專利名稱：用其含量依據(jù)激光功率進(jìn)行控制的n的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用由氮?dú)夂秃獬杀壤M成的氣體混合物的激光束焊接方法，該比例根據(jù)所使用的激光裝置的功率或功率密度調(diào)整或調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)中，已知使用一束激光切割或焊接一個(gè)或多個(gè)金屬工件。在這個(gè)方面，可以引用下面的文獻(xiàn)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。
由于與其它更傳統(tǒng)的方法，例如等離子焊接、MIG(金屬惰性氣體)焊接或TIG(鎢惰性氣體)焊接相比，激光焊接可以在高速下獲得非常大的穿入深度，因此它是一種十分高性能的焊接方法。
這是因?yàn)?，?dāng)用一個(gè)或多個(gè)反射鏡或透鏡將激光束聚焦在要焊接的工件的接合面內(nèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高功率密度，例如可能超過106W/cm2的功率密度。
這些高功率密度會(huì)在工件表面引起相當(dāng)大的汽化，該汽化擴(kuò)展到外部，導(dǎo)致焊接熔池逐步形成陷坑并在(金屬)板的厚度內(nèi)也就是在該接合面內(nèi)形成一稱為“鎖眼”的窄深的蒸汽毛細(xì)管。
這一毛細(xì)管使激光束的能量可以直接在(金屬)板內(nèi)沿深度方向沉積，這與更為傳統(tǒng)的焊接方法中能量沉積局限在表面是不同的。
這一毛細(xì)管由金屬蒸汽/金屬蒸汽等離子體混合物形成，其具體特征是它吸收激光束并因此將能量限制在存在的毛細(xì)管內(nèi)。
激光焊接的一個(gè)問題是形成保護(hù)氣體等離子體。
這是因?yàn)樵摻饘僬羝入x子體通過在保護(hù)氣體中散播自由電子，可能會(huì)導(dǎo)致一種對(duì)焊接操作不利的保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)。
入射的激光束可能會(huì)因此被大量地、或甚至完全地吸收，從而會(huì)導(dǎo)致穿入深度大大減小，或甚至在光束和材料之間無法接合，進(jìn)而造成焊接過程的瞬時(shí)中斷。
等離子體出現(xiàn)的功率密度閾值取決于所使用的保護(hù)氣體的電離勢(shì)并與激光束的波長(zhǎng)的平方成反比。
因此，在純氬氣下使用CO2型激光進(jìn)行焊接是十分困難的，但是使用YAG型激光進(jìn)行這一操作可能會(huì)容易得多。
通常，在CO2激光焊接中，氦氣被用作保護(hù)氣體，這是一種具有高電離勢(shì)的氣體并可以防止出現(xiàn)保護(hù)氣體等離子體，并且與所采用的激光束功率無關(guān)。
但是，氦氣的缺陷在于是它一種昂貴氣體，許多激光使用者寧愿使用其它比氦氣較便宜的、但仍能限制出現(xiàn)保護(hù)氣體等離子體的氣體或氣體混合物，從而獲得與使用氦氣所獲得的類似的焊接效果，而成本較低。
因此，包含氬氣和氦氣的氣體混合物在市場(chǎng)上可以買到，例如由L′AirLiquideTM以LASALTM2045的名稱售出的包含30％體積(體積百分比)的氦氣和其余為氬氣的氣體混合物，對(duì)于CO2激光功率電平低于5KW并假設(shè)所產(chǎn)生的功率密度并不太高，也就是說大約2000KW/cm2以上時(shí)，該氣體混合物可以獲得與氦氣基本相同的效果。
但是，這種Ar/He型混合物所產(chǎn)生的問題是它不適于較高激光功率密度，因?yàn)樵谀菚r(shí)超過了保護(hù)氣體等離子體產(chǎn)生的閾值。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過提出一種改進(jìn)的激光焊接方法以解決這一問題，該方法可以采用功率超過15到20KW的激光，并且不管所選擇的功率或功率密度如何，都不形成或僅形成最少的保護(hù)氣體等離子體。
因此本發(fā)明的技術(shù)方案是一種采用一包含氮?dú)夂秃獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中根據(jù)所述激光束的功率或功率密度選擇或調(diào)整氮?dú)夂?或氦氣在所述氣體混合物中的比例。
