復(fù)合式激光電弧焊接工藝和設(shè)備的制作方法與工藝

本發(fā)明大體上涉及焊接方法。更具體地說，本發(fā)明涉及利用復(fù)合式激光電弧焊接技術(shù)的焊接工藝，其中激光束焊接和電弧焊接在相同的焊池中同時發(fā)生，其中至少一個側(cè)部激光束能夠在沿著所造就的焊接接頭的側(cè)部邊緣的焊道趾處促成平滑的過渡。

背景技術(shù)：
低熱量輸入焊接工藝并且尤其高能量射束焊接工藝(例如在窄的焊接條件范圍內(nèi)操作的激光束和電子束焊接(分別為LBW和EBW))已經(jīng)成功地用于在各種廣泛的材料中產(chǎn)生無裂紋的焊接接頭，這些材料包括但不局限于渦輪機(jī)械中使用的合金。高能量的射束焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是高能量密度的聚焦的激光束或電子束能夠產(chǎn)生具有最小的焊接金屬體積的深的狹小的焊道，促使結(jié)構(gòu)性對接焊接接頭的形成，這同其它焊接技術(shù)(例如電弧焊接工藝)相比，增加很少的額外重量，并且造成很少的構(gòu)件變形。尤其與激光束焊接相關(guān)聯(lián)的額外的優(yōu)點(diǎn)包括在無須真空室或輻射屏蔽罩的條件下執(zhí)行的能力，真空室或輻射屏蔽罩通常是電子束焊接所需要的。因此，同電子束焊接相比，激光束焊接可能是一種低成本且更高生產(chǎn)率的焊接工藝。雖然對于某些應(yīng)用和焊接條件已經(jīng)使用了填充材料，但是激光束和電子束焊接工藝通常是通過自體執(zhí)行的(沒有增加額外的填充金屬)。高能量射束聚焦在有待焊接的表面上，例如兩個有待焊接的構(gòu)件之間的接口(焊縫)上。在焊接期間，表面被充分加熱，以使一部分金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生空腔(“通道”)，空腔后續(xù)被包圍空腔的熔化材料所填充。在激光束焊接方面相對較近期的突破進(jìn)展是高功率固態(tài)激光的發(fā)展，其如這里所限定的那樣包括大于四千瓦和尤其八千瓦或更高的功率水平。具體的示例是固態(tài)激光器，其使用氧化鐿(Yb2O3)，氧化鐿呈圓盤形式(Yb：YG盤形激光器)或作為纖維中的內(nèi)涂層(Yb纖維激光器)。已知這些激光器能夠極大地提高效率和功率水平，例如從大約四千瓦提高至超過二十千瓦。復(fù)合式激光電弧焊接(HLAW)也被稱為激光復(fù)合焊接，它是將激光束焊接技術(shù)和電弧焊接技術(shù)組合起來，使得這兩種焊接工藝在相同的熔融焊池中同時發(fā)生的工藝。在圖1和圖2中示意性地描繪了HLAW工藝的一個示例，其被執(zhí)行來在兩個工件16和18的接合面12和14之間產(chǎn)生對接焊接接頭10。從圖1中顯而易見的，激光束20定向成與工件16和18的相鄰表面24垂直，而電弧焊接工藝的電弧22和填充金屬(未顯示)定位在后部(后方)，并且朝著激光束20在工件表面24上的焦點(diǎn)26向前成角度。電弧焊接工藝?yán)缈赡苁菤怏w保護(hù)金屬極電弧焊接(GMAW，也被稱為金屬極惰性氣體保護(hù)(MIG)焊接)或氣體保護(hù)鎢電極電弧焊接(GTAW，也被稱為鎢電極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊接)，并且產(chǎn)生這里將被稱為電弧投射部28的東西，電弧投射部28被投射到工件表面24上。電弧焊接工藝的后部定位也被稱為“正手”焊接技術(shù)，并且所造就的電弧投射部28顯示為包圍激光束20的焦點(diǎn)26。由激光束20和電弧22所造就的熔融焊池(未顯示)通常位于電弧投射部28內(nèi)，或者略大于電弧投射部28。HLAW工藝的好處包括能夠提高焊透深度，并且/或者通過提高焊接工藝的行進(jìn)速度(例如為傳統(tǒng)的電弧焊接工藝的四倍)來提高生產(chǎn)率。這些好處可在焊接各種材料時獲得，包括用于制造各種構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的鎳基合金、鐵基合金、鈷基合金、銅基合金、鋁基合金和鈦基合金，這些構(gòu)件和結(jié)構(gòu)包括用于發(fā)電應(yīng)用中的風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的結(jié)構(gòu)，以及意圖用于其它各種廣泛應(yīng)用(包括航空、基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用等等)的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。