CN109982807A - 用于通过将激光束入射到由另一激光束产生的小孔开口来深熔焊接工件的方法和激光焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于深熔焊接工件(2)的方法，其中，通过第一激光束(11)和第二激光束(12)照射工件(2)的表面，其中，在工件表面平面(OE)中第一激光束(11)的第一射束宽度B1大于第二激光束(12)的第二射束宽度B2，并且，至少在射束工件表面平面(OE)中第二激光束(12)处于第一激光束(11)之内，其中，第一激光束(11)的强度独自足够用于在工件(2)中产生蒸汽小孔(6)，并且，在工件(2)中产生的蒸汽小孔(6)在工件表面平面(OE)中具有小孔宽度KB，其中，KB基本上与B1一样大，并且进一步适用B2≤0.75*KB。提供了一种激光深熔焊接方法，其中，在大的焊入深度和高的进给速度的情况下可以实现良好的焊缝质量。本发明还涉及一种激光焊接装置。

Description

用于通过将激光束入射到由另一激光束产生的小孔开口来深 熔焊接工件的方法和激光焊接装置

技术领域

本发明涉及一种用于深熔焊接工件的方法，其中，通过第一激光束和第二激光束照射所述工件的表面，其中，在工件表面平面中，第一激光束的射束宽度B1大于第二激光束的射束宽度B2，并且，至少在该工件表面平面中，第二激光束位于第一激光束之内。

背景技术

这种方法由US 2006/0157457 A1已知。

通过激光束焊接，工件可以以相对高的速度在窄的焊缝上相互连接。在工件中仅相对少地引入热量，使得不出现或仅出现少的热变形。

在激光深熔焊接时，工件材料不是仅表面融化，而是在熔池中构成沿照射方向的蒸汽小孔。由此，激光辐射可以在更大的深度中推进，由此可以产生工件之间更强的连接。

通过高品质的激光束，也就是说小的光束参数乘积(定义为最薄部位上的张开角度*激光束半径，通常缩写为SPP)可以实现特别大的焊入深度。另一方面，通过低品质的激光束，也就是说大的光束参数乘积，可以在高的进给速度的情况下实现优良的焊缝质量。

焊缝的质量尤其通过焊接飞溅的构成而受到损害。液态工件材料从熔池甩出，这在焊缝中引入缺口并且导致焊缝中的材料损失，由此，焊缝被机械地削弱并且也污染环境。

在现有技术中已尝试，通过使用多个激光束来影响焊接过程的质量。

由US 2006/0157457 A1已知，将第一激光束和第二激光束在工件上叠加。第二激光束的光斑小于第一激光束的光斑，其中，第二激光束的光斑位于第一激光束的光斑之内。第二激光束对准到形成的蒸汽小孔上。在工件具有高反射率的情况下，该方法可以实现大的焊接深度和焊接宽度以及高的焊接速度。

相似的方法例如由DE 10 2006 011 064 B4，EP 1 007 267 B1，DE 197 511 95，DE 198 59 243 A1和JP 45 80065 A已知，在这些方法中，具有小光斑的激光束产生蒸汽小孔并且被具有更大光斑的另一激光束叠加，以便堆周围的熔池产生影响。

US 7,807,939 B2描述了一种激光焊接方法，其中，两束激光在时间上交替地照射工件。

由JP 2004358 521 A已知另一种激光焊接方法，其中，来自不同激光源或相同激光源的激光束被叠加并且在工件的不同深度处聚焦。由JP 2006 263 771 A已知一种在具有不同波长的激光源的的类似方法。

JP 2003 340 582 A建议，将激光束分成具有小直径和高能量的主光束以及具有大直径和低能量的副光束并且将它们不同地聚焦。通过主光束产生蒸汽小孔。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种激光深熔焊接方法，其中，在大的焊入深度和高的进给速度的情况下可以实现良好的焊缝质量。

该任务通过开头提到的类型的方法解决，其特征在于，第一激光束的强度独自足够用于在工件中产生蒸汽小孔，并且，在工件中产生的蒸汽小孔在工件表面平面中具有小孔宽度KB，其中，KB基本上与B1一样大，并且进一步适用B2≤0.75*KB。

根据本发明，第一激光束的强度选择得这样大：使得该激光束本身已经能够在工件中(或者说在要被连接成工件的工件部分的边界面上)产生蒸汽小孔。相应地，通过第一激光束在工件的表面平面中已经产生开口。

