CN105246637A

CN105246637A - 激光焊接***和方法

Info

Publication number: CN105246637A
Application number: CN201480029986.3A
Authority: CN
Inventors: 理查德·E.·玛德二世
Original assignee: Photon Automation Inc
Current assignee: Photon Automation Inc
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN105246637B; CA2908124C; WO2014160927A2; EP2978559A4; JP6564360B2; US20140291304A1; JP2016521208A; EP2978559B1; EP2978559A2; US9067278B2; CA2908124A1; WO2014160927A3

Abstract

本发明揭示了使用一个纤维激光器进行精密焊接的***和方法，其中具有变化强度的激光脉冲在跨越材料接缝的多个高纵横比区域被散布。在每个高纵横比区域施加的功率强度进行变化以适应每种材料的不同材料特性，同时可以获得一个更加统一的熔池合金。

Description

激光焊接***和方法

相关申请数据

本申请是2013年3月29日提交的第13/853,612号美国专利申请的部分连续申请。

背景技术

本发明有关激光控制***，而且特别的但不排他性的，是有关激光焊接***，其中功率密度基于光束在需要焊接部份的位置而不断变化。

将两种材料用激光焊接在一起的最困难的挑战之一即中和材料的不同的熔点或热特性。焊接具有不近似的熔点或者不同厚度的材料的典型方法是向具有更高熔点的材料施加更多的能量。在传统上，这一方法通过将激光束平行于焊接线移动、同时激光束的中心从焊接线偏移的做法来实现。由于这种偏移，每个激光点落在焊接线一边的部分要多于落在另一边的部分，并因此与之相对应的，来自每一次脉冲的激光能量的更大部分被施加在具有更高熔点的材料之上。然而，每种材料上接受每次脉冲的区域显著的不平等，这通常导致每种材料不等量地被熔化进熔池，而且这种不对称的熔池会使焊接质量大打折扣。反之，如果为了使两种材料熔化的量尽量相等而让激光点更集中在焊接线上，就会有使其中更加脆弱的材料被熔化掉的风险，或者使其中更为耐久的材料得不到足够的熔化的风险，这样同样会降低焊接的质量。因此，在两种材料之间选择合适的偏移来达到理想的能量分配经常要经过试验和错误之后才能确定。

随着近衍射极限二极管泵浦固体激光器和纤维激光器的发展，使得将激光能量聚焦在一个被很大程度上缩小的点上成为可能，例如，聚焦在一个直径约为传统的Nd：YAG激光器的点的约十分之一的点上。这种很小的激光点使得沿着接缝进行焊接更加具有挑战性。首要的困难即在于需要施加足量的能量来熔化每种材料。由于激光点的大小被很大程度缩减，使得材料之间所具有的缝隙变得更加明显，而且仅通过将一个单独点相对于材料接缝进行偏移已几乎不可能在每种材料上施加足够的能量，因为激光点很小的尺寸不够覆盖每种材料的足够部分来建立一个合适的熔池。

因此，为了确保合适量的能量被施加于每种材料上，需要一个高度聚焦的激光束横跨接缝做前后循环，典型的是以“之”字形的模式做这种前后循环。这种移动可以通过将焊接部分相对于一个静止激光束移动，或者更典型的，可以通过利用二维光束引导光学装置以一个特定模式引导光束跨越材料接缝来实现。典型的光束引导光学装置利用镜子和一个双轴检流计转向头在二维空间引导光束。

与只是按与接缝平行的方向移动激光束相比，以“之”字形移动高度聚焦的激光束横跨材料接缝，可以使激光能量被施加在每种材料的一个更加宽广的区域。但是，与传统的Nd：YAG激光器的更大直径的激光点从材料接缝偏移的原因相同，“之”字形模式也很典型地相对于材料接缝偏离，以使被施加在具有更高熔点材料的区域的激光能量大于被施加在较低熔点材料的区域的激光能量，由于每种材料被熔化的量不同，这同样会导致一个不对称的熔池，。

另外，由于激光器的移动，激光器通常被运行以产生一个连续的光束或者一系列持续时间短的、具有特定脉冲重复频率的脉冲。当激光器以从低频到中频至大约5千赫兹的脉冲模式运行时(即是许多精密纤维激光焊接的应用所要求的频率)，“之”字形模式的频率和脉冲重复频率之间的关系就变得十分重要。例如，如果“之”字形模式在1千赫兹的频率运行而且激光脉冲频率同样是1千赫兹时，激光脉冲将不会被分配在横跨所期望的焊接区域内，而是相反的每一次移动时都发生在基本同一位置，例如，所有脉冲都与材料接缝平行或者所有脉冲都在接缝的一边或者另一边，取决于激光的脉冲序列开始时所在的循环的点。因此，对于许多精密焊接方法来说，通常需要使纤维激光器的脉冲频率显著大于横跨接缝的移动时间，而这样就限制了使用这种方法的整体焊接速度。

基于此，在这一领域的改进就有所必要。

发明内容

根据一个方面，本发明提供了一个改进的激光焊接方法，其中一系列不同强度的激光脉冲被散布来覆盖材料接缝，使得被施加的功率密度基于光束在焊接部分的位置、按照一个预先设定的方式进行变化。通过将按规格制定的功率密度散布在材料接缝，更为等量的每种材料可以被熔化，从而建立一个更加统一的熔池。进一步来说，由于激光不需要在经过接缝时进行多次发射，所以整体的焊接时间可以被显著缩短。在本发明中，这种将不同强度的激光脉冲进行散布来覆盖一个材料接缝的过程被称为脉冲散布技术(PulseSpreadTechnology或PST)。

在一个实施例中，一种新的激光焊接方法涉及引导激光束经过一系列跨越第一种材料和第二种材料之间接缝的短扫描，其中在每一个短扫描中，激光功率跨越一个穿过接缝的连续高纵横比区域，每一个高纵横比区域包括一个在第一种材料上的第一延长区域和一个在第二种材料上的第二延长区域。在每一个短扫描中，被施加的功率密度按照一个预先设定的方式变化，使得一个功率密度分布被应用在第一种材料的延长区域，同时另一个功率密度分布被应用在第二种材料的延长区域。这种功率密度分布的变化可以通过在每次穿过时激光束的强度和/或速度的变化来实现。功率密度分布可以被按规格制定，以使功率密度通常在光束接近材料接缝时增加，并在光束从材料接缝移开时减少。