即使已知激光束焊接具有上面提及的好處，但是在焊接某些材料時可能產(chǎn)生限制。作為一個非限制性的示例，由鎳基超級合金形成的熔融焊池傾向于呈現(xiàn)比其它金屬材料(例如軟鋼、不銹鋼和低合金鋼)更低的流動性和減少的浸濕性。這種“粘滯性”可能導(dǎo)致所造就的焊接接頭中的缺陷，例如，在焊道區(qū)域中的交迭缺陷，這在這里被稱為焊道趾或簡單地稱為焊趾。圖3和圖4是顯示了由HLAW工藝產(chǎn)生的焊道的圖像，其具有交迭的焊接缺陷，其特征為不規(guī)則的側(cè)部邊緣。如從圖3和圖4中顯而易見的那樣，不規(guī)則的焊道邊緣由焊趾限定，焊趾使通過焊道焊接在一起的構(gòu)件的相鄰基體材料交迭起來，以在焊道和基體材料之間限定過渡區(qū)域。從為經(jīng)歷周期性操作的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)更長壽命的觀點(diǎn)來看，減少或消除由HLAW工藝產(chǎn)生的焊接接頭中不規(guī)則的焊趾將是特別有利的。一個商業(yè)示例是制造風(fēng)力渦輪機(jī)塔架，風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的制造需要對接焊接接頭，以將塔架的非常長且厚的區(qū)段連結(jié)起來。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種利用HLAW(復(fù)合式激光電弧焊接)技術(shù)的焊接方法和設(shè)備，其中激光束焊接和電弧焊接被同時利用以產(chǎn)生熔融焊池。這種焊接方法和設(shè)備能夠在限定所造就的焊接接頭的側(cè)部邊緣的焊趾處促進(jìn)平滑的過渡，并且尤其適合焊接由焊池展現(xiàn)相對較低的流動性和浸濕性的材料形成的相對較厚的區(qū)段。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，焊接方法涉及將至少兩個工件放置在一起，使工件的接合面彼此相向，并且在接合面之間限定接頭區(qū)域。然后將第一激光束投射到接頭區(qū)域上，以便在工件的相鄰的表面上產(chǎn)生第一激光束投射部，并使第一激光束投射部沿著接頭區(qū)域行進(jìn)并穿透接頭區(qū)域。另外，電弧被引導(dǎo)到工件的相鄰的表面上，以產(chǎn)生電弧投射部，電弧投射部包圍第一激光束投射部并與之一起沿著接頭區(qū)域而行進(jìn)。第一激光束投射部和電弧投射部形成熔融焊池，熔融焊池能夠固化，以在接頭區(qū)域中形成焊接接頭。一對側(cè)部激光束產(chǎn)生側(cè)部激光束投射部，側(cè)部激光束投射部被電弧投射部包圍，并在第一激光束投射部后面與電弧投射部一起沿著接頭區(qū)域而行進(jìn)。側(cè)部激光束投射部與熔融焊池的限定熔融焊池的側(cè)部邊緣的部分相互作用并影響熔融焊池的該部分。然后冷卻熔融焊池，以便在接頭區(qū)域中形成焊接接頭，并且以冶金的方式連結(jié)工件，以產(chǎn)生焊接組件。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，焊接接頭具有均勻的側(cè)部邊緣和平滑的焊趾，平滑的焊趾限定均勻的側(cè)部邊緣。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，焊接設(shè)備包括用于將第一激光束投射到至少兩個工件之間的接頭區(qū)域上的裝置，其用以在工件的相鄰的表面上產(chǎn)生第一激光束投射部，并使第一激光束投射部沿著接頭區(qū)域行進(jìn)并穿透接頭區(qū)域。這種設(shè)備還包括用于將電弧引導(dǎo)到工件的相鄰的表面上以產(chǎn)生電弧投射部的裝置，電弧投射部包圍第一激光束投射部，并與之一起沿著接頭區(qū)域行進(jìn)，以形成熔融焊池，熔融焊池能夠固化以便在接頭區(qū)域中形成焊接接頭。另外，該設(shè)備還包括用于投射一對側(cè)部激光束以產(chǎn)生側(cè)部激光束投射部的裝置，激光束投射部被電弧投射部包圍，在第一激光束投射部后面與電弧投射部一起沿著接頭區(qū)域而行進(jìn)，并且與接頭區(qū)域橫向地間隔開。