專利名稱：在背面形成等離子體的激光或激光/電弧復(fù)合焊接法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光焊接或者激光/電弧復(fù)合焊接法，該焊接法用于一個或多個金屬工件，特別用于適于用在造船廠中的平板、導(dǎo)管或管道的縱向邊緣或者可用在汽車工業(yè)中的特制坯件的制造。
背景技術(shù)：
激光束焊接是一種很有效的焊接方法，與其它較常用的方法如電弧焊接相比，它允許實現(xiàn)很高的焊接速度和很大的焊透(熔透)深度。
這種性能是由于當(dāng)用一個或多個鏡面或透鏡將激光束聚集到一個或多個待焊接工件上時所包含的高功率密度而獲得的。
這是因為該高激光功率密度在該工件(或該多個工件)的表面上造成大量的蒸發(fā)，該蒸發(fā)在朝外部緩和(relaxing)時使焊池逐漸變空，即所謂的“火箭效應(yīng)(rocket effect)”，并導(dǎo)致板件的厚度中出現(xiàn)蒸汽毛細(xì)管(vapour capillary)或“鑰孔”。該毛細(xì)管允許能量直接積存在板件的中心中，這與其中主要通過熱傳遞進行熔化的較常用方法相反。
通常，毛細(xì)管包括金屬蒸汽和金屬蒸汽等離子體的混合物，其特征在于吸收激光束并因此限制實際的毛細(xì)管中的能量。
當(dāng)毛細(xì)管出現(xiàn)時，焊接稱之為顯露焊接(emerging welding)，也就是說，它完全穿過待焊接板件。該過程通過背面上的能量損失完成，因為并非所有激光束功率(能量)都用于熔化板件。因此有一些激光功率穿過板件而傳輸，板件的厚度越小、激光功率越高且焊接速度越低，穿過板件傳輸?shù)募す夤β试酱蟆?br> 此外，激光/電弧復(fù)合焊接法是一種結(jié)合電孤焊接與激光焊接的焊接方法。
這種激光/電弧復(fù)合焊接法在文獻EP-A-800434、EP-A-1273383、EP-A-1199128、EP-A-1212165、EP-A-1133375、WO-A-03/11516、WO-A-03-43776、WO-A-03/82511、EP-A-1160048、EP-A-1160046、EP-A-1160047和EP-A-1380380中已有具體描述。
這種方法的原理是在自耗電極及非自耗電極和待焊接的一個或多個工件之間產(chǎn)生電弧，并且相伴(伴隨)地將例如YAG(釔鋁石榴石)或CO2型功率激光束聚焦在電弧區(qū)域中。這種方法盡管也能由于蒸汽毛細(xì)管的出現(xiàn)而達到很高的焊接速度和很大的焊透深度，但還可以使焊接之前的工件定位公差與在單獨使用激光焊接中很重要的非常精確的定位相比大大地增加，該重要性是因為在單獨使用激光焊接時使用小尺寸的焦斑。
在采用CO2型激光發(fā)生器的激光/電弧復(fù)合焊接和激光焊接中存在的一個問題是產(chǎn)生保護氣體的等離子體。
這是由于在毛細(xì)管中存在的金屬蒸汽等離子體可以在給保護氣體提供自由電子的同時激發(fā)不利于焊接操作的保護氣體等離子體的出現(xiàn)，其中，該金屬蒸汽等離子體在單獨使用激光焊接時是固有的，并且在利用電弧的復(fù)合焊接中是增強的。
然后，激光束可以被高度或甚至完全吸收，并因此導(dǎo)致焊透深度的大量減小或甚至光束和材料之間的耦合損失和因而焊接過程中的瞬時中斷。
出現(xiàn)該保護氣體等離子體的起點取決于所用的保護氣體環(huán)和激光束功率及聚焦參數(shù)。
為了解決該問題，已在文獻EP-A-1404482、WO-A-03/57389、EP-A-1371444、EP-A-1371445、EP-A-1371446和EP-A-1375054中提出可以用在利用CO2型激光器的焊接中或用在復(fù)合焊接中的氣體混合物，這可以防止在頂面上出現(xiàn)該保護氣體等離子體。
此外，在激光焊接或激光/電弧復(fù)合焊接中存在的另一個問題是通常獲得的焊道的形狀。
這是由于這些焊道通常具有構(gòu)成一主要難題的狹窄焊道根部，因為在相對于接頭定位激光束時最微小的不準(zhǔn)確性都會導(dǎo)致的焊接缺陷情況下，該狹窄的焊道根部非常難以確保準(zhǔn)確地焊接接頭。這在所附的圖1和2中示出。
