CN108778607A - 以功率调制来激光焊接钢以避免热裂纹 - Google Patents

以功率调制来激光焊接钢以避免热裂纹 Download PDF

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Abstract

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 test：在测试测量时所测量的特征振荡频率；df，co test：在测试测量时激光射束焦斑(6)的直径；vco test：在测试测量时激光射束(2)相对于工件(1)的进给速度。通过本发明可在钢工件的情况下以简单方式进一步减少热裂纹的形成。

Description

以功率调制来激光焊接钢以避免热裂纹
技术领域
本发明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。
背景技术
这种方法由US 6,900,410 B2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。
US 6,900,410 B2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。
DE 601 11 790 T2(也即US 6,483,072 B2)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。
DE 10 2009 056 592 A1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。JP H09 108872 A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“Von Werkzeugstahl bis zur Superlegierung”，Laser-Journal 4/2013，24-27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US 6,900,410 B2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.Heider et al.,Journal of Laser Applications,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.Stritt et al.,，，Heiβrisskriterium für das randnahe Laserstrahlschweiβen vonAluminium“,Beitrag Workshop-Heiβrissbildung beim Laserstrahlschweiβen, Stuttgart 18.11.2014。应用以40Hz频率进行的正弦形调制。
由M. et al.,，，Analysing Hot Crack Formation in Laser Weldingof Tempered Steel“,Tagungsbeitrag，，Lasers in Manufacturing Conference 2015“,Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.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DE 10 2012 021 755A1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。
发明内容
本发明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。
本发明的简短描述
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，fco test：在测试测量时所测量的特征振荡频率；df，co test：在测试测量时激光射束焦斑的直径；vco test：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。
