专利名称：采用光束振荡的激光焊的制作方法
技术领域：
本发明涉及了激光焊，尤其是涉及了采用一个振荡激光束的焊接，以建立一个运动和再填充的孔眼。
背景技术：
通常的焊接包括对接焊、搭接熔透焊、以及搭接填角焊。激光焊是一种连接金属零件的方法，采用一个相干光的聚焦光束来熔化相邻零件，并且使熔化物固化为一条焊缝。虽然激光焊可以产生对接焊，但它们通常不适用于航天、汽车和船舶工业。搭接熔透焊和搭接填角焊的激光焊更难完成。
图1和2描述了搭接熔透焊的激光焊结果，其中把激光束引向零件4和6之间的一个对接面2区域上。沿着对接面2在激光束和组合零件之间实现相对运动。激光束可以使对接面中一部分金属挥发，产生一个被熔化金属10包围的孔眼8。孔眼8随着激光束的运动沿箭头A方向前进。熔化金属10在前进的孔眼8后面固化，以建立零件之间的一条焊缝。
实际上，通过激光焊产生的搭接熔透焊和搭接填角焊是有限制的。例如，在图1和2所示的搭接熔透焊中，非常确定的是，焊缝宽度W应该等于或超过被焊接零件中最薄一个的厚度t。必须控制焊接过程以尽量减少在焊缝中形成气孔，它们是由孔眼的不稳定性和/或低熔点成分(如镁)在高的局部压力下挥发所造成。此外，激光焊比较昂贵。激光束通常在106W/cm2或以上工作；效率规定了在该功率量级上需要至少在80英寸/分钟(ipm)的速率下焊接。如果焊接零件达到0.1英寸厚，有可能在超过120ipm速度下生产所需的0.1英寸焊接宽度W。可以采用散焦光束或双焦光学系统来适当控制气孔的形成。但是，材料愈厚，在仍保持容许的焊接质量和运行速度下，愈难达到所需的焊接宽度。
如果采用激光焊的搭接填角焊，则焊接系统必须适应激光束相对于焊缝边的侧向位置变化，以及零件之间间隙的变化，以便在证明采用更昂贵的激光焊系统为合理的速率下，达到可以与气体金属弧焊(GMAW)造成的焊接层相比的性能。
克服搭接熔透焊和搭接填角焊的激光焊困难问题的一个选择方案是采用光束积分器，聚焦具有较长焦距或散焦光束的光学器件(反射镜或透镜)。但是，为了保证激光和被焊接零件之间可靠和一致的光耦合。以及为了达到在焊缝上的局部熔化，必须增加激光系统的功率输出，以补偿功率密度的减少。具有足够的功率输出，在更平静的导热模式中而不是在孔眼模式中，能够产生加宽的焊缝。与沿着焊接区移动空腔(或孔眼)的后一个模式不同，沿着焊接区移动金属的熔化池来达到导热模式。由于使孔眼内金属的猛烈挥发减到最小，更平静的导热模式能够消除孔眼模式固有的不稳定性。结果是，导热模式在最大程度上减少了激光焊缝中气孔的形成。但是，为了实现这种方法，需要采用很大功率的激光(例如为18KW到25KW，与用途有关)和昂贵的激光发生系统，它使得这种方法对许多工业应用并不实用。
在美国专利号4,369,348中描述了增加激光焊效率的另一种方法，在1000Hz以上频率下振荡激光束。在高于金属热响应时间的频率，设计这个激光的快速运动来分配和时间平均激光的强度。这样，在被焊接金属零件之间对接面上特定位置所承受的时间平均热强度大于无振荡时承受的热强度。但是，在1000Hz以上振荡频率的激光束操作是困难和昂贵的。另外，实现这种方法的唯一途径是在保持连续熔化池的导热模式中进行焊接。
因此，仍需要有一种费用低的、有效的激光焊方法。
发明摘要本发明的方法满足了这种需要，它包括把激光束聚焦在一对金属零件之间的焊接区域上，形成一个连续的熔化池和在其中建立一个孔眼。熔化池是来自每个零件的金属的混合物。同时按照第一方向沿着焊接区移动聚焦光束和按照与第一方向不同的方向相对于熔化池振荡光束，孔眼被连续地运动，并且立即被相邻熔化金属再填充。当孔眼穿透熔化池和熔化了要焊接的零件时，在零件之间的对接面上发生焊接。在聚焦激光附近，熔化池蒸发产生一个孔眼，它随着振荡光束移动。当光束沿着不同于第一方向的一个方向(例如第一方向的横向)振荡时，孔眼振荡通过熔化金属池，并且在孔眼振荡时熔化金属填充孔眼中。这样，连续地产生孔眼，然后被熔化金属再填充，熔化金属固化产生一条焊缝。
焊接可以是搭接穿透焊、对接焊、或搭接填角焊。根据焊接类型、组合的厚度、以及焊接位置，激光束在约5到约120Hz频率上振荡，并且以约5到约400ipm速率沿第一方向前进。这里当提到频率或尺寸范围时，范围包括了所有的中间值，例如对于第一方向的速率，速率可以包括5，6，7，等等直到400ipm。振荡可以是直线形、圆形、椭圆形或其组合，或者是完成一个运动孔眼的任何其他形状。金属零件中较薄的一个可以超过0.1英寸厚。本发明容许激光焊接各种类型的焊缝，具有定制的焊接尺寸(例如在0.25英寸厚零件之间的0.25英寸界面焊接宽度)直到约0.5英寸宽。
附图简述图1是一对金属零件的示意截面图，按照先前技术激光焊接形成一个孔眼；图2是按照先前金属操作的图1所示零件叠层的顶视图；图3是按照本发明方法的激光焊接的一对金属零件透视图；图4是图3所示零件叠层的顶视图；以及图5是沿线5-5所取的图4所示金属零件的示意截面图。
