專(zhuān)利名稱(chēng)：采用銅焊絲和氧化混合氣體對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)鋼工件，優(yōu)選由鍍層鋼制成的工件進(jìn)行釬焊的方法，該方法采用激光束，特別是Nd:YAG激光束，以銅基自耗焊絲作為填充金屬，并采用合適的氧化氣體作為氣體保護(hù)。
背景技術(shù)：
激光釬焊是一種使用自耗焊絲和由激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光束，例如Nd:YAG激光束的著名焊接方法，其中，焊絲被激光束熔化從而在待結(jié)合在一起的多個(gè)金屬工件之間形成釬焊接頭。
本方法主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)用來(lái)裝配車(chē)體部分，例如由鍍層鋼，即熱浸鍍鋅或電鍍鋅的鋼制成的天窗、行李箱等等。
由于本方法在產(chǎn)率，尤其是裝配率方面有優(yōu)勢(shì)，并且不需要精整工作，而且在質(zhì)量方面外觀好，工件變形少，表面鍍鋅層降解有限等等，因此本方法在工業(yè)中受到重視。
本方法可以使用或不使用保護(hù)氣體。
但是，在缺少氣體保護(hù)的情況下，所得焊縫外觀將出現(xiàn)問(wèn)題，尤其是焊縫粗糙度高，沿焊縫邊緣沉積有煙粒，以及焊縫形狀雜亂。
為了避免這些問(wèn)題，因此優(yōu)選在有氣體保護(hù)的情況下進(jìn)行本方法。因而，使用惰性保護(hù)氣體，例如氬氣、氮?dú)饣蚝?，與無(wú)保護(hù)氣體的情況相比較，可以獲得更光滑和大體更干凈的焊縫，也就是說(shuō)，煙粒沉積較少。
但是，使用惰性氣體導(dǎo)致產(chǎn)率降低，特別是釬焊速度降低。
為了改善這種情況，文件WO-A-2004/014599提出利用混合氣體來(lái)對(duì)鋼、鋁或鋁合金工件進(jìn)行釬焊，此混合氣體包括氬氣和一種或多種選自二氧化碳、氧氣、氫氣、氮?dú)獾幕钚詺怏w，此活性氣體所占體積比例高達(dá)30％，并優(yōu)選為二氧化碳。
但是，使用上述氣體所獲得的結(jié)果顯示，所得的焊縫并沒(méi)有獲得顯著的改善。
此外，文件EP-A-1428604提出一種用于對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法，此方法使用由二氧化碳激光裝置產(chǎn)生的激光束，采用銅基或青銅基自耗焊絲作為填充金屬，使用混合氣體作為氣體保護(hù)，所述混合氣體包含少于2.5％的活性氣體，10％-35％的氦氣，其余為氬氣，從而在所述工件之間形成釬焊接頭。
因此，這里接著提出一個(gè)問(wèn)題，如何改進(jìn)現(xiàn)有的采用激光——特別是Nd:YAG激光來(lái)對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法，從而獲得表面外觀美觀的焊縫，而同時(shí)又不降低產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
一種解決上述問(wèn)題的用于對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法使用激光束，以自耗焊絲作為填充金屬，以混合氣體作為氣體保護(hù)，從而在所述工件之間形成釬焊接頭，其特征在于-所述自耗焊絲為銅基焊絲；以及-所述混合氣體包含40％-60％的氧氣和其余為至少一種選自氬氣、氮?dú)夂秃獾臍怏w。
根據(jù)情況，本發(fā)明的方法可包括下述特征中一個(gè)或多個(gè)-所述混合氣體包含45％-55％的氧氣；-所述混合氣體包含大約50％的氧氣；-所述混合氣體包含氬氣；-所述自耗焊絲由銅-硅或銅-鋁合金制成；-所述工件由鍍層鋼制成；-所述激光束通過(guò)Nd:YAG、二氧化碳、摻鐿光纖或二極管類(lèi)型的激光發(fā)生器，或任何其它可以發(fā)射1.06μm波長(zhǎng)的激光束的裝置來(lái)獲得；
-氣體由帶有允許激光束通過(guò)的凹縫或孔的噴嘴輸送；-氣體流量在5L/min和30L/min之間；-所述焊絲直徑在0.8mm和2.4mm之間。
因此，本發(fā)明的方法結(jié)合使用具有特定組成的氧化氣體來(lái)對(duì)鋼工件——特別是由鍍鋅鋼制成的工件進(jìn)行釬焊，所述氧化氣體的組成與銅基自耗焊絲——即包含數(shù)量不可忽略的銅的焊絲——的具體類(lèi)型有關(guān)。本發(fā)明的氧化氣體/銅焊絲的這種具體結(jié)合使用非常有利地利用銅焊絲對(duì)激光束的吸收。
