CN117203016A - 用于激光束深熔焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光束深熔焊接至少两个连接配对件(1、3)的方法，在其中，激光束设备产生具有深熔焊‑激光束部分(11)的激光束(10)，该激光束以进给速度(v)沿着接合部位运动，其中，深熔焊‑激光束部分(11)在连接配对件材料中产生被熔池(17)包围的蒸气毛细管(15)，并且蒸气毛细管与激光束(10)一起在焊接方向上运动经过连接配对件材料，确切的说在形成毛细管环流(18)的情况下，在毛细管环流中，位于毛细管前部(19)处的金属熔液通过在蒸气毛细管(15)两侧形成的熔池通道(21)流向毛细管后侧(23)的方向并且在此处凝固。根据本发明，为激光束(10)附加地配设至少一个熔化‑激光束部分(13)，借助于熔化‑激光束部分增大熔池通道(21)的宽度(b)，也就是说流动横截面，由此，流过熔池通道(21)的金属熔液的流动速度降低。

Description

用于激光束深熔焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于激光束深熔焊接至少两个连接配对件的方法。
背景技术
例如，燃料电池的双极板可以由两个在75μm的范围内的材料厚度非常薄的金属薄膜(例如钢薄膜)制成。这两个金属薄膜可以通过激光束深熔焊接相互焊接在一起。此时，会产生数米的非常长的焊缝。
在此类的方法中，激光束设备产生具有深熔焊-激光束部分/分量的激光束。这种激光束以进给速度沿着接合部位运动。此时，激光束在连接配对件材料中产生被熔池包围的蒸气毛细管。蒸气毛细管与激光束一起在焊接方向上运动经过连接配对件材料。这在形成毛细管环流的情况下实现，在毛细管环流中，位于毛细管前部处的金属熔液通过在蒸气毛细管两侧形成的熔池通道朝毛细管后侧的方向流动并且在此处凝固。
在现有技术中，根据其它过程参数以及材料的物理和几何特性，当达到临界的进给速度时，在焊缝表面上出现周期性的不均匀性。这种效应被称为驼峰缺陷，因为其具有珍珠状的或小的材料堆积的结构。这种焊缝形貌在各个的材料堆积部之间产生材料缺失，这种材料缺失部分地导致焊接连接的弱化并且进而导致在两个连接配对件之间更高的不密封概率。
因此，开始出现驼峰效应的以上所述的临界的进给速度形成了过程限制。例如，在现有技术中，在薄的钢薄膜(例如厚度为75μm)的激光束深熔焊接中，在1000mm/s的范围内的进给速度导致以上描述的在焊缝中的驼峰效应。继续提高进给速度造成不均匀的焊缝形貌。
从DE 197 51 195C1中已知一种用于借助于激光射线焊接的方法以及设备。从DE10 2007 046 074 A1中已知另一种用于激光加工的设备。从DE 10 2019 210 019A1中已知一种用于工件的激光焊接的光学仪器。从DE10 2021 113 430A1中已知一种用于激光束深熔焊接的方法。从DE112015 003358T5中已知一种优化在接合方法中的熔池形状的方法。从WO 99/06173A1中已知另一种用于借助于激光射线焊接的方法。此外，已知Blackbird公司等在2021年09月15日的公开文献[T.Bautze-Scherff；D.Reitemeyer；N.Kaplan；V.Türetkan：Defect-free high speed welding of stainless Steel foils by means ofprocess-adapted intensity distribution，借助于过程适应的强度分配的不锈钢薄膜的无缺陷高速焊接，LKH2学术讨论会，Fraun hofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所，亚琛，2021]。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于激光束深熔焊接至少两个连接配对件的方法，在其中，尽管在过程速度高的情况下仍然可以过程可靠地避免在焊缝中出现驼峰效应。
