CN112638570A - 背面焊接系统和方法 - Google Patents

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Abstract

通过以下来执行将第一金属基板到第二金属基板的激光焊接，其中第一金属基板具有第一平坦表面和与该第一平坦表面相反设置的第二平坦表面，将第二金属基板的端面放置成靠近于第一平坦表面；从光纤激光器生成输入激光束；和提供束传输系统，该束传输系统被配置为接收输入激光束并且生成具有沿第一轴线和第二轴线以预定图案移动的束斑的输出激光束，以便照射第二平坦表面上的目标区域，使得目标区域定位于第一平坦表面的相交区域上方，其中端面被定位成靠近于第一平坦表面。

Description

背面焊接系统和方法
技术领域
本技术领域总体上涉及激光焊接，并且更具体地涉及两个金属基板的背面焊接。
背景技术
金属和金属合金被用于多种行业，包括船舶、国防、汽车、铁路、运输、采矿、钻探、航空航天、制造业和医疗行业。所有这些行业的共同点是需要采用基于熔合或熔接的焊接过程或基于固态的焊接过程来将零件焊接在一起。焊接过程的示例包括气体钨极电弧焊(GTAW)、防护金属电弧焊(SMAW)、气体金属电弧焊(GMAW)、等离子弧焊(PAW)、等离子焊(PW)、电子束焊(EBW)和激光束焊接(LBW)等等。
某些应用对不同的焊接过程提出了不同的挑战。例如，使用EBW和GTAW过程来常规地焊接航空航天行业中所使用的钛(Ti)合金。尽管可能实现深熔焊接(或深渗透焊接)和“盲”焊接，但是在这些基板上使用EBW存在若干问题，包括长的处理时间和高成本、慢冷却速度(这是由于缺乏气氛和对流型冷却)、以及由于需要真空腔室而导致利用电子束枪接近复杂接头的能力受限、以及工件的受限制的大小。由于电子束斑大小较小，与所需工具加工和接头的制备相关联的成本也较高，这是因为必须以较小的接头间隙来重新调整工件的大小。GTAW是一种低功率密度的过程，其导致长的处理时间，并且包括非常高的热量输入，此非常高的热量输入导致焊接部呈现出较差的显微结构并且易于发生焊接变形。与EBW类似，LBW是一种高功率密度的过程，尽管对较厚和较大结构的激光焊接通常会导致焊接部多孔且具有污染，但是LBW可以用较高的速度和低变形实现深熔焊接。
发明内容
各个方面和实施例涉及通过将激光能量施加到形成金属基板中的一个金属基板的顶板的背面以供将金属基板激光焊接到彼此的方法和系统。
根据一个实施例，提供一种用于将第一金属基板激光焊接到第二金属基板的方法。所述第一金属基板具有第一平坦表面和与所述第一平坦表面相反设置的第二平坦表面，以及所述方法包括：选择第一金属基板和第二金属基板，所述第一金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第一金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性，所述第二金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第二金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性；将所述第二金属基板的端面放置成靠近于所述第一平坦表面；从光纤激光器生成输入激光束；提供束传输系统，所述束传输系统被配置为接收所述输入激光束并生成具有沿第一轴线和第二轴线以预定图案移动的束斑的输出激光束；以及使所述输入激光束通过所述束传输系统，以用所述束斑照射所述第一金属基板的所述第二平坦表面上的目标区域，所述目标区域定位于所述第一平坦表面的相交区域上方，在所述相交区域处所述端面被定位成靠近于所述第一平坦表面。
根据一个实施例，所述束传输系统被配置为生成散焦的输出激光束。
根据另一实施例，照射以形成双角接焊接部，使得在所述第一金属基板与所述第二金属基板之间的每个拐角部区域中形成角接焊接部。根据另一实施例，每个角接焊接部具有焊接面，所述焊接面具有光滑的轮廓。
根据另一实施例，照射以形成延伸穿过所述第一金属基板的厚度和所述第二金属基板的厚度的焊接部区域。根据另一实施例，所述焊接部区域的横截面具有均匀硬度。在一些实施例中，所述焊接部区域具有小晶粒尺寸。根据一些实施例，所述焊接部区域具有低孔隙率。在一些实施例中，所述焊接部区域的横截面具有均匀硬度、小晶粒尺寸和低孔隙率中的至少一种。
根据一个实施例，将所述第二金属基板的所述端面放置成靠近于所述第一平坦表面包括：位于所述端面与所述第一平坦表面之间的间隙，所述间隙的距离高达所述第一金属基板的厚度的约四分之一。
根据另一实施例，所述方法还包括将所述输出激光束定位成具有与垂直入射到所述第二平坦表面的参考线成高达10度的入射角。
在一些实施例中，所述预定图案为圆形图案、线性图案、8字形图案和∞符图案中的一种。
根据另一实施例，所述方法包括将惰性防护气体流引导到所述目标区域。
根据另一实施例，所述方法包括将所述预定图案与所述相交区域对准。
根据另一实施例，所述方法包括沿着所述第一金属基板的长度引导束斑。
根据另一实施例，提供一种用于将第一金属基板激光焊接到第二金属基板的系统。所述第一金属基板具有第一平坦表面和与所述第一平坦表面相反设置的第二平坦表面，并且所述第二金属基板具有靠近于所述第一平坦表面定位的端面，并且所述系统包括：光纤激光能量源，所述光纤激光能量源被配置为生成输入激光束；和束传输系统，所述束传输系统被配置为：接收所述输入激光束并生成具有沿第一轴线和第二轴线以预定图案移动的束斑的输出激光束；以及用所述束斑照射所述第一金属基板的所述第二平坦表面上的目标区域，所述目标区域定位于所述第一平坦表面的相交区域上方，在所述相交区域处所述端面被定位成靠近于所述第一平坦表面。
根据另一实施例，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述束传输系统，使得所述预定图案与所述相交区域对准。
根据另一实施例，所述束传输系统被配置为生成散焦的输出激光束。
根据另一实施例，所述光纤激光能量源和所述束传输系统被配置为使得：对所述目标区域的照射在所述第一金属基板与所述第二金属基板之间的每个拐角部区域中形成角接焊接部。
根据另一实施例，每个角接焊接部具有焊接面，所述焊接面具有光滑的轮廓。
在一些实施例中，对所述目标区域的照射形成延伸穿过所述第一金属基板的厚度和所述第二金属基板的厚度的焊接部区域。根据另一实施例，所述焊接部区域具有均匀硬度、低孔隙率和小晶粒结构中的至少一者。
