TWI828858B - 雷射焊接方法 - Google Patents
雷射焊接方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI828858B TWI828858B TW109104255A TW109104255A TWI828858B TW I828858 B TWI828858 B TW I828858B TW 109104255 A TW109104255 A TW 109104255A TW 109104255 A TW109104255 A TW 109104255A TW I828858 B TWI828858 B TW I828858B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- power
- laser welding
- annular
- workpiece
- center
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims description 62
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 11
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 8
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 238000004021 metal welding Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 abstract 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 13
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000011364 vaporized material Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0626—Energy control of the laser beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/073—Shaping the laser spot
- B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
- B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
- B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/22—Spot welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
- B23K26/702—Auxiliary equipment
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/02042—Multicore optical fibres
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
- B23K2103/04—Steel or steel alloys
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
- B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
Abstract
本案揭露一種用於金屬合金之雷射鎖孔焊接之方法。該方法獨立地調整一聚焦中心射束中之功率及一同心聚焦環形射束中之功率。在一焊接部之終端處，該中心射束中之該功率一開始經向上斜變，且接著向下斜變，而該環形射束中之該功率經向下斜變。增大該中心射束中之該功率實現該鎖孔及熔化池之一受控制且延長的收縮，由此防止不合需要之開裂。
Description
優先權
本申請案主張2019年2月13日提交的美國臨時申請案第62/805,244號之優先權，該申請案之揭露內容全部併入本文中。
發明領域
本發明大體係關於使用雷射輻射之聚焦射束之焊接。本發明特別是係關於使用一聚焦中心射束及一聚焦環形射束焊接金屬合金。
發明背景
雷射輻射之射束日益用於切割、鑽孔、焊接、標記及刻劃由方法範圍之材料(包括金屬及金屬合金)製成之工件。傳統機械處理產生非吾人所樂見之缺陷，諸如，當對經加工工件加應力時可傳播之微裂縫，由此，使經加工工件降級且弱化。雷射處理使此等非吾人所樂見之缺陷最小化，通常較清潔，且造成較小受熱影響之地帶。雷射機械加工使用一聚焦之雷射束產生精確切割及洞，具有高品質邊緣及壁，同時使非吾人所樂見之缺陷之形成最小化。
在雷射焊接中，一聚焦之雷射束精確地定位各焊接點或縫，同時使側面加熱最小化。區分兩個主要雷射焊接範圍係有用的。傳導焊接以較低雷射功率且較低功率密度發生。吸收之雷射功率加熱經輻照之材料，從而熔化在待接合之各部分中的材料，材料流動、混合且接著固化。鎖孔焊接以足以使經
