СПОСОБ СТЫКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ДВУХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ ПЕРВЫМ И ВТОРЫМ ПЕРЕДНИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ЛУЧАМИ И ЗАДНИМ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ
BUTT-WELDING METHOD OF TWO METAL SHEETS BY FIRST AND SECOND FRONT LASER BEAMS AND REAR LASER BEAM

Настоящее изобретение относится к способу стыковой лазерной сварки двух металлических листов.
Металлические листы, используемые для сварки, в общем, изготавливают посредством резки металлических полос или больших металлических листов с помощью таких способ резки, как продольная резка, резка ножницами, прессовая резка или гидроабразивная резка.
Резка с помощью таких способов обычно ведет к получению кромочного профиля с конусностью, что обусловливает зазор между металлическими листами, когда эти листы располагают кромка к кромке для выполнения стыковой сварки. Этот зазор ведет к отсутствию контакта по всей длине кромки, по меньшей мере, на участке толщины металлических листов или к отсутствию контакта только в нескольких точках обращенных друг к другу кромок металлических листов. Этот начальный зазор также может расширяться из-за деформаций металлических листов в результате возникновения термических напряжений во время самой сварки.
В некоторых случаях, например, когда в сварочную ванну должен быть добавлен сварочный материал, также желательно создавать и поддерживать минимальный зазор между свариваемыми листами. В этом случае зазор между свариваемыми листами продолжается по всей толщине и длине обращенных друг к другу металлических листов, так что между двумя свариваемыми металлическими листами отсутствует какой-либо контакт.
Автор изобретения, установил, что традиционные способы лазерной сварки, использующие стандартный лазерный луч, не являются в полной мере удовлетворительными для стыковой сварки указанных металлических листов из-за присутствия такого зазора между металлическими листами. Фактически, значительная часть энергии лазерного луча расходуется впустую, поскольку лазерный луч проходит через зазор и, следовательно, не взаимодействует с листами. Фактически, автор изобретения установил, что, как правило, фактически для сварки листов используются только 10 - 20% энергии лазерного луча, в то время как остальные 80 - 90% расходуются впустую.
В документе WO 2017/103149 рассматривается проблема получения сварного соединения, имеющего однородные свойства материала между двумя металлическими листами с предварительным покрытием из цинкового сплава и алюминиевого сплава. С этой целью в WO 2017/103149 раскрывается способ стыковой лазерной сварки двух таких металлических листов с использованием присадочной проволоки и трех лазерных лучей, причем первый лазерный луч предназначен для расплавления присадочной проволоки, а два других лазерных луча предназначены для расплавления металлических листов и для смешивания образованной сварочной ванны. Как можно видеть на фиг. 1c, три лазерных луча взаимодействуют для формирования одной сварочной ванны и обеспечения надлежащего смешивания материалов в одной сварочной ванне, используя эффект Гиббса-Марангони. Однако этот способ не является в полной мере удовлетворительным. В частности, он имеет относительно низкую эффективность использования энергии и, следовательно, не пригоден для сварки двух металлических листов, расположенных с зазором.
Для соединения двух металлических листов также известна лазерная пайка. Однако это способ соединения не пригоден для получения в зоне соединения механических свойств, которые, по меньшей мере, равны механическим свойствам основного материала.
Одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеуказанные недостатки с помощью способа стыковой лазерной сварки двух металлических листов, расположенных кромка к кромке, обеспечивающего повышенное качество готового изделия.
С этой целью изобретение относится к способу стыковой лазерной сварки двух металлических листов, включающему в себя следующие этапы:
- обеспечение наличия первого металлического листа и второго металлического листа, причем каждый металлический лист соответственно имеет две основные стороны и боковую сторону, соединяющую две основные стороны;
- позиционирование первого и второго металлических листов, так чтобы их боковые стороны были обращены друг к другу, причем позиционирование первого и второго металлических листов определяет среднюю плоскость, перпендикулярную основным сторонам первого и второго металлических листов; и
- стыковая сварка первого и второго металлических листов в направлении сварки, причем этап стыковой сварки сдержит одновременное испускание:
6
2
- первого переднего лазерного луча вдоль первой передней оси испускания, причем первая передняя ось испускания пересекает одну из основных сторон первого металлического листа, первый передний лазерный луч образует первое переднее пятно на пересечении с указанной основной стороной первого металлического листа, плотность энергии первого переднего лазерного луча больше или равна 10 Вт/см, первый передний лазерный луч генерирует первое переднее сквозное проплавление в первом металлическом листе у первого переднего пятна;
6
2
- второго переднего лазерного луча вдоль второй передней оси испускания, причем вторая передняя ось испускания пересекает одну из основных сторон второго металлического листа, второй передний лазерный луч образует второе переднее пятно на пересечении с указанной основной стороной второго металлического листа, плотность энергии второго переднего лазерного луча больше или равна 10 Вт/см, второй передний лазерный луч генерирует второе переднее сквозное проплавление во втором металлическом листе у второго переднего пятна;
центр каждого из первого и второго передних пятен расположен на расстоянии меньше или равном 2,5 мм от боковой стороны, соответственно, первого металлического листа и второго металлического листа, и расстояние в направлении сварки между центрами первого и второго передних лазерных лучей меньше или равно 5 мм; и
6
2
- заднего лазерного луча, причем задний лазерный луч пересекает смежные основные стороны первого и второго металлических листов и образует на них заднее пятно, плотность энергии заднего лазерного луча больше или равна 10 Вт/см, площадь поверхности заднего пятна больше площади поверхности каждого из первого и второго передних пятен, задний лазерный луч генерирует заднее сквозное проплавление в первом и втором металлических листах у заднего пятна;
первый и второй передние лазерные лучи и задний лазерный луч направлены таким образом, что:
- первое и второе передние пятна расположены впереди заднего пятна; и таким образом, что:
- в каждый момент между первым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением и между вторым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением остается область твердой фазы и/или область жидкой фазы металлических листов.
