高反射材料的激光焊接 【技术领域】
本发明涉及一种通过使激光束仅对准具有最低反射率的部分而将一部分为高反射率的两个金属部件焊接在一起的方法。激光焊接参数、如分束、功率、速度及焊接几何形状在该工艺中是重要的。使用正确的参数可以实现高焊接速度及高熔深，使得相对于钎焊的传统方式，YAG激光是更佳选择。
背景技术
上世纪八十年代末出现了不锈钢的激光焊接，而在九十年代出现了复合金属化合物的电阻焊。传统地，紫铜(copper)、黄铜(brass)和锡青铜的连接方式数十年来均采用钎焊。该工艺已通过证明较牢固，但具有以下缺点：产品需整体加热并使用钎焊材料和保护气体。由于该工艺需要在生产中首先进行并较早命名产品，因此物流自由度较低。由于热变形，通常在钎焊以后调整关键公差，并且在生产工艺后期进行内部其它部件的后续装配。采用激光焊接来取代钎焊(熔融焊或感应焊)的潜在优势如下：
质量：保持紫铜和黄铜材料的强度。
环境方面：所需能量少，且环境影响小。
物流：可以在生产流程的所有地点进行连接。
成本：更快的工艺，更少的能耗，免清洗，无酸洗(brightdipping)，无钎焊材料(银)且无焊剂。
在九十年代期间，曾尝试实现紫铜与黄铜部件的牢固的激光焊接，但由于强度低，在工业领域均失败了。
在Danfoss公司的专利申请WO2006069576A1中披露了一种激光焊接工艺，其中两个部件被焊接在一起，而激光束从激光源沿一方向发射并至少部分进入两个部件之间的间隙。间隙采集光束，从而其不反射掉，且该间隙用作用于焊接蒸汽散逸的间隙。
当一个部件具有非常高的反射率时，例如如果一个部件是由紫铜制成的，Danfoss公司的专利申请WO2006069576A1中的方法并不十分有效。如果未能非常精确地控制激光束，光束会从高反射率部件反射掉，而因此不能传送足够能量到焊接区域以实现牢固焊接。
DE10346264A1描述了一种利用激光焊接将两个部件焊接在一起的方法，其中第一部件覆盖第二部件且存在进行焊接的凹部。凹部的目的是使两个部件在一起。
对于具有非常高反射率的金属，通常不使用激光焊接。由于高反射率使得焊接无效，因此使用钎焊以传统工艺装配高反射率的材料。
【发明内容】
在本发明中，在高反射率材料上进行激光焊接的问题通过以下方案解决：利用激光焊接将第一部件和第二部件连接在一起，第一部件和第二部件由金属或金属合金制成，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盖所述第二部件，形成重叠区域，并在重叠区域中通过将激光束指向所述第一部件的表面，通过产生共同焊接区域将所述第一部件和所述第二部件连接在一起。所述第一部件包括凹部，而焊接期间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。
第一部件布置成其与第二部件重叠，激光指向第一部件的表面，形成共同焊接区域，在该处激光束熔穿第一部件并进入第二部件。
较小反射率的部件覆盖最大反射率的部件，因此激光束指向较小反射率部件。此优点在于：激光束并不直接与高反射率的第二部件接触，因此更少能量从焊接区域被反射掉。较小反射率部件可以由黄铜制成，而第二部件可以由紫铜制成。用黄铜作覆盖给光束必要的良好开始，一旦工艺已开始，黄铜熔化且将热量传递到第二部件，因此焊接区域中的第二部件也熔化，且第一部件熔化入第二部件，形成高质量焊接。
通过凹部实现进一步改进。凹部在较小反射率部件中形成，以采集光束，从而其不会反射掉。这将光束能量保持在凹部中，并更高效地加热金属。
在DE10346264A1中，凹部是宽的，并不采集激光束。本发明中的凹部是窄的，并因此采集光束，意味着光束的反射主要停留在凹部中，并有助于加热焊接区域。