该目的通过权利要求1所述的特征实现。本发明的优选的改进方案在从属权利要求中被公开。
本发明基于一种用于激光束深熔焊接至少两个连接配对件的方法。在该方法中，激光束设备产生具有深熔焊-激光束部分/分量的激光束。这种激光束以进给速度沿着接合部位运动。此时，激光束在连接配对件材料中产生被熔池包围的蒸气毛细管。蒸气毛细管与激光束一起在焊接方向上运动经过连接配对件材料。这在形成毛细管环流的情况下实现，在毛细管环流中，位于毛细管前部处的金属熔液通过在蒸气毛细管两侧形成的熔池通道朝毛细管后侧的方向流动并且在此处凝固。
本发明基于的事实是，在传统的激光束深熔焊接时，在蒸气毛细管两侧形成的熔池通道具有小的流动横截面。因此，毛细管环流在焊接池通道的区域中达到最大流动速度。由于在蒸气毛细管的侧处的流动横截面小(也就是说熔池宽度减去蒸气毛细管直径)，在此处在毛细管环流时出现的平均速度超过在激光束焊接时的进给速度的多倍，确切的说尤其是在气化和凝固之间的温度差低以及导热率低的材料中。
根据本发明已经认识到，在传统的激光束深熔焊接时，在侧向的熔池通道中的最大流动速度在驼峰效应产生中是重要因素。在该背景下，根据权利要求1的特征部分，为激光束附加地配设至少一个熔化-激光束部分。通过该熔化-激光束部分增大熔化通道的宽度，也就是说流动横截面。由此，流过熔池通道的金属熔液的流动速度降低。由于降低了在侧向的熔池通道中的流动速度，与现有技术相比，能够在不出现驼峰效应(也就是说具有彼此交替的材料缺失以及材料堆积的周期性的焊缝形貌)的情况下显著提高进给速度。
因此，根据本发明，可以通过激光束的针对性的激光束造型降低围绕蒸气毛细管的流动速度，由此可以提高开始出现驼峰效应的进给速度所产生的上限。由此，根据本发明，与现有技术(现有技术利用没有激光束造型的传统的圆形的激光束工作)中相对能够实现的相比，可以以显著更大的进给速度接合封闭的焊缝。通过根据本发明调整的激光束造型或光束叠加，如此影响熔池的构造，使得在蒸气毛细管的侧面增大流动横截面，以使得降低在毛细管环流时在此处出现的平均流动速度。
应强调的是，根据本发明的方法不限于在两个连接配对件的激光束接合上。相反地，根据本发明的方法也适合用于制造由多个连接配对件组成的复合构件。此外应强调的是，根据本发明的方法的使用可与材料厚度无关。也就是说，通过该方法，不仅可满足具有较厚的材料厚度的应用情况(例如在车身制造中)，而且可满足具有例如约50μm至200μm的薄的材料厚度的应用情况，例如在电化学部件中出现这种应用情况，例如在燃料电池的双极板中，在电池电芯部件中，在电池模块、电池总系统、电解装置、氢气压缩机的部件中，等。
在第一实施变型方案中，特别地在蒸气毛细管的侧面的根据本发明的熔池拓宽可以通过主要由于传导式的热传输进行的横向的热引入实现。在第二实施变型方案中，熔池拓宽可以通过优选地按照热导焊的形式针对性地在表面附近进行熔化实现。
总而言之，根据本发明增大了在毛细管环流中时的流动横截面，由此可显著提高直至出现驼峰效应的进给速度。同样，由此可以影响产生的热场(确切的说热影响区间)，并且可以保证由此导致的热变形小并且受控。
根据本发明，激光束造型可以通过在激光束源中的设备链中调整或增加光学部件实现，通过光学部件实现在玻璃纤维中或直接在加工光学元件组中的激光束引导。在与方向无关性方面，在玻璃纤维中的激光束造型的示例是，通过例如射束/辐射的芯部/周部引导结构，纤维具有共焦的布置方式。共焦的布置方式在本发明中包括同心的布置，在这种布置方式中，将激光束-光斑分成径向的内芯面(以下也被称为芯部)以及径向的外环或周部(以下也被称为环或周部)，芯面和环或周部以具有相同的中心点的方式彼此同心地定向，确切的说以具有或没有布置在其之间的几何间隙的方式。在平面中尽可能与方向无关的激光束引导方面，这种同心的布置方式是有利的。