Согласно конкретным вариантам выполнения способ по изобретению также может содержать один или несколько из следующих признаков:
- в каждый момент времени на этапе стыковой сварки объем сварочной ванны, создаваемый первым и вторым передними лазерными лучами, отделен от объема сварочной ванны, создаваемого задним лазерным лучом;
- наибольший размер первого и/или второго переднего пятна составляет 50 - 250 мкм;
- наибольший размер заднего пятна составляет 200 - 1800 мкм, предпочтительно, 600 - 1200 мкм;
- первый металлический лист и второй металлический лист имеют соответственно толщину 0,15 - 5 мм.
- центры первого и второго передних пятен расположены на равном расстоянии от средней плоскости между первым и вторым металлическими листами;
- центры первого и второго передних пятен выровнены в направлении, перпендикулярном направлению сварки;
- центры первого и второго передних пятен расположены на некотором расстоянии друг от друга в направлении сварки;
- заднее пятно сцентрировано по средней плоскости между первым и вторым металлическими листами;
- центр заднего пятна смещен в боковом направлении относительно средней плоскости между первым и вторым металлическими листами;
- центр заднего пятна расположен в направлении сварки на расстоянии 0,5 - 8 мм от центра самого заднего из первого и второго передних пятен, и предпочтительно на расстоянии 1 - 5 мм;
- первое переднее пятно и/или второе переднее пятно имеют гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии и, предпочтительно, круглый контур;
- заднее пятно имеет гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии;
- заднее пятно является кольцеобразным;
- наружный размер заднего пятна, перпендикулярный направлению сварки, меньше наружного размера заднего пятна, параллельного направлению сварки;
- заднее пятно симметрично относительно плоскости, параллельной средней плоскости между двумя металлическими листами;
- наибольший наружный размер заднего пятна составляет 200 - 1800 мкм, предпочтительно 600 - 1200 мкм;
- отношение наибольшего наружного размера к наибольшему внутреннему размеру заднего пятна составляет 1,2 - 3,2, предпочтительно 1,3 - 2;
- заднее пятно имеет круглый контур или удлиненный контур в направлении удлинения, параллельном направлению сварки;
- способ дополнительно содержит испускание вспомогательного заднего лазерного луча одновременно с этапом испускания первого переднего лазерного луча, второго переднего лазерного луча и заднего лазерного луча, причем вспомогательный задний лазерный луч пересекает смежные основные стороны первого и второго металлических листов и образует на них вспомогательное заднее пятно, и вспомогательный задний лазерный луч направлен таким образом, что вспомогательное заднее пятно расположено за задним пятном;
- вспомогательное заднее пятно является кольцеобразным или имеет гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии;
- наибольший наружный размер заднего пятна больше набольшего наружного размера вспомогательного заднего пятна;
- способ также содержит обеспечение наличия сварочного материала, например, присадочной проволоки или порошкового флюса во время этапа стыковой сварки;
- первый и/или второй металлические листы содержат стальную подложку, имеющую цинкосодержащее или алюминийсодержащее предварительное покрытие, по меньшей мере, на одной из основных сторон;
- первый передний лазерный луч и/или второй передний лазерный луч и/или задний лазерный луч генерируются общей лазерной головкой;
- каждый лазерный луч генерируется специально предназначенной для этого лазерной головкой;
- стальная подложка, по меньшей мере, одного из первого и второго металлических листов выполнена из стали, закаливаемой под прессом; и
- по меньшей мере, один из первого и второго металлических листов имеет цинкосодержащее или алюминийсодержащее предварительное покрытие.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут понятными из приведенного ниже описания, приведенного в качестве примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематический вид в разрезе двух металлических листов, расположенных по первому варианту выполнения способа стыковой сварки двух металлических листов;
фиг. 2 - схематический вид сверху двух металлических листов из фиг. 1 во время этапа стыковой сварки способа по первому варианту выполнения;
фиг. 3 - схематический разрез одного из двух металлических листов из фиг. 2 по плоскости III-III из фиг. 2; и
Фиг. 4 - 8 - схематические виды сверху двух металлических листов во время этапа стыковой сварки способа стыковой сварки двух металлических листов, соответственно, по второму, третьему, четвертому, пятому и шестому варианту выполнения.
Ниже со ссылкой на фиг. 1 - 3 приведено описание способа стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по первому варианту выполнения настоящего изобретения.
Способ включает в себя этап обеспечения наличия первого металлического листа 2 и второго металлического листа 4.
Каждый металлический лист 2, 4 соответственно имеет две основные стороны 6, 7 и боковую сторону 8, соединяющую две основные стороны.
Основные стороны 6, 7 являются верхней стороной 6 и нижней стороной 7. Термины «верхняя» и «нижняя» означают расположение сторон относительно оси, перпендикулярной указанным основным сторонам 6, 7.
Боковая сторона 8 каждого металлического листа 2, 4 продолжается, к примеру, перпендикулярно основным сторонам 6, 7 металлического листа 2, 4. Как вариант, боковая сторона 8, по меньшей мере, одного металлического листа 2, 4 продолжается неперпендикулярно к основным сторонам 6, 7. Например, боковая сторона 8, по меньшей мере, одного металлического листа 2, 4 наклонена относительно основных сторон 6, 7 этого металлического листа 2, 4 и образует с одной из основных сторон 6, 7 угол, отличающийся от 90°, например, угол больше или равный 45°, в частности, больше или равный 60°.