輻照之材料中之一些蒸發的較高雷射功率及較高功率密度發生。在周圍熔化之材料上的蒸發之材料之壓力開放經由熔化之材料的一通道，從而具有一特性窄且深之構型。完工之鎖孔焊接通常比傳導焊接窄、深且強。然而，可能難以維持在熔化之材料之熱且動態池中的穩定鎖孔。
當雷射焊接一些金屬及金屬合金時之一個問題為缺陷(特定言之，裂縫)在雷射焊接部之終端處的形成。一些缺陷由當工件正冷卻時誘發之應力造成。此等初始缺陷弱化了焊接之工件，且若當使用經完工焊接之工件時應力熱或機械應力，則可進一步傳播。不可靠之焊接部可導致災難性的故障。對減輕終端缺陷之一個已知解決方案為在焊接部之終端迅速地向下斜變雷射功率，而非以數位方位切斷功率。另一已知解決方案為在焊接部之終端迅速地提升聚焦射束，由此以逐漸更低強度射束照射工件上之逐漸更大區域。雖然此等解決方案已成功用於許多材料，但其已證明不足以用於具有相對高熱導率之現代高強度合金或材料。此等材料保持頑固地趨於在雷射焊接部之開始及/或終端處開裂，特定言之，在雷射焊接部之終端處。
存在對於雷射焊接特別趨於在焊接部之終端處開裂的金屬及金屬合金之一簡單且可靠製程之需求。較佳地，該製程將不危害當代雷射焊接之優勢中之任何者，諸如，焊接速度、精確度、焊接品質及每焊接成本。
發明概要
根據本發明之一種用於雷射焊接一工件之方法包含將雷射輻射之一聚焦射束傳遞至該工件。該聚焦射束具有一聚焦中心射束及一同心聚焦環形射束。該聚焦中心射束在該工件上之一焦點處比該聚焦環形射束小。該焦點相對於該工件自一開始位置朝向一停止位置側向移動。該中心射束具有一中心加工功率，且該環形射束具有一環形加工功率。當該焦點到達該停止位置時，該
環形射束在一向下斜變時間期間自該環形加工功率向下斜變至一關停功率。該中心射束在一第一持續時間期間自該中心加工功率向上斜變，且該中心射束在一第二持續時間期間向下斜變至一關停功率。該第一持續時間係在該向下斜變時間期間。
10:裝置
12:雷射源
14:光纖
16:聚焦透鏡
18:聚焦射束
20:焦點
22:工件
24:平移平台
26:開始位置
28:停止位置
30:中心芯
32,36:低折射率包覆層
34:環形芯
M:向量
TRU:向上斜變時間
TRD:向下斜變時間
T1,T2:持續時間
被併入說明書中且構成說明書之一部分的隨附圖式示意性地說明本發明之一較佳實施例，且與以上給出之大體描述及以下給出之較佳實施例之詳細描述一起用以解釋本發明之原理。
圖1A為示意性繪示用於實施本發明之雷射焊接方法的雷射焊接裝置之一個較佳實施例之部分橫截面側視圖，該裝置包括產生至少兩個雷射輻射射束之一雷射源、一光纖及一聚焦透鏡。
圖1B為示意性繪示圖1A之光纖之細節之橫截面圖，該光纖具有用於導引中心射束之一中心芯及用於導引環形射束之一環形芯。
圖2A為示意性繪示使用具有僅一中心芯之一習知光纖的一先前技術焊接方法之射束功率對時間之曲線圖。
圖2B為示意性繪示使用具有一中心芯及一環形芯之一光纖的一先前技術焊接方法之射束功率對時間之曲線圖。
圖3A及圖3B為示意性繪示根據本發明的雷射焊接方法之一個實施例之功率對時間之曲線圖。
圖4A及圖4B為示意性繪示根據本發明的雷射焊接方法之另一實施例之功率對時間之曲線圖。
圖5A為在藉由先前技術方法製造之高強度合金鋼工件中的搭焊之放大平面圖，該相片展示在焊接部之終端附近的裂縫。
圖5B為使用圖3B之發明性方法製造的與圖5B之工件相同之工件
中的搭焊之放大平面圖，該相片展示焊接部無裂縫。
較佳實施例之詳細說明
現參看圖式，其中相似組件由相似數字標示，圖1A及圖1B示意性繪示一裝置10，其在先前技術雷射加工方法中使用且其用於本發明之雷射焊接方法中。在先前技術及當前方法兩者中，一雷射源12經由一光纖14將至少兩個雷射輻射射束傳遞至一聚焦透鏡16。光纖14包括用於導引雷射輻射之一中心射束的一中心芯30。中心芯30具有一低折射率包覆層32。光纖14進一步包括用於導引雷射輻射之一環形射束的一環形芯34。環形芯34同心地位於低折射率包覆層32與一低折射率包覆層36之間。雷射源12經組配以將中心射束傳遞至中心芯30，且將環形射束傳遞至環形芯34。將此雷射源與此光纖整合之雷射系統可市售。舉例而言，來自加利福尼亞州Santa Clara之Coherent Inc.的HighlightTM FL-ARM雷射。此雷射之一個特徵為，可獨立地選擇及調整中心射束及環形射束之光學功率。
聚焦透射16形成一聚焦射束18，包含描繪為會聚實線之一聚焦中心射束及描繪為會聚虛線之一同心聚焦環形射束。聚焦射束朝向焦點20會聚，在該焦點處，聚焦中心射束具有比同心聚焦環形射束小得多之一直徑。裝置10亦可包括位置光纖14與聚焦透鏡16之間的一光學射束擴大器(此處未描繪)。聚焦透鏡16在此處描繪為一纖維耦合透鏡總成，其通常經配置以允許在聚焦前將自光纖出現之射束內部擴大。
聚焦射束18經引導至一工件22上，該工件一開始包含待焊接在一起之兩個件。在圖式中，經搭焊之兩個件係以沿著焊接部之橫截面描繪。工件22由一平移平台24支撐及移動。焦點20位置靠近工件22之一頂表面，該焦點可在該表面上方、之上或下方。對於搭焊，焦點較佳地處於在表面上方約1毫米(mm)