在另一个实施例中，一个将激光能量应用到一个工件上的新的***，包括，一个纤维激光脉冲发生器，其根据在收到一个脉冲启动信号时使用者的特定强度分布来运行，以产生纤维激光脉冲；光束导向光学装置，其运行来将激光脉冲散布跨越工件的高纵横比区域；和一个控制器，控制器与光束导向光学装置和脉冲发生器相连接，其中所述控制器运行来向纤维激光脉冲发生器发出一系列脉冲启动信号，与一系列向光束导向装置发出的光束导向信号同步，以使激光脉冲沿着工件的一系列预先设定的高纵横比区域散布。所述脉冲发生器可以被设置成根据在收到不同的脉冲启动信号时使用者的不同的特定强度分布而产生不同的纤维激光脉冲。该***可进一步包括一个输入装置，用来接收一个使用者对光束导向光学装置的一系列特定的移动，同时使用者特定的强度分布被应用于一系列移动中的每个具体的移动。

在另一个实施例中，一个用来使施加于材料接缝不同两侧的功率密度不断变化的新的激光焊接***，包括一个输入装置，用来接收使用者特定系列的移动，使一个纤维激光束跨越材料接缝，以及对所述激光束的一个或多个变化的密度分布被在一系列移动中的每个具体的移动时给予施加；一个纤维激光器被设置成在收到一个相应的脉冲启动信号时根据所述一个或多个变化的密度分布来产生激光束；光束导向光学装置用来移动所产生的激光束；和一个控制器，被设置成向纤维激光器发出激光启动信号并运行光束导向光学装置，从而根据一系列具体的移动来移动激光束跨越接缝，其中激光启动信号与光束导向光学装置的运行同步，这样使得被施加于材料接缝一侧的激光功率密度大于施加于材料接缝另一侧的激光功率密度。

在另一个实施例中，一种新的激光焊接方法包括从一个纤维激光器产生一系列变化密度的光束，所述光束具有一个不对称的密度分布包括一个密度增加区域、一个高密度中心区域、和一个密度降低区域；并且将系列光束散布跨越材料接缝，这样每一个光束的大部分密度增加区域降落在接缝的一侧，同时每一个光束的大部分密度降低区域将落在接缝的另一侧。每一个光束的中心区域通常可以与材料接缝对齐。每一个光束可以散布跨越一个高纵横比区域，该区域包括位于接缝一侧的一个第一延伸区域和位于接缝另一侧的一个第二延伸区域。接缝每一侧的延伸区域可以有近似的大小，但接收不同量的功率来弥补每种材料的不同热特性。

附图说明

本发明的特点将会从以下参照附图的详细描述中得到更好的理解，其中：

图1显示了使用一个Nd：YAG激光器的大直径激光点焊接非类似材料的一种现有方法的侧面示意图。

图2显示了使用一个纤维激光器的相对较小直径的激光点焊接非类似材料的一种现有方法的侧面示意图。

图3显示了在使用图2所示的已知焊接方法过程中的激光脉冲的分配的俯视示意图。

图4是一个现有技术的纤维激光焊接***的示意图。

图5显示了根据一个实施例使用纤维激光器焊接的方法的侧视图。

图6显示了根据一个实施例的在被焊接部分的连续的高纵横比区域的俯视图。

图7显示了图5中的熔池放大图，并在上方叠加一个图表显示被施加在工件上不同位置的激光功率密度。

图8显示了根据一个实施例的纤维激光焊接***的示意图。

图9显示了根据一个实施例的脉冲启动信号和激光密度分布相对于时间的图表。

图10显示了根据一个实施例的一个输入屏幕用来接收由用户明确的一系列移动。

图11显示了根据一个实施例的一个输入屏幕用来接收由用户明确的激光强度分布示意图。

图12显示了根据另一个实施例的作为***用户界面的主屏幕。

图13显示了用于图12中用户界面的脉冲散布技术(PST)工具框下拉菜单。

图14显示了用于图12中用户界面的文档下拉菜单。

图15显示了用于图12中用户界面的编辑下拉菜单。

图16显示了用于图12中用户界面的材料下拉菜单，显示了选择材料B。

图17显示了用于图12中用户界面的材料下拉菜单，显示了选择对材料A进行抛光。

图18显示了用于图12中用户界面的焊接下拉菜单，显示了对焊接类型的选择。

图19显示了用于图12中用户界面的焊接下拉菜单，显示了对焊接几何形状的选择。

图20显示了用于图12中用户界面的清理下拉菜单，显示了对清理位置的选择。

图21显示了用于图12中用户界面的清理下拉菜单，显示了对清理几何形状的选择。

图22显示了用于图12中用户界面的激光下拉菜单，显示了可选择的激光参数。

图23显示了用于图12中用户界面的“缝隙寻找”下拉菜单的选择，显示了对限定激光路径的参数进行选择。

图24显示了一个波形样本，用来将厚度为0.020英寸的镍和钢焊接在一起。

图25显示了一个波形样本，用来将厚度为0.030英寸的镍和钢焊接在一起。

图26显示了一个波形样本，用来将厚度为0.040英寸的镍和钢焊接在一起。

图27显示了在“缝隙寻找”步骤开始时的被焊接的两部分的相机显示。

图28显示了在图27显示的基础上加上用户确定的大概激光路径。

图29显示了在图28显示的基础上加上所产生的搜索框和确定位置的缝隙点。

图30显示了在图29显示的基础上加上箭头指示出焊接线的起点和终点以及拐角。

图31显示了在图29显示的基础上加上在“缝隙寻找”步骤完成后的用户提示来确认焊接路径。

具体实施方式

虽然本发明可以有多种不同表现形式，但为了便于理解本发明的原则这一目的，本发明将以附图中的实施例作为参照，同时使用特定的语言对其进行描述。然而应当理解的是这并不意味着本发明的范围因此受到限制。对所描述的实施例的任何变化和进一步的改变、以及任何对本发明所描述的原则的进一步应用都被认为是与本发明相关领域的技术人员能够正常做到的。