Первый металлический лист 2 и второй металлический лист 4 имеют соответственно толщину 0,15 - 5 мм. Выражение «толщина металлического листа» означает расстояние между основными сторонами 6, 7 металлического листа 2, 4 перпендикулярно указанным основным сторонам 6, 7.
Предпочтительно, первый металлический лист 2 и второй металлический лист 4 соответственно имеют постоянную толщину. Как вариант, по меньшей мере, один из металлических листов, первый металлический лист 2 или второй металлический лист 4, имеет переменную толщину.
Первый металлический лист 2 и второй металлический лист 4 имеют, к примеру, одну и ту же толщину. Как вариант, они имеют разные толщины.
Первый и/или второй металлические листы 2, 4 содержат стальную подложку 9A.
Сталь подложки 9A, в частности, является сталью, имеющей феррито-перлитную микроструктуру.
Предпочтительно, подложка 9A выполнена из стали, предназначенной для термообработки, в частности, закаливаемой под прессом стали, например, марганцево-бористой стали, например, стали 22MnB5.
Как вариант, микроструктура стальной подложки 9A содержит бейнит и/или феррит и/или остаточный аустенит.
В зависимости от требуемой толщины подложку можно изготавливать горячей прокаткой и/или холодной прокаткой с последующим отжигом или с помощью любого другого пригодного способа.
Лист 2, 4, к примеру, имеет цинкосодержащее или алюминийсодержащее предварительное покрытие 9B, по меньшей мере, на одной из основных сторон подложки 9A и, к примеру, на ее обеих основных сторонах.
Способ также включает в себя этап позиционирования первого и второго металлических листов для выполнения стыковой лазерной сварки.
Как показано на фиг. 1, позиционирование выполняют таким образом, чтобы боковые стороны 8 первого и второго металлических листов 2, 4 были обращены друг к другу.
В примере, показанном на фиг. 2, имеется, по меньшей мере, одна область первого и второго металлических листов 2, 4, в которой боковые стороны 8, обращенные друг к другу, расположены на расстоянии друг от друга. Как вариант, первый и второй металлические листы 2, 4, к примеру, находятся в контакте по всей площади этих боковых сторон 8. В другой разновидности примера имеется, по меньшей мере, одна область первого и второго металлических листов 2, 4, в которой боковые стороны 8 находятся в контакте друг с другом только на протяжении части их толщин.
Основные стороны 6, 7 расположены, по существу, параллельно друг другу. Выражение «по существу, параллельно» означает, что основные стороны 6, 7 соответственно определяют первую плоскость и вторую плоскость, причем первая и вторая плоскости определяют между собой угол меньше 1°.
Позиционирование определяет среднюю плоскость 10, перпендикулярную основным сторонам 6, 7 первого и второго металлических листов 2, 4. Средняя плоскость 10, в частности, является средней плоскостью между боковыми сторонами 8. Средняя плоскость 10 предпочтительно является вертикальной.
Способ также включает в себя этап стыковой сварки первого и второго металлических листов 2, 4 в направлении сварки. Направление сварки, в частности, продолжается вдоль средней плоскости 10. На фиг. 2 направление сварки показано стрелкой 11.
Этот этап стыковой сварки содержит одновременное испускание первого переднего лазерного луча 12, второго переднего лазерного луча 14 и заднего лазерного луча 16.
2
Лазерные лучи 12, 14, 16, к примеру, испускаются CO-лазерами, Nd:YAG лазером, волоконным лазером или лазером на прямых диодах. Различные лазерные лучи 12, 14 и 16 могут испускаться лазером одного и того же типа или лазерами разных типов.
В варианте выполнения первый передний лазерный луч 12 и второй передний лазерный луч 14 и/или задний лазерный луч 16 генерируются общей лазерной головкой.
По другому варианту каждый лазерный луч 12, 14, 16 генерируется специально предназначенной для этого головкой.
По еще одному варианту два лазерных луча, например, два передних лазерных луча 12, 14, генерируются общей лазерной головкой, а третий лазерный луч, например, задний лазерный луч 16, генерируется другой лазерной головкой.
Направление сварки зависит относительного от относительного перемещения первого и второго металлических листов 2, 4 и лазерных лучей 12, 14 и 16.
Первый передний лазерный луч 12 испускается вдоль первой передней оси E1 испускания. Первая передняя ось E1 испускания пересекает одну из основных сторон 6, 7 первого металлического листа 2. В примере, показанном на фиг. 2, указанной основной стороной является верхняя сторона 6 первого металлического листа 2. Как вариант, указанной основной стороной является нижняя сторона 7 первого металлического листа 2.
Например, первая передняя ось E1 испускания продолжается перпендикулярно основным сторонам 6, 7 первого металлического листа 2.
Как показано на фиг. 2, первый передний лазерный луч 12 образует первое переднее пятно 18 на пересечении с указанной основной стороной 6, 7 первого металлического листа 2.
В частности, первый передний лазерный луч 12 пересекает указанную основную сторону 6, 7 первого металлического листа 2 по всему сечению первого переднего лазерного луча 12. Таким образом, вся энергия первого переднего лазерного луча 12 передается первому металлическому листу 2.
6
2
Плотность энергии первого переднего лазерного луча 12 превышает или равна 10 Вт/см. В результате первый передний лазерный луч 12 генерирует первое переднее сквозное проплавление 19 в первом металлическом листе 2 у первого переднего пятна 18 (см. фиг. 3). На фиг. 3 лазерные лучи не показаны.
В этом контексте сквозное проплавление является полостью, которая продолжается по толщине металлического листа и содержит испаряемый материал, образующийся в результате соударения лазерного луча с металлическим листом. Сквозное проплавление обеспечивает прямую передачу энергии соответствующего лазерного луча в металлический лист.
