CN113423531B - 激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于金属合金的激光小孔焊接的方法。该方法独立地调整聚焦中心束中的功率和同心聚焦环形束中的功率。在焊接的终止处，中心束中的功率先斜升然后斜降，而环形束中的功率斜降。增加中心束中的功率可以控制和延长小孔和熔池的收缩，从而防止不希望的开裂。

Description

激光焊接方法
优先权
本申请要求于2019年2月13日提交的美国临时申请序号62/805,244的优先权，其公开内容整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及使用激光辐射的聚焦束的焊接。本发明特别涉及使用聚焦中心束和聚焦环形束焊接金属合金。
背景技术
激光辐射束越来越多地用于对由多种材料制成的工件进行切割、钻孔、焊接、标记和划线；包括金属和金属合金。传统的机械加工会产生不需要的缺陷，例如当加工工件受力时可能会传播的微裂纹，从而降级和削弱加工工件。激光加工最大限度地减少了这种不需要的缺陷，通常更清洁，并产生更小的热影响区。激光加工使用聚焦激光束来产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。
在激光焊接中，聚焦的激光束精确地定位每个焊点或焊缝，同时最小化附带加热。区分两种主要的激光焊接方式很有用。传导焊接发生在较低的激光功率和较低的功率密度下。吸收的激光功率加热被照射的材料，熔化要连接的每个部分的材料，然后流动、混合，然后固化。小孔焊接在较高的激光功率和较高的功率密度下发生，足以使某些受辐照材料汽化。汽化的材料对周围熔化材料的压力打开了一条通过熔化材料的通道，具有特征性的窄而深的轮廓。成品小孔焊缝通常比传导焊缝更窄、更深、强度更高。然而，在热的、动态的熔化材料池中保持稳定的小孔可能很困难。
激光焊接一些金属和金属合金时的一个问题是在激光焊缝的末端处形成缺陷，特别是裂纹。一些缺陷是由工件冷却时产生的应力引起的。这些初始缺陷会削弱焊接工件的强度，如果在使用成品焊接工件时施加热应力或机械应力，这些缺陷可能会进一步传播。不可靠的焊缝可能会导致灾难性的故障。减轻末端缺陷的一种已知解决方案是在焊缝末端处迅速斜降激光功率，而不是以数字方式关闭功率。另一种已知的解决方案是在焊缝末端处快速提升聚焦束，从而用强度逐渐降低的光束照射工件上逐渐增大的区域。尽管这些解决方案已对许多材料取得成功，但已证明它们不足以用于现代高强度合金或具有相对较高热导率的金属。这些材料在激光焊缝开始和/或末端处，特别是在激光焊缝末端处，仍然顽固地容易开裂。
需要简单且可靠的方法来激光焊接在焊缝末端处特别容易开裂的金属和金属合金。优选地，该方法不会损害现代激光焊接的任何优点，例如焊接速度、精度、焊接质量和每焊接成本。
发明概述
根据本发明的用于激光焊接工件的方法包括将激光辐射的聚焦束传送到工件。聚焦束具有聚焦中心束和同心聚焦环形束。在工件上的焦点处，聚焦中心束小于聚焦环形束。焦点相对于工件从起始位置向停止位置横向移动。中心束具有中心加工功率，环形束具有环形加工功率。当焦点到达停止位置时，环形束在斜降时间内从环形加工功率下降到关闭功率。中心束在第一持续时间内从中心加工功率斜升，然后中心束在第二持续时间内斜降到关闭功率。第一持续时间是在斜降时间期间。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A是示意性地示出了用于实施本发明的激光焊接方法的激光焊接设备的一个优选实施方案的侧视图，部分横截面，该设备包括产生至少两束激光辐射的激光源，以及光纤和聚焦透镜。
图1B是示意性地示出图1A的光纤的细节的截面图，其具有用于引导中心束的中心纤芯和用于引导环形束的环形纤芯。
图2A是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了使用仅具有中心纤芯的传统光纤的现有技术焊接方法。
图2B是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了使用具有中心纤芯和环形纤芯的光纤的现有技术焊接方法。
图3A和图3B是功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本发明的激光焊接方法的一个实施方案。
图4A和图4B是功率对时间的曲线图，示意性地示出了根据本发明的激光焊接方法的另一个实施方案。
图5A是通过现有技术方法制造的高强度钢合金工件中搭接焊缝的放大平面图，该照片显示了焊缝末端附近的裂纹。
图5B是工件中搭接焊缝的放大平面图，与图5B相同，使用图3B的本发明的方法得到，照片显示焊缝无裂纹。
发明详述
现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1A和1B示意性地示出了在现有技术的激光加工方法中使用并且在本发明的激光焊接方法中使用的设备10。在现有技术和当前方法中，激光源12通过光纤14将至少两束激光辐射传送到聚焦透镜16。光纤14包括用于引导中心激光辐射束的中心纤芯30。中心纤芯30具有低折射率包层32。光纤14还包括用于引导环形激光辐射束的环形纤芯34。环形纤芯34同心地位于低折射率包层32与低折射率包层36之间。激光源12被配置为将中心束传送到中心纤芯30并将环形束传送到环形纤芯34。将这种激光源与这种光纤集成的激光系统是可商购的。例如，来自加利福尼亚州圣克拉拉的Coherent公司的HighlightTM FL-ARM激光器。这种激光器的一个特点是可以独立选择和调整中心束和环形束的光功率。