與表面下方約2mm之間的一焦點深度處。兩件工件22可經塗佈或無塗佈。兩件工件22可直接接觸，或可分開一小間隙。舉例而言，鋅塗佈之鋼通常藉由高達數百微米之一間隙焊接，以允許高壓鋅蒸氣逸散。
在焊接期間，將平移平台24側向移動，如由向量M指示。將焊接部描繪為在工件22上之影線。存在用於工件22中之焊接部的一所要的開始位置26及一所要的停止位置28。側向移動工件22將焦點20相對於工件22自開始位置26移動至停止位置28。裝置10可經組配以側向移動聚焦透鏡16，以相對於工件22移動焦點20。一聚焦透鏡總成亦可併有電流計致動之鏡及一平場物鏡以相對於工件22移動焦點20。
圖2A為示意性繪示對於使用一習知光纖之一先前技術雷射焊接方法的雷射輻射射束中之功率對時間之曲線圖。一習知光纖具有僅一個導引穿過一個中心芯之射束。不存在環形芯。焦點一開始位於開始位置處。在開始位置處，在向上斜變時間TRU上，射束功率自約0瓦(Watt)向上斜變至一加工功率。在停止位置，在向下斜變時間TRD上，射束功率自加工功率向下斜變至0W。在向上斜變與向下斜變之間，該射束具有加工功率且以一加工速度在開始位置與停止位置之間側向移動。
圖2B示意性繪示對於使用光纖14之一雷射焊接方法的中心芯中之功率及環形芯中之功率對時間之曲線圖。各射束具有在TRU與TRD之間的一加工功率。選擇各別加工功率以將焊接製程最佳化。取決於製成工件之材料及工件之厚度，存在聚焦中心射束中之功率對聚焦環形射束中之功率的一最佳比。兩個射束之各別射束功率在TRU期間向上斜變且在TRD期間向下斜變。圖2B之方法對於一些材料足夠。舉例而言，斜變功率通常足以防止普通合金鋼在開始及停止位置出現開裂。然而，對於其他材料，本發明者觀察到在焊接之工件之停止位置中的開裂及其他缺陷。舉例而言，對於高強度鋼、雙相鋼、馬氏體鋼及
鋁。如上所論述，此等缺陷弱化了焊接之工件，且當在一應用中對完工之工件加應力時，可造成完工之工件的過早故障。
圖3A及圖3B為示意性繪示對於根據本發明之一雷射焊接方法之一個較佳實施例的中心芯中之功率及環形芯中之功率對時間之曲線圖。對於雷射焊接高強度合金鋼，本發明者判定，中心射束中之功率對環形射束中之功率的最佳比率小，較佳地小於1：5，且最佳地小於1：10。當焦點20到達停止位置28時，聚焦環形射束中之功率在TRD期間自環形處理功率向下斜變至0W。自TRD之開始，在持續時間T1上，聚焦中心射束中之功率以第一斜變速率自中心加工功率向上斜變。聚焦中心射束中之功率接著在持續時間T2以第二斜變速率向下斜變至0W。
圖3A表示本發明方法之一一般實施，藉以中心射束之總斜變時間T1+T2多於(所描繪)或少於射束之向下斜變時間TRD。圖3A描繪在TRD期間，中心射束中的功率之第一及第二斜變速率小於環形射束中的功率之斜變速率。因此，在焦點20處的聚焦射束18中之總功率密度以三個不同且逐漸更慢之速率向下斜變。對於圖3A中描繪之斜變時間及斜變速率，中心射束中之功率對環形射束中之功率的比率貫穿T1及T2增大。
圖3B表示一個較佳實施，藉以總斜變時間T1+T2等於斜變時間TRD；在T1期間的中心芯中之功率之第一斜變速率與在TRD期間的環形芯中之功率之斜變速率相等，但正負號相反；且在T2期間的中心芯中之功率之斜變速率與在TRD期間的環形芯中之功率之斜變速率相等。因此，在焦點20處的聚焦射束18中之總功率密度在T1期間不改變，且接著在T2期間向下斜變。中心射束中之功率對環形射束中之功率的比率貫穿T1增大。
本發明之方法藉由以一受控制方式減小熔化地帶及鎖孔之尺寸防止在停止位置處之開裂及其他缺陷，此延長了在TRD期間之鎖孔焊接條件。鎖孔
在其達到與若在焊接中僅已使用中心芯則將具有之尺寸相當的尺寸時終止。與習知合金鋼相比，歸因於其針對高機械強度開發之專屬原子組成，高強度鋼具有固有的高內部應力。藉由在達到傳導焊接條件前使鎖孔及熔化地帶收縮，將殘餘應力界限至較小體積。總體上，在熔化地帶周圍之冷卻速率降低，從而允許在此體積中之固化材料退火。將剛固體之材料退火進一步將後續開裂及缺陷形成最小化。
在圖3A及圖3B中描繪之整個時間期間相對於工件22連續地移動焦點20，其中TRU及TRD分別與焦點20穿過開始位置26及停止位置28同步。替代地，該運動可終止於TRD之開頭、TRD之結尾或T2之結尾。射束功率之向下斜變可與焦點相對於工件自加工速度減速至靜止相重合。然而，在所有情況中，鎖孔焊接條件終止於停止位置28。熟習此項技術者將認識到，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，可調變TRU與TRD之間的加工功率。舉例礬，在焊接一極小轉彎半徑時，或在焊接一角落時，當自工件之較薄區段過渡至較厚區段時，可減小總加工功率。
圖4A及圖4B為示意性繪示對於根據本發明之一雷射焊接方法之另一較佳實施例的中心芯中之功率及環形芯中之功率對時間之曲線圖。圖4A及圖4B之方法類似於圖3A及圖3B之方法，例外情況為：在T1期間的中心芯中之功率之第一斜變速率大於在TRD期間的環形芯中之功率之絕對斜變速率。此方法對於具有相對高熱導率之金屬合金(諸如，鋁合金)係有利的。歸因於誘發應力之高冷卻速率，此等合金趨於固化開裂。為了克服當環形芯中之功率向下斜變時之迅速溫度下降，中心芯中之功率迅速地向上斜變以補償。對於鋁合金，本發明判定，在焊接期間，中心射束中之功率應較佳地小於環形射束中之功率。最佳比率最佳地小於1：1.6。
