專(zhuān)利名稱(chēng)：采用光束振蕩的激光焊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了激光焊，尤其是涉及了采用一個(gè)振蕩激光束的焊接，以建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)和再填充的孔眼。
背景技術(shù)：
通常的焊接包括對(duì)接焊、搭接熔透焊、以及搭接填角焊。激光焊是一種連接金屬零件的方法，采用一個(gè)相干光的聚焦光束來(lái)熔化相鄰零件，并且使熔化物固化為一條焊縫。雖然激光焊可以產(chǎn)生對(duì)接焊，但它們通常不適用于航天、汽車(chē)和船舶工業(yè)。搭接熔透焊和搭接填角焊的激光焊更難完成。

圖1和2描述了搭接熔透焊的激光焊結(jié)果，其中把激光束引向零件4和6之間的一個(gè)對(duì)接面2區(qū)域上。沿著對(duì)接面2在激光束和組合零件之間實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。激光束可以使對(duì)接面中一部分金屬揮發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)被熔化金屬10包圍的孔眼8?？籽?隨著激光束的運(yùn)動(dòng)沿箭頭A方向前進(jìn)。熔化金屬10在前進(jìn)的孔眼8后面固化，以建立零件之間的一條焊縫。
實(shí)際上，通過(guò)激光焊產(chǎn)生的搭接熔透焊和搭接填角焊是有限制的。例如，在圖1和2所示的搭接熔透焊中，非常確定的是，焊縫寬度W應(yīng)該等于或超過(guò)被焊接零件中最薄一個(gè)的厚度t。必須控制焊接過(guò)程以盡量減少在焊縫中形成氣孔，它們是由孔眼的不穩(wěn)定性和/或低熔點(diǎn)成分(如鎂)在高的局部壓力下?lián)]發(fā)所造成。此外，激光焊比較昂貴。激光束通常在106W/cm2或以上工作；效率規(guī)定了在該功率量級(jí)上需要至少在80英寸/分鐘(ipm)的速率下焊接。如果焊接零件達(dá)到0.1英寸厚，有可能在超過(guò)120ipm速度下生產(chǎn)所需的0.1英寸焊接寬度W?？梢圆捎蒙⒔构馐螂p焦光學(xué)系統(tǒng)來(lái)適當(dāng)控制氣孔的形成。但是，材料愈厚，在仍保持容許的焊接質(zhì)量和運(yùn)行速度下，愈難達(dá)到所需的焊接寬度。
如果采用激光焊的搭接填角焊，則焊接系統(tǒng)必須適應(yīng)激光束相對(duì)于焊縫邊的側(cè)向位置變化，以及零件之間間隙的變化，以便在證明采用更昂貴的激光焊系統(tǒng)為合理的速率下，達(dá)到可以與氣體金屬弧焊(GMAW)造成的焊接層相比的性能。
克服搭接熔透焊和搭接填角焊的激光焊困難問(wèn)題的一個(gè)選擇方案是采用光束積分器，聚焦具有較長(zhǎng)焦距或散焦光束的光學(xué)器件(反射鏡或透鏡)。但是，為了保證激光和被焊接零件之間可靠和一致的光耦合。以及為了達(dá)到在焊縫上的局部熔化，必須增加激光系統(tǒng)的功率輸出，以補(bǔ)償功率密度的減少。具有足夠的功率輸出，在更平靜的導(dǎo)熱模式中而不是在孔眼模式中，能夠產(chǎn)生加寬的焊縫。與沿著焊接區(qū)移動(dòng)空腔(或孔眼)的后一個(gè)模式不同，沿著焊接區(qū)移動(dòng)金屬的熔化池來(lái)達(dá)到導(dǎo)熱模式。由于使孔眼內(nèi)金屬的猛烈揮發(fā)減到最小，更平靜的導(dǎo)熱模式能夠消除孔眼模式固有的不穩(wěn)定性。結(jié)果是，導(dǎo)熱模式在最大程度上減少了激光焊縫中氣孔的形成。但是，為了實(shí)現(xiàn)這種方法，需要采用很大功率的激光(例如為18KW到25KW，與用途有關(guān))和昂貴的激光發(fā)生系統(tǒng)，它使得這種方法對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用并不實(shí)用。
在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4,369,348中描述了增加激光焊效率的另一種方法，在1000Hz以上頻率下振蕩激光束。在高于金屬熱響應(yīng)時(shí)間的頻率，設(shè)計(jì)這個(gè)激光的快速運(yùn)動(dòng)來(lái)分配和時(shí)間平均激光的強(qiáng)度。這樣，在被焊接金屬零件之間對(duì)接面上特定位置所承受的時(shí)間平均熱強(qiáng)度大于無(wú)振蕩時(shí)承受的熱強(qiáng)度。但是，在1000Hz以上振蕩頻率的激光束操作是困難和昂貴的。另外，實(shí)現(xiàn)這種方法的唯一途徑是在保持連續(xù)熔化池的導(dǎo)熱模式中進(jìn)行焊接。
因此，仍需要有一種費(fèi)用低的、有效的激光焊方法。
