具有金属蒸气毛细管形成控制的激光束焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种利用激光束焊接至少一个金属工件、优选相互焊接两个金属工件的方法，该方法包括：使用激光束（１０）、第一气体流、以及设有激光束和第一气体流从中通过的出口孔的焊接喷嘴；以及通过在待焊接的工件上在激光束的作用点处熔化所述工件的金属来焊接所述工件，同时形成被金属蒸气填充的毛细管（１１）或孔隙（１２）。在焊接过程中，仅沿垂直于待焊接的工件的方向将第一气体流引导至金属蒸气毛细管的开口，以产生气体动压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种激光焊接方法，其中在焊接过程中熔池的流体动力学 性质由于集中于在激光束作用点处形成的毛细管上的气流而受到控制。
技术介绍
在激光束焊接中，在两工件之间形成焊缝是基于材料在激光束作用点 处的熔化和蒸发现象。对于足够高的比功率密度、即几MW/cm2，在材料中形成充满金属蒸 气的毛细管或孔隙，它们使得能量能直接传递到材料的核心部分。毛细管壁由熔化的金属形成，并由于利用内部蒸气建立起的动力学平 衡而得以维持。根据运动而定，该熔化的金属在毛细管周围经过，并在其 后面形成"熔池"。在不断运动的熔池的核心部分中存在所述空腔是引发多数可能会使得 到的焊接质量下降的缺陷的不稳定性的起因。事实上，借助于相机观察焊接点可观察到，在焊接熔池与喷出的蒸气 相接触的表面上逐步形成很大的不稳定性，从而形成"波，，。从毛细管喷 出的金属蒸气也不时地携带有液态金属滴。熔池有时会在其自身重力作用 下塌陷，并暂时阻断毛细管，从而导致很大的不稳定性。因此，当出现多孔结构并使得到的焊缝变薄时，焊接表面外观常非常 粗糙且参差不齐。换句话说，所得到的焊缝质量很差。在Kamimuki等人的文献"P^evewftVmw似/wg siV/e g"s朋</ /to附ofi/tof/"g附C/rofif i" 而ve ^/W: E4( /flser w/必"g " (J. ofLaser Appl.， 14(3)， p.136-145, 2002)中解释说，经由独自定位在孔隙后 面的具有小直径的常规的圆柱形喷嘴喷出的横向气体射流有时能减少焊缝 中的焊渣和多孔结构。但是，该方案的主要问题在于很难定位喷嘴。事实上，如果气体射流 的压力略微过高或相对于毛细管后面偏移几亳米就足以封闭毛细管并增加 熔池中的不稳定性，从而导致与所希望的相反的结果。此外，利用这种喷嘴只能沿一个方向进行焊接，这在根据待焊接的工 件的复杂性而定的必须能够沿多个方向进行焊接的工业条件下不太实用。另夕卜，文献JP陽A-61229491、 JP-A暢04313485和US-A-4684779提出利 用辅助气体的激光焊接方法。将一股或多股气流送向待焊接的工件以清除 焊接区域中在环境大气中可见的气体杂质。换句话说，在这些文献中，气 流在低压下,皮输送，且仅用于建立遮护焊接区域的气体环境。这些方法并不能使所得到的焊缝的质量得以提高，因为气流只在焊接 熔池上施加压力，迫使熔化的金属朝向毛细管，从而导致毛细管不稳定或 非常容易导致毛细管被阻断。因此引发的问题在于改进现有的激光焊接方法，使得能够提高焊缝质 量并同时避免上述有害现象。本专利技术的解决方案还必须能够在工业条件下应用，也就是说，它必须 结构简单且在4吏用上具有很大的灵活性、尤其是不局限于一个焊接方向。
技术实现思路
本专利技术的解决方案是至少 一个金属工件、优选为两个金属工件相互之 间的激光束焊接方法，其中a)使用激光束、第一气体流和装备有出口孔的焊接喷嘴，所述激光 束和第一气体流通过所述出口孔；以及b )通过在待焊接的工件上在激光束的作用点处熔化待焊接的工件的金 属来焊接所述工件，同时形成被金属蒸气填充的毛细管或孔隙。根据本专利技术，在焊接过程中，仅朝向金属蒸气毛细管开口和沿垂直于待焊接的工件的方向引导第一气体流，以向那里施加气体动压力并保持孔 隙敞开，同时使其变宽。在本专利技术中，在待焊接的金属板的表面可见、且金属蒸气通过其中逸出的毛细管区域被称为"金属蒸气毛细管(或孔隙)开口"。这样，图5 示出在利用激光束10进行焊接的过程中焊接区域的纵剖面。该图 一方面突 出显示了金属蒸气12通过其中逸出的毛细管11,另一方面突出显示了在 后面13形成熔池的金属液体壁面14。箭头表示焊接方向S。 