根據(jù)情況不同，本發(fā)明的方法可以包括一個(gè)或多個(gè)下述技術(shù)特征-該激光功率在0.5KW和30KW之間，優(yōu)選在5KW和20KW之間；-該保護(hù)氣體混合物由氮?dú)夂?或氦氣組成；優(yōu)選地，該氣體混合物包含體積比為30％到80％的氦氣，其余是氮?dú)夂涂赡懿豢杀苊獾碾s質(zhì)；-該氣體混合物通過混合規(guī)定數(shù)量的氮?dú)夂秃舛F(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生；-該氣體混合物通過一受所采用的激光功率或功率密度的控制從而混合規(guī)定數(shù)量的氮?dú)夂秃獾臍怏w混合器系統(tǒng)而產(chǎn)生；-當(dāng)激光功率或功率密度增加時(shí)氦氣在該氣體混合物中的比例增加。
根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明還涉及一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中根據(jù)所述激光束的功率或功率密度選擇或調(diào)整在所述氣體混合物中氦氣相對(duì)于氮?dú)獾谋壤?，從而在焊接期間避免在保護(hù)氣體中形成等離子體或使在保護(hù)氣體中形成的等離子體最少。
根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明還涉及一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中氦氣在所述氣體混合物中的體積比是-對(duì)于0.5KW和4KW之間的激光束功率(體積比)在1和30％之間；-對(duì)于4KW和8KW之間的激光束功率(體積比)在30和50％之間；-對(duì)于8KW和12KW之間的激光束功率(體積比)在50和70％之間。
此外，本發(fā)明還涉及一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中氦氣在所述氣體混合物中的體積比是-對(duì)于500KW/cm2和2000KW/cm2之間的激光束功率密度(體積比)在1和30％之間；
-對(duì)于2000KW/cm2和4000KW/cm2之間的激光束功率密度(體積比)在30和50％之間；和/或-對(duì)于4000KW/cm2和10000KW/cm2之間的激光束功率密度(體積比)在50和70％之間。
氦氣和氮?dú)鈨?yōu)選來自一其中氦氣和氮?dú)饫缤ㄟ^一氣體混合器以需要的比例預(yù)混合的單一的氣體源。
本發(fā)明還涉及一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接裝置，該裝置包括-至少一個(gè)氮?dú)庠矗?至少一個(gè)氦氣源；-使來自該氮?dú)庠吹牡獨(dú)馀c來自該氦氣源的氦氣相混合的氣體混合裝置；-一產(chǎn)生激光功率至少為0.5KW的激光束的激光發(fā)生器裝置；-與所述氣體混合裝置相配合從而根據(jù)由該激光(發(fā)生器)裝置產(chǎn)生的激光功率調(diào)整氮?dú)夂?或氦氣的比例的調(diào)節(jié)裝置。
此外，本發(fā)明還涉及一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中作為功率密度的一個(gè)函數(shù)，氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％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對(duì)數(shù)；并且-％He代表氦氣在該氣體混合物的氮?dú)庵械捏w積百分比。
優(yōu)選地，作為功率密度的一個(gè)函數(shù)，氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％He)如下28.5×ln(ΦP)-207≤％He≤31.5×ln(ΦP)-207還優(yōu)選地，作為功率密度的一個(gè)函數(shù)，氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％He)如下29×ln(ΦP)-207≤％He≤31×ln(ΦP)-207


從下面參考附圖給出的說明，將會(huì)更好地理解本發(fā)明。
