CN112969547A - 尤其用固体激光器无飞溅地焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对工件(3)进行激光射束焊接的方法，其中，在所述工件(3)上至少用第一激光射束(1)产生第一射束面(4)并且用第二激光射束(2)产生第二射束面(5)并且所述第一射束面和所述第二射束面相对于所述工件(3)沿着进给方向(VR)被导向，其中，所述第一射束面(4)的面重心和所述第二射束面(5)的面重心(4a，5a)不一致，并且所述第一射束面(4)在所述第二射束面(5)前方先行，其中，所述第一射束面(4)的横向于所述进给方向(VR)测量的长度延伸LE1大于或者等于所述第二射束面(5)的长度延伸LE2，其特征在于，所述第一射束面(4)的面积大于所述第二射束面(5)的面积，所述第一射束面(4)的沿着所述进给方向(VR)测量的宽度延伸BE1大于或者等于所述第二射束面(5)的宽度延伸BE2，所述第一激光射束(1)的激光功率大于所述第二激光射束(2)的激光功率，并且所述第二激光射束(2)射入到由所述第一激光射束(1)产生的熔池(7)中。本发明提出一种焊接方法，利用该焊接方法能够在高的焊缝质量下对工件在其整个工件厚度上以高进给速度焊接。

Description

尤其用固体激光器无飞溅地焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对工件进行激光射束焊接的方法，其中，在工件上至少用第一激光射束产生第一射束面和用第二激光射束产生第二射束面并且它们相对于工件沿着进给方向被导向，其中，第一射束面和第二射束面的面重心不一致并且第一射束面在第二射束面前方先行，其中，第一射束面的横向于进给方向测量的长度延伸LE1大于或者等于第二射束面的长度延伸LE2。
背景技术
从DE 10 2015 112 537 A1已知这样的方法。
当要以高的焊接速度、狭窄的和细长的焊缝形状和小的热变形来焊接构件时，使用激光射束焊接。通过激光射束在待接合的工件部分的接合点的区域中产生液态熔池。在熔池凝固之后，构件固定地相互连接。用于激光射束焊接的常见激光器类型尤其是CO2激光器和固体激光器和二极管激光器。
金属的激光射束焊接典型地作为深层焊接发生。在激光射束深层焊接中，通过在激光射束和工件之间的相对运动使蒸汽毛细管(钥孔)穿过液态的熔池运动。在这里，在进给速度过高的情况下，大量的熔融飞溅脱离并且焊缝的质量由于缺口的形成而降低。原则上适用的是，熔融流动态性随着吸收能量增加而增大，并且在达到关键性的值时出现上述负面效应，其引起焊缝的质量损失和/或明显的循环熔融流特性。
如果使用具有高的亮度和小焦点直径的固体激光器的激光射束，则少飞溅的焊缝质量的极限由于相对于CO2激光器提高的功率密度而推移至较低的进给速度。熔体流速度和熔池动态性(湍流)被提高，这更强地导致焊缝缺陷。
对于(例如在对焊中的)熔透焊过程(其中，产生在整个工件厚度上延伸的焊缝)，通常使用CO2激光器。然而，值得期待的是，CO2激光器由固体激光器替代，以便节省能量成本。
对于在搭接接头中的焊入已证明，具有较大的焦点直径的第一激光射束与具有较小的焦点直径的第二激光射束的同轴叠加使得可以明显地减少向上方从熔池抛出的飞溅的形成，参见DE 10 2016 222 357 A1或者WO 2018/011456 A1。
然而，在试图将该方法用于深层焊接或者熔透焊时，发明人注意到，第二射束(芯射束)的小直径导致在焊缝下侧上的飞溅，从而该方法不适合于具有在焊缝上侧和焊缝下侧上的高质量的熔透焊。
为了影响熔池动态性，在现有技术中提出不同的其他方法：
从DE 102 61 422 A1已知一种激光焊接方法和激光钎焊方法，其中，激光射束被分配为至少两束可分隔开地聚焦的子射束，并且强度的分配和子激光射束的照射位置可以通过可变的光学布置来调设。
从EP 1 007 267 B1、JP 2004 358 521 A和JP 2004 154 813 A已知激光焊接方法，其中，使不同的激光射束或者激光射束的子射束聚焦到工件上，使得它们的焦点在射束扩散方向上在工件内部相对彼此错开地布置。在此，激光射束或者子射束的射束轴线可以相对彼此错开、即相对彼此不同心地布置。