在本发明的范畴中已发现，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的根据本发明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＝fco test，和简化地存在f≥2.2*fco test，优选f≥2.7*fco test。在本发明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。
根据本发明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。根据本发明的激光射束焊接可通过传统的加工光具(例如通过准直透镜和聚焦透镜)进行；不需要附加的射束成形光具。焊缝形状可最大程度上保留。
根据本发明的方法可尤其用于制成轴向圆焊缝或径向圆焊缝。所加工的工件可尤其是传动装置部件(如切换轮或中间轴)或激光焊接的钢活塞。
本发明的优选实施方式
在根据本发明的方法的优选变型方案中，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还存在：
Λ≤8.5*Λco，优选Λ≤7.3*Λco。在经标准化的振荡频率过大时，在实际中已又观察到热裂纹的一定程度的增长。总体上，在所研究的钢材料中在区间2.2*Λco≤Λ≤8.5*Λco，和优选2.7*Λco≤Λ≤7.3*Λco中出现最好的结果，即最少的热裂纹。
还优选的是一变型方案，其中，对于经标准化的调制频率Λ还存在：0.2≤Λ≤1.0。在经标准化的调制频率小于0.2时在实际中出现焊入深度的极大波动，这可通过Λ≥0.2避免或者说减小到允许的最小值。在经标准化的调制频率过大时，已观察到热裂纹的增多，这可通过Λ≤1.0避免。也优选的是0.25≤Λ≤0.9，和特别优选0.3≤Λ≤0.8。
也有利的是一变型方案，其中，对于调制幅值Π存在：Π>0.5，优选Π≥0.75，特别优选Π≥0.8。在该经标准化的调制幅值Π的情况下特别良好地避免裂纹。也优选的是Π≥0.6。
同样有利的是一变型方案，其中，对于调制幅值Π存在：Π≤0.95，优选Π≤0.85，特别优选Π≤0.80。在所述经标准化的调制幅值中也特别良好地避免裂纹。优选存在0.6≤Π≤0.95，和尤其0.75≤Π≤0.85。优选，所述方法完全在深焊体制中发生，使得金属蒸气毛细孔在任何时刻都不萎缩。
在优选实施方式中，所述激光射束焊接以焊入深度EST实施，其中，1.0毫米<EST<10.0毫米，优选3.5毫米≤EST≤8.0毫米。在所述焊入深度中，在钢中的热裂纹的避免常常是困难的；但通过(经标准化的)调制频率的根据本发明的选择可显著降低热裂纹倾向。尤其，根据本发明的激光焊接方法适合在整个焊接过程期间在深焊体制中保持(且并不转换到导热体制中)，这改善焊缝品质。
有利地，在变型方案中，将激光功率近似正弦形地调制，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。通过正弦形避免调制中的高频率份额，这证明为有利于小的热裂纹概率。控制点的使用特别简单。替代地也可使用脉冲式调制。
还优选的是一变型方案，其中，激光射束以固体激光器，例如Nd-YAG激光器或Yb-YAG激光器产生。固体激光器在其关于钢材料(尤其其熔化温度和蒸发温度、机械强度等)的能量吸收机理方面具有良好表现，这有助于避免裂纹。
用于加工焊缝的开始斜坡和结束斜坡的变型方案
特别优选的是根据本发明的方法的一变型方案，该变型方案设置，将激光射束的平均激光功率在以激光射束焊接焊缝的开始区域时随累进的焊接位移提高，尤其线性提高，和将激光射束的平均激光功率在以激光射束焊接焊缝的结束区域时随累进的焊接位移减小，尤其线性地减小，并且，在以激光射束焊接开始区域和结束区域时调制激光功率。激光功率的根据本发明设置的以用于(经标准化的)调制频率的上述预给定值进行的调制也良好地适合在焊缝的开始区域和结束区域中减少或避免热裂纹，在所述开始区域和结束区域中，平均(平均化的)激光功率连续地或也可在多个阶段中地提高或者说降低(“斜坡”)。这特别适用于以下情况：开始区域或结束区域处于两个焊缝或焊缝区段的交搭区域中。通过斜坡，可将焊接过程均匀化，这避免了局部焊接缺陷。经标准化的调制幅值Π和经标准化的调制频率Λ优选在激光焊接整个工件时，连同开始区域和结束区域在内，分别保持相同；替代地可针对焊缝的不同的区段将调制频率Λ选择得不同，以将功率调制的频率比例和特征振荡更好地相互协调。
