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& D36F120激光焊接机聚焦镜 YAG聚焦镜 直径36焦距120
D36F120激光焊接机聚焦镜 YAG聚焦镜 直径36焦距120
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激光焊基础(原理及安全)
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你可能喜欢为什么说激光焊接机的焦距越短能量密度就越大
为什么说的焦距越短能量密度就越大?
对于激光加工，激光焊接机持别是对于一般材料的激光加工，激光波长越短越有利。定义光束在一个方向的半袖长为厄米&高斯函数最外边的拐点列巾心的距离。
则其在方厂&下个跳长为相应的基校光斑半径的一专倍，在力向的半助长为相应的基模光班半径的十专倍。
激光棍式是在假定控内不存在激活物质的前提下导出的，它和交际的激光器输山校式钉差别。气体激光器的澈活物质为汽q;其光学性质和增益空间分布比较均匀。
常常输出接近肋述风烛状况的栈模，若叠加在一起而陡光场分布交得州当复杂的情况。大于或等于1.5倍光束直径时上计算就是足够难确地成立。
高功率团体激光路泊出光束典型的横向分布图样如图1.5m。通过选横，团体激光器也可以在接近基模或低阶横下运行，促输出功率将显着下降。
在旋转对称的情况下。对于YAG等团体激光棍，其光能的生间分布则远为过杂，而不能用简球的数学公式脑述。
这是因为目前激光焊接机的激光棒不可避免地万在很多缺陷，折射蛮不均匀，在光泵作用下受热丽产生光程变比和双历时等。
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。激光焊接拼板的方法
专利名称激光焊接拼板的方法
技术领域本发明的领域本发明涉及一种用激光焊将两块或更多块板材沿一条缝线拼接在一起的改进方法，更具体地说，涉及一种利用一束或多束发自钇铝柘榴石(YAG)激光器的光束将拼接板材对焊在一起的改进方法。
本发明的背景技术在现行的制造工艺中，有一种方法是，通过把两块或更多块不同厚度和形状的金属板材焊接起来来制成一块拼接板材，由此制成成品工件。通过把不同规格、表面镀层和/或性能的不同板材焊接起来，由此制成具有最高强度和最少耗材及最轻重量的成品工件，也就是生产拼接板材。汽车工业是一个拼接板材愈益重要并用于生产各种各样汽车零部件和车辆面板的领域。例如，已知制造通过点焊加装有若干小型增强件的车门。
但制造拼板的方法具有下列弊端，要利用激光，就必须将待焊的板材边缘预制成高精度，其边缘要抛光到镜面光洁度。
本发明的概要在日提交的国际申请No.PCT/CA98/00153中，申请人公开了一种用来将金属板材焊接起来的改进装置，是一种多束激光焊接装置。国际申请No.PCT/CA98/00153涉及一种用于工业上的焊接装置，例如，它可以包括制造汽车零部件等拼接板材。该装置使用了多束激光源来将板材的相邻边缘焊接起来。另外，有一个机构用来可选择性变位相干光源相对于缝线的位向，从而可沿板材之间的缝隙焊接起来。
本发明的一个目的是提供一种相对于缝线最优化地变位多束光的位向的方法，不论板材之间的缝隙大小、板材对接部位的相对厚度或待焊材料如何，都能确保将板材充分焊接起来。
本发明设计利用YAG激光器或更具体地说Nd:YAG激光器作为最优相干光源来焊接拼接板材。应予理解的是，其他种类的激光器如CO2激光器也可用于本方法。如表1列出对Nd:YAG激光器和CO2激光器相关参数的比较。
表1 NdYAG激光器和CO2激光器的性能
*在制造拼接板材中安装的激光器
Nd:YAG激光器可用于对接所需强度的钢板，焊接速度满足汽车工业的需要。与CO2激光相比，Nd:YAG激光似乎更优越，因为它能更好地兼容接头缝隙波动、焊缝边缘的不直度和剪板的焊偏差量。
虽然本方法可用于单束激光工艺，用多束激光进行材料激光加工的优点在于，利用更高的激光功率来达到更快的焊接速度、更好的质量、更高的效率和更大的系统灵活性。用两束或多束技术来焊接不同的拼装板材的两个主要目的是因为可焊接具有更大边缘和缝隙公差，从而可提高焊接速度和质量。
因此，本发明一个方面，提供一种利用复合激光束将两块工件板材的相邻边部沿一条缝线焊接起来的方法，所述复合激光束包括一个第一激光束和一个第二激光器，各光束均向所述板材的待焊部分聚焦到具有一个光学中心的相应聚焦区域，各激光束的光学中心相互隔开一定距离并限定所述复合光束的聚焦线的一端，复合光束的有效直径doff由第一和第二激光束沿垂直于焊接方向和焊缝线的方向上的最大扩展区所限定，所述板材由下述步骤焊接起来(a)确定板材待焊对接边之间的缝隙宽度；(b)调节复合激光束的有效直径而基本根据下述公式充填所述缝隙rf+doff=2g(h2/h1-1)]]&其中doff=2rfg是缝隙宽度；doff是激光束中心与焊缝线之间错开的横向距离；h1是第一块较薄板的厚度；和h2是第二块较厚板的厚度。
(c)大体根据下述公式改变复合光束的聚焦线相对于焊缝的旋转角度φrf=df+b&CenterDsin&2]]&其中df是第一激光束的聚焦直径；和b是光学中心之间距离。
(d)沿所述板材的相邻部分移动激光束而将工件板材焊接起来。
在另一方面，本发明提供一种将第一和第二工件板材的边缘部分沿一条焊缝线对焊起来的装置，第一工件的厚度为h1，第二工件的厚度为h2，其中h1＜h2，所述装置包括一个激光器，可发射一个相干光源来把所述板材沿所述焊缝线焊起来并基本上可充填所述边部之间的缝隙；和一个用于控制所述相干光源的控制器，其中，在焊接过程中，所述控制器基本根据下述公式将所述相干光源保持着其有效功率。PF=S&CenterD&&CenterD&(Csol&CenterDTm+hm+Cliq&CenterD&DT)]]&其中，PF是有效激光功率；ν是焊接速度；ρ是板材密度；Csol和Cliq分别是板材的固相和液相比热；ΔT是熔池超过熔点的平均过热温度；和S是焊缝的横截面积。
S大体根据下述公式确定。
S=h2(rf+doff)+h1(rf-doff-g)其中，rf是在焊缝线处相干光源点垂直于焊缝线的半径；doff是相干光源中心与焊缝线错开的横向距离；和g是相邻边缘部分之间的缝隙宽度。
在又一个方面，本发明提供一种利用一个装置将第一和第二板材的边缘部分沿一条焊缝线焊接起来的方法，第一板材的厚度为h1，第二板材的厚度为h2，其中h1≤h2，该装置包括
一个激光器，可发射一个相干激光源沿所述焊缝线将所述板材焊起来，所述板材由下述步骤焊成(a)将第一和第二板材的边缘部分对起来；和(b)开动所述激光器来焊接所述边缘部分，根据下述公式保持相邻接边缘部分之间的缝隙宽度(g)g=12(h2h1-1)(rf+doff)]]&其中，rf是相干光源垂直于焊缝线方向的半径；和doff是相干光源中心横向偏离焊缝线之间的距离。
附图简介通过参考附图阅读下文的说明，可理解本发明的其他目的和优点，附图中附图说明
图1是用于根据本发明制造组合工件的组装生产线的示意俯视图；图2是图1所示的组装生产线中所用的激光焊接机头的侧视示意图；图3表示图1的组装生产线中的激光焊接装置，沿3-3′线表示用激光焊接板材；图4示意性地表示用Nd:YAG激光器进行双束激光焊接所用的试生产设备；图5a表示聚焦半径相对于透镜距离的曲线变化图；图6表示图4所示试验设备所用的加工和焊接参数；图7是本发明方法所用的双束激光试验测得的能量密度分布图线图；图8a和8b示出焊偏量和缝隙对激光焊的影响；图9示出在可焊性评价中所用的焊接模腔；图10示出激光焊的缝隙填充理论原则；图11用曲线图示出相对于板材厚度最大可接受的接头缝隙宽度；图12用焊接接头试样的剖面示出缝隙宽度对焊缝凹陷的影响；图13示出缝隙宽度和激光束尺寸对焊凹陷的影响曲线；图14示意性地示出激光焊的能量分布；图15示出激光能量吸收与向工件入射角的关系；图16示出由工件厚度与光点直径计算所得的耦合百分率；图17示出焊接速度与工件厚度之间的关系曲线；图18示意性地示出计算激光功率的表面吸收率所用模型；图19示出缝隙和焊偏量对表面吸收率的影响曲线；图20示出焊接速度对缝隙和焊偏量之间的关系曲线；图21图示出单束和双束焊接工艺之间焊接速度的差异；图22用接头的剖面示出焊头角度对激光焊缝凹陷的影响；图23图示出焊偏量与焊缝凹陷之间的关系；图24图示出缝隙与焊缝凹陷之间的关系；图25示出相对于焊头角度最大可接受的缝隙宽度；图26示出焊接速度和焊头角度之间的关系，其中焊速2-1.5mm，激光功率300W，焊偏量0.3mm；图27示意性地示出表面吸收率和焊头角度的关系模型；图28用曲线示出计算的表面吸收率与焊头角度之间的关系；图29用曲线示出缝隙宽度对焊接速度的影响；图30a-c用焊接接头的断面照片示出焊偏量对焊缝凹陷的影响；图31用曲线示出焊偏量对焊缝凹陷的影响；图32用曲线示出缝隙对焊缝凹陷的影响，采用双束工艺，焊偏量为0.3mm，焊头角度为6°，2-1.5mm的镀锌板；图33a-33d分别用照片示出焊接试样上由Olsen试验方法造成的失效位置；图34示出焊偏量和缝隙对焊缝开裂行为的影响；图35示意性地示出采用双激光束增加有效光束尺寸；图36用曲线示出激光偏焦对焊接速度的影响；图37用曲线示出旋转双束相干光源对焊接速度的影响；