图1显示了使用Nd：YAG激光器16的激光焊接非类似材料的传统方法，将高熔点材料12和低熔点材料14焊接起来。激光束16被引导照射在两种材料之间的接缝处。光束点15足够大，以横跨位于材料接缝处的小缺口18，光束的一部分15a连接高熔点材料12，光束的另一部分15b连接低熔点材料14。光束16的中央线C从材料接缝处(即缺口18处)偏移，使得光束的连接高熔点材料12的部分15a大于连接低熔点材料14的部分15b。所选择的激光偏移的量是为了对两种材料之间的熔点差进行弥补，以实现一个统一的熔池，也就是说，熔点差越大，偏移越大。如图所示，由以上方法导致的熔池20显示是不对称的，反映出其中的偏移弥补方法并非完全成功，被熔化的材料12多于被熔化的材料14。这种偏移弥补方法通常被用于Nd：YAG激光器这种典型的较大体积的激光束，但当使用很小体积的激光束时就变得难以实施。

图2显示了应用一个传统的纤维激光器来完成类似的焊接。由于纤维激光束26被聚焦在材料上一个面积小很多的点，激光束26被引导在材料接缝处前后移动。光束26a和光束26b显示了光束26在每一次开始移动和结束移动时的位置，光束26a在高熔点材料12上产生一个点25a，光束26b在低熔点材料14上产生一个点25b。

参见图4，需要焊接的材料12和材料14典型地被安装在一个转位平台38上，由激光器34产生的光束26通过使用激光扫描头36或类似的光束导向光学部件被引导。一个***控制计算机30被用来决定每次脉冲的形状、脉冲重复频率以及激光扫描头36的移动列表。通过以太网或类似的数码连接，激光扫描头的移动被发送到激光扫描头控制器32，同时脉冲形状和脉冲频率被发送到激光器34。当各部分都处于其正确的位置时，激光扫描头控制器发出控制信号，根据编程的移动列表来移动激光扫描头36。当这些移动需要激光能量时，激光扫描头控制器32向纤维激光器34发出一个信号来打开遮光器，或者如没有遮光器时则开始按照特定的频率释放脉冲，然后当要关闭激光能量时，激光扫描头控制器32发出一个信号来关闭遮光器，或者如没有遮光器时则停止释放激光脉冲。

以此方式，一系列持续时间短的激光脉冲按照一个固定的频率、沿着一个由激光扫描头36的移动所开辟的“之”字形光束路径作用在材料上。此种方式导致的激光点的分布在图3中得以显示，图3中显示了两种材料的俯视图，其中的箭头指示出“之”字形路径，同时圆圈代表了每一次激光脉冲所降落的位置点。需要说明的是，由于激光扫描头的速度相对于每次脉冲的持续时间来说较慢，所以降落点25a、25b、25c均被显示为圆圈形，但在实践中每一个降落点可能会具有一点轻微的椭圆形形状。所述“之”字形模式在高熔点材料12上的延伸要远于在低熔点材料上的延伸。因此，当一些激光点25a全部落在材料12上时，一些激光点25b全部落在材料14上，而一些激光点25c则穿过材料12和材料14之间的接缝或缝隙18，大部分的激光点落在高熔点材料12上。据此，即使激光强度在25a、25b、25c每一点上都相等，更大量的激光能量被输送到高熔点材料12上用来弥补其更高的熔点。但是，这种弥补并不总是成功的，而且由于这些激光点在高熔点材料上的延伸更广，就有这种趋势使得这种材料被熔化的更多，从而产生一个具有不对称趋势的熔池20。

图8显示了根据本发明一个实施例的一个激光焊接***41。一个控制计算机40具有一个界面，用户通过界面可以输入一个所期望的脉冲频率，然后所输入的脉冲频率被程序化进入一个脉冲发生器48，脉冲发生器与一个纤维激光器44耦合。脉冲发生器48被设置为按需要而产生脉冲。换言之，与传统上的纤维激光脉冲发生器按照一个特定的脉冲重复频率建立成形的脉冲不同，所述脉冲发生器48被设计为在接收到一个脉冲启动信号后产生一个具有所期望形状的单一脉冲。这在图9中有所描述，显示了脉冲启动信号，或脉冲同步信号，与从激光器所产生的强度输出之间的关系。为了最大限度减少接收脉冲启动信号和激光脉冲输出之间的时间间隔，脉冲发生器48可以是以现场可编程门阵列(FPGA)的形式以数码方式接收脉冲启动信号，并且基本上即刻产生合适的模拟信号使纤维激光器44输出一个具有特定强度分布的激光脉冲。

控制计算机40还为所述移动列表提供输入，用来限定这些脉冲被如何施加到工件上以及被施加在工件的什么位置，然后这一信息被发送至激光扫描头控制器42。在运行过程中，激光扫描头控制器42根据预先设定的移动列表发出光束导向信号来移动激光扫描头46，并且激光扫描头控制器42向脉冲发生器48发出脉冲启动信号，与激光扫描头的移动同步。其结果是，纤维激光器44发射的脉冲与激光扫描头46的特定移动同步，使得来自每一次脉冲的能量被散布覆盖所述工件的一个预先设定区域。优选的，激光扫描头移动的速度要快于脉冲的持续时间使得来自脉冲的能量被散布覆盖工件的一个具有高纵横比的区域，例如，一个其长度是其宽度的至少2、3、4或5倍的区域。

参照图5、6和7，在一个优选的实施例中，当激光束56从位置56A扫过到位置56B时，一个脉冲被产生，这样来自脉冲的能量被散布覆盖一个跨越材料接缝54的连续高纵横比区域55。区域55具有一个延长部分58延伸到材料12上，和一个延长部分60延伸到材料14上，并且在行进过程中激光的强度根据图7所示的强度分布而有所变化。然后激光扫描头沿着接缝54向下一个位置移动，同时当光束56以同样方式再次扫过接缝时另一个脉冲产生，再一次根据图7所示的强度分布将激光能量存放到材料12的另一个延长部分58和材料14的另一个延长部分60。这一过程不断重复，直到脉冲被沿着一系列的延长区域55散布以覆盖所期望的焊接区域。

