专利名称：用其含量依据激光功率进行控制的n的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用由氮气和氦气成比例组成的气体混合物的激光束焊接方法，该比例根据所使用的激光装置的功率或功率密度调整或调节。
背景技术：
在工业中，已知使用一束激光切割或焊接一个或多个金属工件。在这个方面，可以引用下面的文献DE-A-2713904，DE-A-4034745，JP-A-01048692，JP-A-56122690，WO97/34730，JP-A-01005692，DE-A-4123716，JP-A-02030389，US-A-4871897，JP-A-230389，JP-A-62104693，JP-A-15692，JP-A-15693，JP-A-15694，JP-A-220681，JP-A-220682，JP-A-220683，WO-A-88/01553，WO-A-98/14302，DE-A-3619513和DE-A-3934920。
由于与其它更传统的方法，例如等离子焊接、MIG(金属惰性气体)焊接或TIG(钨惰性气体)焊接相比，激光焊接可以在高速下获得非常大的穿入深度，因此它是一种十分高性能的焊接方法。
这是因为，当用一个或多个反射镜或透镜将激光束聚焦在要焊接的工件的接合面内时会产生高功率密度，例如可能超过106W/cm2的功率密度。
这些高功率密度会在工件表面引起相当大的汽化，该汽化扩展到外部，导致焊接熔池逐步形成陷坑并在(金属)板的厚度内也就是在该接合面内形成一称为“锁眼”的窄深的蒸汽毛细管。
这一毛细管使激光束的能量可以直接在(金属)板内沿深度方向沉积，这与更为传统的焊接方法中能量沉积局限在表面是不同的。
这一毛细管由金属蒸汽/金属蒸汽等离子体混合物形成，其具体特征是它吸收激光束并因此将能量限制在存在的毛细管内。
激光焊接的一个问题是形成保护气体等离子体。
这是因为该金属蒸汽等离子体通过在保护气体中散播自由电子，可能会导致一种对焊接操作不利的保护气体等离子体出现。
入射的激光束可能会因此被大量地、或甚至完全地吸收，从而会导致穿入深度大大减小，或甚至在光束和材料之间无法接合，进而造成焊接过程的瞬时中断。
等离子体出现的功率密度阈值取决于所使用的保护气体的电离势并与激光束的波长的平方成反比。
因此，在纯氩气下使用CO2型激光进行焊接是十分困难的，但是使用YAG型激光进行这一操作可能会容易得多。
通常，在CO2激光焊接中，氦气被用作保护气体，这是一种具有高电离势的气体并可以防止出现保护气体等离子体，并且与所采用的激光束功率无关。
但是，氦气的缺陷在于是它一种昂贵气体，许多激光使用者宁愿使用其它比氦气较便宜的、但仍能限制出现保护气体等离子体的气体或气体混合物，从而获得与使用氦气所获得的类似的焊接效果，而成本较低。
因此，包含氩气和氦气的气体混合物在市场上可以买到，例如由L′AirLiquideTM以LASALTM2045的名称售出的包含30％体积(体积百分比)的氦气和其余为氩气的气体混合物，对于CO2激光功率电平低于5KW并假设所产生的功率密度并不太高，也就是说大约2000KW/cm2以上时，该气体混合物可以获得与氦气基本相同的效果。
但是，这种Ar/He型混合物所产生的问题是它不适于较高激光功率密度，因为在那时超过了保护气体等离子体产生的阈值。
发明内容
因此，本发明的一个目的是通过提出一种改进的激光焊接方法以解决这一问题，该方法可以采用功率超过15到20KW的激光，并且不管所选择的功率或功率密度如何，都不形成或仅形成最少的保护气体等离子体。
因此本发明的技术方案是一种采用一包含氮气和氦气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中根据所述激光束的功率或功率密度选择或调整氮气和/或氦气在所述气体混合物中的比例。
根据情况不同，本发明的方法可以包括一个或多个下述技术特征-该激光功率在0.5KW和30KW之间，优选在5KW和20KW之间；-该保护气体混合物由氮气和/或氦气组成；优选地，该气体混合物包含体积比为30％到80％的氦气，其余是氮气和可能不可避免的杂质；-该气体混合物通过混合规定数量的氮气和氦气而现场产生；-该气体混合物通过一受所采用的激光功率或功率密度的控制从而混合规定数量的氮气和氦气的气体混合器系统而产生；-当激光功率或功率密度增加时氦气在该气体混合物中的比例增加。
