CN107206546A - 填角搭接接头上的振荡远程激光焊接 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于以填角接头连结两个金属材料件的经济的激光焊接方法。该方法可靠地补偿了两个材料件之间的公差，并且可以用于各种光照条件和生产环境中。另外，该方法不需要用于接缝跟踪的附加设备。该方法包括在使激光束沿着两个材料件之间的交界面横向地移动的同时使激光束例如按照“图形8”的图案振荡。该填角接头的宽度相比于使用非振荡激光束形成的填角接头增大，并且因此补偿了公差。填角接头的宽度取决于激光束的振荡幅度而非光束尺寸。

Description

填角搭接接头上的振荡远程激光焊接

相关申请的交叉引用

该PCT专利申请要求于2015年1月21日提交的序列号为62/105,929的美国临时专利申请的权益和优先权，该项申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且由此通过参引并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明总体上涉及激光焊接技术，并且更具体地涉及对用于汽车应用的金属材料件之间的填角接头进行激光焊接。

2.相关技术

用于汽车的结构部件通常包括通过激光焊接连结在一起的多个金属材料件。激光焊接包括沿着两个材料件之间的交界面施加呈激光束形式的集中热源。激光束使两个材料件的沿着交界面的部分熔融，并且熔融的材料件凝固以形成接头。该技术提供了牢固的接头并且可以以高速率进行，这在汽车部件的生产中是理想的。

包括搭接接头和填角接头的各种不同类型的接头可以通过激光焊接形成。通常填角接头是优选的，这是因为填角接头允许轻重量产品和稳定的锌脱气，这提供了良好的焊接质量。然而，由于沿着金属材料件之间的交界面的公差的尺寸，因此通常需要难以实现的高定位精度。目前用于形成具有高定位精度的填角接头的技术包括使用连同立体相机和光学***一起的远程激光器。相机和光学***精确地跟踪交界面的位置并且考虑材料件之间的公差。然而，该技术通常不适合在某些光照条件和生产环境中使用，并且设备昂贵。

发明内容

本发明提供了一种用激光焊接将设置成相对于彼此成角度的两个金属材料件连结的改进方法。激光焊接步骤包括在激光束沿着两个材料件之间的交界面横向地移动时通过使激光束振荡而沿着交界面形成填角接头。由振荡激光束形成的填角接头的宽度大于使用非振荡激光束形成的填角接头的宽度。在不需要昂贵的相机和光学***的情况下，填角接头的较大宽度补偿了沿着两个材料件之间的交界面的公差。另外，本发明所提供的激光焊接方法适于在各种光照条件和生产环境中使用。

本发明还提供一种用于以填角接头连结两个金属材料件的激光焊接装置。该装置提供了在激光束沿着两个材料件之间的交界面横向地移动时进行振荡的激光束。

本发明还提供了一种用于汽车应用的部件，该部件包括两个金属材料件以及处于两个金属材料件之间的填角接头。填角接头是通过借助于振荡激光束进行的激光焊接而形成以增加填角接头的宽度并且因此考虑了沿着交界面的公差。

附图说明

通过参照结合附图考虑时的以下详细描述将易于领会并且更好地理解本发明的其他优点，在附图中：

图1图示了根据本发明的示例性实施方式的激光焊接两个材料件的方法；

图1A是图1的一部分的放大截面图，其示出了在两个材料件之间形成填角接头的过程中的激光束；

图2A是在示例性激光焊接方法中使用的激光焊接参数的列表；

图2B包括在另一示例性激光焊接方法中使用的激光焊接参数；

图3A至图3D是用于实施激光焊接参数的示例性软件程序的屏幕截图；

图4A至图4C是根据示例性实施方式的在两个材料件之间形成的填角接头的照片；

图5A至图5C是根据另一示例性实施方式的在两个材料件之间形成的填角接头的照片；

图6A至图6D是根据又一示例性实施方式的在两个材料件之间形成的填角接头的照片；

图7A至图7D是根据另一示例性实施方式的在两个材料件之间形成的填角接头的照片；

图8是根据另一示例性实施方式的在两个材料件之间形成的填角接头的照片；以及

图9A至图9C是根据另一示例性实施方式的包括形成在两个铝材料件之间的填角接头的车门的一部分的照片。

具体实施方式

本发明提供了用于制造金属部件、尤其是用于在汽车应用中使用的金属部件的改进方法，所述金属部件包括连结在一起的至少两个金属材料件20、22。振荡激光束26用于形成宽的填角接头24，该宽的填角接头也称为填角搭接接头或焊缝。填角接头24的增加的宽度补偿了沿着两个材料件20、22之间的交界面28的公差。因而，可以在各种光照条件和生产环境中形成可靠且牢固的填角接头24。另外，填角接头24在未使用诸如用于精确的界面跟踪的立体相机和光学***之类的附加设备的情况下形成。图1和图1A各自示出了连结两个材料件20、22的振荡激光束26的示例。