由此可見，該焊道根部狹窄的問題因此大大限制了激光焊接或復(fù)合焊接在工業(yè)制造過程中的應(yīng)用，尤其是當(dāng)必須焊接中等厚度，即通常為至少1-2mm厚的工件時。
因此，本發(fā)明旨在通過提出一種激光焊接或者激光/電弧復(fù)合焊接法而解決該問題，該方法用于獲得具有比普通焊道更寬的焊道根部的焊道，并且如果有必要的話用于根據(jù)情況向焊道中引入可以有利于形成具有良好性能的金相顯微構(gòu)造的元素，如氧或者氮。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于通過焊接將一個或多個金屬工件連接起來的CO2型激光焊接法，其中a)在待焊接的所述工件的頂面上使用第一保護氣體；b)在待焊接的所述工件的背面上使用第二保護氣體，所述第二保護氣體為由與第一保護氣體成分不同的成分組成的氣體；c)經(jīng)由利用從所述工件的頂面輸送的激光束獲得的鑰孔而產(chǎn)生全焊透焊接接頭；及在步驟c)過程中，利用至少一些穿過步驟c)中鑰孔傳輸?shù)墓β试诒趁嫔系诙Ｗo氣體中產(chǎn)生等離子體，以便使所述等離子體在背面上的保護氣體中出現(xiàn)，所述背面上的等離子體有助于產(chǎn)生所述焊接接頭。
視情況而定，本發(fā)明的方法可以包括下列特征中的一個或多個。
-所述步驟a)和b)同時或相伴進行；-在步驟c)期間，通過從一個或多個工件的頂面輸送的激光束在該一個或多個工件的背面上形成鑰孔；-所述第一保護氣體選自氦、氬及氬/氦、氦/氮、氦/氧、氦/CO2、氦/氬/氧、氦/氬/CO2、氬/氫和氦/氫混合物；-所述第二保護氣體選自Ar、Ar/O2、Ar/CO2、CO2、CO2/N2、O2、He/O2、He/CO2、Ar/N2、He/N2和N2；-在所述步驟c)中，還使用電弧，并且利用至少該電弧和激光束在所述待焊接工件之間產(chǎn)生所述焊接接頭，所述電弧和激光束通過在所述工件的頂面上相互結(jié)合而進行輸送；-所述工件由金屬材料例如碳鋼、錳碳鋼、微合金化鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和鋁合金制成，所述工件為平板或管件；-所述待焊接工件具有至少為1mm，且優(yōu)選地至少為2mm的厚度；-該方法選自復(fù)合激光/TIG(鎢極電弧惰性氣體保護焊)或者激光/MIG(金屬焊絲惰性氣體保護焊)法；-在所述步驟d)中獲得的焊接接頭在所述背面上具有至少為2mm的寬度。
在本發(fā)明的上下文中-術(shù)語“CO2型激光束”理解為指由CO2型激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光束；-術(shù)語“頂面”理解為指一個或多個待焊接工件的位于直接面對激光或復(fù)合激光焊接頭的側(cè)面，該側(cè)面首先接受激光束和/或電弧的沖擊，即對應(yīng)于一個或多個待焊接板件的上表面的側(cè)面；-術(shù)語“背面”理解為指一個或多個工件的與頂面相對的側(cè)面，即對應(yīng)于一個或多個待焊接板件的下表面的側(cè)面；及-術(shù)語“鑰孔”理解為指由金屬蒸汽和金屬蒸汽等離子體形成并允許激光束的能量直接積存在待焊接板件的中心中的毛細(xì)管，該“鑰孔”通過激光的高功率密度產(chǎn)生。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明，合適地使用穿過鑰孔傳輸(并因此在先有方法中常常損失)的功率以使得在背面上即板件下方的合適的保護氣體中出現(xiàn)等離子體，該氣體與頂面上即板件上方的保護氣體不同，并因此在待焊接工件下方輸送剩余的能量以增加背面上的焊道的寬度。