在该变型方案的优选扩展方案中设置，在以激光射束焊接焊缝的在开始区域和结束区域之间的中间区域时也调制激光功率，并且，在中间区域中激光射束焊接作为焊入进行。由此可在整个焊缝中减少或者说避免热裂纹。焊入表示：激光射束在工件中在底部处终止且并不穿透工件。
替代的扩展方案设置，在以激光射束焊接焊缝的在开始区域和结束区域之间的中间区域时并不调制激光功率，并且，在中间区域中激光射束焊接作为焊透进行。在焊透的区域中，申请人一般即使在没有功率调制的情况下也没有观察到任何热裂纹，从而在中间区域中可取消激光功率的调制。但在开始区域和结束区域中要以用于经标准化的调制频率的根据本发明的条件来应用功率调制。焊缝的开始区域和结束区域典型地实施为焊入。焊透表示激光射束穿透工件。
也优选的是一扩展方案，其中，在以激光射束焊接中间区域时应用一恒定的平均激光功率。由此可获得均匀的焊缝。
在优选的扩展方案中，所述焊缝的开始区域和结束区域分别与所述焊缝的另一部分交搭。焊缝在此可环形闭合地构造。在钢制工件的情况下，接合连接的焊缝交搭中的裂纹迄今难以避免。通过根据本发明的方法可以以简单的方式尤其在设备和系统技术中没有大投入的情况下在焊接交搭中避免裂纹。
有利地，焊缝的所述另一部分分别属于焊缝的中间区域。换言之，斜坡并不与另一斜坡交搭，而是与焊缝的正常部分交搭。由此避免焊缝中的局部薄弱部位；焊缝变得特别有价值。
优选，焊缝是轴向圆焊缝或径向圆焊缝，尤其其中，开始区域和结束区域在完全完成焊缝之后在周向上直接彼此相继。对于这种焊缝类型，根据本发明的方法已证明为特别有利。由于开始区域和结束区域直接彼此相继，可使双重焊接最小化。
在同样优选的扩展方案中，焊缝的开始区域和/或结束区域分别与另一焊缝的一部分交搭。由此可将这些焊缝相互衔接，尤其用于制成复杂工件。在钢制工件的情况下，接合连接的焊缝交搭中的裂纹迄今难以避免。通过根据本发明的方法可以以简单的方式尤其在没有对设备和系统技术进行大的投入的情况下在焊接交搭中避免裂纹。
根据本发明优选设置，对应的所述另一焊缝同样以斜坡状的开始区域、中间区域、和斜坡状的结束区域制成，而所述另一焊缝的对应的部分属于所述另一焊缝的中间区域，尤其其中，所述另一焊缝的开始区域和所述焊缝的结束区域在完全完成所述焊缝和所述另一焊缝之后直接彼此相继。换言之，斜坡并不与对应的所述另一焊缝的另一斜坡交搭，而是与对应的所述另一焊缝的正常部分交搭。由此避免统一的焊缝中的局部薄弱部位；统一的焊缝特别有价值。通过所述另一焊缝的开始区域和所述焊缝的结束区域的直接彼此相继，可使双重焊接最小化。
也有利的是一方法变型方案，其中，在以激光射束焊接工件时供应附加材料，该附加材料分布在熔池中，尤其其中，该附加材料作为填充焊条供应。通过附加材料可改善焊缝品质，和尤其实现更好的强度。附加材料使得能将化学元素引入到熔池或者说焊缝中，该化学元素在待焊接的工件部分中不存在或不以对焊缝希望的浓度存在。通过调制激光功率影响熔池动态性，并且，可实现特别良好地将焊缝或者说接合区与附加材料混匀。在使用附加材料时特别有利的是激光功率的高调制深度，尤其Π≥0.7，优选Π≥0.8。附加材料或者说填充焊条可尤其含镍或含硅。
该变型方案的扩展方案设置，在以激光射束焊接工件时将由不同材料制成的两个工件部分相互焊接。通过所供应的附加材料可建立具有要获得的特性的焊缝，使得可建立两个工件部分的材料的良好的机械连接。两个工件部分可尤其由不同类型的钢制成。这些工件部分优选关于激光射束的方向先后布置，其中，熔池穿过前(上)工件部分进到后(下)工件部分中；典型地，熔池(或者说之后的焊缝)的深度延伸尺度的至少1/3位于后(下)工件部分中。在功率调制的范畴中，在这里也可实现焊池的良好混匀。
有利的是，工件部分中的一个工件部分由钢、尤其调质钢制成，而工件部分中的另一工件部分由非钢材料、尤其铝合金制成。通过供应的附加材料和通过以根据本发明的功率调制来改善的混匀，在该情况中也可制成品质良好的焊缝。
本发明的其他优点由说明书和附图得到。前面提到的和在后面还会举出的特征同样可根据本发明单独使用或在多个特征的情况下以任意组合使用。所示和所述的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。
附图说明
在附图中示出本发明且根据实施例详细解释本发明。附图示出：
