專利名稱：：高反射材料的激光焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種通過使激光束僅對準具有最低反射率的部分而將一部分為高反射率的兩個金屬部件焊接在一起的方法。激光焊接參數(shù)、如分束、功率、速度及焊接幾何形狀在該工藝中是重要的。使用正確的參數(shù)可以實現(xiàn)高焊接速度及高熔深，使得相對于釬焊的傳統(tǒng)方式，YAG激光是更佳選擇。
背景技術(shù)：
：上世紀八十年代末出現(xiàn)了不銹鋼的激光焊接，而在九十年代出現(xiàn)了復合金屬化合物的電阻焊。傳統(tǒng)地，紫銅(copper)、黃銅(brass)和錫青銅的連接方式數(shù)十年來均采用釬焊。該工藝已通過證明較牢固，但具有以下缺點產(chǎn)品需整體加熱并使用釬焊材料和保護氣體。由于該工藝需要在生產(chǎn)中首先進行并較早命名產(chǎn)品，因此物流自由度較低。由于熱變形，通常在釬焊以后調(diào)整關(guān)鍵公差，并且在生產(chǎn)工藝后期進行內(nèi)部其它部件的后續(xù)裝配。采用激光焊接來取代釬焊(熔融焊或感應焊)的潛在優(yōu)勢如下質(zhì)量保持紫銅和黃銅材料的強度。環(huán)境方面所需能量少，且環(huán)境影響小。物流可以在生產(chǎn)流程的所有地點進行連接。成本更快的工藝，更少的能耗，免清洗，無酸洗(brightdipping)，無釬焊材料(銀)且無焊劑。在九十年代期間，曾嘗試實現(xiàn)紫銅與黃銅部件的牢固的激光焊接，但由于強度低，在工業(yè)領(lǐng)域均失敗了。在Danfoss公司的專利申請W02006069576Al中披露了一種激光焊接工藝，其中兩個部件被焊接在一起，而激光束從激光源沿一方向發(fā)射并至少部分進入兩個部件之間的間隙。間隙采集光束，從而其不反射掉，且該間隙用作用于焊接蒸汽散逸的間隙。當一個部件具有非常高的反射率時，例如如果一個部件是由紫銅制成的，Danfoss公司的專利申請W02006069576A1中的方法并不十分有效。如果未能非常精確地控制激光束，光束會從高反射率部件反射掉，而因此不能傳送足夠能量到焊接區(qū)域以實現(xiàn)牢固焊接。DE10346264A1描述了一種利用激光焊接將兩個部件焊接在一起的方法，其中第一部件覆蓋第二部件且存在進行焊接的凹部。凹部的目的是使兩個部件在一起。對于具有非常高反射率的金屬，通常不使用激光焊接。由于高反射率使得焊接無效，因此使用釬焊以傳統(tǒng)工藝裝配高反射率的材料。
發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明中，在高反射率材料上進行激光焊接的問題通過以下方案解決利用激光焊接將第一部件和第二部件連接在一起，第一部件和第二部件由金屬或金屬合金制成，且第一部件的反射率低于或等于第二部件的反射率。第一部件布置成部分覆蓋所述第二部件，形成重疊區(qū)域，并在重疊區(qū)域中通過將激光束指向所述第一部件的表面，通過產(chǎn)生共同焊接區(qū)域?qū)⑺龅谝徊考退龅诙考B接在一起。所述第一部件包括凹部，而焊接期間所述激光束主要指向所述凹部，且所述激光束至少部分地被采集在所述凹部中。第一部件布置成其與第二部件重疊，激光指向第一部件的表面，形成共同焊接區(qū)域，在該處激光束熔穿第一部件并進入第二部件。較小反射率的部件覆蓋最大反射率的部件，因此激光束指向較小反射率部件。此優(yōu)點在于激光束并不直接與高反射率的第二部件接觸，因此更少能量從焊接區(qū)域被反射掉。較小反射率部件可以由黃銅制成，而第二部件可以由紫銅制成。用黃銅作覆蓋給光束必要的良好開始，一旦工藝已開始，黃銅熔化且將熱量傳遞到第二部件，因此焊接區(qū)域中的第二部件也熔化，且第一部件熔化入第二部件，形成高質(zhì)量焊接。通過凹部實現(xiàn)進一步改進。凹部在較小反射率部件中形成，以采集光束，從而其不會反射掉。這將光束能量保持在凹部中，并更高效地加熱金屬。在DE10346264A1中，凹部是寬的，并不采集激光束。本發(fā)明中的凹部是窄的，并因此采集光束，意味著光束的反射主要停留在凹部中，并有助于加熱焊接區(qū)域。