该方法从提供待连结的金属材料件20、22开始。各种材料件20、22可以使用该方法连结，并且材料件20、22可以彼此相同或不同。在一个实施方式中，材料件20、22包括钢或其他铁基材料、铝或铝合金。例如，两个材料件20、22可以均由钢形成，两个材料件20、22可以均由铝形成，或者一个材料件可以由钢形成，而另一个材料件可以由铝形成。待连结的材料件20、22的尺寸和形状取决于成品部件的期望应用。在图中示出的示例性实施方式中，两个材料件20、22以片材的形式提供。

在形成填角接头24的准备中，两个材料件20、22设置成相对于彼此成角度。在示例性实施方式中，如图1A中最佳地示出的，第一材料件20的侧表面30设置成相对于第二材料件22的顶表面32成角度，例如相互垂直。然而，侧表面30和顶表面32可以设置成相对于彼此成其他角度。两个材料件20、22在侧表面30和顶表面32的交叉处呈现交界面28，并且填角接头24沿着交界面28形成。

如上所述，存在与交界面28的位置和/或材料件20、22沿着交界面28相对于彼此的定位相关联的公差，在激光焊接过程期间需要考虑该公差以确保沿着整个交界面28形成牢固的填角接头24。例如，交界面28的位置可以沿着弯曲的、弯折的、非直的或任意路径而非直线延伸。侧表面30与顶表面32之间的距离也可以沿着交界面28变化。这些公差通常由于用于形成材料件20、22的各种方法而出现。例如，当第一材料件20的侧表面30被修整成期望的形状时，存在与修整的侧表面30相关联的公差。

在材料件20、22被提供并且定位成相对于彼此成角度时，该方法包括沿着交界面28对材料件20、22进行激光焊接，以在两个材料件20、22之间形成填角接头24。在示例性实施方式中，该步骤包括在第一材料件20的侧表面30与第二材料件22的顶表面32之间形成填角接头24。然而，填角接头24可以根据待连结的材料件20、22的形状而形成在其他位置中。

如图1所示，包括远离待连结的材料件20、22的激光头36的装置34发射振荡激光束26。在示例性实施方式中，激光头36沿着交界面28横向地移动同时朝向材料件20、22发射激光束26。可以使用能够使金属材料件20、22熔融的任何类型的激光器。激光束26使第一材料件20的沿着交界面28定位的部分以及第二材料件22的沿着交界面28定位的部分熔融，并且熔融部分凝固以形成填角接头24。熔融部分的尺寸可以根据材料件20、22的尺寸而变化。

如上所述，在激光束26沿着交界面28连续地横向移动时激光束26连续振荡，以形成改善的填角接头24，该改善的填角接头24比使用非振荡激光束形成的填角接头宽。激光束26连续地移动直至侧表面30与顶表面32之间的整个填角接头24。较宽的填角接头24提供了补偿两个材料件20、22之间的公差的可靠且廉价的方式。在激光头36沿着交界面28横向移动的同时，从激光头36发出的振荡激光束26沿至少两个不同方向移动。在图1和图1A中示出的示例性实施方式中，激光束26在沿着x轴线的两个方向上振荡。代替沿着x轴线振荡或者除了沿着x轴线振荡之外，激光束26可以替代性地沿着y轴线和/或z轴线振荡。激光束26振荡所沿着的路径可以包括各种不同的图案、设计或图形。例如，振荡激光束26的路径可以相对于两个材料件20、22之间的交界面28成角度，例如相互垂直。在一个实施方式中，当激光头36沿着交界面28横向地行进时，激光束按照“图形8”的图案振荡。振荡激光束26影响材料件20、22的熔池动态和热影响区，这又有助于宽度w增加。

填角接头24的宽度w——该宽度w应当足够大以补偿两个材料件20、22之间的公差——取决于激光束26的振荡幅度。这不同于使用非振荡激光束形成的对比填角接头，在该对比填角接头中，填角接头的宽度w仅取决于激光束尺寸。振荡幅度是在一个振荡周期期间由振荡激光束26相对于单个轴线所走过的总距离。例如，如果激光束26通过重复地在沿着x轴线的一个方向上移动0.5mm再在沿着x轴线的相反方向上移动0.5mm的方式进行振荡，则振荡幅度为1.0mm。振荡幅度通常在激光焊接过程之前被预先确定，并且取决于材料件20、22的尺寸和形状以及材料件20、22之间的公差的尺寸。如果交界面28或者第一材料件20的侧表面30相对于第二材料件22的顶表面32的位置存在显著变化，则振荡幅度应当被设定为相对高的值。如果交界面28或者第一材料件20的侧表面30相对于第二材料件22的顶表面32的位置存在微小变化，则应当设定较低的振荡幅度。在图1的示例性实施方式中，振荡幅度被设定成补偿+/﹣0.5mm的修整边缘公差。