图1针对两个不同的调制深度以曲线图示出被激光焊接的相同工件类型的工件的相对裂纹长度(向上绘制)，该工件类型具有的经标准化的振荡频率Λco为0.109，相对裂纹长度作为经标准化的频率Λ(向右绘制)的函数示出；
图2工件的焊缝的X射线照相，所述焊缝在调制激光功率的情况下以不同的经标准化的调制频率Λ焊接；
图3在激光射束焊接时工件的示意性横截面视图，以解释本发明；
图4在激光射束焊接时工件的示意性俯视图，以解释本发明；
图5在工件以恒定(未经调制的)激光功率焊接的情况下以曲线图示出实验确定的熔池长度(向上)作为时间(向右)的函数；
图6以曲线图示出图5的数据的傅里叶变换，对应频率份额的(傅里叶)幅值(向上)相对于频率(向右)示出；
图7以曲线图解释经标准化的频率Λ；
图8以曲线图解释经标准化的调制深度Π；
图9为了本发明示出工件的示意图，在该工件上应制成轴向圆焊缝；
图10以曲线图示出平均化的激光功率(上)和经调制的激光功率(下)，它们分别作为地点(分别向右绘制)的函数向上绘制，这是在两个焊缝交搭情况下针对示例性的根据本发明的激光焊接在焊入时示出；
图11以曲线图示出平均激光功率(上)和经调制的激光功率(下)，它们分别作为地点(分别向右绘制)的函数向上绘制，这是在两个焊缝交搭情况下针对示例性的根据本发明的激光焊接在焊透时示出；
图12以曲线图示出在两个焊缝的交搭区域中的相对裂纹长度(向上)，这是在不同的调制频率(向右)的情况下在焊入时；
图13基于图12的曲线图，工件的X射线照相；两个焊缝交搭；以未经调制的激光功率；在焊入时；具有热裂纹形成；
图14基于图12的曲线图，工件的X射线照相；两个焊缝交搭；以在114Hz的情况下调制的激光功率；在焊入时；没有可识别的热裂纹形成；
图15工件的X射线照相；两个焊缝交搭；以未经调制的激光功率；在焊透时；在交搭区域中具有热裂纹形成；
图16工件的X射线照相；两个焊缝交搭；以经调制的激光功率；在焊透时；在交搭区域中没有热裂纹形成；
图17沿着所焊接的焊缝的纵截面，其中，由S235JR钢制成的工件部分从上方在接合附加材料的情况下焊接到由X5CrNi18-10钢制成的工件部分上，a)表示未经调制的激光功率，而b)表示根据本发明的经调制的激光功率。
具体实施方式
图1以曲线图作为经标准化的频率Λ的函数示出焊缝的相对裂纹长度，相对裂纹长度是焊缝的整个长度上出现热裂纹的比例(向上绘制)，在以激光射束焊接焊缝时以所述频率正弦形调制激光功率。工件分别由42CrMoS4类型的调质钢构成；激光焊接以Yb-YAG-激光器进行，并且，进给速度在这里分别为1m/min。
在不调制的情况下得到约31％的相对裂纹长度(见在经标准化的频率0的情况下的左边的三角形)。经标准化的特征振荡频率Λco在此已确定为0.109。
在经标准化的调制幅值Π(也即提到的调制深度)为0.8时(参见菱形)，在经标准化的频率为0.2至1.0的情况下，得到相对裂纹长度的良好减小。在经标准化的频率为0.3，0.4和0.8时，焊缝在实际中已无裂纹。在更小的经标准化的频率和更大的经标准化的频率的情况下，裂纹倾向显著增大。
尤其对于Λ＝0.1，这在这里极精确地相当于Λco，发现约16％的相对裂纹长度，这更确切地说相对于未经调制的情况显著减小，但显著高于在0.2≤Λ≤1.0范围中可实现的值。
注意到的是，经标准化的调制频率Λ0.3约相应于2.7倍的Λco，而调制频率Λ0.8相应于约7.3倍的Λco。
在经标准化的调制幅值Π(也即调制深度)为0.5时(参见方形)，得到相对裂纹长度相对于未经调制的情况的部分减小，但所获得的相对裂纹长度显著高于以Π＝0.8可实现的裂纹长度。
在图2中示出从侧向照到以激光射束焊接的工件的焊缝上的X射线照相，其中，分别应用具有不同的经标准化的调制频率Λ的正弦形功率调制。工件又由42CrMoS4调质钢构成；射入深度EST为4毫米，进给速度为4m/min，射束参数积为16mm*mrad。
在激光功率在时间上恒定的未经调制的情况中(连续波，cw)，可在焊缝中识别到多个扩大的热裂纹。特征振荡频率fco test确定为约31.9Hz，经标准化的特征振荡频率Λco为0.25(其中，df，co test＝0.52毫米，vco test＝4000mm/60s，Sandwich测试焊接结构钢/优质钢)。
在Λ＝0.67和Λ＝0.9的情况中，在焊缝中识别不到热裂纹。
在更高的经标准化的调制频率Λ1.36和1.82时又可识别到热裂纹，在Λ＝1.82情况中甚至几乎是连贯的。经标准化的调制频率Λ因而优选选择为1.0或更小(在考虑其余预给定值之下，尤其考虑相对于Λco的比例)。