凹部朝底部呈圓錐形狀縮小。圓錐頂點設(shè)置成非平面底部，但該圓錐可具有圓形頂部。圓錐形狀的優(yōu)點是將反射保持在凹部中，而平坦底部會使反射更容易反射出凹部。當沒有平坦底部時，反射的光束將被偏轉(zhuǎn)，碰到凹部的側(cè)壁，并布置其它能量以加熱焊接區(qū)域。凹部寬度小于lmm;窄的凹部能夠?qū)⒋蟛糠止馐杉诎疾恐小Ｊ褂眉t外激光焊接銅基合金意味著克服材料的高反射率。顯然，由于大于95%的反射率，以O(shè)度入射角進行普通表面焊接非常困難。巨大優(yōu)勢在于建立凹部，通過多次反射及對應的蒸汽/離子吸收來困住光束。在第一部件和第二部件之間形成間隙，以允許焊接工藝產(chǎn)生的蒸汽通過該間隙從焊接區(qū)域逸出。典型地，第一部件由包含典型為鋅材料的黃銅合金制成，其具有比一般合金沸點更低的沸點。當在焊接期間鋅開始沸騰時產(chǎn)生蒸汽，因此間隙允許這些蒸汽從焊接區(qū)域逸散。該優(yōu)點在于蒸汽不會干擾或污染包含更均勻焊接的焊接區(qū)域。黃銅包括數(shù)種低沸點合金，相對焊接而言鋅是十分重要的。鋅蒸汽吸收光，與材料形成良好耦合-另一方面，由于蒸汽期間的反沖力，它也會干擾工藝的穩(wěn)定性。焊接工藝通過"逸散"間隙而穩(wěn)定，該"逸散"間隙設(shè)計在待焊接部件中，允許蒸汽逸散出。第一部件典型地由黃銅合金制成，其反射率比例如紫銅更低，第二部件典型地由紫銅或者富銅合金制成。通常，不能在像紫銅一樣的高反射率材料上焊接，但通過黃銅部件覆蓋紫銅部件，因此激光束僅與黃銅部件接觸，實現(xiàn)了對像紫銅那樣的高反射率材料進行焊接。第一部件典型地厚0.7-1.5mm。焊接工藝期間，第一部件熔穿并熔化入第二部件中。如果第一部件太厚，會花費更多時間熔穿第一部件并進入第二部件，且第二部件的熔深會更小，導致不穩(wěn)定的焊接。此外，如果第一部件太薄，鋅會從黃銅中燒出，使黃銅部件變?nèi)酢：附釉谏鲜龊穸葏^(qū)間、尤其是0.9-1.2mm的中部得到最佳結(jié)果。以10-40mm/s的焊接速度及2_3kW的激光功率能夠?qū)崿F(xiàn)最佳結(jié)果，或者利用40-70mm/s及3_4kW的激光功率。通過測試發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)并產(chǎn)生最佳焊接質(zhì)量。使用優(yōu)選焊接參數(shù)，如分光、功率、速度和焊接幾何結(jié)構(gòu)，進一步改進焊接工藝。圖1顯示了本發(fā)明中焊接方法的視圖；圖2顯示了如何使用該方法將銅管焊接到黃銅部件的實例；圖3a-e顯示了用于本發(fā)明的圖1的五個不同幾何形狀；圖4顯示了不同焊接速度的焊接的熔深和熔寬的圖；圖5顯示了作為黃銅厚度的參數(shù)的熔深和熔寬的圖；禾口圖6是顯示功率與焊接速度關(guān)系的圖。具體實施例方式圖1顯示了該焊接方法的原理，包括指向第一部件1的激光束3，由黃銅制成的第一部件1具有最低反射率并覆蓋由紫銅制成并具有最高反射率的第二部件2。第一部件1和第二部件2布置成存在第一部件1覆蓋第二部件2的重疊區(qū)域。在共同焊接區(qū)域4進行焊接，激光束3指向該共同焊接區(qū)域4并將第一部件1和第二部件2焊接在一起。焊接蒸汽通過間隙6散逸。圖2顯示了第二部件2(紫銅管)焊接到第一部件1(黃銅部件)。第一部件1上的凹部5采集第一部件1周圍360度的激光束17。當焊接工藝開始時，存在爬升期(rampingupperiod)8，并且當焊接工藝結(jié)束時，存在下降期(rampingdownperiod)9。在下降期存在重疊10。在下降期9期間，激光束17可向上遠離凹部5進入第一部件1覆蓋第二部件2的部分，因為在下降期9期間激光束17可在第一部件1中形成孔，從而下降期9在覆蓋第二部件2的材料中進行，因此第一部件1中的孔9不影響。圖3a-e顯示了該方法的不同實施例。圖3a_e包括黃銅部件11和紫銅部件12，黃銅部件11包括采集激光束14的凹部15。該凹部15位于焊接區(qū)域14中。黃銅部件11和紫銅部件12之間存在間隙16，焊接工藝產(chǎn)生的蒸汽可從該間隙離開焊接區(qū)域。