CN102958641A - 利用激光产生的突起控制间隙的金属板部件的激光搭焊 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于对第一部件和第二部件进行激光焊接的方法，该方法包括：以足够通过***效应在第一部件的表面上产生突起的速度移动激光束扫过第一部件的所述表面的一部分；并置第一部件和第二部件，使得第一部件和第二部件的相对的表面通过第一部件的所述表面上的突起间隔开；以及通过在其中表面被突起间隔开的区域中扫描激光束来对第一部件和第二部件进行激光焊接。突起的高度能够通过控制激光束的扫描速度进行控制。

Description

利用激光产生的突起控制间隙的金属板部件的激光搭焊
技术领域
本发明总体上涉及激光焊接领域，更具体地涉及具有涂层的金属或金属合金的激光焊接领域，所述涂层的气化温度比待焊接的金属或金属合金的熔点低。
背景技术
远程激光束焊接在加工头中使用反射镜以操作激光束并将激光束引导至工件。这种过程能够实现了高的生产效率和灵活的生产线布局，从而使激光焊接生产更具成本效益。更具体地，在汽车车身部件的焊接方面，远程激光焊接极大地简化了加工程序。在这种部件中，搭接和对接是常见的接合构型。有利的是，激光束焊接技术具有低的总热量输入，从而使得部件产生低的变形。因此，远程激光束焊接提供了一种用于生产更轻、更紧凑的汽车车身结构的焊接技术。
为增强耐腐蚀性，涂覆有锌或锌合金的金属板在汽车车身部件中的使用增加，产生了对于容许对这些种类的板材进行接合的焊接方法的需求。激光束焊接具有低的总热量输入并因此使板上的富锌涂层产生低的变形的优点。因此，激光束焊接被认为是这种钢板在对接和搭接构型中的理想的接合技术。然而，由于与钢的熔化温度(～1550℃)相比，锌的沸点(906℃)较低，因而在搭接构型中对这些材料进行焊接的情况下会产生问题。
如果在板材之间不存在接合间隙，那么焊接过程中的锌蒸汽只能通过熔化的焊接熔池离开，而这通常会导致过多的焊缝气孔或焊接金属的完全排出。为了获得高质量的焊接，原则上存在两种解决方案以避免该问题：(1)在焊接过程中形成锌蒸汽的排出通道，或(2)除去焊道中的锌涂层。这两种方法都需要额外的工艺来实现。已经开发了在板材之间设置间隙以进行激光焊接以及除去焊点处的锌涂层的多种技术。这些方法通常需要使用辅助部件或隔离物，并且由于需要额外的设备形成间隙或去除涂层而在生产线中难以维护。这将产生大的费用并且增加生产时间。
在板材之间设置小的间隙已被证明是形成锌蒸汽排出通道的最实用的技术。然而，要维持板材之间的小的间隙，尤其是在生产线中维持板材之间的小的间隙是具有挑战性的。
PCT公开WO 99/08829公开了一种用于涂覆有锌的钢板的常规激光束焊接的方法，其中通过激光造坑(dimpling)技术在接合板中的一个上产生突起。激光造坑已被证明是产生用于在焊接位置处提供蒸汽排出间隙的凹坑的可行技术。这是一种不受焊接位置和部件形状限制的灵活的预处理过程。尽管有这些好处，但该预处理过程仍增加了焊接过程的生产成本。为了将额外的成本减到最小，该激光造坑过程需要尽可能快地执行。因此，该造坑技术因其受限制的处理速度而不能被容易地应用到远程激光束焊接过程中。
需要提供有效的解决方案或技术以在远程激光束焊接中产生间隙。
发明内容
本发明的一个目的是克服上文中所描述的问题。根据该目的，本发明提供了一种用于激光焊接第一部件与第二部件的方法，该方法包括以下步骤：以足够通过***效应(humping effect)在第一部件的表面上产生突起的速度移动激光束扫过第一部件的所述表面的一部分；并置所述第一部件和第二部件，使得所述第一部件和第二部件的相对表面通过所述第一部件的表面上的突起间隔开；以及通过在所述表面被所述突起间隔开的区域中扫描激光束来激光焊接第一部件和第二部件。
根据本发明的另一实施方式，第一部件和第二部件由诸如钢的金属或金属合金制成，并且其中第一部件和第二部件中至少之一涂覆有具有比该金属或金属合金的熔点低的气化温度的材料。具有低气化温度的涂层的示例有锌、氧化锌、镁和氧化镁，即这些涂层的气化温度低于所述金属或金属合金的熔点。
根据本发明的又一实施方式，突起形成基本与通过激光焊接步骤所产生的焊接图案相对应的图案，或可替代地，突起形成与通过激光焊接步骤所产生的焊接图案不相同的图案。第一部件和第二部件的激光焊接步骤能够通过在其中第一部件和第二部件的表面被突起间隔开的区域中扫描激光束来进行。产生突起的位置可离开焊接位置，只要在焊接位置处存在用于提供足够的排出通道的足够间隙尺寸即可。
根据本发明的再一实施方式，激光束由远程激光焊接头操作。