图3以概要图示出以激光射束2焊接加工工件1，用于解释本发明。
激光射束2从焊接光具2a出发地取向到工件1上。激光射束2从表面出发侵入到工件1中且在其直接周围环境中将工件材料蒸发。形成金属蒸发毛细孔(也简称为毛细孔)3，该毛细孔在示出的焊入情况中到达直至底部3a(在焊透的情况下，激光射束从下方又从工件出来，这未示出)。在毛细孔3的周围环境中将工件材料熔化，由此由液态工件材料形成所谓的熔池4。因为激光射束2在焊接时相对于工件1运动，在这里向左，所以熔池4在横截面中向右收口。在熔池4的左棱边4a和下棱边4b处，工件材料被熔化，而在熔池4的右棱边4c处工件材料又凝固。在此在焊缝中可能出现热裂纹11。
在以激光射束焊接期间，焊池4的大小一般并不恒定，而是以近似周期性的方式(与熔池表面上的可能的焊接飞溅物无关)波动；该现象称为熔池振荡。熔池振荡可尤其在可变的熔池长度SL方面识别。在很多情况中，熔池振荡与毛细孔3大小，例如毛细孔深度KT相关联；但注意到的是，在经强调制的激光功率的情况中，熔池振荡可通过功率调制的影响叠加或者说主导，尤其是在毛细孔3附近。熔池振荡可借助测量系统8观察，该测量系统在这里与焊接光具2a机械耦合。
在本发明的范畴中，所谓的特征熔池振荡在测试工件上测量，该测试工件以未经调制的激光射束焊接。在测试工件上的焊接在除此之外的与之后焊接真正的工件时相同的条件下(但允许进给速度和焦斑直径不同，因为所述参数可通过标准化补偿)进行；射束参数积和平均化的激光功率(必要时包括斜坡在内)尤其应选择得相同。
在焊接测试工件时观察的特征振荡频率fco test用作确定对于之后焊接真正的工件合适的调制频率f的基础。特征振荡频率fco test典型地针对焊缝的焊接在总体上确定，且，相应地也针对之后对真正的工件的整个焊接确定调制频率f。但特征振荡频率fco test也可针对焊缝的各区段，例如开始区域、中间区域、结束区域或交搭区域(见后图10，图11)，分别确定，并且，相应地分别针对各区段单独确定用于之后焊接真正的工件的调制频率f。首要当焊缝的不同区段的特征振荡频率fco test显著相互不同，例如以多于20％不同(关于较小的振荡频率)时，则进行后者。尤其当开始区域和结束区域作为焊入进行，但中间区域作为焊透进行时，应针对开始区域和结束区域单独求取(或在没有中间区域的情况下针对开始区域和结束区域共同求取，例如在轴向和径向圆焊缝的情况下)特征振荡频率fco test。
在之后焊接真正的工件时，通过根据本发明的功率调制，熔池振荡相对于测试工件的焊接典型地强地减小或甚至完全抵消。如果希望，可在之后焊接真正的工件时控制熔池振荡以控制品质。
在图4中以俯视图示出图3的工件(或者说测试工件)1，该工件在这里由两个工件部分1a，1b构成和沿着焊缝5焊接。激光射束焦斑6相对于工件1向左运动，使得首先在激光射束焦斑6的右边形成熔池4。熔池4的大小在这里基本上周期性地在最小延伸尺度7(实线示出)和最大延伸尺度8(点示出)之间波动。
为了确定特征振荡频率fco或者说经标准化的特征振荡频率Λco，以测量系统感测合适的特征参数，该特征参数代表熔池的大小在时间上的发展。最简单地，为此尤其以热成像摄像机直接感测熔池的大小。例如可有规律地或连续地感测工件的面上的温度高于工件材料的熔化温度(或在熔化温度和蒸发温度之间)的部分。但一般足够的是，例如感测熔池长度SL或熔池宽度SB，例如相对置的材料点的间距，在所述材料点处刚好是熔化温度(或者说凝固温度)。同样可能的是，在熔池4中的关于激光射束焦斑6的位置而言固定的点9处或在熔池4的热痕迹中的固定点10处有规律地或连续地感测温度。典型地，固定点9，10在此以激光射束焦斑6的直径df的多倍(例如至少2倍或至少4倍)与激光射束焦斑6的边缘间隔开，或也可以以最小熔池长度SL(在延伸尺度7的情况中)的至少1/4沿着焊接方向与激光射束焦斑6的边缘间隔开。固定点9，10能够但不必须地位于焊缝5的中间。
图5在以连续波(cw)激光在无功率调制的情况下进行激光射束焊接时(仍以以下条件，材料为42CrMoS4类型的钢，Yb-YAG-激光器，EST为4毫米，且SPP为16mm*mrad)作为时间(向右绘制)的函数示出热成像地根据热衰减长度确定的熔池长度SBL(向上绘制)，作为熔池振荡的特征参数。已经以裸眼就可识别的是，熔池以约大于3Hz的频率振荡，其中，熔池长度每调制周期以约2毫米波动。