圖3b-3e是與圖3a略有不同的實施例。圖3b沒有間隙16，而圖3d具有另外的間隙18，焊接產(chǎn)生的熔化物可進入其。圖3c-e中，焊接角度更傾斜。圖4顯示了在利用2kW激光的測試中，熔深、熔寬和焊接速度之間的關(guān)系。很明顯，熔深隨焊接速度增大而減小。而熔寬無明顯變化。在利用2kW激光進行的測試中，速度相對于獲得最佳線能量(能量/mm)而最優(yōu)化。當速度是10mm/s時，由于焊接熔池中的不穩(wěn)定性，線能量太高而不能產(chǎn)生光滑表面。當速度增大到15mm/s和20mm/s時，焊縫穩(wěn)定性更好。在25mm/s時，焊縫表面發(fā)現(xiàn)鋅殘留物的白色物質(zhì)。在4kW激光功率時，可用速度范圍為40-70mm/s之間。性質(zhì)上，2kW產(chǎn)生相同的焊接效果，即，低速導致黃銅的燒蝕，而紫銅的低熔深決定了高速極限。圖5顯示了焊縫參數(shù)和厚度之間的關(guān)系。對于4kW激光功率，0.5、l和1.5mm的黃銅被測試。覆蓋紫銅管的黃銅部分的厚度是重要的觀察參數(shù)。焊縫的外觀作為熔寬來說相似，僅隨黃銅厚度的增大而增大一點。在研磨后，顯示出熔深是如何受黃銅厚度影響的，即黃銅越薄、熔深越深。表1:用于每一測試的爆破壓力2kW4kW黃銅的厚度(mm)焊接速度(mm/s)速度20mm/s厚度=1.lrrnn黃銅厚度(mm)速度=40mm/s焊接速度(mm/s)厚度=1mm/sTk0.911.11.2101520253011,54050Ph211247258225220245255220185300255300290表l顯示了每一測試的爆破壓力。為評價焊接質(zhì)量，執(zhí)行爆破測試。每一焊接參數(shù)都選10件以獲得平均爆破測試結(jié)果。從表1中，2kW激光功率對于20mm/s，最高爆破壓力高達255bar;對于30mm/s，180bar;對于10mm/s，220bar。由于熔深淺，高焊接速度不能實現(xiàn)滿意的焊接強度。低焊接速度導致太高線能量而使鋅從焊縫蒸發(fā)，使黃銅部件很脆弱。黃銅的厚度也對爆破測試有影響。中間尺寸(1.lmm)具有最高爆破壓力258bar。0.9mm黃銅在211bar時爆破(很少殘余材料)，而1.2mm黃銅在225bar時爆破(極少功率留給紫銅部件)。從表1中，4kW激光功率lmm厚度得到最高爆破壓力。降低焊接速度得到300bar爆破壓力-遠超過必要極限。這意味著可以增加速度以提高生產(chǎn)率。激光束是雙光束，意味著更寬的焊縫。這顯然增大了焊縫中的結(jié)合區(qū)域。由于功率強度不夠，2kW功率不能夠?qū)崿F(xiàn)分開光束。圖6顯示了測試中發(fā)現(xiàn)的激光功率和焊接速度之間的關(guān)系。X軸20表示焊接速度[mm/s]而Y軸21表示激光功率[kW]。低于2kW以下沒有數(shù)據(jù)。在圖6的圖中，標有穩(wěn)定工藝區(qū)域22，在該區(qū)域中焊接工藝是穩(wěn)定的。在區(qū)域22的右側(cè)，當焊接速度增加時，存在淺的熔深，且凹部會崩潰，而焊接也因此不夠穩(wěn)固。在區(qū)域22的左側(cè)，當焊接速度低時，熔化會變得不穩(wěn)固，而黃銅中的鋅會蒸發(fā)而減弱黃銅的強度。實驗顯示優(yōu)化工藝的難題在于平衡熱輸入與焊接速度以及材料尺寸。黃銅部件需要具有一定厚度以在經(jīng)過光束之后充分維持_然而_太厚的黃銅重疊會降低最大速度。圖6中的弧23表示最佳結(jié)果，在區(qū)域22的中間實現(xiàn)最優(yōu)焊接強度。高速有利于焊接穩(wěn)定性，但僅止于維持凹部的熱平衡不能再保持的一點處。對焊接強度(爆破壓力為225bar)的要求意味著對于紫銅一定的熔深(以及寬度)是必須的。在此情況下，功率是限制因素。更高很可能意味著更高的速度。激光功率決定可用于實現(xiàn)良好焊縫質(zhì)量的焊接速度。圖6中，最佳焊接速度和功率之間的關(guān)系顯示為線相關(guān)。如果焊接速度與激光功率不相匹配，這會引起焊接缺陷，諸如未焊接區(qū)域或裂隙。