与第一激光束相比较小的第二激光束可以穿过开口对准，使得第二激光束在工件的靠近表面附近的区域中不遇到溶液(或者甚至固态的工件材料()，该区域通常至少包括工件的上三分之一(关于工件中的深度而言)。在距工件表面的一定距离处，通常在蒸汽小孔的中间三分之一和下三分之一(关于工件中的深度而言)中，才在蒸汽小孔相对于周围熔池的边界面上发生第二激光束的吸收和反射，其中，能量被释放。

因此，第二激光束利用通过第一激光束完成的蒸汽小孔的开口，以便在无(或者仅有很少)能量损失的情况下到达蒸汽小孔的较深的区域中，以便在那里释放其能量。

在根据本发明的方法的范围内蒸汽小孔的小孔宽度KB基本上相当于第一激光束(照射到工件表面平面中)的第一射束宽度B1；在这里大多适用|KB-B1|≤0.2*B1，优选|KB-B1|≤0.15*B1，并且经常还适用|KB-B1|≤0.1*B1。在许多情况下也适用B1≤KB。

通过在工件上部区域中与单个激光束相比较少的能量输入，熔池上部分中的熔液流动动态变化减小。熔液的流动速度减小，并且湍流的趋势降低。另一方面，这使飞溅形成减少或者说可以在激光焊接过程中利用较高的进给速度。同时，可以通过第二激光束在在较大深度处提供许多能量，由此，与低射束品质的单个激光束相比可以增大焊入深度，并且此外实现细长的缝隙形状。

在本发明的范围中，可以通过比现有技术中更少的激光功率在高焊缝质量的情况下实现预给定的焊入深度。由此提高了能量效率，使得可以降低运行成本和投资成本。此外，更有针对性的能量耦入导致向工件(构件)中更少的热量带入并且因此减小了残余应力和工件变形。

通常，第一激光束的强度恰好足够用于由第一激光束独自在工件中产生(稳定的)蒸汽小孔；通常，第一激光束的强度最大是为由第一激光束独自产生稳定的蒸汽小孔所需的两倍高。

对于宽度(例如B1，B2，B3)的所说明的关系至少适用于沿着激光焊接过程的进给方向(焊接方向)的情况，通常也对于工件表面平面内(或平行于工件表面平面)的每个方向适用。优选地，在本发明的范围中也适用B2≤0.5*KB或者也适用B2≤0.4*KB或者甚至适用B2≤0.3*KB。优选也适用B2≤0.5*B1或B2≤0.4*B1。

第一和第二激光束可以通过共同的激光源产生或者也通过分开的激光源产生。通常，第一激光束和第二激光束是同轴的。可以注意到，(在工件表面平面中)第二激光束可以与第一激光束重叠，或者第一激光束也可以环状包围第二激光束。

在根据本发明的方法的优选变型方案中，第一和第二激光束关于垂直于工件表面延伸的z方向具有相同的焦点位置或相互间距小于1mm的焦点位置。在这种情况下可以对于两个激光束使用特别简单的、尤其共同的成像光具。此外，通常可以在特别大的深度处进行第二激光束的能量引入；第二激光束的光束断面可以优化地利用通过第一激光束产生的蒸汽小孔的自由空间。

还优选一种实施方式，其中，第一和第二激光束的焦点位置在工件表面平面中或在工件表面之下位于蒸汽小孔内。由此，焊缝质量被优化。通常，共同的焦点或较深处的焦点最多位于与蒸汽小孔的深度延伸或者工件厚度(关于z方向)的一半深度处。

尤其优选一种变型方案，其中，第二激光束比第一激光束具有更好的射束质量(也称作射束品质)，尤其是SPP1≥2*SPP2，优选SPP1≥4*SPP2，其中，SPP1是第一激光束的光束参数乘积，SPP2是第二激光束的光束参数乘积。由此，在焊缝质量良好的情况下不仅可以实现大的焊入深度而且也可以实现高的进给速度。在本发明的范围中，低的SPP、即高的射束质量、也就是说大的焊入深度的优点可以与高的SPP、即低的射束质量、也就是说更好的焊缝质量或者说可选择得更高的进给速度的优点相结合。

也优选一种变型方案，其中，对于第一激光束的第一激光功率L1和第二激光束的第二激光功率L2适用：L2≥L1，优选L2≥2*L1。这在实践中已证明，以便在蒸汽小孔的较大深度处得到大的能量输入。特别地，以相同的激光功率L2＝L1也得到良好的焊接结果。第二激光束独自的强度也足够用于在工件中产生蒸汽小孔。此外通常还适用L2≥5*L1。替代地也可以选择L2＜L1。通常适用，第二激光束在焦点中的强度恰好和第一激光束在焦点中的强度一样高。