如图6所示，每一个延长区域55沿着接缝对称分布，同时每一个延长部分58、60分别延伸进入差不多相同量的材料12、14。在所示实施例中，在每次经过时光束的直径保持恒定，因此每一个延伸部分58、60构成的整体区域在接收激光能量的每种材料12、14上基本相等。但是，由于在每一次脉冲时激光的强度水平有所变化(如图7所示沿着在焊接部分的位置变化)，所以施加在每种材料上的功率密度不同，更低的功率密度施加到较低熔点材料14上，而更高的功率密度施加到较高熔点材料12上。在每种材料上的基本相同的区域施加在很大程度上不相等的功率密度确保了每种材料差不多等量的部分被熔化，从而获得一个基本对称的熔池52。

对施加到每种材料12、14上的功率密度的变化进行选择来适应每种材料的不同热特性，并且根据这些不同进行比例上的变化。因此，当应用在热特性具有显著不同的材料上时，施加在每种材料上的功率密度可以显著不同，区别程度为25％、40％、50％或75％。

图7所示的强度分布是以一个阶梯模式的形式。使用这一模式使得当激光沿着高熔点材料12向材料接缝54从左至右移动时，出现三个部分的逐级递增的强度。当激光越过材料接缝54的缝隙时强度水平递减，然后当激光从材料接缝54移动进入较低熔点材料14时出现三个部分的逐级递减的强度。如图所示，每一个所述部分的长度基本相同，使得在材料12上获得一个逐渐增加的强度分布，同时在材料14上获得一个逐渐递减的强度分布。这种激光功率的开始时逐渐呈斜线上升和结束时逐渐呈斜线下降可以帮助减少焊接表面上的坑洼和小孔。

这种当激光束开始与更加脆弱的材料相互作用时快速减少激光能量的能力，可以防止不需要的出孔和消蚀，同时确保了一个更加统一的熔池。如图所示，强度在材料接缝处的逐级递减可以向更高熔点材料12轻微偏移。这样提供了一个错误空间来避免脉冲的最高激光强度对更加脆弱的材料14造成影响，由此进一步减少对更加脆弱的材料造成不需要的清除或刺穿的机会。

图10显示了用户使用的一个输入屏幕的屏幕截图，用来输入激光扫描头的移动列表和指定移动时是否施加激光能量。所施加的脉冲的强度分布通过图11显示的输入屏幕来设定。如图所示，每个脉冲的持续时间为1200微秒，并被分成多个100微秒的部分，每一部分的能量可以被独立设置。所获得的激光能量与时间的对照在图11左边的图表中予以显示。

回到图10，激光扫描头从(0，0)点开始，X轴代表材料接缝。激光扫描头的每一个移动可以被指定为或者是一个“标记”移动(在移动过程中施加激光功率)或者是一个“跳跃”移动(在移动过程中不施加激光功率)。用户输入每一次移动的持续时间以及与每一次移动相协调的终点，并且软件为激光扫描头计算一个恒定的速度来完成在一个特定时间内的移动。如图所示，每一次移动被设置成在1400微秒时发生，比设定的每次脉冲的持续时间稍长。延迟每次脉冲的启动可以用来抵消激光扫描头移动的迟滞效果。

图10中屏幕右边的图表中的线条显示了激光扫描头在所述系列移动中的路径。如图所示，初始的移动呈“之”字形越过材料接逢并侵入每种材料5微米，例如从点(-50，5)移动到点(-100，-5)，后期的移动侵入每种材料15微米，例如，从点(-250，-15)到点(200，15)。由于每一个移动被设置为相同的持续时间，激光在后期阶段激光扫描头移动(即横跨材料接缝的较长途径)中的移动速度大于激光在初始移动(即横跨材料接缝的较短途径)中的速度。这导致了在初始移动中，当焊接部分是冷却时，每次脉冲的能量被集中在一个与后期移动相比较小的区域，而在后期移动时焊接部分的温度由于从早期的“标记”移动中保留下来的热量而有所升高。因此，由于在每一次“标记”移动中释放的激光脉冲相同，所以在这些初始移动中向焊接部分上释放的功率密度更大，由此来“刺穿”焊接部分并开始焊接过程。因此，在后期移动中，由于焊接部分已经从早期的移动中保留了一些热量，所以将脉冲散布覆盖一个更大的区域所产生的减少的功率密度足够用来继续焊接过程而不会破坏焊接接缝。

由于在每一个单独扫描中激光以一个固定频率移动，同时输出的强度根据特定的强度分布进行变化，所以施加到焊接材料不同部分的功率密度根据激光强度分布的变化而变化。对功率密度被施加在焊接接缝周围不同点的精确控制可以使焊接质量得到很大改进。可替换的，可以在一个扫描过程中通过改变激光在扫描过程中的速度来控制所施加的功率密度。例如，激光的速度可以在其靠近接缝时减小并在其从接缝移开时增加，而不必当光束向接缝移动时增加激光的输出，然后当光束从接缝移开时减少激光的输出。可替换的，激光的速度和输出强度均可以在扫描过程中进行变化。

另外，不同的脉冲形状(即强度分布)可以被预先设定并与激光扫描头的不同移动相连，而不必在激光的每一次“标记”移动时应用相同的脉冲形状。在这种情况下，控制器将被设置为发出同步的脉冲启动信号，具体确定在一个特定的移动中应用哪种脉冲形状。例如，在图10中显示的跨越材料接缝的一套初始短扫描中可以应用一套脉冲形状，而在跨越材料接缝的更长扫描中应用另一套脉冲形状。类似的，在沿一个方向的移动中可以选择一个脉冲分布，而在沿相反方向的移动中可以选择另一个脉冲分布，而不必在沿相同方向跨越接缝的移动中(即从更高熔点材料向更低熔点材料移动)使激光总是进行“跳跃”移动来实施脉冲。