在此，可以单独地通过所使用的激光束造型原理在加工过程之前和/或以及期间进行叠加的功率分配(也就是说强度，由功率/面积中计算出来)。此外，与应用相关地可设想的是，激光束部分不是以公共的光轴彼此同心，而是彼此错开，也就是说从偏出中心之外。此外，除了圆形的激光束部分的实施方案之外，可以使用其它形状，例如椭圆形，矩形，等。
通过选择由激光器、纤维和光学组件组成的设备链，可一次性地预设或随着时间在加工过程中调整强度。示例的实施方案可以是：
-双芯或多芯纤维与一个激光器：在这种情况中，可调整(在芯部和环之间)功率比例。此外，可以一次性地或以随时间调制的方式调整总功率。
-双芯或多芯纤维与相应数量的激光器：在这种情况中，可以在加工过程之前和/或期间彼此独立地调整芯部和环，确切的说在激光功率、调制等方面。
-在光学组件侧通过衍射的光学元件(DOE)：在这种情况中，可以在通过激光源的绝对性功率预设的情况下，利用在环和芯部之间有限的功率分配(需要一个或多个DOE)一次性地或随时间地调制固定的几何预设。
-在光学组件侧通过折射的光学元件：这种情况中，可以在通过激光源的绝对性功率预设的情况下，利用在环和芯部之间有限的功率分配一次性地或随时间地调制固定的几何预设。此外，可以通过元件的设计，例如通过散焦，使激光束部分的光束轴彼此移动。
激光束和/或激光束部分可以分别实现成圆形束。在第一实施变型方案中，深熔焊-激光束部分和熔化-激光束部分可以在叠加的激光束造型中以同心的布置方式定向，确切的说尤其是在激光束的芯部/周部引导结构中。在这种情况中，具有尤其是圆形-横截面的径向的内芯形成深熔焊-激光束部分，并且在横截面中圆环形的、径向的外周部形成熔化-激光束部分。
在同心的布置方式中，可以借助于激光束设备的过程控制装置使两个激光束部分的直径比例和/或两个激光束部分的功率比例与过程速度相匹配，以便形成用于毛细管环流的足够大的熔池通道。
对于直径比例d2/d1适用的是：
d2≥d1，并且优选地
1≤d2/d1≤20，其中
d1＝深熔焊-激光束部分的对焦直径，以及
d2＝熔化-激光束部分的对焦外直径。
特别优选地适用于两个激光束直径的比例的是：
2.5≤d2/d1≤10，并且最优选地
2.5≤d2/d1≤4。
为了提供这种直径比例，优选的是单模激光器，利用单模激光器可产生这种小的对焦直径。优选地，通过光学扫描器件(Scanneroptik)进行成像，确切的说以在1至6之间的，尤其是在2至4之间的成像比例。
过程控制装置可以直接与进给速度成比例地改变深熔焊-激光束部分的功率。例如，在进给速度从800mm/s提高例如1.5倍达到1200mm/s时，可以将深熔焊-激光束部分的功率同样提高相同的倍数。借助于本发明，可以实现直至1500mm/s的，尤其是直至2000mm/s的进给速度。
在上述同心的布置方式中，可以与深熔焊-激光束部分相比降低熔化-激光束部分(也就是说在圆环形的、径向的周部中)的功率，确切的说优选地降低到低于深熔焊阈值的值。以这种方式，虽然在熔化-激光束部分的区域中达到熔化温度，但达不到连接配对件材料(例如钢)的气化温度。
以下描述作为叠加的激光束造型备选的激光束造型：相应地，激光束可以具有深熔焊-激光束部分和至少一个、在焊接方向上在前的熔化-激光束部分。优选地，可以为深熔焊-激光束部分配设至少两个在前的熔化-激光束部分。在这种情况中，深熔焊-激光束部分可在接合部位-纵轴线上运动，而两个熔化-激光束部分分别以横向偏移量从接合部位-纵轴线两侧偏出。在此优选地，在两个在前的熔化-激光束部分之间的中心点-横向间距a2可以至少相应于深熔焊-激光束部分的对焦直径d1。此外，两个在前的熔化-激光束部分的横向于接合部位-纵轴线彼此面对的内侧的间距可以被设定成小于后方的深熔焊-激光束部分的对焦直径。由此，保证在所有三个激光束部分的部分熔池之间的重叠。