在一些实施例中，支撑结构被配置为将所述第二金属基板的所述端面定位成靠近所述第一平坦表面，使得在所述端面与所述第一平坦表面之间存在高达所述第一金属基板的厚度的约四分之一的间隙。
根据另一实施例，所述束传输系统被配置为将所述输出激光束引导为与垂直入射到所述第二平坦表面的参考线成高达10度的入射角。
根据一些实施例，所述束输送系统包括可移动反射镜，所述可移动反射镜被配置为沿所述第一轴线和所述第二轴线生成所述预定图案。
在一些实施例中，所述可移动反射镜被配置为生成圆形图案、线性图案、8字形图案和无限符号图案中的一种作为所述预定图案。
根据一些实施例，所述第一金属基板和所述第二金属基板是钛合金的。
在一些实施例中，所述方法还包括被引导到所述目标区域的惰性防护气体流。
根据至少一个实施例，所述第一金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第一金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性，以及所述第二金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第二金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性。
下面将详细论述这些示例性方面和实施例的其他方面、实施例以及优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细描述都仅仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特征的概述或框架。本文公开的实施例可以与其他实施例组合，并且引用“实施例”、“示例”、“一些实施例”、“一些示例”、“可替代的实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例”、“该实施例和其他实施例”、“某些实施例”等等不一定相互排斥，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一个实施例中。本文中出现的这些术语不一定都指的是同一实施例。
附图说明
下面参考所附附图论述至少一个实施例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但是附图并不旨在作为对任何特定实施例的限制的限定。附图与本说明书的其余部分一起用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚起见，可以并非每个部件都在每个附图中被标记出来。在附图中：
图1是示出了现有技术的焊接系统的示意性方块图；
图2A是根据本发明的一个或更多个方面的激光焊接系统的示意性框图；
图2B是结合了图2A的系统的金属基板的立体图的激光和束传输系统的示意性框图；
图2C是图2A的系统的金属基板被焊接在一起之后的简化侧视图；
图2D是使用类似于图2A的系统的激光焊接系统形成的两个金属基板的截面的显微照片；
图3A至图3E是示出根据本发明的一个或更多个方面的用于激光移动的不同预定图案的示意图；
图4A是根据本发明的各个方面的包括可以被使用的激光焊接头的系统的示意性框图；
图4B是根据本发明一个或更多个方面的由束传输系统提供的具有相对较小移动范围的激光束的示意性框图；
图5A是两个金属基板被焊接在一起之前的俯视图，并且示出了根据本发明的一个或更多个方面的以三种不同配置取向的激光移动图案的示例；
图5B是根据本发明的一个或更多个方面的结合了若干过程参数的图5A的两个金属基板的侧视图；
图6是根据本发明一个或更多个方面的结合了聚焦激光照射的示例和散焦激光照射的示例的两个金属基板的侧视图；
图7A是根据本发明一个或更多个方面的激光焊接系统的另一示例的示意性框图；
图7B是根据本发明的各个方面可以被使用的气体防护装置的仰视立体图；
图7C是图7B中所示的气体防护装置的截面立体图；
图8A和图8B是根据本发明一个或更多个方面的没有用激光移动图案而形成的两个金属基板的截面的显微照片和使用激光移动图案而形成的两个金属基板的截面的显微照片；
图9A至图9D是从根据本发明的各个方面而焊接的金属基板获得的硬度测量结果；
图10包括根据本发明的各个方面而焊接的两个金属基板的截面的显微照片以及示出了该截面中各个区域的晶粒结构的各个显微照片；
图11A和图11B是根据本发明的一个或更多个方面的以不同过程参数形成的两个金属基板的照片；
图12A和图12B是根据本发明的一个或更多个方面的以不同摆动过程参数形成的两个金属基板的截面的显微照片；
图13A至图13D是根据本发明的一个或更多个方面的以不同过程参数形成的两个金属基板的截面的显微照片；
图14A至图14C是根据本发明的各个方面焊接的三个金属基板的各个视图的照片；
图15A至图15C是根据本发明的各个方面的可以被焊接在一起的金属基板的可替代构型；
图16A至图16C是根据本发明的各个方面的金属基板被焊接在一起以形成热交换器的部件的各个视图的照片；和
图17A至图17D是根据本发明的各个方面的根据另一示例而焊接在一起的金属基板的各个视图的照片。
具体实施方式
在焊接制造中，“T”形连接部或T形接头是用于将两个金属件结合在一起的一种类型的焊接连接部，其中诸如加强件工件之类的第一金属件形成所述T的腿部(也被称为“腹板/幅板”或“肋”)，并且第二工件是所述T的顶部(也被称为“翼缘/凸缘”或“盖”)。在某些情况下，T形连接部的两个拐角部利用填角或角接焊缝或焊接部(fillet weld)来焊接，其中这些焊接接头被称为“双角接部”(或“双重/双面角接部”)焊接部(并且也被称为全熔透双角接焊接部，因为除了存在两个角接部之外，翼缘和腹板之间的整个界面都被用尽)。双角接焊接的常见示例是在梁的制造中，其中加强件利用两个长且平直的角接焊接部而附接到梁的腹板。其他示例包括位于圆形制造件上的T形连接部，诸如加强件与管或管道的连接部。另一示例包括使用管作为所述T的顶部，并且使用板作为所述T的腿部。
图1中示出了用于焊接T形接头的现有技术的焊接系统的示例。焊接能量被施加到T形连接部的拐角部处以形成角接部(其中该图中所示的右拐角部部分已经被焊接能量处理过)。为了获得双角接焊接部，必须进行至少两个道次，或者必须使用两个焊接能量源来同时执行焊接。这种类型的焊接配置使得在焊接头无法轻易接近这些拐角部区域的情况中对复杂的接头进行焊接变得困难。另外，某些焊接技术具有如上所述的各种缺点。GTAW和EBW两者都需要长的处理时间，并且对钛合金的GTAW焊接会导致变形和不良的显微结构。使用仅平移的LBW以及图1中所示的过程配置的较厚和较大的钛合金基板也已经显示出会产生具有缺陷(例如，孔洞)的焊接部。
