CN102164704B - 利用动力学射流喷嘴的co2激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于金属部件的激光焊接方法，包括：产生CO2激光束，在所述部件之间的接合面的方向上分配由所述气体或气体混合物制成的保护气体射流，利用激光束熔化和蒸发金属部件的金属以便产生金属蒸汽毛细管，同时产生金属等离子体，所述金属等离子体在金属蒸汽毛细管外部扩散并从而在所述接合面上方形成金属等离子体卷流。保护气体射流还指向在接合面上方形成的金属等离子体卷流。气体射流优选地被定向成使得其与金属等离子体卷流的顶部平齐并且在所述部件的金属没有被激光束熔化的位置上撞击所述部件。

Description

利用动力学射流喷嘴的CO2激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法，该方法利用CO2激光发生器来产生焊接激光束和利用不含氦或仅含有低比例的氦的保护气体。 
背景技术
激光束焊接是高效率的接合方法，因为相比于其他更传统的方法，比如等离子焊接、MIG(金属惰性气体)焊接或TIG(钨惰性气体)焊接，激光束焊接用于在高速下获得非常高的穿透深度。 
这是由于在使用一个或多个镜面或透镜将激光束聚焦在要被焊接的部件的接合面上时所利用的高的功率密度，例如功率密度达到高于106W/cm2。 
这些高功率密度在要被焊接的部件的表面上造成了强烈的金属蒸发，其通过向外扩展造成了金属熔池的逐渐变空并且在这些部件的厚度上(即在接合面上)导致被称作“孔眼”的窄且深的蒸汽毛细管的形成。所述毛细管能使激光束能量直接沉积深入在这些部件的厚度中，这与其中能量沉积发生在表面上的更传统的电弧焊接方法相反。 
蒸汽毛细管是由金属蒸汽和金属蒸汽等离子体的混合物构成的，其具有吸收激光束的特性，并因此将能量限制在毛细管本身中。 
毛细管外部的金属等离子体的扩散产生了热的辐射的金属等离子体卷流。 
在使用CO2激光装置产生具有10.6μm波长的激光束的激光焊接中的一个已知的问题是，在遮护气体或保护气体中不希望有的等离子体的形成。 
这是因为，通过提供具有自由电子的遮护气体或保护气体，金属蒸汽 等离子体可以在其中开始离子化。遮护气体的离子化可以由入射激光束维持，导致在金属等离子体卷流上方在遮护气体中形成大的等离子体。 
事实上，在保护气体中的这种不希望有的等离子体强烈地吸收入射激光束，这对于焊接操作是不利的。在保护气体中产生不希望有的等离子体的所述机理被称为“逆轫致辐射”。然后入射激光束可能被遮护气体等离子体强烈地扰乱。 
遮护气体等离子体与激光束的相互作用可以采用多种形式，但是通常由入射激光束的吸收和/或衍射效果来表示，其可以显著降低目标表面上的有效激光功率密度，造成穿透深度的减小，或者甚至是激光束与材料之间的耦合故障，并从而造成焊接过程的暂时中断。 
功率密度阈值取决于所使用的遮护气体的电离势能并且与激光束波长的平方成反比，在高于该功率密度阈值时出现等离子体。因此，利用CO2激光发生器在纯氩气下进行焊接是非常困难的，而这种操作利用YAG激光发生器是切实可行的，具有相当少的问题。 
一般地，在利用CO2激光发生器的激光焊接中，所使用的遮护气体是氦气，其具有高电离势能并且有助于防止遮护气体等离子体的出现，达到至少45kW的激光密度。 
但是，氦气的缺点在于是一种成本高的气体，许多激光用户更喜欢使用比氦气更便宜的其他气体或气体混合物，它们仍然有助于限制遮护气体等离子体的出现，从而以较低成本产生了与利用氦气获得的焊接结果类似的焊接结果。 
此外，L′Air LiquideTM以商品名LASAL MIXTM销售含有氮和氦或氩和氦的气体混合物，用于获得与利用纯氦基本相同的结果，对于低于12kW的CO2激光功率，根据操作参数、激光束和要被焊接的材料对相关的混合物的成分进行选择和调整。 
但是，这些气体混合物也含有高比例的氦，这是不理想的，尤其是从经济学的观点来看。 