图38a和38b示出熔化效率和焊接速度与光束直径的关系；图39用截面图示出试样焊缝的轮廓与激光束焦线的旋转角度之间的关系；图40(与图38一起)示出光束旋转对焊接2.0-1.5mm板材的焊缝凹陷的影响；图41(与图38一起)用曲线图示出焊缝凹陷与光束旋转角度之间的关系，其中焊偏量为0.3mm；图42用曲线示出正和负光束旋转角度对焊缝凹陷影响的比较结果，利用双束激光焊接2.0-1.5mm的镀锌板材，焊偏量为0.3mm，焊头角度为负6°；图43示出光束旋转角度对最大允许缝隙的影响；图44用曲线示出光束旋转角度、焊接速度和缝隙大小在双束自动焊工艺中的相互关系；图45示出双束激光焊接工艺中的焊偏量容限与缝隙尺寸之间的关系；图46用曲线示出要达到合格的焊接而焊头角度与焊偏量容限之间的关系；图47示出焊偏量容限与待焊板材厚度比率之间的关系；图48示出不同的缝隙大小与焊偏量容限之间的关系；图49示出双束相干光源的旋转角度对焊偏量容限的影响；图50示出在焊接2.0-0.75mm板材时双束相干光源的旋转角度对焊偏量容限的影响；图51示意性地示出由本发明的方法制成的原型拼接板材；图52a-52b用剖面示出图51的原型中的单束焊缝和双束焊缝；图53是在本发明方法制成的原型上进行的Olsen试验的照片；图54示出用来制造凯迪拉克轿车(Cadillac)后门的原型拼接板材和由本发明方法形成的焊缝截面；图55示出用于切诺基吉普车(Jeep Cherokee)的原型拼接板材；图56-58分别示出本发明生产的原型切诺基吉普车的焊接接头剖面图59示出在切诺基吉普车中的焊接接头上进行的Olsen试验结果；和图60(Ⅰ)和(Ⅱ)是根据本发明方法生产的各种曲线焊缝。
本发明详述请参见图1，它示出了用于同时生产两个复合拼接板材工件12a和12b的生产组装线10，在生产线10中，机器人真空吸运器18a和18b从相应的原材料堆中将成对的金属板材14a、16a和14b、16b取出来。各个机器人18a和18b用于将成对的板材14、16a和14b、16b分别移送到一个输送器排列20上，后者用于沿生产线10运输板材14a、16a和14b、16b，输送器组20包括三套长条状磁铁台阶状输送器22、24和26，后者可沿箭头28所示的纵长方向移动板材14a、16a和14b、16b及工件12a和12b。由输送器组22、24和26构成的磁性台阶状输送器如图1所示相互平行放置。应理解，也可以有其他放置输送器的方式。
第一套输送器22用于在生产线10上初始放置板材14a、16a和14b、16b，并将放置好的板材14a、16a和14b、16b输送到第二套输送器24上。
输送器24是一个激光焊接台32的一部分，在此，用YAG激光器36沿一条焊缝线将板材14a、16a和14b、16b的接近边缘焊接在一起。输送器24用于把未焊板材14a、16a和14b、16b移送到焊接位置，然后，在焊接后将焊好的工件12a和12b输送到第三组输送器26上。输送器26用于将焊成的复合板件12a和12b输送到机器人真空吸运器38a和38b，后者可将工件12a和12b提起并放在成品料堆上。
图1所示的生产线10可通过一台激光器36同时焊成两个工件12a和12b。如图1-3表示得最清楚，YAG激光器36包括一个用于产生两束相干光源或激光的相干光源发生器40，一个活动的激光焊头组件42(图2)和一个将发生器40的激光焊头组件42光学相接起来的光纤耦合装置44。光纤耦合装置44包括一束中的两股光缆(未示)。由发生器40产生的两束相干光源的能量由此经相应的光缆传输给焊光焊头组件42。
图2示出一个激光焊头组件42，其中包括一个发出激光能的发光激光焊头46。如前所述，激光能包括由两个相干光源构成的复合光束。组件42还包括一个可转动地安装着激光焊头46的支架48，和一个用来在支架48上旋转激光焊头46的驱动电机52。激光焊头组件46上设有一个微处理器控制的缝线跟踪传感器49(图2)，后者可感知各对待焊板材14a、16a和14b、16b相邻边缘部分之间的缝隙。传感器49例如可以是日提交的加拿大专利申请No.2,199,355所公开的类型。传感器49包括一个独立的相干光源，将一束相干光向下投射到板材的相邻部分上；和一个用于感知来自其上的反射光的光传感器。传感器49向驱动电机52和46及龙门架机构54提供控制信号，来自动改变位激光焊头42而使复合光束30指向焊缝。
图1清楚地示出激光器36整个封闭在一个罩壳50之中。罩壳50上设有象邮箱上的进出口51和53。在罩壳50中设有夹持装置60用于在焊接中保持板材就位。尽管可选用许多类型的夹具，但夹持装置60最好各包括一个日公开的加拿大专利申请No.2,167,111所公开的磁性夹具。
整个激光焊头组件42可两坐标轴线水平移动。组件42在输送器24和板材14a、16a和14b、16b上沿成对的悬挂支架和辅助支架56a和56b经一个龙门架机构42在第一水平方向移动。激光焊头组件42经龙门架机构42沿着一条设在悬挂支架56a上的轨道58(图3)移动。各对悬挂支架56a和56b可沿垂直于第一方向在相互平行隔开的端部支架62a和62b上滑动。
端部支架62a和62b又可活动地支承着平行支架56a和56b的端部。一个伺服驱动电动机64(图1)在支架56a的端部接合着沿支架62a一端延伸的轨道66。激光焊头组件42沿支架56a和56b的移动和支架56a和56b在端部支架62a和62b上的移动可使激光焊头46在板材14a、16a和14b、16b上方沿任何水平方向移动。激光焊头42可借助于一个气动滑动装置68竖向运动，还可相对于竖直方向倾斜，例如变位到图2虚线所示的位置。
在焊接过程中，相干光源发生器40产生两束相干光源。相干光源经耦合装置44中的相应光缆传输给激光焊头42，并由此发射到要焊接的焊缝线部分。从激光焊头42发出两束激光束焊接板材14a、16a和14b、16b的相邻边缘，复合激光束30具有一条纵长聚焦线连接着各光束的光学中心。
为达到最优焊接，用两部Nd:YAG激光器进行实验，用双束光缆研究双束焊法的特性并建立一系列实验数据，以此开发适当的焊接工艺和构造先进的激光焊接系统。a)实验设备图4所示的研究设备包括两台Haas HL 3006D型Nd:YAG激光器，一个1.2m×1.2m龙门架机构和一个配有一个如图1-3所示的跟踪系统的焊接台。激光束引入工作台是通过一条双阶折射率玻璃纤维进行的，后者由两个端部连接在一起的单根玻璃纤维构成的。光束是通过一个带有两个200mm透镜的标准Haas 1∶1光头聚焦的。提供横向压缩空气流作为保护气流，防止光头受焊接烟尘和飞溅的伤害。
为充分理解Nd:YAG激光束，所用的光学参数(焦距)和玻璃纤维导光系统的特性，对聚焦的激光束进行了测量。下列数据记录了由a)单根光纤和b)双股光纤导引的激光束的一整套实验结果，是利用PROMETECTM激光成像仪进行的。精确地确定了具有100、150和200mm焦距透镜的光学系统的焦点尺寸、强度分布和相对位置。散射激光束测量了三种光学系统的聚焦激光束，f=100、150和200mm光学系统中最小焦点半径分别为0.3mm、0.43mm和0.56mm，如图5a所示。光学参数愈小，曲线在离开真正焦点时上升得越陡。在接近焦点处半径达到一个最小值，随着离开焦点的距离而按指数条件递增。在不同的功率值处测量光束半径的结果示于图5b，聚焦光束的半径保持几乎不变，而功率则从300W变到3000W。这是光纤传导的Nd:YAG激光的一个优点。不同光学参数的光束特性相比较显示，焦距越长，如200mm，其聚焦距离越长。要了解单色激光束的基本特性，用精确的数据精密设定焊接参数。光束半径保持恒定的区间愈大，焊接工艺方法越稳定。因此，在研究和生产中选用200mm焦距的透镜。
