[发明专利]使用氢保护气体的激光增材制造和焊接

说明书

在激光焊接过程中，在保护气体中使用氢在直觉上有悖于标准配方设计惯例，这些惯例通常努力限制或消除用于激光焊接的保护气体(或用于其他焊接方法的焊接电弧和焊池)中的氢。本公开针对一种激光焊接技术，该技术利用保护气体中的氢来限制焊接或增材制造过程中熔渣、氧化物或硅酸盐的产生。

技术领域

本公开总体上涉及一种用于在焊接表面上产生具有较少量熔渣、氧化物或硅酸盐的焊缝的激光焊接和增材制造技术。

背景技术

本公开总体上涉及用于激光焊接和增材制造的方法。

焊接是在各行业中用于各种应用的越来越普遍的工艺。例如，焊接通常在比如造船、海上平台、建筑、轧管机等应用中使用。某些焊接技术(例如，熔化极气体保护焊(GMAW)、药芯焊丝气体保护焊(FCAW-G)和气体钨极电弧焊接(GTAW))通常在焊接过程中采用保护气体(例如，氩、二氧化碳或氧)以在焊接电弧和焊池中以及在焊接电弧和焊池周围提供特定的局部环境，而其他焊接技术(例如，自保护药芯电弧焊接(FCAW)、埋弧焊接(SAW)和受保护的金属电弧焊接(SMAW))则不需要保护气体。

激光焊接是通常使用保护气体(比如氦(He)或氩(Ar))的焊接工艺。也可以使用氦、氮(N)和二氧化碳(CO₂)的混合物。在激光焊接过程中，在保护气体中使用氢在直觉上有悖于标准配方设计惯例，这些惯例通常努力限制或消除用于激光焊接的保护气体(或用于其他焊接方法的焊接电弧和焊池)中的氢，以避免或最小化由氢裂纹引起的缺陷。

在激光焊接过程中，焊缝的表面上可能会形成固态熔渣、氧化物和硅酸盐。因此，可能有必要停止焊接，以便从焊道的表面移除熔渣、氧化物或硅酸盐。对于使用激光的增材制造，这可能尤其成问题。

需要一种改进的激光焊接技术，该激光焊接技术在焊接过程中不会在焊缝表面上产生熔渣、氧化物或硅酸盐，或者即便激光焊接在焊接过程中产生熔渣、氧化物或硅酸盐，也可以容易地从焊缝表面去除熔渣、氧化物、和硅酸盐。

发明内容

根据本公开的一方面，一种用于激光焊接的方法包括以下步骤：(a)提供包括待焊接的第一表面的第一金属件；(b)提供包括待焊接的第二表面的第二金属件；(c)将该第一金属件和该第二金属件定位，使得该第一表面和该第二表面彼此相邻；(d)提供包括氢的保护气体；(e)提供高能量密度光束；以及(f)通过用该高能量密度光束扫过该第一表面和该第二表面中的任一表面或两个表面以在该第一表面与该第二表面之间产生焊接接缝来焊接该第一表面和该第二表面。该保护气体中氢的存在减少了在该焊接步骤(f)期间产生的熔渣、硅酸盐或氧化物的量。

根据本公开的另一方面，一种用于激光增材制造的方法包括以下步骤：(a)提供包括沉积表面的基材金属工件；(b)提供高能量密度光束；(c)提供包括氢的保护气体；(d)使用该高能量密度光束加热该工件的沉积表面，以在该沉积表面上形成焊池；(e)将增材金属供给到该焊池；(f)熔化该增材金属，使得该增材金属熔化并且与该焊池结合，以将熔化的沉积材料添加到该基材金属工件；以及(g)冷却该熔化的沉积材料以形成沉积层。该保护气体中氢的存在减少了在加热、供给、熔化和冷却步骤(d)至步骤(g)期间产生的熔渣、硅酸盐或氧化物的量。通过重复步骤(d)至步骤(g)可以形成附加的沉积层。增材金属可以是呈增材金属粉末或增材金属焊丝的形式。在这些实施例中，在供给步骤(e)期间，可以使用与高能量密度光束同轴对准的喷嘴来喷射增材金属粉末。

根据本公开的另一方面，一种用于激光制造的方法包括以下步骤：(a)提供金属粉末床；(b)提供高能量密度光束；(c)提供包括氢的保护气体；(d)使用该高能量密度光束选择性地熔化一部分金属粉末；(e)将该一部分熔化的金属粉末熔合在一起；(f)形成熔合的金属粉末层；以及(g)重复步骤(d)至步骤(f)，以形成一系列熔合的金属粉末层，并且最终形成金属零件。该保护气体中氢的存在减少了在金属熔化、熔合、和层形成步骤(d)至步骤(f)期间产生的熔渣、硅酸盐或氧化物的量。