所披露的激光焊接系统和过程解决了上述问题中的许多问题。本文所描述的激光焊接系统将呈激光束形式的焊接能量施加到T形连接部的相反侧面(即，覆盖件面板或翼缘的背面)，并且该激光焊接系统包括束传输系统，该束传输系统被配置为以受控制的图案来操纵激光束。本文所披露的系统和方法使用单个道次来形成双角接焊接部，并且能够在接近T形接头的拐角部区域受到限制的复杂焊接配置中被使用。另外，焊接部结构具有均匀的硬度、低孔隙率和小的晶粒尺寸。
参考图2A，总体上以100表示的激光焊接系统包括：光纤激光器130、束传输系统135、和支撑结构145，所述支撑结构145用于以期望的配置定位第一金属基板105和第二金属基板110。第一金属基板105具有第一平坦表面102和与该第一表面102相反设置的第二平坦表面104。图2A中所示的期望配置将第二金属基板110的端面112定位成与第一金属基板105的第一平坦表面102靠近/贴近，使得第二金属基板110定位成垂直于第一金属基板105，并且因此被设置以供形成T形接头类型的焊接连接部。因此，第一金属基板105在本文中可以被称为“翼缘”或“盖板”，并且第二金属基板110可以被称为“腹板”或“肋”。在一些实施例中，第二金属基板105的端面112可以沿着第一金属基板105的宽度尺寸居中(例如，参见图2B)。
支撑结构145用于将第一金属基板105和第二金属基板110相对于彼此保持在预定取向。在一些情况中，如图2A所示，端面112不邻接第一平坦表面102；但是在替代配置中，如图2B所示，端面112可以邻接第一平坦表面102。
束传输系统135和/或第一金属基板105和第二金属基板110可以沿着至少一个轴线(例如，第一金属基板105的长度(参见图2B))相对于彼此移动。例如，如图2B所指示，束传输系统135(以及可选地，光纤激光器130)可以位于用于使束传输系统135相对于第一金属基板105和第二金属基板110移动的运动平台155上。另外地或替代地，第一金属基板105和第二金属基板110可以位于用于使所述金属基板相对于束传输系统135移动的运动平台上。
根据某些实施例，第一金属基板105和第二金属基板110具有如下物理和几何特性：该物理和几何特性使得第一金属基板105和第二金属基板110在处于熔融或液体状态时适于受控流动，并因此对于本文所描述的背面焊接过程而言是可行的。金属基板具有的物理特性使得有可能使得金属材料的熔融“熔池”的表面张力与各种过程力(诸如，重力、流体流动、锁孔压力等)平衡，以便维持双面角接部的形成。适合用作第一金属基板105和第二金属基板110的金属的非限制性示例包括钛和钛合金。在一些实施例中，第一金属基板105和第二金属基板110可以是多种不锈钢中的一种。相比之下，纯铝是可能不适用于所披露的背面焊接过程的金属。然而，一种或更多种铝合金可以具有用于所披露的过程的期望性能。另外，金属基板的几何形状(包括第一金属基板105的厚度)也对所披露的背面焊接过程的能力起作用。例如，金属基板必须足够薄以形成高品质的焊接部区域，并应理解，对于较厚的基板可以增加激光能量。在各种实施例中，第一金属基板105和第二金属基板110在它们各自的融化温度具有至少1.5N/m的表面张力。在各种实施例中，第一金属基板105和第二金属基板110在大气条件下具有小于50W/m·K的热导率。
光纤激光器130提供激光能量源，该激光能量源用于产生具有足够功率以执行本文所论述的焊接操作的激光束。根据一些实施例，光纤激光器130可以是被配置为能够生成近红外光谱范围(例如，1060至1080nm)中的激光的镱光纤激光器。光纤激光器130可以是单模光纤激光器或多模光纤激光器，并且可以被配置为以连续波(CW)模式、准连续波(QCW)模式或脉冲模式来操作。根据一些实施例，光纤激光器130被配置为生成具有至少1kW的功率的激光束。适用于本文所描述的激光焊接过程的光纤激光器130的非限制性示例包括可以从IPG光子公司(IPG Photonics Corporation)(牛津，马萨诸塞州)获得的光纤激光器，诸如YLS系列光纤激光器。
参考图2A和图2B，光纤激光器130具有传输光纤132，该传输光纤132被联接到束传输系统135。束传输系统135接收与由传输光纤132传送的输入激光束相关联的激光能量，并且该束传输系统135被配置为将输入激光束的能量分布转换为输出激光束140，该输出激光束140产生具有期望尺寸和能量分布的束斑142。束传输系统135还被配置为以预定图案(也被称为“激光移动图案”或“摆动图案”)将激光束斑142施加到第一金属基板105的第二平坦表面102(即，背面)上的目标区域，如下面进一步详细描述的。
根据至少一个实施例，束传输系统135被配置为自由空间光学元件布置，该自由空间光学元件布置包括各种光学部件，诸如反射镜、透镜、棱镜、滤光器、衍射光学器件、分束器、光-机械元件和/或光-电元件、偏振器等，所述光学部件用于产生输出束140、束斑142和激光移动图案。例如，束传输系统135可以包括一个或更多个弯曲的反射镜或透镜，所述弯曲的反射镜或透镜用作准直器以用于准直来自传输光纤132的激光光线。束传输系统135还可以包括聚焦透镜和用于调节输出束140的焦点的其他部件。
束传输系统135包括诸如一个或更多个可移动的反射镜之类的部件，所述部件能够绕不同的轴线枢转以使输出束140和束斑142相对于第一金属基板105的第二平坦表面104在两个不同的轴(例如，x轴和y轴)上移动，从而沿着焊接接缝形成预定图案。在图3A至图3E中示出了用于执行对于接缝的搅拌焊接的位于x轴和y轴上的激光移动图案的非限制性示例。图3A示出了圆形图案(顺时针或逆时针)，其中箭头指示焊接方向，并且y轴用作接缝。图3B示出了“8”字形图案，该“8”字形图案可以被旋转90度以实现∞符(无穷大符号)图案，并且图3C示出了锯齿形图案。图3D示出了起伏的图案，并且图3E示出了线性图案。应当理解，所示出的图案不是穷举性的，并且其他图案也在本公开的范围内。
激光移动图案或摆动图案用于“耗散”由输出束140所输出的激光能量，并且可以为激光焊接过程提供一个或更多个优点。例如，激光移动图案可以允许实现使用单道次的双角接焊接，允许提供较宽的过程窗口，并且与常规的激光焊接方法相比形成品质较优的焊接部。适用于以摆动图案实现激光输出束140的激光器系统的示例包括可以从IPG光子公司获得的摆动焊接头(Wobble Welding Head)系列的激光器系统。