根据又一实施方式，本发明的方法还包括在激光焊接步骤之前将第一部件和第二部件彼此夹紧的步骤。
根据本发明，还提供了通过控制激光束的扫描速度或通过控制激光束的强度来控制突起的高度的方法。控制激光束的强度的步骤包括控制激光束的激光功率和束斑(beam spot)尺寸。
此外，突起在激光束的入射角能够变化到大角度时产生。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于激光焊接第一部件和第二部件的方法，该方法包括：以足够通过***效应在第一部件的表面上产生突起的速度移动激光束扫过第一部件的表面的一部分；并置第一部件和第二部件，使得第一部件和第二部件的相对的表面通过第一部件的表面上的突起间隔开；通过在其中表面被突起间隔开的区域中扫描激光束来激光焊接第一部件和第二部件；以及通过控制激光束的扫描速度来控制突起的高度。
根据优选实施方式的以下详细描述能够更充分地理解本发明的该目的和其它目的。
附图说明
现在将结合以下附图描述本发明的示例性实施方式，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出了根据本发明的激光搭焊的部件的搭接部分的平面图；
图2a和图2b示出了根据本发明的在实施焊接过程中的顺序步骤的示意图；
图3a和图3b为图2a和图2b中示出的板材中之一的一部分的照片图示，其示出了通过***效应产生的***；
图4示出了图3中示出的高速***效应的照片图示；
图5示出了在固定激光光束功率下的***高度/扫描速度的示意图，其说明了扫描速度对于***高度的影响；
图6示出了图1中所示的焊接的部分的照片图示；
图7示出了图1中所示的焊接的平面照片图示；
图8示出了对于多个激光束入射角度的***高度的图示；
图9示出了当激光束的倾斜角为40度时***高度与扫描速度的相关性的图示。
具体实施方式
根据本发明，提供了涂覆的金属或金属合金部件的远程激光束焊接的实用、有效和灵活的方法。诸如钢板之类的金属或金属合金部件设置有具有低气化温度的涂层，诸如例如镁涂层、锌涂层、或氧化锌涂层。本说明书的上下文中的低气化温度意味着涂层的气化温度低于金属或金属合金部件的熔点。例如，在汽车行业中，锌涂层对于钢板的防腐蚀地特别有利。
总体而言，在进行远程激光焊接之前，远程激光束以高的速度对部件中之一进行预处理以在板材之间形成可控制的间隙。这对于搭焊(lap welding)工艺而言是特别有利的，以产生用于在两个部件接合时由涂层产生的蒸汽的排出通道。
更具体地，在预处理中，使用足够光束强度的激光束在钢板上进行的高速扫描在该板材的表面上产生一系列的***。这些***或突起使板材的相对表面保持间隔开的关系。***的高度以及因此在两个部件之间保持的间隔可以根据不同的材料厚度、涂层和结构的要求通过改变扫描速度和/或激光束强度来进行控制。以这种方式，焊接能够以高效的成本效益的方式在单个焊接设备上全部地完成。通过这样的技术，远程激光焊接能够进行任何类型焊接形状的、灵活的焊接以及改变焊接位置。
根据本发明的实施方案，公开了一种为汽化气体的排出产生间隙的方法，在进行实际激光焊接步骤之前的预处理步骤中，远程激光束对部件中之一的表面进行高速扫描。其原理为，当高强度激光束以高速在金属表面上扫描时***效应发生。***效应在激光产生的焊道上形成一系列的金属熔滴或突起。表面上的突起的高度可高达零点几毫米并且能够通过扫描速度和激光束强度来改变或控制。这种一系列的直线状或曲线状或在几个位置处的突起用作隔离物以形成排出通道。当激光束预处理的板状部件与另一板状部件堆叠在一起时，形成了间隙。该间隙设置在两个部件将通过激光焊接接合的区域处或附近。因此，通过该技术，激光束焊接可以在其中两个部件通过由***效应产生的突起而被间隔开的区域中进行，并且通过这种技术能够获得高质量的焊接。
随着激光技术的进步，高功率、高光束质量的激光器是易于获得的，并且对于许多工业应用而言变得越来越具有成本效益。远程激光束焊接是利用纤维传输激光技术的激光应用之一。高质量的激光束具有低的发散角，使得其具有更好的聚焦能力，并且能够通过纤芯直径小的纤维传输。因此，激光束能够聚焦在离加工头距离较大的工件或部件上并且仍保持用于深熔焊的典型的小焦点。
远程焊接头使用一对扫描镜以将激光束引导或对准到工件上。光束运动是高度动态的，并因此能够获得极高的速度，用于将光束从一个焊接重新定位到另一焊接而不损害其定位的准确性。此外，轴线之间的协调运动使激光束能够产生许多诸如直线、圆和弧形之类的图案。因此，远程激光焊接很适于在大的2D或3D工作轮廓(workingenvelope)中的多位置进行搭焊。