各个具体光学系统的焦点位置非常重要，在焊接时，焦点通常设定在板材表面。200mm光学系统的聚焦位置为179mm，这是从板材表面测到保护玻璃盖的距离。若透镜和透镜夹头相同，则该尺寸将保持不变。
激光焊接拼板板材的主要工艺参数示意性地示于图6。这些参数可分为两组a)焊接参数；和b)用于生产拼板的板材参数。第一组包括在板材表面处的激光束1的功率P1、激光束2的功率P2、焊接速度v、焦点位置z、焊头角度θ、激光束对接头的光束旋转角度φ和离开接缝的焊偏量doff。
图7表示双束强度和两个焦点关系在2×3000W时的立体图。分布图示出，功率分布在焦点上沿光束的整个直径几乎是恒定不变的。各光束是从3000W激光器中发射出的。各焦点的直径约0.6mm且大体相同。两焦点之间的距离为1.2mm，在两焦点之间有一个0.6mm的间隔。将双束激光旋转90°(即连接光束中心的聚焦线垂直于焊缝)所覆盖的最大宽度是1.8mm，另外，各光点的功率可按要求分别改变。这对于加工某些具体的接头是很有用的。
第二组包括两块板材的材料、镀层和厚度、剪切棱边状况和板材之间的缝隙。如下所述，缝隙是影响焊接参数选择和焊缝凹陷Olsen试验结果的最重要参数之一。通常按照下述方法设定焊接参数1)激光功率通常选择到两个激光器的最大输出功率，以达到最大的焊接速度；2)焦点位置是激光焊的一个重要工艺参数，正确和精确设定焦点位置是为了得到稳定高效的焊接工艺。焊接拼板的激光束的焦点位置最好位于薄板的表面；3)在焊接0.8-2mm的拼板时，通常选择±6°的焊头角度。选择焊头角度基本上取决于一个接头的板厚比率。对于焊接大厚度比率的接头来说，建议选择一个正的焊头角度；对于小厚度比率的接头来说，最好是负的角度；4)焊偏量也是一个重要的焊接工艺参数。可实验测定焊偏量来最大限度地减小焊缝凹陷和达到最优的焊缝断面形状；5)是否需要光束旋转则要根据接头的最大缝隙来定。只有在最大缝隙超过单束工艺的缝隙填充能力时才是需要的。
6)通过逐步增大焊接速度直到不能焊透时来确定焊接速度。这样可找到一个最大焊接速度。把焊接速度选择到最大值为90％来形成优化可靠的焊接工艺。
提出的两个试验方法集中研究焊偏量和缝隙对焊接工艺的影响。其中之一是改变焊偏量进行焊接(图8a)，其中焊偏量是沿整个接头是连续改变的。在焊接起始位置，焊偏量为0；在试样终端处，焊偏量达到确定值，例如0.3、0.6或0.9mm。在某些情况下，在焊接试验中加入一定量的缝隙。在焊后，检查试样而找到板材未焊透或未焊好的最小和最大焊偏量。在特定焊偏量处，例如0、0.1mm……等处，切开试样来检查焊缝截面并测量焊缝凹陷。可根据图8确定焊缝凹陷低于一定值(通常为10％)条件下的焊偏量容限。在许多情况下，从这些结果可得到一个优选的焊偏量。
另一个方法是通过改变缝隙进行焊接，如图8b所示。将两块板材夹持成在起焊位置板材之间没有缝隙；而在焊接终端设有一定的缝隙。用厚度规测量缝隙的宽度并在此位置做上标记。在一定的焊偏量(通常大约为最优焊偏量)条件下进行焊接。在焊接后，在标记位置精确剪切开试样来检查焊缝形状。由焊接试验得到的典型结果示于图8b。通常，焊缝凹陷随缝隙增大而增加。根据最大允许的焊缝凹陷(例如10％或15％)，从这种曲线图中确定出最大允许的缝隙。
为了减小剪边的不直度引起的误差，在本研究工件中的焊接试样采用短板(600mm)。评估焊接接头是否可接受是采用两个特性焊缝凹陷和Olsen试验。
如图9所示，将焊接接头的横断面研磨(600目的粒度)和腐蚀(12％硝酸)，在显微镜下检测焊缝的熔合区，并测量焊缝的最小贯通厚度尺寸。测得的减小断面与较薄板的原始厚度之比就是凹陷率，也就是较薄板厚度的一个百分比。凹陷率是一个重要的焊缝性能。为确保焊接接头的质量和匹配性，焊接规程确定的凹陷率上限为15％。
Olsen试验是焊缝匹配性的量化测试。将焊接试样加力使之断裂。记录下断裂位置。若裂纹始于并沿母材金属开裂，焊接接头试样就是可接受的，也就是说没有匹配性问题。Olsen试验比模压试验严格得多，从而一个通过Olsen焊缝匹配性试验的焊接接头在压模试验中就不会有问题。b)激光焊的缝隙填充对于不加填充材料的焊接工艺过程，可利用一个简单的模型来描述焊偏量、缝隙、激光焦点和两块板材厚度之间的关系。假定在较厚板边缘上的金属熔化填充缝隙，该边缘的形状大致呈三角形。熔化金属的范围由激光束尺寸决定，即仅仅在光束照射下的材料才熔化。为了填满缝隙(Sg)，熔化的较厚板材的面积Sm必须等于缝隙Sg的面积，这样就存在下述关系Sg=g·h1(3.1)因此，最大可接受的缝隙宽度为g=12(h2h1-1)(rf+doff)=12(TR-1)(rf+doff)]]&其中doff是焊偏量，g是缝隙宽度，rf是焦点半径，h2和h1分别是图3.1所示的较厚和较薄板材的厚度，TR是焊接接头的厚度比率(h2/h1)。按该模型，缝隙就会填满。在检查工艺参数的结果时必须考虑下列因素(a)走偏置doff的增加；(b)通过改变焊头角度而改变熔合区的形状就会有效地熔化更多或更少的较厚板材；和(c)通过利用双束激光或光束不对焦则会增加焦点半径rf。
但焊偏量要受激光斑点尺寸和缝隙大小的限制，即最大焊偏量为rf-g。若焊偏量大于此值，激光束就不能接触和加热到较薄板材的边缘。这导致焊接工艺不稳定。因此，最大缝隙为gmax=rf(TR-1)1+0.5(TR-1)----(3.3)]]&图11表示在两个激光束斑点尺寸的情况下，最大允许缝隙随厚度比率变化的函数。rf=0.3mm是指单束焊接，而rf=0.6mm则指双束焊接，旋转角为30°。在一方面，这表明最大允许缝隙与接头构形有关。厚度比俞大，越容易得到没有凹陷的焊缝。在另一方面，在焊接某一接头时，利用大焦点的激光点可达到更好的缝隙填充。在表2中列出激光焊接几个典型拼板的最大允许缝隙。
表2激光焊拼板时所算得的最大缝隙
图12表示在焊接2.0-0.75mm镀锌拼板时缝隙对焊缝截面的影响。从中可以清楚看出缝隙在焊接过程中是怎样受到填充的。激光束熔掉厚板材的边缘而使其到流到接缝中。在零或小缝隙的情况下，在厚板侧熔化的材料体积大于缝隙的需要量。由此，熔化材料溢流到薄板上而形成一个带角的焊缝截面。若缝隙变大，则这部分熔化材料进入缝隙，焊缝则变平坦了。另一个值得注意的有用结果是，在零缝隙条件下达到熔掉的横截面面积最大。这意味着，缝隙越小，要熔化的材料量越大，就需要更大的有效熔化功率。
图13示出激光束尺寸和厚度比率对焊缝凹陷的影响，并验证了前述模型。总的来说，要焊接大厚度比率(TR)的拼板，更易于填满缝隙。甚至利用单束焊接工艺尚可把缝隙为0.3mm的焊缝焊接得其焊缝凹陷不超过用户验收标准，如10％。根据公式(3.3)，2.0-1.5mm的板材的最大允许缝隙为0.085mm，若缝隙太大的话，如单束或双束焊接工艺则不足以保证焊缝不出现凹陷。为此，更先进的双束焊接工艺如光束旋转应用于焊接大缝隙和低厚度比率的焊缝。激光焊接拼板的能量平衡稳定和连续的焊接工艺是激光功率、耦合率、能量损失和有效功率之间能量(或功率)平衡的结果，如图14所示。焊接所需能量来自激光束。材料吸收一部分激光能量并将其转换成热能，这一过程可用一个重要的系数来表征，即耦合率。它表示激光能量PL到底有多大的百分比由材料吸收进去。其余的(PR)由材料表面反射出来。吸收的激光能量又可进一步分为两部分，其中一部分用于熔化材料而形成焊缝，称之为有效功率PF；而另一部分是通过热传导散入母材金属中的功率损失Pp。对于激光焊接工艺来说，吸收的激光功率包括总有效功率和功率损失，即为下列公式A·PL=PF+Pp(3.4)从焊接工艺原理角度出，该公式表明吸收的激光功率应等于有效功率和功率损失之和。若A·PL小于PF+Pp，则意味着在焊接接头中的功率不足，而可能导致未焊透；若A·PL大于PF+Pp，则表明功率太大，往往造成过热、穿孔、喷散或甚至是切割。
引入能量平衡的目的就是建立一个数学公式来研究焊接材料和焊接参数之间的关系。从而可量化最大速度和缝隙和焊偏量对焊接工艺的影响及对跟踪系统的要求。
材料对激光能量的吸收率取决于材料的光学特性(与温度有关)、激光束的波长和极化方向及激光相对于材料表面的入射角度。这些参数之间的相互关系由Fresnel方程给出。铁(对普通钢材也适用)在其熔点对Nd:YAG激光(波长1.06微米)的吸收率示于图3.6。