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，這種復(fù)合式激光電弧焊接工藝?yán)脗?cè)部激光束來控制焊道的形成，尤其消除或至少減少焊道的焊趾中的缺陷的發(fā)生。電弧和第一激光束對于產(chǎn)生熔融焊池具有主要責(zé)任，同時側(cè)部激光束聚焦在焊池的側(cè)部邊緣附近。此外，側(cè)部激光束充分接近焊接電弧，并且具有足夠的功率，使得焊池和其所造就的焊道受到側(cè)部激光束的影響，以產(chǎn)生焊接接頭，焊接接頭的焊趾優(yōu)選是平滑的，并且焊接接頭的側(cè)部邊緣優(yōu)選是均勻的。一種通過以冶金的方式連結(jié)工件的接合面而將至少兩個工件焊接在一起的方法，所述方法包括：將所述工件放置在一起，使得其接合面彼此相向，并且在所述接合面之間限定接頭區(qū)域；將第一激光束投射到所述接頭區(qū)域上，以便在所述工件的相鄰的表面上產(chǎn)生第一激光束投射部，并使所述第一激光束投射部沿著所述接頭區(qū)域行進(jìn)并穿透所述接頭區(qū)域；將電弧引導(dǎo)到所述工件的相鄰的表面上，以便產(chǎn)生電弧投射部，所述電弧投射部包圍所述第一激光束投射部并與之一起沿著所述接頭區(qū)域而行進(jìn)，所述第一激光束投射部和所述電弧投射部形成熔融焊池，所述熔融焊池能夠固化而在所述接頭區(qū)域中形成焊接接頭；投射一對側(cè)部激光束以產(chǎn)生側(cè)部激光束投射部，所述側(cè)部激光束投射部被所述電弧投射部包圍，并在所述第一激光束投射部后面與所述電弧投射部一起沿著所述接頭區(qū)域而行進(jìn)，所述側(cè)部激光束投射部與所述熔融焊池的限定所述熔融焊池的側(cè)部邊緣的部分相互作用并影響所述熔融焊池的所述部分；并且然后冷卻所述熔融焊池，以在所述接頭區(qū)域中形成所述焊接接頭，并以冶金的方式連結(jié)所述工件，以產(chǎn)生焊接組件，所述焊接接頭具有均勻的側(cè)部焊道邊緣和焊道趾，所述焊道趾限定均勻的側(cè)部邊緣。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束比所述側(cè)部激光束中的各個處于更大的功率水平。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束處于大約2kW至大約20kW的功率水平。在另一個實(shí)施例中，所述側(cè)部激光束處于不同的功率水平。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束在所述接頭區(qū)域處穿透所述工件的貫穿厚度，并且所述側(cè)部激光束在所述接頭區(qū)域處不穿透所述工件的貫穿厚度。在另一個實(shí)施例中，所述電弧投射部的中心和所述第一激光束的中心定位成沿著待焊接的接頭間隔開大約2毫米至大約20毫米。在另一個實(shí)施例中，所述側(cè)部激光束中的各個與所述電弧投射部的中心間隔開小于10毫米的距離。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束和所述側(cè)部激光束沿著所述焊接接頭而彼此平行。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束和所述側(cè)部激光束以大約70度至大約110度的角度投射到所述工件的相鄰的表面上。在另一個實(shí)施例中，所述熔融焊池是熔融材料，其比熔融的軟鋼、不銹鋼和低合金鋼呈現(xiàn)更低的流動性和減少的浸濕性。在另一個實(shí)施例中，所述熔融材料是鎳基合金。在另一個實(shí)施例中，所述焊接組件是發(fā)電構(gòu)件、航空構(gòu)件、基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件、醫(yī)療構(gòu)件或工業(yè)構(gòu)件。在另一個實(shí)施例中，所述焊接組件是風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的構(gòu)件。