然而，镀锌钢板的激光束搭焊不是一个简单的过程。如果不采取措施，接合界面之间的涂层材料的气化会将焊接金属推出该接合点，从而导致不良焊接。已经开发了许多技术来解决这个问题。这些成功技术的主要方法为将涂层蒸汽排出焊接熔池。排出通道可以是在典型的双光束焊接中的改型的孔道或者可以是接合表面之间的小间隙。
用于排出蒸汽的常见有效间隙取决于板材和涂层的厚度而在0.1mm至0.2mm之间。要在生产环境中稳定地形成这样小的间隙是有挑战性的。对于结构部件，小凹坑可以创建在成形模具中。然而，根据部件形状的复杂性，在模具上的凹坑会干扰在成形操作中的材料流动。此外，机械凹坑的磨损对于保持凹坑的高度的一致性而言成为另一个问题。
在激光束焊接中的***效应为熔池不稳定的现象，对于给定的材料构型、激光束的功率和束斑尺寸而言，如果超过某一焊接速度，这种现象开始出现。其特点是焊道表面上形成周期性的熔滴。因此，***效应设定了对于给定的激光束强度的处理速度极限。对于CO2激光束焊接，这种不利影响可在低至10m/min的焊接速度时被观察到。
对于纤维传输激光而言，***效应的速度极限趋于更高一些。然而，随着激光功率的增大和光束质量的提高，***极限可以降低至10m/min的焊接速度。为找到在处理参数上的***效应速度极限，已进行了各种研究项目，旨在将给定的激光束功率下的***极限向前推动至更高的焊接速度。
虽然***对于激光束焊接而言是一种有害的影响，根据本发明，其能够被有利地用作用于涂覆的金属或金属合金部件的激光束焊接的预处理，特别是在希望接合表面之间有小的间隙的搭接构型中。焊缝上的***或熔滴具有为搭焊提供适当的间隙的足够高度。
通过利用***效应，涂覆的金属或金属合金部件的激光束搭焊需要两个步骤的处理。第一个步骤是预处理，其中，激光束在接合部件中之一上沿着或靠近焊接位置处产生一系列的***。在所述***形成后，将另一部件放置在其顶部上，然后将所述一对部件夹持在一起。第二个步骤是实际的焊接过程，在该过程中，激光束在指定位置产生所需的焊接图案。
参照图1和图2a，一对部件10、12通过由虚线表示的直线焊逢11来接合。可替代地，可以应用非直线焊缝或焊接图案。部件10、12中的每个均为分别具有相反地取向的表面13、14和15、16的钢板。每个表面均具有由诸如例如锌涂层18(参见图2a)的具有低气化温度的材料制成的涂层18，以提供免受腐蚀的保护。
如图2a中所示，待焊接的部件中之一，即镀锌钢板部件10被放置在将该部件牢固地保持在适当位置的夹具(未示出)中。来自远程焊接头20的激光束19以足够通过***效应产生突起17的速度，在一些区段上扫描板材10的上表面13以在预定的焊接线或焊接图案11的区域处或附近产生一系列的突起17。该第一预处理步骤能够通过使用远程焊接/扫描头20在几分之一秒内完成。
在预处理步骤中，具有足够高能量强度的激光束以极高的速度扫描接合区域。激光束仅要求一系列的短区段的燃灼。当***效应发生时，沿着光束路径产生了一系列的***或熔滴。这些表面以上的突起用作自然的间隔物。当该预处理过的板材与另一板材堆叠到一起时，通过这些突起形成了间隙。根据本发明的实施方案，该间隙被定位在预定的焊接位置处或附近。在焊接过程中，激光束可以在这些突起上进行焊接或在附近区域进行焊接。以这种方式形成的间隙能够为锌蒸汽提供足够的排出通道，以避免焊接缺陷并提供高质量的焊接。
一旦这些突起或***形成，便将涂覆有锌的钢板部件12放置到激光预处理部件10之上，如图2a中的步骤2所示，从而使表面15交叠表面13。然后，板状部件10、12通过在此未示出的诸如夹紧***的夹具装置保持在适当位置。结果，这两个待焊接的板状部件保持在一起并准备被焊接。
在将进行焊接的位置处，突起或***17在镀锌钢板部件10、12的交叠部分的相对表面13、15之间形成了空气间隙21。
如在图2b中由箭头A所示，焊接操作可以通过将激光束19施加至钢板部件10，12上来执行。在焊接过程中，从锌涂层释放的锌蒸汽23可流入到在焊接孔道周围的空气间隙21中。因此，在凝固的金属焊缝22中，大大地减少了吹孔或焊接气孔的形成。从而，所得到的焊缝是满足质量要求的。
图3a和图3b示出了用于执行样品材料搭焊的激光产生的高速***效应的图案。图4中示出了通过***效应由激光束产生的典型的***，该***由一系列节段状的***组成。
对于大多数应用而言，用于生产高质量的焊接的空气间隙尺寸介于0.1mm至0.2mm之间。但所需的或理想的间隙宽度取决于材料厚度、涂层厚度和类型，并且可能取决于夹紧力。通过利用高速***效应，生成的突起的高度能够通过改变激光束的扫描速度进行控制。