进一步优选一种变型方案，其中，对于第一激光束的第一聚焦角度W1和第二激光束的第二聚焦角度W2适用：W2≥W1。尤其在共同焦点位置处于工件表面下的情况下，通常可以避免第二激光束在工件表面附近与熔液的不期望的接触。此外，通常可以设置(与第一激光束相比)第二激光束的特别狭窄的光束聚焦面。替代地也可以设置W2<W1。

在优选的变型方案中设置，对于蒸汽小孔的处于该蒸汽小孔的靠近工件表面的上四分之一中的最小宽度KD和第二激光束的处于该蒸汽小孔的上四分之一中的最大宽度G2，适用：0.8*KD≥G2，优选0.6*KD≥G2。由此可以减少在蒸汽小孔的靠近表面的四分之一中向熔池中的能量输入，实现特别好的焊缝质量或者说特别高的进给速度。优选地，关于第一激光束在蒸汽小孔的上四分之一中的最小宽度K1也适用：0.8*KD≥G2或0.6*KD≥G2。

也优选一种方法变型方案，其中，第一激光束和第二激光束与共同的射束轴线同轴地定向。通过同轴定向，第二激光束可以进入到工件的特别大的深度处，而不会首先与熔液相遇。此外，焊接装置可以具有简单的结构。

优选一种针对此的扩展方案，其中，共同射束轴线基本上垂直于工件表面延伸。由此优化了焊入深度。特别地，可以选择射束轴线与工件表面的垂线偏差5o或更小，优选偏差0o。然而，按照接合方式和焊缝类型而定，也可以使用其它入射角，尤其与工件表面的垂线偏差大于5o。

优选地，第一和第二激光束共同地在一个光导体中被引导，因为由此可以实现用于光传输和在工件上成像的特别简单的结构。在此可以通过例如使用激光束的不同耦入角度、在光纤入射面上的不同耦入位置(例如在中心或偏心)和/或激光束的不同波长来利用共同的光纤，或者可以使用多重光纤或多芯光纤(也就是说多个并列的或同轴嵌套的光纤芯)。

进一步优选一种变型方案，其设置，第一和第二激光束在具有芯光纤和环光纤的2合1光纤中被引导，尤其是其中，第一激光束在环光纤中被引导并且第二激光束在芯光纤中被引导，第一和第二激光束在工件之前从2合1光纤的光纤端部射出，具有环光纤和芯光纤的光纤端部借助共同的光具在共同焦点中成像到工件上或工件中，由此第一和第二激光束被共同的光具对准工件，尤其是其中，共同的光具包括、优选仅包括准直透镜和聚焦透镜。通过该变型方案可以对于激光传输和在工件上成像使用特别简单的结构。

在该变型方案的优选扩展中设置，共同的激光源产生原始激光束，其中，原始激光束的第一部分偏心地耦入到环光纤中并且形成第一激光束，并且原始激光束的第二部分耦入到芯光纤中并且形成第二激光束。由此可以实现，以唯一一个激光源(光束源)以简单的方式自动地通过(共同)耦入到2合1光纤中而提供高射束质量部分光束和低射束质量的部分光束。根据原始激光束分量耦入到哪个光纤中，该分量以不同的激光束特性在另一光纤端部上射出。为了控制芯光纤和环光纤上的射束分量，可以设置可运动到原始激光束的光路中的楔形板。2合1光纤已被证明对于产生不同的激光特性是特别有利的，其具有芯光纤和环光纤，芯光纤具有≤150μm的、尽可能小的芯光纤直径，环光纤具有大于三倍芯光纤直径的外直径。

在替代的变型方案中设置，第一激光源产生第一激光束并且第二激光源产生第二激光束，并且第一激光束和第二激光束借助分束器元件叠加。在这种所谓的双光斑技术中可以对于第一和第二激光束自由选择激光源。总的来说，相应激光焊接装置的结构是简单的并且成本低廉的。

在这种变型方案的扩展中，叠加的激光束通过共同的聚焦光具、尤其是聚焦透镜对准到工件上。这特别简单并且在实践中被证明。

另一个替代的实施方式设置，第一和第二光纤在具有两个并列的、相互平行的激光光纤的双芯光纤中被引导，第一和第二激光束在工件(2)之前从双芯光纤的光纤端部射出，并且，激光光纤的光纤端部通过共同的光具在共同的焦点中成像到工件上或该工件中，由此第一和第二激光束由共同的光具对准到工件上，尤其是其中，共同的光具包括、优选仅包括准直透镜和聚焦透镜。由此可以对于光传输和激光束在工件上成像实现激光焊接装置的相对更简单的结构。