Как показано на фиг. 3, во время этапа стыковой сварки первый передний лазерный луч 12 образует первую сварочную ванну 13 на месте первого переднего пятна 18.
Первое переднее сквозное проплавление 19 окружено первой сварочной ванной 13.
Во время этапа стыковой сварки давление пара, содержащегося внутри первого переднего сквозного проплавления 19, препятствует попаданию расплавленного материала первой сварочной ванны 13 в полость, образованную сквозным проплавлением.
В примере на фиг. 3 первое сквозное проплавление 19 показано в виде цилиндрической полости, продолжающейся перпендикулярно основным сторонам 6, 7, для упрощения чертежа. На практики первое сквозное проплавление 19 может быть наклонено относительно нормали к основным сторонам 6, 7 под углом, который пропорционален скорости сварки. Кроме того, первое сквозное проплавление 19 может иметь переменное сечение по толщине листа.
Второй передний лазерный луч 14 испускается вдоль второй передней оси E2 испускания.
Вторая передняя ось E2 испускания пересекает одну из основных сторон 6, 7 второго металлического листа 4. В примере, показанном на фиг. 2, указанной основной стороной является верхняя сторона 6 второго металлического листа 4. Как вариант, указанной основной стороной является нижняя сторона 7 второго металлического листа 4.
Например, вторая передняя ось E2 испускания продолжается перпендикулярно основным сторонам 6, 7 второго металлического листа 4.
Второй передний лазерный луч 14 образует второе переднее пятно 20 на пересечении с указанной основной стороной 6, 7 второго металлического листа 24.
В примере, показанном на фиг. 2, первое и второе передние пятна 18, 20 образованы на смежных основных сторонах 6, 7 первого и второго металлических листов 2, 4.
Выражение «смежные основные стороны» относится к одной основной стороне первого металлического листа 2 и одной основной стороне второго металлического листа 4, которые расположены с одной и той же стороны металлических листов 2, 4 относительно направления испускания лазерных лучей. Таким образом, первое и второе передние пятна 18, 20, к примеру, образованы на верхних сторонах 6 первого и второго металлических листов 2, 4 или на нижних сторонах 7 первого и второго металлических листов 2, 4.
В частности, второй передний лазерный луч 14 пересекает указанную основную сторону 6, 7 второго металлического листа 4 по всему сечению второго переднего лазерного луча 14. Таким образом, вся энергия второго переднего лазерного луча 14 передается второму металлическому листу 4.
6
2
Плотность энергии второго переднего лазерного луча 14 превышает или равна 10 Вт/см. В результате второй передний лазерный луч 14 генерирует второе переднее сквозное проплавление (не показано) во втором металлическом листе 4 у второго переднего пятна 20.
Во время этапа стыковой сварки второй передний лазерный луч 14 образует вторую сварочную ванну на месте второго переднего пятна 20. Вторая сварочная ванна окружает второе переднее сквозное проплавление.
Например, объем первой сварочной ванны 13 отделен от объема второй сварочной ванны, и, по меньшей мере, в момент времени или в каждый момент времени на этапе стыковой сварки первая сварочная ванна 13 и вторая сварочная ванна отделены друг от друга.
Как вариант, объем первой сварочной ванны 13 отделен от объема второй сварочной ванны, и, по меньшей мере, в момент времени или в каждый момент времени на этапе стыковой сварки между первой сварочной ванной 13 и второй сварочной ванной остается область твердой фазы металлических листов 2, 4.
Как вариант, первая и вторая сварочные ванны соединены, так чтобы они образовывали одну сварочную ванну, по меньшей мере, в момент времени на этапе стыковой сварки.
Наибольший размер первого и/или второго переднего пятен 18, 20 составляет 50 - 250 мкм. Таким образом, энергия лазерных лучей 12, 14 передается металлическим листам 2, 4 с очень высокой эффективностью. Кроме того, эти размеры обеспечивают генерирование первого сквозного проплавления 19 и второго сквозного проплавления в первом и втором металлических листах 2, 4 даже при сравнительно низкой входной мощности первого и второго лазерного лучей 14, 16.
Первое переднее пятно 18 и/или второе переднее пятно 20 имеют гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии и, предпочтительно, круглый контур.
Расстояние в направлении сварки между центрами первого и второго передних лазерных лучей 12, 14 составляет меньше или равно 5 мм.
В частности, в способе, показанном на фиг. 2, центры первого и второго передних пятен 18, 20 выровнены в направлении, перпендикулярном направлению сварки.
Центр каждого из первого и второго передних пятен 18, 20 расположен на расстоянии меньше или равном 2,5 мм от боковой стороны 8, соответственно, первого металлического листа 2 и второго металлического листа 4.
В частности, в способе, показанном на фиг. 2, центры первого и второго передних пятен 18, 20 расположены на равном расстоянии от средней плоскости 10 между первым и вторым металлическими листами 2, 4.
Во время стыковой сварки первое и второе передние пятна 18, 20 расположены на расстоянии друг от друга. Другими словами, во время стыковой сварки первое и второе передние пятна 18, 20 не перекрываются.
Задний лазерный луч 16 испускается вдоль задней оси E3 испускания.
Задний лазерный луч 16 пересекает смежные основные стороны 6, 7 первого и второго металлических листов 2, 4. Эти смежные основные стороны 6, 7, которые пересекаются задним лазерным лучом 16, представляют собой, например, две верхние стороны 6 первого и второго металлических листов 2, 4 или две нижние стороны 7 первого и второго металлических листов 2, 4.
Например, задняя ось E3 испускания продолжается перпендикулярно основным сторонам 6, 7 первого и второго металлических листов 2, 4.
Задний лазерный луч 16 образует заднее пятно 22 на указанных основных сторонах 6, 7.