聚焦透镜16形成聚焦束18，包括描绘为会聚实线的聚焦中心束和描绘为会聚虚线的同心聚焦环形束。聚焦束向焦点20会聚，其中聚焦中心束的直径比同心聚焦环形束小得多。设备10还可以包括任选的光束扩展器，此处未描绘，位于光纤14与聚焦透镜16之间。聚焦透镜16此处描绘为光纤耦合透镜组件，其通常布置成允许从光纤出现的光纤在聚焦之前进行内部扩展。
聚焦束18被引导到工件22上，工件22最初包括要焊接在一起的两个工件。在图中，两个搭接焊接的工件在沿焊缝的横截面中被描绘。工件22由平移台24支撑和移动。焦点20靠近工件22的顶面定位，该顶面可以在该表面之上、上面或之下。对于搭接焊，焦点优选地位于表面上方约1毫米(mm)至表面下方约2mm之间的焦深处。两件工件22可以被涂覆或未涂覆。两件工件22可以直接接触或者可以由小间隙隔开。例如，镀锌钢通常以数百微米的间隙焊接，以允许高压锌蒸气逸出。
在焊接过程中，平移台24横向移动，如矢量M所示。焊缝被描绘为工件22上的阴影。对于工件22中的焊缝，存在期望的起始位置26和期望的停止位置28。横向移动工件22将焦点20相对于工件22从起始位置26移动到停止位置28。设备10可以被配置为横向移动聚焦透镜16，以相对于工件22移动焦点20。聚焦透镜组件也可以结合检流计驱动型反射镜和平场物镜以相对于工件22移动焦点20。
图2A是示意性地示出了使用常规光纤的现有技术激光焊接方法的激光辐射束中的功率与时间的关系图。传统光纤只有一根光束被引导通过一个中心纤芯。没有环形纤芯。焦点最初位于起始位置。在起始位置的斜升时间TRU内，光束功率从大约0瓦(Watts)斜升至加工功率。在停止位置，光束功率在斜降时间TRD内从加工功率下降到0W。在斜升和斜降之间，光束具有加工功率并以加工速度在起始位置和停止位置之间横向移动。
图2B是示意性地示出了使用光纤14的激光焊接方法的中心纤芯中的功率和环形纤芯中的功率与时间的关系图。每个光束具有TRU和TRD之间的加工功率。选择相应的加工功率以优化焊接过程。聚焦中心束的功率与聚焦环形束的功率有一个最佳比率，这取决于制作工件的材料和工件的厚度。两个束的各自束功率在TRU期间斜升，在TRD期间斜降。对于某些材料，图2B的方法就足够了。例如，提高功率通常足以防止普通钢合金在起始位置和停止位置开裂。然而，对于其他材料，发明人在焊接工件的停止位置观察到裂纹和其他缺陷。例如，对于高强度钢、双相钢、马氏体钢和铝。如上所述，这种缺陷会削弱焊接工件的强度，并且在应用中受压时会导致成品工件过早失效。
图3A和3B是示意性地示出了根据本发明的激光焊接方法的一个优选实施方案的中心纤芯中的功率和环形纤芯中的功率对时间的曲线图。对于激光焊接高强度钢合金，发明人确定中心束中的功率与环形束中的功率的最佳比率较小，优选小于1:5，最优选小于1:10。当焦点20到达停止位置28时，在TRD期间聚焦环形束中的功率从环形加工功率斜降到0W。从TRD开始，在持续时间T1内，聚焦中心束的功率以第一斜坡速率从中心加工功率斜坡上升。然后，在持续时间T2内，聚焦中心束中的功率以第二斜坡速率斜降至0W。
图3A表示本发明方法的一般实施方式，其中中心束的总斜坡时间T1+T2大于(描绘)或小于束的斜坡时间TRD。图3A描绘了在TRD期间中心束中的功率的第一和第二斜率小于环形束中的功率的斜率。因此，焦点20处的聚焦束18中的总功率密度以三种不同且逐渐变慢的速率斜降。对于图3A中描绘的斜坡时间和斜坡速率，中心束中的功率与环形束中的功率之比在整个T1和T2中增加。
图3B表示一种优选实施方式，其中总斜坡时间T1+T2等于斜坡时间TRD；T1期间中心纤芯中的第一功率斜坡率与TRD期间环形纤芯中的功率斜坡率相等，但符号相反；并且T2期间中心纤芯中的功率斜率等于TRD期间环形纤芯中的功率斜率。因此，焦点20处的聚焦束18的总功率密度在T1期间不变，然后在T2期间斜降。中心束中的功率与环形束中的功率之比在整个T1中增加。
本发明的方法通过以受控方式减小熔化区和小孔的尺寸来防止停止位置处的开裂和其他缺陷，这延长了TRD期间的小孔焊接条件。当小孔达到与焊接中仅使用中心纤芯时的尺寸相当时，小孔就端接了。与传统钢合金相比，高强度钢具有固有的高内应力，因为它们具有专有的原子成分，专为高机械强度而开发。通过在达到传导焊接条件之前收缩小孔和熔化区，残余应力被限制在较小的体积内。总的来说，熔化区周围的冷却速度降低，使该体积中的固化材料退火。对刚凝固的材料进行退火进一步最大程度地减少了随后的开裂和缺陷形成。
在图3A和图3B所示的整个时间期间，焦点20相对于工件22连续移动，其中TRU和TRD与焦点20分别通过起始位置26和停止位置28同步。或者，运动可以在TRD的开始、TRD的结束或T2的结束终止。光束功率的斜降可能与焦点相对于工件从加工速度减速到静止一致。然而，在所有情况下，小孔焊接条件在停止位置28处终止。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以调节TRU和TRD之间的加工功率。例如，当从工件的较薄部分过渡到较厚部分或焊接小半径或焊接拐角时，总加工功率可能会降低。
