CN103418916A - 复合式激光电弧焊接工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合式激光电弧焊接工艺和设备。一种焊接方法和设备，同时利用激光束和电弧焊接技术。这种焊接设备产生第一激光束，第一激光束被投射到至少两个工件之间的接头区域上，以在工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使第一激光束投射部沿着接头区域而行进并穿透接头区域。这种设备还产生电弧以产生电弧投射部，电弧投射部包围第一激光束投射部，并与之一起沿着接头区域行进，以形成熔融焊池。另外，该设备还产生一对侧部激光束，该对侧部激光束产生侧部激光束投射部，侧部激光束投射部被电弧投射部包围，并且与接头区域横向地间隔开，以与焊池的固化而限定焊接接头的焊趾的部分互相作用。

Description

复合式激光电弧焊接工艺和设备
技术领域
本发明大体上涉及焊接方法。更具体地说，本发明涉及利用复合式激光电弧焊接技术的焊接工艺，其中激光束焊接和电弧焊接在相同的焊池中同时发生，其中至少一个侧部激光束能够在沿着所造就的焊接接头的侧部边缘的焊道趾处促成平滑的过渡。
背景技术
低热量输入焊接工艺并且尤其高能量射束焊接工艺(例如在窄的焊接条件范围内操作的激光束和电子束焊接(分别为LBW和EBW))已经成功地用于在各种广泛的材料中产生无裂纹的焊接接头，这些材料包括但不局限于涡轮机械中使用的合金。高能量的射束焊接工艺的优点是高能量密度的聚焦的激光束或电子束能够产生具有最小的焊接金属体积的深的狭小的焊道，促使结构性对接焊接接头的形成，这同其它焊接技术(例如电弧焊接工艺)相比，增加很少的额外重量，并且造成很少的构件变形。尤其与激光束焊接相关联的额外的优点包括在无须真空室或辐射屏蔽罩的条件下执行的能力，真空室或辐射屏蔽罩通常是电子束焊接所需要的。因此，同电子束焊接相比，激光束焊接可能是一种低成本且更高生产率的焊接工艺。
虽然对于某些应用和焊接条件已经使用了填充材料，但是激光束和电子束焊接工艺通常是通过自体执行的(没有增加额外的填充金属)。高能量射束聚焦在有待焊接的表面上，例如两个有待焊接的构件之间的接口(焊缝)上。在焊接期间，表面被充分加热，以使一部分金属蒸发，产生空腔(“通道”)，空腔后续被包围空腔的熔化材料所填充。在激光束焊接方面相对较近期的突破进展是高功率固态激光的发展，其如这里所限定的那样包括大于四千瓦和尤其八千瓦或更高的功率水平。具体的示例是固态激光器，其使用氧化镱(Yb2O3)，氧化镱呈圆盘形式(Yb：YG盘形激光器)或作为纤维中的内涂层(Yb纤维激光器)。已知这些激光器能够极大地提高效率和功率水平，例如从大约四千瓦提高至超过二十千瓦。
复合式激光电弧焊接(HLAW)也被称为激光复合焊接，它是将激光束焊接技术和电弧焊接技术组合起来，使得这两种焊接工艺在相同的熔融焊池中同时发生的工艺。在图1和图2中示意性地描绘了HLAW工艺的一个示例，其被执行来在两个工件16和18的接合面12和14之间产生对接焊接接头10。从图1中显而易见的，激光束20定向成与工件16和18的相邻表面24垂直，而电弧焊接工艺的电弧22和填充金属(未显示)定位在后部(后方)，并且朝着激光束20在工件表面24上的焦点26向前成角度。电弧焊接工艺例如可能是气体保护金属极电弧焊接(GMAW，也被称为金属极惰性气体保护(MIG)焊接)或气体保护钨电极电弧焊接(GTAW，也被称为钨电极惰性气体保护(TIG)焊接)，并且产生这里将被称为电弧投射部28的东西，电弧投射部28被投射到工件表面24上。电弧焊接工艺的后部定位也被称为“正手”焊接技术，并且所造就的电弧投射部28显示为包围激光束20的焦点26。由激光束20和电弧22所造就的熔融焊池(未显示)通常位于电弧投射部28内，或者略大于电弧投射部28。