圖5A為展示藉由類似於圖2B之先前方法製造的高強度鋼工件中
之搭焊之終端之平面放大相片。在相片中自左至右掃描聚焦射束。具有亮外觀之焊接材料由一較暗淡之褪色表面接界，歸因於在焊接期間燒去鋅表面塗層，該表面為熱褪色。焊接部之寬度A大致為聚焦環形射束之直徑。應力裂縫1與材料冷卻同時或緊接在材料冷卻後形成。另一裂縫2稍後形成，且又一裂縫3甚至更晚地形成。極似裂縫1起始裂縫2，且似裂縫2起始裂縫3。此等裂縫自可見表面延伸至工件。
圖5B為展示與圖5A之工件相同的高強度鋼工件中但使用圖3B之本發明方法焊接的搭焊之終端之平面放大相片。再次，焊接材料具有亮外觀，其中焊接部之寬度B大致為聚焦環形射束之直徑。焊接部朝向終端逐漸變小至一較小寬度；例如，寬度C。當鎖孔最終崩塌時，終端約處於聚焦射束之位置處。此逐漸變小為以上論述的熔化地帶及鎖孔之尺寸的受控制減小之結果。此焊接部無裂縫。此錐形中之任何殘餘應力最小化，且在終端周圍之任何升高之殘餘應力界限至一最小體積。
圖3A及圖3B之本發明方法可應用於多種合金。舉例而言，為如此項技術中已知之第三代鋼的高強度合金鋼「Gen3」及「XGen3」。該方法亦可應用於可購自盧森堡的盧森堡市之ArcelorMittal S.A.之Usibor®及Ductibor®牌鋼。圖4A及圖4B之本發明之方法可應用於例如所有5xxx系列、6xxx系列及7xxx系列鋁合金。該方法亦可應用於雙相鋼，諸如，DP600。
圖3B之方法係藉由搭焊Gen3 1180高強度合金鋼之兩個1.4mm厚件而演示。搭焊充分地穿透兩個件。中心射束具有約2之射束參數乘積，且環形射束具有約8之一射束參數乘積。聚焦中心射束具有約225微米(μm)之一直徑，且聚焦環形射束具有約575μm之直徑。焦點位於工件之頂表面上，或等效地位於約0μm之一焦點深度處。以約70毫米每秒(mm/s)之一速度相對於工件側向移動焦點。在焊接期間，中心射束之功率為約300W，且環形射束之功率為約3500
W。在約150毫秒(ms)之一時間TRD上將環形射束中之功率向下斜變，此對應於約-25W/ms之一速率。以約+32W/ms之一速率在約55ms之一時間T1上將中心射束中之功率向上斜變，接著以約-23W/ms之一速率在約95ms之一時間T2上向下斜變。因此終止搭焊，而無任何可偵測到之開裂。一般而言，在約50mm/s與約200mm/s之間的焊接速度將為實際的，而在約10ms與約200ms之間的一向下斜變時間TRD將為實際的。
雖然將搭焊一工件用作一實例，但熟習此項技術者將認識到，本發明方法可應用於邊緣焊接、填角焊接、縫焊接或對接焊接。通常，應力誘發之缺陷傾向於出現於焊接部之終端處。然而，本文中揭露之發明亦可經調適成防止在焊接部之開始處的缺陷。特別是，中心射束中之功率可以比在環形射束中之功率高的速率向上斜變，以控制鎖孔之起始熔化及打開，接著以控制鎖孔及熔化地帶之生長。
雖然本文中為了繪示及描述之簡單起見而展示及論述了線性功率斜變，但本發明之焊接方法可進一步藉由使用中心射束及/或環形射束之其他類型之功率斜變來最佳化。舉例而言，指數功率斜變。類似地，除了以上描述之第一斜變及第二斜變之外，本發明之焊接方法亦可進一步藉由增添更多斜變步驟來最佳化。
雖然本文中展示及描述在焊接之開始及終止時具有約0W之功率的射束，但該等射束可自任一關停功率向上斜變或向下斜變至任一關停功率。「關停功率」意謂過低而不熔化工件之暴露區域及過低而不損壞工件之一功率。
以上按較佳實施例及其他實施例來描述本發明。然而，本發明不限於本文中描述及描繪之實施例。相反地，本發明僅受到隨附於此之申請專利範圍限制。
10:裝置
12:雷射源
14:光纖
16:聚焦透鏡
18:聚焦射束
20:焦點
22:工件
24:平移平台
26:開始位置
28:停止位置
M:向量
Claims (18)
- 一種用於雷射焊接一工件之方法，包含以下步驟：將雷射輻射之一聚焦射束傳遞至該工件，該工件包括待搭焊之兩個件，該聚焦射束具有一聚焦中心射束及一同心聚焦環形射束，在該工件上之一焦點處，該聚焦中心射束小於該聚焦環形射束；相對於該工件將該焦點自一開始位置朝向一停止位置側向移動，該中心射束具有一中心加工功率且該環形射束具有一環形加工功率；當該焦點到達該停止位置時，在一向下斜變時間TRD期間將該環形射束之功率自該環形加工功率向下斜變至一關停功率；以及在一第一持續時間T1期間將該中心射束之功率自該中心加工功率向上斜變，接著在一第二持續時間T2期間將該中心射束之該功率向下斜變至一關停功率，該第一持續時間T1係在該向下斜變時間TRD期間。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中雷射輻射之該射束由一光纖自一雷射源傳遞至一聚焦透鏡，該聚焦透鏡形成該聚焦射束。
