CN103298581B - 激光束焊接 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于对表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法。其中的至少一个为表面处理的钢质部件的两个钢质部件被相对地布置以形成待焊接的接缝。通过使用激光束来沿着接缝照射两个钢质部件，以便将两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热到焊接温度，从而形成焊池。在焊接过程中，金属成分被引入到焊池的沿着焊接方向在激光束的前方的前缘中。所引入的金属成分与从表面处理的钢质部件释放到焊池中的物质化合，以形成在焊接温度处在焊池内稳定的化合物。

Description

激光束焊接

交叉引用

本申请依照35U.S.C.119(e)要求于2010年12月17日提交的美国临时专利申请No.61/424,327的权益，该项申请的全部内容通过参引并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及激光束焊接，并且更特别地，涉及通过使用含合金成分的金属芯填充焊丝对例如氮化钢之类的表面处理的金属部件进行的激光束焊接。

背景技术

激光束焊接是提供许多与常规的气体保护金属极电弧焊（GMAW）相比的优点——例如低热量输入、短周期时间以及良好美观性的焊缝——的结合技术。该方法经常在高容量应用——例如在汽车工业中将动力系部件焊接到一起——中使用。这样，包含多级或多层材料的部件能够以相对较低的生产成本制造。作为具体并非限制性的示例，挠性板包括焊接到冲压钢质薄盘的外轮缘的齿圈。挠性板在汽车中的主要功能是将变速器的变矩器连接到发动机的曲轴。由于变矩器的外部金属壳在连续运转下倾向于通过热量膨胀，并且挠性板的挠性特征防止了挠性板开裂和过早地损坏，因此将挠性板代替实心的、非挠性的圆盘使用。齿圈通常被碳化处理以提高齿圈的齿的硬度和耐磨性，而直径通常较大的冲压盘由低碳钢制成。为了增强表面的耐磨性，初始设备制造厂家（OEMs）通常需要对盘的表面进行氮化。

遗憾的是，氮化钢部件的激光束焊接通常产生低强度而且高孔隙度的焊缝。这些特性使激光焊接对涉及将氮化部件结合到一起的对动力系应用而言总体上不能令人满意。事实上，难点在于激光束焊接是深熔透焊接过程，并且在于氮化层在焊接接缝内部较深地延伸。当氮化层在激光束焊接的过程中在接缝的内部熔化时，氮被释放到并且保留在产生的焊池内。随后，氮气聚结而在焊池固化时形成气泡。由于激光束焊接是快速的过程，在正常焊接条件下没有足够的时间使氮气气泡逸出焊池，并且因此氮气的气泡变得封留在焊接材料中，从而增大了多孔性并且降低了产生的激光焊缝的强度。

过去对于提高氮化部件中的激光焊缝的质量的尝试集中于优化焊接参数以及改变激光束的特性。总的来说，这些尝试未能实现令人满意的结果。目前，已知的在氮化部件中产生令人满意的激光焊缝的唯一方法需要在进行激光束焊接之前沿着接缝将氮化层移除。然而，这种方法对于高产量应用而言并不是实用的解决办法。

因此有益的是，提供一种克服了现有技术中的上述局限和缺点中的至少一些的用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法。

发明内容

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种通过激光束焊接将两个或更多个部件结合到一起的方法。所公开的方法至少部分地克服了一些与现有技术的方法关联的缺点。例如，形成在已经经受了某些类型的表面处理的部件之间的激光束焊缝已知是多孔的并且具有总体上不可接受的质量。激光束焊缝的该多孔性归因于部件之间的接缝内的氮化层在升高的、但低于焊接温度处的分解，这导致了氮气的气泡被截留在焊缝中。本文中公开的方法使用具有芯部的填充焊丝，该芯部包含专门用公式表达的金属复合物，该金属复合物包括例如钛的元素，该钛与在接缝中的氮化层的分解过程中释放的氮化合，以产生例如氮化钛的化合物，该化合物即使在显著比焊接温度高的高温下仍保持稳定。例如，氮化钛具有比焊接温度——即待焊接的钢或相应的金属部件的熔化温度——高的熔化温度。这样，通过填充焊丝（或更具体而言填充焊丝的芯部内的金属复合物）与氮覆层的分解产物或待焊接到一起的金属部件的表面上的杂质之间的反应，在接缝中形成了化合物，该化合物为在焊接温度处保持化学稳定性的化合物。