因此，出现的一个问题是，利用产生焊接激光束的CO2激光发生器输 送的激光束以及利用最好不含氦或仅含有小比例的氦(即，氦的体积显著小于50％)的保护气体来执行焊接操作，用于获得至少与在相同的操作条件下使用氦或含有高比例氦(即，氦的体积高于50％)的气体作为保护气体执行的激光焊接过程等同的焊接穿透，和/或在遮护气体中产生很少或不产生等离子体，最好与入射激光束的功率(达到大约20kW)和聚焦条件无关，和/或不会导致在焊缝的外观和冶金学品质(微孔等)方面的焊接质量的恶化。 
发明内容
因此本发明的解决方案是一种用于一个或多个彼此沿着接合面相贴靠布置的金属部件的激光焊接方法，其中： 
a)利用CO2激光发生器产生激光束， 
b)向喷嘴供应气体或气体混合物，所述喷嘴用于朝接合面输送由所述气体或气体混合物形成的保护气体射流， 
c)使用激光束熔化或蒸发金属部件的金属，导致在部件的厚度上和在所述接合面上形成金属蒸汽毛细管，同时形成金属等离子体，所述金属等离子体通过在金属蒸汽毛细管外部的扩散而在接合面上方形成金属等离子体卷流， 
其特征在于，由喷嘴输送的保护气体射流指向或朝向在接合面上方形成的金属等离子体卷流输送，从而使其与金属等离子体卷流的顶部平齐并且在部件的金属没有被激光束熔化的位置上撞击部件，即，气体射流将撞击部件的面对激光头的上表面。 
在本发明的上下文中，CO2激光发生器是指用于产生具有大约10.6μm波长的激光束的装置或能量源，“一个或多个金属部件”是指两个单独的金属部件，或者单个部件本身的内部，例如成型成O形的金属薄板的两条纵边，然后焊接以便于获得焊接管，或者甚至是焊接在一起的单个部件的两个元件。 
根据情况而定，本发明的方法可包括一个或多个如下特征： 
-所述保护气体包括体积比例小于35％的氦，优选地体积小于25％的 氦，甚至优选地体积小于15％的氦，优选地体积小于10％的氦，甚至更优选地体积小于5％的氦， 
-所述保护气体不含氦， 
-在步骤c)中，全部都沿着接合面，通过激光束相对于要被焊接的部件的相对运动来逐渐熔化和蒸发金属部件的金属， 
-所述气体射流被定向成使得所述气体射流的轴线与激光束的轴线之间的、在所述气体射流与所述激光束在要被焊接的部件的上表面上的撞击点之间测量的距离(D)等于或大于输送所述气体射流的喷嘴的内径(D′)的1.5倍， 
-喷嘴的内径(D′)的端部相对于所述部件的上表面在1mm-50mm的高度处定位， 
-所述喷嘴相对于所述部件的上表面定位成使得气体射流或喷嘴的轴线相对于所述部件的上表面的角度(θ)在5°-70°之间，优选地大约30°-50°， 
-所述喷嘴相对于接合面定位成使得焊缝的轴线相对于喷嘴轴线在要被焊接的板的平面上的投影的倾斜角度(α)在+170°到-170°之间， 
-所述气体射流以40-2000m/s的速度和/或以在1-10巴之间的压力被分配， 
-所述喷嘴具有一个或多个气体分配孔， 
-所述喷嘴具有0.5mm-20mm、优选地在2-4mm之间的内径(D′)， 
-所述气体或气体混合物含有由Ar、N2、CO2和O2以及可选的He构成的集合中的一种或多种成分， 
-所述部件是铝或铝合金、钛或钛合金、镁或镁合金、因科镍合金(Inconel)、碳钢或不锈钢，尤其是镀有锌、铝合金、聚合物或多种有机元素、尤其是涂料的钢， 
-根据相关应用，要被焊接的部件具有0.1-20mm、优选地在1-10mm之间的厚度， 
-对于厚板，即至少8mm厚，可以考虑进行各种边缘制作，例如制 作特殊斜角、根面/钝边(talons)等。在后者的情况下，根面/钝边的厚度必须在0.1mm-20mm的厚度范围内，优选地在1-10mm之间， 
-激光功率至少2kW，优选地在4kW-12kW之间。 
具体实施方式
参照附图及下面给出的示例提供对本发明的实施方式的如下描述。 
图1-3示出了根据本发明的实施方式的激光焊接方法的原理，其中将两个单独的金属部件7焊接在一起。首先将要被焊接的部件7彼此相贴靠地定位以获得接合面8，激光束9将撞击所述接合面8以熔化金属，所述金属然后再凝固以生成焊缝。 
传统上，激光束9是使用CO2激光发生器获得的，然后经由光学路径被传送到包括一个或多个光学聚焦装置比如光学透镜或镜面的聚焦筒，所述聚焦筒设计成在要被焊接的部件7的接合面8上将激光束聚焦到要被焊接的部件7的厚度中。 
经由气体分配喷嘴4朝向焊接区输送保护气体或气体混合物，以便于在那里提供气体保护和防止空气的杂质对焊接熔池从而也对获得的焊缝的污染，所述焊接区是焊接平面上激光束与熔化的金属3相互作用的区域。 