HLAW工艺的好处包括能够提高焊透深度，并且/或者通过提高焊接工艺的行进速度(例如为传统的电弧焊接工艺的四倍)来提高生产率。这些好处可在焊接各种材料时获得，包括用于制造各种构件和结构的镍基合金、铁基合金、钴基合金、铜基合金、铝基合金和钛基合金，这些构件和结构包括用于发电应用中的风力涡轮机塔架的结构，以及意图用于其它各种广泛应用(包括航空、基础设施、医疗应用、工业应用等等)的构件和结构。
即使已知激光束焊接具有上面提及的好处，但是在焊接某些材料时可能产生限制。作为一个非限制性的示例，由镍基超级合金形成的熔融焊池倾向于呈现比其它金属材料(例如软钢、不锈钢和低合金钢)更低的流动性和减少的浸湿性。这种“粘滞性”可能导致所造就的焊接接头中的缺陷，例如，在焊道区域中的交迭缺陷，这在这里被称为焊道趾或简单地称为焊趾。图3和图4是显示了由HLAW工艺产生的焊道的图像，其具有交迭的焊接缺陷，其特征为不规则的侧部边缘。如从图3和图4中显而易见的那样，不规则的焊道边缘由焊趾限定，焊趾使通过焊道焊接在一起的构件的相邻基体材料交迭起来，以在焊道和基体材料之间限定过渡区域。
从为经历周期性操作的构件实现更长寿命的观点来看，减少或消除由HLAW工艺产生的焊接接头中不规则的焊趾将是特别有利的。一个商业示例是制造风力涡轮机塔架，风力涡轮机塔架的制造需要对接焊接接头，以将塔架的非常长且厚的区段连结起来。
发明内容
本发明提供了一种利用HLAW(复合式激光电弧焊接)技术的焊接方法和设备，其中激光束焊接和电弧焊接被同时利用以产生熔融焊池。这种焊接方法和设备能够在限定所造就的焊接接头的侧部边缘的焊趾处促进平滑的过渡，并且尤其适合焊接由焊池展现相对较低的流动性和浸湿性的材料形成的相对较厚的区段。
根据本发明的一个方面，焊接方法涉及将至少两个工件放置在一起，使工件的接合面彼此相向，并且在接合面之间限定接头区域。然后将第一激光束投射到接头区域上，以便在工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使第一激光束投射部沿着接头区域行进并穿透接头区域。另外，电弧被引导到工件的相邻的表面上，以产生电弧投射部，电弧投射部包围第一激光束投射部并与之一起沿着接头区域而行进。第一激光束投射部和电弧投射部形成熔融焊池，熔融焊池能够固化，以在接头区域中形成焊接接头。一对侧部激光束产生侧部激光束投射部，侧部激光束投射部被电弧投射部包围，并在第一激光束投射部后面与电弧投射部一起沿着接头区域而行进。侧部激光束投射部与熔融焊池的限定熔融焊池的侧部边缘的部分相互作用并影响熔融焊池的该部分。然后冷却熔融焊池，以便在接头区域中形成焊接接头，并且以冶金的方式连结工件，以产生焊接组件。根据本发明的优选方面，焊接接头具有均匀的侧部边缘和平滑的焊趾，平滑的焊趾限定均匀的侧部边缘。
根据本发明的另一方面，焊接设备包括用于将第一激光束投射到至少两个工件之间的接头区域上的装置，其用以在工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使第一激光束投射部沿着接头区域行进并穿透接头区域。这种设备还包括用于将电弧引导到工件的相邻的表面上以产生电弧投射部的装置，电弧投射部包围第一激光束投射部，并与之一起沿着接头区域行进，以形成熔融焊池，熔融焊池能够固化以便在接头区域中形成焊接接头。另外，该设备还包括用于投射一对侧部激光束以产生侧部激光束投射部的装置，激光束投射部被电弧投射部包围，在第一激光束投射部后面与电弧投射部一起沿着接头区域而行进，并且与接头区域横向地间隔开。
根据本发明的优选方面，这种复合式激光电弧焊接工艺利用侧部激光束来控制焊道的形成，尤其消除或至少减少焊道的焊趾中的缺陷的发生。电弧和第一激光束对于产生熔融焊池具有主要责任，同时侧部激光束聚焦在焊池的侧部边缘附近。此外，侧部激光束充分接近焊接电弧，并且具有足够的功率，使得焊池和其所造就的焊道受到侧部激光束的影响，以产生焊接接头，焊接接头的焊趾优选是平滑的，并且焊接接头的侧部边缘优选是均匀的。