例如，当连接配对件材料的材料厚度在例如50μm至150μm的范围内，尤其是为75μm时，可以适用如下：深熔焊-激光束部分的对焦直径可以在例如40μm至100μm的范围内，确切的说尤其是为50μm。为此，优选地可以使用单模激光器，利用单模激光器可产生这种小的对焦直径。优选地，通过光学扫描器件进行成像，确切的说以在1至6之间的，尤其是在2至4之间的成像比例。
在具有两个在前的熔化-激光束部分的激光束造型中，在前的熔化-激光束部分相对于后方的深熔焊-激光束部分的间距可以被减小到零间距。在零间距时，所有三个激光束部分的中心点以排成一行的方式先后位于相对于接合部位-纵轴线的横向上。
对于功率的设计，同样适用已经根据同心的布置方式进行的描述。
在另一备选的激光束造型中，可以提供刚好一个熔化-激光束部分，该熔化-激光束部分与后方的深熔焊-激光束部分在焊接方向上以纵向排成一行的方式定向。在这种光束配置方式中，本发明包括两种过程表现形式：
1.在前的熔化-激光束部分可以具有这样的功率，即，与深熔焊-激光束部分的功率相比，该功率被降低到低于深熔焊阈值的值。因此，熔化-激光束部分进行热导焊，在热导焊接中仅仅进行表面附近的熔化，但不发生连接配对件材料的气化。两个激光束部分的激光束-光斑可以具有这样的对焦直径，即，两个光斑至少相互接触或者部分地彼此重叠。在两个激光束部分之间的中心点-纵向间距被设定成大于零。两个激光束部分的直径比例可以与在同心的布置方式中相似地确定。两个激光束部分的功率同样可以与同心的布置方式相似地调整。
2.在第二种过程表现形式中，可以如此设计在前的熔化-激光束部分，使得该在前的熔化-激光束部分不进行热导焊，而是进行深熔焊。在这种情况中，在两个激光-光斑处的直径比例d2/d1可以至少接近1。借助于过程控制装置可以如此调整在两个激光束部分之间的中心点-间距，使得与单个激光束或间距过大的两个激光束部分相比，横向的温度梯度更小。过程控制装置可以根据进给速度调整两个激光束部分的中心点-间距以及功率，确切的说优选地如此调整，使得相应的熔池通道的宽度以更小的温度梯度增大。
在另一备选的光束变形中，以纵向排成一行的方式前后相继地布置的激光束部分可以形成线形焦点。该线形焦点沿着焊接方向在对焦长度上延伸。线形焦点的宽度相应于激光束部分的对焦直径。
在本发明的范围内进行的激光束造型可以通过在激光束设备中的光学元件(例如棱镜)、衍射的或折射的光学元件、或在加工光学元件组中优选地在准直透镜和聚焦透镜之间的准直光路中的其它特征部产生。
例如可以通过组件或棱镜产生光束分割，其中，例如可以通过柱形透镜产生线形焦点。
该方法尤其是可以应用在激光束连接电化学系统中的部件(例如电池电芯部件，燃料电池、电池模块、电池总系统、电解装置、氢气压缩机的部件，等)。在这种情况中，可以将具有尤其是在例如50μm至250μm的范围内的，或者在例如250μm至500μm的范围内的材料厚度的相叠的板件相互连接。此外备选地，其它应用也是可行的，例如激光束连接具有在例如250μm至500μm的范围内的材料厚度的相叠的板件。
此外，该方法可以应用于激光束连接车身结构的部件。在这种情况中，可以将具有例如大于0.5mm的，尤其是在0.5mm至5mm的范围内的，特别优选地在0.5mm至3mm的范围内的材料厚度的相叠的板件作为连接配对件相互连接。
附图说明
以下根据附图描述本发明的实施例。
其中：
图1至4c示出了用于说明根据第一实施例的焊接过程的视图，