- 如請求項2所述之用於雷射焊接之方法，其中該光纖包括用於導引該中心射束之一中心芯及用於導引該環形射束之一環形芯。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該焦點位於相對於該工件之一表面的一焦點深度處，該焦點深度處於在該表面上方1毫米與在該表面下方2毫米之間的一範圍中。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該等兩個件由一小間隙分開。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心加工功率與該環形加工功率之一比率小於1：1.6。
- 如請求項6所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心加工功率 與該環形加工功率之該比率小於1：5。
- 如請求項7所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心加工功率與該環形加工功率之該比率小於1：10。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該關停功率為0瓦。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該關停功率小於用以熔化該工件之一表面的一功率。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心射束中之該功率在該第一持續時間期間以一速率向上斜變，該速率小於將該環形射束中之該功率向下斜變之一絕對速率。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心射束之該第一持續時間與該第二持續時間之總和等於該環形射束之該向下斜變時間。
- 如請求項12所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心射束中之該功率在該第一持續時間期間以一速率向上斜變，該速率等於將該環形射束中之該功率向下斜變之一絕對速率。
- 如請求項13所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心射束中之該功率在該第二持續時間期間以一速率向下斜變，該速率等於將該環形射束中之該功率向下斜變之一速率。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該中心射束中之該功率在該第一持續時間期間以一速率向上斜變，該速率大於將該環形射束中之該功率向下斜變之一絕對速率。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該焦點係以在每秒50毫米與每秒200毫米之間的一範圍中之一速度相對於該工件側向移動。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該環形射束之該 向下斜變時間在10毫秒與200毫秒之間的一範圍中。
- 如請求項1所述之用於雷射焊接之方法，其中該工件由選自由Gen3合金鋼、XGen3合金鋼、DP600合金鋼、5xxx系列鋁合金、6xxx系列鋁合金及7xxx系列鋁合金組成之群組的一材料製成。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201962805244P | 2019-02-13 | 2019-02-13 | |
| US62/805,244 | 2019-02-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202037439A TW202037439A (zh) | 2020-10-16 |
| TWI828858B true TWI828858B (zh) | 2024-01-11 |
Family
ID=69740890
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW109104255A TWI828858B (zh) | 2019-02-13 | 2020-02-11 | 雷射焊接方法 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11389894B2 (zh) |
| EP (1) | EP3924136B1 (zh) |
| KR (1) | KR20210125065A (zh) |
| CN (1) | CN113423531B (zh) |
| BR (1) | BR112021016096A2 (zh) |
| CA (1) | CA3127831A1 (zh) |
| MX (1) | MX2021009753A (zh) |
| TW (1) | TWI828858B (zh) |
| WO (1) | WO2020167588A1 (zh) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020167588A1 (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 |