从DE 10 2015 207 279 A1已知一种激光焊接方法，其中，具有平行并列的、不同的直径的纤维芯的多芯纤维用作用于激光射束的运输纤维，从而在工件表面上形成两个在较大的焦点面(主聚光点)前方先行的、具有较小激光功率的较小焦点面(次聚光点)。
从DE 10 2015 112 537 A1已知一种激光焊接方法，其中，在工件上形成圆形的或者正方形的主聚光点，并且横向地、在前先行地形成一个线形焦点或者两个具有较小延展的次聚光点。激光功率到主聚光点和次聚光点上的分配可通过射束成形光学系统模块的移动运动来调设。
也从DE 10 2016 218 938 A1已知一种在前先行的线形焦点，该线形焦点可以由多个并列布置的圆形次聚光点组成。
从US 2017 0368638 A1和US 2018 0217408 A1已知一种在前先行的弧形聚光点。
从WO 2018 099 851 A1和DE 10 2016 105 214 A1已知，借助于衍射的或者折射的光学元件产生用于焊接或者钎焊的一个主聚光点和两个次聚光点。从WO 2018 054 850A1已知，借助于扫描器光学系统进行用于在焦点面内产生所期望的能量分布的射束成形。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种焊接方法，利用该焊接方法可以在焊缝质量好的情况下对工件在其整个工件厚度上以高的进给速度进行焊接。
根据本发明，该任务通过开头提到的类型的方法解决，所述方法的特征在于，
第一射束面的面积大于第二射束面的面积，
第一射束面的沿着进给方向测量的宽度延伸BE1大于或者等于第二射束面的宽度延伸BE2，
第一激光射束的激光功率大于第二激光射束的激光功率，并且
第二激光射束射入到由第一激光射束产生的熔池中。
在此，第一激光射束和第二激光射束可以相互独立地产生，或者也可以通过分配共同的原始激光射束来产生(将原始激光射束分配为子射束)。
本发明提出，在工件上产生在前先行的较大第一射束面(在前先行的聚光点)和在后跟随的较小第二射束面(在后跟随的聚光点)，它们的中心(面重心)不一致，其中，在前先行的聚光点的(横向于进给方向的)长度和(沿着进给方向的)宽度至少与在后跟随的聚光点的直径或者相应尺寸同样大，其中，在前先行的激光射束的激光功率高于在后跟随的激光射束的激光功率。
发明人认识到，在同时高进给的情况下，对于焊缝上侧和焊缝下侧的良好质量必要的是，在前先行的聚光点以(沿着和横向于进给方向的)足够大的直径或者足够大的面积引起熔池的形成。此外，在前先行的射束必须具有足够高的激光功率，以便在工件表面上产生连贯的熔融膜。将第二射束聚焦到这样形成的熔池中。
在本发明的框架下，可以使到工件中或者到待焊接的工件部分中的能量输入保持小，并且可以实现低的熔池动态性。尤其是可以使在焊缝下侧上的飞溅形成最小化。
以这种方式，根据本发明的方法可以作为深焊入或者作为熔透焊运行，也就是说，工件在焊接过程期间熔化直至工件下侧。该方法在深层焊接结构中进行，也就是说，在熔池中产生蒸汽毛细管(钥孔)。优选地，激光射束在工件的下侧不从工件中射出，而是蒸汽毛细管(钥孔)在工件下侧保持闭合。
在相对于工件导向激光射束时，可以使激光射束和/或工件运动。
第一射束面典型地矩形地或者圆环段状地构造，或者由多个子射束面组成，所述多个子射束面典型地矩形地或者圆环段状地构造。如果第一射束面由分开的子射束面组成，则第一射束面的根据本发明的条件适用于子射束面的总体(和)。第二射束面典型地圆形地或者正方形地构造。第一射束面和第二射束面典型地两者都关于一平面镜像对称地布置，该平面包含进给方向。
当第一射束面的面重心关于进给方向位于第二射束面的面重心之前时，第一射束面被视为相对于第二射束面在前先行；在本发明的框架下，两个射束面可以完全地或者部分地搭接或者也优选彼此分开(不搭接)地布置。
优选地，第一激光射束的射束发散度和第二激光射束的射束发散度相同，或者第二激光射束的射束发散度小于第一激光射束的射束发散度。这有助于使第二射束的能量在蒸汽毛细管的下部区域中才被吸收。