在某些实施方式中，该方法当在两个材料件20、22之间形成填角接头24时采用多个振荡幅度。例如，当激光头36沿着材料件20、22之间的交界面28横向地移动时，振荡激光束26可以相对于x轴线和y轴线两者振荡。例如，当激光束按照“图形8”的图案振荡时，第一振荡幅度指的是激光束26相对于x轴线的运动，并且第二振荡幅度指的是激光束26相对于y轴线的运动。

该方法还可以沿着材料件20、22之间的交界面28的不同部分采用不同的振荡幅度。例如，如果沿着交界面28的一部分设有较大的公差，则沿着交界面28的该部分使用较大的振荡幅度，而沿着交界面28的其他部分使用较小的振荡幅度。当激光头36沿着交界面28连续地横向移动时，激光束26可以从一个振荡幅度切换为另一个振荡幅度。振荡幅度也可以在激光头36沿着交界面28横向移动的同时进行设定或调节。

该方法还包括在焊接过程之前或期间设定除振荡幅度之外的其他激光焊接参数。其他参数通常包括焊接速度、提供至激光器的能量或功率水平、脉冲或无脉冲、振荡类型图形或图案、振荡图形的频率以及散焦或无散焦。焊接速度是激光头36沿着交界面28横向地移动的速度。功率参数通常包括焊接过程期间使用的可用功率的百分比。当期望反复打开和关闭激光束26例如以减少施加至材料件20、22的热量时，可以启用脉冲参数。振荡类型指的是当激光头36沿着交界面28横向地移动时激光束26行进所沿着的图形或图案。例如，激光束26可以相对于x轴线和/或y轴线沿两个相反的方向移动。在一个实施方式中，激光束26相对于x轴线和/或y轴线按照“图形8”的图案行进。频率参数指的是每分钟振荡图形的数量，例如每分钟“图形8”的图案的数量。该方法通常包括施加聚焦激光束26。然而，当期望移动材料件20、22更靠近激光头36或者移动激光头36更靠近材料件20、22时，可以启用散焦参数，例如以增加激光束26的尺寸。

图2A图示了用于包括使激光束26按照“图形8”的图案振荡的示例性方法的激光焊接参数。该方法采用1.5mm的第一振荡幅度和0.5mm的第二振荡幅度，其中，1.5mm的第一振荡幅度是在一个振荡周期期间由激光束26在x方向上走过的总距离，0.5mm的第二振荡幅度是在一个振荡周期期间由激光束26在y方向上走过的总距离。在本实施方式中，焊接速度设定为30mm/s，功率设定为50％(2kW)，脉冲参数未被启用，振荡图形的频率为50Hz，并且散焦参数未被启用。

图2B图示了用于包括使激光束26按照“图形8”的图案振荡的另一示例性方法的激光焊接参数，其中，第一振荡幅度为1.5mm，第二振荡幅度为0.5mm。在本实施方式中，焊接速度设定为50mm/s，功率设定为75％(3kW)，脉冲参数未启用，振荡图形的频率为80Hz，并且散焦参数未启用。

图3A至图3D包括可以用于实施焊接参数的示例性计算机软件程序的屏幕截图。在图3A至图3D的实施方式中，振荡图形的类型是以上所描述的“图形8”的图案。

图4A至图9C是示出了通过根据本发明的方法形成的填角接头24而连结在一起的材料件20、22的照片。图4A示出了在焊接速度为50mm/s的情况下以及在第一材料件20的侧表面30(修整边缘)的中心位于0mm处的情况下在第一材料件20与第二材料件22之间形成的填角接头24的示例。图4B是图4A的填角接头24沿着线B-B截取的截面图，并且图4C是图4A的填角接头24的放大视图。

图5A示出了在焊接速度为50mm/s的情况下以及在第一材料件20的侧表面30(修整边缘)的中心位于0mm处的情况下在第一材料件20与第二材料件22之间形成的填角接头24的另一示例。图5B是图5A的填角接头24沿着线B-B截取的截面图，并且图5C是图5A的填角接头24的放大视图。

图6A示出了在焊接速度为50mm/s的情况下以及在第一材料件20的侧表面30(修整边缘)与中心位置间隔达+0.6mm的情况下在第一材料件20与第二材料件22之间形成的填角接头24的另一示例。图6B是图6A的填角接头24的放大视图。图6C是图6B的填角接头24沿着线C-C截取的截面图，其中，0.5mm的振荡幅度补偿了+0.3mm的公差。图6D是图6B的填角接头24沿着线D-D截取的截面图，其中，0.5mm的振荡幅度补偿了+0.5mm的公差。由此得出，用于焊接图6A至图6D的填角接头24的焊接参数足以补偿达+0.5mm的修整边缘公差。