В примере, показанном на фиг. 2, заднее пятно 22 образовано на тех же самых основных сторонах 6, 7, как и стороны, на которых образованы первое и второе передние пятна 18, 20. Как вариант, заднее пятно 22 образовано на других основных сторонах 6, 7, а не на сторонах, на которых образованы первая и второе передние пятна 18, 20.
6
2
Плотность энергии заднего лазерного луча 16 превышает или равна 10 Вт/см. В результате задний лазерный луч 16 генерирует заднее сквозное проплавление 23A в первом и втором металлических листах 2, 4 у заднего переднего пятна 22 (см. фиг. 3)
Как показано на фиг. 3, во время этапа дуговой сварки задний лазерный луч 16 создает заднюю сварочную ванну 23B на месте заднего пятна 22. Задняя сварочная ванна 23B окружает сквозное проплавление 23A.
В варианте выполнения энергия заднего лазерного луча 16 больше соответствующей энергии первого и второго передних лазерных лучей 14, 16. Например, энергия заднего лазерного луча 16, по меньшей мере, в два раза больше соответствующей энергии первого и второго передних лазерных лучей 14, 16.
В способе по первому варианту выполнения заднее пятно 22 имеет гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии.
В примере, показанном на фиг. 2, заднее пятно имеет круглый контур.
Как показано, заднее пятно 22 сцентрировано по средней плоскости 10 между первым и вторым металлическими листами 2, 4.
Наибольший размер заднего пятна 22, например, составляет 200 - 1800 мкм, предпочтительно 600 - 1200 мкм.
Как показано на фиг. 2, площадь поверхности заднего пятна 22 больше площади поверхности каждого из первого и второго передних пятен 18, 20. Объем заднего сквозного проплавления 23A, созданного задним лазерным лучом 16, больше объема первого и второго передних сквозных проплавлений, соответственно, созданных первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14.
Во время стыковой сварки первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 имеют относительное перемещение по отношению к первому и второму металлическим листам 2, 4, так что первое и второе передние пятна 18, 20 и заднее пятно 22 смещаются в направлении сварки относительно первого и второго металлических листов 2, 4.
Например, первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 совместно перемещаются, в то время как первый и второй металлические листы 2, 4 закреплены на месте. Как вариант, первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 остаются на месте, и первый и второй металлические листы 2, 4 совместно перемещаются.
Лазерная сварка образует сварное соединение 24 в месте соединения двух металлических листов 2, 4. Направление сварки определяется как направление, продолжающееся вдоль средней плоскости от области, в которой сварное соединение уже образовано, к области, в которой листы 2,4 еще не соединены с помощью сварного соединения.
Первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 направляются таким образом, что первое и второе передние пятна 18, 20 расположены впереди заднего пятна 22.
В этом контексте термин «впереди» означает расположение впереди относительно направления сварки. Следовательно, заднее пятно 22 расположено между передними пятнами 18, 20 и сварным соединением 24 в направлении сварки. Другими словами, во время этапа стыковой сварки заданная область первого и второго металлических листов 2, 4, сцентрированная по средней плоскости 10, всегда пересекается сначала первым и вторым передними пятнами 18, 20 и затем пересекается задним пятном 22.
Во время стыковой сварки заднее пятно 22 расположено на расстоянии от каждого из первого и второго передних пятен 18, 20. Другими словами, во время стыковой сварки заднее пятно 22 не перекрывает каждое из передних пятен, т.е. первое переднее пятно 18 и второе переднее пятно 20.
Во время стыковой сварки заднее сквозное проплавление 23A расположено на расстоянии от первого переднего сквозного проплавления 19 и второго переднего сквозного проплавления. Другими словами, во время стыковой сварки заднее сквозное проплавление 23A не перекрывает каждое из передних сквозных проплавлений, т.е. первое переднее сквозное проплавление и второе переднее сквозное проплавление.
Например, относительное геометрическое расположение сквозных проплавлений во время стыковой сварки можно отслеживать посредством отображения зоны взаимодействия лазерных лучей и материала с помощью 2D-датчика изображения. С помощью инфракрасного 2D-датчика изображения можно создавать 2D-карту температур зоны взаимодействия. В частности, можно ясно идентифицировать сквозные проплавления, сварочные ванны и области твердых фаз. Как вариант или дополнительно, можно отображать формы сквозного проплавления с помощью 2D-датчика чистого изображения посредством освещения зоны взаимодействия лазерных лучей и материала со специально заданной длиной волны света, отличающейся от длины волны света лазера для сварки, и используя соответствующий фильтр полос пропускания перед датчиком изображения.
Первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 направлены таким образом, что в каждый момент в ходе этапа стыковой сварки между первым передним сквозным проплавлением 19 и задним сквозным проплавлением 23A и между вторым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением 23A остается область 25 твердой фазы и/или область 13, 23B жидкой фазы металлических листов 2, 4.
В частности, размеры пятен 18, 20, 22, расстояния между пятнами 18, 20, 22, скорости относительного смещения первого и второго передних лазерных лучей 12, 14 и заднего лазерного луча 16 и металлических листов 2, 4 и плотности энергии лучей 12, 14, 16 спроектированы таким образом, что в каждый момент в ходе этапа стыковой сварки между первым передним сквозным проплавлением 19 и задним сквозным проплавлением 23A и между вторым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением 23A остается область 25 твердой фазы и/или область 13, 23B жидкой фазы металлических листов 2, 4.
В примере, показанном на фиг. 3, между первым передним сквозным проплавлением 19 и задним сквозным проплавлением 23A и между вторым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением 23A остается область 25 твердой фазы и область 13, 23B жидкой фазы металлических листов 2, 4. Как вариант, между первым передним сквозным проплавлением 19 и задним сквозным проплавлением 23A и между вторым передним сквозным проплавлением и задним сквозным проплавлением 23A остается только область 13, 23B жидкой фазы металлических листов 2, 4.