熔池长度(SBL)在这里通过蒸气毛细孔的前侧和熔池末端之间的距离限定。熔池末端在这里假设在具有最小半值宽度的热辐射强度变化过程(垂直于进给方向)的地点上(关于激光的进给方向)。半值宽度的最小值一方面由尖地聚拢的熔池形状且另一方面由于在熔池后形成宽的热痕迹产生。蒸气毛细孔的前侧的求取通过沿着进给方向的强度变化过程进行且通过地点限定，在该地点处首次达到摄像机传感器的最大可测强度。
在图6中示出图5的熔池长度SBL的傅里叶变换；向右绘制的是频率，而向上绘制的是对应的频率份额的(傅里叶)幅值。
在约3.6Hz处出现最强的频率份额(峰值)，即傅里叶波谱中具有最大(傅里叶)幅值的地点；在该频率处良好地近似熔池的(特征)振荡频率fco。
所有频率份额的平均幅值在这里为约0.3。而在熔池振荡的上述频率(参见3.6Hz处的峰值)处，幅值为约2.4。因而得到经标准化的幅值，其作为在上述熔池振荡频率处观察到的幅值和所有频率份额的平均幅值的商算出，该商为约8。经标准化的(傅里叶)幅值可考虑为用于熔池振荡的幅值的尺度参数，如果希望的话，例如用于品质控制。熔池振荡的小幅值一般会伴随着焊缝中出现热裂纹的概率小。
为了为激光功率调制确定合适的频率f，应观察经标准化的频率。激光的调制频率f可以以公式
换算成经标准化的频率Λ，其中，df表示激光射束焦斑的直径，v表示在激光射束焊接期间激光射束相对于工件的(恒定的)进给速度，在这里也参见图7。Λ的倒数在此给出：激光射束焦斑的直径df以何种频次经过调制长度lM。调制长度lM表示激光射束在激光功率P的一个调制周期期间走过的路程(参见图7中的x方向)。
相应地也可由测试测量的具体振荡频率fco确定经标准化的特征振荡频率Λco。
为了表征激光射束的功率调制，可使用经标准化的调制幅值Π。这定义为
在这里也参见图8。Pmin在这里表示一个调制周期的最小激光功率，而Pmax表示一个调制周期的最大激光功率(调制周期例如是从激光功率P的一个最大值到下个最大值的时间)。除了调制频率f(偶尔也称为fM)和经标准化的调制幅值Π之外，可给激光功率还配属平均(平均化的)激光功率Pav，该平均激光功率基本上是一功率，激光功率P通过调制绕该功率波动。图8在这里示出正弦形功率调制；但要注意的是，其他调制类型、尤其脉冲形调制也是可能的。
图9以示意图示出工件1，在该工件1上在本发明的范畴中应焊接轴向圆焊缝。由此应将环形的工件部分1a和放入其中的实心柱形的工具部分1b沿着焊缝5相互固定连接。要注意的是，焊缝5与真实不同在这里稍微张开，以更好地识别特点。
焊缝5在开始区域91中、接着在中间区域92中和最后在结束区域93中焊接。焊缝5自身交搭，从而开始区域91与焊缝5的(中间区域92的)部分94交搭，而结束区域93与焊缝5的(中间区域92)的部分95交搭。开始区域91和结束区域93沿焊缝5的周向直接彼此相继。
在区域91/94和95/93中，焊缝5双重焊接(参见交搭区域104)。但在焊接开始区域91时激光功率被增大，和而在焊接结束区域93时激光功率被减小(“斜坡”)。根据本发明，在焊接开始区域和结束区域时也发生激光功率的调制。
这例如可根据图10看出。图10以两个子曲线图示出激光功率(向上绘制)作为时间(向右绘制)的函数，这是在以焊入的方式焊接(第一)焊缝5的情况，该第一焊缝5与另一(第二)焊缝100交搭。
焊缝5具有开始区域91，中间区域92和结束区域93。另一焊缝100(虚线示出)自身具有开始区域101，中间区域102和结束区域103。交搭区域104包括开始区域101与中间区域92的部分105的交搭和结束区域93与中间区域102的部分106的交搭，其中，开始区域101和结束区域93直接彼此相继。
在图10的上曲线图中，平均(平均化的)激光功率(向上)作为地点(向右)的函数绘制。在开始区域和结束区域91，93，101，103中，在这里设置成激光功率从P1向P2线性变化或反过来(“斜坡”)；中间区域的平均激光功率P3相应于对应斜坡的上端部处的功率P2。在图10的下曲线图中，经调制的激光功率(向上)作为地点(向右)的函数绘制；调制绕平均激光功率进行，在这里以到处都相同的约0.8的经标准化的调制幅值Π(在例如600W至3000W之间的中间区域中)进行。