束传输系统135的至少一个可移动反射镜可以用于施加所述激光移动图案。所述可移动反射镜可以是检流计反射镜，该检流计反射镜能够由检流计电机而移动，检流计电机能够快速地反转方向。用于移动反射镜的其他机构也在本公开的范围内，包括步进电机。在一个实施例中，束传输系统135包括具有基本相同大小的两个可移动反射镜，所述两个可移动反射镜各自被用于不同的垂直轴线。在其他实施例中，可以使用一个可移动反射镜或多于两个的可移动反射镜。
在图4A中示出了可以用于实施本发明的一个或更多个方面(包括激光移动图案)的激光焊接系统的一个示例。激光焊接系统100包括激光焊接头134，该激光焊接头134(例如，利用连接器132a)被联接到光纤激光器130的输出或传输光纤132，用于将激光束140传输到工件131。光纤激光器130类似于以上参考图2A和图2B所描述的光纤激光器130。激光焊接头134包括一个或更多个模块12、13、14，所述一个或更多个模块形成束传输系统135，该束传输系统135用于通过对接缝103进行焊接以形成焊道101而在工件131(诸如本文所描述的金属基板)上执行焊接。激光焊接头134和/或工件131可以沿着接缝103的方向相对于彼此移动。激光焊接头134可以位于运动平台141上，该运动平台141用于使焊接头134相对于工件131沿着至少一个轴线(例如，沿着接缝103的长度)移动。另外地或替代地，工件131可以位于运动平台143上，该运动平台143用于使工件131相对于激光焊接头134移动。
激光焊接头134通常包括：用于准直来自输出光纤132的激光束的准直器133、用于反射和移动经准直的束136的至少第一可移动反射镜137和第二可移动反射镜139、以及用于将经聚焦的束140聚焦和传输到工件131的聚焦透镜144。在图4B所示的示例中，固定的反射镜138也用于将经准直的激光束136从第二可移动反射镜139引导到聚焦透镜144。准直器133、可移动反射镜137、139以及聚焦透镜144和固定的反射镜138可以被设置在单独的模块12、13、14中，所述模块中的一个或更多个模块可以形成以上描述的束传输系统135。例如，如果反射镜137、139被布置成使得光从第二反射镜139朝向聚焦透镜144反射，则在不具有固定的反射镜138的情况下也可以构造激光焊接头134。
可移动反射镜137、139能够绕不同的轴线147a、147b枢转，以使经准直的束136移动，并且因而使经聚焦的束140相对于工件131在至少两个不同的垂直轴线2、4上移动。可移动反射镜137、139可以是检流计反射镜，该检流计反射镜可以由检流计电机或诸如步进电机之类的其他运动机构而移动。在激光焊接头134中使用可移动反射镜137、139允许在不需要移动整个焊接头134并且不使用旋转棱镜的情况下使激光束140出于束摆动的目的而精确可控地且快速地移动。
根据至少一个实施例，可移动反射镜137、139通过使束140在小于10度的扫描角度内枢转而使该束140仅在相对较小的视场(例如，小于30×30mm)内移动，并且所述扫描角度在一些情况下为大约1-2度，如由图4B的示意图中的阿尔法(α)所示出的。这种受限的移动可以被称为“摆动”，并且参考通过引用而被整体地合并入本文中的美国专利申请No.15/187,235(下文称为“’235申请”)中所披露的摆动模块和激光焊接头来论述能够产生激光移动图案的系统和装置的示例。如’235申请中所解释的，术语“摆动”是指激光束的在由小于10度的扫描角度所限定的相对较小的视场内的往复运动(例如在两个轴线上)。这种受限的移动不同于常规的激光扫描头，常规的激光扫描头在大得多的视场(例如50×50mm以及更大的视场)内提供激光束的移动，并且该常规的激光扫描头被设计为适应较大的视场和扫描角度。提供相对较小的视场和较小的扫描角度的可移动反射镜137、139的使用提供了较快的速度、允许使用诸如透镜之类的较便宜的部件、以及允许使用诸如气刀和/或气体辅助配件之类的辅助配件。
因为可移动反射镜137、139使束在相对较小的视场和扫描角度内移动，所以第二反射镜139可以是与第一反射镜137基本相同的大小。相比之下，常规的检流计扫描器通常使用较大的第二反射镜以提供较大的视场和扫描角度，并且该较大的第二反射镜可能会限制沿至少一个轴线的移动的速度。因而，与提供大扫描角度的常规检流计扫描器中的较大的反射镜相比，位于焊接头134中的(例如，与第一反射镜137的大小大致相同的)较小大小的第二反射镜139能够使得该第二反射镜139以较快的速度移动。
此外，由可移动反射镜137、139提供较小的视场，这也意味着不需要并且不使用具有较大直径(例如，具备300mm直径的透镜以供用于33mm直径的束)的较大的多元件扫描透镜(例如，F-θ透镜、平场透镜(field flattening lens)或远心透镜)。不同于这些常规的激光扫描头，聚焦透镜144可以包括已知用于激光焊接头中并且具有例如从100mm至1000mm的多种焦距范围的聚焦透镜。根据一个实施例，50mm直径的普莱诺(plano)凸面F300聚焦透镜可以用于聚焦具有约40mm直径的束以供在约15×5mm的视场内移动。这种较小的聚焦透镜还允许使用其他辅助配件，诸如气刀和/或气体辅助配件。
可以在束传输系统中可选地使用的其他光学部件包括分束器和衍射光学器件，衍射光学器件可以被定位于准直器133与反射镜137、139之间。
图4A的激光焊接系统100包括气体防护装置160，该气体防护装置160经由至少一个气体分配管149而被联接到气体源148。气体防护装置160的示例在下面进一步详细描述。防护气体171可以包括用于焊接或激光处理中的任何防护气体，诸如惰性气体和半惰性气体。
可以在透镜144的前面设置保护窗146，以保护透镜和其他光学器件免受由焊接过程所产生的碎屑的影响。保护窗146也可以被集成到气体防护装置160中或者由气体防护装置160所代替。
简单地返回到图2A和图2B，根据某些实施例，束传输系统135也可以包括被配置为用作常规的激光扫描头的部件，以用于需要大视场的应用。常规的激光扫描头使用具有大直径(例如，300mm直径的透镜以供用于33mm直径的束)的多元件扫描透镜(诸如，F-θ透镜、平场透镜或远心透镜)以将束聚焦在较大的视场内。在某些实施例中，被包括在常规的扫描头中的光学器件可以被配置为生成本文所论述的摆动图案。
本文所披露的背面焊接系统和过程使用若干过程参数，所述过程参数提供宽的过程窗口以供实现高品质的焊接部。这些过程参数中的若干过程参数的非限制性示例在下面参考图5A和图5B进行论述。