這是因?yàn)殂~對(duì)激光束的吸收通常是有限的，在液態(tài)下僅僅約16.1％(占激光束的入射能的百分比)。但是，如果采用高氧化保護(hù)氣體以在暴露于激光束的金屬表面上形成比原金屬吸收力強(qiáng)很多的氧化物，那么此吸收值增加。
由于保護(hù)氣體流的成分和分布的穩(wěn)定性，所以，存在持續(xù)的氧化并穩(wěn)定地向填充金屬提供能量。這樣可以實(shí)現(xiàn)填充金屬均勻熔化。
因此，本發(fā)明的發(fā)明者從這些現(xiàn)象中獲得啟發(fā)，提出改進(jìn)現(xiàn)有激光釬焊的方法。
具體地，保護(hù)氣體包含一種或多種惰性氣體，和高于40％的氧氣，典型地該保護(hù)氣體為由體積百分?jǐn)?shù)為50％的氧氣和體積百分?jǐn)?shù)為50％的惰性氣體例如氬氣、氮?dú)饣蚝饨M成的二元混合物，該保護(hù)氣體經(jīng)由合適的輸送噴嘴送到激光束的沖擊部位(point of impact)，銅基填充金屬和這種保護(hù)氣體的結(jié)合使用使得可以在激光釬焊時(shí)，由于銅的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生對(duì)激光束吸收更好的氧化物，并且因此提高性能在產(chǎn)率方面，提高熔化填充金屬的速度和/或總量，在質(zhì)量方面，特別是提高焊縫外觀感以及增加潤(rùn)濕性。
依照本發(fā)明的內(nèi)容，可以使用任何能夠形成穩(wěn)定和可靠的氣體保護(hù)的氣體輸送噴嘴，從而實(shí)現(xiàn)填充金屬的均勻氧化。
在此方面，如文件FR-A-0107245所說(shuō)明的以及附圖4示意性所示的一側(cè)向噴嘴3，其中加工有一狹槽，以便允許熔化焊絲2的激光束1通過(guò)，所述側(cè)向噴嘴尤為適合，這是因?yàn)樗岣吡嗽谙嗷プ饔脜^(qū)域被輸送混合氣體的連續(xù)性，而不像傳統(tǒng)的不能形成有效氣體保護(hù)罩的柱形噴嘴那樣。
這是因?yàn)?，已發(fā)現(xiàn)，采用這種傳統(tǒng)噴嘴，在某些構(gòu)型下，所獲得的氣體保護(hù)罩可能由于環(huán)境空氣的進(jìn)入而被污染并因此具有大氣污染物，該大氣污染物在焊縫形成時(shí)會(huì)干擾焊縫。這是因?yàn)檫@些傳統(tǒng)噴嘴必須大體置于熔池的后部，因而允許空氣不合時(shí)地進(jìn)入氣體保護(hù)層。
在任何情況下，當(dāng)進(jìn)行焊接時(shí)，要注意抑制源自噴嘴的氣體噴流的分散，以便在沖擊區(qū)域(impact zone)的金屬板表面上盡可能獲得最薄的(層流)一維流動(dòng)。因此，完好地保護(hù)了相互作用區(qū)域(interaction zone)，因而該激光焊接方法更加有效。
尤其是，使用根據(jù)FR-A-0107245所述的噴嘴，由于噴嘴的允許激光束通過(guò)的凹縫端部——該端部的側(cè)壁向保護(hù)氣體提供了額外的導(dǎo)向，所以在噴嘴出口之外氣流的層流特征得以保持。
另外，采用所述噴嘴，可以使用“熱”焊絲——焊絲通過(guò)焦耳(電阻)加熱而被預(yù)熱，因?yàn)檫@樣在焊絲被加熱的整個(gè)長(zhǎng)度上氣態(tài)環(huán)境得到控制。


圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的試驗(yàn)B中所獲得的焊縫；圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的試驗(yàn)C中所獲得的焊縫；圖3示出根據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)行的試驗(yàn)E中所獲得的焊縫；圖4示意性示出一帶凹縫的噴嘴。
具體實(shí)施例方式
示例為了說(shuō)明本發(fā)明方法的有效性，使用由Nd:YAG激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光束，并將直徑1.6mm的銅-硅(CuSi3)自耗焊絲作為填充金屬，對(duì)激光釬焊進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。
焊接工件由鍍鋅鋼——即在表面鍍有0.8mm厚的鋅——制成。