图4A和4B是示意性地示出了根据本发明的激光焊接方法的另一个优选实施方案的中心纤芯中的功率和环形纤芯中的功率与时间的关系图。图4A和4B的方法类似于图3A和3B的方法，不同的是在T1期间中心纤芯中的功率的第一斜坡率大于在TRD期间环形纤芯中功率的绝对斜坡率。这种方法有利于具有相对高热导率的金属合金，例如铝合金。由于引起应力的高冷却速率，这些合金易于发生凝固开裂。为了克服环形纤芯中功率斜降时温度的快速下降，中心纤芯中的功率会迅速斜升以进行补偿。对于铝合金，发明人确定在焊接过程中中心束中的功率应优选地小于环形束中的功率。最佳比率最优选小于1:1.6。
图5A是平面图放大照片，显示了通过现有技术方法制造的高强度钢工件中搭接焊缝的末端，类似于图2B。聚焦束在照片中从左到右扫描。由于锌表面涂层在焊接过程中被烧掉，具有光亮外观的焊接材料被较暗的变色表面包围，这是热变色。焊缝的宽度A大约是聚焦环形束的直径。在材料冷却的同时或之后立即形成应力裂纹1。另一条裂纹2随后形成，而另一条裂纹3甚至更晚形成。很可能是裂纹1引发了裂纹2，也很可能是裂纹2引发了裂纹3。这些裂纹从可见表面延伸到工件中。
图5B是平面图放大照片，显示了与图5A相同的高强度钢工件中搭接焊缝的末端，但使用图3B的创造性方法焊接。同样，焊接材料具有明亮的外观，焊缝的宽度B大约为聚焦环形束的直径。焊缝朝向末端逐渐变窄；例如，宽度C。当小孔最终塌陷时，末端大约位于聚焦束的位置。这种逐渐变细是熔化区和小孔尺寸受控减小的结果，如上所述。该焊缝无裂纹。该锥体中的任何残余应力都被最小化，并且末端周围任何升高的残余应力都被限制在最小的体积内。
图3A和图3B的本发明方法可以应用于多种合金。例如，作为本领域已知的第三代钢的高强度钢合金“Gen3”和“XGen3”。该方法也可应用于和/>品牌钢，它们可从ArcelorMittal S.A.of Luxembourg,Luxembourg商购获得。例如，图4A和4B的本发明方法可应用于所有5xxx系列、6xxx系列和7xxx系列铝合金。该方法也可应用于双相钢，如DP600。
图3B的方法是通过搭焊的两块1.4毫米厚的Gen3 1180高强度合金钢来演示的。搭焊完全穿透两块。中心束的束参数乘积约为2，环形束的束参数乘积约为8。聚焦中心束的直径约为225微米(μm)，聚焦环形束的直径约为575μ米。焦点位于工件的顶面或等效于约0μm的焦深处。焦点相对于工件以每秒约70毫米(mm/s)的速度横向移动。在焊接过程中，中心束的功率约为300W，环形束的功率约为3500W。环形束中的功率在大约150毫秒(ms)的时间TRD内斜降，这对应于大约-25W/ms的速率。中心束中的功率在大约55ms的时间T1内以大约+32W/ms的速率斜升，然后在大约95ms的时间T2内以大约-23W/ms的速率斜降。因此在没有任何可检测的裂纹的情况下终止搭接焊缝。一般而言，大约50mm/s至大约200mm/s之间的焊接速度是实用的，而大约10ms至大约200ms之间的斜降时间TRD是实用的。
尽管搭焊工件被用作实施例，但本领域技术人员将认识到，本发明的方法可应用于边缘、角焊、缝焊或对接焊。通常，应力引起的缺陷往往发生在焊缝的末端。然而，这里公开的发明也可以适用于防止焊接起始处的缺陷。特别是，中心束中的功率可以比环形束中的功率以更高的速率斜升，以控制小孔的初始熔化和打开，然后控制小孔和熔化区的生长。
尽管在此示出和讨论了线性功率斜坡，但为了图示和描述的简单起见，可以通过使用中心束和/或环形束的其他类型的功率斜坡来进一步优化本发明的焊接方法。例如，指数功率斜坡。类似地，除了上述第一斜坡和第二斜坡之外，还可以通过添加更多斜坡步骤来进一步优化本发明的焊接方法。
尽管在本文中示出和描述的光束在焊接开始和终止时具有大约0W的功率，但是光束可以从任何关闭功率斜升或斜降到任何关闭功率。“关闭功率”是指功率太低而无法熔化工件的暴露区域且功率太低而不会损坏工件的功率。
以上根据优选实施方案和其他实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于在此描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (19)

1.激光焊接工件的方法，包括以下步骤：
将激光辐射的聚焦束传送至所述工件，该聚焦束具有聚焦中心束和同心聚焦环形束，在所述工件焦点处，所述聚焦中心束的直径小于所述聚焦环形束；
使所述焦点相对于所述工件从起始位置向停止位置横向移动，所述中心束具有中心加工功率，而所述环形束具有环形加工功率；
当所述焦点到达所述停止位置时，在斜降时间内将所述环形束的功率从所述环形加工功率斜降到关闭功率；以及
在第一持续时间内将中心束的功率从所述中心加工功率斜升，然后在第二持续时间内将所述中心束的功率斜降到关闭功率，所述第一持续时间在所述斜降时间期间。
2.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述激光辐射的聚焦束通过光纤从激光源传送到聚焦透镜，所述聚焦透镜形成所述聚焦束。
3.根据权利要求2所述的激光焊接工件的方法，其中于，所述光纤包括用于引导所述中心束的中心纤芯和用于引导所述环形束的环形纤芯。
4.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述工件包括两个待搭焊的工件。
5.根据权利要求4所述的激光焊接工件的方法，其中，所述焦点位于相对于所述工件的表面的焦深处，所述焦深在所述表面上方1毫米到所述表面下方2毫米之间的范围内。
6.根据权利要求4所述的激光焊接工件的方法，其中，所述两个工件由小间隙隔开。
