激光压焊的制作方法

本发明涉及一种将具有第一连接表面的第一金属坯件和具有第二连接表面的第二金属坯件相连接的方法，以及一个用于实施该方法的设备和一个通过该方法制造的工件。

背景技术：

de102008014934a1公开了一种将具有第一连接表面的第一金属坯件和具有第二连接表面的第二金属坯件相连接的方法，在此方法中两个连接表面通过磁场作用被加热至两个金属坯件的重结晶温度和熔融温度之间的一个温度，然后相互被压紧，直到两个坯件的连接表面冷却至低于重结晶温度。

技术实现要素：

本发明的目的是改进该已知方法。

根据本发明的一个方面，一种方法用于连接第一金属坯件和第二金属坯件，第一金属坯件具有第一连接部分及其第一连接表面，第二金属坯件具有第二连接部分及其第二连接表面，包括如下步骤：

-用激光照射第一坯件的第一连接部分，使第一连接表面加热至一个温度，该温度位于第一坯件的重结晶温度和熔融温度之间；

-用激光照射第二坯件的第二连接部分，将第二连接表面加热至一个温度，该温度位于第二坯件的重结晶温度和熔融温度之间，以及将第一坯件的第一连接表面紧压在第二坯件的第二连接表面上，直至坯件的连接表面冷却至低于其重结晶温度。

上述已知技术中，两个坯件的连接表面在通过磁场作用被加热时，因磁场的相互影响，两个坯件的连接表面所使用的材料无法互无关联地任意选择。因此，借助于磁场作用进行压焊时，两个坯件必须为具有基本相同的重结晶温度和熔融温度的材料。同样的问题在借助于摩擦加热进行的压焊中更加突出，因为两个坯件的连接表面通过相互摩擦被加热，所以两个坯件的温度无法相互任意调整。上述两种方法的另一个缺点是连接表面受几何形状的限制。至少在通过摩擦加热进行焊接时，连接表面必须是封闭的且尽量为平面，尤其不能位于坯件的凹槽中，否则根本无法在连接表面处加热坯件。

本发明的基本理念是，在压焊过程中使用激光进行加热来代替传统的压焊方法。这样，无论坯件的连接表面具有何种轮廓，都可以被加热，因为激光像一支笔，可以到达凹面和部分破碎的轮廓。两个坯件的连接表面上的能量输入也可以通过激光互不影响分别调节。因此，此方法可以将具有完全不同重结晶温度的金属坯件互相连接，例如重结晶温度为150℃的铝和重结晶温度为600℃的镍。这用常规的压焊方法是无法实现的。

连接部分除连接表面以外，还可以包括坯件的其它表面，通过激光光束照射其上使连接部分被加热。前提条件是被照射的表面要尽量靠近连接表面，以确保其热能可以传递到连接表面上。因此，连接表面可以通过激光照射直接被加热或通过激光照射其相邻表面而间接被加热。

原则上可用同一个激光光束加热两个坯件的连接部分。然而，为尽可能降低两个坯件在连接表面上因冷却而产生的能量损失，每个连接部分应使用各自的激光光束进行照射。

使用第二激光首先考虑因而产生的更高的设备成本，但通过两个激光光束的并行工作，可降低因冷却而导致的能量损耗，随着时间的推移，所节省的能量损耗也是可观的。

根据本发明的一个改进方案，第一连接表面和第二连接表面被相应的第一激光和第二激光照射时两个连接表面的面法线方向相对。通过此种布置，两个坯件被加热至高于重结晶温度之后不需要先转向相对，这不仅可以省去转向所需的执行器，还可避免因转向移动而产生的冷却时间的加长，从而可以进一步降低能量成本。

根据本发明的一个特别改进方案，激光照射相应连接表面时与其面法线成一定角度。该加热过程中，两个连接表面同轴，加热完成之后仅需在该轴上相对移动来实现互相挤压。由此，缩短为实现相互挤压而所需的两个坯件的移动路径，从而因冷却而产生的能量损失降到最小。

根据本发明的另一个改进方案，激光照射加热第一和/或第二坯件的连接部分时在相应的连接部分上沿一条曲线路径移动，以设定的激光强度照射相应的连接表面。通过这种方式，相应的连接部分如同被一支笔涂色一样，被激光有效地加热至压焊所须的工作温度。