图5至7分别示出了用于说明根据其它实施例的激光束造型的视图。
具体实施方式
根据本发明的方法用于制造两个或多个板件的复合构件。原则上，该方法的使用可与材料厚度无关。也就是说，除了例如在车身结构中的应用情况之外，具有在例如约50μm至200μm的范围内的薄的材料厚度的应用情况也是可行的，例如在电化学部件中出现这种应用情况，例如在燃料电池的双极板中，在电池电芯部件中，在电池模块、电池总系统、电解装置或氢气压缩机的部件中，等。
在图1中示出了激光束设备，在深熔焊接方法中，借助于该激光束设备将两个连接配对件1、3相互焊接在一起。两个连接配对件1、3例如是薄料的钢薄膜。例如，连接配对件1、3可以是电化学系统的部件，例如燃料电池或电池电芯/单体的部件，或者是电池模块、电池总系统、电解装置部件，等。
应强调的是，本发明不限制在特定的材料厚度的连接配对件1、3上。例如，相叠的连接配对件1、3可以具有尤其是在例如50μm至250μm的范围内的，或者在例如250μm至500μm的范围内的材料厚度。此外备选地，其它应用也是可行的，例如在激光束接合具有在例如250μm至500μm的范围内的材料厚度的相叠的板件时。
此外，该方法不限制在电化学系统的部件的激光束接合上。相反地，该方法可用在任意应用情况中，例如应用于激光束接合车身结构的部件。在这种情况中，可以将具有例如大于0.5mm的，尤其是在0.5mm至5mm的范围内的，特别优选地在0.5mm至3mm的范围内的材料厚度的连接配对件1、3相互连接。
在深熔焊过程中，使激光束设备以进给速度v在焊接方向上运动，由此形成将两个连接配对件1、3流体密封地相互连接的焊缝4。
在图1中，激光束设备具有加工光学元件组5，该加工光学元件组具有光导纤维7。加工光学元件组5包括准直光学组件7和聚焦光学组件9。在加工光学元件组5中，实现激光束10的叠加的激光束造型。借助于这种叠加的激光束造型，使深熔焊-激光束部分11和熔化-激光束部分13以同心的布置的方式定向，这从图2和4中得知。在同心的布置方式中，实现激光束10的芯/周部引导结构，在这种芯/周部引导结构中，具有圆形-横截面的径向的内芯形成深熔焊-激光束部分11，并且在横截面中圆环形的、径向的周部形成熔化-激光束部分13。
在根据图2的焊接过程中，借助于深熔焊-激光束部分11在连接配对件-工具中产生被熔池17包围的蒸气毛细管15。该蒸气毛细管15与激光束10一起在焊接方向上运动经过连接配对件-材料。此时，产生在图3中以箭头指出的毛细管环流17，在毛细管环流中，位于毛细管前部19处的金属熔液通过在蒸气毛细管15两侧形成的熔池通道21朝毛细管后侧23的方向流动并且在此处凝固。
借助于熔化-激光束部分13，按照热导焊的形式针对性地在表面附近进行熔化。由此，产生熔池拓宽，在其中，熔池通道21的宽度b(图3)以及进而流动横截面增大。以这种方式，降低流过熔池通道21的金属熔液的流动速度。由于降低了在侧向的熔池通道21中的流动速度，与现有技术相比，可以在不出现驼峰效应(也就是说具有彼此交替的材料缺失以及材料堆积的周期性的焊缝形貌)的情况下显著提高进给速度。
在图1至4中，激光束10以及两个激光束部分11、13分别实现成圆形束。激光束设备的过程控制装置可以根据进给速度v调整在两个激光束部分11、13之间的直径比例d2/d1以及功率比例P1/P2，其中适用的是：
d2≥d1，以及
1≤d2/d1≤20，其中
d1＝深熔焊-激光束部分11的对焦直径
d2＝熔化-激光束部分13的对焦外直径。
P1＝深熔焊-激光束部分11的功率
P2＝熔化-激光束部分13的功率
例如，在连接配对件材料的材料厚度为50μm时，深熔焊-激光束部分11的对焦直径d1可以为75μm。