脉冲不必在每次移动时都被散布跨越接缝。例如，在一些应用中可能希望从接缝跳跃相当一段距离进入高熔点部分，然后再跳回将一系列脉冲散布跨越接缝。还应当理解的是，一个脉冲分布不需要是连续的，并且在每一个脉冲内可以零散分布有小的缝隙或者低强度或无强度的期间，而这不会背离本发明的精神。

以上描述的控制计算机40可以用软件编程来实施本发明所描述的方法。当在车间作业或其他环境中应用脉冲散布技术(PST)时(在此环境中所述应用必须在开始时设定)，一个带有用作边缘检测的软件工具的用户界面可以使这一过程变得更简单。自动搜索工具与用户输入的结合提供了有利于用户的机械装置用来在两个潜在的复杂部分之间的接缝上建立一个激光焊接缝的位置。设立焊接位置或焊接线的过程在图27-31中予以显示。限定将被散布跨越焊接线的脉冲形状的过程在图12-30中予以显示。

图27显示了两部分A和B的图像，并具有一个不规则形状的缝隙72。A和B两部分被安装在转位平台38上，并通过使用一个工业单色照相机(未显示)来观察，所获得的图像通过显示器70提供给用户。由于多种因素，如焊接部分上的不规则颜色、表面抛光、腐蚀、或污染的存在，所建议的在两部分之间的焊接缝隙72可能不会产生一个高清晰的边缘。由于其对焊接部分的形状的理解，用户可以在表面瑕疵、不规则表面抛光或一个低反差的焊接缝隙之间进行区别。

如图28所示，用户在屏幕上划出一条线74代表了激光焊接线所大体应当在的位置。如图29所示，软件然后定位一系列搜索盒子76，搜索盒子76横跨用户限定的线74，然后应用常规的灰度级边缘检测来确定每个盒子76中的点78，点78对应着两种材料之间的事实的接缝。这些经过计算的点78在图29中通过一系列“+”号来表示。

用户然后可以对点78进行手动调整，或者加上额外的点来确保缝隙的主要特性，例如图30中的箭头所指示的焊接线的拐角和顶端。如图31所示，软件然后在图像中最终的一套点78的基础上指示出最终的焊接线来寻求用户的最终同意。

在确立了焊接线之后，***决定将被施加于跨越焊接线的激光脉冲。图12-26显示了控制软件的附加特点。激光散布技术(PST)***的用户界面可以使用户在预先设定的参数的基础上建立一个应用。在一些限定被焊接在一起的部分的用户输入的基础上，***预先装载一个合适的脉冲几何形状和设置，这些几何形状和设置与那些从已经过证明的和由经验得来的关于被焊接的材料和厚度的最好结果相一致。由于一个新的激光焊接应用的初始数值根据之前实验性数据基础上的数值被预先设定，用户具有一个有利的起点来选择可以产生高质量焊接的设置。

一个持续更新的数据库为所有脉冲散布技术的用户提供新的预先限定的和改进的已存在方案。

图12显示了激光散布技术(PST)工具框的主屏幕，其中显示了一个典型设置。输入参数出现在用户界面的多个位置，包括在主屏幕上和下拉菜单内。每一个经测验的焊接组合的输入参数被存储在脉冲散布技术数据库中。

输入参数可以包括：

●材料-焊接的A边材料和B边材料的下拉列表

●厚度-焊接的每一边的下拉列表和输入框

●表面抛光-用户选择数值，从1＝清洁到5＝最大腐蚀

●焊接宽度-下拉列表和输入框

●焊接时间-数据字段

●焊接重叠-数据字段(百分比)

●焊接几何形状-下拉列表；对接，搭接，坡口搭接

●焊接类型-下拉列表(锁眼焊接、传导焊接、混合焊接)

●脉冲形状-下拉图表列表显示基本脉冲形状

当用户输入一些关键参数时，如材料类型、厚度、和焊接形状，***进行搜索，然后自动加载一个合适的波形。波形可以从一个波形数据库中进行选择，数据库中的波形已被设定为适用于类似的材料组合和输入参数。用户然后可以根据特定的应用而修改自动加载的波形的数值。例如，如果用户要选择需要焊接的材料为低碳钢和镍，并选择了一个厚度为0.020英寸，程序将自动预选表面抛光的数值(将假定一个该种材料的平均抛光基线)、焊接宽度、焊接时间、焊接重叠和脉冲形状。例如，如果低碳钢具有一个轻微的腐蚀层，用户可以改变预先选择的表面抛光数值，促使***在焊接之前建议一个清洁过程。或者，如果用户需要一个比所建议的焊接宽度更宽的宽度，用户可以改变该数值。

为每一种材料组合用作输入参数的数值可以根据经验来决定。但是，一个之前被限定的和证明的焊接脉冲可以按比例进行调整，从而可以对更厚或更薄的该种材料组合进行焊接。将这一衍生的比例因素应用到一个缺失的参数上为用户的应用提供了一个很好的起点。以下给出了一个按比例调整的示例。

各种输入参数和这些输入参数的数值之间的典型关系遵循可预期的传统理论：

●更厚的材料通常比更薄的材料需要更多的激光能量进行熔化和焊接。

●具有更高熔点的材料通常比具有更低熔点的材料需要更多的激光能量进行熔化和焊接。例如，铱的熔点是2466℃，镍的熔点是1455℃。将这两种材料焊接在一起时，熔化铱所需要的激光能量要多于熔化镍所需要的激光能量。

●由于吸收特性的不同，具有闪光、反光表面的材料通常比具有黑暗、干涩的表面需要更多的激光能量进行熔化。

●更快的焊接时间将通常需要增加激光能量来获得对所给定的材料和厚度进行类似的焊接。

以下是对各种输入参数数据类型的描述：

●材料-输入；可从持续更新的脉冲散布技术(PST)数据库进行选择；用户可以限定新的材料。

●厚度-输入；从脉冲散布技术(PST)数据库可选择的数值。有关厚度的已证明的数值被储存在数据库中。用户可以输入一个其选择材料的数值不必然的被包含在脉冲散布技术(PST)数据库中。软件将建议一个具有成比例幅度的波形。详见以下的“成比例范例”部分。