根据本发明的方面，填充焊丝的组分对具体应用而言用公式表示。原则上，能够获得许多种类的金属复合物的公式表示方式。因此，该类型的填充焊丝对各种金属接缝而言都能够用于优化焊接，从而产生基本上没有例如孔隙和气孔之类的缺陷的冶金学优质焊缝。

在具体应用中，根据本发明的方面的方法适用于通过使用金属芯填充焊丝将冲压盘和齿圈焊接到一起来形成挠性板，以抑制气泡在焊缝中的形成。在方法的该具体应用中，金属芯填充焊丝具有不锈钢外皮，该不锈钢外皮填充有含有富钛的金属复合物，并且冲压盘的表面已经经受了气体氮化。

根据本发明的另一实施方式的方面，提供了一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，两个钢质部件中的至少一个为氮化钢部件；以及沿着接缝形成焊缝以便将两个钢质部件结合到一起，其包括：使激光束照射位置在焊接方向上沿着接缝前进，激光束在照射位置处照射两个钢质部件，并且激光束在接缝内形成容纳来自加热到焊接温度的两个钢质部件的熔融钢的焊池；以及使填充焊丝在焊接方向上沿着接缝前进，填充焊丝具有芯部，芯部包括含钛的金属复合物，填充焊丝沿焊接方向在前于激光束照射位置，并且填充焊丝与激光束间隔开足够小的距离，使得填充焊丝的末端部在激光束的沿着焊接方向的前方被直接引入到焊池中，其中，来自填充焊丝的末端部的熔融材料混合到焊池中，并且存在于熔融材料中的钛与来自氮化钢部件的氮化合，并且在焊接温度处在焊池内部形成氮化钛。

根据本发明的另一实施方式的方面，提供了一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，两个钢质部件中的至少一个为氮化钢部件；使用激光束沿着接缝照射两个钢质部件，以便将两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热到焊接温度，从而在接缝中形成焊池；以及将钛引入到焊池的前缘中，焊池的前缘沿着焊接方向在激光束的前方，其中，引入的钛与从氮化钢部件释放到焊池中的氮化合，以在焊接温度处在焊池内形成氮化钛。

根据本发明的另一实施方式的方面，提供了一种用于对表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，两个钢质部件中的至少一个为表面处理的钢质部件；以及沿着接缝形成焊缝以便将两个钢质部件结合到一起，其包括：使激光束照射位置在焊接方向上沿着接缝前进，激光束在照射位置处照射两个钢质部件，并且激光束在接缝内形成容纳来自加热到焊接温度的两个钢质部件的熔融钢的焊池；以及使填充焊丝在焊接方向上沿着接缝前进，填充焊丝具有芯部，芯部包括金属复合物，金属复合物包括选择成与从表面处理的钢质部件释放到焊池中的物质形成化合物的成分，填充焊丝沿焊接方向在前于激光束照射位置，并且填充焊丝与激光束间隔开足够小的距离，使得填充焊丝的末端部在形成焊池的过程中被加热到填充焊丝的熔化温度以上，其中，来自填充焊丝的末端部的熔融材料混合到焊池中，并且存在于熔融材料中的成分与从表面处理的钢质部件释放的物质化合，以在焊接温度处在焊池内部形成该化合物。

根据本发明的另一实施方式的方面，提供了一种用于对表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，该方法包括：相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，两个钢质部件中的至少一个为表面处理的钢质部件；使用激光束沿着接缝照射两个钢质部件，以便将两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热到焊接温度，从而形成焊池；以及将金属成分引入到焊池的前缘中，焊池的前缘在激光束的沿着焊接方向的前方，其中，引入的金属成分与从表面处理的钢质部件释放到焊池中的物质化合，以形成在焊接温度处在焊池内稳定的化合物。

附图说明

现在将仅通过示例并且参照附图来描述本发明，其中，在所有视图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1为适于实施根据本发明的实施方式的方法的激光焊接系统的简化立体图；