在图1至图4中，与深熔焊-激光束部分11的功率P1相比，降低熔化-激光束部分13的功率P2，直至低于深熔焊阈值的值。因此，虽然通过熔化-激光束部分13达到熔化温度，但达不到连接配对件材料的气化温度。如此调整熔化-激光束部分13的功率P2，使得仅仅熔化构件表面。在测量熔化-激光束部分13的功率P2时，考虑深熔焊-激光束部分11的功率P1产生的热影响。
以在玻璃纤维中的激光束造型为例，在芯部和周部之间没有间距或有几何间距(也就是说环形间隙30)的情况下以同心的方式布置纤维。在同心的布置方式中，此时变量是直径比例d2/d1。在这种情况中适用的是，d2≥d1(d2：环的外直径，d1：芯的外直径)，其中优选地适用的是：1≤d2/d1≤20。图4a示出了几何间距ds-d1＝0的条件。由此，不存在间距，并且该间距在具有折射率差的纤维中表现为分界面。在图4b中，描述了具有ds-d1>0且d2≥ds(ds：环形间隙-外直径)的几何间距。
同样，可以将功率比例P2/P1与过程，并且主要与过程速度相匹配，以便形成用于毛细管环流的足够大的熔池通道21。
此外，可想象任意可配置的矩阵式布置方式：例如在图4c中，芯部和周部不再彼此同心地定向，而是彼此错开，其中，芯部仍然完全被周部包围。在图4a至4c中示出的配置方式遵循的出发点是，通过外部的激光束部分13经由在表面附近熔化(热导焊的规定)拓宽熔池17。
除了纤维以外，所有光束配置方式也可通过光学元件(例如棱镜)、衍射的或折射的光学元件、或在加工光学元件组中优选地在准直透镜和聚焦透镜之间的准直光路中的其它特征部产生。
接下来根据图5至图7分别表明根据其它实施例的备选的激光束造型。在图5至图7中，激光束部分11、13分别实现成单圆形束，其中在图5至7中仅仅示出了在接合部位处形成的激光光斑。
在图5中示出了第二实施例，在该第二实施例中，激光束10借助于光束变形被分成后方的深熔焊-光束部分11和两个在前的熔化-光束部分13。相应地，深熔焊-激光束部分11在接合部位-纵轴线x上运动，而两个在前的熔化-激光束部分13分别以横向偏移量从接合部位-纵轴线x两侧偏出。在后方的深熔焊-激光束部分11和两个在前的熔化-激光束部分13之间的中心点-纵向间距a1大于零，并且如此被设定，使得由激光束部分11、13产生的部分熔池过渡到公共的熔池中。例如，激光束部分11、13可以通过其激光光斑至少相切地接触或部分地彼此重叠。在两个在前的熔化-激光束部分13之间的中心点-横向间距a2可以至少相应于深熔焊-激光束部分13的对焦直径d1。此外，在图5中，在两个熔化-激光束部分13的面对彼此的内侧之间的间距a3可以被设定成小于深熔焊-激光束部分11的对焦直径d1。以这种方式，保证在两个在前的熔化-激光束部分13以及深熔焊-激光束部分11之间的部分熔池的重叠。
在图6中以相应于图4和图5的视图示出了第三实施例，在该第三实施例中，激光束10借助于光束变形被分成后方的深熔焊-激光束部分11和在前的熔化-激光束部分13。在图6中，两个激光束部分11、13以纵向排成一行的方式前后相继地布置。
在图6中，在第一种过程变型方案中，熔化-激光束部分13可以具有这样的功率P2，即，与深熔焊-激光束部分11的功率P1相比，该功率被降低到低于深熔焊阈值的值。以这种方式，借助于熔化-激光束部分13进行热导焊，这种热导焊通过利用主要由于传导式的热传输进行的横向的热引入W产生熔池拓宽。通过增大间距a1，扩大横向的热引入W并且由此在蒸气毛细管15的区域中拓宽熔池17。
在图6中，在第二种过程变型方案中，在前的熔化-激光束部分13可以具有这样的功率P2，即，该功率不能实现热导焊，而是能够实现深熔焊接。直径比例d2/d1可以至少接近1。此外，可以如此调整在两个激光束部分11、13之间的中心点-纵向间距a1，使得与单个激光束或间距过大的两个激光束部分相比，横向的温度梯度更小。激光束设备的过程控制装置可以根据进给速度v调整中心点-纵向间距a1以及功率P1、P2，使得相应的熔池通道21的宽度以小的温度梯度而增大。