●表面抛光-输入；被观察的材料的表面抛光。数值1到5表示从非常清洁到被腐蚀的范围。对于还未清洁的材料将会建议一个抛光路径。

●焊接宽度-输入；从脉冲散布技术(PST)数据库可选择的数值。有关焊接宽度的已证明的数值被储存在数据库中。用户可以输入一个所期望的焊接宽度的数值，这一数值未被证明和包含在数据库中。在已测验材料的直线推算的焊接宽度的基础上，软件将建议一个具有成比例范围和振幅的波形。

●焊接时间-输入；每次脉冲持续的时间数值。这一数值根据对该种材料和测试的厚度的经验来决定。用户可以无视这一数值。改变这一数值将不会影响其他参数。如果由于激光移动一个更远的距离所用的时间增加而使焊接宽度参数改变，则焊接宽度参数将会自动改变。

●焊接重叠-输入；脉冲之间的重叠的数字百分比。这一数值由用户进行选择，并且与其他参数没有关联。

●焊接形状-输入；该数值为焊接形状的可选择的数值，包括但不局限于对接焊接、搭接焊接、坡口搭接焊接。

●焊接类型-输入；在对两种所列材料的已证明方法的基础上，激光焊接类型的预先选择值。虽然对两种所选择材料这一数值可以被改变，但这样做通常会引起其他参数的改变。

●脉冲类型-输入；与经验证明的两种材料的脉冲形状相联系的预先选择的形状(图标)。用户可以对所建议的脉冲形状进行修改进而得到最终的脉冲形状，对此以下将进行更全面的描述。

主输入屏幕包括一个图表，显示被散布跨越焊接接缝的脉冲的波形，其中激光功率在竖轴显示，同时横轴显示激光光束相对于焊接接缝的位置。该图表的一个范例在图12的右上角予以显示，显示了当光束从材料A到材料B时，焊接脉冲(顶部曲线-较高强度)和一个清洁路径(底部曲线-较低强度)的激光强度的变化。被施加脉冲的焊接线在图12中图表的右下角予以显示，其中的焊接线由以上图27-31所描述的方法来决定。

在材料类型、厚度、和材料形状的输入参数的基础上，***自动建议一个合适的波形用来作为应用的起始点。用户然后可以通过触摸和将其拖拽到所选择的点上来改变波形，使用户对焊接应用进行调整以达到一个理想的结果。图12显示了一个文本框，反应了选择焊接路径(顶端曲线)的点#5，指示在那一点的激光能量为50％或100瓦特，并且该点的所在位置是在焊接线左边0.005英寸。如图所示，每一曲线具有13个不同的拖拽点。用户可以向波形增加拖拽点来进一步对其形状进行限定和编辑。

用户被允许保存一个惯用的脉冲波形，并且可以输入用户对材料、厚度、抛光和其他参数所限定的数值。

如果被焊接的两种材料或者其中一种材料，其表面抛光被腐蚀或者表面不一致，一个较低功率的清理扫描作为焊接脉冲的一部分可以被使用。清理扫描只使用足够的激光功率来将腐蚀部分从材料的表面熔化掉，同时在不熔化掉材料的情况下建立一个更加平整的表面。由于腐蚀被清除，使得材料可以从更高激光焊接功率吸收更为统一和可预测量的能量。例如，一个清理扫描的典型值是30瓦特的激光功率，与此相比，一个焊接扫描可以使用300瓦特的激光功率。

清理扫描可以在一个应用中以三种方式被使用。首先，当光束沿一个方向移动时，通过使用低功率将清理扫描包含在一个单一激光脉冲中，然后当光束沿另一个方向移动跨越焊接接缝的时，通过使用较高功率将清理扫描包含在一个单一激光脉冲中。或者，用于清理的脉冲可以以一种互换的方式使用，即使用一个分开的低功率清理扫描，然后再使用一个分开的、高功率焊接脉冲。在这种情况下，高功率脉冲和低功率脉冲进行互换。第三种情况将只允许清理扫描沿着要焊接的两个部分的缝隙，这样使用户在焊接前可以对接缝处进行检查。

焊接的类型还决定了所使用的波形的形状。一个锁眼式焊接可以在焊接开始时，即在材料刚刚被刺穿的时候，使用一个更大量的功率，形成锁眼，然后功率可以减少一些来对材料进行焊接，使得在焊接时不会切穿材料。在传导式焊接的情况下，一个减少的斜坡波形可以对材料产生更为循序渐进的加热。

程序的所有参数和功能的数值都可以通过在下拉菜单中获得。广泛使用的用来限定激光焊接参数的关键参数在主屏幕显示。

菜单描述：

以下描述了用户可以在主程序获得的菜单结构和参数的特点。

脉冲散布技术(PST)工具框菜单：

用来设置关于应用的脉冲散布技术(PST)工具框和信息的优选例和工具可以在该菜单中找到。(见图13)

文档菜单：

该菜单中具有基本文档管理功能，与大部分通常使用的软件类似。(见图14)

编辑菜单：

该菜单中具有基本编辑功能，与大部分通常使用的软件类似。(见图15)

材料菜单：

该菜单包括用于选择和限定被焊接在一起的每种材料的属性。该菜单可以使用户从一个材料列表中进行选择，所述材料列表已经事先被限定，或者是已经经过用户设置和存储。选择包括材料、厚度和抛光。用户可以限定一个新的材料和厚度，并有机会将这种材料的数值进行存储以便将来使用。(见图16和17)

焊接菜单：

焊接配置，包括焊接的物理尺寸、沿着缝隙位置基础上的激光功率和每次脉冲的重叠的量，可以在该菜单内进行限定。

“焊接配置编辑”是一个图表展示，使用户可以沿着图表来操纵点位，对当脉冲扫过焊接接缝时所使用的激光功率的量进行限定。用户能够随着脉冲而改变点位，然后将所获得的波形进行存储以便现在和将来的应用。界面可以允许用户沿着波形使用鼠标来拖拽那些点，或者用户可以选择通过键盘输入为每一个点输入数值。用户还可以在波形上添加点来进一步限定其形状。