| 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 |
| DE102022121053A1 (de) | 2021-12-17 | 2023-06-22 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Verfahren zum Schweißen von zinkbeschichteten Blechen |
| WO2023110583A1 (de) | 2021-12-17 | 2023-06-22 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN VON ZINKBESCHICHTETEN STAHLBLECHEN MIT EINEM LASERSTRAHL |
| 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 |
| 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 (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201710009A (zh) * | 2015-06-09 | 2017-03-16 | 可利雷斯股份有限公司 | 雷射處理裝置及其用途、以雷射束來處理工件的方法及用於組合及對準雷射束的光學構件 |
| CN106918876A (zh) * | 2010-04-08 | 2017-07-04 | 通快激光与系统工程有限公司 | 用于借助多包层光纤产生具有不同射束剖面特性的激光束的方法和机构 |
| TW201805100A (zh) * | 2016-07-15 | 2018-02-16 | 可利雷斯股份有限公司 | 雷射處理設備以及方法 |
Family Cites Families (9)
| 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 |
| DE19716293C2 (de) * | 1997-04-18 | 2000-07-13 | Daimler Chrysler Ag | Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen |
| JP4045424B2 (ja) * | 2002-08-02 | 2008-02-13 | トヨタ自動車株式会社 | 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 |
| US20160016261A1 (en) * | 2013-03-29 | 2016-01-21 | Photon Automation, Inc. | Laser welding system and method |
| CN108463308B (zh) * | 2016-01-18 | 2020-02-18 | 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 |
| EP3551372B1 (en) | 2016-12-08 | 2022-09-14 | Corelase OY | Laser processing apparatus and method of cutting a workpiece with a laser beam |
| KR102418512B1 (ko) * | 2017-12-29 | 2022-07-07 | 코렐라스 오와이 | 레이저 프로세싱 장치 및 방법 |
| WO2020167588A1 (en) * | 2019-02-13 | 2020-08-20 | Coherent, Inc. | Laser welding method |
-
2020
- 2020-02-06 WO PCT/US2020/017085 patent/WO2020167588A1/en unknown
- 2020-02-06 BR BR112021016096A patent/BR112021016096A2/pt unknown
- 2020-02-06 KR KR1020217028841A patent/KR20210125065A/ko not_active Application Discontinuation
- 2020-02-06 CA CA3127831A patent/CA3127831A1/en active Pending
- 2020-02-06 EP EP20709103.4A patent/EP3924136B1/en active Active
- 2020-02-06 MX MX2021009753A patent/MX2021009753A/es unknown