一种通过以冶金的方式连结工件的接合面而将至少两个工件焊接在一起的方法，所述方法包括：
将所述工件放置在一起，使得其接合面彼此相向，并且在所述接合面之间限定接头区域；
将第一激光束投射到所述接头区域上，以便在所述工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使所述第一激光束投射部沿着所述接头区域行进并穿透所述接头区域；
将电弧引导到所述工件的相邻的表面上，以便产生电弧投射部，所述电弧投射部包围所述第一激光束投射部并与之一起沿着所述接头区域而行进，所述第一激光束投射部和所述电弧投射部形成熔融焊池，所述熔融焊池能够固化而在所述接头区域中形成焊接接头；
投射一对侧部激光束以产生侧部激光束投射部，所述侧部激光束投射部被所述电弧投射部包围，并在所述第一激光束投射部后面与所述电弧投射部一起沿着所述接头区域而行进，所述侧部激光束投射部与所述熔融焊池的限定所述熔融焊池的侧部边缘的部分相互作用并影响所述熔融焊池的所述部分；并且然后
冷却所述熔融焊池，以在所述接头区域中形成所述焊接接头，并以冶金的方式连结所述工件，以产生焊接组件，所述焊接接头具有均匀的侧部焊道边缘和焊道趾，所述焊道趾限定均匀的侧部边缘。
在另一个实施例中，所述第一激光束比所述侧部激光束中的各个处于更大的功率水平。
在另一个实施例中，所述第一激光束处于大约2kW至大约20kW的功率水平。
在另一个实施例中，所述侧部激光束处于不同的功率水平。
在另一个实施例中，所述第一激光束在所述接头区域处穿透所述工件的贯穿厚度，并且所述侧部激光束在所述接头区域处不穿透所述工件的贯穿厚度。
在另一个实施例中，所述电弧投射部的中心和所述第一激光束的中心定位成沿着待焊接的接头间隔开大约2毫米至大约20毫米。
在另一个实施例中，所述侧部激光束中的各个与所述电弧投射部的中心间隔开小于10毫米的距离。
在另一个实施例中，所述第一激光束和所述侧部激光束沿着所述焊接接头而彼此平行。
在另一个实施例中，所述第一激光束和所述侧部激光束以大约70度至大约110度的角度投射到所述工件的相邻的表面上。
在另一个实施例中，所述熔融焊池是熔融材料，其比熔融的软钢、不锈钢和低合金钢呈现更低的流动性和减少的浸湿性。
在另一个实施例中，所述熔融材料是镍基合金。
在另一个实施例中，所述焊接组件是发电构件、航空构件、基础设施构件、医疗构件或工业构件。
在另一个实施例中，所述焊接组件是风力涡轮机塔架的构件。
一种用于通过以冶金的方式连结工件的接合面而将至少两个工件焊接在一起的设备，所述工件的接合面彼此相向，以在其之间限定接头区域，所述设备包括：
用于将第一激光束投射到所述接头区域上的装置，其用以在所述工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使所述第一激光束投射部沿着所述接头区域行进并穿透所述接头区域；
用于将电弧引导到所述工件的相邻的表面上以产生电弧投射部的装置，所述电弧投射部包围所述第一激光束投射部，并与之一起沿着所述接头区域行进，以形成熔融焊池，所述熔融焊池能够固化而在所述接头区域中形成焊接接头；
用于投射一对侧部激光束以产生侧部激光束投射部的装置，所述侧部激光束投射部被所述电弧投射部包围，并在所述第一激光束投射部后面与所述电弧投射部一起沿着所述接头区域而行进，用于投射所述侧部激光束的装置使所述侧部激光束投射部与所述接头区域横向地间隔开。
在另一个实施例中，用于投射所述第一激光束的装置和用于投射所述侧部激光束的装置操作以产生比所述侧部激光束中的各个处于更高的功率水平的第一激光束。
在另一个实施例中，所述侧部激光束中的各个与所述电弧投射部的中心间隔开小于10毫米的距离。
在另一个实施例中，所述第一激光束和所述侧部激光束沿着所述焊接接头而彼此平行。
在另一个实施例中，所述第一激光束和所述侧部激光束以大约70度至大约110度的角度投射到所述工件的相邻的表面上。