如图5中所示，当扫描速度在25m/min至80m/min的范围内时，***的测量高度可从0.1mm至0.5mm变化。这些***通过功率为4kW的激光束产生。一般情况下，0.5kW或更高功率的激光被认为是高功率激光。
如在上述直线焊缝焊接的实施方案中所描述的，锌蒸汽23逸入围绕***的空气间隙21中，并因此能够从接合的板材之间的空间排出。应当注意的是，上面的描述中公开了直线焊接图案。然而，根据本发明，能够在产生有***的位置处或附近进行任何形状的焊接。
第一部件和第二部件的激光焊接步骤可通过在第一部件和第二部件的表面被突起间隔开的区域中扫描激光束来进行。突起的位置无需精确地位于焊接位置，只要在焊接位置处存在足够尺寸的间隙以提供足够的排出通道即可。此外，由突起产生的图案可以与焊接图案不同，只要在焊接位置处存在足够尺寸的间隙以提供足够的排出通道即可。
根据本发明，由于来自扫描头的激光束能够在其可达到的范围内扫描板状部件上的任何位置以产生突起并且在第二步骤中执行实际的焊接，因此利用***效应来形成隔离物是极其地快速的、简单的并且非常灵活的。此外，当扫描焊接头被安装在机器人手臂上时，远程激光焊接也能够应用于具有复杂形状的部件。
图6和图7示出了通过使用本发明的工艺产生的搭焊，其中，图6示出了图1所示的焊接的截面图的照片图示，而图7示出了图1中所示的焊接的平面图的照片图示。
注意到在图5中，激光功率被设定在4kW，并且激光束被聚焦在部件的上表面。如能够观察到的，***效应以约20m/min的速度发生。在***效应初始阶段，***的高度相对较高，即高度可以超过0.5mm。随着扫描速度的增大，***高度减小。在极高的速度下，熔滴沿焊道消失。该速度极限与具体的激光相对应。在图5中所使用的激光的情况下，当速度高于80m/min时几乎观察不到***效应。
当激光束功率降低至3.5kW时，对该激光而言，***效应在30m/min的速度下发生。该实验数据证明了用于引发***效应的焊接速度随着激光功率的增大而减小。当激光功率进一步下降至3kW时，***效应几乎不发生。在4kW的全激光功率下，如果激光束被散焦至5mm，则在30m/min的焊接速度下仅产生轻微的***。因此，较高功率的激光束能够给出***效应更好的可控性。
在远程激光束焊接中，入射光束并不总是垂直于材料表面。出于这个原因，对激光束的入射角度对***效应产生的影响进行了研究。图8示出了对于激光束的多个入射角度的***的高度的图示。接近垂直状况的***略高于以相对较大的角度产生的***。从图8中能够观察到，在高达50度的倾斜角度处，该激光束仍产生用于激光搭焊的适当的***。
图9示出当激光束的倾斜角在40度时，***高度与扫描速度的相关性的图示。用于产生这些***的激光功率为4kW。从图9可以观察到，激光束的扫描速度为产生具有所需高度的***的主要控制因素。
根据以上介绍的实施例，为生成高质量的搭焊，在待焊接的部件之间需要具备尺寸为0.1mm至0.2mm的间隙。可以从图5、图8和图9中观察到，4kW功率的激光束在范围为从60m/min至80m/min的扫描速度下，能够产生用于高质量的搭焊的足够的间隙。这些结果适用于450mm的聚焦长度、0.6mm的尺寸的束斑。对于其他的激光源，所需的处理条件会稍有不同。
因此，当激光束的扫描速度超过某一极限时，发生***效应。该极限取决于激光功率和束斑尺寸。当***效应发生时，***的高度随扫描速度的变化而变化。对于上面描述的例子，0.1mm至0.2mm的高度的***可以在60m/min至80m/min的扫描速度范围内产生。
***效应能够被有利地应用在预处理中，以便为涂覆有具有低气化温度材料的金属板的激光束搭焊产生所需的间隙。通过改变扫描速度，间隙的大小是可控的。当激光束的入射角从0度变化到50度时，也能够产生优选的***效应。预处理和搭焊处理的结合很好地适用于容易地实现高速扫描的远程激光束焊接。
由于这些预处理以高速进行，因此只需要一小部分的焊接时间来完成整个预处理过程。因此，利用***效应的远程激光束搭焊对于工业应用而言是一项实用的技术。
此外，应当指出，在PCT公开WO 99/08829中所公开的造坑的效果中，板材厚度的大部分厚度，即超过约50％的厚度被熔化以产生凹坑。根据本发明，使用***效应，部件的表面上仅小部分被熔化。因此，根据本发明的方法可适用于任何材料厚度的部件。此外，在PCT公开WO 99/08829中所公开的造凹坑的效果中，突起的高度是不可控的。如此前所公开的，根据本发明，突起的高度能够通过控制激光束的扫描速度进行控制。