在此，激光不只一次，而是以一定叠加频率周期性地沿曲线移动。从而避免激光光束在相应连接部分上局部停留时间过长，导致相应的坯件局部受热过多至熔融温度以上而损坏坯件。

上述叠加频率的选择应满足，在相应连接部分曲线上的任何点，在激光照射期间的能量增加大于激光在照射曲线其余部分时因冷却而造成的能量损失。以此可保证能量增加总值足以将相应的连接部分加热至高于重结晶温度的一个温度。

上述工艺特征涉及两个当中一个坯件的连接部分，但由于进行压焊需要将两个连接部分的连接表面都加热至高于重结晶温度的一个温度，所以上述工艺特征同样适用于另一个坯件的连接部分。如果两个坯件的材料不同，则需要在工艺步骤中选择不同的参数，例如叠加频率和/或相应激光光束的强度和/或其它参数。

根据本发明的另一个方面，设计制造一种设备用以实施上述工艺过程之一。该设备包括一个用于夹持第一坯件的第一夹头，一个用于夹持第二坯件的第二夹头，一个激光发射仪器，用激光加热第一坯件的第一连接表面和第二坯件的第二连接表面，以及一个施压设备，用以挟持连接表面处被加热的两个坯件在连接表面处进行相互挤压。

根据本发明的另一个方面，涉及一个工件，该工件包括一个由第一材料制成的具有第一连接表面的第一坯件，一个与第一材料不同的第二材料制成的具有第二连接表面的第二坯件，其特征在于，第一连接表面和第二连接表面通过上述的方法之一实现相互连接。

一个可能的工件是一个钻头，其中第一坯件为钻顶，第二坯件为钻头螺纹。钻头螺纹和钻顶不仅可以通过完全不同的制造工艺各自批量生产然后再互相连接，而且在材料的选择上不受限。例如，制造钻顶可选择非常硬的烧结材料，而钻头螺纹则可选择适合简单切削加工的材料。

附图说明

如下将借助实施例及其参照附图详细阐述上述本发明的特性、特点、优点及其实现方式方法。其中：

图1是一个生产线的示意图，

图2是一个图1所示生产线中一个以激光压焊机为实施例的机床的透视图，

图3是图2所示激光压焊机的放大图，

图4a是根据图2和图3中所示激光压焊机的第一实施例的工作流程示意图，

图4b是图2和图3所示激光压焊机中一个激光在坯件上的路径示意图，

图4c是图4b所示坯件能量随时间的变化图解，

图5a是根据图2和图3中所示激光压焊机的第二实施例的工作流程示意图，

图5b是根据图2和图3中所示激光压焊机的第三实施例的工作流程示意图，

图6a是根据图2和图3中所示激光压焊机的第四实施例的工作流程示意图，

图6b是根据图2和图3中所示激光压焊机的第五实施例的工作流程示意图，

图7a是一个工件的第一坯件的正面图，

图7b是一个可用图2和图3所示激光压焊机制造的工件的截面侧视图，图中包含图7a所示的第一坯件，

图7c是图7b所示工件的第二坯件的正面图，

图8是可用图2和图3所示激光压焊机制造的另一种工件。

在附图中，相同的技术要素用相同的参照符号标注并只被描述一次,附图仅为示意图而并不给出真实的几何比例。

具体实施方式

图1是一个生产线1的示意图。在生产线1中坯件用工具加工成成品，对该成品如下未作详细说明。

生产线1包括一个用于存放坯件的坯件存储仓2和一个用于存放工具的工具存储仓3。坯件存储仓2和工具存储仓3各配有一个机械手4，可分别夹取相应的坯件或工具放入准备站5的托盘6。托盘存储仓7中备有足够数量的托盘6。

装有坯件或工具的托盘6可以通过一个传送带8传送至由若干机床10组成的机床队列9。这些机床10共同执行一个生产过程，通过这个生产过程完成上述作业，即用坯件和工具装配出工件，对该工件不做详细描述。

机床队列9中的每个机床10执行生产过程的一个或多个中间步骤。机械手4从托盘6抓取坯件和/或工具，机床10将其装配，以此执行相应中间步骤。中间步骤完成之后或者只要一个工具不再被需要，机械手4就将半成品或成品或者不再被需要的工具放回相应的托盘6，继续送往下一个机床10以执行下一个中间步骤或者送回坯件存储仓2或工具存储仓3。为明确区分两个术语“坯件”和“工件”，“坯件”被定义为送至机床1510的待加工的材料，它可以是出自坯件存储仓2的坯件，也可以是出自前一中间步骤中出自其它机床的半成品。“工件”被定义为经一个机床10加工出来的坯件。因此，离开一个机床10的工件可以是另一个机床10的坯件。