然而，通过“透孔”(Keyhole)机理焊透，耦合率不仅与表面吸收率有关，还与透孔的形状有关，这是因为存在激光多重反射吸收效应。图16示出耦合率。
对于激光焊接拼板来说，板材的厚度在0.75-3.00mm范围内，激光束直径对于0.6mm光纤是0.6mm且是1∶1的聚焦参数，从而焊接工艺的厚度/直径之比为约1.25-5。Nd:YAG激光焊接工艺的耦合率约为60-80％；而CO2激光焊则为35-60％。因此，即使在利用透孔机理透焊工艺中，Nd:YAG的耦合率会大于CO2激光焊。对于焊接不同厚度的板材来说，厚度/直径之比可计算成 加热和熔化焊缝金属的有效功率可由下式计算PF=S·ν·ρ(Csol·Tm+hm+cliq·ΔT)(3.6)其中v是焊接速度，ρ是材料密度，Csol和cliq分别是板材的固相和液相的比热，Tm是熔化温度，hm是熔化潜热，ΔT是超过熔点的过热。对于激光焊来说，在通常情况下，平均过热温度ΔT=0.2-0.4Tm。S是焊缝的横截面积，由板材厚度、焊偏量和缝隙确定，可计算如下S=h2(rf+doff)+h1(rf-doff-g)(3.7)适用条件为-rf≤doff≤rf-g。其中，h2和h1分别是厚板和薄板的厚度，rf是激光斑点的半径，doff是焊偏量，g是缝隙宽度。
功率损耗可大致计算如下P1&=4.4&K&Tm&h2+h12&&&CenterDh4D----(3.8)]]&其中K是导热率，D是材料的导温系数，W是焊缝宽度。d)理论焊接速度根据公式(3.4)、(3.5)、(3.6)、(3.7)和(3.8)和能量平衡，可推导出理论焊接速度为&=A&CenterDPLSeff&CenterD&&CenterD(csolTm+Hm+&DT&CenterDcliq)+0.55(h2+h1)KwTm/D----(3.9)]]&对于单束激光焊，焊缝宽度通常大于激光斑点直径。根据试验观察，W约可算为1.3df。焊缝横截面的有效面积Seff大致在1.1和1.55S之间，最好是1.3S。平均过热温度ΔT=0.2Tm，对于双束激光焊来说，因为输入的能量更高且有两个并列斑点，焊缝宽度会略大于单束激光焊，预计熔池的过热温度会更高，故w取作1.4df，而ΔT为0.4Tm。利用公式(3.9)计算出了焊接几种典型钢材拼板的理论焊接速度，并与试验结果进行了比较，示于图17。可看出，计算值和实验值之间极为符合。
缝隙和焊偏量在两方面影响着焊接速度。一方面，它们影响在焊缝中熔化的金属量，这在公式(3.9)讨论过；另一方面，它们会改变吸收率A。为了描述在不同缝隙和焊偏量条件下在激光束和板材接头之间的吸收性能，在此引入一个简单模型，如图18所示。吸收激光能发生在一个接头上的三个位置；一部分激光功率由两块板材的顶面吸收，此系激光束的入射角等于焊头角度；第二部分由厚板上超出薄板的边缘吸收，其入射角为90°-θ；第三部分激光功率通过厚板和薄板边缘之间发生的多重反射一吸收过程由缝隙吸收，其入射角也等于90°一θ。激光功率的吸收率是焊头角度、焦点直径、缝隙宽度、焊偏量和两块板材厚度的函数。在计算接头中的吸收率时，也要考虑入射角、缝隙宽度、焊偏量和两块板材的厚度。2.0-1.0mm的计算结果示于图19。由此可清楚看出，表面吸收率与缝隙大小关系甚大。对于某一接头组合来说，它开始随缝隙而增大，在一定的缝隙下达到峰值。若缝隙过大，吸收率又会下降。与此相反，焊偏量几乎不影响表面吸收率。
利用公式(3.9)，即图16所示的模型，可估算缝隙对缝隙和焊偏量对焊接速度的影响。对于一定的板材组合，利用图15所示结果来计算耦合率A，然后必须用图19所示的结果予以修正。图20示出对不同缝隙和焊偏量计算的焊接速度。
利用倾斜的激光照射，缝隙宽度从零变到一定值，则吸收率随缝隙增大，并在一定缝隙宽度达到最大值。这是因为缝隙俞宽，则有更多的激光功率进入缝隙并在其中反复反射和吸收，从而形成更高的吸收率。熔化的金属量则随缝隙尺寸而下降。两种因素均使焊接速度更高。若缝隙太大，因为激光束在缝隙中吸收和反射的次数随缝隙尺寸而下降，一部分激光穿过缝隙甚至未接触到板边缘，从而吸收率则变小。虽然熔化金属的量减少了，但激光功率穿过缝隙的能量损失则成为一个决定性因素。从而焊接速度下降了。选择焊接速度必须根据零缝隙和剪板之间的最大缝隙来确定，以确保沿整个焊接接头中的充分焊透。焊偏量几乎不影响耦合率，而只改变熔化金属的量，而焊接速度则随焊偏量的增加而下降。e)利用双束顺缝焊接拼板下面详细介绍用两台Nd:YAG激光器经双股玻璃维导引来焊接拼板。要把双股光对准成使激光束的双焦点和焦点之间的连接聚焦线平行于接缝(顺缝)。试验用Olsen匹配性试验方法集中确定焊头对准度、激光束焊偏量对缝隙填充、焊接速度和焊接参数对焊缝的外形(凹陷)及其他性能的影响。
1．双束焊接速度的比较在激光焊接拼板中利用双束工艺的目的之一是提高焊接生产率，即提高焊接速度。为了比较双束和单束焊接速度，在同样的试验条件下在相似厚-薄板组合上进行了一系列试验，其结果示于图21。单束激光功率为3000W，双束激光功率为2×3000W，焊头角度约为6°。缝隙选在0-0.2mm，焊偏量根据较薄板厚度则在0.15-0.3mm之间变化。研究表明，焊接速度通常受制于两块板材的厚度。然而，薄侧的厚度在决定焊接速度上起更大的作用。图21示出，用双束焊接不同板材组合的焊接速度几乎是单束的两倍。焊接速度大体随激光功率翻了一倍。双束焊接技术可使客户达到更高生产率(焊接速度)而立即显现效果，而不必等待更大功率的新型Nd:YAG激光器的出现。双束焊接工艺的优点在于使用双束可减小焊接系统的技术风险。若一个激光器出现故障而需要修理，仍可用另一个激光器维持连续生产，只是焊接速度降低了。
2．焊头角度对焊接工艺的影响焊头角度是一个重要的工艺参数。焊头角度确定了透孔方向、焊透性和熔池形状。另一方面，工件对激光功率的吸收率与光束入射角度关系甚大。为了研究焊头角度对焊接工艺的影响，选择了四个焊头角度来焊接板材。它们对熔池和焊缝形状的影响示于图22。
从图22可看出，可选择三种焊头角度范围来焊接不同厚度的拼板。第一种是，激光束从接头的薄侧射到达厚侧，这表示焊头角度为正。第二种是激光束垂直于板材表面，即焊头角度为零。焊头角度为正的优点在于接头更易于焊透，因为激光束只需焊透薄板并熔化掉厚板侧上的一些来填充缝隙。这样可提高焊接速度。双束激光工艺可提供更大激光功率，从而使激光束选在第三种范围，即激光束从接头的厚侧射向薄侧，也就是说焊头角度为负。焊头角度对焊缝凹陷的影响示于图23(改变焊偏量)和图24(改变缝隙)。在焊偏量恒定的情况下，最大允许缝隙对焊头角度的影响示于图25。
总的来说，从图23、24和25可以看出，焊缝凹陷随焊偏量的增加而下降，且存在一个使焊缝凹陷最小的最优焊偏量；焊缝凹陷随缝隙尺寸的增加而减小，等等。这表明，通过适当设定焊头角度可减小焊缝凹陷。要焊接2.0-1.5mm板材，焊头角度为-6°和缝隙为0.18mm可达到最优的缝隙填充。负的焊头角度俞大，激光束进入厚板俞深，可将更多的厚板材料熔化而熔入熔池中。与正的焊头角度相比，负的焊头角度的另一个优点在于透孔的穿透方向。对于正的焊头角度来说，透孔指向厚板根部边缘，透孔与接头底部之间距离随焊偏量或焊头角度的增大而增加。但该距离不要超过一定数，否则，薄板底部边缘就不会充分熔化并可能导致熔合不良。对于负的焊头角度来说，透孔从厚板穿过接头而指向薄板，并指向薄板的根部边缘。同时适当增加焊偏量和焊头角度不会在接头底部引起透孔位置的变化。因此，一方面，可设定大的焊偏量和焊头角度来熔化更多厚板；而另一方面，仍要熔化接头根部来达到牢固焊接。对于焊接板厚差别不大的接头，为达到优良填充，负的焊头角度特别有用。其缺点则是，熔化更多的材料则意味着需要更大的激光功率并降低焊接速度。
从图中可清楚地看出，若存在缝隙，焊头角度为零则缝隙填充最差。其原因是透孔和缝隙之间的交互作用。因为透孔的一部分是由缝隙表面构成的，透孔在板材底部则会变大。利用透孔机理达到深度焊透，这意味着通过透孔可损失掉更多的材料。另一个原因可能是，通过改变照射角度，而引起激光束和接头之间吸收率和相互作用方面的变化。
焊接速度与焊头角度之间的关系示于图26。根据这些实验，在正和零焊头角度可达到更高的焊接速度。总的来说，焊接速度随焊头角度向负方向下降而减小。