根據(jù)下面參照附圖所進行的說明，將較清楚地理解本發(fā)明，其中-圖1a示出根據(jù)先有技術(shù)利用功率為10.4KW的CO2型激光束進行的焊接的宏觀照片，其中，鋼工件的厚度為5mm，焊接速度為7mm/min，氦作為頂面上的氣體，并且激光聚焦在待焊接工件的表面上；-圖1b示出在與圖1a相同的條件下獲得的宏觀照片，但焊接速度為3.5m/min；-圖1c示出在與圖1a相同的條件下獲得的宏觀照片，但焊接速度為2.5mm/min，激光聚焦在工件表面上方5mm處以及氦作為頂面上和背面上的氣體；-圖2a和2b示出根據(jù)先有技術(shù)利用功率為8KW的CO2型激光束和MIG型電弧進行的激光/電弧復(fù)合焊接的宏觀照片，其中，以2.1m/min(圖2a)和3m/min(圖2b)的焊接速度焊接厚度為8mm的鋼工件，并使用Ar/He/O2(27％/70％/3％)氣體混合物作為背面和頂面二者上的保護氣體；-圖3示出根據(jù)本發(fā)明利用功率為10.4KW的CO2型激光束進行的焊接的宏觀照片，其中，以2.5m/min的焊接速度焊接厚度為5mm的鋼工件，激光聚焦在待焊接工件表面上方5mm處，并且氦在頂面上以及氬在背面上；和-圖4示出根據(jù)本發(fā)明利用功率為8KW的CO2型激光束和MIG型電弧進行的激光/電弧復(fù)合焊接的宏觀照片，其中，以2.1m/min的焊接速度焊接厚度為8mm的鋼工件，并且He/Ar/O2混合物在頂面上以及氬在背面上。
具體實施例方式
根據(jù)先有技術(shù)的圖1a-1c的激光焊接宏觀照片示出，焊道背面上的寬度較窄，也就是說小于1mm，并且受焊接速度的影響較小。
因此，通過將焊接速度從7m/min(圖1a)減小到3.5m/min(圖1b)，可以看出，焊道背面上的寬度從0.6mm變成0.9mm，但仍然保持較小。
通過使激光束相對于所述表面散焦并通過進一步減小速度，背面上的寬度可以稍微增加，從而達到1.6mm(圖1c)，同時也稍微增加了所獲得的焊道頂面上的寬度。
這種速度的減小還導(dǎo)致在板件背面上損失的激光功率增加。這是因為未用于熔化板件的功率通過鑰孔傳輸并在另一面上出現(xiàn)，在該另一面上，該功率損失在用于緊固和支承待連接板件的齒中。因此，通常焊接速度減小得越多，傳輸功率越大。
圖2a和2b示出先有技術(shù)的激光/MIG復(fù)合焊接的宏觀照片。較具體地，圖2a是首尾相連放置的工件的復(fù)合焊接的一示例，其中，該工件間的間距為0.6mm，而圖2b是具有斜面的工件的復(fù)合焊接的一示例，其中，該斜面具有3mm的后部(heel)和12°的錐角。在這兩種情況下，采用70S-型實心焊線及15m/min的線速度，且頂面上的氣體混合物為由70％體積比的He和27％體積比的Ar以及其余(即3％)的氧形成的混合物。
這兩個宏觀照片示出復(fù)合焊接的益處之一，因此頂面上的焊道的寬度由于電弧的存在而增加，從而允許較大的配合或定位公差。
遺憾的是，此處焊道根部仍然較窄，并且與激光焊接相比沒有顯著的改善，因為圖2a和2b的宏觀照片示出分別僅為1.6mm和0.8mm的背面上的焊道寬度。
為了顯著增加該背面上的焊道寬度，有必要急劇減小焊接速度，因此導(dǎo)致生產(chǎn)率損失。和激光焊接的情況一樣，復(fù)合焊接速度的減小導(dǎo)致穿過鑰孔傳輸?shù)募す夤β试黾印?br> 根據(jù)這些觀察，本發(fā)明的發(fā)明人有這樣的想法，即利用穿過鑰孔傳輸?shù)?并因此通常是損失的)功率使等離子體出現(xiàn)在合適的保護氣體中，并因此在待焊接板件的下方輸送剩余能量以增加背面上的焊接寬度，其中，該合適的保護氣體在背面上輸送并與頂面上所用的保護氣體不同。
因此，圖3示出激光焊接焊道的宏觀照片，其中，在背面上的用作背面保護氣體的氬中已根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生用于該焊接的等離子體，然而在頂面上用氦作為保護氣體。
正如可以看出的，然后所獲得的背面焊道寬度為2.5mm，并且與僅為1.6mm的圖1c中背面焊道寬度相比較。
此外，圖4示出一發(fā)明性激光/MIG復(fù)合焊接焊道的宏觀照片，其中，在背面上的氬中形成用于該焊接的等離子體。
正如可以看出的，圖4中的背面焊道寬度為2.6mm，并且與僅為1.6mm的圖2a中背面焊道寬度相比較。