結(jié)論1.下表顯示了實現(xiàn)低漏率及爆破測試結(jié)果的優(yōu)選焊縫參數(shù)表2焊縫幾何結(jié)構(gòu)6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>2.激光功率和最佳焊接速度之間存在大致線相關(guān)。然而，低功率及低速度下的焊縫成型不同于高功率及高速度。表3焊接速度和激光功率<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>3.使用4kW的激光功率，28mm的管徑可承受高達300bar的壓力。權(quán)利要求一種通過激光焊接將第一部件和第二部件連接在一起的方法，所述第一部件和第二部件由金屬或金屬合金制成，且第一部件的反射率低于或等于所述第二部件的反射率，其特征在于，所述第一部件(1)布置成在重疊區(qū)域覆蓋所述第二部件(2)，并在重疊區(qū)域中通過將激光束(3)引向所述第一部件(1)的表面，通過產(chǎn)生共同焊接區(qū)域(4)將所述第一部件(1)和所述第二部件(2)連接在一起，所述第一部件(1)包括凹部(5)，而焊接期間所述激光束(3)主要引入所述凹部(5)，且所述激光束(3)至少部分地被俘獲于所述凹部(5)中。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述凹部(5)呈圓錐形，朝凹部(5)的底部縮小。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述凹部(5)寬度小于lmm。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的方法，其中，所述第一部件(1)和所述第二部件(2)之間存在間隙(6)，且焊接工藝產(chǎn)生的蒸氣通過所述間隙(6)從所述焊接區(qū)域(4)選出。5.根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項所述的方法，其中，所述第一部件(1)由黃銅合金制成。6.根據(jù)權(quán)利要求l-5中任一項所述的方法，其中，所述第二部件(2)由銅或富銅合金制成。7.根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項所述的方法，其中，重疊區(qū)域中所述第一部件(1)的厚度是0.7-1.5mm厚。8.根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項所述的方法，其中，在重疊區(qū)域中所述第一部件(1)的厚度是0.9-1.2mm厚。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中，焊接速度是10-40mm/s。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，激光功率是2-3kW。11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中，焊接速度是40-70mm/s。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，激光功率是3-4kW。全文摘要本發(fā)明涉及一種將兩種金屬部件焊接在一起的方法。第一部件和第二部件由金屬或者金屬合金制成，且第一部件的反射率低于或等于第二部件的反射率。典型地，第一部件由黃銅制成而第二部件由紫銅制成。在共同焊接區(qū)域中，較小反射率部件覆蓋最大反射率部件，因此激光束僅指向較小反射率部件。其優(yōu)點在于激光束并不直接與高反射率部件接觸，因此較少能量從焊接區(qū)域被反射掉。文檔編號B23K26/32GK101784363SQ200880103474公開日2010年7月21日申請日期2008年8月15日優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日發(fā)明者安德斯·威斯特加德,皮友東,賀嘉,黃丙元申請人:丹佛斯公司