焊接速度是由加热过程的能量平衡确定的。对于激光焊来说，焊接速度是由下列因素确定的1)工件吸收的激光功率，即吸收率；2)在通过热传导进入母材的热能损失在某种程度上保持不变的情况下熔化的材料量。如上所述，焊头角度影响材料的熔化量。负的焊头角度能熔化更多的厚板材料而获得更好的缝隙填充，进而需要更多的能量或激光功率。焊接速度自然就降低了。在零或正的焊头角度情况下，熔化的材料比正的焊头角度时要少，从而可达到更高的焊接速度。
在不同的焊头角度条件下，激光束和板材接头之间的吸收行为示于图27。为简化计算过程，假设第二部分的百分率等于Sa对焦点面积的比值。在计算缝隙吸收率时，也要考虑入射角、缝隙宽度、焊偏量和两块板材的厚度。计算结果示于图28。可注意几个令人感兴趣的结果。在三种焊头角度范围内，正的焊头角度的吸收率最大。零焊头角度具有最小的吸收率。而且，对于零焊头角度来说，激光功率的吸收率随缝隙的增大而减小。缝隙越大，进入缝隙而不与材料作用的激光束俞多，这是因为相对于板材边缘来说入射角为90°。对于激光焊接拼板来说，若熔化的材料量保持恒定，则意味着焊接速度随缝隙的增大而下降。
该结论由图29实验验证，图29即表示焊接速度与缝隙尺寸之间的函数关系。焊接速度随缝隙宽度增大，在缝隙为0.1mm处达到最大值，然后则下降。其走势与图28所示的激光功率吸收行为是密切一致的。
因此，焊头角度是一个重要参数，可强烈地影响焊接工艺。为更好地填充缝隙，激光焊头应设定在负的角度范围。然而，这种焊头角度设定仅适用于焊接厚度相差较小(即小于25％)的两块板材。为了焊接厚度差别大的板材，不提倡采用负的焊头角度，因为激光束必须穿透厚板，这意味着焊接速度损失大，焊接生产率低。为了达到更有效地吸收激光功率和提高焊接速度，选择正的焊头角度是很有意义的。在这种情况下，可用零缝隙和最大可能的缝隙确定焊接速度。零焊头角度不仅填充缝隙的能力最小，而对激光能的吸收率最低，在焊接拼板时尽量不要采用。f)焊偏量对凹陷的影响在焊接通常的拼板时，熔合区包括一部分薄板和更大部的厚板。若两块板材之间有一个缝隙，就必须将其填满以形成牢固的焊缝。如前所述，为了克服焊缝凹陷，当激光束对准照射更多的厚板时，则可达到良好的结果。激光束的焊偏量是另一个重要的工艺参数。如图30示出焊偏量对焊缝横截面的大体影响。为了量化确定焊偏量对焊缝凹陷的影响和寻找板材组合的最优焊偏量，用三种焊接速度和三种缝隙尺寸的接头进行了一系列焊接试验。焊偏量对焊缝凹陷的影响的结果示于图31中。
焊偏量在焊接拼板时起重要作用，在焊接速度恒定时它适用于缝隙尺寸。若没有缝隙，在大范围的焊偏量下可形成优质焊缝。焊偏量从0到0.3mm，焊缝凹陷率低于10％，焊缝填充良好。随着焊偏量的增加，因为熔化掉更多的厚板材，焊缝凹陷随之下降。若存在缝隙，应保持一定的焊偏量来保持焊缝凹陷低于10％。在采用自动跟踪系统时，最好保持住该焊偏量。若缝隙太大，则不能形成优质焊缝。通常在焊缝两侧(图30)出现凹陷和咬边。
存在一个使焊缝凹陷最小的最优焊偏量。在2.0mm-1.5mm板材组合的试验中，最优焊偏量为大约0.25-0.3mm。超过此值再增加焊偏量则造成更大的凹陷。然而，应注意另一个现象，对不同的焊接速度和缝隙则各有一个焊偏量上限。一旦焊偏量超过此限，则不能焊成高质量接头。若激光束只加热厚板则会烧塌。薄板在底部捌角则未熔合(图30c)。在此情况下，在焊缝根部则有一个缺角，也就得不到优良焊缝。
在最优焊偏量的范围内，焊接速度影响最小。最好进行高速焊接，因为高度焊接不仅生产率高，而且焊缝凹陷还可在大得多的焊偏量容限保持在10％以下，也就是说增大了焊接工艺的抗干扰性和安全性。g)最大允许的缝隙在两块板材之间存在缝隙据说是不可避免的，当然是指超过一米的焊缝长度。研究表明，常规切割的板材不具有直边，在一定焊接条件下就任何具体焊接工艺来说，有一个可取得满意接头的最大允许缝隙。
如图32示出接头缝隙对焊缝凹陷的影响。不出所料，焊缝凹陷随缝隙尺寸的增加而增加。从图32中，通过设定不同的最大焊缝凹陷就可读出最大允许缝隙。例如，最大允许缝隙为0.1-0.15mm，在0.3mm焊偏量、6°焊头角度和2-1.5mm镀锌板中采用双束焊接工艺，达到的凹陷率为10％。还应注意到，焊接速度可影响最大缝隙。对于恒定的焊偏量来说，降低焊接速度并不能证明是一种尽人满意的填充更宽缝隙的方法。这是因为，焊接速度越慢，熔化金属通过透孔的蒸发和飞溅产生的损失量俞大。为了达到更好的焊缝填充，焊接速度必须随着光束相应偏焦或同时增大焊偏量而减慢。
图33示出为定量研究接头的机械性能即强度和匹配性而进行的Olsen试验结果。图33的照片示出焊接试样经Olsen试验产生失效的位置。裂纹始于母材(正常在薄板中)并平行于接缝在母材中延伸或跨过焊缝(图33a和33b)。在这样的情况下，焊接接头的机械性能是合格的。图33c示出，裂纹于母材靠近焊缝处，并平行于焊缝在薄板中延伸。在这种情况下，接头具有令人满意的性能，且认为是不危险的；若裂纹始于焊缝并在其中伸展(图33d)，则接头不合格。
图34示出焊偏量和缝隙是怎样影响焊接接头在Olsen试验中的开裂行为的。若焊偏量太大，则薄板就不能充分熔化，接头的成形性最差。必须小心避免这种情况。宽缝隙和/或不适当焊偏量的接头可能在焊缝上开裂，这是因为过大的凹陷和咬边会显著减小焊缝的横截面。合适的工艺参数可确保接头在Olsen试验中没有问题。裂纹始于母材并在其中扩展确保了焊缝具有合适的机械性能。h)采用双束工艺采用双束工艺焊接拼板的目的是增加焊接速度和扩大工艺质量，即用更大的焊偏量/缝隙来焊接。由图11可知，达到更好缝隙填充的可能性之一是增加焦点尺寸。例如，若以0.2mm的缝隙和0.3mm的焊偏量焊接2-1.5mm板材，必须采用约为1.8mm直径的焦点来达到良好的焊缝填充。为了使激光束达到这样的技术指标，单束焊法就是增加偏焦或采用长焦距透镜。在哪种情况下，都极大地削弱了激光束的根本性能，即功率强度。这可将焊接机理由透孔焊(深焊)改变到激光熔化焊，将会丧失激光焊因高功率强度而产生的优点。
用双束工艺激光焊接拼板是一个解决该问题的创新性方法。关键的工艺是旋转双束激光而增加有效光束尺寸以满足对焊接热源的特殊要求。从图35可以看出，通过绕其中心旋转两个斑点则不减小激光束的功率强度而可以连续地改变激光束的有效直径。光束旋转可最大灵活性地应付单束难于焊接的接头。
不论是使激光束偏焦或旋转，增加有效光束尺寸则意味着熔化更多的工件材料和焊成更宽的焊缝。可预料到焊接速度会降低。为了用两个技术概念确定光束尺寸对焊接速度的影响，在2.0-1.5mm镀锌板材上进行了对比实验，其结果示于图36和37。在图36中，光束直径由PrometecTM激光成像仪确定。在图37中有效光束直径由下列公式计算deff=df+b·sinφ其中，df是单个焦点的直径，b是两个焦点中心之间距离，φ是光束旋转角度。清楚地表示出焊接速度与激光斑点尺寸之间的关系。用偏焦或旋转激光束焊接，在焊接速度和斑点直径之间有一个重要关系，如图36、37、38a和38b所示。
对于单束激光焊来说，熔化效率正比于焊接速度和光束直径之积，对于在恒定激光功率双束焊接一定的接头来，熔化效率可保持恒定直到某一焊接速度。该结果也适用于双焦点顺缝激光焊(参见图38a)，焊接速度和光束直径之积随着光束直径的增加而保持几乎恒定或略有下降。这表明，焊接速度反比于光束直径。在上例中，若接头缝隙选为0.2mm，则需要1.8mm的激光斑点，焊接速度则下降到2.7m/分钟。然而，该结论不适用于可旋转光束的双束激光焊。熔化效率随有效光束直径的增加而提高。这可解释为，通过热传导损失的热能减小，就深度/焦点直径之比而耦合效率高。虽然焊接速度仍随有效焦点半径(旋转角度)的增加而降低(见图38b)，旋转光速的焊接速度都比偏焦时高许多。对于用90°的旋转角度焊接2-1.5mm的镀锌拼板，焊接速度为5.4m/分钟，比将激光偏焦到相同等效斑点直径的激光焊快一倍。
图39示出在不同光束旋转角度下的焊缝横截面的照片，从中可以清楚地看出光束旋转角的影响。焊缝顶面的宽度由有效光束直径决定，即由光束旋转角度决定，而焊缝底部的宽度与光束旋转角度几乎无关。光束尺寸越大，则焊缝顶部越宽。
另外，两束激光在焊接过程中起不同的作用，一个主要用于焊透接缝，而另一个主要用于熔化厚板材料而达到优良的缝隙填充。在正的光束旋转角度之下，前面或领先的光束入射到厚板上而加热和熔化厚板，而后面或跟随的激光束产生穿透。不能穿透厚板侧。前面的激光束仅在厚板上留下一个熔珠而半穿透厚板。可以明白地看出，焊缝包括两条脊。领先的光束对焊接工艺有很大贡献，因为它不仅熔化了厚板侧来更好地进行缝隙填充，而且还预接了接头材料，从而使后面的光束更容易焊透接头。这种组合的焊接速度热也因而较高。