一種用于通過以冶金的方式連結(jié)工件的接合面而將至少兩個工件焊接在一起的設(shè)備，所述工件的接合面彼此相向，以在其之間限定接頭區(qū)域，所述設(shè)備包括：用于將第一激光束投射到所述接頭區(qū)域上的裝置，其用以在所述工件的相鄰的表面上產(chǎn)生第一激光束投射部，并使所述第一激光束投射部沿著所述接頭區(qū)域行進(jìn)并穿透所述接頭區(qū)域；用于將電弧引導(dǎo)到所述工件的相鄰的表面上以產(chǎn)生電弧投射部的裝置，所述電弧投射部包圍所述第一激光束投射部，并與之一起沿著所述接頭區(qū)域行進(jìn)，以形成熔融焊池，所述熔融焊池能夠固化而在所述接頭區(qū)域中形成焊接接頭；用于投射一對側(cè)部激光束以產(chǎn)生側(cè)部激光束投射部的裝置，所述側(cè)部激光束投射部被所述電弧投射部包圍，并在所述第一激光束投射部后面與所述電弧投射部一起沿著所述接頭區(qū)域而行進(jìn)，用于投射所述側(cè)部激光束的裝置使所述側(cè)部激光束投射部與所述接頭區(qū)域橫向地間隔開。在另一個實(shí)施例中，用于投射所述第一激光束的裝置和用于投射所述側(cè)部激光束的裝置操作以產(chǎn)生比所述側(cè)部激光束中的各個處于更高的功率水平的第一激光束。在另一個實(shí)施例中，所述側(cè)部激光束中的各個與所述電弧投射部的中心間隔開小于10毫米的距離。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束和所述側(cè)部激光束沿著所述焊接接頭而彼此平行。在另一個實(shí)施例中，所述第一激光束和所述側(cè)部激光束以大約70度至大約110度的角度投射到所述工件的相鄰的表面上。一種焊接接頭，將至少兩個工件的接合面以冶金的方式連結(jié)在一起，使得所述工件的接合面彼此相向，并且在所述工件的接合面之間限定接頭區(qū)域，所述焊接接頭具有均勻的側(cè)部焊道邊緣和焊道趾，所述焊道趾限定均勻的側(cè)部邊緣，所述焊接接頭包括：在所述工件的相鄰的表面上的第一區(qū)域，所述第一區(qū)域通過下者形成：將第一激光束投射到所述接頭區(qū)域和所述相鄰的表面上，以便在所述相鄰的表面上產(chǎn)生第一激光束投射部；以及還將電弧引導(dǎo)到所述相鄰的表面上，以產(chǎn)生包圍所述第一激光束投射部的電弧投射部；以及第二區(qū)域，其與所述第一區(qū)域的第一邊緣相毗連，并通過將側(cè)部激光束投射到所述工件中的第一工件的相鄰的表面上以產(chǎn)生側(cè)部激光束投射部而形成，所述側(cè)部激光束投射部被所述電弧投射部包圍，所述側(cè)部激光束投射部與所述焊接接頭的第一區(qū)域的第一邊緣相互作用并影響所述第一邊緣。在另一個實(shí)施例中，還包括第三區(qū)域，其與所述第一區(qū)域的第二邊緣相毗連，所述第一區(qū)域的第二邊緣與所述焊接接頭的第一邊緣相對，所述第三區(qū)域通過將第二側(cè)部激光束投射到所述工件中的第二工件的相鄰的表面上以產(chǎn)生第二側(cè)部激光束投射部而形成，所述第二側(cè)部激光束投射部被所述電弧投射部包圍，所述第二側(cè)部激光束投射部與所述焊接接頭的第一區(qū)域的第二邊緣相互作用并影響所述第一區(qū)域的第二邊緣。從以下詳細(xì)說明中將更好地理解本發(fā)明的其它的方面和優(yōu)點(diǎn)。附圖說明圖1和圖2是分別顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的相接在一起并且經(jīng)歷復(fù)合式激光電弧焊接工藝的兩個工件的側(cè)視圖和平面圖的示意圖。圖3和圖4是分別描繪了由圖1和圖2所示類型的復(fù)合式激光電弧焊接工藝產(chǎn)生的焊接接頭的平面圖和橫截面圖的圖像。圖5和圖6是分別顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的相接在一起并且經(jīng)歷復(fù)合式激光電弧焊接工藝的兩個工件的側(cè)視圖和平面圖的示意圖。圖7是適合于在圖5和圖6所描繪的復(fù)合式激光電弧焊接工藝中使用的激光焊接設(shè)備的示意性圖。圖8至圖11是顯示了通過實(shí)驗(yàn)性的復(fù)合式激光電弧焊接工藝而產(chǎn)生的焊接接頭橫截面圖的圖像。部件列表：10接頭11012表面11214表面11416工件11618工件11820射束12022電弧12224表面12426點(diǎn)12628投射部12830接頭13030A趾130A30B邊緣130B32表面13234表面13436工件13638工件13840表面14042射束14244射束14446射束14648電弧14850表面15052投射部15254投射部15456投射部15658投射部15860中心16062線16264邊緣16466線16672激光器17274射束17476分裂器176。