在本发明的范围中也涉及一种激光焊接装置，其构造为用于执行根据本发明的上述方法。通过该激光焊接装置可以在大的焊入深度和高的进给速度和好的焊缝质量的情况下焊接工件、尤其是钢工件。

由说明书和附图得知本发明进一步的优点。根据本发明，上述的和还要进一步解释的特征也可以分别单独地使用或者以多种任意组合来使用。示出的和说明的实施方式不应该被理解为穷尽的列举，而是具有用于说明本发明的示例性特点。

附图说明

在附图中示出并且借助实施例进一步说明本发明。附图示出：

图1在根据本发明的深熔焊接方法的变型方案中，穿过本发明的激光焊接装置的一部分和工件的示意性纵截面；

图2在通过高射束质量的激光束a)、通过根据本发明的两个激光束b)和通过低射束质量的激光束c)在以低焊接速度焊接时，穿过焊缝的实验性横断面磨片(分别在上方)和焊缝的俯视图(分别在下方)；

图3在根据本发明的变型方案中在通过两个激光光束a)和通过一个激光光束b)以高焊接速度焊接时，熔池的实验性侧视图(分别在上方)、焊缝的俯视图(分别在中间)和焊缝的横截面(分别在下方)；

图4在使用一个激光束a)和在根据本发明的变型方案中通过两个激光束b)焊接时熔池的实验性斜视图；

图5在具有分束器元件的双光斑技术中，本发明的激光焊接装置的第一实施方式的示意性视图；

图6穿过用于结合本发明使用的2合1光纤(上方)以及穿过相关的光束产生结构(下方)的示意性纵向剖视图；

图7用于结合本发明使用的双芯光纤组件的示意性视图；

图8根据本发明的激光焊接方法的一个变型中的第一和第二激光束的光束焦散面的示意图，具有近似相同的张开角度；

图9在根据本发明的激光焊接方法一个变型中的第一和第二激光束的光束焦散面的示意性示出，具有不同的张开角度。

具体实施方式

在激光束深熔焊接中，通过激光束和工件之间的相对运动使蒸汽小孔(匙孔)穿过液态熔池运动。在此，在进给速度过高的情况下大量融化飞溅物分离并且其通过形成缺口而降低焊缝的质量。

在传统的激光束深熔焊接中，激光能量的大部分在蒸汽小孔的上部区域中被吸收。在该区中，激光束首次遇到工件。通常此处也定位了燃烧平面。相应地，最大功率密度的位置也位于此处。

随着吸收能量增加，熔液流动动态增强，并且在达到临界值时出现上述负面的效应，这些效应引起缝隙中的质量损失和/或显著的循环溶液流动行为。

如果使用具有非常好的射束质量(也称作射束品质)的激光束，则与低射束质量的激光相比(在能量输入相同的情况下)产生的焊入深度提高。然而，良好焊缝质量的边界向低进给速度偏移。发明人认为，对此的原因是表面附近的吸收功率密度特别高。此外，在使用具有高射束质量的激光束时形成较窄的蒸汽小孔，其在高速度的情况下与通过低射束质量的激光束形成的较宽蒸汽小孔相比更快地面临坍塌。

通过本发明，在一些部分中能量耦入有针对性地向蒸汽小孔的更深的区中移位，使得在良好焊缝质量的情况下对于尽可能大的速度范围实现大的焊入深度。

图1在示意性纵截面中示出工件2中的熔池1的区域，所述工件恰好以根据本发明的深熔焊接方法的变型方案通过激光焊接装置3(在图1中仅部分示出)被焊接。在此，(相关的)焊接方向SR指向左边，例如其方式是，工件2(在此外激光焊接装置3位置固定的情况下)向右移动。

在此，第一激光束11和第二激光束12沿共同的射束轴线4共轴地被引导并且借助激光焊接装置3的聚焦光具5聚焦到工件2上，例如以便将接触面位于图1的图平面中的两个工件部分焊接成工件2。在此，射束轴线4垂直于工件表面平面OE延伸。在此，两个激光束11,12都具有(关于射束轴线4)基本上旋转对称(圆形)的强度断面。可以将强度下降到最大强度一半之处看作激光束11,12的边界。