一个图中未示出的控制站借助机械手4和托盘6可以协调原料的传送。

图2和图3示出了图1所示生产线中一个以激光压焊机为实施例的机床10的透视图。

激光压焊机10包括一个机架12，其由底座13支撑。图2中并非示出所有底座13。在机架12上支撑有一个可由马达驱动的虎钳14以及第一支架15a和第二支架15b。为了方便进一步的说明，定义激光压焊机10位于具有x-方向16，y-方向17和z-方向18的空间里。

虎钳14包括一个位置固定的第一锚定构件19和一个与之沿x-方向间隔一定距离且位置固定的第二锚定构件20。在这两个位置固定的锚定构件19,20之间夹有四根导杆21，为了图示清晰，不是所有的导杆都在图2和图3中附有参照符号。在两个位置固定的锚定构件19,20之间的导杆上可滑动地安装有滑床22，滑床22由一个马达23驱动，经一个螺杆24在两个位置固定的锚定构件19,20之间在x-方向16上来回移动，该螺杆24通过一个未在图中示出的内螺纹导入位置固定的第二锚定构件20。借助于虎钳14，上述坯件可在x-方向16上被相互挤压。

此外，在第一锚定构件19上，面向滑床22安装有一个带有第一夹头26的第一支承板25。以相同的方式，在滑床22上，面向第一锚定构件19安装有一个带有第二夹头28的第二支承板27。每个夹头26,28可以用已知的方式各夹持一个坯件，该两个坯件在马达23的驱动下在x-方向16被相互挤压。

两个支架15a，15b可沿第一导轨29和第二导轨30在x-方向16上行驶，沿y-方向17可见，第二导轨30位于第一导轨29的后方。每个支架15a,15b都分别在各自的马达31的驱动下，利用各自的螺杆32，沿导轨29,30在x-方向16上来回移动。

每个支架15a,15b分别拥有一个滑动系统33，其上各安装有一个可在z-方向18上移动的摆臂34。每个摆臂34都可借助于一个驱动系统在z-方向18上移动，该驱动系统在图2和图3中不可见。滑动系统33的详细工作原理与本发明的实施原理无关联性，在此不作进一步描述。第一支架15a的摆臂34上安装有一个第一激光设备的第一光学扫描仪35(未在图2和图3中做完整图示)。相应地，第二支架15b的摆臂34上安装有一个第二激光设备的第二光学扫描仪36(未在图2和图3中做完整图示)。摆臂34可分别带动各自的光学扫描仪35,36以y-方向17为摆动轴进行摆动。摆臂34各由一个图2和图3中并未示出的驱动系统驱动进行摆动。

如下将具体描述光学扫描仪35,36。为清晰起见，只有图3中的光学扫描仪35,36附有参照符号。每个光学扫描仪35,36都具有一个在图2和图3中用截断示出的激光光缆37，由其为相应的光学扫描仪35,36提供激光38。激光38经过准直仪39准直成为平行光束，再经偏转镜40导入光束引导装置41。该第一光学扫描仪35的光束引导装置41输出由激光38产生的第一激光42，而第二光学扫描仪36的光束引导装置41输出由激光38产生的第二激光43。通过光学扫描仪35,36各自的光束引导装置41所输出的相应的激光42,43借助于可调节的反射镜和镜头(未在图中示出)在一个扫描范围44中的任意一点聚焦。聚焦的具体工作方式已知，在此不做详细描述。

借助于第一支架15a的滑动系统33和摆臂34可以使第一光学扫描仪35大致对准第二夹头28。一个夹持于第二夹头28中的坯件在其面向第一夹头26的一个部位可被从第一光学扫描仪35输出的第一激光42加热至高于其重结晶温度。相应地，借助于第二支架15b的滑动系统33和摆臂34可以使第二光学扫描仪36大致对准第一夹头26。同样，一个夹持于第一夹头26中的坯件，在其面向第二夹头28的一个部位可被从第二光学扫描仪36输出的第二激光43加热至高于其重结晶温度。最后，两个坯件已被加热的部位可借助于虎钳14被互相压紧焊接。图2和图3中使用两个光学扫描仪35,36是一个技术成本特别低的实施方式。出于成本的考虑也可以单独使用第一支架15a和第一光学扫描仪35。