在图7中示出了第四实施例，在该第四实施例中，两个以纵向排成一行的方式前后相继地布置的激光束部分11、13形成线形焦点29。该线形焦点沿着焊接方向在对焦长度l上延伸，其中，该线形焦点的宽度相应于激光束部分11、13的对焦直径d1、d2。后方的深熔焊-激光束部分11的功率P1如此被设定，使得能够实现深熔焊接过程。此外，在线形焦点29中实现沿着纵轴线x的功率分布。
备选地和/或附加地，在图5至图7的实施例中，代替所示出的圆形束，也可以使用具有如在图4a至图4c中示出的激光束造型的光束。在此也可普遍使用以任意几何形状的光束。
附图标记清单
1、3连接配对件
4焊缝
5加工光学元件组
7准直光学组件
9聚焦光学组件
10激光束
11深熔焊-激光束部分
13熔化-激光束部分
15蒸气毛细管
17熔池
18毛细管流动
19毛细管前部
21熔池通道
23毛细管后侧
25深熔焊-激光光斑
27熔化-激光光斑
29线形焦点
x接合部位-纵轴线
l线形焦点-长度
b熔池通道-宽度
a1中心点-纵向间距
a2中心点-横向间距
a3间距
v进给速度
W横向的热引入
d1深熔焊-激光束部分11的对焦直径
d2熔化-激光束部分13的对焦外直径
P1深熔焊-激光束部分11的功率
P2熔化-激光束部分13的功率

Claims (10)

1.一种用于激光束深熔焊接至少两个连接配对件(1、3)的方法，在所述的方法中，激光束设备产生具有深熔焊-激光束部分(11)的激光束(10)，所述激光束以进给速度(v)沿着接合部位运动，其中，深熔焊-激光束部分(11)在连接配对件材料中产生被熔池(17)包围的蒸气毛细管(15)，蒸气毛细管与激光束(10)一起在焊接方向上运动经过连接配对件材料，确切的说在形成毛细管环流(18)的情况下，在毛细管环流中，位于毛细管前部(19)处的金属熔液通过在蒸气毛细管(15)两侧形成的熔池通道(21)朝毛细管后侧(23)的方向流动并且在此处凝固，其特征在于，为激光束(10)附加地配设至少一个熔化-激光束部分(13)，借助于熔化-激光束部分增大熔池通道(21)的宽度(b)，也就是说流动横截面，由此，流过熔池通道(21)的金属熔液的流动速度降低。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光束(10)和/或激光束部分(11、13)分别实现成圆形束，和/或深熔焊-激光束部分(11)和熔化-激光束部分(13)在叠加的激光束造型中以同心布置方式定向，确切的说尤其是在激光束(10)的芯部/周部引导结构中，其中，具有尤其是圆形-横截面的径向的内芯形成深熔焊-激光束部分(11)，在横截面中呈圆环形的、径向外部的周部形成熔化-激光束部分(13)，和/或尤其是通过优选地按照热导焊的形式针对性地在表面附近进行熔化实现熔池拓宽。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束设备具有过程控制装置，所述过程控制装置根据进给速度(v)调整在两个激光束部分(11、13)之间的直径比例(d2/d1)和/或功率比例(P2/P1)，尤其是对于深熔焊-激光束部分(11)的对焦直径(d1)和熔化-激光束部分(13)的对焦直径(d2)适用如下关系：
d2≥d1，以及
1≤d2/d1≤20，优选地
2.5≤d2/d1≤10，最优选地
2.5≤d2/d1≤4，