优选实施例详述在本发明的方法中，如钢或铝合金的金属零件均激光焊接在一起。如图3所示，辐射线20(如激光束)聚焦在一对金属零件24和26之间的对接面22上。图3的金属零件24和26相互叠合形成搭接熔透焊。这并不意味着受到限制；按照本发明的方法可以产生其他焊接，如对接焊和搭接填角焊。激光束20沿着箭头A的方向运行，它可以跟随一条直线路径或其他形状的路径。箭头A的路径确定了零件24和26之间焊接的位置。
当激光束20沿着箭头A方向运行时，激光束20还沿着双箭头B的方向振荡。双箭头B与箭头A成一个角度，例如为箭头A方向的横向。在图3中，激光束20表示为沿着垂直于箭头A的一条直线路径振荡，但这并不意味着受到限制。激光束20可以沿其他路径运行，例如圆形、椭圆形、正弦曲线等。在聚焦激光束20附近，如图4和5所示，零件24和26的金属蒸发产生一个被熔化金属30包围的孔眼28。激光束20的振荡使得孔眼28被熔化金属30填充，并且在它附近再形成一个新的孔眼28。当孔眼28从一个位置到另一个位置跨过箭头A路径连续运动并且空出它在熔化金属池30中的先前位置时，被空出的孔眼28被填充，并且再形成一个新的孔眼28。这个过程看起来像孔眼横向通过熔化金属30的运动，熔化金属30作用为连续“愈合”空出的孔眼28。这样，产生具有宽度W1的一条焊缝，它明显比先前技术的焊缝宽。例如，当搭接熔透焊接时，本发明方法提供了这样的焊接，其焊缝具有的界面宽度等于或大于被焊接的较薄零件的厚度。采用这种方法产生的焊缝通常为采用常规方法产生的激光束焊缝宽度的两倍到五倍。在生产较厚零件，例如大于0.1英寸直到0.25英寸厚的零件时，较宽焊缝特别有用。
激光束20的适当振荡频率为约5到约120Hz，可以为约10Hz。激光束可以在约5到约400ipm，或者约40到约200ipm，或者约80ipm的速率沿着对接面前进。
在某些例子中，包括一个填充材料源，例如一条填充丝可能是有用的。填充材料可以在焊接期间添加，可以是直径约0.030和0.062英寸之间的丝的形式，或者是粉末。填充材料可以采用既定工程原理根据需要的焊缝属性所选择的合金。填充材料可以添加到熔化池的前面或后面，通常与水平面，即与上面零件的平面偏置一个30到60度的角度。也可以利用处理的气体来保护熔化池，并且再引导蒸发的金属从光束和材料相互作用区离开，它通常称为等离子体抑制气体。气体通常提供在焊接池之前，通过一个喷管在与水平面偏置30到60度的角度被引导到池的后面。
实例在一对0.196英寸厚的包铝合金6013-T6板之间产生一条搭接熔透激光焊缝，具有350送进角和90ipm丝送进速率的0.045英寸直径的合金4047填充丝，采用10KW功率的CO2激光(110立方英尺/小时流率的氦作为从运动前端作用的等离子抑制气体)，在80ipm下运行，聚焦在叠合板顶面之下0.25英寸。激光沿着焊接方向的横向，以400ipm、0.25英寸总振荡宽度(即0.125英寸中心到中心)作直线振荡。最终的界面焊接宽度稍大于0.22英寸。
已经描述了本发明的优选实施例，应该理解到，可以在所附权利要求的范围内按其他方式来具体体现本发明。
权利要求
1.一种把金属零件焊接在一起的方法，包括的步骤为沿着一对金属零件之间的对接面按照第一方向运动一个激光束，使得在激光束附近，来自每个零件的金属熔化和蒸发，产生在一个熔化金属池中的一个孔眼；以及按照与第一方向不同的一个方向振荡激光束，使得孔眼振荡通过熔化金属池，并且当孔眼位置改变时熔化金属填入孔眼。
2.如权利要求1的方法，其中激光沿着第一方向的横向振荡。
3.如权利要求1的方法，其中焊接是搭接熔透焊。
4.如权利要求1的方法，其中焊接是对接焊。
5.如权利要求1的方法，其中焊接是搭接填角焊。
6.如权利要求1的方法，其中金属零件每一个由铝合金组成。
7.如权利要求1的方法，其中激光束在约5到约120Hz的频率下振荡。
8.如权利要求7的方法，其中激光束沿着对接面，以约5到约400英寸/分钟的速率前进。
9.如权利要求7的方法，其中焊缝宽度为约0.1英寸以上到约0.25英寸。
10.如权利要求1的方法，其中激光束以直线路径振荡。
11.如权利要求1的方法，其中激光束以圆形路径、椭圆形路径、或者两者路径振荡。
12.权利要求3的方法，其中金属零件的较薄一个的厚度为约0.1英寸以上。
全文摘要
把金属零件焊接在一起的一种方法，包括沿着一对金属零件(24，26)之间的对接面(22)按照第一方向(A)运动一个激光束(20)，使得在聚焦激光束(20)附近，来自每个零件的金属蒸发，产生在一个熔化金属池(30)中的一个孔眼(28)。按照与第一方向不同的一个方向(B)(例如为其横向)振荡激光束(20)，使得孔眼(28)振荡通过熔化金属池(30)，当孔眼(28)位置改变时熔化金属填充到孔眼(28)中。
文档编号B23K26/24GK1662340SQ03814892
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月22日 优先权日2002年5月24日
发明者伊斯里尔·斯托尔, 理查德·P·马图卡尼茨 申请人:阿尔科公司, 宾西法尼亚州研究基金会