根据另一个方面，本发明还涉及一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中根据所述激光束的功率或功率密度选择或调整在所述气体混合物中氦气相对于氮气的比例，从而在焊接期间避免在保护气体中形成等离子体或使在保护气体中形成的等离子体最少。
根据另一个方面，本发明还涉及一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中氦气在所述气体混合物中的体积比是-对于0.5KW和4KW之间的激光束功率(体积比)在1和30％之间；-对于4KW和8KW之间的激光束功率(体积比)在30和50％之间；-对于8KW和12KW之间的激光束功率(体积比)在50和70％之间。
此外，本发明还涉及一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中氦气在所述气体混合物中的体积比是-对于500KW/cm2和2000KW/cm2之间的激光束功率密度(体积比)在1和30％之间；
-对于2000KW/cm2和4000KW/cm2之间的激光束功率密度(体积比)在30和50％之间；和/或-对于4000KW/cm2和10000KW/cm2之间的激光束功率密度(体积比)在50和70％之间。
氦气和氮气优选来自一其中氦气和氮气例如通过一气体混合器以需要的比例预混合的单一的气体源。
本发明还涉及一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接装置，该装置包括-至少一个氮气源；-至少一个氦气源；-使来自该氮气源的氮气与来自该氦气源的氦气相混合的气体混合装置；-一产生激光功率至少为0.5KW的激光束的激光发生器装置；-与所述气体混合装置相配合从而根据由该激光(发生器)装置产生的激光功率调整氮气和/或氦气的比例的调节装置。
此外，本发明还涉及一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中作为功率密度的一个函数，氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下28×ln(ΦP)-207≤％He≤32.3×ln(ΦP)-207其中-ln(ΦP)代表以KW/cm2表示的功率密度的自然对数；并且-％He代表氦气在该气体混合物的氮气中的体积百分比。
优选地，作为功率密度的一个函数，氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下28.5×ln(ΦP)-207≤％He≤31.5×ln(ΦP)-207还优选地，作为功率密度的一个函数，氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下29×ln(ΦP)-207≤％He≤31×ln(ΦP)-207
从下面参考附图给出的说明，将会更好地理解本发明。
图1示出(曲线A)作为功率密度(标示在x-轴上)和氦气在由氮气和氦气组成的混合物中的体积比(标示在y-轴上)的函数的等离子体出现的阈值的变化，该氮气和氦气含量的和构成混合物体积的100％；和图2示出作为氮气中的氦气含量和所采用的激光功率的函数的保护气体等离子体出现的阈值的变化。
具体实施例方式
如上所述，在激光束焊接中，产生的一个主要问题与保护气体等离子体的形成有关，该等离子体由于对产生的激光束具有强烈的、甚至全部的吸收作用而对焊接操作有害，从而导致穿入深度相当大的减小，或者甚至导致在激光束和要焊接的材料之间无法接合，因此造成焊接过程的中断。
目前，本发明的发明人已经证明，对于一特定的CO2型激光功率密度，通过氦气在用作焊接操作期间的保护气体的氦气/氮气气体混合物中(相对于氮气)的体积比确定保护气体等离子体出现的阈值，并且这一氦气的(体积)比必然随激光的功率密度变化。
因此，图1示出(曲线A)作为功率密度(标示在x-轴上)和氦气在由氮气和氦气组成的混合物中的体积比(标示在y-轴上)的函数的等离子体出现的阈值的变化，该氮气和氦气含量的和构成该混合物体积的100％。
曲线A是通过分析由混合物中的各种氦气含量产生的焊缝的穿入深度，以及通过对焊接过程中保护气体等离子体出现或者未出现的肉眼观察而得到。
功率密度通过用工件上的激光功率除以焦斑的直径而获得，该焦斑由上述激光形成，并事先通过一激光束分析器测量。
位于曲线A上侧的区域代表对于上述功率密度，氦气在氮气中的含量使得可以产生焊缝而不会出现保护气体等离子体的区域。