7.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述中心加工功率与所述环形加工功率之比小于1:1.6。
8.根据权利要求7所述的激光焊接工件的方法，其中，所述中心加工功率与所述环形加工功率之比小于1:5。
9.根据权利要求8所述的激光焊接工件的方法，其中，所述中心加工功率与所述环形加工功率之比小于1:10。
10.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述关闭功率为0瓦。
11.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其特征在于，所述关闭功率小于熔化所述工件的表面的功率。
12.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，在所述第一持续时间期间，所述中心束中的功率以小于所述环形束中的功率斜降的绝对速率的速率斜升。
13.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述中心束的所述第一和第二持续时间之和等于所述环形束的斜降时间。
14.根据权利要求13所述的激光焊接工件的方法，其中，在所述第一持续时间期间，所述中心束中的功率以与所述环形束中的功率斜降的绝对速率相等的速率斜升。
15.根据权利要求14所述的激光焊接工件的方法，其中，在所述第二持续时间期间，所述中心束中的功率以与所述环形束中的功率斜降的速率相等的速率斜降。
16.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，在所述第一持续时间期间，所述中心束中的功率以大于所述环形束中的功率斜降的绝对速率的速率斜升。
17.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述焦点以每秒50毫米至每秒200毫米之间的范围内的速度相对于所述工件横向移动。
18.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述环形束的斜降时间在10毫秒至200毫秒之间的范围内。
19.根据权利要求1所述的激光焊接工件的方法，其中，所述工件由选自以下的材料制成：Gen3合金钢、XGen3合金钢、DP600合金钢、5xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金和7xxx系列铝合金。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3127831A1 (en) * 2019-02-13 2020-08-20 Coherent, Inc. Laser welding method
US11524361B2 (en) 2020-05-22 2022-12-13 Coherent, Inc. Laser welding method
DE102021109622B4 (de) 2021-04-16 2023-12-21 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Verschweißen von metallhaltigen, gebogenen Stableitern, mit Intensitätsumverteilung in einer Anfangsphase und einer Endphase und Verwendung von Stableiteranordnungen
US11471975B1 (en) * 2021-06-03 2022-10-18 Corelase Oy Spiral laser welding methods for joining metal
DE102021126749A1 (de) * 2021-10-15 2023-04-20 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Laserschweißverfahren
CN114204388B (zh) * 2021-11-23 2023-11-14 华中科技大学 一种动态环形激光光斑产生方法及装置
DE102022121053A1 (de) 2021-12-17 2023-06-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Schweißen von zinkbeschichteten Blechen
DE102022121052A1 (de) 2021-12-17 2023-06-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Schweißen von Blechen mit Beschichtungen, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfassen
WO2023110583A1 (de) 2021-12-17 2023-06-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN VON ZINKBESCHICHTETEN STAHLBLECHEN MIT EINEM LASERSTRAHL