根据至少一个实施例，一个或更多个“摆动”参数可以用作可以被调节或以其他方式修改以用于过程优化(诸如，控制激光能量密度)的目的的过程参数。这些参数包括摆动图案(或“摆动模式”)、摆动频率、摆动幅度和摆动取向。这些参数中的一个或更多个参数可以影响激光束与金属基板的材料的“相互作用”时间。图5A示出了摆动图案的三种不同取向，在此示例中，该摆动图案根据取向为∞符图案或8字形图案。图5A示出了第一金属基板105的第二平坦表面104的俯视图，其中第二金属基板110沿第一金属基板105的宽度尺寸垂直地定位并且居中(即，如图2A和图2B所示)，并且该图用虚线指示。在每个取向(即0°、90°和45°)中，图案的中心点与中心线127对准，该中心线127延伸穿过第二平坦表面104的中央(以及第二金属基板110的端面112的中央)。束传输系统135包括被配置为执行此对准和取向的光学部件，并且该光学部件可以由控制器150(在下面进一步详细描述)进行调节或以其他方式控制。使用束传输系统135，可以按任何所需角度(除了那些所示角度之外的角度)对摆动图案进行取向。
参考图5B，其示出了图5A的第一金属基板和第二金属基板的侧视图。根据至少一个实施例，束传输系统135可以被配置为以相对于参考线126成±10度的入射角度θ引导所述输出激光束140，所述参考线126垂直于该第二平坦表面104(以及端面112)入射，该输出激光束140将束斑142供应至第一金属基板105的第二平坦表面104。输出激光束140还可以呈相对于沿第二金属基板110的长度延伸的参考线(图5B中未示出)成±10度的角度β入射(并且因此进入图5B所示的二维构型的平面)。在一些实施例中，位于端面112与第一平坦表面102之间的间隙128可以具有高达第一金属基板105的厚度106的约四分之一的间距。
根据至少一个实施例，束传输系统135被配置为生成散焦的输出激光束140。图6示出了第一金属基板105和第二金属基板110，其中左侧的输出激光束具有与第二平坦表面104重合的焦点(即，经聚焦的输出激光束)，而右侧的输出激光束具有定位于第二平坦表面104上方的焦点(即，散焦的输出激光束)。在一些情况下，散焦的输出激光束具有位于第二平坦表面104下方的焦点。散焦的输出束140生成具有降低的能量密度和增加的直径的束斑142，在某些情况下，散焦的输出束140形成较高品质的焊接。散焦的激光束更加呈高斯束轮廓(即，具有较热的中心，并且随着半径增加而减小)。由散焦的激光束所提供的功率分布允许在焊接部区域的一个区域中熔合所述翼缘与所述肋、以及在焊接部区域的另一区域中熔融所述翼缘。在替代实施例中，束传输系统135被配置为生成被聚焦的输出激光束。
根据至少一个实施例，可以使用一组操作参数来控制激光焊接系统100的一个或更多个部件，诸如光纤激光器130的能量源、束传输系统135和运动平台155，以执行经优化的焊接过程。例如，束传输系统135可以被配置为生成具有期望的尺寸的束斑142。所述期望的尺寸可以取决于激光移动图案的选择以及第一金属基板和第二金属基板的尺寸(例如，第二金属基板110的高度或厚度)。束传输系统135也可以被配置为向束斑142提供不同的形状。例如，除了球形的形状之外，束斑142可以是多纳圈形的、矩形的、或椭圆形的。激光功率，以及束斑相对于跨所述第二平坦表面104上移动的图案的中心点的速率(也被称为行进速度或焊接速度)，也用作另一操作参数。
现在参考图7A至图7C，根据一些实施例，激光焊接系统100也可包括防护装置160，该防护装置160被配置为将惰性的防护气体的流引导于目标区域，并且类似于以上参考图4A的激光焊接系统100所提及的防护装置160。图7A的示例中的防护装置160被示出为是部分地透明的，并且被配置为容纳所述输出激光束140的至少一部分。例如，所述防护装置160可以具有被配置为包括输出激光束140的中心孔。如图7A所示的示例所指示的，防护装置160也可以被联接到束传输系统135。
具有多个开口的防护盘可以被联接至中心孔，所述多个开口被配置为沿基本上垂直于第二平坦表面104的方向引导惰性防护气体流。一个或更多个气体分配管也可以用可操作的方式联接到防护盘的所述多个开口。可以适用于与本文所披露的方法和系统一起使用的这种防护装置的一个非限制性示例在图7B和图7C中示出，并且在通过引用而被合并于本文中的提交于2018年8月30日的美国临时申请No.62/725,028(以下被称为“’028申请”)中描述。图7B和图7C示出了在’028申请中所描述的气体防护装置(总体上以160表示)的仰视立体图和截面立体图。防护装置160包括：用于将激光束(例如，如上所描述)传递至工件的颈部161、和联接至该颈部161的气体防护板166，该气体防护板166用于将防护气体扩散并且分配到处于焊接区域中的工件。所述颈部161限定中心孔164，该中心孔164从第一端部163延伸到第二端部165，并且被配置为允许引导激光束穿过防护板166至该防护板166的相反侧上的工件。防护板166被联接至与第二端部165相邻的颈部161，并且围绕中心孔164周向延伸，使得防护板166与接收激光束的中心孔164同轴。在某些情况下，中心孔164可具有约10至60mm的范围的直径。
防护板166包括位于第一表面167上的一个或更多个气体入口162和位于第二表面169上的多个气体出口168，该第二表面169与第一表面167相反并且在使用期间将面向工件。防护板166限定气体扩散区域170，该气体扩散区域170将(一个或更多个)气体入口162流体联接至多个气体出口168。在某些情况下，防护气体通过(一个或更多个)气体入口162进入气体扩散区域170，并且然后从基本上垂直于工件的气体出口168出来。如此，防护板166和气体出口168被设计和配置成扩散所述防护气体并且在处理或焊接部区域中提供防护气体的层流。多个气体入口162可以围绕防护板166的第一表面167均匀地分布。在某些情况下，气体扩散区域170可以包括多孔材料，诸如可以从3M购得的名称为Scotch-BriteTM通用冲刷垫(General Purpose Scour Pad)的非机织或无纺垫，或者包括能够从气体出口168提供层流分布的任何其他扩散材料。