和/或熔化-激光束部分(13)的功率(P2)与深熔焊-激光束部分(11)的功率(P1)相比被降低，确切的说尤其是低于深熔焊阈值的值，通过熔化-激光束部分虽然达到熔化温度，但达不到连接配对件材料的气化温度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在一激光束造型中，激光束(10)具有深熔焊-激光束部分(11)和至少一个、在焊接方向上在前的熔化-激光束部分(13)，所述深熔焊-激光束部分和熔化-激光束部分通过大于零的中心点-纵向间距(a1)彼此间隔开，和/或在激光束部分(11、13)之间的中心点-纵向间距(a1、a2)的尺寸如此被设定，使得由激光束部分(11、13)产生的部分熔池过渡到公共的熔池中，和/或尤其是，激光束部分(11、13)在接合部位处，也就是说在其激光光斑处，至少相切地接触或部分地彼此重叠，和/或尤其是，激光束部分(11、13)以纵向排成一行的方式在焊接方向上前后相继地布置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于两个以纵向排成一行的方式前后相继地布置的激光束部分(11、13)，如此设计在前的熔化-激光束部分(13)，使得在前的熔化-激光束部分不进行热导焊，而是进行深熔焊，尤其是所述直径比例(d2/d1)尤其是至少接近1，并且尤其是，借助于过程控制装置如此调整在激光束部分(11、13)之间的中心点-纵向间距(a1)，使得与单个激光束相比，横向的温度梯度更小，和/或尤其是，过程控制装置根据进给速度调整中心点-纵向间距(a1)以及功率(P1、P2)，确切的说优选地如此调整，使得相应的熔池通道(21)的宽度(b)以小的温度梯度增大。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，两个以纵向排成一行的方式前后相继地布置的激光束部分(11、13)形成线形焦点(29)，所述线形焦点在焊接方向上在对焦长度(l)上延伸，线形焦点的宽度相应于激光束部分(11、13)的对焦直径(a1、a2)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，为深熔焊-激光束部分(11)配设至少两个在前的熔化-激光束部分(13)，尤其是，深熔焊-激光束部分(11)在接合部位-纵轴线(x)上运动，而两个熔化-激光束部分(13)分别以横向偏移量从接合部位-纵轴线(x)两侧偏出，尤其是，在两个熔化-激光束部分(13)之间的中心点-横向间距(a2)至少相应于深熔焊-激光束部分(11)的对焦直径(d1)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在前的熔化-激光束部分(13)的横向于接合部位-纵轴线(x)彼此面对的内侧的间距(a3)被设定成小于深熔焊-激光束部分(11)的对焦直径(d1)，从而尤其是保证在两个在前的熔化-激光束部分(13)以及深熔焊-激光束部分(11)的部分熔池之间的重叠。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当连接配对件材料的材料厚度在例如50μm至150μm的范围内，尤其是为75μm时，深熔焊-激光束部分(11)的对焦直径(d1)在例如40μm至100μm的范围内，尤其是为50μm。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束设备的过程控制装置直接与进给速度(v)成比例地改变深熔焊-激光束部分(11)的功率(P1)，从而例如在进给速度(v)从800mm/s提高到例如1.5倍达到1200mm/s时，将深熔焊-激光束部分(11)的功率(P1)同样提高到相同的倍数，和/或能实现直至1500mm/s的，尤其是直至2000mm/s的进给速度(v)。
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