通过(以合适的调制频率Λ)调制，可减少或减小工件中的热裂纹形成，既在开始区域和结束区域91，93，101，103中，也在中间区域92，102中，和尤其也在交搭区域104中减少或减小。连贯的调制首先适用于焊入，其中，在中间区域92，102中，激光射束也留在工件中且尤其并不穿透。
为了测量测试工件，可在不调制的情况下应用在图10的上曲线图中给出的功率。
图11以两个子曲线图示出焊缝5的焊接，该焊缝与另一焊缝100交搭，类似于图10，但在中间区域中焊透。主要解释与图10的区别。
在图11的上曲线图中，平均激光功率(向上)作为地点(向右)的函数示出，在该上曲线图中可看到，在开始区域91，101结束时平均激光功率跳变地从P2上升到对应的中间区域92，102的提高的恒定激光功率P3。提高的恒定激光功率P3足以在中间区域92，102中引起工件的焊透，即激光射束在工件的另一边又从工件射出。激光功率从P3到P2的类似跳变在结束区域93和103开始时发生。
在中间区域92，102中发生焊透，在中间区域中激光功率不需调制，因为在焊透中一般不形成带来问题的热裂纹。但在作为焊入实施的开始区域和结束区域91，93，101，103中，和尤其在交搭区域104中发生功率调制，就像在图11的下曲线图中可看到的那样。由此可避免在那里形成热裂纹。
对于开始区域和结束区域91，93，101，103，典型地以测试工件事先单独确定(与中间区域92，102无关地)特征振荡频率fco test，以可合适地选择在制造真正的工件期间的调制频率f。如果斜坡短到使得很难确定对应的特征振荡频率fco test，则能以通过一焊接过程近似的方式确定斜坡的特征振荡频率fco test，该焊接过程以在对应斜坡的最高激光功率P2的情况下的恒定激光功率进行；在该最高激光功率P2时一般存在形成热裂纹的最大危险。
图12以两个焊缝的交搭区域为基准以曲线图示出相对裂纹长度(向上)，这是在在不同调制频率的情况下以功率调制来对工件进行激光射束焊接时，其中，焊缝作为焊入实施(参见图10)。工件材料又是42CrMoS4类型的调质钢，以Yb-YAG-激光器焊接，SPP为4mm*mrad，进给速度为4m/min。
在调制频率为57Hz和114Hz时，可很大程度上避免交搭区域中的热裂纹。与之相对地，在171Hz的较高调制频率的情况下，交搭区域中的相对热裂纹长度显著增大。在不进行功率调制(在0Hz的情况下在左边标记)时，出现约63％的极大的热裂纹长度。特征振荡在未经调制的情况中在12至25Hz的范围中出现，相应于(求平均的)约19Hz的特征振荡频率fcotest，又相应于(求平均的)约0.033的经标准化的特征振荡频率Λco(其中，与经调制的焊接一样，df，co test＝0.116毫米和fco test＝4m/min)。
在图13中示出在侧向照到整个焊缝上的X射线照相，这针对图12的实验的不调制的情况；交搭区域以斜的点状线标记。在交搭区域中以及在一重焊接的区域(中间区域)中可明显识别热裂纹。
图14示出整个焊缝上的X射线照相，这是针对图12的实验的以114Hz调制的情况；交搭区域又以斜的点状线标记。在实际中识别不到热裂纹。
图15示出从侧面对典型工件的X射线照相，具有两个交搭的焊缝，焊缝实施为焊透。激光功率不调制，也不以斜坡进行。工件材料又是42CrMoS4类型的调质钢，Yb-YAG-激光器，SPP为4mm*mrad。在通过连续的斜点状线标记的交搭区域(斜坡区域)中，可明显识别到热裂纹形成。但焊缝的一重焊接的区域(中间区域)没有热裂纹，这位于焊透处。
图16示出从侧面对典型工件的X射线照相，具有两个交搭的焊缝，焊缝实施为焊透。激光功率在这里在斜坡中以Λ＝0.3调制。工件材料又是42CrMoS4类型的调质钢，Yb-YAG-激光器，SPP为16mm*mrad。在通过连续的斜点状线标记的交搭区域(斜坡区域)中以及在工件的其余部分中不能识别到热裂纹。
图17分别沿着焊接的焊缝示出纵截面a)和b)，其中，由S235JR钢构成的工件部分在供应含镍的填充焊条(2.04806)的情况下从上面被焊接到由X5CrNi18-10钢构成的工件部分上，a)是以未经调制的激光功率(激光功率1.8kW，SPP为16mm*mrad)进行，而b)是以根据本发明的经调制的激光功率(激光功率1.8kW，SPP为16mm*mrad，调制幅值Π＝0.8，经标准化的调制频率Λ＝0.4)进行，在两种情况中焊接速度为1m/min，焊条进给速度为4m/min，焦点位置为负0.2毫米。工件部分分别具有2.5毫米的厚度。熔池分别穿过上工件部分和进到下工件部分中。