负的旋转角度的双束焊接正相反。前光束穿透接头，而后光束熔化厚板来填充缝隙。在这种情况下，前光束要焊透冷板，焊接速度比正的光束旋转角度时低一些。由于前光束的预热作用，在厚侧熔化的材料明显增多。对于小光束旋转角度的情况下，例如为30°，则由后面光束在厚侧形成深熔池。两个熔池形成在一起。对于这种光束旋转角度，为了达到最优焊缝成形，应适当减小后面光束的激光功率。这提供另一样激光焊接工艺用两束合成的激光功率进行焊接。对于一定的光束旋转角度，焊缝形状是相似的。图39示出60°和-60°光束旋转角度下的焊缝形状的比较。
图40和41示出在不同焊偏量和缝隙条件下光束旋转角度对焊缝凹陷的影响。图42示出在不同缝隙下负和正的光束旋转角度的焊缝凹陷的比较。图43示出不同光束旋转角度下的最大允许缝隙。
因此，就光束旋转角度、焊接工艺和缝隙填充来说，可得到下列结论通过旋转激光束可增大有效光束直径，从而可达到更好的缝隙填充。而且，正的光束旋转角度可略微提高焊接速度。然而，负的光束旋转角度可获得更好的缝隙填充。总之，通过增加光束旋转角度，可良好地焊接具有更大缝隙的板材。在正的光束旋转角度下，最大允许缝隙随光束旋转增加得并不明显。在负的光束旋转角度下，可达到良好得多的缝隙填充。从0-30°，变化率较为明显。超过30°再进一步旋转激光束，则对最大允许缝隙影响不大。
图3综合示出双束激光焊接2-1.5mm板材的基本参数。三个重要参数是焊接速度、最大允许缝隙和最大焊偏量。
表3双束焊接工艺(2-1.5mm)的基本工艺参数
*单束焊接的参考值经济和有效的焊接工艺与板材的边缘状态关系甚大。沿整个剪边长度的直线度是一个重要的参数，因为在最差情况下的最大缝隙是正常板材不直度的两倍。这就是说，若不直度为0.05mm，则最大缝隙可达是0.1mm。下面的例子用来说明2.0-1.5mm板材的焊接。板材的最大缝隙低于0.1mm可根据生产率的要求选择单束或双束焊接工艺。在缝隙小于0.1mm时，不必旋转激光束。焊头角度应是正的且光束旋转角度设为0度，以达到最高的焊接速度。若没有缝隙，最大焊接速度取决于光束位置，不必改变焊接速度来适配缝隙。双束焊接工艺更经济，速度提高100％，而花费仅增加10-15％。为保持最优的焊偏量，则跟踪系统的精度要达到±0.05mm。板材的最大缝隙为约0.15mm若缝隙为约0.15mm，应选择双束焊接工艺。若最大缝隙小于0.15mm，双束顺缝(光束旋转角度为0度)焊接应是最优的，焊接速度为单束焊的两倍。跟踪系统的精度为±0.075mm。若最大缝隙为0.17-0.18mm，最优的选择仍为光束旋转角度为零度或较小(如30°)。激光焊头应设定在负角度。高焊接速度需要高的跟踪精度(8m/分钟，±0.025mm)；低焊接速度下，偏差可大些(7m/分钟，±0.15mm)。双束焊比单束焊的速度约高40-60％。在负的焊头角度下，焊接速度几乎不随缝隙改变，可简单采用由最小或最大缝隙确定的恒定焊接速度进行焊接。最大缝隙超过0.2mm若沿整个焊接接头，缝隙在0-0.25mm范围内变化，不利用旋转光束的双束焊接，就不可得到优良焊缝。在此情况下，在整个激光焊接系统中可考虑两个不同的工艺方法。一个简单的方法是用固定的光束旋转角度进行焊接，而光束旋转角度和焊接速度则由最大缝隙和零缝隙来确定。这种焊接工艺的不足之处在于要略微损失点儿焊接速度。焊接具有0.25mm缝隙的板材，焊接速度为5.4m/分钟，这约比单速焊接工艺的速度高12％。
最好的方法是通过自动调节光束旋转角度和焊接速度来进行焊接，其机理是基于缝隙、光束旋转角度和焊接速度之间的基本关系。在跟踪系统中有一个传感器检测缝隙大小。将缝隙宽度发送到焊接系统的一个控制单元中，在此利用缝隙大小、旋转角度和焊接速度之间的函数关系计算出最优光束旋转角度和相应的焊接速度。将数据分发给相应伺服电机的控制驱动单元而在同时连续改变光束旋转角度和焊接速度。自动调节光束旋转角度和焊接速度的优点在于可最优地利用双束焊接工艺。例如，若缝隙从0渐变为0.25mm，在焊接速度为6.7m/分钟的条件下，可将光束旋转角度从0变到90°。该焊接速度比按恒定光束旋转角度进行焊接时高24％，比单束焊高约40％，而双束焊接工艺的可靠性更高且对偏差更不敏感。一个利用上述原理的简化工艺方案是以两个固定速度和光束旋转角度进行焊接。从图44可以清楚地看出，若缝隙小于0.1mm，焊接速度和光束旋转角度变化极小。因此，可将光束旋转角度设为0度，而以更高的焊接速度进行焊接。一旦缝隙在0.1-0.2mm，如图44中的虚线所示，可设定更大的光束旋转角度和更低的焊接速度，如30°和7m/分钟。仅需要两个固定的焊接速度和光束旋转角度。该方案的优点是，光束旋转机构的构造和控制简单、对缝隙宽度传感器的要求更低。
如上所述，激光束相对接缝的焊偏量也是一个十分重要的工艺参数。一个可导致焊偏量数值波动的因素是板材的边缘不是绝对直线，其形状因不同的剪切或切割方法而异。而且，聚焦距离也令因板材表面波动而变化。焊头角度也会引起焊偏量的变化。另一个因素可能是板材在磁性吸台上定位不合适，或者缝线位置偏离机械运动的中心线。而且，经过长时间工作，定位销上有磨损或飞贱，也可引起定位销位置的微小波动。坐标轴和龙门架运动的机械精度也是有限的。
焊偏量容限就是可实现稳定焊接工艺和形成优质接头时焊偏量所在的范围。总的来说，有两个临界值来确定一个焊偏量容限。焊偏量的下限是由焊缝形状决定的，这意着要熔化一定量的金属材料来填充接缝以减小焊缝凹陷。焊偏量的上限是由焊缝焊透情况确定的，也就是说要避免未焊透。焊偏量容限越大，焊接工艺越能承受材料和焊接系统的偏差。
图45示出焊接速度对焊偏量容限的影响。对于0缝隙，它随焊接速度的下降而增大。对于焊接操作而言，这意味着可通过减慢焊接速度而获得更大熔深来扩展焊偏量的上限。然而，若板材之间存在缝隙，通过减缓焊接速度则会降低该上限值。还可观察到，焊偏量容限会随缝隙的增大而展宽。
如图46所示，焊头角度可引起焊偏量容限的改变。通常是，正的焊头角度可使焊偏量容限更宽。与此相反，负的焊头角度可使焊偏量容限更窄。为达到更稳定和更广泛的焊接过程，总体上推荐正的焊头角度。负的焊头角度仅适用于缝隙填充是决定性因素的场合。
图47示出接头的厚度比率对焊偏量容限的影响。如前所述，大的厚度比率更易于得到良好的缝隙填充。然而，焊偏量容限则比小厚度比率时小得多。接头的厚度比率越大，焊偏量容限愈窄，而且为焊接大厚度比率的接头，需要更精确地定位激光斑点。
在焊接时，缝隙通常会沿整个接合边变化。最小缝隙为0，最大缝隙由两个对接边缘的配合情况确定。如图48所示，焊偏量容限还会因缝隙尺寸的波动而变小。例如，用双束顺缝焊接2.0-0.15mm的拼板时，对于0缝隙则焊偏量容限为0.1-0.23mm，而对于0.2mm的最大缝隙则焊偏量容限为0.13-0.26mm。在此情况下，最小的焊偏量则由最大缝隙限定，即为0.13mm，而最大的焊偏量则由零缝隙限定，即为0.23mm。这意味着，焊偏量容限为0.13-0.23mm，明显小于恒定缝隙的焊偏量容限。通过把焊偏量容限分为两个区来确定焊接工艺的焊偏量。最优焊偏量正好在一个焊偏量容限的中心。对于上述例子，焊偏量应定为0.18mm。允许的最大焊偏量波动为±0.05mm并适用于0-0.2mm的缝隙。
Nd:YAG激光双束焊接工艺焊接拼板显示出能够焊接大缝隙焊接接头。它还具有扩展焊偏量容限的能力，如图49所示。在不同的激光旋转角度焊接了2.0-1.5mm的拼板。在零度光束旋转角度(光束或聚焦线与待焊边缘平行)，焊偏量容限为0.21mm；若双束旋转30°，则为0.5mm，这是双束顺缝焊时的两倍多。
焊偏量容限随着光束旋转角度而增加。对于焊接大厚度比率的拼板来说，焊偏量容限通常极小，也就是说需要很精确的光束定位。通过光束旋转也可以扩大焊偏量容限。图50示出一个焊接2.0-0.75mm拼板的例子。采用双束顺缝焊接，焊偏量容限为0.13-0.26mm；采用30°的光束旋转可将之扩大为0-0.39mm。在实际焊接中，这意味着激光斑点的定位偏差为±0.2mm，而单束或双束顺缝则为±0.065mm。h)实际焊接如图51所示，一个GMT800TM车体侧环原件包括4块(两块2mm和两块1.0mm镀锌板)，它们沿着总长为5.5m(约18英寸)的三条焊缝拼起来。这是一种典型的直线焊缝，焊接工序是首先焊接A和B；其次焊接AB和C；和最后焊接ABC和D。GMT800车体侧板是用单束和双束工艺焊成的。其焊接参数列于表4。
