CN1217248A - 激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

利用至少一束激光束(10、19、20、24)将两个或多个工件(2、3、12、13、16、17、18)与另一个工件焊接在一起的激光焊接方法,其特征在于工件优选地呈金属薄片形,在向焊接区(11)添加焊料(9)的同时激光束使焊接区(11)暴露在热辐射之下,铜基合金用作焊料(9)。可行的焊料(9)是包含重量比至少占40%的锌的黄铜焊料或包含重量比至少占40%的锌和重量比大约占10%的镍的镍银合金。更优选的焊料是CuSi3和CuAl8。同样十分有利的一种焊料是包含重量比占9%的锡、重量比占0.3%的锰和重量比占0.25%的硅的铜焊料。还说明了本方法的优选参数。

Description

激光焊接方法
本发明涉及激光焊接方法，特别是利用至少一束激光束将两个或多个工件彼此焊接在一起的激光焊接方法，其中的工件优选地呈金属薄片形，在向焊接区添加焊料的同时激光束使焊接区暴露在热辐射之下。
期望开发一种上述类型的激光焊接方法，以便实现高作业速度。
根据本发明利用铜基合金作为焊料可以实现这一目的。工件，例如呈金属薄片形的工件，相对于焊接区的相对速度选择在0.2米每分钟和10米每分钟之间，相对速度的优选值大约在4米每分钟附近。向焊接区添加焊料的速度优选地是工件相对速度的两倍。
特别是在使用电镀金属薄片时，使用铜基合金作为焊料将形成局部的铜，这样焊缝呈装饰性的金色。
根据本发明方法的优选实施方案，选用工作温度在650℃和1000℃之间的硬质焊料。焊料可以是包含重量比占40％的锌和微量锡的黄铜焊料。此外，还可以使用包含重量比至少占40％的锌、重量比大约占10％的镍和微量银的镍银焊料。同样适用的是包含硅、CuSi3混合物(即，包含重量比大约占97％的铜和重量比大约占3％的硅的焊料)的焊料，并已经被证明是有利的。另一种优选焊料包含铝、CuAl8混合物(即，包含重量比大约占92％的铜和重量比大约占8％的铝的焊料)的焊料，并已经被证明是有利的。同样特别适用的一种焊料包含铜以及重量比大约占0.3％的锰和重量比大约占0.25％的硅。
可以使用一束激光束或者使用至少部分重叠的两束激光束实现本发明激光焊接方法。此外，可以使用两束没有重叠或至少没有显著地重叠在一起的激光束实现本方法，其中激光束的焦点位于焊料与待焊接的金属薄片相接触的区域。这些焦点，例如，可以设计为沿金属薄片相对于焊接区的相对速度方向伸展的焦点线(focus line)。此外，还可以使用在与金属薄片相对于焊接区的相对速度方向垂直的方向往复地移过焊接区的扫描激光束。
可以使用Nd:YAG或二氧化碳(CO2)激光器产生激光束，Nd:YAG激光器的激光功率在500W和10,000W之间，二氧化碳激光器的激光功率在1000W和40,000W之间。
然而，还可以使用一个或多个半导体激光器产生激光束，例如一个或多个半导体激光器阵列。一个或多个半导体激光器的优选平均工作波长在800纳米左右。如果使用半导体激光器，激光功率优选地位于500W和10,000W之间，特别是在1000W和5000W之间。如果使用多个半导体激光器，特别是半导体激光器阵列，就可能有多种多样的焦点形状和光束的重叠。
如在汽车工业中，可以使用助焊剂，特别是在焊接电镀金属薄片和油漆金属薄片的情况下。
本发明激光焊接方法可以在具有或没有保护气的情况下操作。氮气、氩气、氦气和/或二氧化碳均可以用作保护气。
本发明激光焊接方法可以产生矩形端面焊缝、填角焊缝和凸缘焊缝。本发明激光焊接方法可以跨越或填充在待焊接金属薄片之间的、最高厚度等于所使用的焊线厚度的缝隙，该缝隙的宽度在0.4毫米和2毫米之间。
本发明激光焊接方法可以在具有或没有辅助电流的情况下操作，该电流，例如，由施加在焊线和金属薄片之间的电压产生。在优选电功率大约为10千瓦的情况下，辅助电流优选地在10安培和400安培之间，特别是在100安培和400安培之间。如果使用辅助电流，金属薄片和焊接区之间的相对速度以及向焊接区添加焊线的速度可以增加大约20％到50％。
此外，通过下面对给出的优选示例性实施方案进行的描述，并参照附图，将会使本发明的其它优点和特点更加明显，其中：
图1是实施产生矩形端面焊缝的本发明激光焊接方法的装置的透视简图；
图2是实施产生填角焊缝的本发明激光焊接方法的装置的透视简图；
图3是实现本发明激光焊接方法的装置的剖面简图，其中焊线位于背板上；
图4a是在使用双光束技术焊接凸缘焊缝的情况下实施本发明激光焊接方法的装置的剖面简图；
图4b是沿图4a中的箭头Ⅳb方向得到的视图。