В варианте выполнения первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 и задний луч 16 направлены таким образом, что в каждый момент в ходе этапа стыковой сварки объем сварочной ванны, создаваемый первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14, расположен на расстоянии от объема сварочной ванны, создаваемого задним лазерным лучом 16. Этот вариант выполнения уменьшает вариативность сварки и облегчает ее цифровое моделирование по сравнению со случаем, в котором передние лазерные лучи и задний лазерный луч образуют одинарную сварочную ванну.
Центр заднего пятна 22 расположен в направлении сварки на расстоянии 0,5 - 8 мм от центра самого заднего из первого и второго передних пятен 18, 20. Это расстояние предпочтительно составляет 1 - 5 мм.
Скорости перемещения первого и второго передних лазерных лучей, 12, 14 и заднего лазерного луча 16 предпочтительно идентичны и составляют 2 - 20 м/мин, предпочтительно 4 - 12 м/мин.
Примеры размеров пятен, расстояний между пятнами, относительных скоростей перемещения пятен по металлическим листам 2, 4 и плотностей энергии лучей описаны ниже.
Согласно первому примеру:
- первый и второй металлические листы 2, 4 соответственно имеют толщину 1 мм и расположены так, что они находятся в контакте друг с другом в направлении сварки, или так, что они расположены на расстоянии друг от друга меньше 80 мкм;
- первое и второе передние пятна 18, 20 соответственно имеют диаметр, равный 150 мкм и мощность 500 Вт, первое и второе передние пятна 18, 20 генерируются общей лазерной сварочной головкой, причем эта общая лазерная сварочная головка получает питание от дискового лазерного генератора, имеющего мощность 1 кВт и длину волны 1 мкм;
- заднее пятно 22 имеет диаметр, равный 600 мкм и мощность 4 кВт, заднее пятно 22 генерируется специально предназначенной для этого лазерной сварочной головкой, причем указанная лазерная сварочная головка получает питание от YAG-лазера, имеющего мощность 4 кВт и длину волны 1 мкм;
- передние пятна 18, 20 и заднее пятно 22 расположены в форме равностороннего треугольника, и равносторонний треугольник имеет длину сторон 1,2 мм, заднее пятно 22 сцентрировано по средней плоскости, и передние пятна 18, 20 расположены на равном расстоянии от средней плоскости; и
- скорость сварки составляет 16 м/мин.
Согласно второму примеру:
- первый и второй металлические листы 2, 4 соответственно имеют толщину 1 мм и расположены так, что они находятся в контакте друг с другом в направлении сварки, или так, что они расположены на расстоянии друг от друга меньше 80 мкм;
- первое и второе передние пятна 18, 20 соответственно имеют диаметр, равный 150 мкм и мощность 500 Вт, первое и второе передние пятна 18, 20 генерируются общей лазерной сварочной головкой, причем эта общая лазерная сварочная головка получает питание от дискового лазера, имеющего мощность 1000 Вт и длину волны 1 мкм;
- заднее пятно 22 имеет диаметр, равный 600 мкм и мощность 4 кВт, заднее пятно 22 генерируется специально предназначенной для этого лазерной сварочной головкой, причем указанная лазерная сварочная головка получает питание от YAG-лазера, имеющего мощность 4 кВт и длину волны 1 мкм;
- передние пятна 18, 20 расположены на равном расстоянии от средней плоскости 0,6 мм, заднее пятно 22 сцентрировано по средней плоскости и расположено на расстоянии 1,2 мм за передними пятнами 18, 20; и
- скорость сварки составляет 16 м/мин.
В способе стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по изобретению первые и второе сквозные проплавления имеют высокий коэффициент формы, причем коэффициент формы определяется как отношение высоты сквозного проплавления к диаметру сквозного проплавления. Сквозное проплавление с высоким коэффициентом формы поглощает максимум энергии лазерного луча за счет многократных отражений лазерного луча в сквозном проплавлении.
В частности, присутствие области 25 твердой фазы и/или области 13, 23B жидкой фазы между сквозными проплавлениями препятствует сообщению первых и второго сквозных проплавлений с задним сквозным проплавлением 23A. Такая связь между передними и задним сквозными проплавлениями привела бы к значительному уменьшению соответствующих коэффициентов формы передних сквозных проплавлений и, следовательно, повлияла бы на эффективность использования энергии на этапе стыковой сварки.
Кроме того, во время стыковой сварки первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 соответственно предварительно нагревают рассматриваемые участки первого и второго металлических листов 2, 4 перед расплавлением этих участков задним пятном 22.
Этот предварительный нагрев является благоприятным, поскольку он повышает эффективность использования энергии во время стыковой сварки. Кроме того, предварительный нагрев также ведет к увеличению длины задней сварочной ванны 23B. Увеличение длины задней сварочной ванны 23B улучшает геометрию сварного соединения 24 и увеличивает предел ограничения скорости стыковой сварки.
Кроме того, в случае, когда металлические листы 2, 4 имеют покрытие, первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 действуют на покрытие следующим образом: покрытия с низкой температурой испарения, например, покрытие на основе цинка, испаряются за счет действия первого и второго передних лазерных лучей 12, 14, в то время как покрытие с высокой температурой испарения, покрытия на основе алюминия, и, например, алюминий-кремниевые покрытия, предварительно расплавляется и частично поступает в зону плавления.
Соответствующие плотности энергии первого и второго передних пятен 18, 20 обеспечивают очень эффективный предварительный нагрев первого и второго металлических листов 2, 4. Эта эффективность связана с высоким коэффициентом формы первых и второго сквозных проплавлений.