在示出的变型方案中，两个激光束11,12都在工件表面平面OE中具有其焦点，使得在此处激光束11,12分别具有其最小直径(腰)。第一激光束11在工件表面平面OE中的直径(FWHM)(称为第一射束宽度B1)明显大于第二激光束12在工件表面平面OE中的直径(FWHM)(称为第二射束宽度B2)，在这里大约为B2＝0.25*B1。总的来说，第二激光束12的焦散面小于第一激光束11的焦散面。

第一激光束11独自具有足够的强度，以便在工件2中产生蒸汽小孔6。相应地，蒸汽小孔6在工件表面平面OE中的小孔宽度KB大致和第一射束宽度B1一样大；在示出的变型方案中此处KB稍微大于B1，此处大约为KB＝1.15*B1。围绕蒸汽小孔6周围布置有熔液(熔化的工件材料)，其中，熔池1的极大部分(关于焊接方向SR)位于蒸汽小孔6之后。

因为第二激光束12的第二射束宽度B2明显小于第一激光束的第一射束宽度B1，所以第二激光束12可以通过蒸汽小孔6的开口7，而不碰到熔池1的熔液。在示出的变性方案中，第二激光束12在蒸汽小孔6的边界面上的第一部分吸收8在蒸汽小孔6的中间三分之一内(参考进入工件2中的z方向)才出现，而光束的未吸收部分被反射，参见虚线画处的、反射的第二激光束12。相应地，第二激光束12在表面附近几乎不将能量带入熔池1中。可以注意到，第一激光束11明显更上方处已经首次部分地被吸收并且部分地被反射，参见用点画出的、反射的第一激光束11。

在蒸汽小孔6的上四分之一9中，可以确定第二激光束12(此处在上四分之一9的下边缘处)的最大宽度(直径)G2和蒸汽小孔6(此处也在上四分之一9的下边缘处)的最小宽度(直径)KD。也可以确定第一激光束11(此处在该四分之一9的上边缘处，即在工件表面平面中)最小宽度(直径)K1。在示出的变型方案中约有G2＝0.46*KD并且还约有G2＝0.5*K1。由于G2明显小于KD或者说K1，因而第二激光束12的入射能量主要在蒸汽小孔6的下部区域中、而恰好不在上四分之一9中被输送到熔池1中。

由于在蒸汽小孔6的更深区域中的第二激光束12能量入射，可以减小熔池动态变化，尤其在表面附近。涡流被抑制或者说减少。由此减少了焊接飞溅的分离，并且减少了产生的焊缝的波纹。

在示出的实施方式中，第一激光束的光束参数乘积SPP1是第二激光束12的光束参数乘积SPP2的大约2.7倍，也就是说，第二激光束12具有更好的射束品质。通常选择多模激光束作为第一激光束(具有小的射束品质)。光束参数乘积SPP1，SPP2可以作为各自的焦点角度(在远场中的张开角度)W1，W2与各自的激光束11,12在焦散面的最窄部位处的半径(此处即射束宽度B1，B2的一半)的乘积求得。在示出的变型方案中W1＜W2，在此大约为W1＝0.68*W2。

为了在高进给速度(焊接速度)的情况下产生高质量的焊缝，第一激光束11引发具有足够大的直径的蒸汽小孔(匙孔)6的形成，尤其是上方的开口7的形成。同时，第二激光束12(此处共轴地)对准或者说聚焦到形成的蒸汽小孔6中，其中，第二激光束12的焦散面小于第一激光束11的焦散面。第二激光束12的能量在蒸汽小孔6的下部区域中才被吸收/耦入。与现有技术相比在蒸汽小孔上部区域中吸收的能量降低而在下部区域中增高；结果，提高了焊入深度，其中，尽管如此仍可以实现高进给速度。

实验结果

对于图2的照片，由结构钢形成的工件经受盲焊接，其中，a)激光束具有SPP＝2mm*mrad，焦点直径150μm，激光源TruDisk5000.5，进一步，b)根据本发明，两个同轴的激光束具有SPP＝2mm*mrad和SPP＝8mm*mrad，焦点直径150μm和300μm，激光源TruDisk5000.5和TruDisk16002，并且进一步，c)激光束具有SPP＝8mm*mrad，焦点直径300μm，激光源TruDisk16002。在所有情况下，进给速度为1m/min并且总激光功率为P＝2kW，在b)情况下每个激光束1kW。焦点位置分别在工件中-4mm处。