如上基本描述了激光压焊机10的操作，如下将参照图4a做更详细的描述。图4a中非常具体地示出了夹持在第一夹头26中的第一坯件45和夹持在第二夹头28中的第二坯件46。在图4a所示连接两个坯件45,46的压焊方法中，两个激光42,43在工作时互相交叉。也就是说，第一激光42加热第二坯件46，同时第二激光43加热第一坯件45。第一坯件45具有第一连接部位47'及其第一连接表面47，第二坯件46具有第二连接部位48'及其第二连接表面48。图4a中，两个坯件45,46的两个连接表面47，48被直接加热，并通过压力结合在一起。

为加热连接表面47,48，先将第一光学扫描仪35和第二光学扫描仪36分别相应对准第二坯件46和第一坯件45。对准的目的是为使每个光学扫描仪35,36各自的扫描范围44不相叠且不会照射到坯件46,45不该被照射的部位，从而避免坯件45,46分别将射向对方的激光光束42,43遮挡住。图4a中用虚线部分和带撇号的参照符号示出了光学扫描仪35，36所处的一个位置，在该位置上，坯件45,46彼此挡住了在光学扫描仪35,36的部分扫描范围44。

完成光学扫描仪35,36的定位之后，开始照射过程。此时，对准坯件45,46的光学扫描仪36,35以相应的激光43,42交叉照射坯件的连接表面47,48，由此将坯件45,46的连接表面47,48加热至高于其重结晶温度。重结晶温度取决于材料本身。例如，根据合金成分和结构的不同，钢的重结晶温度约为600℃至700℃。加热不可超过坯件45,46各自的熔融温度，否则坯件45,46可能会被局部损坏从而影响压焊过程。

为在坯件45,46的连接表面47,48平面均匀地进行加热，光学扫描仪35,36带动激光42,43在扫描范围44内在连接表面47,48上曲线移动。也就是说，激光42,43分别相对于连接表面47,48进行相对移动。为实现这种相对移动，也可以移动坯件45,46，如图4a所示，坯件45,46围绕转轴63做旋转运动62。为实现坯件45,46的此种运动，图2和图3中激光压焊机10的虎钳14将作相应的调整。

图4b示出了一个螺旋曲线49作为上述曲线运动途径的一个示例。该螺旋曲线由第二激光43在第一坯件45的连接表面47上扫描或绘制形成。照射在第一连接表面47上的第二激光43逐点加热第一连接表面47。通过第二光学扫描仪36带动的第二激光43的移动，逐点加热沿螺旋曲线49进行。

如下具体分析第一连接表面47上的一个局部点50的被加热情况。第二激光43对该特定点50的加热可分为两个阶段，如下参照图4c做进一步说明。图4c示出了在点50的热能51随时间52的变化图解。为显示与点50的关联，该图解用参照符号50‘标记。

当第二激光43照射到第一连接表面47上的被加热点50时，处于加热阶段53里的第一连接表面47上的被加热点50通过一个热能51的热增加54(也可称作能量增加54)被加热。图4c示出了三个加热阶段53。也就是说，第二激光43三次照射到该被加热点50，即沿着螺旋曲线49进行了三次扫描。热能51的热增加54在图4c中仅在第一加热阶段53标注了参照符号。当第二激光43照射在螺旋曲线49上除被加热点50以外的其他点时，被加热点50处于冷却阶段55而开始被冷却，这将导致被加热点50上的热能51出现热损失56(也可称作能量损失56)。为有效地加热被加热点50，第二激光43沿螺旋曲线49做一次完整扫描时，热能51的热增加54和热能51的热损失56之间的能量差值57须为正值。只有这样才能在整个第一连接表面47上达到有效加热，如图4c中用加粗的虚线箭头和参照符号58标注。

一个加热阶段53与一个冷却阶段55的总持续时间如下被称为能量叠加持续时间59。叠加持续时间时间59的倒数被称为叠加频率，其表示第二激光43沿着螺旋曲线49移动的快慢。所有加热阶段53与所有冷却阶段55的总持续时间如下被称为加热时间60。

当第一连接表面47上螺旋曲线49上的所有点都具有可达到高于第一坯件45的重结晶温度的热能51时，加热时间60就足够了。第二连接表面48的加温或加热方式与第一连接表面47相同。

当坯件的连接表面被加热至高于重结晶温度以上，坯件借助于虎钳14被相互挤压，直到坯件冷却至重结晶温度一下。此时在两个坯件45,46的连接部位可能会形成毛边61，其可通过例如切削加工的除去。