表4 GMT800部件的焊接参数
双束工艺的焊接速度比单束工艺的速度高，焊接时间从单束的66秒减少为双束顺缝的37秒，和双束旋转30°的42秒。通过光束旋转将缝隙公差从0.2mm提高到0.35mm，而焊接过程则更稳定和安全。表4还示出用焦距150mm的透镜做的试验。短焦距的优点在于在同样的焊接条件下，焊接速度较高。
图52示出各种焊缝的横截面。从中可看出，焊缝是平滑的。双束焊接工艺的焊缝与单束相比，其焊缝形状更漂亮些。图52示出一个典型的Olsen张力匹配性试样。裂纹始于薄侧母材。部件表现是令人满意的，且达到模压匹配性。除了在开始阶段的困难之外，还没有报导过交货的部件在成形过程中出现裂纹的。
图54示出CadillacTM后门内板，下面还要述及Jeep CherokeeTM侧面板。Cadillac具有两条相互垂直的直线焊缝。用同样的切割模具剪切各部件，从而具有精确的配接。依各次剪切，沿整个接头测得的缝隙为0.1-0.35mm。
如图54示出焊缝的横截面，在照片上看不出焊缝凹陷。为了克服在两条焊缝的交叉处出现的小孔，激光功率在焊缝Ⅰ的最后10mm缓慢减小以填满焊坑。然后，在焊缝Ⅱ的开始阶段，激光功率是渐增的。沿一条焊缝进行焊接而在弯角处拐弯。在长臂的终端关掉光束，而在转过焊头后从拐角处重新开始。
采用下述方法进行焊接a)视觉跟踪系统可将激光束与接缝保持精确定位；b)在某些情况下检测龙门架的精度和稳定性；和c)一个1m×1m的龙门架和一个特殊工序涉及一个复合角。若不采用跟踪系统，对板材的质量要求会严格得多。若模切边缘合乎规程，不用跟踪也能获得满意的焊缝。采用跟踪系统的焊缝在外观和形状上并无明显差别。在焊接这些部件时采用的焊接参数示于表5。另外，双束焊接工艺允许有大得多的缝隙。
表5 Cadillac后门内板的焊接参数
*复合角度Jeep车侧板的原型件及其焊接工序示于图55。图55的拼板包括三种规格的板材，而第一条焊缝长达2.4m。整个部件长3.6m，板材非常薄，最小的厚度比值为1.25，这种缝隙填充极为困难。另外，在一条焊缝中存在两种厚度组合，不能用单一速度进行焊接。板材A(0.8mm厚)和板材B(1.0mm厚)修剪成如图55所示的宽度并送入龙门架中。首先焊成一个中间产品AB。把焊好的板材剪成准确的长度和角度，然后将其重新定位于焊接龙门架下。部件C已预先剪切成准确的形状和尺寸。最后再将部件AB和C焊接起来。
为了制造原型拼板，如表6所列，采用单束和双束焊接工艺。为了焊接1.0-0.8mm板材，因为厚度比非常小，故选择一个负的焊头角度。双束焊接工艺利用光束旋转则提供了更高的焊接速度和填充大缝隙的能力。这对于由通常剪切而成的长薄板材是特别重要的。而且，试验中采用了150mm焦距的透镜。其优点是，以同样的速度进行焊接时需要的激光功率更少，这延长了激光灯的工作寿命并减少了制造成本。为了焊接第二条焊缝，根据板材组合而调高了焊接速度。对于1.3-0.8mm组合，所用的焊接速度略调高了些。
表6焊接Jeep Cherokee车体侧板的焊接参数
其典焊缝横截面示于图56-58，其中图56示出0.8-1.0mm接头，图57和58示出1.3-1.0mm接头。板材1.0-0.8mm的焊缝凹陷率为0％-8％，满足Auto Steel Parthership Standard(97年建议稿)对拼板焊接所规定的焊缝规程，利用150mm和200mm焦距的焊缝横截面两相对照，焊缝没有明显差异。
Olsen伸展匹配性模压试验表明，断裂发生在焊缝之外的薄侧母材。焊接接头满足现行标准的规定，且未曾报导过焊接接头失效。
将来会用到曲线焊缝的拼板。车辆设计者愈益考虑采用非直线拼板来优化结构和改进部件的匹配性。在图60中示出两种曲线焊缝。第一个部件包括两段直线和三段半径分别为100和475mm的弧形焊缝。第二部件是一个直径为200mm的整圆焊缝，这通常用于制造冲击吸收塔。利用如图1-3所示的本申请人的AWS3TM坐标轴焊机并结合双束工艺，成功地焊成了这两条非直线焊缝。将双束旋转30°降低了沿缝隙的对中精度和缝隙公差的要求。
在原型焊件中，也积累了有关焊接缺陷和残次产品的经验。其目的是重新审视原型生产中的残次品，并寻找产生的原因，以最大可能地降低残次品率。作为例子选择了实际生产的刚开始阶段所生产的GMT800型部件。在焊接了600多个车体侧环中，记录下了23个左侧残品和12个右侧残品。表7和8列出了详细数据。
图7左侧残次部件
表8右侧残次品
从表7和8中可以看出，35个残次品其中的一半(17件)，是由板材在磁性台上的定位不合格造成的。一个原因是板材对定位销顶得不够紧，致使一部分缝隙跑到了跟踪容限之外。另一个原因是厚板叠压在薄板之上，这是因为两者相挤造成的(焊缝号BC)。25％(9件)的残次品是由过大缝隙造成的，造成切割、吹溅和透孔。20％的残次品(7件)是因为跟踪失误。这种情况下的焊接缺陷是某些局部焊缝(通常在起始点)未焊透。在大多数情况下，可观察到激光束明显跳到厚板侧。还有，两件残次品是因为激光器故障。
残次品率在很大程度上受板材在龙门架上固定质量的影响。为了降低残次品率，重要的是保证固定质量，即使是采用了跟踪系统。更结实的定位销有助于改进固定质量，为了防止厚板叠压到薄板之上，应首先放置和固定厚板。第一个定位销应尽可能靠近焊接起始点，从而减小“引入”跟踪失误。剪切边缘的质量也是很重要的。为了减少残次品率，严格的板边不直度公差也是有效的。应尽可能地优化跟踪参数，以减少跟踪失错的频繁程度。在这些改进之后，在第二阶段的实际生产中，达到了极低的残次品率(小于1％)。
图1示出同时生产两块工件12a和12b，各有一条直线焊缝34。然而，本发明同样可根据需要沿直线、曲线或折线焊缝焊接一个、两个或多个工件。
虽然图1-3所示的生产组装线10仅用一部激光器36来焊接各对板材14a、16a和14b、16b，但本发明并不限于此。若需要则可采用两个或多个激光器，每个各有一个可活动激光焊头来同时沿一条焊缝焊接一对相应的板材14和16。
虽然本发明的优选实例包括一个传感器49来连续检测板材14之间的缝隙，但本发明不受此限。在一个更省钱的实施例中，可省去传感器46。其中，在进行焊接时，可由操作人员实时手动调节激光焊头的位置，或进行编程控制。例如，在焊接不同厚度的板材14时，可将激光焊头42移到一个固定的起始位置并在焊接中保持不变。
尽管在本发明中相干光束发生器40产生两个分离的光束，但是若需要，可将能量产生一个单束相干光源，然后将其经激光焊头42分裂为两个或多个激光束。尽管本发明用两个相干光源进行焊接，但也可采用单束或具有三、四或更多相干光源的多束。
虽然说明书描述和图示了本发明的优选实施例，但本发明不受此限。本领域普通技术人员可进行许多修改和变更，而本发明是由所附权利要求书限定的。
符号清单A吸收率或耦合率b
焊缝宽度csol固相材料的比热clio液相材料的比热D
材料的导温系数df激光束的直径deff有效光束直径doff激光束相对于缝隙的焊偏量f
透镜的焦距g
缝隙宽度Hm材料的熔化潜热h
板材厚度h1薄板厚度h2厚板厚度K
材料的导热系数PL激光功率(向工件的输出)PF有效功率(吸收功率)PF通过热传导的损失功率rf激光束半径T
温度Tm材料的熔点TR
接头的厚度比率U
焊接速度α
光束入射角度φ
光束旋转角度θ
激光焊头角度ρ
材料密度ΔT 平均过热温度