优选地，对于射束面的长度延伸适用LE1≥1.5*LE2，并且特别优选地适用LE1≥2*LE2，并且对于射束面的宽度延伸还优选地适用BE1≥1.5*BE2。此外，优选地，对于第一激光射束的激光功率(可能在所有的子射束面上求和)和第二激光射束的激光功率LL2适用LL1≥1.2*LL2，并且特别优选地适用LL1≥1.5*LL2。优选地，对于第一射束面的(可能求和的)面积FI1和第二射束面的面积FI2适用FI1≥2*FI2、特别优选地适用FI1≥3*FI2、完全特别优选地适用FI1≥5*FI2。
根据本发明的方法尤其可以用于通过将待焊接的工件部分对焊来生产工件。尤其是，可以无再加工地制造管、型材、裁焊板(Tailored welded blanks)。尤其对于具有在0.5mm至3mm之间的厚度的工件产生非常良好的焊缝质量。
在根据本发明的方法的一种优选变型中设置，用一个或者多个固体激光器产生激光射束。固体激光器允许产生具有相对高亮度和小焦点直径的激光射束，由此通常增强了在焊缝上侧和焊缝下侧上的飞溅形成倾向，并且通常使焊缝缺陷经常出现。在根据本发明的方法的框架下，甚至可以在高的进给速度下使用固体激光器时在熔透焊中使用高的焊缝质量。
如下变型也是优选的：在该变型中，第二激光射束的焦点直径FD2小于第一激光射束的焦点直径FD1，并且第二激光射束的功率密度大于第一激光射束的功率密度。这种功率密度分布被证明是对焊缝质量有利的。在第二激光射束的区域中，蒸汽毛细管更深地侵入到工件中，并且能够使得工件材料熔化直至工件下侧。一般而言，第一和第二激光射束典型地聚焦到工件表面上；但是，也可以选择例如在工件表面下方的焦点位置。
如下变型是特别优选的：在该变型中，对于第二激光射束至少在横向于进给方向的方向上的焦点直径FD2适用：
FD2≥dMin，其中，
Figure BDA0003057742750000051
其中，kd,Min为在3至30mm2/s之间的材料特有常数，s为待焊接的工件厚度，并且v为激光射束焊接的进给速度。
在维持该条件的情况下，在焊缝下侧上的飞溅倾向特别小。工件越厚，则(至少)第二激光射束的焦点直径FD2应越大地选择。进给速度v越大，则焦点直径FD2可以越小地选择。kd,Min对于结构钢在8至20mm2/s之间，对于优质钢在5至20mm2/s之间。如果第二激光射束在焦点处是圆形的，则以上的条件普遍地适用；如果激光射束在不同的方向上具有不同的直径，则以上的条件适用于第二激光射束的横向于进给方向的直径。在进给方向上可以低于直径dMin。
在这种变型的一种有利的拓展方案中，对于第一射束面的长度延伸LE1适用：
LE1≥bMin，其中，bMin＝2*dMin。
由此可以实现焊缝质量的进一步的改进。工件越厚，则(至少)长度延伸LE1应越大地选择。进给速度v越大，则长度延伸LE1可以越小地选择。如果第一射束面包括分开的子射束，则在子射束面的在横向于进给方向的方向上彼此相隔最远的边沿之间确定长度延伸LE1。
以上变型的如下拓展方案同样是有利的：在所述拓展方案中，对于在第一射束面的面重心和第二射束面的面重心之间沿着进给方向的间距a适用：
a≥aMin，其中，aMin＝2*dMin。
由此也可以实现焊缝质量的进一步改进。工件越厚，则(至少)间距a应越大地选择。进给速度v越大，则间距a可以越小地选择。如果第一射束面包括分开的子射束面，则针对子射束面的总体确定第一射束面的面重心。
如下变型是优选的：该变型设置，使不同工件厚度的多个工件经受激光射束焊接，并且在第一射束面的面重心和第二射束面的面重心之间沿着进给方向的间距a对于具有较大工件厚度的工件较大地选择。通过这种方法可以与不同的工件或者其工件厚度进行匹配，由此可以实现优化的焊缝质量和进给速度。
在所述方法的一种变型中，第一射束面和第二射束面搭接。
在一种替代的变型中，第一射束面和第二射束面彼此分隔开。通过第一激光射束与第二激光射束在空间上的间距，工件中的热传导过程和熔化过程可以从第一激光射束起作用起向前进行直至第二激光射束起作用，由此可以优化第二激光射束在工件中的作用的条件。此外，在大多数情况下实现较小的熔池动态性，尤其是因为两个激光器的功率密度不会在任何地方相加并且因此减小了局部的功率密度峰值。