图5是在使用扫描激光束焊接凸缘焊缝的情况下实施本发明激光焊接方法的装置的剖面简图。
图1简略地描绘了一种可以用来实施本发明激光焊接方法的装置。指明图1中所示的角度方位的坐标系x、y、z简略地示例在图1的右手部分中。所示的装置包括一块平面背板1，在其上有两块沿矩形端面焊缝4彼此对接在一起的平面金属薄片2、3。因此，背板1平行于薄片金属工件2、3，平行于薄片金属工件2、3的接合区域上的切平面。包含激光束导入单元6(未示出)和相应的聚焦透镜***7的焊头5简略地描绘在金属薄片2、3的上方。此外，焊线导入装置8安装在焊头5的内部，利用该焊线导入装置，呈焊线形的焊料9可以添加到焊接区11，该区域基本上与焊头5射出的激光束10的焦点区相对应。
在y-z平面中金属薄片2、3的顶边与向焊接区11添加焊料的方向之间的夹角用α表示。在y-z平面中向焊接区11添加焊料的方向与激光束10的中心方向之间的夹角用γ表示。夹角δ定向在x-z平面内，表示激光束10的中心方向与在金属薄片2、3的表面上穿越垂直于焊缝4的焊接区11的线之间的夹角。
图2简略地示例了两个金属薄片12、13相互重叠的情况。在这种情况下，本发明激光焊接方法产生填角焊缝14。同样图2示例了一个坐标系x、y、z，在该情况下，与图1相同，y方向指示焊缝14的方向。从图2中可以看到在x-y平面内焊料9的添加方向与焊缝14或者与工件相对于焊接区的相对速度方向之间的夹角β。
在焊接过程中金属薄片2、3或12、13相对于激光束10沿y方向移动的相对速度位于0.2米每分钟和10米每分钟之间，优选的速度值大约为4米每分钟。可以通过推动方式沿与金属薄片2、3或12、13相对于焊接区11的相对速度方向相同的方向添加焊料9。在该情况下，β=0°。此外，焊料9还可以通过拖动方式添加，即沿着与金属薄片2、3或12、13相对于激光束10的位置移动的速度方向相反的方向拖动。在该情况下，β=180°。对于矩形端面焊缝4,β=0°是优选的。对于填角焊缝14,β=30°-50°是优选的。对于凸缘焊缝(图4和图5)，角度β=0°或β=90°是优选的。
焊料9的添加速度选择在0.2米每分钟和30米每分钟之间。优选地，在这里选择的速度是3米每分钟至15米每分钟。已经证明金属薄片2、3或12、13的前进速度与焊料9的前进速度间的比值为1∶2是特别有利的。
可以使用辅助电流，在该情况下，例如，呈焊线形式的焊料9连接到电压源的正极端，金属薄片2、3或12、13连接到电压源的负极端。例如，对于大约为10千瓦的电功率，辅助电流的电流密度在100安培至400安培之间。通常，使用DC电压源是有利的，但是也可以使用AC电压源。附加的辅助电流可以使金属薄片2、3或12、13相对于激光束10的位置的相对速度和焊料9的前进速度提高大约20％至50％。
在y-z平面中向焊接区11添加焊料9的角度α处于0°和90°之间，优选的是α=8°-30°。同时，在y-z平面内激光束10的注入方向与焊料9的添加方向之间的夹角范围在γ=0°和γ=180°之间，优选的是γ=30°-90°。图3示出一个实例，其中在y-z平面中焊料9的添加方向与金属薄片16的表面之间的夹角α等于0°，同时，激光束10的注入方向和焊料9的添加方向之间的夹角γ等于90°。在该图示出的示例性实施方案中，焊料9在金属薄片16上是弯曲的，这样它在焊接区附近压靠在金属薄片上。
在X-Z平面中激光束10的注入方向相对于金属薄片表面的倾角δ处于0°至150°之间，在此优选的角度处于20°和90°之间。作为另一种情况，整个焊头5在X-Z平面内的倾斜角度δ大约在0°至90°之间，结果影响了焊料9的添加方向和激光束10的注入方向。在这种倾斜情况下，角度δ的优选范围是从60°到90°。
使用的焊料9的厚度在0.4毫米和2毫米之间。优选的厚度是在0.8毫米和1.2毫米之间。
根据本发明，使用铜基焊料9。具体地讲，应当使用工作温度在650℃和1000℃之间的硬质焊料。在该情况下，例如，推荐使用除铜之外具有重量比至少占40％的锌的黄铜焊料。在黄铜焊料中还存在微量的锡。
作为本发明的另一种焊料9，可以使用镍银焊料，该焊料中具有重量比至少占40％的锌和重量比占10％的镍。在该情况下，具有微量的银是有利的。
因为添加少量的硅将有利于增加流动性，所以有可能使用主要包含铜和硅混合物的焊料9。在该情况下，例如，推荐的铜焊料9包含重量比占3％的硅(CuSi3)。此外，可以向这种CuSi3焊料中添加铅，以此降低焊接温度。
同样是十分有利的一种焊料9是具有铝混合物的铜焊料，特别是铝的重量比占8％的混合物(CuAl8)。另一种十分有利的焊料9是铜焊料，它包含重量比占9％的锡、重量比占0.3％的锰和重量比占0.25％的硅。