凹部朝底部呈圆锥形状缩小。圆锥顶点设置成非平面底部，但该圆锥可具有圆形顶部。圆锥形状的优点是将反射保持在凹部中，而平坦底部会使反射更容易反射出凹部。当没有平坦底部时，反射的光束将被偏转，碰到凹部的侧壁，并布置其它能量以加热焊接区域。
凹部宽度小于1mm；窄的凹部能够将大部分光束采集在凹部中。
使用红外激光焊接铜基合金意味着克服材料的高反射率。显然，由于大于95％的反射率，以0度入射角进行普通表面焊接非常困难。巨大优势在于：建立凹部，通过多次反射及对应的蒸汽/离子吸收来困住光束。
在第一部件和第二部件之间形成间隙，以允许焊接工艺产生的蒸汽通过该间隙从焊接区域逸出。典型地，第一部件由包含典型为锌材料的黄铜合金制成，其具有比一般合金沸点更低的沸点。当在焊接期间锌开始沸腾时产生蒸汽，因此间隙允许这些蒸汽从焊接区域逸散。该优点在于：蒸汽不会干扰或污染包含更均匀焊接的焊接区域。
黄铜包括数种低沸点合金，相对焊接而言锌是十分重要的。锌蒸汽吸收光，与材料形成良好耦合‑另一方面，由于蒸汽期间的反冲力，它也会干扰工艺的稳定性。焊接工艺通过“逸散”间隙而稳定，该“逸散”间隙设计在待焊接部件中，允许蒸汽逸散出。
第一部件典型地由黄铜合金制成，其反射率比例如紫铜更低，第二部件典型地由紫铜或者富铜合金制成。通常，不能在像紫铜一样的高反射率材料上焊接，但通过黄铜部件覆盖紫铜部件，因此激光束仅与黄铜部件接触，实现了对像紫铜那样的高反射率材料进行焊接。
第一部件典型地厚0.7‑1.5mm。焊接工艺期间，第一部件熔穿并熔化入第二部件中。如果第一部件太厚，会花费更多时间熔穿第一部件并进入第二部件，且第二部件的熔深会更小，导致不稳定的焊接。此外，如果第一部件太薄，锌会从黄铜中烧出，使黄铜部件变弱。焊接在上述厚度区间、尤其是0.9‑1.2mm的中部得到最佳结果。
以10‑40mm/s的焊接速度及2‑3kW的激光功率能够实现最佳结果，或者利用40‑70mm/s及3‑4kW的激光功率。通过测试发现这些参数并产生最佳焊接质量。
使用优选焊接参数，如分光、功率、速度和焊接几何结构，进一步改进焊接工艺。
【附图说明】
图1显示了本发明中焊接方法的视图；
图2显示了如何使用该方法将铜管焊接到黄铜部件的实例；
图3a‑e显示了用于本发明的图1的五个不同几何形状；
图4显示了不同焊接速度的焊接的熔深和熔宽的图；
图5显示了作为黄铜厚度的参数的熔深和熔宽的图；和
图6是显示功率与焊接速度关系的图。
【具体实施方式】
图1显示了该焊接方法的原理，包括指向第一部件1的激光束3，由黄铜制成的第一部件1具有最低反射率并覆盖由紫铜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覆盖第二部件2的重叠区域。在共同焊接区域4进行焊接，激光束3指向该共同焊接区域4并将第一部件1和第二部件2焊接在一起。焊接蒸汽通过间隙6散逸。
图2显示了第二部件2(紫铜管)焊接到第一部件1(黄铜部件)。第一部件1上的凹部5采集第一部件1周围360度的激光束17。当焊接工艺开始时，存在爬升期(ramping up period)8，并且当焊接工艺结束时，存在下降期(ramping down period)9。在下降期存在重叠10。在下降期9期间，激光束17可向上远离凹部5进入第一部件1覆盖第二部件2的部分，因为在下降期9期间激光束17可在第一部件1中形成孔，从而下降期9在覆盖第二部件2的材料中进行，因此第一部件1中的孔9不影响。
图3a‑e显示了该方法的不同实施例。图3a‑e包括黄铜部件11和紫铜部件12，黄铜部件11包括采集激光束14的凹部15。该凹部15位于焊接区域14中。黄铜部件11和紫铜部件12之间存在间隙16，焊接工艺产生的蒸汽可从该间隙离开焊接区域。图3b‑3e是与图3a略有不同的实施例。图3b没有间隙16，而图3d具有另外的间隙18，焊接产生的熔化物可进入其。图3c‑e中，焊接角度更倾斜。