圖1示出(曲線A)作為功率密度(標(biāo)示在x-軸上)和氦氣在由氮?dú)夂秃饨M成的混合物中的體積比(標(biāo)示在y-軸上)的函數(shù)的等離子體出現(xiàn)的閾值的變化，該氮?dú)夂秃夂康暮蜆?gòu)成混合物體積的100％；和圖2示出作為氮?dú)庵械暮夂亢退捎玫募す夤β实暮瘮?shù)的保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)的閾值的變化。
具體實(shí)施例方式
如上所述，在激光束焊接中，產(chǎn)生的一個(gè)主要問題與保護(hù)氣體等離子體的形成有關(guān)，該等離子體由于對(duì)產(chǎn)生的激光束具有強(qiáng)烈的、甚至全部的吸收作用而對(duì)焊接操作有害，從而導(dǎo)致穿入深度相當(dāng)大的減小，或者甚至導(dǎo)致在激光束和要焊接的材料之間無法接合，因此造成焊接過程的中斷。
目前，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)證明，對(duì)于一特定的CO2型激光功率密度，通過氦氣在用作焊接操作期間的保護(hù)氣體的氦氣/氮?dú)鈿怏w混合物中(相對(duì)于氮?dú)?的體積比確定保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)的閾值，并且這一氦氣的(體積)比必然隨激光的功率密度變化。
因此，圖1示出(曲線A)作為功率密度(標(biāo)示在x-軸上)和氦氣在由氮?dú)夂秃饨M成的混合物中的體積比(標(biāo)示在y-軸上)的函數(shù)的等離子體出現(xiàn)的閾值的變化，該氮?dú)夂秃夂康暮蜆?gòu)成該混合物體積的100％。
曲線A是通過分析由混合物中的各種氦氣含量產(chǎn)生的焊縫的穿入深度，以及通過對(duì)焊接過程中保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)或者未出現(xiàn)的肉眼觀察而得到。
功率密度通過用工件上的激光功率除以焦斑的直徑而獲得，該焦斑由上述激光形成，并事先通過一激光束分析器測(cè)量。
位于曲線A上側(cè)的區(qū)域代表對(duì)于上述功率密度，氦氣在氮?dú)庵械暮渴沟每梢援a(chǎn)生焊縫而不會(huì)出現(xiàn)保護(hù)氣體等離子體的區(qū)域。
在位于該曲線A下側(cè)的區(qū)域內(nèi)，該保護(hù)氣體分解并因而保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)。
為了表示與測(cè)量該焦斑的直徑(微米級(jí))有關(guān)的誤差，和在氮?dú)?氦氣混合物中氦氣含量的誤差，以及有關(guān)該焦斑內(nèi)能量分布的誤差，在圖1中還示出三束曲線(B，C)，(D，E)和(F，G)。
這些曲線的等式是％He＝μ×ln(ΦP)-207其中-ln(ΦP)代表以KW/cm2表示的功率密度的自然對(duì)數(shù)；-％He代表氦氣在氮?dú)庵械陌俜直龋灰约?μ是取決于上述曲線的一個(gè)值對(duì)曲線B，μ＝31；對(duì)曲線C，μ＝29；對(duì)曲線D，μ＝31.5；對(duì)曲線E，μ＝28.5；對(duì)曲線F，μ＝32.3；對(duì)曲線G，μ＝28。
因此，在位于曲線F和G(或者D和E或B和C)之間的圖的區(qū)域內(nèi)，對(duì)于上述功率密度，可以選擇能夠獲得與純氦氣或與位于曲線F和G(或者D和E或B和C)之間的區(qū)域上方的N2/He混合物相同效果的N2/He混合物。
相反，在該區(qū)域下方保護(hù)氣體總是會(huì)分解并從而出現(xiàn)保護(hù)氣體等離子體。因此從這些曲線確定的氣體混合物是最佳混合物，也就是說它是包含最少的氦氣但卻產(chǎn)生與純氦氣或與具有較高比例氦氣的混合物基本相同的效果的氣體混合物。
所有這些曲線都是以3m/min的焊接速度在鋼和不銹鋼工件上，用焦距為250mm、200mm或150mm的拋物柱面(反射)鏡，并使用其Q-因數(shù)為4的CO2激光產(chǎn)生的。
如圖1所示，包含50％體積氮?dú)獾暮?氮?dú)饣旌衔飳?duì)于5.3×106W/cm2的CO2激光功率密度產(chǎn)生與純氦氣基本相同的穿入深度和焊接速度。
本發(fā)明還可通過示出作為氮?dú)庵械暮夂亢退捎玫募す夤β实暮瘮?shù)的保護(hù)氣體等離子體出現(xiàn)的閾值的變化來論證，如圖2中用圖表所示。