Кроме того, во время стыковой сварки первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 имеют тенденцию к уменьшению зазора между первым и вторым металлическими листами 2, 4. В частности, ширина зазора между первым и вторым металлическими листами 2, 4 уменьшается из-за теплового расширения стальной подложки 9A, а также действия сил поверхностного натяжения на боковых сторонах 8, которые имеют тенденцию к искривлению краевого профиля боковых сторон 8 и их перемещению ближе к средней плоскости 10. Это уменьшение ширины зазора ведет к повышению эффективности использования энергии заднего лазерного луча 16.
В другом способе по первому варианту выполнения центры первого и второго передних пятен 18, 20 расположены на расстоянии друг от друга в направлении сварки.
В другой разновидности способа по первому варианту выполнения способ включает в себя обеспечение наличия сварочного материала, например, присадочной проволоки или порошкового флюса, во время этапа стыковой сварки.
Сварочный материал должен быть расположен рядом с задним лазерным лучом 16, предпочтительно посредством вставления между первым и вторым лазерными лучами 12, 14. Как вариант, дополнительный сварочный материал мог бы быть расположен сбоку или сзади заднего лазерного луча 16.
Вставление сварочного материала между первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14 упрощается в случае, когда центры первого и второго передних пятен 18, 20 расположены на расстоянии друг от друга в направлении сварки.
В случае, когда сварочным материалом является присадочная проволока, проволоку, к примеру, вставляют между первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14, по существу, параллельно относительно средней плоскости 10.
Сварочный материал, вставленный между первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14, предварительно нагревается первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14. Когда сварочная проволока вставлена между первым и вторым передними лазерными лучами 12, 14 эти лазерные лучи 12, 14 расплавляют меньше 20% объема сварочного материала. Предпочтительно, первый и второй передние лазерные лучи 12, 14 не расплавляют сварочный материал, когда сварочный материал вставлен между ними.
В этой разновидности способа удлинение задней сварочной ванны 23B из-за предварительного нагрева металлических листов 2, 4 первым и вторым передними пятнами 18, 20 способствует улучшению смешивания сварочного материала с материалом металлических листов 2, 4.
Как разновидность способа по первому варианту выполнения центры первого и второго передних пятен 18, 20 расположены на различных расстояниях от средней плоскости 10.
В другой разновидности способа по первому варианту выполнения центр заднего пятна 22 смещен в боковом направлении относительно средней плоскости 10 между первым и вторым металлическим листами 2, 4. Эта разновидность, в частности, пригодна в случае, когда металлические листы 2, 4 имеют разные толщины.
По другой разновидности способа по первому варианту выполнения заднее пятно 22 имеет удлиненный наружный контур, например, продолговатый контур, эллиптический контур, прямоугольный контур, каплеобразный контур или яйцевидный контур. Продолговатый, каплеобразный и яйцевидный контуры соответственно подробно описаны со ссылкой на фиг. 5, 6, 7.
Способ стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по второму варианту выполнения описан со ссылкой на фиг. 4.
Этот способ отличается от способа по первому варианту выполнения тем, что заднее пятно 22 является кольцеобразным.
6
2
Энергия заднего лазерного луча 16 в основном сконцентрирована в наружной кольцевой части, а не в центральной части. Такая форма упрощает достижение плотности энергии 10 Вт/см.
В частности, выражение термин «кольцеобразный» означает, что заднее пятно 22 имеет наружный контур 22 и внутренний контур 28. Внутренний контур 28, по существу, подобен наружному контуру 26.
В частности, заднее пятно 22 симметрично относительно плоскости, параллельной средней плоскости 10 между двумя металлическими листами 2, 4.
Как показано на фиг. 4, заднее пятно 22 является круглым. В частности, наружный контур 26 и внутренний контур 28 заднего пятна 22 являются круглыми.
Наибольший наружный размер заднего пятна 22 составляет 200 - 1800 мкм, предпочтительно 600 - 1200 мкм. В способе по второму варианту выполнения наибольший наружный размер заднего пятна 22 соответствует диаметру его наружного контура 26.
Отношение наибольшего наружного размера к наибольшему внутреннему размеру заднего пятна 22 составляет 1,2 - 3,2, предпочтительно 1,3 - 2. Во втором способе наибольший внутренний размер заднего пятна 22 соответствует диаметру его внутреннего контура 28.
Как показано на фиг. 4, по меньшей мере, участок внутреннего контура 28 соответственно пересекает первый и второй металлические листы 2, 4.
Кольцевая форма заднего лазерного луча 16 обусловливает повышение эффективности использования способа, поскольку уменьшается часть энергии заднего лазерного луча 16, которая расходуется впустую, проходя в зазор меду боковыми сторонами 8.
Способ стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по третьему варианту выполнения описан со ссылкой на фиг. 5.
Этот способ по третьему варианту выполнения отличается от способа по второму варианту выполнения тем, что заднее пятно 22 имеет удлиненную форму в направлении удлинения, параллельном направлению сварки. В этом случае наружный размер второго пятна 22, перпендикулярный направлению сварки, меньше наружного размера второго пятна 22, параллельного направлению сварки.
В примере, показанном на фиг. 5, заднее пятно 22 имеет продолговатую форму. В частности, наружный контур 26 и внутренний контур 28 заднего пятна 22 имеют продолговатую форму в случае заднего пятна 22 кольцеобразной формы.
Продолговатая форма улучшает течение расплавленного металла за задним пятном 22, и течение является менее турбулентным. Следовательно, удлиненная форма дополнительно улучшает геометрию сварного соединения 24 и увеличивает предел ограничения скорости стыковой сварки.