如从图2的分别在上方的横截面图中可以看出，在激光功率相同的情况下，通过具有SPP 2mm*mrad的激光束可以实现6.1mm的焊入深度，而通过具有SPP 8mm*mrad的激光束仅可以实现4.0mm的焊入深度。通过将具有SPP 2mm*mrad和SPP 8mm*mrad的两个激光组合，在功率总体相同的情况下，可以实现4.6mm的焊入深度，即明显大于具有SPP 8mm*mrad的一个激光束的情况。

在1m/min的相对低的进给速度的情况下，在所有工件中实现了可接受的焊缝质量，参见分别在下方的俯视图。

如果选择更高的进给速度，则焊缝质量被强烈影响。对于图3，再次焊接由结构钢形成的工件，一方面，a)根据本发明，两个同轴的激光束具有SPP＝12mm*mrad和SPP＝3mm*mrad，另一方面，b)一个激光束具有SPP＝8mm*mrad。总激光功率分别为5kW(在两个激光的情况下两个分别2.5kW)，焦点位置-2mm，进给速度8m/min。

由在焊接过程中分别在上方拍摄的侧视图可以看出，通过两个激光束a)得到一个平静的熔池，然而通过一个激光束b)出现明显的熔滴喷溅(焊接飞溅)。如借助在图3中部的俯视图可以看出，在使用两个激光束的情况下a)焊缝质量非常好，然而在使用仅一个激光b)的情况下得到具有许多凸起的不均匀焊缝。在图3中下部的横截面照片中也可以看出，在b)情况下焊缝由于材料损失而构成显著的凹陷并且具有不均匀的表面凸起，而在a)情况下可以看到没有凹陷并且对称的、居中的焊接凸起。

在图4中分别以斜视图示出在焊接由结构钢形成的工件时更大的图片局部，在a)情况下一个激光束，焦点直径440μm，在b)情况下根据本发明具有两个激光束，焦点直径110μm和440μm。进给速度分别为10m/min，总激光功率分别5kW(在两个激光束的情况下两个分别为2.5kW)，并且焦点位置分别为-2mm。

在仅适用一个激光束a)的情况下出现指向后方的马尾状焊接飞溅喷射，而在使用两个激光束b)的情况下仅观察到极小的焊接飞溅喷射。

激光焊接装置

在图5中以示意图示出了用于本发明的激光焊接装置3的实施方式。示出的激光焊接装置3以具有分束器元件20的所谓双光斑技术工作。

激光焊接装置3包括第一激光源21，其产生具有通常低的射束质量的第一激光束11。如果需要，第一激光束11可以部分地通过光导纤维22传输。此外，设置了第二激光源23，其产生具有通常高的射束质量的第二激光束12。如果需要，第二激光束也可以部分地通过光导纤维24传输。第一激光束11通过第一准直光具25准直(平行化)并且对准到分束器元件20(通常是半透的镜)上。第二激光束12通过第二准直光具26准直(平行化)并且同样对准到分束器元件20上。第二激光束12相对于第一激光束11转动90o，并且分束器元件20相对于激光束11,12以45o角度布置。

在此，在第二激光束12的射束轴线的延长线上布置了所谓的光束阱16。

在此，在第一激光束1的光束轴的延长线上设置了焊接位置27。在分束器元件20的后面由第一激光束11和第二激光束12的分量组成总光束28通过用于第一和第二激光束11,12的共同的聚焦光具29被聚焦并且对准待焊接的工件2。在此，(共同的)焦点14处于工件表面平面OE中。

在此，工件2布置在移动工作台13上，工件2随工作台可以沿总光束28的射束轴线4(z方向)移动，尤其以便调节焦点位置，并且也可以在垂直于z方向的方向(x方向和y方向)上移动，以便走过期望的焊缝。

图6在示意性纵截面中在上方示出了2合1光纤30，其被用作用于本发明的激光焊接装置的一部分。

2合1光纤30包括中心的芯光纤31和包围它的环光纤32，在这些光纤中可以分别引导激光光线。在此，第一激光束11耦入到环光纤32中，并且在此第二激光束12耦入到芯光纤31中(在左上方出)。在耦入时，第一和第二激光束11,12分别具有圆形的横截面(参见上方中部的2合1光纤30的横截面图示)。

待耦入的第一激光束11和待耦入的第二激光束12可以来自共同的激光源33，该光源产生原始激光束34，通过例如楔形板35从该原始激光束产生第一光束分量38和第二光束分量37(在图6中下方示出)。楔形板35向原始激光束34的光路中移动得越远，通过楔形板偏转出来的光束分量38越大，也就是说，对两个激光束11,12分配的分量是可调节的。