基本的焊接类型也可以被选择，如锁眼式焊接、传导式焊接或混合式焊接。通过选择一个基本焊接类型，***建议一个合适的焊接配置，并且可以对配置进行调整使其适合目前的应用。(见图18和19)

清理菜单：

与用来限定焊接配置的图表界面相类似，还可以使用“清理配置编辑”对一个清理配置进行阅览、编辑和储存。

清理配置的数值还可以通过菜单进行快速选择，由此获得一个预加载的清理配置，并且用户可以对该配置进行编辑。(见图20和21)

激光菜单：

在该菜单可以找到与***所使用的特定品牌的激光器相关的设置。在脉冲散布技术(PST)工具框菜单内的优选例使用户可以预先选择在该菜单内预先加载了变量的激光器品牌和型号。

其他的激光光束特点，如激光点的尺寸和透镜焦距，可以在该菜单内进行限定。

“缝隙寻找”菜单：

脉冲散布技术(PST)工具框软件中的“缝隙寻找”特征可以允许用户通过一个轴向照相机限定一个焊接缝隙的位置。“缝隙寻找”是一个图表界面，该界面将激光光束路径叠加到相机图像上方，使用户可以操控焊接路径的位置和形状。

用户能够改变与检测焊接缝隙位置和路径调整相关的工具的数值。图表展示显示了叠加到被焊接部分的相机图像上的最终焊接路径(见图23)。“缝隙寻找”特征的运行已经在以上与图27-31相关的部分进行了描述。

视图菜单：

改变出现在主界面屏幕上的视图的选择可以在该菜单找到。(见图15)

帮助菜单：

在这一菜单中可以找到对脉冲散布技术(PST)工具框的任何功能的在线帮助。

成比例范例

一个被在先限定和证明的焊接脉冲可以被按比例设定，这样可以允许材料组合在更厚或更薄的情况下被焊接。将这一衍生的比例因素应用到一个缺失的参数为用户的应用提供了一个强有力的起点。

基于已证明的、用于具有已知厚度的材料组合的激光焊接脉冲，同时考虑相同的、但是具有增加厚度的材料组合，我们希望了解将波形比例化的量。我们对此定义为一个激光功率百分比增长。

P_新＝激光功率百分比增长

厚度，或者“厚度因素”的改变亦由一个百分比增长来表达，

F＝厚度百分比增长

这一公式中包含一个常量，代表被焊接在一起的材料的热力。

W_c＝焊接常量

P_新＝W_c(F²+F)

通过两种不同厚度的焊接测试样本，我们可以比较在两种样本中沿着激光脉冲曲线的一个点所使用的激光功率的量，并获得一个W_c的数值。这一数值可以被用来计算一个用于更厚材料的预估激光焊接脉冲。

样本计算

两个具有不同的、已知厚度的激光焊接样本经过测试，并且激光脉冲波形被储存在数据库中。对于一个沿着脉冲的已知点来说，我们可以看到有效地对两种样本进行焊接所需要的激光功率。由此导致了一个P_新数值或功率的百分比增长。我们还能够看到厚度关系，厚度关系产生了一个厚度百分比增长F。我们可以解决这一方程式并决定用于这种材料组合的焊接常量W_c。

已知样本：

.020英寸厚的镍被焊接到.020英寸厚的钢上

在一个给定样本点的激光功率＝100瓦特(见图24)

并且

.030英寸厚的镍被焊接到.030英寸厚的钢上

在一个给定样本点的激光功率＝200瓦特(见图25)

因此，厚度百分比增长F＝50％或.5，并且功率增长P_新＝100％或1。解决焊接常量，

W_c＝(P_新)/(F²+F)

W_c＝1/(0.5²+0.5)＝1.33

现在，我们能够通过将那种材料组合的衍生焊接常量W_c应用到这一公式来估计用来焊接一个未经测试的材料厚度的一个新的脉冲波形。

问题：0.040英寸厚的材料尚未被存储在材料数据库中。

使用衍生的焊接常量W_c＝1.33，我们可以决定这种新材料厚度的P_新值。

P_新＝1.33(1²+1)

P_新＝2.67，或一个267％的功率增长

在该特定的点进行焊接所需的新的激光功率被估计为

2.67+1*(100瓦特)＝367瓦特

***范例

根据图8的一个激光焊接***被使用下列元件建立：

***计算机：核心***USA20132-4U006.01机架固定带触摸屏电脑

激光扫描头控制器：剑桥科技SM1000S-15-5激光扫描头控制器，带5米电缆

激光扫描头：剑桥科技61725PSXY2-YP激光扫描头；剑桥科技P0075-0010(Linos4401-228-000-20)254毫米镜头；剑桥科技720-80437-05-5扫描头间隔板

纤维激光器：IPGYLR-300-AC-Y11300W纤维激光器；IPGP45-003757型5米到QBH连接器的装甲纤维

脉冲发生器：国家仪器型号781502-01NI-9148以太网RIO扩展机箱；国家仪器型号779351-01#94018-CHTTLDIO100nS模块；国家仪器型号779012-01#92634Ch类比输出模块

编程软件：国家仪器型号labVIEW12.0；国家仪器型号LabVIEWFPGA模块；剑桥科技通用API带有LabVIEW驱动器。

所述***被用来将熔点为2410℃的一种金属合金焊接到熔点为1455℃的另一种金属合金上。脉冲被散布覆盖一个区域分别延伸进每种材料15微米。在完成时，焊接部分被检查，每种材料被熔化的量相似，并且形成一个基本一致的熔池。

本文中所陈述的任何理论、运行机械装置、证据、或发现旨在进一步加强对本发明实施例的理解，而并不是意在使本发明以任何方式附属于这种理论、运行机械装置、证据、或发现。关于权利要求，除非具体声明与权利要求相反，其中所使用的词汇，如“一个”、“至少一个”、或“至少一部分”并不意味将权利要求局限于一种事项。另外，除非具体说明情况相反，当使用“至少一部分”和/或“一部分”的语言时，该事项可以包括一部分和/或整个事项。