气体出口168可以跨越所述防护板166的第二侧169的大部分上而间隔开，以将防护气体分布成跨越相对较宽的区域上，该相对较宽的区域至少包括由呈预定图案而移动的激光束所涵盖的区域以及处理或焊接部区域。防护板166的示例可以具有在大约100mm至150mm的范围内的直径，并且可以是圆形的，尽管其他形状也在本公开的范围内，包括多边形和伸长的形状。气体出口168可以是相对较小的孔或开口，每个孔或开口具有在大约0.2至5.0mm的范围内的直径。气体出口168呈一图案而分布在防护板166的第二侧169上，以提供足够的扩散从而形成防护气体的层流。图7B中的图示图案示出了被布置呈从防护板166的中心部分延伸到防护板166的外部的线的气体出口168。还可以设想其他图案，图案的非限制性示例包括同心圆和径向线。气体出口168也可以基本上均匀地分布成跨越于气体防护板166的第二表面169上。气体入口162和气体出口168的大小、数量和部位以及气体压力可以变化以提供期望的层流。气体防护装置160还可以包括诸如可以被用于围绕颈部161的水套之类的冷却特征。
返回参考图2A和图2B，操作参数(例如，摆动参数、激光功率、束形状和尺寸、速率等)可以由控制器150来实现，该控制器150被配置用以控制所述激光焊接系统100的部件。例如，控制器150可以控制光纤激光器130和束传输系统135以生成具有特定大小和尺寸的束斑142，该束斑142以期望的图案来移动、和/或以特定的峰值功率、脉冲宽度、注量或积分通量(fluence)等的输出激光能量来移动。束斑142照射第二平坦表面104上的目标区域，该目标区域位于第一平坦表面102的相交区域122上方(参见图2A)，其中端面112被定位成靠近于第一平坦表面102。控制器150还被以可操作的方式联接到运动平台155，在图2B所示的示例中，运动平台155被配置为使光纤激光器130和束传输系统135中的至少一者沿如由箭头所示的至少一个轴线而移动。在图2B所示的示例中，这种移动使得束斑142沿着第一金属基板105的长度被引导。
在一些情况下，控制器150可以被配置为根据预先设定的或预先确定的操作控制方案进行操作，并且在其他情况下，控制器150可以被配置为使用从一个或更多个传感器或其他输入源(例如操作者)获得的信息来以前馈控制方案或反馈控制方案进行操作，并且因此控制器150可以用可操作的方式联接到这些输入源。控制器150包括硬件(例如，通用计算机)和软件，该硬件和软件可以被用于控制该系统的部件。
参考图4A的激光焊接系统100，控制系统150被用于例如响应于在焊接头134中所感测到的状况、接缝103的检测到的部位、和/或激光束140的移动和/或位置来控制光纤激光器130、可移动反射镜137、139的定位、和/或运动平台141、143。所述激光焊接头134可以包括传感器，所述传感器诸如是用以感测热状况的靠近于相应的第一可移动反射镜137和第二可移动反射镜139的第一热传感器152a和第二热传感器152b。所述控制系统150以电气方式连接到传感器152a、152b，用于接收数据以监控可移动反射镜137、139附近的热状况。所述控制系统150可以例如通过关停所述激光器、改变激光器参数(例如，激光器功率)、或调节任何其他可调节的激光器参数来控制所述光纤激光器130。例如，控制系统150可以响应于由传感器152a、152b中的一者或两者所感测到的、并且指示出引起由高功率激光所引起的高温或其他状况所导致的反射镜故障的热状况，来使光纤激光器130关停。在某些情况下，控制器可以通过触发安全联锁来使光纤激光器130关停，该安全联锁被配置在输出光纤140与准直器133之间，使得当输出光纤140与准直器133断开连接时，触发安全联锁条件并且关停激光器。因而，联锁路径154可以在输出光纤140和控制系统150之间延伸，以允许控制系统150触发该安全联锁条件。控制系统150还可以通过接收来自于照相机/检测器(未示出)的数据来监控焊接操作，所述数据例如表示被检测到的接缝103的部位。
控制系统150也可以响应于从照相机/检测器检测到的接缝103的部位来控制可移动反射镜137、139的定位，例如用于校正聚焦束140的位置以便查找、跟踪和跟随接缝103。
现在参考图2C和图2D，一旦利用激光能量照射所述第二平坦表面104的目标区域，则在第一金属基板105和第二金属基板110中形成焊接部区域120，该焊接部区域120包括经改变的晶体结构，并且包括熔合区(FZ)和与该熔合区相邻的热影响区(HAZ)，其中来自两个基板的金属材料在熔合区中聚结在一起。根据至少一个实施例，焊接部区域的截面具有均匀的硬度，如下面在示例中进一步描述的。焊接部区域120包括双角接焊接部，其中在第一金属基板105和第二金属基板110之间的每个拐角部区域124a和125b中分别形成角接焊接部115a和115b。如图2D的显微照片所指示，每个角接焊接部115a和115b分别具有焊接面116a和116b，所述焊接面具有光滑的轮廓。相比于具有不规则或“锯齿状”或“粗糙”外观的焊接面和/或位于焊接面中的凹陷的焊接部，焊接面的光滑轮廓指示了结构完整性较高的焊接部。如图2D所指示，焊接部区域120可以延伸穿过第一金属基板105的厚度和第二金属基板110的厚度。在一些情况下，焊接部区域的熔合区可以延伸穿过第一金属基板105和第二金属基板110的厚度。因此，翼缘和肋之间的界面被完全耗用。焊接部区域120也可以具有低孔隙率和小晶粒结构。照射也在第一金属基板105的第二平坦表面104中形成底切部118。根据至少一个实施例，焊接部区域的孔隙率是根据一种或更多种航空航天标准(包括SAE航空航天材料规范AMS-STD-2219和AMS-STD-1595)中规定的A级要求、B级要求或C级要求中的至少一项要求。
所披露的焊接过程也可以包括以上未明确论述的其他步骤或动作。例如，可以在照射之前和/或之后清洁所述金属基板，并且在焊接之后，可以使金属基板经受本领域中已知的热处理过程。
示例
基于以下描述的示例，可以更充分地理解本文所披露的系统和技术的实施例的功能和优点。以下示例旨在说明所披露的激光焊接系统和过程的各个方面，但并不旨在完全例示其全部范围。
使用与图2A和图2B中所描绘的布置类似的布置来执行以下示例，所述布置使用作为具有尺寸(L×W×H)为(300mm×25mm×1.6mm)的钛合金(等级为5)的金属基板。所使用的光纤激光器是具有15,000瓦输出功率的IPG光纤激光器YLS 15000(IPG光子公司，马萨诸塞州，牛津)。束传输系统是使用IPG FLW-D50-W摆动头(也可以从IPG光子公司获得)来实现的。
示例1——摆动(激光移动图案)的实施
使用激光功率为4500W且焊接速度为150mm/s的过程参数，在不使用摆动图案的情况下进行控制。跨越于第一金属基板的第二平坦表面上需要进行三个道次来实现焊接，并且在图8A中示出了金属基板的截面的显微照片。结果显示了与FZ区域相邻的大的且有差异的HAZ区域、以及在FZ区域中非均一的外观。焊接面也是不对称的且形状不规则的。