具體實(shí)施方式圖5和圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的在復(fù)合式激光電弧焊接(HLAW)工藝中利用多個激光束的焊接工藝。具體地說，該工藝將激光束和電弧焊接技術(shù)組合起來，使得焊接工藝在相同的熔融焊池中同時發(fā)生。如圖5和圖6中示意性地所示，可執(zhí)行焊接工藝，以便在兩個工件36和38的接合面32和34之間產(chǎn)生對接的焊接接頭30，以形成焊接組件，但是應(yīng)該懂得，該工藝并不局限于對接焊接接頭，而是可將任何數(shù)量的工件焊接在一起。各個接合面32和34與工件36和38中的一個的相鄰表面40相毗連。在各個工件36和38的相對的側(cè)具有相對應(yīng)的表面50的條件下，工件表面40限定了工件36和38的貫穿厚度。本發(fā)明可使用各種電弧焊接工藝，例如使用非消耗性的鎢電極的氣體保護(hù)電弧焊接(包括氣體保護(hù)鎢電極電弧焊接(GTAW或鎢電極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊接))，以及使用由有待布置的焊接合金形成的消耗電極的氣體保護(hù)金屬極電弧焊接(GMAW或金屬極惰性氣體保護(hù)(MIG)焊接)。這些焊接技術(shù)涉及在電極和有待焊接的襯底之間應(yīng)用足夠電勢，以在其之間產(chǎn)生電弧。因?yàn)镚TAW技術(shù)的電極沒有被消耗，所以必須將合適的填充合金線材輸送到電弧中，其在電弧中熔化并形成布置到襯底表面上的金屬滴。相反，GMAW技術(shù)的消耗電極用作用于堆焊的填充材料的來源。各種材料可用作填充材料，其中優(yōu)選材料依賴于工件36和38的成分和預(yù)期應(yīng)用。例如，延展性填料可為優(yōu)選的，以減少焊接接頭30中裂化的傾向性，或者可使用化學(xué)特性與工件36和38的基體金屬(或金屬)緊密匹配的填料，以更接近地保持工件36和38的期望屬性。圖5和圖6中所采用的激光焊接工藝優(yōu)選利用至少一個高功率激光器作為激光束42、44和46中的任何一個或多個的來源。相信優(yōu)選的高功率激光器包括固態(tài)激光器，固態(tài)激光器使用氧化鐿(Yb2O3)，氧化鐿呈圓盤形式(Yb:YG盤形激光器)或作為纖維中的內(nèi)部涂層(Yb纖維激光器)。用于高功率激光焊接工藝的典型參數(shù)包括高達(dá)四千瓦，例如高達(dá)八千瓦和可能更高的功率水平以及在大約300至大約600微米范圍內(nèi)的激光束直徑?？稍诓贿^度的實(shí)驗(yàn)條件下確定其它合適的操作參數(shù)，例如脈沖式操作模式或連續(xù)操作模式以及行進(jìn)速度。激光的控制可利用任何合適的機(jī)器人或計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)平臺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。與本領(lǐng)域中已知的激光束焊接工藝和設(shè)備一致的是，激光束42、44和46不需要真空環(huán)境或惰性環(huán)境，但本工藝優(yōu)選使用保護(hù)氣體，例如惰性保護(hù)氣體、活性保護(hù)氣體或其組合，以形成混合的保護(hù)氣體。雖然在圖5和圖6中沒有描繪，但是在工件36和38的接合面32和34之間提供墊片是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的。墊片可用于為焊接接頭30提供填充金屬，并且/或者提供美國公開的專利申請No.2010/0243621中所描述的額外好處，例如，使焊接通道穩(wěn)定，以減少在高功率激光束焊接期間的濺射和不連續(xù)性。如圖5中所示，三個激光束42、44和46優(yōu)選沿垂直于工件表面40的方向投射，但是可預(yù)見的是，激光束42、44和46可以大約70至大約110度的角度投射到工件36和38的相鄰工件表面40上。例如，激光束42、44和46可相對于在某些應(yīng)用中使用的工件表面40傾斜，以減輕激光束的反射，并減少焊池(未顯示)的濺射，以提高激光頭的壽命。