1．一种利用一个复合激光束沿一条缝线焊接两块板材的相邻边部的方法，所述复合光束包括一个第一激光束和一个第二激光束，第一和第二激光束各向待焊板材的一部分分别聚焦在两个焦点区，后者各有一个光学中心，所述第一和第二激光束的光学中心相互隔开一定距离并各限定所述复合激光束的聚焦线的一端，其中复合光束的有效直径doff定义为第一和第二激光束在垂直于焊接方向也就是缝线的方向上的最大占宽，将板材焊接起来的步骤包括a)确定待焊板材的对接边之间的缝隙宽度；b)基本根据下述公式调节复合激光束的有效直径来填满缝隙(rf+doff)=2g(h2/h1-1)]]&其中doff=2rf，g是缝隙宽度，h1是第一块较薄板材的厚度，h2是第二块较厚板材的厚度，doff是激光束中心偏离较厚板材邻近边缘的横向距离；c)基本按照下列公式相对于焊缝线改变复合光束聚焦线的旋转角度，rf=df+b&CenterDsin&2]]&其中df是第一激光束的焦点直径，b是光束中心之间的距离，和d)沿着所述板材的相邻部分移动激光束来将工件板材焊接起来。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下列公式所确定的速度沿所述相邻部分移动激光束，&=A&CenterDPLSeff&CenterD&&CenterD(CsolTm+Hm+&DT&CenterDClig)+0.55(h2+H1)KwTm/D]]&其中，A是激光能量的吸收耦合率，PL是激光功率，Seff是焊缝的有效横截面积，ρ是待焊材料的密度，Csol和Cciq是板材的固相和液相的比热，Tm是板材的熔点，Hm是板材的熔化潜热，ΔT是平均过热温度，K是板材的导热系数，w是焊缝宽度，而D是板材的导温系数。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述移动激光束的步骤紧前面，用一个间隙传感器确定所述相邻部分的间隙宽度，而且，在移动激光束的同时，连续不断地改变聚焦线的旋转角度。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二激光束的焦点面积基本相等。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，各工件板材的材料相同，选自由钢、铝、铝合金和钛构成的组中。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和将激光焊偏量设定成大体等于所确定的最优偏离距离。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，在焊接相邻边缘时，以恒定的速度连续改变激光束的焊偏量。
8．如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和在移动激光束的过程中，保持试验板材对接边缘部分之间的缝隙间距小于或等于最大缝隙间距。
9．一种利用下列装置沿一条缝线对焊一个第一工件板材的边缘部和一个第二工件板材的边缘部分，第一工件板材的厚度h1小于第二工件板材厚度h2，所述装置包括一个激光器，发射一个相干光源来沿所述缝线焊接所述板材并基本上填满所述边缘部分之间的缝隙；和一个控制器，用于控制所述相干光源，所述板材是由下述步骤焊成的选择一个所述的相干光源有效功率，而达到良好焊透且不出现明显的过热或穿孔；将所述相干光源照射到所述板材上，其中，在焊接过程中，所述控制器基本根据下列公式保持住焊接速度和焊缝横截面积至少其中之一PF=S&CenterD&&CenterD&&CenterD(Csol&CenterDTm+hm+Cliq&CenterD&DT)]]&其中，PF是激光有效功率，ν是焊接速度，ρ是板材密度，Csol和Cliq是板材材料的固相和液相比热，Tm是材料熔点，hm是板材的熔化潜热，ΔT是熔池超过熔点的平均过热温度，S是焊缝横截面积且大体由下列公式决定S=h2&CenterD(rf+doff)+h1&CenterD(rf-doff-g)]]&其中，rf是缝线处的相干光源斑点垂直于缝线方向的直径，doff是相干光源斑点中心偏离第二块工件板材的横向焊偏量，g是边缘部分之间的缝隙宽度。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于，平均过热温度ΔT选在0.2-0.4Tm之间。
11．如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和将激光焊偏量(doff)设定成大体等于所确定的最优偏离距离。
12．如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和在移动激光束的过程中，保持试验板材对接边缘部分之间的缝隙间距小于或等于最大缝隙间距。
13．一种利用下列装置沿一条缝线对焊一个第一工件板材的边缘部和一个第二工件板材的边缘部分，第一工件板材的厚度h1小于第二工件板材厚度h2，所述装置包括一个激光器，发射一个相干光源作为激光来沿所述缝线对焊所述板材；所述板材是由下述步骤焊成的a)使所述第一和第二板材的边缘部分靠近；b)开动激光器来焊接所述边缘部分，根据下列公式保持所述靠近边缘之间的缝隙宽度(g)g=12(h2h1-1)(rf+doff)]]&其中，rf是相干光源在垂直于缝线方向的半径，doff是相干光源中心与第二工件板材错开的横向距离。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，根据下列公式所确定的速度沿所述相邻部分移动激光束，&=A&CenterDPLSeff&CenterD&&CenterD(CsolTm+Hm+&DT&CenterDCliq)+0.55(h2+H1)KwTm/D]]&其中，A是激光能量的吸收耦合率，PL是激光功率，Seff是焊缝的有效横截面积，ρ是待焊材料的密度，Csol和Cliq是板材的固相和液相的比热，Tm是板材的熔点，Hm是板材的熔化潜热，ΔT是平均过热温度，K是板材的导热系数，w是焊缝宽度，而D是板材的导温系数。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，w=1.4df，其中df=2rf。
16．如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述相干光源是一个包括至少一个第一激光束和一个第二激光束的复合光束。
17．如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和将激光焊偏量(doff)设定成大体等于所确定的最优偏离距离。
18．如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过按下列步骤试焊两块试验板材的大体直边缘来确定激光偏离量(doff)，两块板材的厚度分别为h1和h2，将所述试验板材的直边缘相互并排靠近；通过改变激光路径相对于所述靠近边缘的偏离量来焊接所述相邻边缘而形成一个实验焊缝；分析试验焊缝的轮廓形状来确定达到所需焊缝性能的离所述靠近边缘的最优偏离距离；和在移动激光束的过程中，保持试验板材对接边缘部分之间的缝隙间距小于或等于最大缝隙间距。
19．如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括一个控制器，其中，在焊接过程中，所述控制器基本根据下列公式保持相干光源的有效功率PF=S&CenterD&&CenterD&&CenterD(Csol&CenterDTm+hm+Cliq&CenterD&DT)]]&其中，PF是激光有效功率，v是焊接速度，ρ是板材密度，Csol和Cliq是板材材料的固相和液相比热，Tm是材料熔点，hm是板材的熔化潜热，ΔT是熔池超过熔点的平均过热温度，S是焊缝横截面积且大体由下列公式决定S=h2&CenterD(rf+doff)+h1&CenterD(rf-doff-g)]]&
20．如权利要求16所述的方法，其特征在于，第一和第二激光束各向待焊板材的一部分分别聚焦在两个焦点区，后者各有一个光学中心，所述第一和第二激光束的光学中心相互隔开一定距离并各限定所述复合激光束的聚焦线的一端，其中复合光束的有效直径doff定义为第一和第二激光束在垂直于焊接方向也就是缝线的方向上的最大占宽，将板材焊接起来的步骤包括a)确定待焊板材的对接边之间的缝隙宽度；b)基本根据下述公式调节复合激光束的有效直径来填满缝隙(rf+doff)=2g(h2/h1-1)]]&其中doff=2rf，g是缝隙宽度，h1是第一块较薄板材的厚度，h2是第二块较厚板材的厚度，doff是激光束中心偏离较厚板材邻近边缘的横向距离；c)基本按照下列公式相对于焊缝线改变复合光束聚焦线的旋转角度，rf=df+b&CenterDsin&2]]&其中df是第一激光束的焦点直径，b是光束中心之间的距离，和d)沿着所述板材的相邻部分移动激光束时连续不断地改变聚焦线的旋转角度。
一种激光焊接装置用于工业生产的过程,该装置可向板材发射激光能并将其沿一条缝线焊接起来。激光能包括单束或多束相干光源。根据工件对接边缘之间的缝隙大小和板材的相对厚度,该装置可有选择性地改变多束激光相对于缝线的位向,以达到最大的焊接效率。
文档编号B23K26/26GK808025
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者肖敏 申请人:自动化焊接系统公司