；
-激光束由二氧化碳激光、Nd:YAG激光、二极管激光或者掺镱或光纤激光类型的激光束发生器产生。
具体实施方式
根据参照附图作为示例给出的如下说明能够更好地理解本发明，本发明涉及一种激光喷嘴，该喷嘴的体部1为“半轴向的”设计，该体部1具有用于激光束的轴向通道2和多个与所述轴向通道2等距的气体喷射通路3。经由所述气体通路3分配的各种气体喷流的碰撞点朝向距与激光束相互作用的区域非常近的地方。
换言之，在本发明的方法中使用的激光喷嘴由具有轴线X-X的喷嘴体部1形成，该体部1具有上表面6、下表面7和基本上为锥形形式的外周壁5，该外周壁在所述上表面6和下表面7之间延伸。
如图1a和1b所示，轴向开口2在喷嘴体部1的上表面6和下表面7之间延伸。此开口设置在喷嘴体部1的外周壁5内，并有利地位于该外周壁5的形成径向壁4的平直部分内。此开口2在其全部长度上形成朝向外部的开放通道，也就是说，该开口设置成相对于喷嘴体部1的外周壁5的平直的径向表面4凹陷，并且该开口的内部在其整个长度上与周围的大气相通。
开口2的尺寸设计和适配成能使其在从上表面6到下表面7的延伸方向上被激光束贯穿。
多个用于传输气体的内部通路3在上表面6和下表面7之间钻穿喷嘴体部1。
内部通路3可朝向喷嘴的X-X轴线。
通过这些通路3输送气体喷流，使得可以通过在金属熔池和蒸汽毛细管(capillaire de vapeur)或者孔隙(keyhole)上施加动态压力来控制激光焊接过程。
图1示出了在根据本发明的方法中所使用的喷嘴的一个实施例。此喷嘴是“半轴向的”，也就是说，该喷嘴仅在半个圆周上具有基本为锥形的形式，并且该喷嘴具有布置在其直径区域内的平直壁4，也称为径向壁4。
优选地，沿着围绕轴向通道2的半环对称地设置气体喷射通路3。孔的直径在0.5mm和5mm之间，优选1.5mm至2.5mm。喷射通路3的数量在1和10之间，优选在3和5之间。
喷射通路3相对于与喷嘴的X-X轴线垂直的水平面的斜度在10°和80°之间，优选在40°和50°之间。喷射通路3的长度在5mm和200mm之间，优选30mm至50mm。
喷嘴体部1的上表面6具有固定装置8，该固定装置用于将喷嘴固定到支承件上，尤其固定到激光器上。固定装置8可以例如是位于喷嘴体部1的上表面6的上方的带螺纹的部分或者环，所述带螺纹的部分或者环能够连接——例如螺纹连接——至光学路径或类似物的端部，所述光学路径或类似物将激光束从激光发生器传输至喷嘴。
如图2所示，“半轴向的”喷嘴B紧靠着激光束A设置，同时设置在待焊接的金属板C上方距该金属板高度为D处，该高度D为1mm到40mm，优选5mm到10mm。
喷嘴B可通过两种方式相对于激光束A定中心，即：
-使用预钻孔板，该板具有直径小于1mm的孔，使激光束(一般为He/Ne类型的)位于其中的所述孔设置成精确对准激光束源(图1a)。
-使用滑入气体喷射通路内的硬尖(一般由钨制成)。激光束从而设置在硬尖的端部。
一般地，在线性焊接工艺中，气体通路3关于激光束A的移动轴线对称地分布。
然而，如果当激光束焊接工艺需要在方向上稍微变化(非线性焊接轨迹)时，则不必要重新定位喷嘴B使其垂直于所述轨迹。尽管移动不对称，半轴向的喷嘴B的很多喷射通路3使得焊接过程稳定。这在图3中示意性地示出，图3是从多个喷嘴B的上方观察的视图，其中，图3a示出具有5个喷射通路3的喷嘴，图3b示出具有3个喷射通路的喷嘴，图3c示出具有2个喷射通路的喷嘴。矢量V1对应于激光束A的速度，矢量V2表示喷嘴B的速度。喷嘴B允许焊接轨迹的方向——即矢量V1和V2之间的角度值——在大约±1°到±40°范围内变化，优选在±5°到±20°范围内变化。
从通路3流出的气体喷流可指向毛细管的前面，同时喷嘴B设置在熔池的表面上方(图3a和图3b)，喷流还可朝向毛细管的后壁，直接在金属熔池上(图3c)。
通常用于激光焊接的所有气体都可与此喷嘴B一起使用，例如，氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氧气、纯净的空气以及这些气体的所有可能的混合物。
喷入各孔内的气体流量可相互独立地在1l/min和50l/min之间变化，优选在10l/min到25l/min范围内变化。
气体喷射轴线通常以喷嘴B的喷射通路3的轴线为特征。优选地，使喷射轴线与入射的激光束A的轴线相交于待焊接的金属板的表面处。一般地，这种结构运转良好，但可根据具体应用以及所期望的在毛细管或金属熔池上的动力学作用改变此结构。
从而，可以使一部分来自喷嘴的气体喷流在金属板的表面处相遇，而使其它喷流在金属板的表面下方、焊接毛细管内的较低高度处相遇。此外，此技术可以改进焊道的渗透并改进焊道的质量(参照图4)，同时容许金属蒸汽更好地排出。
根据期望的结果选择气体通路3的方向。