所使用的保護(hù)氣體為根據(jù)本發(fā)明的等體積Ar/O2混合氣體(試驗(yàn)E)，或者，如果合適，使用現(xiàn)有技術(shù)中的氣體(試驗(yàn)A到D)。在試驗(yàn)B中，進(jìn)行釬焊時(shí)沒(méi)有保護(hù)氣體，因而是在環(huán)境空氣中進(jìn)行。
氣體流量為20L/min，壓力約為1bar，也就是說(shuō)，稍微高于大氣壓。氣體由圖4示意性說(shuō)明的帶凹縫的噴嘴1輸送。
下面的表格給出結(jié)果。
表格

差表面外觀粗糙；煙粒沉積在焊縫邊緣；焊縫未被很好“濕潤(rùn)”。
好焊縫平滑；很少的煙粒沉積在焊縫邊緣；焊縫勉強(qiáng)被“濕潤(rùn)”。
非常好焊縫非常平滑；沒(méi)有煙粒沉積；焊縫被很好地“濕潤(rùn)”。
圖1示出試驗(yàn)B中所獲得的焊縫，也即是說(shuō)，沒(méi)有保護(hù)氣體，因而焊縫暴露在環(huán)境空氣中?？梢钥吹剑缚p沉積有煙粒，表面外觀粗糙，并且外形拱起，所以焊縫質(zhì)量很差。
圖2示出試驗(yàn)C中所獲得的焊縫，也就是說(shuō)，采用現(xiàn)有技術(shù)中的、氧含量?jī)H占約30％的混合氣體?？梢钥吹剑瑹熈３练e在邊緣上，所以所獲得的焊縫不完美，并且仍能觀察到不規(guī)則表面。
圖3示出試驗(yàn)E中所獲得的焊縫，也就是說(shuō)，采用根據(jù)本發(fā)明的混合氣體。可以看到，焊縫外觀非常好，并且平滑、穩(wěn)固、有光澤，沒(méi)有煙粒沉積。
此外，當(dāng)考慮焊速時(shí)(參照表格)，根據(jù)本發(fā)明的混合氣體獲得最大的焊速，即速度為2.5m/min。
因此，本發(fā)明的方法不僅可以提高所獲得的焊縫的質(zhì)量，而且還可以具有高焊速，因此可以保證高產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法，該方法使用激光束，以自耗焊絲作為填充金屬，以混合氣體作為氣體保護(hù)，從而在工件之間形成釬焊接頭，該方法特征在于-所述自耗焊絲為銅基焊絲；-所述混合氣體包含40％-60％的氧氣，其余為至少一種選自氬氣、氮?dú)夂秃獾臍怏w。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合氣體包含45％-55％的氧氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述混合氣體包含約50％的氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述混合氣體包含氬氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述自耗焊絲由銅-硅或銅-鋁合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述工件由鍍層鋼制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光束由Nd:YAG、二氧化碳、摻鐿光纖或二極管類(lèi)型的激光發(fā)生器產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述氣體由帶有允許激光通過(guò)的凹縫或孔的噴嘴輸送。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，氣體流量在5L/min和30L/min之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述焊絲直徑在0.8mm和2.4mm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)鋼工件進(jìn)行釬焊的方法，該方法使用激光束，例如Nd:YAG、二氧化碳、光纖或二極管類(lèi)型激光，以自耗焊絲作為填充金屬，以混合氣體作氣體保護(hù)，從而在工件之間形成釬焊接頭。所述自耗焊絲為銅基焊絲，所述混合氣體包含40％－60％的氧氣和至少一種選自氬氣、氮?dú)夂秃獾臍怏w。
文檔編號(hào)B23K35/30GK101036953SQ20071013597
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者O·雷韋爾, O·都貝, F·白里安 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開(kāi)發(fā)液化空氣有限公司, 法國(guó)液體空氣焊接公司