才艮据情况，本专利技术的方法可包括以下特征中的一个或多个 -第一气体流用于向蒸气毛细管的开口施加持续不变的气体动压力； -第一气体流用于稳定熔化金属的熔池的流动； -还使用围绕第一气体流的外围分布的第二保护气体流； -还使用围绕激光束的轴线且与第一气体流同轴分布的第二保护气体流；-第一气体的流量约为10-20 1/min，第二气体的流量约为20-30 !/min;-所述喷嘴是同轴喷嘴；-所述第一气体和第二气体选自氩气、氦气、氮气及其混合物，并可 能含有较小份额的C02、氧气或氢气；-所述激光束由Nd: YAG激光发生器、掺镱光纤激光发生器或C02 激光发生器产生；-所述焊接喷嘴由机械手支承；-待焊接的金属工件由涂层或未涂层的碳钢、铝或不锈钢制成； -输送第一气体流的焊接喷嘴具有介于0.1和10mi^之间的气体流通 面积；以及國第一气体流的压力介于l和10kPa之间。因此，本专利技术基于使焊接过程中熔池流动稳定一一通过使被引导向或 引导到所述毛细管开口的"快速的"第一气体射流或气流作用在孔隙开口 上来向该位置处施加气体动压力，从而使所述开口形状稳定、或者甚至增 大所述开口，并通过这种方式来解决上述问题。事实上，由于所述动压力，毛细管保持敞开，因为第一气体压力使得 毛细管变宽，而在毛细管中产生的金属蒸气可不受周围熔化金属的熔池的 干扰而逸出。因此发现溅斑的数量明显减少，且液态金属的动力学流动变得更加容 易，从而可改善焊缝的外观和减少焊接中的多孔结构一一 因为金属蒸气不 再或很少被滞留在那里。作为补充，例如在激光焊接中通常使用的、围绕外围设置低流量/流率 下的第二保护气体射流，以通过形成围绕焊接区域的气体保护层或遮护层 来遮护焊接熔池不被氧化。换句话说，本专利技术的解决方案优选利用围绕激光束的轴线对称布置且 -故引导或聚集到孔隙开口上的第一 "快速"稳定气体射流和用于遮护或保 护焊接区域的"慢速的，，第二气体射流。如果所述聚集的气体能具有或获得足够的动能以在孔隙上施加足够的 动压力来保持孔隙敞开，则该聚集的气体可被称为是"快速的"。相反， 所述遮护气体被称为是"慢速的"，因为其必须不能干扰熔池的流动，而 只是防止后者与环境空气中的氧气相接触。快速的第一气体的流量约为10-20 1/min，而慢速的第二遮护气体的流 量约为20-30 1/min。"快速，，气体的流动横截面通常介于0.1和10 mm2 之间。事实上，气体流的直径比喷嘴出口处的激光束的直径仅大零点几毫 米。所述气体流量直接取决于用来获得有效动压力的气体的密度。该压力 的数量级通常为几kPa。因此，对于给定的焊接操作，本领域技术人员将能根据所希望的焊接 条件一一特别是待焊接的材料的类型、可用的气体的种类和所使用的激光 发生器的功率一一经验性地作出对最适合的气体流量的特定的选择。所述气体射流或流动可通过单个"双流动"喷嘴一一即，输送两股彼 此同轴的气流的喷嘴，也称为"同轴"喷嘴，如图1至4所示一一进行输 送。这种原理可扩展到多股、特别是三股同心的气体流。可选择地，所述快速的聚集气体可通过合适布置的多个喷嘴进行输送，例如通过四个具有小直径(通常小于3mm)、且与光束的轴线成20。-450 角、并定位成围绕输送"慢速"气体的常规的环形保护喷嘴的外围均匀分 布的渐缩喷嘴进行输送。应注意，优选地，使用相同的气体作为第一和第二气体流。但是，所 述两气体也可不同。因此，在Nd: YAG激光焊接中，通常使用氩气作为用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
至少一个金属工件、优选为两个金属工件相互之间的激光束焊接方法，其中：　　　　ａ）使用激光束、第一气体流和装备有出口孔的焊接喷嘴，所述激光束和第一气体流经过所述出口孔；以及　　　　ｂ）通过在待焊接的工件上在激光束的作用点处熔化待焊接的工件的金属来焊接所述工件，同时形成被金属蒸气填充的毛细管或孔隙，　　　　其特征在于，在焊接过程中，仅朝向金属蒸气毛细管开口和沿垂直于待焊接的工件的方向引导第一气体流，以向那里施加气体动压力并保持孔隙敞开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：F白里安，E弗娜，S斯里马尼，R法布洛，F科斯特，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，科学研究国家中心，
类型：发明
国别省市：FR[法国]