根据分别产生的激光束11,12耦入到光纤31,32中的哪一个，激光束以不同的激光束特性在光纤端部30a上射出。为了耦入到光纤30中，通常在楔形板35和光纤30之间设置聚焦光具(未进一步示出)。原始激光束34的第一光束分量38(用于第一激光束11)偏心地耦入到外部的环光纤32中，原始激光束34的第二激光束分量37(用于第二激光束12)在中心耦入到内部的芯光纤31中。

在光纤端部30a(参见图6右上)上从芯光纤31耦出的第二激光束12具有相应于内部芯光纤31的、窄的实心的圆形轮廓，以及具有带有清晰焦点的、相对高的射束质量。从环光纤32耦出的第一激光束11具有相应于外部环芯的、具有均匀的功率分布的环轮廓，以及具有通过偏心耦入引起的相对低的射束质量。

总的来说，芯光纤31与环光纤32相比具有更窄的直径，由此，第二激光束12与第一激光束11相比固有地得到更好的射束品质。在从光纤端部30a耦出时，第一激光束11在整个环光纤32上分布，即围绕芯光纤31或者说射出的第一激光束11周围。射出的激光束11,12可以通过共同的光具聚焦到工件上(未进一步示出，为此参见图7)。

在图7中示意性地画出用于本发明的、具有双芯光纤40的激光焊接装置3的一部分。双芯光纤包括两个相互平行延伸的光导纤维(激光光纤)41,42，这些光导纤维通常通过共同的护套(未示出)以固定的相互距离布置。在光纤端部41a、42a上射出第一激光束11(虚线示出)和第二激光束12(实现示出)，它们通过共同的光具43对准工件2并聚焦，该光具在此包括准直透镜44和聚焦透镜45。在此，激光束11,12在相同位置上、尤其是在工件2中的相同深度(z位置)处聚焦，参见焦点14，但不同轴延伸。在此，两个光导纤维41,42由具有大直径(例如440μm)并用于具有低射束质量的第一激光束的光导纤维41和具有小直径(例如110μm)并用于具有高射束质量的第二激光束的光导纤维42组成。激光束11,12可以或者由具有不同射束质量的不同激光源提供，或者来自唯一的共同激光源，其中，第一激光束11的射束质量则例如通过偏心地耦入到具有大直径的光导纤维41中或其他已知方法而变差。

已经注意到，通过共同的光具43，如在图7中示出，从2合1光纤30的光纤端部30a射出的激光束11,12也可以聚焦到工件2上或该工件中。

射束焦散面

在图8中示出激光束11,12的典型焦散面，如在本发明中可以使用的那样。在此，第一激光束11和第二激光束12具有近似相同的聚焦角度(张开角度)W1，W2。然而，第一激光束11在最窄部位(在这里是z＝0处，在工件表面平面中)上的半径R1是第二激光束12在最窄部位上的半径R2的大约三倍大。相应地，第一激光束11与具有光束参数乘积SPP2的第二激光束12相比具有大约3倍大的光束参数乘积SPP1。

图9示出了激光束11,12的其它焦散面，如在本发明中可以使用的那样。在这里，第一激光束11与具有聚焦角度(张开角度)W2的第二激光束12相比具有较小的聚焦角度W1，约为W2＝1.3*W1。在这里，第一激光束11在最窄部位(在这里是z＝0处，在工件表面平面中)上的半径R1是第二激光束12在最窄部位上的半径R2的大约5.8倍大。在此，第一激光束11与具有光束参数乘积SPP2的第二激光束12相比具有大约4.5倍大的光束参数乘积SPP1。

参考标记列表

1 熔池

2 工件

3 激光焊接装置

4 射束轴线

5 聚焦光具

6 蒸汽小孔

7 开口

8 第一吸收/反射(第二激光束)

9 上四分之一(蒸汽小孔)

11 第一激光束

12 第二激光束

13 移动工作台

14 焦点

16 光束阱

20 分束器元件

21 第一激光源

22 光导纤维(激光光纤)

23 第二激光源

24 光导纤维(激光光纤)

25 第一准直光具

26 第二准直光具

27 焊接位置

28 总光束

29 聚焦光具

30 2合1光纤

31 芯光纤

32 环光纤

33 共同的激光源

34 原始激光束

35 楔形板

36 射束轴线(原始激光束)

37 第二光束分量(原始激光束的一部分)

38 第一光束分量(原始激光束的一部分)

40 双芯光纤

41 光导纤维(激光光纤)

41a 光纤端部

42 光导纤维(激光光纤)