对于激光器，例如，可以使用连续工作的Nd:YAG激光器。Nd:YAG激光器的工作波长通常在1064纳米左右，但它可以作为倍频激光器工作在532纳米。使用的激光功率处于500W和10,000W之间。优选使用的激光功率在2000W和4000W之间。如果Nd:YAG激光器工作在倍频模式，选择的功率应当在10W和1000W之间。
还可以使用二氧化碳(CO2)激光器，其中功率选择在1000W和40,000W之间。优选使用的功率范围在2000W和5000W之间。
然而，还可以使用一个或多个半导体激光器，例如一个或多个半导体激光器阵列。如果使用多个半导体激光器，特别是半导体激光二极管阵列，那么可能具有很多种焦点形状和光束的重叠。
焦点表面区的大小决定于待焊接焊缝的类型。焦点表面区优选地位于由衍射极限确定的最小表面区和大约25平方毫米之间。
特别是在焊接电镀金属薄片的情况下，可以使用助焊剂，因为锌起增粘剂的作用，并在局部产生黄铜。此外，例如在汽车工业中使用的油漆金属薄片可以直接进行激光焊接而不必使用助焊剂。可以在没有保护气的条件下实现本发明方法，但是也可以使用氮气、氩气、氦气和/或二氧化碳作为保护气。
图4和图5示例了凸缘焊缝的焊接方法。本发明焊接方法可以跨越宽度为焊线直径的0.5至1倍的缝隙。图4a示例了利用焊料9和已经被分割为两个子光束19、20的激光束焊接两个金属薄片17、18的方法。两个子光束19、20的焦点位于金属薄片17、18与焊料9相接触的区域内部。如图4b所示，在该情况下，作为焦点的替换物，可以使用焦点线21、23。
相应的双焦点技术还可以应用于其它焊缝，在该情况下，例如，稍宽一些的焦点加热表面区中的薄片金属材料，而较窄的焦点熔化焊接区中的焊料9。利用适当的透镜***可以由单个激光束产生两个焦点或两个焦点线。
图5显示了本发明激光焊接方法的另一种实施方案，其中的金属薄片17、18在凸缘焊缝处相互对接在一起。在该情况下，使用的激光器23能够沿箭头24指示的方向往复地移动，这样激光器23还可以保证焊料9在与金属薄片17、18相接触的区域中熔化。

Claims (62)

1．一种利用至少一束激光束(10、19、20、23)将两个或多个工件(2、3、12、13、16、17、18)彼此焊接的激光焊接方法，工件优选地呈金属薄片形，在焊料(9)添加到焊接区(11)的同时激光束将焊接区(11)暴露在热辐射之下，其特征在于铜基合金用作焊料(9)。
2．根据权利要求1的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是工作温度在650℃和1000℃之间的硬质焊料。
3．根据权利要求1或2之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是黄铜焊料。
4．根据权利要求3的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是黄铜焊料，包含重量比至少占40％的锌。
5．根据权利要求4的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是黄铜焊料，除了包含重量比至少占40％的锌之外，还包含微量的锡。
6．根据权利要求1或2之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是镍银焊料。
7．根据权利要求6的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是镍银焊料，包含重量比至少占40％的锌和重量比大约占10％的镍。
8．根据权利要求7的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是镍银焊料，除了包含重量比至少占40％的锌和重量比大约占10％的镍之外，还包含微量的银。
9．根据权利要求1或2之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)包含硅混合物。
10．根据权利要求9的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)由重量比大约占97％的铜和重量比大约占3％的硅构成。
11．根据权利要求9或10之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)由重量比大约占97％的铜和重量比大约占3％的硅以及微量的铅构成。
12．根据权利要求1或2之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)包含铝混合物。