一种焊接接头，将至少两个工件的接合面以冶金的方式连结在一起，使得所述工件的接合面彼此相向，并且在所述工件的接合面之间限定接头区域，所述焊接接头具有均匀的侧部焊道边缘和焊道趾，所述焊道趾限定均匀的侧部边缘，所述焊接接头包括：
在所述工件的相邻的表面上的第一区域，所述第一区域通过下者形成：将第一激光束投射到所述接头区域和所述相邻的表面上，以便在所述相邻的表面上产生第一激光束投射部；以及还将电弧引导到所述相邻的表面上，以产生包围所述第一激光束投射部的电弧投射部；以及
第二区域，其与所述第一区域的第一边缘相毗连，并通过将侧部激光束投射到所述工件中的第一工件的相邻的表面上以产生侧部激光束投射部而形成，所述侧部激光束投射部被所述电弧投射部包围，所述侧部激光束投射部与所述焊接接头的第一区域的第一边缘相互作用并影响所述第一边缘。
在另一个实施例中，还包括第三区域，其与所述第一区域的第二边缘相毗连，所述第一区域的第二边缘与所述焊接接头的第一边缘相对，所述第三区域通过将第二侧部激光束投射到所述工件中的第二工件的相邻的表面上以产生第二侧部激光束投射部而形成，所述第二侧部激光束投射部被所述电弧投射部包围，所述第二侧部激光束投射部与所述焊接接头的第一区域的第二边缘相互作用并影响所述第一区域的第二边缘。
从以下详细说明中将更好地理解本发明的其它的方面和优点。
附图说明
图1和图2是分别显示了根据现有技术的相接在一起并且经历复合式激光电弧焊接工艺的两个工件的侧视图和平面图的示意图。
图3和图4是分别描绘了由图1和图2所示类型的复合式激光电弧焊接工艺产生的焊接接头的平面图和横截面图的图像。
图5和图6是分别显示了根据本发明一个实施例的相接在一起并且经历复合式激光电弧焊接工艺的两个工件的侧视图和平面图的示意图。
图7是适合于在图5和图6所描绘的复合式激光电弧焊接工艺中使用的激光焊接设备的示意性图。
图8至图11是显示了通过实验性的复合式激光电弧焊接工艺而产生的焊接接头横截面图的图像。
部件列表：
10 接头 110
12 表面 112
14 表面 114
16 工件 116
18 工件 118
20 射束 120
22 电弧 122
24 表面 124
26 点 126
28 投射部 128
30 接头 130
30A 趾 130A
30B 边缘 130B
32 表面 132
34 表面 134
36 工件 136
38 工件 138
40 表面 140
42 射束 142
44 射束 144
46 射束 146
48 电弧 148
50 表面 150
52 投射部 152
54 投射部 154
56 投射部 156
58 投射部 158
60 中心 160
62 线 162
64 边缘 164
66 线 166
72 激光器 172
74 射束 174
76 ***器 176。
具体实施方式
 图5和图6描绘了根据本发明一个实施例的在复合式激光电弧焊接(HLAW)工艺中利用多个激光束的焊接工艺。具体地说，该工艺将激光束和电弧焊接技术组合起来，使得焊接工艺在相同的熔融焊池中同时发生。如图5和图6中示意性地所示，可执行焊接工艺，以便在两个工件36和38的接合面32和34之间产生对接的焊接接头30，以形成焊接组件，但是应该懂得，该工艺并不局限于对接焊接接头，而是可将任何数量的工件焊接在一起。各个接合面32和34与工件36和38中的一个的相邻表面40相毗连。在各个工件36和38的相对的侧具有相对应的表面50的条件下，工件表面40限定了工件36和38的贯穿厚度。
本发明可使用各种电弧焊接工艺，例如使用非消耗性的钨电极的气体保护电弧焊接(包括气体保护钨电极电弧焊接(GTAW或钨电极惰性气体保护(TIG)焊接))，以及使用由有待布置的焊接合金形成的消耗电极的气体保护金属极电弧焊接(GMAW或金属极惰性气体保护(MIG)焊接)。这些焊接技术涉及在电极和有待焊接的衬底之间应用足够电势，以在其之间产生电弧。因为GTAW技术的电极没有被消耗，所以必须将合适的填充合金线材输送到电弧中，其在电弧中熔化并形成布置到衬底表面上的金属滴。相反，GMAW技术的消耗电极用作用于堆焊的填充材料的来源。各种材料可用作填充材料，其中优选材料依赖于工件36和38的成分和预期应用。例如，延展性填料可为优选的，以减少焊接接头30中裂化的倾向性，或者可使用化学特性与工件36和38的基体金属(或金属)紧密匹配的填料，以更接近地保持工件36和38的期望属性。