電弧焊接工藝的電弧48和填充金屬(未顯示)定位在激光束42的焦點(diǎn)之后(后面)，并朝著激光束42的焦點(diǎn)構(gòu)成向前的角度，激光束42在工件表面40上產(chǎn)生射束投射部52。電弧焊接工藝在工件表面40上產(chǎn)生電弧投射部58，電弧投射部58包圍激光束42的射束投射部52，以及激光束44和46的射束投射部54和56。由激光束42和電弧44所造就的熔融焊池通常位于電弧投射部58內(nèi)，或者略大于電弧投射部58?；趫D5和圖6，復(fù)合式激光電弧焊接工藝包括多個順序執(zhí)行的焊接步驟，其中工藝的第一步驟由激光束42來執(zhí)行，以優(yōu)選地產(chǎn)生相對較深的透焊。激光束投射部52和電弧投射部58的中心60被描繪為投射到與被接合面32或34所限定且在接合面32或34之間的接頭區(qū)域(或在接合面32或34之間的任何間隙)相重合的線62上，而側(cè)部激光的投射部54和56與接頭區(qū)域(接合面32和34)橫向地間隔開。激光束42和電弧48的組合意圖產(chǎn)生主要的焊接效應(yīng)，這意味著如果不是完全由激光束42和電弧48的組合效應(yīng)產(chǎn)生的話，將工件36和38以冶金的方式連結(jié)起來的熔融焊池和所造就的深透的焊接接頭30是占主要作用的。為了產(chǎn)生所需的熔融焊池，激光束42的投射部52的中心點(diǎn)和電弧48的電弧投射部58的中心60沿著有待焊接的焊接接頭分開的距離應(yīng)該在大約2毫米至大約20毫米之間，更優(yōu)選大約5毫米至大約15毫米。為了減輕激光功率損失并且不干擾電弧中的金屬轉(zhuǎn)移，激光束42必須保持離電弧最小的間距。另外，太大的間距(例如超過20毫米)可能會失去激光束42和電弧48的協(xié)同。為了穿透厚的區(qū)段(例如1厘米或更厚)，產(chǎn)生的激光束42優(yōu)選具有大約2kW或更高的功率水平，優(yōu)選大約4kW或更高，且更優(yōu)選大約8kW或更高。對于具有超過1厘米厚度的工件表面40，合適的上限被認(rèn)為大約20kW。更穩(wěn)定的通道(當(dāng)工件表面40的側(cè)面在焊池的各個側(cè)熔化掉時所造就的孔)可通過提高激光束42的功率來實(shí)現(xiàn)，因此可在單個行程內(nèi)利用激光復(fù)合焊接完全地穿透更厚的材料。相反，激光束44和46并不意圖穿透工件36和38的厚度，而是意圖與由前導(dǎo)激光束42和電弧48形成的熔融焊池相互作用。出于這個原因，激光束44和46可在低于激光束42的功率水平的功率水平下進(jìn)行操作。使激光束42、44和46和電弧48的投射部52、54、56和58全部同時在圖5所示的焊接方向上優(yōu)選協(xié)調(diào)一致地行進(jìn)。圖5和圖6中所示類型的焊接工藝特別適合于制造需要焊接相對較厚區(qū)段(例如1厘米或更厚)的各種構(gòu)件，這種情況如制造用于發(fā)電應(yīng)用中的各種構(gòu)件，包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的結(jié)構(gòu)，以及意圖用于各種廣泛應(yīng)用(包括航空、基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用等)的構(gòu)件。工件36和38可以是鑄造件、鍛造件或粉末冶金形式，并且可由各種材料形成，其非限制性的示例包括鎳基合金、鐵基合金、鈷基合金、銅基合金、鋁基合金和鈦基合金。然而，當(dāng)焊接工件由比軟鋼、不銹鋼和低合金鋼呈現(xiàn)更低流動性和減少的浸濕性的材料形成的情況下，與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的某些優(yōu)點(diǎn)是特別有利的，該材料的明顯示例包括鎳基超級合金。具體說來，優(yōu)選利用額外的激光束44和46，使得其相應(yīng)的投射部54和56被投射到熔融焊池的側(cè)部邊緣64上或側(cè)部邊緣64附近，熔融焊池由前導(dǎo)激光束42和電弧48產(chǎn)生并且在造就焊接接頭30的熔融焊池固化之前由前導(dǎo)激光束42和電弧48臨時維持。更具體地說，激光束投射部54和56用于混合和攪動限定熔融焊池的側(cè)部邊緣64的熔融焊接材料，以達(dá)到在限定焊接接頭30的最外面的側(cè)部邊緣30B的焊趾30A中具有平滑效應(yīng)的目的。