在未经调制的激光功率的情况a)中，在焊缝中可在铁素体式和奥氏体式凝固的组织部分之间识别到多个强的线状和面状的相边界，这证明熔池的低的混匀。而在根据本发明的经调制的激光功率的情况b)中，焊缝基本上均匀，这表示熔池的良好混匀。

Claims (20)

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，
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，fco test：在所述测试测量时所测量的特征振荡频率；df，co test：在所述测试测量时激光射束焦斑(6)的直径；vco test：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，尤其线性提高，并且，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)的结束区域(93)时随累进的焊接位移减小，尤其线性减小，并且，
在以激光射束焊接所述开始区域(91)和所述结束区域(93)时调制所述激光功率(P)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在以激光射束焊接所述焊缝(5)的在所述开始区域(91)和所述结束区域(93)之间的中间区域(92)时也调制所述激光功率(P)，并且，在所述中间区域(92)中激光射束焊接作为焊入进行。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在以激光射束焊接所述焊缝(5)的在所述开始区域(91)和所述结束区域(93)之间的中间区域(92)时并不调制所述激光功率(P)，并且，在所述中间区域(92)中激光射束焊接作为焊透进行。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，在以激光射束焊接所述中间区域(92)时应用一恒定的平均激光功率(Pav)。
13.根据权利要求9至12之一所述的方法，其特征在于，所述焊缝(5)的开始区域(91)和结束区域(93)分别与所述焊缝(5)的一另外的部分(94，95)交搭。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述焊缝(5)的所述另外的部分(94，95)分别属于所述焊缝(5)的中间区域(92)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，
所述焊缝(5)是轴向圆焊缝或径向圆焊缝，
尤其其中，所述开始区域(91)和所述结束区域(93)在完全制成所述焊缝(5)之后沿周向直接彼此相继。
16.根据权利要求9至12之一所述的方法，其特征在于，所述焊缝(5)的开始区域(91)和/或结束区域(93)分别与另外的焊缝(100)的一部分(106)交搭。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，各所述另外的焊缝(100)同样按根据权利要求9至12之一所述的方法制成，并且，所述另外的焊缝(100)的对应的部分(106)属于所述另外的焊缝(100)的中间区域(102)，尤其其中，所述另外的焊缝(100)的开始区域(101)和所述焊缝(5)的结束区域(93)在完全制成所述焊缝(5)和所述另外的焊缝(100)之后直接彼此相继。
18.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在以激光射束焊接所述工件(1)时，供应附加材料，该附加材料分布在所述熔池(4)中，尤其其中，该附加材料作为填充焊条供应。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在以激光射束焊接所述工件(1)时，将两个工件部分(1a，1b)相互焊接，所述两个工件部分由不同的材料制成。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述工件部分(1a，1b)中的一个工件部分由钢、尤其调质钢制成，并且，所述工件部分(1a，1b)中的另一个工件部分由非钢材料、尤其铝合金制成。
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