图5和图6中所采用的激光焊接工艺优选利用至少一个高功率激光器作为激光束42、44和46中的任何一个或多个的来源。相信优选的高功率激光器包括固态激光器，固态激光器使用氧化镱(Yb2O3)，氧化镱呈圆盘形式(Yb:YG盘形激光器)或作为纤维中的内部涂层(Yb纤维激光器)。用于高功率激光焊接工艺的典型参数包括高达四千瓦，例如高达八千瓦和可能更高的功率水平以及在大约300至大约600微米范围内的激光束直径。可在不过度的实验条件下确定其它合适的操作参数，例如脉冲式操作模式或连续操作模式以及行进速度。激光的控制可利用任何合适的机器人或计算机数控(CNC)平台***来实现。与本领域中已知的激光束焊接工艺和设备一致的是，激光束42、44和46不需要真空环境或惰性环境，但本工艺优选使用保护气体，例如惰性保护气体、活性保护气体或其组合，以形成混合的保护气体。
虽然在图5和图6中没有描绘，但是在工件36和38的接合面32和34之间提供垫片是在本发明的范围内的。垫片可用于为焊接接头30提供填充金属，并且/或者提供美国公开的专利申请No.2010/0243621中所描述的额外好处，例如，使焊接通道稳定，以减少在高功率激光束焊接期间的溅射和不连续性。
如图5中所示，三个激光束42、44和46优选沿垂直于工件表面40的方向投射，但是可预见的是，激光束42、44和46可以大约70至大约110度的角度投射到工件36和38的相邻工件表面40上。例如，激光束42、44和46可相对于在某些应用中使用的工件表面40倾斜，以减轻激光束的反射，并减少焊池(未显示)的溅射，以提高激光头的寿命。电弧焊接工艺的电弧48和填充金属(未显示)定位在激光束42的焦点之后(后面)，并朝着激光束42的焦点构成向前的角度，激光束42在工件表面40上产生射束投射部52。电弧焊接工艺在工件表面40上产生电弧投射部58，电弧投射部58包围激光束42的射束投射部52，以及激光束44和46的射束投射部54和56。由激光束42和电弧44所造就的熔融焊池通常位于电弧投射部58内，或者略大于电弧投射部58。
基于图5和图6，复合式激光电弧焊接工艺包括多个顺序执行的焊接步骤，其中工艺的第一步骤由激光束42来执行，以优选地产生相对较深的透焊。激光束投射部52和电弧投射部58的中心60被描绘为投射到与被接合面32或34所限定且在接合面32或34之间的接头区域(或在接合面32或34之间的任何间隙)相重合的线62上，而侧部激光的投射部54和56与接头区域(接合面32和34)横向地间隔开。激光束42和电弧48的组合意图产生主要的焊接效应，这意味着如果不是完全由激光束42和电弧48的组合效应产生的话，将工件36和38以冶金的方式连结起来的熔融焊池和所造就的深透的焊接接头30是占主要作用的。为了产生所需的熔融焊池，激光束42的投射部52的中心点和电弧48的电弧投射部58的中心60沿着有待焊接的焊接接头分开的距离应该在大约2毫米至大约20毫米之间，更优选大约5毫米至大约15毫米。为了减轻激光功率损失并且不干扰电弧中的金属转移，激光束42必须保持离电弧最小的间距。另外，太大的间距(例如超过20毫米)可能会失去激光束42和电弧48的协同。为了穿透厚的区段(例如1厘米或更厚)，产生的激光束42优选具有大约2kW或更高的功率水平，优选大约4kW或更高，且更优选大约8kW或更高。对于具有超过1厘米厚度的工件表面40，合适的上限被认为大约20kW。更稳定的通道(当工件表面40的侧面在焊池的各个侧熔化掉时所造就的孔)可通过提高激光束42的功率来实现，因此可在单个行程内利用激光复合焊接完全地穿透更厚的材料。相反，激光束44和46并不意图穿透工件36和38的厚度，而是意图与由前导激光束42和电弧48形成的熔融焊池相互作用。出于这个原因，激光束44和46可在低于激光束42的功率水平的功率水平下进行操作。使激光束42、44和46和电弧48的投射部52、54、56和58全部同时在图5所示的焊接方向上优选协调一致地行进。