使用摆动图案的对比测试是利用以下过程参数而进行的：
激光功率：2100W
速率：20mm/s
散焦：+10mm(在第二平坦表面上方)
摆动图案：8字图案
摆动频率：60Hz
摆动幅度：20mm
只需要单个道次就可以获得图8B的显微照片中所示的截面，并且图8B示出了延伸穿过第一金属基板和第二金属基板的厚度的FZ、以及与该FZ相邻的相比于图8A的较小的HAZ区域。FZ也显出是均一的，并且与图8A中所形成的角接部相比，焊接面是更加对称的并且光滑的。底切部具有0.410mm的最大深度。
示例2——硬度结果
对使用以上参考图8B所论述的设定而获得的样品来测试硬度。使用DuraScan 70显微硬度测试仪(可以从Emco-Test Priiftnaschinen GmbH获得)，获得沿着横跨焊接部区域和基底材料两者的截面的三条不同线的显微硬度分布图(其中每个数据点之间的距离为100至200微米)。图9A示出了样品的截面的显微照片和三条线的设置，并且图9B至图9D示出了对于每条线的以维氏硬度(HV)为单位的每条线的硬度分布图。例如，硬度值的范围不会超过50HV，并且绝对值不会超过400HV。结果表明不仅跨越于焊接部区域上、而且跨越于基底金属(BM)和焊接部区域两者上都具有均匀的硬度。例如，污染的迹象将导致这些图中的峰，这指示了氧化。
示例3——显微结构测试
在使用以上参考图8B所论述的设定而获得的样品上检查焊接部区域和基底金属的显微结构。在图10中示出结果，其中被检查区域的不同放大率如在该图中标记的。结果证实了FZ是均质的，具有约0.4mm的小的主要晶粒尺寸和若干微米的较大的次级晶粒尺寸。HAZ也很小，并且没有渗入所述熔合区。
示例4——摆动优化测试1
执行测试以查看调节某些过程参数是否将会减少焊接部形成部的根部区域上的“飞溅”的迹象。使用下表1中所列出的过程参数而获得了图11A和图11B：
表1——过程参数
图11A—飞溅的迹象 图11B—飞溅减少
激光功率(W) 2100 1200
速率(mm/s) 20 7
散焦(mm) +10 +10
摆动图案 8字形 8字形
摆动频率(Hz) 60 100
摆动幅度(mm) 20 1.0
结果表明，降低激光功率以及速度结合较低的摆动幅度能得到较少的飞溅。
示例5——摆动优化测试2
执行测试以查看调节某些过程参数是否将会改善包括焊接面在内的角接部的形状。使用下表2中所列出的过程参数获得了图12A和图12B所示的显微照片：
表1——过程参数
Figure BDA0002954867340000201
结果表明，降低摆动频率和增大摆动幅度会改善角接部的形状。例如，图12A的焊接面不如图12B中的焊接面平滑。
示例6——摆动优化测试3
参考图5B，测试了针对摆动图案的(摆动图案的中心点和中心线127之间的)不同偏移量，以查看这如何影响焊接部的品质。检验了四个不同的偏移量(0mm、0.3mm、0.5mm和0.7mm)。在图13A至图13D示出结果的显微照片。利用0mm偏移量(即，图案的中心点与中心线127重合)来获得了最“对称的”结果，而0.3mm(以及更大)的偏移量则显示出角接部形状和大小两者均不对称。例如，利用0.7mm的偏移量而形成的焊接部在一侧上没有形成角接部，并且0.3mm的偏移量形成的焊接部具有不规则的轮廓。
示例7——工字梁的制造
使用本文所描述的背面焊接过程，利用三个金属基板，对T形接头的每个翼缘使用两个分离开的单独道次步骤，来制造出了工字梁。激光功率为1200W，并且焊接速度为7mm/s，在图14A至图14C中示出结果的照片，其中图14A是俯视立体图，图14B是侧视立体图，且图14C是截面视图。
其他几何配置
图15A至图15C示出了可以使用本文所描述的系统和过程来焊接在一起的金属基板的三种其他构型(分别为搭接构型、拐角部接头构型和扩口-斜面接头构型)，其中箭头指示用作针对激光束能量的目标区域的背面。另外，除了诸如图2B和图14A所示的焊接部之类的平直的或线性的焊接部之外，利用所披露的系统和方法来获得圆形或其他类型的焊接部形状也是可以的。例如，图16A至图16C是焊接到作为热交换器一部分的金属挡板结构上的金属管结构的照片。图16A是整个结构的俯视立体图，所述整个结构包括焊接到三个管状结构的每个端部的两个挡板。图16B示出了该结构的顶部部分的特写图，其中可以看到焊接部的底切部区域，并且图16C示出了该结构的底部部分的特写图，其中可以看到焊接面。从照片中可以看出，焊接面具有光滑的轮廓。
图17A至图17D是被焊接的金属基板的照片，示出了圆形焊接部的另一示例。在这种情况下，金属板被焊接到厚度为0.06英寸的金属管状结构(金属管状结构形成肋)，并且测试了三种不同厚度的板：0.06英寸、0.09英寸和0.125英寸。图17B和图17C示出了来自所述基板中的一个基板的圆形焊接部的底切部区域的视图，并且图17D示出了具有光滑轮廓的焊接面的视图。对于每个板厚度的焊接部具有相似的品质，焊接面具有光滑的轮廓。
另外，该系统可以被配置为执行成一定角度的焊接和/或倾斜的焊接(即，第一金属基板和第二金属基板被配置为成一角度)。例如，第一金属基板和第二金属基板可以按小于等于20度或小于等于30度的向下角度而配置和/或以小于等于20度而倾斜。
本文根据本发明在本文公开的方面在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在所附附图中示出的部件布置和构造细节。这些方面能够设想其他实施例并且能够以各种方式实施或执行。本文提供特定实施方式的示例仅出于说明性的目的，并不旨在进行限制。特别地，结合任何一个或更多个实施例而论述的动作、部件、元件和特征不旨在被排除在任何其他实施例中的类似角色之外。
同样地，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为进行限制。对本文中以单数形式提及的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或动作的任何引用也可以涵盖包括复数的实施例，并且对本文中的任一实施例、部件、元件或动作的复数形式的任何引用也可以涵盖包括单数的实施例。单数形式或复数形式的引用不旨在限制当前公开的系统或方法，该系统或方法的部件、动作或元件。本文中对“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”来描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、一个以上以及所有中的任何一者。另外，在本文件与通过引用而并入本文的文件之间的术语的用法不一致的情况下，在被并入的引用中的术语用法为对本文件的补充；对于有矛盾的不一致之处，以本文件中的术语用法为准。