發(fā)明摘要本發(fā)明的方法滿足了這種需要，它包括把激光束聚焦在一對(duì)金屬零件之間的焊接區(qū)域上，形成一個(gè)連續(xù)的熔化池和在其中建立一個(gè)孔眼。熔化池是來(lái)自每個(gè)零件的金屬的混合物。同時(shí)按照第一方向沿著焊接區(qū)移動(dòng)聚焦光束和按照與第一方向不同的方向相對(duì)于熔化池振蕩光束，孔眼被連續(xù)地運(yùn)動(dòng)，并且立即被相鄰熔化金屬再填充。當(dāng)孔眼穿透熔化池和熔化了要焊接的零件時(shí)，在零件之間的對(duì)接面上發(fā)生焊接。在聚焦激光附近，熔化池蒸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)孔眼，它隨著振蕩光束移動(dòng)。當(dāng)光束沿著不同于第一方向的一個(gè)方向(例如第一方向的橫向)振蕩時(shí)，孔眼振蕩通過(guò)熔化金屬池，并且在孔眼振蕩時(shí)熔化金屬填充孔眼中。這樣，連續(xù)地產(chǎn)生孔眼，然后被熔化金屬再填充，熔化金屬固化產(chǎn)生一條焊縫。
焊接可以是搭接穿透焊、對(duì)接焊、或搭接填角焊。根據(jù)焊接類(lèi)型、組合的厚度、以及焊接位置，激光束在約5到約120Hz頻率上振蕩，并且以約5到約400ipm速率沿第一方向前進(jìn)。這里當(dāng)提到頻率或尺寸范圍時(shí)，范圍包括了所有的中間值，例如對(duì)于第一方向的速率，速率可以包括5，6，7，等等直到400ipm。振蕩可以是直線形、圓形、橢圓形或其組合，或者是完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)孔眼的任何其他形狀。金屬零件中較薄的一個(gè)可以超過(guò)0.1英寸厚。本發(fā)明容許激光焊接各種類(lèi)型的焊縫，具有定制的焊接尺寸(例如在0.25英寸厚零件之間的0.25英寸界面焊接寬度)直到約0.5英寸寬。
附圖簡(jiǎn)述圖1是一對(duì)金屬零件的示意截面圖，按照先前技術(shù)激光焊接形成一個(gè)孔眼；圖2是按照先前金屬操作的圖1所示零件疊層的頂視圖；圖3是按照本發(fā)明方法的激光焊接的一對(duì)金屬零件透視圖；圖4是圖3所示零件疊層的頂視圖；以及圖5是沿線5-5所取的圖4所示金屬零件的示意截面圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳述在本發(fā)明的方法中，如鋼或鋁合金的金屬零件均激光焊接在一起。如圖3所示，輻射線20(如激光束)聚焦在一對(duì)金屬零件24和26之間的對(duì)接面22上。圖3的金屬零件24和26相互疊合形成搭接熔透焊。這并不意味著受到限制；按照本發(fā)明的方法可以產(chǎn)生其他焊接，如對(duì)接焊和搭接填角焊。激光束20沿著箭頭A的方向運(yùn)行，它可以跟隨一條直線路徑或其他形狀的路徑。箭頭A的路徑確定了零件24和26之間焊接的位置。
當(dāng)激光束20沿著箭頭A方向運(yùn)行時(shí)，激光束20還沿著雙箭頭B的方向振蕩。雙箭頭B與箭頭A成一個(gè)角度，例如為箭頭A方向的橫向。在圖3中，激光束20表示為沿著垂直于箭頭A的一條直線路徑振蕩，但這并不意味著受到限制。激光束20可以沿其他路徑運(yùn)行，例如圓形、橢圓形、正弦曲線等。在聚焦激光束20附近，如圖4和5所示，零件24和26的金屬蒸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)被熔化金屬30包圍的孔眼28。激光束20的振蕩使得孔眼28被熔化金屬30填充，并且在它附近再形成一個(gè)新的孔眼28。當(dāng)孔眼28從一個(gè)位置到另一個(gè)位置跨過(guò)箭頭A路徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)并且空出它在熔化金屬池30中的先前位置時(shí)，被空出的孔眼28被填充，并且再形成一個(gè)新的孔眼28。這個(gè)過(guò)程看起來(lái)像孔眼橫向通過(guò)熔化金屬30的運(yùn)動(dòng)，熔化金屬30作用為連續(xù)“愈合”空出的孔眼28。這樣，產(chǎn)生具有寬度W1的一條焊縫，它明顯比先前技術(shù)的焊縫寬。例如，當(dāng)搭接熔透焊接時(shí)，本發(fā)明方法提供了這樣的焊接，其焊縫具有的界面寬度等于或大于被焊接的較薄零件的厚度。采用這種方法產(chǎn)生的焊縫通常為采用常規(guī)方法產(chǎn)生的激光束焊縫寬度的兩倍到五倍。在生產(chǎn)較厚零件，例如大于0.1英寸直到0.25英寸厚的零件時(shí)，較寬焊縫特別有用。
激光束20的適當(dāng)振蕩頻率為約5到約120Hz，可以為約10Hz。激光束可以在約5到約400ipm，或者約40到約200ipm，或者約80ipm的速率沿著對(duì)接面前進(jìn)。