這種效應(yīng)意圖提高經(jīng)歷周期性操作的焊接接頭30的壽命。應(yīng)該注意的是，額外的激光器投射部54和56的所需效應(yīng)可在存在更多激光束投射到熔融焊池的條件下獲得，因此本發(fā)明意圖利用(但不局限于)圖5和圖6中所示的三個激光束42、44和46的使用。為了在焊接接頭30的側(cè)部邊緣30B上達(dá)到上面提到的平滑效應(yīng)，優(yōu)選控制激光束42、44和46的功率水平及其投射部52、54和56的直徑和位置。如之前注意的那樣，為了穿透工件36和38的貫穿厚度，優(yōu)選在比額外的激光束44和46更高的功率水平下產(chǎn)生前導(dǎo)激光束42。為了在各個焊趾30A內(nèi)和沿著焊接接頭30的各個側(cè)部邊緣30B達(dá)到相似的平滑效應(yīng)，優(yōu)選在相同的功率水平下產(chǎn)生額外的激光束44和46，并且其投射部54和56的直徑優(yōu)選相同，或者彼此至少在50%的范圍內(nèi)。另一方面，前導(dǎo)激光束42通常將處于為任一激光束44和46的至少200%的功率水平，并且更優(yōu)選大約400%至1000%，這意圖確保激光束44和46不會穿透工件36和38。然而應(yīng)該懂得，用于激光束42、44和46的最佳功率水平以及用于其相應(yīng)的投射部52、54和56的最佳直徑將依賴于進(jìn)行焊接的具體材料以及能夠影響焊接工藝的其它因素。相對于電弧48的投射部58而言，優(yōu)選控制射束投射部54和56的位置。在激光束投射部54和56和前導(dǎo)激光束投射部52之間的橫向偏移距離(垂直于焊接方向)由圖6中的“d1”和“d2”來表示，并且在激光束投射部54和56和投射部58的中心60之間的縱向偏移距離(平行于焊接方向)由圖6中的“d3”和“d4”來表示。雖然與投射部54和56相關(guān)聯(lián)的距離d1和d2被描繪為是相同的，但是可預(yù)見的是在投射部54和56中，這些距離的任一個或兩者都可以是不同的。此外，雖然投射部54和56分別被描繪為位于穿過電弧投射部58的中心60的橫線66的前面和后面，但是可預(yù)見的是投射部54和56的任一個或兩者都可位于橫線66的前面或后面，或者直接位于橫線66上。由d1、d2、d3和d4表示的投射部54和56的偏移距離均可以是使投射部54和56能夠與焊池的側(cè)部邊緣64相互作用的任一距離。實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別合適的偏移距離d1、d2、d3和d4是將投射部54和56的位置放置在投射部58的中心60的10毫米內(nèi)的距離。激光束42、44和46的功率水平及其投射部52、54和56的直徑和之間的距離(d1、d2、d3和d4)可通過利用單獨(dú)的激光束發(fā)生器產(chǎn)生各個激光束42、44和46或通過分裂一個或多個激光束而進(jìn)行控制和調(diào)整?？紤]到緊密地放置三個分開的激光束發(fā)生器以產(chǎn)生三個平行的射束42、44和46的困難，優(yōu)選通過分裂主激光束來產(chǎn)生分開的激光束42、44和46。因此，圖7描繪了一種利用單個高功率激光器72來產(chǎn)生主激光束74的設(shè)備70，主激光束74然后被合適的射束分離器76(例如棱鏡)分開，以產(chǎn)生前導(dǎo)激光束42和側(cè)部激光束44和46。分裂器76還可用于使射束42、44和46沿著由接合面32和34限定的接頭區(qū)域并相對于接頭區(qū)域?qū)?zhǔn)和間隔開，并使射束42、44和46定向成彼此平行且垂直于工件36和38的表面40。因?yàn)榍皩?dǎo)激光束42預(yù)期處于較高的功率水平，以深深地穿透工件36和38，所以較大比例的主激光束74被描繪為用于產(chǎn)生前導(dǎo)激光束42，并且較小比例的主激光束74被描繪為用于產(chǎn)生側(cè)部激光束44和46。作為非限制性的示例，如果采用4kW的激光發(fā)生器72，那么分裂器76可用于產(chǎn)生大約2kW的功率水平的前導(dǎo)激光束42和兩個均在大約1kW功率水平的側(cè)部射束44和46。作為另一示例，如果采用8kW的激光發(fā)生器72，那么分裂器76可用于產(chǎn)生大約6kW功率水平的前導(dǎo)激光束42和兩個均在大約1kW功率水平的側(cè)部射束44和46。在激光束投射部52、54和56之間的最佳間距將依賴于其相關(guān)的功率水平和具體的應(yīng)用。