如下变型是特别优选的：在该变型中，第一射束面包括至少两个在横向于进给方向的方向上排成列的、彼此分隔开的子射束面，其中，这些子射束面尤其圆形地构造。横向于进给方向延展的第一射束面的产生通过排成列的子射束面是特别简单的，例如借助于由单个激光射束组成的阵列发生器。横向于进给方向排成列的子射束面优选关于第二射束面对称地布置。
如下变型是有利的：在该变型中，第一射束面包括至少两个在进给方向上排成列的、彼此分隔开的子射束面，尤其是，其中，这些子射束面矩形地或者圆环段状地构造。通过使用在进给方向上排成列的子射束面，可以在第二激光射束之前有针对性地调设能量输入和熔池形成，尤其在考虑工件厚度的情况下进行调设。典型地，第一射束面的所有在进给方向上排成列的子射束面关于进给方向布置在第二子射束面之前。
这种变型的如下拓展方案是优选的：在该拓展方案中，对于第二射束面在至少一个横向于进给方向的方向上的焦点直径FD2适用FD2≥dMin，并且在所述拓展方案中，此外，对于第一射束面的在进给方向上在最前的子射束面的面重心和第二射束面的面重心的间距a’适用：a’≥aMin，其中，aMin＝2*dMin。由此，又可以实现特别高的焊缝质量。工件越厚，则(至少)间距a’应越大地选择。进给速度越大，则间距a’可以越小地选择。
此外，上述变型的如下拓展方案是优选的：该拓展方案设置，对不同工件厚度的多个工件进行激光焊接，并且在进给方向上排成列的子射束面的数量NV随着较大工件厚度而较大地选择。通过这种做法可以与不同的工件或者其工件厚度进行匹配，由此可以实现优化的焊缝质量和进给速度。
在一种优选的变型中，激光射束焊接作为熔透焊运行。工件在焊接过程期间熔化直至工件下侧。优选地，激光射束在工件的下侧不从工件中射出，而是蒸汽毛细管(钥孔)在工件下侧保持闭合。在本发明的框架下，可以使在工件下侧上的飞溅形成最小化并且实现高的焊缝质量。
从说明书和附图得出本发明的其他优点。同样地，以上所提到的和还进一步列举的特征可以根据本发明分别单个单独地或者多个任意组合地使用。所示出的和所说明的实施方式不可理解为最终的列举，而是更确切地说具有用于描述本发明的示例性特性。
附图说明
在附图中示意性地示出并且根据实施例更详细地阐述本发明。
图1示出在根据本发明的焊接方法的一种变型期间沿着焊缝穿过工件的截面；
图2以示意性的俯视图示出在一种具有在前先行的矩形聚光点和在后跟随的圆形聚光点的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面(射束图像)；
图3以示意性的俯视图示出在一种具有包括两个圆形子聚光点的在前先行的聚光点和跟随的圆形聚光点的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面；
图4以示意性的俯视图示出在一种具有大的圆形的第一射束面和位于该第一射束面内部的、小的圆形的第二射束面的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面；
图5以示意性的俯视图示出在一种具有大的圆形的第一射束面和与该第一射束面分开的、小的圆形的第二射束面的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面；
图6以示意性的俯视图示出在一种具有圆环段状的第一射束面和圆形的第二射束面的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面；
图7以示意性的俯视图示出在一种具有第一射束面的多个矩形子射束面并且具有圆形的第二射束面的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面；
图8以示意性的俯视图示出在一种具有第一射束面的多个圆环段状子射束面并且具有圆形的第二射束面的变型中的用于根据本发明的方法的第一射束面和第二射束面。
具体实施方式
图1以沿着激光射束1，2的进给方向VR的截面视图示出在根据本发明的焊接方法期间待焊接的工件3。工件3由两个工件部分组成，在所述两个工件部分中，第一工件部分位于绘图平面上方并且第二工件部分位于绘图平面下方。在对焊时相互焊接的工件部分的接触面位于图1的绘图平面内。工件3具有工件厚度s。