По разновидности способа заднее пятно 22 имеет эллиптическую форму. В частности, наружный контур 26 и внутренний контур 28 заднего пятна 22 являются эллиптическими в случае заднего пятна 22 кольцеобразной формы.
По другой разновидности способа заднее пятно 22 имеет прямоугольный контур. В частности, наружный контур 26 и внутренний контур 28 заднего пятна 22 являются прямоугольными в случае заднего пятна 22 кольцеобразной формы.
Способ стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по четвертому варианту выполнения описан со ссылкой на фиг. 6.
Способ по четвертому варианту выполнения отличается от способа по третьему варианту выполнения тем, что заднее пятно 22 имеет каплеобразную форму.
В частности, наружный контур 26 и внутренний контур 28 заднего пятна 22 являются каплеобразными в случае заднего пятна 22 кольцеобразной формы.
В частности, как можно видеть на фиг. 6, каждый из наружного и внутреннего контуров 26, 28 имеет заостренный конец 30 напротив закругленного конца 32.
Как показано на фиг. 6, заостренный конец 30 расположен сзади закругленного конца 32 в направлении сварки.
Заостренный конец 30 сцентрирован по средней плоскости 10.
Каплеобразная форма дополнительно улучшает течение расплавленного материала за задним пятном 22.
Способ стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по пятому варианту выполнения описан со ссылкой на фиг. 7.
Способ по пятому варианту выполнения отличается от способа по третьему варианту выполнения тем, что заднее пятно 22 имеет яйцевидную форму.
Способ стыковой лазерной сварки двух металлических листов 2, 4 по шестому варианту выполнения описан со ссылкой на фиг. 8.
Способ по шестому варианту выполнения отличается от способа по третьему варианту выполнения тем, что он дополнительно содержит испускание вспомогательного заднего лазерного луча 34 одновременно с этапом испускания первого переднего лазерного луча 12, второго переднего лазерного луча 14 и заднего лазерного луча 16.
Вспомогательный задний лазерный луч 34 испускается вдоль вспомогательной второй оси E4 испускания.
Вспомогательный задний лазерный луч 34 пересекает смежные основные стороны 6, 7 первого и второго металлических листов 2, 4.
Вспомогательный задний лазерный луч 34 образует вспомогательное заднее пятно 36 на указанных смежных основных сторонах 6, 7.
В примере, показанном на фиг. 8, вспомогательное заднее пятно 36 образовано на тех же самых основных сторонах 6, 7, что и стороны, на которых образовано заднее пятно 22. Как вариант, вспомогательное заднее пятно 36 образовано на других основных сторонах 6, 7, а не на сторонах, на которых образовано заднее пятно 22.
6
2
Плотность энергии вспомогательного заднего лазерного луча 34 предпочтительно превышает или равна 10 Вт/см. В результате вспомогательный задний лазерный луч 34 генерирует второе заднее сквозное проплавление в первом и втором металлических листах 2, 4 у вспомогательного заднего пятна 36.
6
2
Как вариант, плотность энергии вспомогательного заднего лазерного луча 34 меньше 10 Вт/см, в результате чего выполняется нагрев с несквозным проплавлением, улучшая плавность сварного соединения 24.
Вспомогательное заднее пятно 36 симметрично относительно плоскости, параллельной средней плоскости 10 между двумя металлическими листами 2, 4.
В частности, вспомогательное заднее пятно 36 является круглым. В частности, наружный контур 38 и внутренний контур 40 вспомогательного заднего пятна 36 круглые.
Наибольший наружный размер заднего пятна 22 больше наибольшего наружного размера вспомогательного заднего пятна 36.
Наибольший размер вспомогательного заднего пятна 36, например, составляет 100 - 1300 мкм, предпочтительно 300 - 1000 мкм.
В примере на фиг. 8 вспомогательное заднее пятно 36 сцентрировано по средней плоскости 10.
Во время стыковой сварки вспомогательный задний лазерный луч 34 направлен таким образом, что вспомогательное заднее пятно 36 расположено за задним пятном 22 в направлении сварки. Вспомогательное заднее пятно 36, в частности, расположено между задним пятном 22 и сварным соединением 24 в направлении сварки.
Во время этапа стыковой сварки вспомогательный задний лазерный луч 34 образует вспомогательную заднюю сварочную ванну, причем вспомогательная задняя сварочная ванна, в частности, образована на месте вспомогательного заднего пятна 36.
Например, задняя сварочная ванна 23B и вспомогательная задняя сварочная ванна соединены. Как вариант, объем задней сварочной ванны 23B отделен от объема вспомогательной задней сварочной ванны, и в каждый момент времени на этапе стыковой сварки область твердой фазы металлических листов 2, 4 остается между задней сварочной ванной 23B и вспомогательной задней сварочной ванной.
В примере, показанном на фиг. 8, вспомогательное заднее пятно 36 является кольцеобразным. Вспомогательное заднее пятно 36, в частности, имеет наружный контур 38 и внутренний контур 40. Внутренний контур 40 вспомогательного заднего пятна 36 в достаточной мере подобен наружному контуру 38 вспомогательного заднего пятна 36.
По разновидности варианта выполнения вспомогательное заднее пятно 36 имеет гауссово распределение энергии или П-образное распределение энергии.
По другой разновидности варианта выполнения вспомогательное заднее пятно 36 имеет удлиненную форму, например, продолговатую форму, яйцевидную форму, прямоугольную форму или каплеобразную форму.
По другой разновидности центр вспомогательного заднего пятна 36 смещен в боковом направлении относительно средней плоскости 10 между первым и вторым металлическими листами 2, 4.
Благодаря вышеописанным признакам способ стыковой сварки по изобретению позволяет сваривать металлические листы 2, 4 с надлежащей эффективностью использования энергии, даже если металлические листы расположены со значительным зазором между ними.