因此，已经描述了至少一个示例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以被用于其他内容。这样的变更、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本文所论述的示例的范围内。因此，前面的描述和附图仅是作为示例。
所要求保护的内容在权利要求书中。

Claims (20)

1.一种用于将第一金属基板激光焊接到第二金属基板的方法，所述第一金属基板具有第一平坦表面和与所述第一平坦表面相反设置的第二平坦表面，所述方法包括：
选择第一金属基板和第二金属基板，所述第一金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第一金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性，所述第二金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第二金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性；
将所述第二金属基板的端面放置成靠近于所述第一平坦表面；
从光纤激光器生成输入激光束；
提供束传输系统，所述束传输系统被配置为接收所述输入激光束并且生成具有沿第一轴线和第二轴线以预定图案移动的束斑的输出激光束；和
使所述输入激光束传递穿过所述束传输系统，以利用所述束斑照射所述第一金属基板的所述第二平坦表面上的目标区域，所述目标区域定位于所述第一平坦表面的相交区域上方，在所述相交区域处所述端面被定位成靠近于所述第一平坦表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，照射形成双角接焊接部，使得在所述第一金属基板与所述第二金属基板之间的每个拐角部区域中形成角接焊接部。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，每个角接焊接部具有焊接面，所述焊接面具有光滑的轮廓。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，照射形成延伸穿过所述第一金属基板的厚度和所述第二金属基板的厚度的焊接部区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述焊接部区域的横截面具有均匀硬度、小晶粒尺寸、和低孔隙率中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第二金属基板的端面放置成靠近于所述第一平坦表面包括：位于所述端面与所述第一平坦表面之间的间隙，所述间隙是高达所述第一金属基板的厚度的约四分之一的间距。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述输出激光束定位成具有与垂直入射到所述第二平坦表面的参考线成高达10度的入射角。
8.一种用于将第一金属基板激光焊接到第二金属基板的系统，所述第一金属基板具有第一平坦表面和与所述第一平坦表面相反设置的第二平坦表面，并且所述第二金属基板具有靠近于所述第一平坦表面定位的端面，所述系统包括：
光纤激光能量源，所述光纤激光能量源被配置为生成输入激光束；和
束传输系统，所述束传输系统被配置为：
接收所述输入激光束并且生成具有沿第一轴线和第二轴线以预定图案移动的束斑的输出激光束；以及
利用所述束斑照射所述第一金属基板的所述第二平坦表面上的目标区域，所述目标区域定位于所述第一平坦表面的相交区域上方，在所述相交区域处所述端面被定位成靠近于所述第一平坦表面。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述束传输系统，使得所述预定图案与所述相交区域对准。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述束传输系统被配置为生成散焦的输出激光束。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光纤激光能量源和所述束传输系统被配置为使得：对所述目标区域的照射在所述第一金属基板与所述第二金属基板之间的每个拐角部区域中形成角接焊接部。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，每个角接焊接部具有焊接面，所述焊接面具有光滑的轮廓。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，对所述目标区域的照射形成延伸穿过所述第一金属基板的厚度和所述第二金属基板的厚度的焊接部区域。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述焊接部区域具有均匀硬度、低孔隙率和小晶粒结构中的至少一种。
15.根据权利要求8所述的系统，其中，所述束传输系统被配置为将所述输出激光束引导为与垂直入射到所述第二平坦表面的参考线成高达10度的入射角。
16.根据权利要求8所述的系统，其中，所述束输送系统包括可移动反射镜，所述可移动反射镜被配置为沿所述第一轴线和所述第二轴线生成所述预定图案。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述可移动反射镜被配置为生成圆形图案、线性图案、8字形图案和无限符号图案中的一种作为所述预定图案。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一金属基板和所述第二金属基板是钛合金的。
19.根据权利要求8所述的系统，还包括被引导到所述目标区域的惰性防护气体流。
20.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第一金属基板的流动的厚度、表面张力和热特性，以及所述第二金属基板具有当处于熔融状态时适于控制所述第二金属基板的厚度、表面张力和流动的热特性。
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