這種不如前一種通用的表示可以從圖1的曲線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是焦斑的面積；(2)---S=πW02]]>其中W0是焦斑的半徑；以及(3)W0WF＝M2(λf/π)其中WF是對(duì)于上述功率激光束在反射鏡或在聚焦透鏡的半徑，M2是激光束的Q-因數(shù)，其通常是制造者的已知數(shù)(對(duì)于高斯光束M2＝1)，λ是激光束的波長(zhǎng)(在CO2激光的情況下是10.6μm)，并且f是反射鏡或聚焦透鏡的焦距。
因此，為了根據(jù)所使用的功率或功率密度確定相應(yīng)的氮?dú)?氦氣混合物，可以利用上述等式從功率密度表示(圖1)轉(zhuǎn)換成功率表示(圖2)，反之亦然。
在這種情況下，圖2從圖1的曲線得到，并用于Q-因數(shù)為4，焦距為200mm且在聚焦反射鏡上的光束直徑為28mm(的情況)。
因此，在(功率為)6KW，使用焦距為200mm(的聚焦反射鏡)時(shí)，對(duì)于Q-因數(shù)為4且在聚焦反射鏡上的直徑為200mm的激光，可以使用包含各50％體積的(氮?dú)夂秃?成分的氮?dú)?氦氣混合物。
因此，本發(fā)明是基于這一事實(shí)，即根據(jù)所使用的激光功率或功率密度調(diào)節(jié)或調(diào)整N2/He氣體混合物，以便在不產(chǎn)生保護(hù)氣體等離子體或產(chǎn)生盡可能少的等離子體的情況下獲得高質(zhì)量的焊接并減少成本。
根據(jù)本發(fā)明，(氮?dú)夂秃?成分在氣體混合物中的比例可以根據(jù)體積、摩爾或質(zhì)量比例進(jìn)行調(diào)整；但是，由于其執(zhí)行較為簡(jiǎn)便，因此優(yōu)選體積調(diào)整。
在這一基礎(chǔ)上，本發(fā)明可以通過在瓶體中，也就是說以包裝的形式生成一系列在氮?dú)庵芯哂械目勺兊暮夂康臍怏w混合物而完成，該氦氣含量根據(jù)激光功率或功率密度而調(diào)節(jié)。
例如，下表給出分別適于三個(gè)為完成本發(fā)明所推薦的激光功率密度范圍的三種不同的N2/He混合物。

根據(jù)情況不同，本發(fā)明還可以在焊接開始之前由操作者直接在現(xiàn)場(chǎng)使用，例如以一個(gè)氦氣和氮?dú)庠?，和最適于所使用的激光的功率密度或功率的N2/He氣體混合物為基礎(chǔ)，并根據(jù)以上所附圖表的說明(進(jìn)行使用)。
作為選擇，所需的N2/He混合物也可以通過根據(jù)所使用的激光的功率或功率密度自動(dòng)控制一氣體混合器，以及通過使用作為校準(zhǔn)曲線的以上所附圖表的曲線而獲得。
本發(fā)明的激光焊接方法尤其適用于焊接由鋁或鋁合金，不銹鋼或低碳鋼制成的工件。
本發(fā)明的激光焊接方法可以用于焊接在0.1mm和300mm之間的相同或不同厚度范圍的工件。
權(quán)利要求
1.一種采用一包含氮?dú)夂秃獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中根據(jù)所述激光束的功率或功率密度選擇或調(diào)整氮?dú)夂?或氦氣在所述氣體混合物中的比例，當(dāng)該激光功率或功率密度增加時(shí)氦氣在該氣體混合物中的比例增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該激光功率在0.5KW和30KW之間，優(yōu)選在5KW和20KW之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該保護(hù)氣體混合物由氮?dú)夂秃饨M成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該氣體混合物通過混合規(guī)定數(shù)量的氮?dú)夂秃舛F(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該氣體混合物通過一受所采用的該激光功率或功率密度的控制以便混合規(guī)定數(shù)量的氮?dú)夂秃獾臍怏w混合器系統(tǒng)而產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該氣體混合物包含體積比為30％到80％的氦氣，其余為氮?dú)夂涂赡懿豢杀苊獾碾s質(zhì)。