第一激光射束1在工件3的上侧6上产生第一射束面4，并且第二激光射束2在工件3的上侧上产生第二射束面5。在所示出的变型中，两个射束面4，5在上侧6上(在图1的投影中)刚好彼此邻接，并且激光射束1，2具有垂直于工件3的上侧6延伸的射束轴线。
两束激光射束1，2在工件3中产生延展的熔池7并且在熔池7内部产生蒸汽毛细管(钥孔)8。在所示出的变型中，存在着“联合的”蒸汽毛细管8，该蒸汽毛细管不但在第一激光射束1的区域中而且在第二激光射束2的区域中延伸并且也少量地超过它们延伸；即，激光射束1，2中的每一激光射束的功率密度足以使工件材料局部地蒸发。然而，蒸汽毛细管8在第二激光射束2的区域中更深地伸入到工件3中。
在这里，熔池7伸至工件3的下侧9，也就是说，使工件3直至下侧9并且包括下侧9在内地熔化(“熔透焊”)。在所示出的变型中，蒸汽毛细管8向下完全被熔池7或者熔化的工件材料包围；即，蒸汽毛细管8不向下敞开，并且激光射束1，2不在工件3的下侧9射出。
熔池7在激光射束1，2的跟随部中(即，关于进给方向VR在激光射束1，2后方，在图1中在激光射束1，2右边)比在激光射束1，2的前行部中明显更远地延展。熔池7接着熔池7地一再凝固，由此形成焊缝10。
在所示出的变型中，激光射束1，2例如在工件3的上侧6下方聚焦，在这里在相同的高度上聚焦，参见焦点位置11，12。
根据本发明，在前先行的第一激光射束1的第一射束面4的面积大于在后跟随的第二激光射束2的第二射束面5的面积。第一激光射束1的整体激光功率大于第二激光射束2的整体激光功率。第一激光射束1的焦点直径FD1大于第二激光射束2的焦点直径FD2，然而，第一激光射束1的(例如在焦点位置11处测量的)功率密度(也就是说，每个面的功率)小于第二激光射束2的(例如在焦点位置12处测量的)功率密度。
在图2至8中更详尽地阐述在不同的变型中用于本发明的第一射束面4和第二射束面5的面积比例和尺寸比例。
在本发明的框架下，在前先行的第一激光射束1产生延展的熔池7，第二激光射束2射入到该熔池中。通过维持根据本发明的尤其用于射束面4，5的尺寸和所射入的激光功率的条件，实现了可以进行具有到工件3或者熔池7中的相对小的能量输入的熔透焊，并且在高的进给速度(参见进给方向VR)的情况下不但在工件3的上侧而且在其下侧9实现尤其具有小的飞溅形成的高焊缝质量。
图2示意性地示出在一种变型中用于根据本发明的激光焊接方法的、在工件的上侧上的、包括第一射束面4和第二射束面5的射束图像，在该变型中，第一射束面4近似矩形地构造，并且第二射束面5近似圆面形地构造。
在这里，分别垂直于进给方向VR测量，第一射束面4的长度延伸LE1为第二射束面5的长度延伸LE2的大约2.8倍。相应地，可以用第一射束面4产生熔池，该熔池横向于进给方向VR比第二射束面5明显更宽。
在所示出的变型中，第一射束面4的沿着进给方向VR的宽度延伸BE1恰好与第二射束面5的宽度延伸BE2相同。由此实现，第一激光射束先前也已经在工件材料的宽度(第二激光射束同时对所述宽度起作用)上同时起作用，并且进行相应的预备热传播或者也进行相应的预备熔化。
在这里，第一射束面4的面积为第二射束面5的面积的大约3倍。
在这里，第一射束面4的面中心4a以间距a在第二射束面5的面重心5a前方先行；射束面4，5彼此分开并且不搭接。
在第一激光射束的激光功率P1＝4500W和第二激光射束的激光功率P2＝3000W和进给速度v＝12m/min以及工件厚度s＝2mm的情况下，在使两束激光射束在工件的上侧(表面)的高度上聚焦时，可以实现在由优质钢制成的工件3中的非常良好的焊缝质量。
对于用于所使用的优质钢的典型的为10mm2/s的材料常数kd,Min，在2mm的工件厚度和12m/min的进给速度的情况下，在这里对于
Figure BDA0003057742750000101
Figure BDA0003057742750000102
产生大约为0.32mm的值。