13．根据权利要求12的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)由重量比大约占92％的铜和重量比大约占8％的铝构成。
14．根据权利要求1或2之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)由重量比大约占9％的锡、重量比大约占0.3％的锰、重量比大约占0.25％的硅和铜构成。
15．根据权利要求1至14之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)呈焊线形，其厚度在0.4毫米和2毫米之间。
16．根据权利要求15的激光焊接方法，其特征在于焊线的厚度在0.8毫米和1.2毫米之间。
17．根据权利要求1至16之一的激光焊接方法，其特征在于矩形端面焊缝、填角焊缝或凸缘焊缝产生在工件(2、3、12、13、16、17、18)之间，工件优选地呈金属薄片形。
18．根据权利要求17的激光焊接方法，其特征在于工件(2、3、12、13、16、17、18)的、形成焊缝(4、14)的接合区与焊接区(11)之间的相对速度在0.2米每分钟和10米每分钟之间。
19．根据权利要求18的激光焊接方法，其特征在于形成焊缝(4、14)的接合区和焊接区(11)之间的相对速度大约是4米每分钟。
20．根据权利要求1至19之一的激光焊接方法，其特征在于向焊接区(11)添加焊料(9)的速度在0.2米每分钟和30米每分钟之间。
21．根据权利要求20的激光焊接方法，其特征在于向焊接区(11)添加焊料(9)的速度在3米每分钟和15米每分钟之间。
22．根据权利要求18至21之一的激光焊接方法，其特征在于工件(2、3、12、13、16、17、18)的、形成焊缝(4、14)的接合区和焊接区(11)之间的相对速度大约是向焊接区(11)添加焊料的速度的一半。
23．根据权利要求1至22之一的激光焊接方法，其特征在于工件(2、3、12、13、16、17、18)位于基本上为平面的背板(1)上，在工件的接合区内，至少有一束激光束(10、19、20、23)和焊料(9)添加到背对背板的工件(2、3、12、13、16、17、18)表面。
24．根据权利要求1至23之一的激光焊接方法，其特征在于焊料(9)是以拖动或推动的方式添加的。
25．根据权利要求1至24之一的激光焊接方法，其特征在于在跨越焊接区(11)的切平面中在工件(2、3、12、13、16、17、18)的接合区内测量的、形成焊缝(4、14)的工件2、3、12、13、16、17、18)的接合区的方向与焊料(9)的添加方向之间的夹角(β)位于0°和180°之间。
26．根据权利要求25的激光焊接方法，其特征在于在矩形端面焊缝情况下，夹角(β)大约为0°。
27．根据权利要求25的激光焊接方法，其特征在于在填角焊缝情况下，夹角(β)处于30°和50°之间。
28．根据权利要求25的激光焊接方法，其特征在于在凸缘焊缝情况下，夹角(β)大约为0°或90°。
29．根据权利要求1至28之一的激光焊接方法，其特征在于由工件(2、3、12、13、16、17、18)相对于焊接区(11)的、沿焊缝方向的相对速度方向和工件(2、3、12、13、16、17、18)在焊接区(11)中的接合区的切平面表面法向方向定义的平面内，向焊接区(11)添加焊料(9)的角度(α)处于0°和90°之间。
30．根据权利要求29的激光焊接方法，其特征在于角度(α)处于8°和30°之间。
31．根据权利要求1至30之一的激光焊接方法，其特征在于在由工件(2、3、12、13、16、17、18)相对于焊接区(11)的、沿焊缝方向的相对速度方向和工件(2、3、12、13、16、17、18)在焊接区(11)中的接合区的切平面表面法向方向定义的平面内，焊料(9)的添加方向和至少一束激光束(10、19、20、23)的注入方向之间的夹角(γ)处于0°和180°之间。
32．根据权利要求31的激光焊接方法，其特征在于角度(γ)处于30°和90°之间。
33．根据权利要求1至32之一的激光焊接方法，其特征在于在由焊接区(11)中的工件(2、3、12、13、16、17、18)的接合区上的切平面表面法向和穿过焊接区(11)、平行于焊接区(11)中的工件(2、3、12、13、16、17、18)的接合区上的切平面且垂直于焊缝(4、14)的直线限定的平面内，至少一束激光束(10、19、20、23)的注入方向和焊接区(11)中的工件(2、3、12、13、16、17、18)的接合区上的切平面之间的夹角(δ)处于0°和150°之间。