7.一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中根據(jù)所述激光束的功率或功率密度選擇或調(diào)整在所述氣體混合物中氦氣相對(duì)于氮?dú)獾谋壤龔亩诤附悠陂g避免在該保護(hù)氣體中形成等離子體或使在該保護(hù)氣體中形成的等離子體最少。
8.一種采用一包含氯氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中氦氣在所述氣體混合物中的體積比是-對(duì)于0.5KW和4KW之間的激光束功率該體積比在1和30％之間；-對(duì)于4KW和8KW之間的激光束功率該體積比在30和50％之間；-對(duì)于8KW和12KW之間的激光束功率該體積比在50和70％之間。
9.一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中氦氣在所述氣體混合物中的體積比是-對(duì)于500KW/cm2和2000KW/cm2之間的激光束功率密度該體積比在1和30％之間；-對(duì)于2000KW/cm2和4000KW/cm2之間的激光束功率密度該體積比在30和50％之間；和/或-對(duì)于4000KW/cm2和10000KW/cm2之間的激光束功率密度該體積比在50和70％之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，氦氣和氮?dú)鈦碜砸黄渲性摵夂偷獨(dú)庖孕枰谋壤A(yù)混合的單一的氣體源。
11.一種采用一包含氮?dú)夂吐葰獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接裝置，該裝置包括-至少一個(gè)氮?dú)庠矗?至少一個(gè)氦氣源；-使來自該氮?dú)庠吹牡獨(dú)馀c來自該氦氣源的氯氣相混合的氣體混合裝置；-一產(chǎn)生激光功率至少為0.5KW的激光束的激光發(fā)生器裝置；以及-與所述氣體混合裝置相配合以便根據(jù)由該激光裝置產(chǎn)生的激光功率調(diào)整氮?dú)夂?或氯氣的比例的調(diào)節(jié)裝置。
12.一種采用一包含氦氣和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光束焊接方法，其中作為該功率密度的一個(gè)函數(shù)的氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％He)如下28×ln(ΦP)-207≤％He≤32.3×ln(ΦP)-207其中-ln(ΦP)代表以KW/cm2表示的該功率密度的自然對(duì)數(shù)；且-％He代表氦氣在該氣體混合物的氮?dú)庵械捏w積百分比。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，作為該功率密度的一個(gè)函數(shù)的氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％He)如下28.5×ln(ΦP)-207≤％He≤31.5×ln(ΦP)-207。
14.根據(jù)權(quán)利要求12和13中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為該功率密度的一個(gè)函數(shù)的氦氣在所述氣體混合物中的體積比(％He)如下29×ln(ΦP)-207≤％He≤31×ln(ΦP)-207。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用一包含氮?dú)夂秃獾谋Ｗo(hù)氣體混合物的激光焊接方法和裝置。氮?dú)夂?和氦氣在所述氣體混合物中的比例根據(jù)激光束的功率或功率密度而選擇或調(diào)整。該激光功率包括在0.5kW和30kW之間，且優(yōu)選在5kW和20kW之間。該保護(hù)氣體混合物包含氮?dú)夂?或氦氣，且優(yōu)選該氣體混合物包含體積比在30％和80％之間的氦氣，其余為氮?dú)夂涂赡懿豢杀苊獾碾s質(zhì)。
文檔編號(hào)B23K26/12GK1612792SQ02826939
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2002年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者F·白里安, K·舒弗, P·勒菲弗 申請(qǐng)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(huì)的有限公司