根据本发明，第二射束面5在横向于进给方向VR的方向上的焦点直径(其中，该焦点直径在这里相当于LE2)选择为大于或者等于dMin(注意，在这里，第二射束面5是圆形的，从而第二射束面5的焦点直径在每个方向上是相等的，尤其是LE2＝BE2)。在所提出的变型中，与上述条件一致，LE2为大约0.35mm。此外，根据本发明建议，间距a选择为至少2*dMin。对于所提出的变型，与该条件一致，a选择为大约0.8mm。最后，根据本发明还建议，长度延伸LE1选择为至少2*dMin。在所提出的变型中，与该条件一致，LE1选择为大约0.9mm。
图3示意性地示出用于本发明的一种变型的射束图像，在该变型中，第一射束面4包括两个子射束面31，32。在这里，子射束面31，32圆面形地构造并且横向于进给方向VR排成列并且彼此间隔开。第一射束面4的长度延伸LE1通过子射束面31，32的总体来确定，即，通过它们的相对置的外边沿来确定，并且在这里是第二射束面5的长度延伸LE2的大约2.2倍。在这里，宽度延伸BE1和BE2又相等。在这里，第一射束面4的在子面31，32之间的面重心4a以间距a位于第二射束面5的面重心5a之前。在这里，第一射束面4的面积为第二射束面5的面积的2倍。
图4示出一射束图像，其中，在所示出的变型中，第一射束面4圆面形地并且大地构造，并且第二射束面5圆面形地并且小地构造，其中，第二射束面5完全布置在第一射束面4内部。在第二射束面5的区域中，来自两束激光射束的(局部的)激光功率在工件上相加。
关于进给方向VR，第一射束面4的面重心4a位于第二射束面5的面重心前方；在这里，间距a为a＝BE1/2-BE2/2。在所示出的变型中，宽度延伸BE1为宽度延伸BE2的大约3倍；相应条件也适用于长度延伸LE1和LE2。
图5示出一种变型的射束图像，在该变型中，第一射束面4圆面形地并且大地构造，并且第二射束面5圆面形地并且小地构造，其中，第二射束面5完全布置在第一射束面4外部并且(关于进给方向VR)布置在其后方。相应地，面重心4a，5a的间距a在这里大于BE1/2和BE2/2的和。在这里，长度延伸LE1为LE2的大约2.4倍；相应条件适用于宽度延伸BE1，BE2。
在图6中示出一种变型的射束图像，在该变型中，第一射束面4圆环段形地构造，并且第二射束面5圆面形地构造。在此，在所示出的变型中，射束面4，5的所属圆中心点重合，即，在第二射束面5的面重心5a处重合；然而，射束面4，5彼此分开。在这里，第一射束面4的面重心4a近似地位于射束面4的后边沿上并且关于横向于进给方向VR的方向居中。在这里，第一射束面4的宽度延伸BE1是第二射束面5的宽度延伸BE2的大约1.33倍。而第一射束面4的长度延伸LE1是第二射束面5的长度延伸LE2的大约2.9倍。在这里，面重心4a，5a的间距a是第二射束面5的宽度延伸BE2的大约0.9倍。
通过圆环段状的第一射束面4可以获得朝向第二射束面5的区域的非常均匀的热传播以及均匀的熔化。
在图7中示出一种变型中的射束图像，在该变型中，第一射束面4包括三个分开的子射束面71，72，73，这些子射束面在进给方向VR上前后相继排成列地布置。子射束面71-73分别近似矩形地构造，其中，在横向于进给方向VR的方向上最大的子射束面71最远地布置在前方，并且其他的子射束面72，73具有朝向后方(与进给方向VR相反)减小的长度延伸。对于第一射束面4总体，最前方的子射束面71确定长度延伸LE1。第一射束面4总体的宽度延伸BE1在子射束面73和71的外边沿(关于进给方向VR)之间确定。在此，LE1是LE2的大约2倍，并且此外BE1是BE2的大约2.4倍。
在所示出的变型中，同时使用所有三个子射束面71，72，73，以便将相对大的激光功率通过具有第一激光射束的大的面引入到工件中。为了良好的焊缝质量，在第一射束面4的最前方的子射束面71的面重心71a和第二射束面5的面重心5a之间的间距a’应选择为至少2*dMin(对dMin的定义参见前面的图1)。优选地，对于在第一射束面4总体的面重心4a(所述面重心在这里位于第二子射束面72内部)和第二子射束面5的面重心5a之间的较小间距也适用的是，该间距a也为至少2*dMin。
在一种优选的构型中，可以改变第一射束面4的同时使用的子射束面71-73的数量和/或对所使用的子射束面71-73进行选择，尤其以便视工件类型而定地与工件的相应待焊接工件厚度s进行匹配。工件越厚，则应在前方越远地在第二射束面5前方使用子射束面71-73，以便相应地设置较大的间距a’或者a。工件越厚，则应使用越多的在前先行的子射束面。