事实上，激光束9撞击要被焊接的部件7并造成金属部件7的部分金属的熔化或蒸发，从而在部件7的厚度上和在所述接合面8上导致金属蒸汽毛细管2或孔眼的形成，同时导致金属等离子体的形成。 
所述金属等离子体通过在金属蒸汽毛细管2外部的扩散而在接合面8上方因此也在熔池3上方形成金属等离子体卷流1。 
根据本发明的一个实施方式，喷嘴4(即其轴线5)被定向成使得其输送的气体射流指向在接合面8上方形成的金属等离子体卷流1，但在金属未熔化的位置6上撞击一个或多个板7的上表面7a。 
事实上，所述喷嘴4的一个作用是产生快速气体流或射流，其被定向成用以避免直接影响焊接过程，比如毛细管2、金属熔池3或金属等离子体卷流1。该气体射流被送入金属等离子体卷流1的附近，以便于与金属 等离子体卷流1的顶部(即，等离子体卷流1的顶点)平齐，如图1中所示。 
换句话说，本发明中使用的气体射流并不旨在作用在金属等离子体和/或发射出的粒子上，而是作用在与故障机理相对应的保护气体中的等离子体的不希望有的效果上。因此，气体射流用于限制这种不希望有的效果。喷嘴吹出保护气体等离子体而不是焊接等离子体。 
更确切地说，快速气体射流旨在用于限制具有自由电子的遮护气体的产生，该具有自由电子的遮护气体可以在其中造成不希望有的等离子体的出现，所述不希望有的等离子体对焊接操作是不利的，因为其会吸收入射激光束9的部分能量，这对激光焊接过程是有害的。 
由金属等离子体卷流1电离的保护气体粒子由通过喷嘴4输送的气体夹带到激光束区域之外。这样，不会发生逆轫致辐射机理，并且在金属等离子体卷流1上方不会形成有害的不希望有的等离子体。 
优选地，气体射流或喷嘴4的轴线5与激光束的轴线之间的距离D必须至少等于喷嘴4的内径D′的1.5倍，如图1中所示。 
气体射流的取向，因此喷嘴4沿其轴线5的取向，不必在焊缝8的轴线上，即平行于焊接方向V。事实上，气体射流可以从侧面到达，如图2中所示，或者相对于焊缝的轴线沿着角度α具有任意取向。仅需要满足的条件是确保气体射流不与熔池3相互作用。 
焊缝轴线与喷嘴轴线在要被焊接的板的平面上的投影之间的角度(α)(图2)必须在+170°至-170°之间，优选地在+150°至-150°之间。该角度值优选地在激光焊接过程中是固定的。理想地，该角度值必须接近0，这意味着气体射流的撞击点与激光束的推定的轨迹一致。 
喷嘴4相对于板7的表面的倾斜角度θ在5°-70°之间，优选地是40°-50°。 
喷嘴底部自板表面的高度在大约1-50mm之间，优选地至少4mm和/或不大于10mm，优选地不大于8mm。 
喷嘴4的出口截面的形状并不重要，例如其可以是圆形、卵形、正方形、矩形、梯形等等。但是，具有圆出口截面的圆柱形喷嘴是优选的。 
所述喷嘴可以具有多个气体出口孔。所用喷嘴在供气体排出的喷嘴4的出口端部测量的内径优选地在0.5mm-20mm之间，优选地至少1-2mm并且不大于10mm，优选地不大于大约4mm。 
喷嘴出口处的气体的速度必须在40-2000m/s之间，优选地至少大约100-150m/s和/或不大于500m/s，优选地不大于250m/s。气体压力必须在大约1巴-10巴之间，优选地在2巴-5巴之间，优选地不大于大约4巴。 
由于本发明的方法，现在可以使用除了氦之外的保护气体，尤其是当用来产生光束的激光装置属于CO2型装置的情况下，并且与所使用的入射激光束的功率和聚焦条件无关，尤其是对于低于45kW(优选地低于20kW)的激光功率。 
因此，合适的气体或气体混合物可以由如下成分构成或者包含一种或多种如下成分：Ar、N2、O2、CO2以及可选地还具有低比例的氦，尽管本发明的方法优选地是不使用氦来操作的。 
但是，应该注意到，由于明显的安全原因，在高于其爆炸和可燃阈值时，诸如H2、CH4等之类的氧化气体不能用在具有上面提到的气体的混合物中。 
示例
利用CO2激光发生器来执行旨在检验本发明的激光焊接方法的有效性的试验，该激光发生器输送最大12kW的功率并且通过具有250mm焦距的抛物面铜镜来聚焦，使用具有2mm内径的圆柱形喷嘴。 
喷嘴/部件距离大约6mm，倾角(角度θ)大约45°。分配气体的喷嘴的轴线以3mm的距离设置在激光束在接合面上的撞击点的前面(α＝0)，如图1中所示。 