图2为示意性等距视图，其示出了根据本发明的实施方式的激光焊接方法；

图3为示意图，其示出了通过使用现有技术的方法形成的氮化钢部件之间的激光焊缝的截面轮廓；以及

图4为示意图，其示出了通过使用根据本发明的实施方式的方法形成的氮化钢部件之间的激光焊缝的截面轮廓。

具体实施方式

提出了以下描述以便使本领域技术人员能够实现和使用本发明，并且以下描述在特定应用以及其要求的背景下提供。所公开的实施方式的各种改型对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中限定的一般原理可以应用于其它实施方式和应用。因而，本发明不意在局限于所公开的实施方式，而是意在符合与本文中公开的原理和特征一致的最大的范围。

参照图1，其示出了适于实施根据本发明的实施方式的方法的激光焊接系统的简化立体图。特别地，图1的系统适于对氮化钢部件以及其它类型的表面处理金属部件进行激光焊接。总体上以100示出的系统包括例如盘形激光器的激光源（未示出）。作为具体且非限制性的示例，激光源为Trumpf型号的TruDisk4002激光器，其具有1030nm波长时的4kW的最大输出功率。激光束通过使用纤芯直径为600μm的光学纤维（未示出）来传递，并且激光束通过使用适合的激光焊接头104——例如Trumpf D70激光焊接头——聚焦在工件表面上。在该示例中，焊接头104的准直透镜和聚焦透镜两者的焦距都为200mm。因此，束斑106在焦点处的尺寸为直径0.6mm。可选地，使用另外适合的激光源和/或另外适合的焊接头来替代上面已经描述的具体示例。

在图1中示出的系统100中，焊接头104安装在未示出的机器人——例如ABB型号的IRB4400机器人——的末端执行器上。例如，机器人被编程为使焊接头104移动以在齿圈108与冲压钢质薄盘110之间进行焊接，以便形成挠性板。如上所述，齿圈108通常被碳化处理以增大齿圈108的齿的硬度和耐磨性，而冲压盘110由低碳钢制成并且被氮化。在本示例中，冲压盘110被气体氮化并且被磨光，氮的扩散厚度最小为0.45mm，并且化合物层厚度≥0.015mm。冲压盘110的具有氮化层的表面为被激光焊接的接缝中的对接表面中的一个。

仍参照图1，金属芯填充焊丝112通过使用焊丝进给装置114来进给，使得填充焊丝112——其通常也被称为角焊缝焊丝——的末端部定位成靠近束斑106。焊丝进给装置114安装在焊接头104上，使得焊丝进给装置114相对于焊接头104的位置是固定的。通过保护气体喷嘴116以已知的方式提供保护气体，以便保护焊接区域不被氧化。

现在参照图2，其示出了根据本发明的实施方式的激光焊接方法的示意性等距视图。在激光焊接过程期间，填充焊丝112在沿焊接方向位于激光束204前方的位置处被进给到焊池200中，使得熔化的填充焊丝材料202与正被焊接的部件之间的接缝中的熔化材料有效地混合。激光束204照射到工件206a和206b的表面上并且形成焊池200时所产生热量足以使填充焊丝116熔化，使得填充焊丝112的末端部直接沉积在焊池200的前缘中。作为具体且非限制性的示例，填充焊丝具有不锈钢外皮以及含钛的金属芯。适合的、市场上可买到的填充焊丝（从Select ArcInc.）具有含重量百分比为C0.03、Mn0.60、P0.01、S0.01、Si0.69、Cr11.90、Ti1.00的金属芯。

以下内容被认为在并不希望去遵守任何特定理论的情况下进行应用。被焊接在一起的两个部件——在该示例中，为齿圈108和冲压盘110——的材料在激光束204沿着焊接方向移动时在激光束204的影响下熔化，从而形成移动的焊池200。相信的是，冲压盘110的氮化层在高温下在焊池200内分解，释放出氮，该氮随后与从金属芯填充焊丝112引入的钛发生反应，由此形成氮化钛。氮化钛的熔点非常高（2950℃），并且在焊池200内存在的条件下是化学稳定的。因而，当激光束204沿着焊接方向前进时，氮保持与钛结合，并且在焊池200冷却并且最终固化时不形成气泡。