在位于该曲线A下侧的区域内，该保护气体分解并因而保护气体等离子体出现。
为了表示与测量该焦斑的直径(微米级)有关的误差，和在氮气/氦气混合物中氦气含量的误差，以及有关该焦斑内能量分布的误差，在图1中还示出三束曲线(B，C)，(D，E)和(F，G)。
这些曲线的等式是％He＝μ×ln(ΦP)-207其中-ln(ΦP)代表以KW/cm2表示的功率密度的自然对数；-％He代表氦气在氮气中的百分比；以及-μ是取决于上述曲线的一个值对曲线B，μ＝31；对曲线C，μ＝29；对曲线D，μ＝31.5；对曲线E，μ＝28.5；对曲线F，μ＝32.3；对曲线G，μ＝28。
因此，在位于曲线F和G(或者D和E或B和C)之间的图的区域内，对于上述功率密度，可以选择能够获得与纯氦气或与位于曲线F和G(或者D和E或B和C)之间的区域上方的N2/He混合物相同效果的N2/He混合物。
相反，在该区域下方保护气体总是会分解并从而出现保护气体等离子体。因此从这些曲线确定的气体混合物是最佳混合物，也就是说它是包含最少的氦气但却产生与纯氦气或与具有较高比例氦气的混合物基本相同的效果的气体混合物。
所有这些曲线都是以3m/min的焊接速度在钢和不锈钢工件上，用焦距为250mm、200mm或150mm的抛物柱面(反射)镜，并使用其Q-因数为4的CO2激光产生的。
如图1所示，包含50％体积氮气的氦气/氮气混合物对于5.3×106W/cm2的CO2激光功率密度产生与纯氦气基本相同的穿入深度和焊接速度。
本发明还可通过示出作为氮气中的氦气含量和所采用的激光功率的函数的保护气体等离子体出现的阈值的变化来论证，如图2中用图表所示。
这种不如前一种通用的表示可以从图1的曲线并利用以下等式得到(1)ΦP＝P/S其中ΦP是功率密度，P是所使用的激光功率且S是焦斑的面积；(2)---S=πW02]]>其中W0是焦斑的半径；以及(3)W0WF＝M2(λf/π)其中WF是对于上述功率激光束在反射镜或在聚焦透镜的半径，M2是激光束的Q-因数，其通常是制造者的已知数(对于高斯光束M2＝1)，λ是激光束的波长(在CO2激光的情况下是10.6μm)，并且f是反射镜或聚焦透镜的焦距。
因此，为了根据所使用的功率或功率密度确定相应的氮气/氦气混合物，可以利用上述等式从功率密度表示(图1)转换成功率表示(图2)，反之亦然。
在这种情况下，图2从图1的曲线得到，并用于Q-因数为4，焦距为200mm且在聚焦反射镜上的光束直径为28mm(的情况)。
因此，在(功率为)6KW，使用焦距为200mm(的聚焦反射镜)时，对于Q-因数为4且在聚焦反射镜上的直径为200mm的激光，可以使用包含各50％体积的(氮气和氦气)成分的氮气/氦气混合物。
因此，本发明是基于这一事实，即根据所使用的激光功率或功率密度调节或调整N2/He气体混合物，以便在不产生保护气体等离子体或产生尽可能少的等离子体的情况下获得高质量的焊接并减少成本。
根据本发明，(氮气和氦气)成分在气体混合物中的比例可以根据体积、摩尔或质量比例进行调整；但是，由于其执行较为简便，因此优选体积调整。
在这一基础上，本发明可以通过在瓶体中，也就是说以包装的形式生成一系列在氮气中具有的可变的氦气含量的气体混合物而完成，该氦气含量根据激光功率或功率密度而调节。
例如，下表给出分别适于三个为完成本发明所推荐的激光功率密度范围的三种不同的N2/He混合物。
根据情况不同，本发明还可以在焊接开始之前由操作者直接在现场使用，例如以一个氦气和氮气源，和最适于所使用的激光的功率密度或功率的N2/He气体混合物为基础，并根据以上所附图表的说明(进行使用)。
作为选择，所需的N2/He混合物也可以通过根据所使用的激光的功率或功率密度自动控制一气体混合器，以及通过使用作为校准曲线的以上所附图表的曲线而获得。
本发明的激光焊接方法尤其适用于焊接由铝或铝合金，不锈钢或低碳钢制成的工件。
本发明的激光焊接方法可以用于焊接在0.1mm和300mm之间的相同或不同厚度范围的工件。
权利要求
1.一种采用一包含氮气和氦气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中根据所述激光束的功率或功率密度选择或调整氮气和/或氦气在所述气体混合物中的比例，当该激光功率或功率密度增加时氦气在该气体混合物中的比例增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该激光功率在0.5KW和30KW之间，优选在5KW和20KW之间。