一般來說，焊道根部變寬的程度當(dāng)然取決于所激發(fā)的背面氬等離子體的數(shù)量，這應(yīng)用在激光焊接和激光/電弧復(fù)合焊接中。
本發(fā)明方法的另一個優(yōu)點是，根據(jù)選擇用于背面的保護氣體的性質(zhì)，可以促使或控制元素進入焊道，并因此改變焊道的金相顯微構(gòu)造。
因此，在背面上為一種氣體或氣體混合物如Ar/O2、Ar/CO2、CO2、O2、He/O2或He/CO2的情況下，當(dāng)在背面上形成保護氣體等離子體時，氧或CO2離解并因此可以將O2分子引入熔融金屬。
此外，在背面上為一種氣體或氣體混合物如Ar/N2、He/N2或N2的情況下，當(dāng)在背面上形成保護氣體等離子體時，氮離解并因此可以將氮引入熔融金屬，這在焊接例如雙聯(lián)或超雙聯(lián)(superduplex)鋼時也許是有用的。
權(quán)利要求
1.用于通過焊接將一個或多個金屬工件連接起來的CO2型激光焊接法，其中a)在待焊接的所述工件的頂面上使用第一保護氣體；b)在待焊接的所述工件的背面上使用第二保護氣體，所述第二保護氣體為由與第一保護氣體成分不同的成分組成的氣體；c)經(jīng)由利用從所述工件的頂面輸送的激光束獲得的鑰孔而產(chǎn)生全焊透焊接接頭；及d)在步驟c)過程中，利用至少一些穿過步驟c)中鑰孔傳輸?shù)墓β试诒趁嫔系诙Ｗo氣體中產(chǎn)生等離子體，以便使所述等離子體在背面上的保護氣體中出現(xiàn)，所述背面上的等離子體有助于產(chǎn)生所述焊接接頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a)和b)同時或相伴進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述工件由碳鋼、碳錳鋼、微合金化鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼或馬氏體不銹鋼或者鋁合金制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一保護氣體選自氦、氬及氬/氦、氦/氮、氦/氧、氦/CO2、氦/氬/氧、氦/氬/CO2、氬/氫和氦/氫混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二保護氣體選自Ar、Ar/O2、Ar/CO2、CO2、CO2/N2、O2、He/O2、He/CO2、Ar/N2、He/N2和N2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，在所述步驟c)中，還使用電孤，并且利用至少該電弧和激光束在待焊接的所述工件之間產(chǎn)生所述焊接接頭，所述電弧和激光束通過在所述工件的頂面上相互結(jié)合而進行輸送。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于，所述工件由金屬材料制成，和/或所述工件為平板或管件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于，待焊接的所述工件具有至少為1mm，且優(yōu)選地至少為2mm的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法選自復(fù)合激光/TIG或者激光/MIG法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于，在所述步驟d)中獲得的焊接接頭在所述背面上具有至少為2mm的寬度。
全文摘要
用于通過焊接將一個或多個金屬工件連接起來的CO
文檔編號B23K28/02GK1868656SQ20051007199
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月26日
發(fā)明者F·白里安, P·勒菲弗, O·都貝 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司