图3和图4对使用现有技术方法（图3）与使用根据本发明的实施方式的方法（图4）所形成在氮化钢部件之间的激光焊焊缝进行了比较。如图3所示，形成在齿圈108与冲压盘110之间的焊缝300包含大的孔隙或者气孔302，孔隙或者气孔302与在焊池200快速冷却期间被截留的封留氮气气泡对应。特别地，这些大的孔隙或者气孔302遍及整条通过使用没有填充焊丝的现有技术方法形成的激光焊焊缝而存在。虽然焊缝300的美观性是可接受的，但孔隙或者气孔302的存在使焊缝在结构上是不能接受的。另一方面，图4中示出的焊缝400与图3中示出的焊缝相比呈现出减少的多孔性。事实上，焊缝400的主体不包含任何大的孔隙或者气孔。仅在焊缝400的根部附近有可辨的小孔隙，这些小孔隙被认为是由于来自填充焊丝112的材料不能够与来自焊缝400的底部处的工件的熔化材料混合而产生。就是说，焊缝400的根部附近的小孔隙的存在对焊缝400的强度并无有害影响。例如，在具有沿着结合界面平均分布的8段焊缝的完成的挠性板的破坏性实验中，该部件在焊缝被破坏之前能够承受大于37,000磅的作用力。为使这个概念形象化，该部件的推挤实验（push test）的额定规格为10,000磅。

金属芯填充焊丝112的合金成分能够用公式表示以将具有特定覆层的钢质部件结合在一起。这样，金属芯填充焊丝112中的钛能够用于将以具体且非限制性示例的方式描述的具有氮覆层的钢质部件结合在一起。可选地，在金属芯填充焊丝112中钛被铝替代，以便解决与激光焊接相关联的氮的问题，因为氮化铝（AIN）也具有高的分解温度和高的熔点，并且在焊池中为稳定化合物。另外可选地，可以在金属芯填充焊丝中提供锌以在覆有铝的钢——例如钢——的激光束焊接中使用。铝的熔点低，并且铝能够与液态锌快速反应。在焊池中，铝和锌形成了蒸发温度非常高（大约2450℃）的液态化合物，从而防止或者减少铝和铁的脆性化合物的形成。当然，也可以设想其它变型。

尽管以上描述构成了本发明的多个实施方式，但应当理解的是，在不脱离所附权利要求的公允含义的情况下，能够对本发明进行进一步的修改和改变。

Claims (19)

1.一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法，包括：

相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，所述两个钢质部件沿着所述接缝彼此直接接触，所述两个钢质部件中的至少一个为氮化钢部件；以及

沿着所述接缝形成焊缝以便将所述两个钢质部件结合到一起，包括：

使激光束照射位置在焊接方向上沿着所述接缝前进，所述激光束在所述照射位置处照射所述两个钢质部件并且在所述接缝内形成容纳来自加热到焊接温度的所述两个钢质部件的熔融钢的焊池；以及

使填充焊丝在所述焊接方向上沿着所述接缝前进，所述填充焊丝具有芯部，所述芯部包括含钛的金属复合物，所述填充焊丝沿所述焊接方向在前于所述激光束照射位置，并且所述填充焊丝与所述激光束间隔开足够小的距离，使得所述填充焊丝的末端部在所述激光束的沿着所述焊接方向的前方被直接引入到所述焊池中，

其中，来自所述填充焊丝的所述末端部的熔融材料混合到所述焊池中，存在于所述熔融材料中的所述钛与来自所述氮化钢部件的氮化合，并且在所述焊接温度处在所述焊池内部形成氮化钛。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填充焊丝为具有不锈钢外皮的金属芯填充焊丝，所述不锈钢外皮围绕并且容纳所述金属复合物。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述两个钢质部件包括具有氮化表层的冲压钢盘以及不具有氮化表层的齿圈。

4.一种用于对氮化钢部件进行激光束焊接的方法，包括：

相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，所述两个钢质部件沿着所述接缝彼此直接接触，所述两个钢质部件中的至少一个为氮化钢部件；

使用激光束沿着所述接缝照射所述两个钢质部件，以便将所述两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热到焊接温度，从而在所述接缝中形成焊池；以及