图8示出用于一种变型的射束图像，在该变型中，第一射束面4包括两个子射束面71，72，所述两个子射束面又在进给方向VR上前后相继排成列地布置。第二射束面5圆面形地构造。
子射束面71，72分别近似圆环段状地构造，其中，在横向于进给方向VR的方向上最大的子射束面71最远地布置在前方；子射束面71，72和第二射束面5的所属圆中心点在第二子射束面5的面重心5a处重合。对于第一射束面4总体，最前方的子射束面71确定长度延伸LE1。第一射束面4总体的宽度延伸BE1在子射束面72和71的外边沿(关于进给方向VR)之间确定。在此，LE1为LE2的大约4.8倍，并且此外BE1为BE2的大约2.3倍。
在该变型中，(第一子射束面71的面重心71a和第二射束面5的面重心5a之间的)间距a’和(第一射束面4总体的面重心4a和第二射束面5的面重心5a之间的)间距a不相差很大，从而使得同时维持条件a’≥2*dMin和a≥2*dMin更容易。在这种变型中，第一射束面4的子射束面71，72的数量和选择可以视工件类型而定地并且尤其根据工件厚度s来实现。
根据本发明的方法尤其可以在这样的设备中付诸实施：在所述设备中，不同的射束面4，5或者聚光点由不同的激光射束产生或者通过将激光射束分配为两束或者多束子射束来产生。相应情况适用于子射束面。有利的变型例如可以使用：
·具有两个或者多个平行并列的、不同直径的纤维芯的双芯纤维；
·具有相对于周围的环式纤维偏心地布置的芯纤维的双芯纤维；
·激光加工头中的衍射光学元件，所述激光加工头产生所期望的强度轮廓(射束图像)并且在此可以产生必要时(例如在围绕光轴转动时)可改变的不同强度轮廓(射束图像)。
例如通过布置在激光加工头中的可转动光学元件可以进行第一和第二射束面的共同转动或者第一射束面(或者其子射束面)围绕第二射束面的转动。这能够使得射束面的定向匹配于弯曲地(非线性地)延伸的焊接坡口。
借助于根据本发明的方法尤其可以无再加工地制造管、型材和裁焊板。不出现或者几乎不出现飞溅，由此减少设备停机时间。偏心的方案(第一射束面和第二射束面的面重心在进给方向上相对彼此偏移)减少了激光焊接所需的能量，并且还存在(通过较高的进给速度)提高生产能力的可能性。
附图标记列表
1 第一激光射束
2 第二激光射束
3 工件
4 第一射束面
4a 第一射束面的面重心
5 第二射束面
5a 第二射束面的面重心
6 工件的上侧
7 熔池
8 蒸汽毛细管
9 工件的下侧
10 焊缝
11 第一激光射束的焦点位置
12 第二激光射束的焦点位置
31 第一射束面的子射束面
32 第一射束面的子射束面
71 第一射束面的最前方的子射束面
71a 最前方的子射束面的面重心
72 第一射束面的子射束面
73 第一射束面的子射束面
a 第一射束面的面重心和第二射束面的面重心的间距
a’ 第一射束面的最前方的子射束面的面重心和第二射束面的面重心的间距
BE1 第一射束面的宽度延伸
BE2 第二射束面的宽度延伸
FD1 第一激光射束的焦点直径
FD2 第二激光射束的焦点直径
LE1 第一射束面的长度延伸
LE2 第二射束面的长度延伸
VR 进给方向

Claims (15)

1.一种用于对工件(3)进行激光射束焊接的方法，
其中，在所述工件(3)上至少用第一激光射束(1)产生第一射束面(4)并且用第二激光射束(2)产生第二射束面(5)并且所述第一射束面和所述第二射束面相对于所述工件(3)沿着进给方向(VR)被导向，
其中，所述第一射束面(4)的面重心和所述第二射束面(5)的面重心(4a，5a)不一致，并且所述第一射束面(4)在所述第二射束面(5)前方先行，其中，所述第一射束面(4)的横向于所述进给方向(VR)测量的的长度延伸LE1大于或者等于所述第二射束面(5)的长度延伸LE2，
其特征在于，
所述第一射束面(4)的面积大于所述第二射束面(5)的面积，
所述第一射束面(4)的沿着所述进给方向(VR)测量的宽度延伸BE1大于或者等于所述第二射束面(5)的宽度延伸BE2，
所述第一激光射束(1)的激光功率大于所述第二激光射束(2)的激光功率，并且