- 2020-02-06 CN CN202080014138.0A patent/CN113423531B/zh active Active
- 2020-02-10 US US16/786,623 patent/US11389894B2/en active Active
- 2020-02-11 TW TW109104255A patent/TWI828858B/zh active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106918876A (zh) * | 2010-04-08 | 2017-07-04 | 通快激光与系统工程有限公司 | 用于借助多包层光纤产生具有不同射束剖面特性的激光束的方法和机构 |
| TW201710009A (zh) * | 2015-06-09 | 2017-03-16 | 可利雷斯股份有限公司 | 雷射處理裝置及其用途、以雷射束來處理工件的方法及用於組合及對準雷射束的光學構件 |
| TW201805100A (zh) * | 2016-07-15 | 2018-02-16 | 可利雷斯股份有限公司 | 雷射處理設備以及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200254562A1 (en) | 2020-08-13 |
| EP3924136A1 (en) | 2021-12-22 |
| MX2021009753A (es) | 2021-11-12 |
| EP3924136B1 (en) | 2023-04-26 |
| US11389894B2 (en) | 2022-07-19 |
| TW202037439A (zh) | 2020-10-16 |
| CA3127831A1 (en) | 2020-08-20 |
| CN113423531A (zh) | 2021-09-21 |
| KR20210125065A (ko) | 2021-10-15 |
| BR112021016096A2 (pt) | 2021-11-09 |
| WO2020167588A1 (en) | 2020-08-20 |
| CN113423531B (zh) | 2023-09-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI828858B (zh) | 雷射焊接方法 | |
| US11524361B2 (en) | Laser welding method | |
| TWI702105B (zh) | 雷射處理設備以及方法 | |
| KR101974252B1 (ko) | 레이저 용접 방법 및 용접 구조 | |
| Cao et al. | Research and progress in laser welding of wrought aluminum alloys. I. Laser welding processes | |
| US4546230A (en) | Welding process using laser beam | |
| US20120211474A1 (en) | Laser lap welding method | |
| JPS62254991A (ja) | レ−ザ溶接法及び装置 | |
| CN108463308B (zh) | 激光点焊镀层钢的方法 | |
| JP2014018804A (ja) | 片側溶接方法 | |
| JP2012061474A (ja) | 異種金属の接合方法および異種金属からなる接合物 | |
| CN109175691A (zh) | 一种镀锌钢的焊接方法 | |
| JP2005238249A (ja) | レーザ照射による異種材料の接合方法と装置 | |
| JP7386118B2 (ja) | 溶接方法および溶接装置 | |
| JP2017131918A (ja) | レーザ溶接方法 | |
| RU2269401C2 (ru) | Способ лазерной сварки металлов | |
| JPH07214360A (ja) | レーザ加工 | |
| EP1870194A1 (en) | Method of producing a continuous metal strip by laser butt welding, with a laser having a multimodal welding power distribution | |
| JPH01205893A (ja) | 高炭素鋼板の溶接方法 | |
| CN105834587A (zh) | 一种焊剂辅助的激光焊接方法 | |
| JP2021192916A (ja) | レーザスポット溶接方法 | |
| KR20240010732A (ko) | 금속 접합을 위한 나선형 레이저 용접 방법 | |
| 占剑 et al. | Influences of laser spot on high-speed welding for Cr-plated sheet |