虽然本发明的实施例通过附图和以上描述进行了详细地展示和描述，上述展示和描述的特征应被看作是说明性的而不是限定性的，同时应当理解本文演示和描述的只是被选择的实施例，而所有来自本发明的精神内的、由本发明任何权利要求所限定的改变、变化和等同物均应当得到保护。还应当理解的是，虽然在以上描述中使用的有些词汇，如优选的、优选地、倾向于或更加倾向于，显示出这样描述的特征可以更加被期望，但这不是必然的，而且没有这些词汇的实施例应当被看作是在本发明的权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种激光焊接方法，包括：

引导一个激光光束进行跨越第一种材料和第二种材料之间的接缝的一系列移动，其中在每一次所述移动时激光功率被施加在横跨穿越接缝的一个连续的高纵横比区域，其中每一次移动所经过的高纵横比区域包括在第一种材料上的一个第一延伸区域和在第二种材料上的一个第二延伸区域；并且

以预先决定的方式改变在每一次移动时所施加的功率密度，使得被施加在每一个第一延伸区域的平均功率密度与被施加在每一个第二延伸区域的平均功率密度不同，以此来弥补材料的不同的热特性。

2.如权利要求1所述的方法，其中在每一次移动时所述施加在第一延伸区域的平均功率密度比施加在第二延伸区域的平均功率密度至少大25％。

3.如权利要求1所述的方法，其中改变功率密度包括改变光束移动跨越所述高纵横比区域时的速度。

4.如权利要求1所述的方法，其中改变功率密度包括改变光束移动跨越所述高纵横比区域时激光光束的强度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一延伸区域具有一个延伸的长度，其是与之相对应的第二延伸区域所限定的延伸的长度的约25％以下。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一延伸区域具有一个延伸的长度，其是与之相对应的第二延伸区域所限定的延伸的长度的约10％以下。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一延伸区域的大小是所述第二延伸区域大小的约25％以下。

8.如权利要求1所述的方法，其中施加于所述第一延伸区域离接缝最远的一半区域的所述平均功率密度是施加于所述第一延伸区域离接缝最近的另一半区域的不到70％。

9.如权利要求8所述的方法，其中施加于所述第二延伸区域离接缝最远的一半区域的所述平均功率密度是施加于所述第二延伸区域离接缝最近的另一半区域的不到50％。

10.一个将激光能量应用到一个工件上的***，包括：

一个纤维激光脉冲发生器，在收到一个脉冲启动信号后，根据一个由用户明确的强度分布，通过运行来产生纤维激光脉冲。

光束导向光学装置，通过运行将所述激光脉冲散布跨越所述工件的高纵横比区域；和

一个控制器，与所述光束导向光学装置和所述脉冲发生器相耦合，其中所述控制器通过运行向纤维激光脉冲发生器发出一系列脉冲启动信号，这些信号与向光束导向光学装置发出的一系列光束导向信号同步，以使得激光脉冲沿着一系列预先决定的所述工件的高纵横比区域散布。

11.如权利要求10所述的***，其中所述纤维激光脉冲发生器在收到不同的脉冲启动信号后，根据由用户明确的不同强度分布，通过运行产生不同的纤维激光脉冲。

12.如权利要求10所述的***，其进一步包括一个输入装置，用来接收光束导向光学装置的一系列由用户明确的移动、以及在所述一系列移动中的具体移动中由用户明确的所施加的强度分布。

13.如权利要求12所述的***，其中所述纤维激光脉冲发生器包括一个与一个纤维激光器进行模拟通讯的现场可编程门阵列。

14.如权利要求13所述的***，其中所述输入装置包括一个控制计算机，所述控制计算机与所述现场可编程门阵列和控制器进行数字通讯。

15.如权利要求10所述的***，其进一步包括一个安装在转位平台上的工件，其中所述工件包括需要被焊接的两种材料、以及穿过这两种材料之间接缝的高纵横比区域。

16.一个用来动态地改变施加到一个材料接缝的不同一侧的激光功率密度的激光焊接***，包括：

一个输入装置，用来接收一系列由用户明确的纤维激光光束跨越一个材料接缝的移动、以及在所述一系列移动中的具体移动中所被施加的激光光束的一个或多个变化强度分布；

一个纤维激光器，用来在收到一个相应的激光启动信号时根据一个或多个变化强度分布来产生一个激光光束；

光束导向光学装置，用来移动所产生的激光光束；和

一个控制器，用来向所述纤维激光器发送激光启动信号，并运行所述光束导向光学装置，从而根据所明确的一系列移动来移动激光光束跨过接缝，其中所述激光启动信号与光束导向光学装置被设置成同步，这样使被施加于材料接缝一侧的激光功率密度大于被施加于材料接缝另一侧的激光功率密度。

17.如权利要求16所述的激光焊接***，其中所述控制器被设置为当激光被施加时，当激光向接缝处移动时激光的速度减少，而当激光从接缝处移开时激光的速度增加。

18.如权利要求16所述的激光焊接***，其中所述控制器被设置为当激光被施加时，当光束接近接缝处时激光的强度增加，而当光束从接缝处移开时激光的强度减少。

19.一个激光焊接方法包括：

从一个纤维激光器产生一系列具有变化强度的光束，所述光束具有一个不对称的强度分布，包括一个强度增加区域、一个高强度中心区域、和一个强度减少区域；并且

将所述一系列光束散布跨过一个材料接缝，使得每一个光束的所述强度增加区域的大部分降落在接缝的一侧，而每一个光束的所述强度减少区域的大部分降落在接缝的另一侧。

20.如权利要求19所述的方法，其中每一个光束的所述中心区域通常与接缝成一直线。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述光束散布跨过一个高纵横比区域，该区域包括一个位于接缝一边的第一延伸区域和一个位于接缝另一边的第二延伸区域，其中第一和第二延伸区域的尺寸在彼此的25％之内，并且施加于第一延伸区域的功率比施加于第二延伸区域的功率多至少25％。

22.如权利要求21所述的方法，其中施加于第一延伸区域的功率比施加于第二延伸区域的功率多至少40％。