[發明專利]用于激光焊接的方法和設備

無效

• 申請號: 200580037141.X
• 申請日: 2005-10-27
• 公開（公告）號: CN101076428A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發明（設計）人: 卡爾·F.·克萊因;理查德·B.·麥考恩;約瑟夫·W.·麥克爾羅伊;馬克·S.·威廉森
• 申請（專利權）人: 約翰遜控制技術公司
• 主分類號: B23K26/14
• 分類號: B23K26/14
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 蔡勝利

相關申請的交叉引用

本申請要求2004年10月9日遞交的美國臨時專利申請No.60/623,284的優先權，其整體結合于此引作參考。

技術領域

本發明總體上涉及金屬件的遠程激光束型激光焊接。更具體地講，本發明涉及提高通過遠程激光束型激光焊接方法形成的焊接件的質量的方法和設備。

背景技術

激光焊接是一種非接觸焊接過程，其中激光束的能量熔化并氣化工件以形成焊接件。在汽車工業中越來越多地使用激光焊接系統，并且更多地要求，同更為傳統的焊接過程(例如，電阻點焊、熔化極氣體保護電弧焊(例如，熔化極惰性氣體保護電弧焊(MIG))，鎢極惰性氣體保護電弧焊(TIG)等等)相比，提高產品質量、生產效率和靈活性。

在激光器作為傳統焊接過程的替代物被最初用于汽車工業時，工作頭(用于將激光束從焊接系統傳遞到工件的部位)被典型地安裝在機械臂的端部，并且工作頭(以及機械臂)必須在焊接操作中基本上靠近工件。這樣的系統目前仍被普遍使用，盡管這種系統因為要在焊接過程中將機械臂重新定位在每個焊點而導致速度受限。

最近，遠程激光束型激光焊接系統(remote?beam?laser?weldingsystem)被研制出來以提高激光焊接過程的效率。在一種遠程激光束型激光焊接系統中，工作頭安置在距工件一段分隔距離處，并且通常在焊接過程中保持固定。連接著工作頭的鏡系統被用于將激光束引導至工件上的各個需要被焊接的位置(例如，焊點、焊接接頭等等)。

在激光焊接操作中采用的兩種焊接方法為擴散焊接和穿孔(深熔)焊接。在擴散焊接中，激光束完全穿透第一層材料，只局部穿透第二層材料。在擴散焊接過程中，經常難以確定是否進行了充分的焊接。在穿孔焊接中，激光束完全穿透第一和第二層材料。穿透第二層會留下焊接痕跡(例如，熱影響區，熱應力痕等等)，這代表著實現了完全穿透。

在遠程激光束型激光焊接過程中，與其它激光焊接過程一樣，激光束被引導至工件并且形成孔，即所謂的″穿孔″，至少穿通工件的一部分。這里使用的術語″工件″通常描述被焊接在一起的兩個或更多個零件(例如，材料等等)。如顯示于圖1，工件10包括第一材料12和第二材料14，在焊接過程中穿孔18形成于其中。隨著激光束56穿透工件10，熔化的金屬移動到穿孔周邊，以形成熔池20。隨著激光束56離開焊點(即，焊接位置)的區域，熔池20重新固化以形成焊接部。

為了使激光束穿透工件，穿孔必須保持打開。除了穿孔保持打開外，穿孔還應當在穿透過程中保持穩定，以使得焊接部的孔隙度降低。

以前，遠程激光束型激光焊接系統使用相對較低的功率級別(例如，低于2千瓦(kW))。當遠程激光束型激光焊接系統使用功率級別低于2kW的激光束時，所產生的等離子體的構成成分或電子密度不會負面影響穿孔的形成和/或穩定性。因此，相對較低功率的遠程激光束型激光焊接系統可以進行操作，而沒有因形成激光引發等離子體而產生的顯著負面結果。

最近，汽車制造商嘗試使用更高功率的激光器(例如，以高于大約2kW的功率級別操作的CO₂激光器)，以增加可以實現的激光束穿透材料時的穿透深度、穿透質量和/或穿透速度。然而，使用較高功率的激光器存在限制，這是因為，在穿透時會產生激光引發的等離子體，其吸收和反射入射激光束，并且威脅到穿孔的穩定性(參看，例如，圖1，其中顯示了在焊接過程中產生的等離子體卷流23)。穿孔在焊接過程中的不穩定或崩塌可能會在焊接質量和工件的整體生產方面產生嚴重問題。

因此，需要有一種改進的遠程激光束型激光焊接方法，其使用功率級別高于大約2kW的激光器，并且在利用這種方法形成的焊接部中增大穿透性和/或降低孔隙度。還需要有這樣的遠程激光束型激光焊接方法，其能夠降低或消除這種方法中可能會形成的激光引發等離子體的影響。需要有一種方法和/或系統包括上述或其它有益特征中的一項或多項，這一點對于閱讀了本說明書的人來說是很顯然的。

發明內容

本發明的一個代表性實施例涉及一種遠程激光束型激光焊接系統，包括：一個機構，其包括至少一個鏡，用于將激光束以高于大約2kW的功率級別引導至工件的焊點；以及一個裝置，其被構造成將保護氣體引導至焊點。