42a 光纤端部

43 共同的光具

44 准直透镜

45 聚焦透镜

B1 第一射束宽度

B2 第二射束宽度

G2 第二激光束在上四分之一中的最大宽度

K1 第一激光束在上四分之一中的最小宽度

KB 小孔宽度

OE 工件表面平面

SR 焊接方向

W1 第一聚焦角度

W2 第二聚焦角度

Claims (15)

1.用于深熔焊接工件(2)的方法，其中，通过第一激光束(11)和第二激光束(12)照射工件(2)的表面，其中，在工件表面平面(OE)中第一激光束(11)的第一射束宽度B1大于第二激光束(12)的第二射束宽度B2，并且，至少在射束工件表面平面(OE)中第二激光束(12)处于第一激光束(11)之内，其特征在于，第一激光束(11)的强度独自足够用于在工件(2)中产生蒸汽小孔(6)，并且，在工件(2)中产生的蒸汽小孔(6)在工件表面平面(OE)中具有小孔宽度KB，其中，KB基本上与B1一样大，并且进一步适用B2≤0.75*KB。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束(11)和第二激光束(12)关于垂直于工件(2)的表面延伸的z方向具有相同的焦点位置或具有相互间距小于1mm的焦点位置。

3.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一和第二激光束(11,12)的焦点位置在工件表面平面(OE)中或在工件表面之下处于蒸汽小孔(6)之内。

4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二激光束(12)比第一激光束(11)具有更好的射束质量，尤其是SPP1≥2*SPP2，优选SPP1≥4*SPP2，其中，SPP1是第一激光束(11)的光束参数乘积，SPP2是第二激光束(12)的光束参数乘积。

5.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一激光束(11)的第一激光功率L1和第二激光束(12)的第二激光功率L2适用：L2≥L1，优选L2≥2*L1。

6.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一激光束(11)的第一聚焦角度W1和第二激光束(12)的第二聚焦角度W2适用：W2≥W1。

7.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于蒸汽小孔(6)的处于该蒸汽小孔(6)的靠近工件表面的上四分之一(9)中的最小宽度KD和第二激光束(12)的处于该蒸汽小孔(6)的上四分之一(9)中的最大宽度G2适用：0.8*KD≥G2，优选0.6*KD≥G2。

8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一激光束(11)和第二激光束(12)以共同的射束轴线(4)同轴地定向。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，共同的射束轴线(4)基本上垂直于工件表面延伸。

10.按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，第一和第二激光束(11，12)在一个具有芯光纤(31)和环光纤(32)的2合1光纤(30)中被引导，尤其是其中，第一激光束(11)在环光纤(32)中被引导并且第二激光束(12)在芯光纤(31)中被引导，第一和第二激光束(11,12)在工件(2)之前从2合1光纤(30)的光纤端部(30a)射出，并且，具有环光纤(32)和芯光纤(31)的光纤端部(30a)借助共同的光具(43)在共同焦点(14)中成像到工件(2)上或该工件中，由此，第一和第二激光束(11,12)由共同的光具(43)对准工件(2)，尤其是其中，所述共同的光具(43)包括、优选仅包括准直透镜(44)和聚焦透镜(45)。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，共同的激光源(33)产生原始激光束(34)，其中，原始激光束(34)的第一部分(38)偏心地耦入到环光纤(32)中并且形成第一激光束(11)，原始激光束(34)的第二部分(37)耦入到芯光纤(31)中并且形成第二激光束(12)。

12.按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，第一激光源(21)产生第一激光束(11)并且第二激光源(23)产生第二激光束(12)，并且，第一激光束(11)和第二激光束(12)借助分束器元件(20)叠加。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，叠加后的激光束(11,12)通过共同的聚焦光具(29)，尤其是聚焦透镜，对准到工件(2)上。

14.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，第一和第二激光束(11,12)在具有两个并列的、相互平行的激光光纤(41,42)的双芯光纤(40)中被引导，第一和第二激光束(11,12)在工件(2)之前从双芯光纤(40)的光纤端部(41a，42a)射出，并且，激光光纤(41,42)的光纤端部(41a，42a)通过共同的光具(43)在共同的焦点(14)中成像到工件(2)上或该工件中，由此第一和第二激光束(11,12)由共同的光具(43)对准到工件(2)上，尤其是其中，共同的光具(43)包括、优选仅包括准直透镜(44)和聚焦透镜(45)。

15.激光焊接装置(3)，构造成用于执行按照上述权利要求之一所述的方法。