应当理解的是，前面的描述在本质上是说明性的，并且本发明包括修改、改变以及其等同方案，而不背离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于激光焊接第一部件和第二部件的方法，所述方法包括步骤：
以足够通过***效应在所述第一部件的表面上产生突起的速度移动激光束扫过所述第一部件的所述表面的一部分；
并置所述第一部件和所述第二部件，使得所述第一部件和所述第二部件的相对表面通过所述第一部件的表面上的所述突起间隔开；以及
通过在所述表面被所述突起间隔开的区域中扫描所述激光束来激光焊接所述第一部件和所述第二部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件由金属或金属合金制成，并且其中所述第一部件和所述第二部件中至少之一涂覆有气化温度比所述金属或所述金属合金的熔点低的材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件由钢制成。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件涂覆有锌、氧化锌、镁和氧化镁中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述突起形成基本与通过所述激光焊接步骤所产生的焊接图案相对应的图案。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述突起形成与通过所述激光焊接步骤所产生的焊接图案不相同的图案。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束由远程激光焊接头操作。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述激光焊接步骤之前将所述第一部件和所述第二部件彼此夹紧的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括通过控制所述激光束的扫描速度来控制所述突起的高度的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括通过控制所述激光束的强度来控制所述突起的高度的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制所述激光束的强度的步骤包括控制所述激光束的激光功率和束斑尺寸。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述突起在所述激光束的入射角能够变化到大角度时产生。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述突起的高度为约0.1mm至约0.2mm。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述扫描速度为约60m/min至80m/min。
15.一种用于激光焊接第一部件和第二部件的方法，所述方法包括步骤：
以足够通过***效应在所述第一部件的表面上产生突起的速度移动激光束扫过所述第一部件的所述表面的一部分；
并置所述第一部件和所述第二部件，使得所述第一部件和所述第二部件的相对表面通过所述第一部件的表面上的所述突起间隔开；
通过在所述表面被所述突起间隔开的区域中扫描所述激光束来激光焊接所述第一部件和所述第二部件；以及
通过控制所述激光束的扫描速度来控制所述突起的高度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件由金属或金属合金制成，并且其中所述第一部件和所述第二部件中至少之一涂覆有气化温度比所述金属或所述金属合金的熔点低的材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件由钢制成。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件涂覆有锌、氧化锌、镁和氧化镁中的至少一种。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括通过控制所述激光束的强度来控制所述突起的高度的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述控制所述激光束的强度的步骤包括控制所述激光束的激光功率和束斑尺寸。
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