利用如下气体中的每一种对所述部件进行激光焊接： 
-以15l/分钟、30l/分钟和45l/分钟输送的Ar； 
-以15l/分钟、30l/分钟和45l/分钟输送的N2； 
-以15l/分钟、30l/分钟和45l/分钟输送的CO2；以及 
-为了比较，利用通过传统的现有技术的方法，即，利用具有10mm 内径、以关于板的表面成45°定向、其轴线与聚焦后的激光束的撞击点重合的传统的圆柱形喷嘴以30l/分钟输送的氦。 
根据下面的示例，在多种类型的定位的边对边焊接的部件上执行焊接测试。 
在所有情况下，通过喷嘴朝向金属等离子体卷流输送保护气体射流，该金属等离子体卷流形成在要焊接在一起的部件之间的接合面的上方。 
示例1：不同厚度的镀锌板
在通常用在车身制造中的焊接构造中焊接镀有锌表面层的钢件，该构造被称作“拼焊板”构造。 
更确切地说，板的侧边边对边定位，在部件之间具有有限的间隙。 
板厚度可以是相同的或不同的。 
首先在边对边定位的不同厚度(1.9mm和0.7mm)的两块板上进行测试，然后焊接使用： 
-6kW的激光功率， 
-5m/分钟的焊接速度， 
-关于板的表面具有45°倾斜的管状喷嘴，以及 
-气体射流的轴线的撞击大约在激光束撞击点之前4mm处(α＝0)。 
示例2：相同厚度的镀锌板
在示例2中执行的测试条件类似于示例1，除了： 
-两块板具有相同的厚度，每块1.2mm，以及 
-焊接速度是6.5m/分钟。 
示例3：钢管
在该示例3中，焊接是在2mm厚的不锈钢板上执行的，通过将它们的纵向边接合以获得O形截面来成型成预制管，然后将这些边焊接在一起以获得焊接管。板的这些边因此并置成边对边构造，在焊接在一起之前具有间隙和有限的高度不对准。 
这些测试的条件是： 
-5kW的激光功率， 
-4m/分钟的焊接速度， 
-关于金属板的表面具有45°倾斜的管状喷嘴， 
-气体射流的轴线的撞击在激光束撞击点之前大约6mm处(α＝0)。 
通过将气体射流的轴线的撞击以6mm的距离定位在侧面实体部上以便使α＝90°来确认结果。所获得的结果与取向α＝0时是相同的。 
示例4：着漆的5mm的厚的软钢件
在该示例4中，与一般用于造船厂中建造船只的钢件类似的具有相同厚度(5mm)的着漆的软钢件被焊接在一起。 
这些测试的条件是： 
-10kW的激光功率， 
-2.5m/分钟的焊接速度， 
-关于金属板的表面具有40°倾斜的管状喷嘴， 
-气体射流的轴线的撞击在激光束撞击点之前大约6mm处(α＝0)。 
通过将气体射流的轴线的撞击以6mm的距离定位在侧面实体部上以便使α＝90°来确认结果。所获得的结果在两个取向α＝0和α＝90°上是相同的。 
示例5：着漆的8mm的厚的软钢件
示例5与示例4类似，除了所述部件具有8mm的厚度之外，这意味着一些测试条件具有细微的改变，即： 
-1.2m/分钟的焊接速度， 
-气体射流的轴线的撞击在激光束撞击点之前大约2.5mm处。 
下表中通过与在氦条件下利用标准过程执行激光焊接相比较给出了这些测试中获得的结果，作为参照(图例：0＝等效结果；1＝较好结果；2＝较差结果)。 
表
通过视觉检查在上述示例中利用以30l/分钟和45l/分钟测试的气体(Ar、N2、CO2)执行的测试所获得的焊缝的表面，可以观察到，利用本发明的方法获得的焊缝的质量(即，在顶部和下侧的焊缝的外观)与利用 在标准激光焊接过程(参照)中使用的氦所获得焊缝的质量等同(0)。 
但是，有利地，利用本发明的方法获得的焊缝在焊缝的各侧上的黑色沉积物少于(1)利用使用氦的标准过程。 
此外，焊缝截面的原形图表明，焊接截面也与利用氦获得的参照的焊接截面是相同的(0)。事实上，焊缝的射线照片证实了该焊缝相比于使用具有氦的参照过程获得的焊缝而言在焊缝中并没有更多的微孔或气孔。 
但是，应该强调的是，氮的使用可以对在某些焊接条件下获得的焊缝的冶金性能具有轻微的影响。 
在所有情形中，焊接穿透也与利用氦且使用标准过程所获得的是等同的(0)。 
这些测试表明，可以有效地使用具有除了氦之外的气体的利用高功率CO2激光发生器的激光焊接过程，而对所获得的焊缝的质量和外观以及对焊接穿透都没有损害，正如在上面示例中对于各种材料和焊接构造成功地证实了的那样。 