然而，導(dǎo)致本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)證明側(cè)部激光束44和46的功率水平及其投射部54和56的位置的重要性，其投射部54和56的位置靠近電弧投射部58中的熔融焊池的側(cè)部邊緣64。出于這個目的，執(zhí)行了一系列試驗(yàn)，在這一系列實(shí)驗(yàn)中操作MIG焊接機(jī)和單個側(cè)部射束，以便在不銹鋼304L所形成的樣品上產(chǎn)生焊道。所有試驗(yàn)的焊接速度均為60英寸(大約150cm)每分鐘。在試驗(yàn)中利用單個側(cè)部射束(與射束44和46的其中一個相對應(yīng))，以在所造就的焊道的相對側(cè)提供焊趾和側(cè)部邊緣之間的對比。MIG焊接機(jī)在包含大約25V的電壓和大約160A的焊接電流的條件下進(jìn)行操作，其產(chǎn)生大約4kW的電弧功率。用于焊接工藝的電極由不銹鋼填充金屬ER308L形成。側(cè)部激光束投射部(與圖6中的54或56相對應(yīng))具有小于2毫米的直徑。側(cè)部射束的投射部保持在離電弧投射部(對應(yīng)于圖6中的58)內(nèi)的熔融焊池的中心(對應(yīng)于圖6中的60)前方大約五毫米的距離處，并且其功率水平和離熔融焊池(電弧投射部)的中心的橫向距離(對應(yīng)于圖6中的d1)用作試驗(yàn)中的變量。圖8描繪了第一試驗(yàn)的結(jié)果，其中側(cè)部激光束大約為2kW的功率水平，并且其投射部定位在離MIG熔融焊池中心大約4.5毫米處。圖8證明在電弧產(chǎn)生的焊道和側(cè)部激光束產(chǎn)生的更深的焊道之間不會發(fā)生相互作用，并且所造就的焊趾和由電弧形成的焊道的側(cè)部邊緣分別是粗糙和不規(guī)則的。因此結(jié)論是側(cè)部射束投射部沒有充分靠近MIG熔融焊池，而對所造就的焊接接頭沒有任何影響。圖9描繪了第二試驗(yàn)的結(jié)果，其中側(cè)部射束同樣大約為2kW的功率水平，但其投射部定位在離MIG熔融焊池中心大約2.5毫米處。圖9證明在側(cè)部激光束和電弧產(chǎn)生的焊道之間發(fā)生了顯著的相互作用，導(dǎo)致焊道的一區(qū)域由激光束和電弧的組合效應(yīng)來形成。在這個試驗(yàn)中，與側(cè)部激光束投射部相鄰的所造就的焊趾和焊道的側(cè)部邊緣分別是平滑且均勻的，尤其相對于相對的焊趾和焊道的側(cè)部邊緣而言。因此結(jié)論是側(cè)部射束投射部充分靠近MIG熔融焊池，以對所造就的焊道具有有利的效應(yīng)。在圖10所示的第三試驗(yàn)中，側(cè)部射束投射部同樣定位在離MIG熔融焊池的中心大約2.5毫米處，但其功率水平減少至大約1kW。圖10證明在側(cè)部激光束和電弧產(chǎn)生的焊道之間仍發(fā)生了顯著的相互作用，并且與側(cè)部激光束投射部相鄰的所造就的焊趾和焊道的側(cè)部邊緣分別是平滑且均勻的，尤其相對于相對的焊趾和焊道的側(cè)部邊緣而言。因此同樣得出結(jié)論是側(cè)部射束投射部充分靠近MIG熔融焊池并且處于足夠的功率水平，以對所造就的焊道具有有利的效應(yīng)。在圖11所示的第四試驗(yàn)中，側(cè)部射束投射部定位在離MIG熔融焊池的中心大約2.5毫米處，但其功率水平減少至大約0.5kW。圖11證明在側(cè)部激光束和電弧產(chǎn)生的焊道之間不會發(fā)生相互作用，并且所造就的焊趾和所造就的焊道的側(cè)部邊緣分別是粗糙和不規(guī)則的。因此結(jié)論是側(cè)部射束投射部沒有充分靠近MIG熔融焊池和/或其功率水平太低，以至于對所造就的焊道沒有任何顯著且有利的影響。在所使用的具體的試驗(yàn)條件下，得出的結(jié)論是側(cè)部激光束(44/46)應(yīng)該與電弧投射部的側(cè)部邊緣間隔得相對緊密，例如在側(cè)部邊緣的2.5毫米內(nèi)，并且應(yīng)該處于大約1kW或更高的功率水平，以產(chǎn)生焊趾平滑且側(cè)部邊緣均勻的焊接接頭。雖然已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見的是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可采用其它形式。因此本發(fā)明的范圍只受到所附權(quán)利要求的限制。