[发明专利]激光焊接方法

说明书

公开了用于金属合金的激光小孔焊接的方法。该方法独立地调整聚焦中心束中的功率和同心聚焦环形束中的功率。在焊接的终止处，中心束中的功率先斜升然后斜降，而环形束中的功率斜降。增加中心束中的功率可以控制和延长小孔和熔池的收缩，从而防止不希望的开裂。

优先权

本申请要求于2019年2月13日提交的美国临时申请序号62/805,244的优先权，其公开内容整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及使用激光辐射的聚焦束的焊接。本发明特别涉及使用聚焦中心束和聚焦环形束焊接金属合金。

背景技术

激光辐射束越来越多地用于对由多种材料制成的工件进行切割、钻孔、焊接、标记和划线；包括金属和金属合金。传统的机械加工会产生不需要的缺陷，例如当加工工件受力时可能会传播的微裂纹，从而降级和削弱加工工件。激光加工最大限度地减少了这种不需要的缺陷，通常更清洁，并产生更小的热影响区。激光加工使用聚焦激光束来产生精确的切口和孔，具有高质量的边缘和壁，同时最大限度地减少不需要的缺陷的形成。

在激光焊接中，聚焦的激光束精确地定位每个焊点或焊缝，同时最小化附带加热。区分两种主要的激光焊接方式很有用。传导焊接发生在较低的激光功率和较低的功率密度下。吸收的激光功率加热被照射的材料，熔化要连接的每个部分的材料，然后流动、混合，然后固化。小孔焊接在较高的激光功率和较高的功率密度下发生，足以使某些受辐照材料汽化。汽化的材料对周围熔化材料的压力打开了一条通过熔化材料的通道，具有特征性的窄而深的轮廓。成品小孔焊缝通常比传导焊缝更窄、更深、强度更高。然而，在热的、动态的熔化材料池中保持稳定的小孔可能很困难。

激光焊接一些金属和金属合金时的一个问题是在激光焊缝的末端处形成缺陷，特别是裂纹。一些缺陷是由工件冷却时产生的应力引起的。这些初始缺陷会削弱焊接工件的强度，如果在使用成品焊接工件时施加热应力或机械应力，这些缺陷可能会进一步传播。不可靠的焊缝可能会导致灾难性的故障。减轻末端缺陷的一种已知解决方案是在焊缝末端处迅速斜降激光功率，而不是以数字方式关闭功率。另一种已知的解决方案是在焊缝末端处快速提升聚焦束，从而用强度逐渐降低的光束照射工件上逐渐增大的区域。尽管这些解决方案已对许多材料取得成功，但已证明它们不足以用于现代高强度合金或具有相对较高热导率的金属。这些材料在激光焊缝开始和/或末端处，特别是在激光焊缝末端处，仍然顽固地容易开裂。

需要简单且可靠的方法来激光焊接在焊缝末端处特别容易开裂的金属和金属合金。优选地，该方法不会损害现代激光焊接的任何优点，例如焊接速度、精度、焊接质量和每焊接成本。

发明概述

根据本发明的用于激光焊接工件的方法包括将激光辐射的聚焦束传送到工件。聚焦束具有聚焦中心束和同心聚焦环形束。在工件上的焦点处，聚焦中心束小于聚焦环形束。焦点相对于工件从起始位置向停止位置横向移动。中心束具有中心加工功率，环形束具有环形加工功率。当焦点到达停止位置时，环形束在斜降时间内从环形加工功率下降到关闭功率。中心束在第一持续时间内从中心加工功率斜升，然后中心束在第二持续时间内斜降到关闭功率。第一持续时间是在斜降时间期间。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。

图1A是示意性地示出了用于实施本发明的激光焊接方法的激光焊接设备的一个优选实施方案的侧视图，部分横截面，该设备包括产生至少两束激光辐射的激光源，以及光纤和聚焦透镜。

图1B是示意性地示出图1A的光纤的细节的截面图，其具有用于引导中心束的中心纤芯和用于引导环形束的环形纤芯。

图2A是光束功率对时间的曲线图，示意性地示出了使用仅具有中心纤芯的传统光纤的现有技术焊接方法。