图5和图6中所示类型的焊接工艺特别适合于制造需要焊接相对较厚区段(例如1厘米或更厚)的各种构件，这种情况如制造用于发电应用中的各种构件，包括风力涡轮机塔架的结构，以及意图用于各种广泛应用(包括航空、基础设施、医疗、工业应用等)的构件。工件36和38可以是铸造件、锻造件或粉末冶金形式，并且可由各种材料形成，其非限制性的示例包括镍基合金、铁基合金、钴基合金、铜基合金、铝基合金和钛基合金。然而，当焊接工件由比软钢、不锈钢和低合金钢呈现更低流动性和减少的浸湿性的材料形成的情况下，与本发明相关联的某些优点是特别有利的，该材料的明显示例包括镍基超级合金。具体说来，优选利用额外的激光束44和46，使得其相应的投射部54和56被投射到熔融焊池的侧部边缘64上或侧部边缘64附近，熔融焊池由前导激光束42和电弧48产生并且在造就焊接接头30的熔融焊池固化之前由前导激光束42和电弧48临时维持。更具体地说，激光束投射部54和56用于混合和搅动限定熔融焊池的侧部边缘64的熔融焊接材料，以达到在限定焊接接头30的最外面的侧部边缘30B的焊趾30A中具有平滑效应的目的。这种效应意图提高经历周期性操作的焊接接头30的寿命。应该注意的是，额外的激光器投射部54和56的所需效应可在存在更多激光束投射到熔融焊池的条件下获得，因此本发明意图利用(但不局限于)图5和图6中所示的三个激光束42、44和46的使用。
为了在焊接接头30的侧部边缘30B上达到上面提到的平滑效应，优选控制激光束42、44和46的功率水平及其投射部52、54和56的直径和位置。如之前注意的那样，为了穿透工件36和38的贯穿厚度，优选在比额外的激光束44和46更高的功率水平下产生前导激光束42。为了在各个焊趾30A内和沿着焊接接头30的各个侧部边缘30B达到相似的平滑效应，优选在相同的功率水平下产生额外的激光束44和46，并且其投射部54和56的直径优选相同，或者彼此至少在50%的范围内。另一方面，前导激光束42通常将处于为任一激光束44和46的至少200%的功率水平，并且更优选大约400%至1000%，这意图确保激光束44和46不会穿透工件36和38。然而应该懂得，用于激光束42、44和46的最佳功率水平以及用于其相应的投射部52、54和56的最佳直径将依赖于进行焊接的具体材料以及能够影响焊接工艺的其它因素。
相对于电弧48的投射部58而言，优选控制射束投射部54和56的位置。在激光束投射部54和56和前导激光束投射部52之间的横向偏移距离(垂直于焊接方向)由图6中的“d1”和“d2”来表示，并且在激光束投射部54和56和投射部58的中心60之间的纵向偏移距离(平行于焊接方向)由图6中的“d3”和“d4”来表示。虽然与投射部54和56相关联的距离d1和d2被描绘为是相同的，但是可预见的是在投射部54和56中，这些距离的任一个或两者都可以是不同的。此外，虽然投射部54和56分别被描绘为位于穿过电弧投射部58的中心60的横线66的前面和后面，但是可预见的是投射部54和56的任一个或两者都可位于横线66的前面或后面，或者直接位于横线66上。由d1、d2、d3和 d4表示的投射部54和56的偏移距离均可以是使投射部54和56能够与焊池的侧部边缘64相互作用的任一距离。实际上，已经发现特别合适的偏移距离d1、d2、d3和 d4是将投射部54和56的位置放置在投射部58的中心60的10毫米内的距离。