34．根据权利要求33的激光焊接方法，其特征在于角度(δ)处于20°和90°之间。
35．根据权利要求1至34之一的激光焊接方法，其特征在于Nd:YAG激光器用来产生至少一束激光束(10、19、20、23)。
36．根据权利要求35的激光焊接方法，其特征在于Nd:YAG激光器的平均工作波长在1064纳米附近。
37．根据权利要求36的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在500W和10,000W之间。
38．根据权利要求37的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在2000W和4000W之间。
39．根据权利要求35的激光焊接方法，其特征在于Nd:YAG激光器工作在倍频模式，波长为532纳米。
40．根据权利要求38的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在10W和1000W之间。
41．根据权利要求1至34之一的激光焊接方法，其特征在于二氧化碳激光器用来产生至少一束激光束(10、19、20、23)。
42．根据权利要求41的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在1000W和40,000W之间。
43．根据权利要求42的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在2000W和5000W之间。
44．根据权利要求1至34之一的激光焊接方法，其特征在于一个或多个半导体激光器用来产生至少一束激光束(10、19、20、23)。
45．根据权利要求44的激光焊接方法，其特征在于使用的是半导体激光器阵列。
46．根据权利要求44或45的激光焊接方法，其特征在于半导体激光器或半导体激光器阵列的平均工作波长在800纳米左右。
47．根据权利要求44至46之一的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在500W和10,000W之间。
48．根据权利要求47的激光焊接方法，其特征在于使用的激光功率在1000W和5000W之间。
49．根据权利要求1至48之一的激光焊接方法，其特征在于焊接区(11)中的至少一束激光束(10、19、20、23)的截面面积小于或等于25平方毫米。
50．根据权利要求1至49之一的激光焊接方法，其特征在于电镀金属薄片用作工件(2、3、12、13、16、17、18)。
51．根据权利要求1至50之一的激光焊接方法，其特征在于油漆金属薄片用作工件(2、3、12、13、16、17、18)。
52．根据权利要求1至51之一的激光焊接方法，其特征在于没有使用助焊剂。
53．根据权利要求1至52之一的激光焊接方法，其特征在于没有使用保护气。
54．根据权利要求1至52之一的激光焊接方法，其特征在于使用了保护气，特别优选的是氮气和/或氩气和/或氦气和/或二氧化碳。
55．根据权利要求1至54之一的激光焊接方法，其特征在于使用了两束激光束(19、20)。
56．根据权利要求55的激光焊接方法，其特征在于两束激光束至少在焊接区部分地重叠，在焊接区中两束激光束中的一束的横截面大于另一束的横截面，这样在焊接区中横截面扩展较小的激光束入射到同样被另一束激光束加热区域。
57．根据权利要求55的激光焊接方法，其特征在于两束激光束在焊接区中没有重叠，或只有少量的重叠，在这两种情况下，激光束的焦点基本上位于焊料(9)与工件(17、18)相接触的区域内。
58．根据权利要求55至57之一的激光焊接方法，其特征在于激光束(19、20)的焦点形成基本上沿工件(17、18)相对于焊接区(11)的相对速度方向的焦点线。
59．根据权利要求1至58之一的激光焊接方法，其特征在于至少一束激光束(23)在焊接区(11)中沿基本上与工件(17、18)相对于焊接区(11)的相对速度方向垂直的方向往复移动。
60．根据权利要求1至59之一的激光焊接方法，其特征在于使用了辅助电流，该电流由施加在呈焊线形的焊料(9)和呈金属薄片形的工件(2、3、12、13、16、17、18)上的电压产生。
61．根据权利要求60的激光焊接方法，其特征在于辅助电流在10A和400A之间，特别是在100A和400A之间。
62．根据权利要求60或61之一的激光焊接方法，其特征在于与辅助电流对应的电功率大约是10千瓦。
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