在某些例子中，包括一個(gè)填充材料源，例如一條填充絲可能是有用的。填充材料可以在焊接期間添加，可以是直徑約0.030和0.062英寸之間的絲的形式，或者是粉末。填充材料可以采用既定工程原理根據(jù)需要的焊縫屬性所選擇的合金。填充材料可以添加到熔化池的前面或后面，通常與水平面，即與上面零件的平面偏置一個(gè)30到60度的角度。也可以利用處理的氣體來(lái)保護(hù)熔化池，并且再引導(dǎo)蒸發(fā)的金屬?gòu)墓馐筒牧舷嗷プ饔脜^(qū)離開(kāi)，它通常稱(chēng)為等離子體抑制氣體。氣體通常提供在焊接池之前，通過(guò)一個(gè)噴管在與水平面偏置30到60度的角度被引導(dǎo)到池的后面。
實(shí)例在一對(duì)0.196英寸厚的包鋁合金6013-T6板之間產(chǎn)生一條搭接熔透激光焊縫，具有350送進(jìn)角和90ipm絲送進(jìn)速率的0.045英寸直徑的合金4047填充絲，采用10KW功率的CO2激光(110立方英尺/小時(shí)流率的氦作為從運(yùn)動(dòng)前端作用的等離子抑制氣體)，在80ipm下運(yùn)行，聚焦在疊合板頂面之下0.25英寸。激光沿著焊接方向的橫向，以400ipm、0.25英寸總振蕩寬度(即0.125英寸中心到中心)作直線振蕩。最終的界面焊接寬度稍大于0.22英寸。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解到，可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)按其他方式來(lái)具體體現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種把金屬零件焊接在一起的方法，包括的步驟為沿著一對(duì)金屬零件之間的對(duì)接面按照第一方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)激光束，使得在激光束附近，來(lái)自每個(gè)零件的金屬熔化和蒸發(fā)，產(chǎn)生在一個(gè)熔化金屬池中的一個(gè)孔眼；以及按照與第一方向不同的一個(gè)方向振蕩激光束，使得孔眼振蕩通過(guò)熔化金屬池，并且當(dāng)孔眼位置改變時(shí)熔化金屬填入孔眼。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中激光沿著第一方向的橫向振蕩。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中焊接是搭接熔透焊。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中焊接是對(duì)接焊。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中焊接是搭接填角焊。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中金屬零件每一個(gè)由鋁合金組成。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中激光束在約5到約120Hz的頻率下振蕩。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中激光束沿著對(duì)接面，以約5到約400英寸/分鐘的速率前進(jìn)。
9.如權(quán)利要求7的方法，其中焊縫寬度為約0.1英寸以上到約0.25英寸。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中激光束以直線路徑振蕩。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中激光束以圓形路徑、橢圓形路徑、或者兩者路徑振蕩。
12.權(quán)利要求3的方法，其中金屬零件的較薄一個(gè)的厚度為約0.1英寸以上。
全文摘要
把金屬零件焊接在一起的一種方法，包括沿著一對(duì)金屬零件(24，26)之間的對(duì)接面(22)按照第一方向(A)運(yùn)動(dòng)一個(gè)激光束(20)，使得在聚焦激光束(20)附近，來(lái)自每個(gè)零件的金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生在一個(gè)熔化金屬池(30)中的一個(gè)孔眼(28)。按照與第一方向不同的一個(gè)方向(B)(例如為其橫向)振蕩激光束(20)，使得孔眼(28)振蕩通過(guò)熔化金屬池(30)，當(dāng)孔眼(28)位置改變時(shí)熔化金屬填充到孔眼(28)中。
文檔編號(hào)B23K26/24GK1662340SQ03814892
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者伊斯里爾·斯托爾, 理查德·P·馬圖卡尼茨 申請(qǐng)人:阿爾科公司, 賓西法尼亞州研究基金會(huì)