激光束42、44和46的功率水平及其投射部52、54和56的直径和之间的距离(d1、d2、d3和 d4)可通过利用单独的激光束发生器产生各个激光束42、44和46或通过***一个或多个激光束而进行控制和调整。考虑到紧密地放置三个分开的激光束发生器以产生三个平行的射束42、44和46的困难，优选通过***主激光束来产生分开的激光束42、44和46。因此，图7描绘了一种利用单个高功率激光器72来产生主激光束74的设备70，主激光束74然后被合适的射束分离器76(例如棱镜)分开，以产生前导激光束42和侧部激光束44和46。***器76还可用于使射束42、44和46沿着由接合面32和34限定的接头区域并相对于接头区域对准和间隔开，并使射束42、44和46定向成彼此平行且垂直于工件36和38的表面40。因为前导激光束42预期处于较高的功率水平，以深深地穿透工件36和38，所以较大比例的主激光束74被描绘为用于产生前导激光束42，并且较小比例的主激光束74被描绘为用于产生侧部激光束44和46。作为非限制性的示例，如果采用4kW的激光发生器72，那么***器76可用于产生大约2kW的功率水平的前导激光束42和两个均在大约1kW功率水平的侧部射束44和46。作为另一示例，如果采用8kW的激光发生器72，那么***器76可用于产生大约6kW功率水平的前导激光束42和两个均在大约1kW功率水平的侧部射束44和46。
在激光束投射部52、54和56之间的最佳间距将依赖于其相关的功率水平和具体的应用。然而，导致本发明的实验证明侧部激光束44和46的功率水平及其投射部54和56的位置的重要性，其投射部54和56的位置靠近电弧投射部58中的熔融焊池的侧部边缘64。出于这个目的，执行了一系列试验，在这一系列实验中操作MIG焊接机和单个侧部射束，以便在不锈钢304L所形成的样品上产生焊道。所有试验的焊接速度均为60英寸(大约150cm)每分钟。在试验中利用单个侧部射束(与射束44和46的其中一个相对应)，以在所造就的焊道的相对侧提供焊趾和侧部边缘之间的对比。MIG焊接机在包含大约25V的电压和大约160A的焊接电流的条件下进行操作，其产生大约4kW的电弧功率。用于焊接工艺的电极由不锈钢填充金属ER308L形成。侧部激光束投射部(与图6中的54或56相对应)具有小于2毫米的直径。侧部射束的投射部保持在离电弧投射部(对应于图6中的58)内的熔融焊池的中心(对应于图6中的60)前方大约五毫米的距离处，并且其功率水平和离熔融焊池(电弧投射部)的中心的横向距离(对应于图6中的d1)用作试验中的变量。
图8描绘了第一试验的结果，其中侧部激光束大约为2kW的功率水平，并且其投射部定位在离MIG熔融焊池中心大约4.5毫米处。图8证明在电弧产生的焊道和侧部激光束产生的更深的焊道之间不会发生相互作用，并且所造就的焊趾和由电弧形成的焊道的侧部边缘分别是粗糙和不规则的。因此结论是侧部射束投射部没有充分靠近MIG熔融焊池，而对所造就的焊接接头没有任何影响。
图9描绘了第二试验的结果，其中侧部射束同样大约为2kW的功率水平，但其投射部定位在离MIG熔融焊池中心大约2.5毫米处。图9证明在侧部激光束和电弧产生的焊道之间发生了显著的相互作用，导致焊道的一区域由激光束和电弧的组合效应来形成。在这个试验中，与侧部激光束投射部相邻的所造就的焊趾和焊道的侧部边缘分别是平滑且均匀的，尤其相对于相对的焊趾和焊道的侧部边缘而言。因此结论是侧部射束投射部充分靠近MIG熔融焊池，以对所造就的焊道具有有利的效应。
在图10所示的第三试验中，侧部射束投射部同样定位在离MIG熔融焊池的中心大约2.5毫米处，但其功率水平减少至大约1kW。图10证明在侧部激光束和电弧产生的焊道之间仍发生了显著的相互作用，并且与侧部激光束投射部相邻的所造就的焊趾和焊道的侧部边缘分别是平滑且均匀的，尤其相对于相对的焊趾和焊道的侧部边缘而言。因此同样得出结论是侧部射束投射部充分靠近MIG熔融焊池并且处于足够的功率水平，以对所造就的焊道具有有利的效应。
