[发明专利]激光焊接方法

说明书

公开了一种用于激光锁孔焊接的方法，以将由金属合金制成的两块焊接在一起。该方法独立地调节聚焦的中心光束的功率和同心聚焦的环形光束的功率。在焊接结束时，环形光束(PA)的功率减小，聚焦光束的运动停止，中心光束(Pc)的功率增加，并且两个光束的功率最初快速斜降，然后缓慢斜降。增加中心光束的功率在焊接终止处凝固和冷却之前均衡两块的温度。可以施加额外的功率脉冲以防止缺陷的形成或消除任何缺陷。

优先权

本申请要求于2020年5月22日提交的美国专利申请序列No.16/881886的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及使用聚焦的激光辐射束的焊接。本发明特别涉及使用聚焦的中心光束和聚焦的环形光束焊接金属合金。

背景技术

激光束越来越多地用于切割、钻孔、焊接、标记和划线由多种材料制成的工件；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，例如当加工工件受到应力时可能扩展的微裂纹，从而使加工工件劣化和弱化。激光加工使这种不需要的缺陷最小化，通常更清洁，并导致较小的热影响区。激光加工使用聚焦激光束产生精确的切割和孔，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线，同时最大限度地减少附带加热。区分两种主要的激光焊接状态是有用的。在较低的激光功率和较低的功率密度下进行传导焊接。吸收的激光功率加热照射的材料，熔化待连接的每个部分中的材料，这些材料流动、混合，然后固化。锁孔焊接在较高的激光功率和较高的功率密度下进行，这些功率密度足以蒸发一些辐照材料。汽化材料对周围熔化材料的压力打开了通过熔化材料的通道，该通道具有典型的窄而深的轮廓，这允许激光束的深度穿透。成品锁孔焊缝通常比导电焊缝更窄、更深、更牢固。然而，在热的、动态的熔化材料池中保持稳定的锁孔是困难的。

当激光焊接某些金属和金属合金时，一个问题是在线焊缝的末端形成缺陷，特别是裂纹。一些缺陷是由工件冷却时产生的应力引起的。如果在成品工件投入使用时施加热应力或机械应力，这些初始缺陷会削弱焊接工件，并可能进一步传播。结构中不可靠的焊缝可能导致灾难性故障。减轻缺陷的一个已知解决方案是在焊接结束时快速降低激光功率，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接结束时快速提升聚焦光束，从而用逐渐降低的强度光束照射工件上逐渐增大的区域。

尽管这些解决方案在许多材料上都取得了成功，但对于具有相对较高导热性的现代高强度金属合金来说，它们已被证明是不够的。这些材料在激光焊接开始时，特别是在激光焊接结束时，仍然极易开裂。2020年2月10日提交的美国专利申请第16/786623号描述了焊接此类材料的方法，该申请分配给本发明的受让人，其完整公开内容通过引用并入本文中。该方法使用复合激光束，该激光束具有中心光束和较大的环形光束，该光束聚焦在被焊接的工件上。当聚焦激光束接近线焊缝末端时，环形光束的功率斜降，而中心光束的功率斜升。然后，中心光束的功率斜降。虽然这种方法可以很好地防止缺陷，但在这些功率变化期间，聚焦激光束在工件表面上移动，从而在焊缝宽度上产生逐渐的锥形。这种锥度通常为几毫米长，在某些需要沿焊缝全长均匀横截面的应用中是不可接受的。焊缝的末端也可以在深度上逐渐变细。

需要一种简单而可靠的方法来生产在金属和金属合金中具有均匀横截面的焊缝，这些焊缝在焊缝终止时容易开裂。特别地，产生沿其整个长度保持最小宽度的焊缝。优选地，该工艺不会损害激光焊接的任何优点，例如焊接速度、精度、焊接质量和每焊缝成本。

发明概述