图4显示了在利用2kW激光的测试中，熔深、熔宽和焊接速度之间的关系。很明显，熔深随焊接速度增大而减小。而熔宽无明显变化。
在利用2kW激光进行的测试中，速度相对于获得最佳线能量(能量/mm)而最优化。当速度是10mm/s时，由于焊接熔池中的不稳定性，线能量太高而不能产生光滑表面。当速度增大到15mm/s和20mm/s时，焊缝稳定性更好。在25mm/s时，焊缝表面发现锌残留物的白色物质。
在4kW激光功率时，可用速度范围为40‑70mm/s之间。性质上，2kW产生相同的焊接效果，即，低速导致黄铜的烧蚀，而紫铜的低熔深决定了高速极限。
图5显示了焊缝参数和厚度之间的关系。对于4kW激光功率，0.5、1和1.5mm的黄铜被测试。覆盖紫铜管的黄铜部分的厚度是重要的观察参数。焊缝的外观作为熔宽来说相似，仅随黄铜厚度的增大而增大一点。在研磨后，显示出熔深是如何受黄铜厚度影响的，即黄铜越薄、熔深越深。
表1：用于每一测试的爆破压力
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表1显示了每一测试的爆破压力。为评价焊接质量，执行爆破测试。每一焊接参数都选10件以获得平均爆破测试结果。
从表1中，2kW激光功率：对于20mm/s，最高爆破压力高达255bar；对于30mm/s，180bar；对于10mm/s，220bar。由于熔深浅，高焊接速度不能实现满意的焊接强度。低焊接速度导致太高线能量而使锌从焊缝蒸发，使黄铜部件很脆弱。黄铜的厚度也对爆破测试有影响。中间尺寸(1.1mm)具有最高爆破压力258bar。0.9mm黄铜在211bar时爆破(很少残余材料)，而1.2mm黄铜在225bar时爆破(极少功率留给紫铜部件)。
从表1中，4kW激光功率：1mm厚度得到最高爆破压力。降低焊接速度得到300bar爆破压力‑远超过必要极限。这意味着可以增加速度以提高生产率。激光束是双光束，意味着更宽的焊缝。这显然增大了焊缝中的结合区域。由于功率强度不够，2kW功率不能够实现分开光束。
图6显示了测试中发现的激光功率和焊接速度之间的关系。X轴20表示焊接速度[mm/s]而Y轴21表示激光功率[kW]。低于2kW以下没有数据。在图6的图中，标有稳定工艺区域22，在该区域中焊接工艺是稳定的。在区域22的右侧，当焊接速度增加时，存在浅的熔深，且凹部会崩溃，而焊接也因此不够稳固。在区域22的左侧，当焊接速度低时，熔化会变得不稳固，而黄铜中的锌会蒸发而减弱黄铜的强度。实验显示优化工艺的难题在于平衡热输入与焊接速度以及材料尺寸。黄铜部件需要具有一定厚度以在经过光束之后充分维持‑然而‑太厚的黄铜重叠会降低最大速度。图6中的弧23表示最佳结果，在区域22的中间实现最优焊接强度。
高速有利于焊接稳定性，但仅止于维持凹部的热平衡不能再保持的一点处。对焊接强度(爆破压力为225bar)的要求意味着对于紫铜一定的熔深(以及宽度)是必须的。在此情况下，功率是限制因素。更高很可能意味着更高的速度。
激光功率决定可用于实现良好焊缝质量的焊接速度。图6中，最佳焊接速度和功率之间的关系显示为线相关。如果焊接速度与激光功率不相匹配，这会引起焊接缺陷，诸如未焊接区域或裂隙。
结论
1.下表显示了实现低漏率及爆破测试结果的优选焊缝参数
表2焊缝几何结构
2.激光功率和最佳焊接速度之间存在大致线相关。然而，低功率及低速度下的焊缝成型不同于高功率及高速度。
表3焊接速度和激光功率
激光功率 2kW 3kW 4kW
焊接速度(mm/s) 15 30 45
3.使用4kW的激光功率，28mm的管径可承受高达300bar的压力。