3.根据权利要求1和2中任何一项所述的方法，其特征在于，该保护气体混合物由氮气和氦气组成。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的方法，其特征在于，该气体混合物通过混合规定数量的氮气和氦气而现场产生。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的方法，其特征在于，该气体混合物通过一受所采用的该激光功率或功率密度的控制以便混合规定数量的氮气和氦气的气体混合器系统而产生。
6.根据权利要求1到5中任何一项所述的方法，其特征在于，该气体混合物包含体积比为30％到80％的氦气，其余为氮气和可能不可避免的杂质。
7.一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中根据所述激光束的功率或功率密度选择或调整在所述气体混合物中氦气相对于氮气的比例从而在焊接期间避免在该保护气体中形成等离子体或使在该保护气体中形成的等离子体最少。
8.一种采用一包含氯气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中氦气在所述气体混合物中的体积比是-对于0.5KW和4KW之间的激光束功率该体积比在1和30％之间；-对于4KW和8KW之间的激光束功率该体积比在30和50％之间；-对于8KW和12KW之间的激光束功率该体积比在50和70％之间。
9.一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中氦气在所述气体混合物中的体积比是-对于500KW/cm2和2000KW/cm2之间的激光束功率密度该体积比在1和30％之间；-对于2000KW/cm2和4000KW/cm2之间的激光束功率密度该体积比在30和50％之间；和/或-对于4000KW/cm2和10000KW/cm2之间的激光束功率密度该体积比在50和70％之间。
10.根据权利要求1到9中任何一项所述的方法，其特征在于，氦气和氮气来自一其中该氦气和氮气以需要的比例预混合的单一的气体源。
11.一种采用一包含氮气和氯气的保护气体混合物的激光束焊接装置，该装置包括-至少一个氮气源；-至少一个氦气源；-使来自该氮气源的氮气与来自该氦气源的氯气相混合的气体混合装置；-一产生激光功率至少为0.5KW的激光束的激光发生器装置；以及-与所述气体混合装置相配合以便根据由该激光装置产生的激光功率调整氮气和/或氯气的比例的调节装置。
12.一种采用一包含氦气和氮气的保护气体混合物的激光束焊接方法，其中作为该功率密度的一个函数的氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下28×ln(ΦP)-207≤％He≤32.3×ln(ΦP)-207其中-ln(ΦP)代表以KW/cm2表示的该功率密度的自然对数；且-％He代表氦气在该气体混合物的氮气中的体积百分比。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，作为该功率密度的一个函数的氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下28.5×ln(ΦP)-207≤％He≤31.5×ln(ΦP)-207。
14.根据权利要求12和13中任何一项所述的方法，其特征在于，作为该功率密度的一个函数的氦气在所述气体混合物中的体积比(％He)如下29×ln(ΦP)-207≤％He≤31×ln(ΦP)-207。
全文摘要
本发明涉及一种使用一包含氮气和氦气的保护气体混合物的激光焊接方法和装置。氮气和/和氦气在所述气体混合物中的比例根据激光束的功率或功率密度而选择或调整。该激光功率包括在0.5kW和30kW之间，且优选在5kW和20kW之间。该保护气体混合物包含氮气和/或氦气，且优选该气体混合物包含体积比在30％和80％之间的氦气，其余为氮气和可能不可避免的杂质。
文档编号B23K26/12GK1612792SQ02826939
公开日2005年5月4日 申请日期2002年12月4日 优先权日2002年1月11日
发明者F·白里安, K·舒弗, P·勒菲弗 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司