将钛引入到所述焊池的前缘中，所述焊池的所述前缘在所述激光束的沿着焊接方向的前方，

其中，引入的所述钛与从所述氮化钢部件释放到所述焊池中的氮化合，以在所述焊接温度处在所述焊池内形成氮化钛。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述钛引入到所述焊池的所述前缘中包括相邻于所述激光束并且在所述激光束的沿着所述焊接方向的前方提供金属芯填充焊丝，所述金属芯填充焊丝具有不锈钢外皮，所述不锈钢外皮围绕含所述钛的金属芯。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，由于所述激光束对所述两个钢质部件进行照射而产生的热量熔融所述金属芯填充焊丝的末端部，并且包含在熔融的所述末端部内的所述钛被引入到所述焊池的所述前缘中。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在对所述接缝进行焊接的过程中，使所述金属芯填充焊丝和所述激光束两者都沿着所述焊接方向前进，所述金属芯填充焊丝和所述激光束之间的间距基本上是固定的。

8.一种用于对表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，包括：

相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，所述两个钢质部件沿着所述接缝彼此直接接触，所述两个钢质部件中的至少一个为表面处理的钢质部件；以及

沿着所述接缝形成焊缝以便将所述两个钢质部件结合到一起，包括：

使激光束照射位置在焊接方向上沿着所述接缝前进，所述激光束在所述照射位置处照射所述两个钢质部件，并且所述激光束在所述接缝内形成容纳来自加热到焊接温度的所述两个钢质部件的熔融钢的焊池；以及

使填充焊丝在所述焊接方向上沿着所述接缝前进，所述填充焊丝具有芯部，所述芯部包括金属复合物，所述金属复合物包括选择成与从所述表面处理的钢质部件释放到所述焊池中的物质形成化合物的成分，所述填充焊丝沿所述焊接方向在前于所述激光束照射位置，并且所述填充焊丝与所述激光束间隔开足够小的距离，使得所述填充焊丝的末端部在形成所述焊池的过程中被加热到所述填充焊丝的熔化温度以上，

其中，来自所述填充焊丝的所述末端部的熔融材料混合到所述焊池中，并且存在于所述熔融材料中的所述成分与从所述表面处理的钢质部件释放的物质化合，以在所述焊接温度处在所述焊池内部形成所述化合物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述填充焊丝为具有围绕并且容纳所述金属复合物的不锈钢外皮的金属芯填充焊丝。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述表面处理的钢质部件包括氮化层，并且所述金属复合物包括钛。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述两个钢质部件包括具有氮化表层的冲压钢盘以及不具有氮化表层的齿圈。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述表面处理的部件包括含铝的表面覆层，并且所述金属复合物包括锌。

13.一种用于对表面处理的钢质部件进行激光束焊接的方法，包括：

相对地布置两个钢质部件以形成待焊接的接缝，所述两个钢质部件沿着所述接缝彼此直接接触，所述两个钢质部件中的至少一个为表面处理的钢质部件；

使用激光束沿着所述接缝照射所述两个钢质部件，以便将所述两个钢质部件中的每个钢质部件内的材料加热到焊接温度，从而形成焊池；以及

将金属成分引入到所述焊池的前缘中，所述焊池的所述前缘在所述激光束的沿着焊接方向的前方，

其中，引入的所述金属成分与从所述表面处理的钢质部件释放到所述焊池中的物质化合，以形成在所述焊接温度处在所述焊池内稳定的化合物。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述金属成分引入到所述焊池的所述前缘中包括相邻于所述激光束并且在所述激光束的沿着所述焊接方向的前方提供金属芯填充焊丝，所述金属芯填充焊丝具有不锈钢外皮，所述不锈钢外皮围绕含所述金属成分的金属芯。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，由于所述激光束对所述两个钢质部件进行照射而产生的热量熔融所述金属芯填充焊丝的末端部，并且包含在熔融的所述末端部内的所述金属成分被引入到所述焊池的所述前缘中。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，在对所述接缝进行焊接的过程中，使所述金属芯填充焊丝和所述激光束两者都沿着所述焊接方向前进，所述金属芯填充焊丝和所述激光束之间的间距基本上是固定的。

17.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述表面处理的钢质部件包括氮化层，并且所述金属成分为钛。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述两个钢质部件包括具有氮化表层的冲压钢盘以及不具有氮化表层的齿圈。

19.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述表面处理的部件包括含铝的表面覆层，并且所述金属复合物为锌。