在图11所示的第四试验中，侧部射束投射部定位在离MIG熔融焊池的中心大约2.5毫米处，但其功率水平减少至大约0.5kW。图11证明在侧部激光束和电弧产生的焊道之间不会发生相互作用，并且所造就的焊趾和所造就的焊道的侧部边缘分别是粗糙和不规则的。因此结论是侧部射束投射部没有充分靠近MIG熔融焊池和/或其功率水平太低，以至于对所造就的焊道没有任何显著且有利的影响。
在所使用的具体的试验条件下，得出的结论是侧部激光束(44/46)应该与电弧投射部的侧部边缘间隔得相对紧密，例如在侧部边缘的2.5毫米内，并且应该处于大约1kW或更高的功率水平，以产生焊趾平滑且侧部边缘均匀的焊接接头。
虽然已经根据优选的实施例描述了本发明，但是显而易见的是，本领域中的技术人员可采用其它形式。因此本发明的范围只受到所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种通过以冶金的方式连结工件的接合面而将至少两个工件焊接在一起的方法，所述方法包括：
将所述工件放置在一起，使得其接合面彼此相向，并且在所述接合面之间限定接头区域；
将第一激光束投射到所述接头区域上，以便在所述工件的相邻的表面上产生第一激光束投射部，并使所述第一激光束投射部沿着所述接头区域行进并穿透所述接头区域；
将电弧引导到所述工件的相邻的表面上，以便产生电弧投射部，所述电弧投射部包围所述第一激光束投射部并与之一起沿着所述接头区域而行进，所述第一激光束投射部和所述电弧投射部形成熔融焊池，所述熔融焊池能够固化而在所述接头区域中形成焊接接头；
投射一对侧部激光束以产生侧部激光束投射部，所述侧部激光束投射部被所述电弧投射部包围，并在所述第一激光束投射部后面与所述电弧投射部一起沿着所述接头区域而行进，所述侧部激光束投射部与所述熔融焊池的限定所述熔融焊池的侧部边缘的部分相互作用并影响所述熔融焊池的所述部分；并且然后
冷却所述熔融焊池，以在所述接头区域中形成所述焊接接头，并以冶金的方式连结所述工件，以产生焊接组件，所述焊接接头具有均匀的侧部焊道边缘和焊道趾，所述焊道趾限定均匀的侧部边缘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光束比所述侧部激光束中的各个处于更大的功率水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光束处于大约2kW至大约20kW的功率水平。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述侧部激光束处于不同的功率水平。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光束在所述接头区域处穿透所述工件的贯穿厚度，并且所述侧部激光束在所述接头区域处不穿透所述工件的贯穿厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电弧投射部的中心和所述第一激光束的中心定位成沿着待焊接的接头间隔开大约2毫米至大约20毫米。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述侧部激光束中的各个与所述电弧投射部的中心间隔开小于10毫米的距离。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光束和所述侧部激光束沿着所述焊接接头而彼此平行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一激光束和所述侧部激光束以大约70度至大约110度的角度投射到所述工件的相邻的表面上。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔融焊池是熔融材料，其比熔融的软钢、不锈钢和低合金钢呈现更低的流动性和减少的浸湿性。
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