例如，通过谨慎地选择气体通路的方向，可以在移动方向上沿纵向向后推金属熔池使其远离毛细管的前面，从而延长该毛细管的开口。这容许在毛细管外面的在激光焊接过程中产生的金属蒸汽更好地排出。这改善了焊接的冶金质量并略微提高了焊接速度(增加约10％)。从而，使用这种类型的喷嘴可实现新的激光焊接结构，例如金属板之间零间隙堆叠放置的带涂层(锌或者其它)的金属板的激光焊接。实际上，毛细管的开口延长容许更好地排放起初位于堆叠的金属板的交界面处的锌蒸汽(见图5)。
还可以直接地施加相对较大的动态力。这产生了对流热交换和焊接处的等温线的改变。这容许焊道加宽，并伴随有渗透的略微减小。
喷流之一还可直接撞击毛细管的前面、金属板的表面下方几毫米处，通常为1mm到3mm，这取决于金属板的厚度，同时其它气体喷流朝向垂直方向并参与毛细管和焊道的渗透(参照图6)。
可通过加工具有不同方向的通道的多个喷嘴并通过对这些激光焊接喷嘴进行测试，来凭借经验选择通路3的方向。
各内部通路3的直径可在各通路的整个长度上相同，或者可以变化。例如，位于上表面6上的各通路3的入口孔的直径可大于位于喷嘴的下表面7上的出口直径。
类似地，通路3或者它们的入口孔或出口孔可以彼此相同，或者可以不同，也就是说，例如通路3的直径可以大于其它的通路3的直径。
喷嘴体部优选为坚硬的，并由金属或者金属合金形成，优选铜合金或者黄铜合金。
作为非限制性示例，例如在喷嘴的平直的径向表面4上测量，喷嘴可具有2cm到30cm的高度，并且最大直径为1cm到15cm。
在本发明的方法中使用的喷嘴可用于焊接各种结构，特别是金属板叠层和各种材料叠层，尤其是带锌涂层的金属板叠层。因此特别适合用于机动车制造领域。
本发明的方法可通过将所述激光焊接喷嘴安装在自动焊接机上实施。

Claims (11)

1.一种采用用于激光束(A)焊接的喷嘴(B)的激光焊接方法，所述喷嘴(B)由具有轴线(X-X)的喷嘴体部(1)形成，该喷嘴体部(1)包括至少一上表面(6)、一下表面(7)和一外周壁(5)，其特征在于，所采用的喷嘴包括：
-在所述喷嘴体部(1)的所述上表面(6)和所述下表面(7)之间延伸的轴向开口(2)，该轴向开口(2)设置在所述喷嘴体部(1)的所述外周壁(5)内，从而形成相对于所述外周壁(5)的表面凹陷的外部通道，和
-多个在所述上表面和下表面(6，7)之间钻穿所述喷嘴体部(1)的内部通路(3)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴体部具有半截头锥体的总体形状，并且所述喷嘴体部的所述外周壁(5)具有一平直的外周表面(4)，形成外部通道的所述轴向开口(2)设置在该外周表面内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(B)具有2到10个内部通路(3)，优选3到5个内部通路(3)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的轴向通道(2)形成为允许激光束(A)通过。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，与轴向通道(2)等距地钻有所述喷嘴的所述内部通路(3)，并且/或者所述内部通路(3)的直径在0.5mm和5mm之间，优选在1.5mm和2.5mm之间。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的所述内部通路(3)朝向所述喷嘴的轴线(X-X)的方向。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(B)的所述内部通路(3)相对于水平面的斜度在10°和80°之间，更优选在30°和60°之间。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(B)的所述内部通路(3)的长度在5mm和200mm之间，优选在20mm和100mm之间。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，使激光束通过所述喷嘴的所述轴向通道(2)，并且使气体或气体混合物通过所述喷嘴的所述内部通路(3)。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，使用选自氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氧气、纯净的空气以及这些气体的混合物的气体。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，焊接由多个金属板、特别是带锌涂层的板形成的叠层。
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