图7A示出了在焊接速度为50mm/s的情况下以及在第一材料件20的侧表面30(修整边缘)与中心位置间隔达-1.2mm的情况下在第一材料件20与第二材料件22之间形成的填角接头24的另一示例。图7B是图7A的填角接头24的放大视图。图7C是图7B的填角接头24沿着线C-C截取的截面图，其中，0.27mm的振荡幅度不能补偿﹣1.0mm的公差。图7D是图7B的填角接头24沿着线D-D截取的截面图，其中，0.42mm的振荡幅度补偿了﹣0.3mm的公差。由此得出，用于焊接图7A至图7D的填角接头24的焊接参数足以补偿达﹣0.5mm的修整边缘公差。

图8是根据另一实施方式的在第一材料件20与第二材料件22之间形成的填角接头24的照片，其中，用于形成填角接头24的焊接参数包括40mm/s的焊接速度、3.8kW的功率水平以及50Hz的振荡频率。

图9A至图9C是用于在汽车中使用的示例门的一部分的照片，该示例门包括第一材料件20与第二材料件22之间的填角接头24。填角接头24同样通过使用以上所描述的振荡激光束26形成。第一材料件20和第二材料件22由5182铝形成，并且各自具有1.5mm的厚度。

显然，根据以上教示，本发明的许多改型和变型是可能的，并且在所附权利要求的范围内本发明的许多改型和变型可以用除具体描述的方式之外的其他方式来实施。

Claims (15)

1.一种连结两个材料件的方法，所述方法包括：

用激光束将第一材料件的侧表面焊接至第二材料件的顶表面的焊接步骤；并且

所述焊接步骤包括在使所述激光束沿着所述第一材料件的所述侧表面与所述第二材料件的所述顶表面之间的交界面横向移动的同时使所述激光束进行振荡的振荡步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振荡步骤包括使所述激光束沿至少两个不同的方向移动。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述振荡步骤包括使所述激光束沿着x轴线、y轴线和z轴线中的至少两者移动。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述振荡步骤包括使所述激光束沿着所述x轴线和所述y轴线移动，并且所述激光束沿着所述x轴线的振荡幅度不同于所述激光束沿着所述y轴线的振荡幅度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振荡步骤包括使所述激光束以相对于所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面成角度的方式移动。

6.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括下述步骤：在使所述激光束沿着所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面横向移动的同时改变所述激光束的振荡幅度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振荡步骤包括在使所述激光束沿着所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面横向移动的同时使所述激光束按照“图形8”的图案移动。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接步骤包括在使所述激光束沿着所述交界面连续地横向移动的同时使所述激光束连续地振荡，以在所述第一材料件的所述侧表面与所述第二材料件的所述顶表面之间形成填角接头。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面的至少一部分是弯曲的或弯折的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料件与所述第二材料件之间的距离沿着所述第一材料件的所述侧表面与所述第二材料件的所述顶表面之间的所述交界面改变。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，每个材料件是钢、铁基材料、铝或铝合金。

12.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括在所述焊接步骤之前修整所述材料件中的至少一个材料件以形成相应的所述表面的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，每个材料件是钢、铁基材料、铝或铝合金；所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面的至少一部分是弯曲的或弯折的；所述第一材料件与所述第二材料件之间的距离沿着所述第一材料件的所述侧表面与所述第二材料件的所述顶表面之间的所述交界面变化；所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面的至少一部分是弯曲的或弯折的；所述第一材料件的所述侧表面和所述第二材料件的所述顶表面设置成相对于彼此成角度；

所述振荡步骤包括使所述激光束以相对于所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面成角度的方式移动；

所述振荡步骤包括使所述激光束沿着x轴线和y轴线移动，并且所述激光束沿着所述x轴线的振荡幅度不同于所述激光束沿着所述y轴线的振荡幅度；

所述振荡步骤包括在使所述激光束沿着所述第一材料件与所述第二材料件之间的所述交界面横向移动的同时改变所述激光束的所述振荡幅度中的至少一个振荡幅度；并且

所述焊接步骤包括在使所述激光束沿着所述交界面连续地横向移动的同时使所述激光束连续地振荡，以在所述第一材料件的所述侧表面与所述第二材料件的所述顶表面之间形成填角接头。

14.一种用于汽车的部件，所述部件包括根据权利要求1所述的方法连结的所述两个材料件。

15.一种激光焊接装置，所述激光焊接装置包括用于根据权利要求1所述的方法连结所述两个材料件的所述激光束。