本发明确实存在特征性的流率操作范围。因此，对于低的流率(即低于大约20l/分钟)，金属等离子体卷流的电离对气体环境的限制不再有效。在金属等离子体卷流上方形成不希望有的等离子体。因此，以15l/分钟的流率执行的测试证实了这一点。在这些条件下，激光束与材料之间的耦合不再有效，所述板不被焊接。这种效果与所用气体的类型无关。因此，流率是必须考虑的参数，以进一步改进在本发明的方法的实施中获得的结果。 
事实上，根据本发明定向的焊接喷嘴的使用——即，为了在金属等离子体卷流附近产生快速气体射流，以便于与金属等离子体卷流的顶部平齐——用于限制具有自由电子的遮护气体的提供，从而防止不希望有的等离子体的出现，该等离子体的出现会对焊接操作不利，因为其会吸收一部分入射激光束的能量，这会对激光焊接过程有害。 
因此，这用于以高功率(即，一般在4-20kW之间)执行焊接过程，使用不含有氦或仅含有低比例(例如，少于大约20％)的氦的气体或气体混合物，尤其是诸如Ar、N2、CO2、O2之类的气体以及它们的混合物。 

Claims (11)

1.一种用于一个或多个彼此沿着接合面相贴靠布置的金属部件的激光焊接方法，其中：
a)利用CO2激光发生器产生激光束，
b)向喷嘴供应气体或气体混合物，所述喷嘴用于朝接合面输送由所述气体或气体混合物形成的保护气体射流，
c）使用激光束熔化和蒸发金属部件的金属，导致在部件的厚度上和在所述接合面上形成金属蒸汽毛细管，同时形成金属等离子体，所述金属等离子体通过在金属蒸汽毛细管外部的扩散而在接合面上方形成金属等离子体卷流，
其特征在于，由喷嘴输送的保护气体射流指向或朝向在接合面上方形成的金属等离子体卷流输送，从而使其与金属等离子体卷流的顶部平齐并且在金属部件的金属没有被激光束熔化的位置上撞击金属部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c）中，全部都沿着接合面，通过激光束相对于要被焊接的金属部件的相对运动来逐渐熔化和蒸发金属部件的金属。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体射流被定向成使得所述气体射流的轴线与激光束的轴线之间的、在所述气体射流与所述激光束在要被焊接的金属部件的上表面上的撞击点之间测量的距离（D）等于或大于输送所述气体射流的喷嘴的内径（D′）的1.5倍。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的底部相对于所述金属部件的上表面在1mm-50mm的高度处定位。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴相对于所述接合面定位成使得焊缝的轴线相对于喷嘴的轴线在要被焊接的金属部件的平面上的投影的倾斜角度（α）在＋170°到-170°之间。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷嘴相对于所述金属部件的上表面定位成使得气体射流或喷嘴的轴线相对于所述金属部件的上表面的角度（θ）在5°-70°之间。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体射流以40-2000m/s的速度分配。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体或气体混合物含有由Ar、N2、CO2和氦构成的集合中的一种或多种成分。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件由镀有锌、铝合金或聚合物的钢制成。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件由镀有一种或多种有机物的钢制成。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体或气体混合物含有最多按体积计20%的氦。
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