两个坯件45,46相互机械连接之后，可被从虎钳14上取下，继续被加工，例如被送入生产线1中进一步加工。

图5a示出了对坯件45,46的连接表面47,48进行加热的另一种实施方式。为清晰起见，图5a中不是所有要素都附有参照符号。在图5a的实施例中，可选择省去两个光学扫描仪35,36中的一个，如图中用括号64加注第一光学扫描仪35。

首先就第一光学扫描仪35加热第一坯件45，而第二光学扫描仪36加热第二坯件46的工作方式加以解释。

在图5a的实施例中，第一激光42和第二激光43并不直接照射连接表面47,48，而是通过坯件的侧表面间接照射到第一连接部分47‘和第二连接部分48‘。从旋转轴63可见，两个激光42,43分别径向向内对准第一坯件45和第二坯件46侧表面的相应部分。与图4a不同，激光42,43不再是交叉照射坯件46,47。

因此，图5a中，连接表面47,48不是直接通过激光42,43的照射被加热。更确切地说是通过第一激光42照射第一坯件45的第一连接部分47'的侧表面，间接加热第一连接表面47至高于重结晶温度。以相同的方式，第二激光43间接照射第二连接表面48加热至高于重结晶温度，如图5a所示，该工作进程的结束可用与图4a所示相同的方式。

为省去用括号64加注的第一光学扫描仪35，第二光学扫描仪36可布置在在第一连接部分47'和第二连接部分48‘之间，第二激光43可在其间来回摆动。该摆动模式在图5a中用虚线加注，即对准第一连接部分47‘的第二激光43。

图5b中示出,即使两个坯件45,46的旋转轴63不在一条直线上，两个坯件45,46的连接部分47‘，48‘也可以被加热。为完成坯件45,46的相互挤压进程，必须将其在一条共同的线上对准施压，而该操作无法简单使用虎钳14来实现，确切地说，必须选择一种执行器，其能够在相互挤压之前先将两个坯件45,46放置于一条轴线上。该执行器在图5b中用参照符号14‘标注。

图6a和图6b示出了加热坯件45,46的连接部分47‘,48‘的另一种实施例。坯件45,46各自的旋转轴63互成角度。此实施例中，为实现坯件45,46的相互挤压，同样必须先将其放置于一条轴线上。除了在图5a中所提到的用于移动第二坯件46的执行器14‘，还应加一个用于移动第一坯件45的驱动器14“，以提高效率。

如下将参照图7a至图7c更详细地说明激光压焊机10的优点。图中示出了两个虚拟坯件45,46，其可以通过前述的压焊方法毫无问题地被互相连接。而用常规的压焊方法是无法连接这两个坯件45,46的。

第一坯件45的正面具有一个凹槽65，凹槽底面66上布有四个凸起67。第一坯件45的第一连接表面47分布在这四个凸起67上。该四个凸起在径向外侧被第一坯件45侧壁68包围。

第二坯件46的正面具有一个凸起69，其顶端66上同样布有四个凸起67。第二坯件46的第二连接表面48就分布在这四个凸起67上。第一坯件45和第二坯件46的凸起67成一定分布，使得当凸起69沿轴向插入凹槽65时，这些凸起可相互对准,从而实现相互压紧。

利用电磁场作用的压焊工艺中，由于侧壁68对电磁场的屏蔽作用，凹槽65中的连接表面47无法被加热。利用摩擦热进行操作的压焊工艺，受结构限制，所有的连接表面47,48都无法被加热。

而利用激光光束42,43进行加热则毫无问题，因为其不仅可以射入凹槽65，还可以分别加热单个连接表面。上述利用激光照射加热连接表面47,48的压焊方法，对坯件45,46的结构和材料都没有任何限制。

上述利用激光光束42,43加热连接表面47,48的压焊方法可用于许多应用领域，如图8示出了一个钻头70的原理示意图。

钻头70包括一个钻顶作为第一坯件45和一个钻头螺纹作为第二坯件46。由于钻顶45和钻头螺纹46具有原则上不同的外形要求，所以通常所用材料也不同。

对于这种情况，利用激光42,43加热连接表面47,48的上述压焊方法非常适合。因为激光42,43互不影响，两个连接表面47,48的加热过程又相互独立，可以实现将两种具有完全不同的重结晶温度的材料互相连接在一起。比如钻顶45可由烧结硬质材料制成，而钻头螺纹46可由软钢制成。此种连接无法用传统的压焊方法实现。