所述第二激光射束(2)射入到由所述第一激光射束(1)产生的熔池(7)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用一个或者多个固体激光器产生所述激光射束(1，2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二激光射束(2)的焦点直径FD2小于所述第一激光射束(1)的焦点直径FD1，并且所述第二激光射束(2)的功率密度大于所述第一激光射束(1)的功率密度。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述第二激光射束(2)的焦点直径FD2至少在横向于所述进给方向(VR)的方向上适用：
FD2≥dMin，其中，
Figure FDA0003057742740000021
其中，kd,Min为3至30mm2/s之间的材料特有常数，
其中，s为待焊接的工件厚度，并且
其中，v为所述激光射束焊接的进给速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于所述第一射束面(4)的长度延伸LE1适用：
LE1≥bMin，其中，bMin＝2*dMin。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，对于在所述第一射束面(4)的面重心和所述第二射束面(5)的面重心(4a，5a)之间沿着所述进给方向(VR)的间距a适用：
a≥aMin，其中，aMin＝2*dMin。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对不同工件厚度(s)的多个工件(3)进行所述激光射束焊接，并且
在所述第一射束面(4)的面重心和所述第二射束面(5)的面重心(4a，5a)之间沿着所述进给方向(VR)的间距a对于具有较大工件厚度(s)的工件(3)较大地选择。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一射束面(4)和所述第二射束面(5)搭接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一射束面(4)和所述第二射束面(5)彼此分隔开。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一射束面(4)包括至少两个在横向于所述进给方向(VR)的方向上排成列的、彼此分隔开的子射束面(31，32)，
尤其是，其中，这些子射束面(31，32)圆形地构造。
11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一射束面(4)包括至少两个在进给方向(VR)上排成列的、彼此分隔开的子射束面(71，72，73)，
尤其是，其中，这些子射束面(71，72，73)矩形地或者圆环段状地构造。
12.根据权利要求4和根据权利要求11所述的方法，其特征在于，对于所述第一射束面(4)的在进给方向(VR)上在最前方的子射束面(71)的面重心和所述第二射束面(5)的面重心(71a，5a)的间距a’适用：
a’≥aMin，其中，aMin＝2*dMin。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，使不同工件厚度(s)的多个工件(3)经受所述激光射束焊接，并且
在进给方向(VR)上排成列的子射束面(71，72，73)的数量NV随着较大工件厚度(s)而较大地选择。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，在进给方向(VR)上排成列的子射束面(71，72，73)具有朝向所述第二射束面(5)减小的横向于进给方向(VR)测量的长度延伸。
15.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光射束焊接作为熔透焊运行。
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