WO2023110584A1 (de) 2021-12-17 2023-06-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN VON BLECHEN MIT BESCHICHTUNGEN, DIE EINE LEGIERUNG AUS ALUMINIUM UND SILIZIUM UMFASSEN
DE102022100186A1 (de) 2022-01-05 2023-07-06 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit mehreren Überfahrten der Schweißnaht
US20230321763A1 (en) * 2022-03-28 2023-10-12 Raytheon Technologies Corporation Predictive optimization and control for fusion welding of metals
CN114951996B (zh) * 2022-05-27 2024-03-22 长沙理工大学 一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法与系统
DE102022125492A1 (de) 2022-10-04 2024-04-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58159514A (ja) * 1982-03-18 1983-09-21 Toshiba Corp レ−ザビ−ム空間分布形成方法
JP2004066266A (ja) * 2002-08-02 2004-03-04 Toyota Motor Corp レーザ溶接品質検査方法及び装置
JP2004154813A (ja) * 2002-11-06 2004-06-03 National Institute Of Advanced Industrial & Technology レーザ加工方法および装置
WO2018011456A1 (en) * 2016-07-15 2018-01-18 Corelase Oy Laser processing apparatus and method
CN108463308A (zh) * 2016-01-18 2018-08-28 通用汽车环球科技运作有限责任公司 激光点焊镀层钢的方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19716293C2 (de) * 1997-04-18 2000-07-13 Daimler Chrysler Ag Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen
DE102010003750A1 (de) * 2010-04-08 2011-10-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser
US20160016261A1 (en) * 2013-03-29 2016-01-21 Photon Automation, Inc. Laser welding system and method
PL3308202T3 (pl) * 2015-06-09 2021-12-20 Corelase Oy Sposób i urządzenie do obróbki laserowej oraz jego podzespół optyczny
CN110087817B (zh) 2016-12-08 2022-05-17 可利雷斯股份有限公司 激光加工设备和方法
EP3731991B1 (en) * 2017-12-29 2023-04-26 Corelase OY Laser processing apparatus and method
CA3127831A1 (en) * 2019-02-13 2020-08-20 Coherent, Inc. Laser welding method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58159514A (ja) * 1982-03-18 1983-09-21 Toshiba Corp レ−ザビ−ム空間分布形成方法
JP2004066266A (ja) * 2002-08-02 2004-03-04 Toyota Motor Corp レーザ溶接品質検査方法及び装置
JP2004154813A (ja) * 2002-11-06 2004-06-03 National Institute Of Advanced Industrial & Technology レーザ加工方法および装置
CN108463308A (zh) * 2016-01-18 2018-08-28 通用汽车环球科技运作有限责任公司 激光点焊镀层钢的方法
WO2018011456A1 (en) * 2016-07-15 2018-01-18 Corelase Oy Laser processing apparatus and method

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