CN112689549A

CN112689549A - 一种制备焊接用铝金属件的方法

Info

Publication number: CN112689549A
Application number: CN201980059960.6A
Authority: CN
Inventors: 小迈克尔·特伦科; 山姆·A.·卡苏梅
Original assignee: Grupa Blanking Co ltd
Current assignee: TWB LLC
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-04-20
Also published as: WO2020061056A1; US20220048141A1; DE112019004630T5

Abstract

一种制备用于焊接的铝金属件的方法，以及由所制备的铝金属件形成的焊接的钣金组件。在一个实施方式中，激光的扫描束被引导到钣金件的边缘部分，使得扫描束的一部分被配置成冲击边缘部分处的氧化物层。在边缘部分处使激光以一系列烧蚀脉冲进行脉动，这些烧蚀脉冲产生烧蚀羽流，该烧蚀羽流包括来自边缘部分的主表面和外周表面的氧化物层的烧蚀材料。对烧蚀羽流进行分析，烧蚀和分析持续进行，直至达到或超过烧蚀羽流或分析羽流中至少一种成分的阈值。基于对烧蚀羽流或分析羽流的分析来调整激光的一个或多个操作参数。在一些实施方式中，同时制备两个铝金属件。

Description

一种制备焊接用铝金属件的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月17日提交的美国临时申请序列号62/732,223的权益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及焊接金属件，并且更具体地，涉及制备用于焊接的铝基钣金件。

背景技术

汽车工业中正在推动使用重量更轻的材料以达到燃料经济性的目的。铝基材料可以是较重的钢材料的理想替代物。然而，当铝暴露于环境中时，在铝基材料上自然形成氧化物层。特别是在摩擦搅拌焊接过程中，氧化物层可能不期望地影响铝基钣金中的焊接接头。希望使焊接接头的氧化物污染最小化。

发明内容

根据一个实施方式，提供一种制备用于焊接的铝金属件的方法，铝金属件具有氧化物层，该方法包含以下步骤：将激光光束引导到铝金属件的边缘部分，使得光束的一部分配置成冲击边缘部分处的氧化物层，其中边缘部分包括铝金属件的主表面的至少一部分、铝金属件的副表面的至少一部分、以及铝金属件的外周表面的至少一部分，外周表面位于主表面与副表面之间；在边缘部分处以一系列清洁脉冲使激光脉动，其中清洁脉冲产生清洁羽流，清洁羽流包括来自位于主表面处的氧化物层的烧蚀材料以及来自位于外周表面处的氧化物层的烧蚀材料；针对一系列清洁脉冲分析清洁羽流或分析由边缘部分处的一系列分析脉冲产生的分析羽流；继续清洁和分析步骤，直至达到或超过清洁羽流或分析羽流中铝的最大阈值；以及基于清洁羽流或分析羽流的分析来关联激光沿着边缘部分的移动。

该方法可以进一步如技术上可行的单独地或组合地包括以下步骤或特征中的一个或多个：

·光束是扫描束，并且激光的扫描束包含2-D扫描或3-D扫描，2-D扫描或3-D扫描在光束上具有朝着中心轴线更高的非均匀功率分布；

·激光的扫描束包含2-D扫描，2-D扫描具有在200mm×200mm与400mm×400mm之间的覆盖面积，包括端值在内；

·激光的扫描束包含3-D扫描，3-D扫描具有在200mm×200mm×50mm和400mm×400mm×150mm之间的覆盖体积，包括端值在内；

·至少一种成分的阈值与氧的最小阈值相比是铝的最大阈值；

·铝的最大阈值是每脉冲500个计数并且氧的最小阈值是每脉冲500个计数，并且清洁和分析步骤持续到铝大于每脉冲500个计数并且氧小于每脉冲500个计数；

·至少一种成分的阈值包括镁、铜、锰锡、硅和/或锌的阈值，并且其中镁、铜、锰锡、硅和/或锌作为一种或多种合金元素包括在基础材料层中；

·一个或多个操作参数包括激光的功率水平、脉冲持续时间、波长、脉冲频率、位置和/或速度；

·氧化物层进一步包括其他表面污染物，并且其中其他表面污染物包括有机物、碳氢化合物、污垢和/或油；

·基础金属层具有一个厚度，并且边缘部分在清洁和分析步骤之后具有一个厚度，并且其中边缘部分在清洁和分析步骤之后的厚度与基础金属层的厚度之间的差值在0.001-5％内，包括端值在内；

·清洁和分析步骤导致在边缘部分处的氧化物层的完全去除，以形成基础金属层的暴露的次表面；

·使用激光的扫描束在第二铝金属件的边缘部分上制备用于焊接的第二铝金属件，其中第一铝金属件的制备和第二铝金属件的制备同时发生；

·在沿着边缘区域的焊接接头处将铝金属件焊接到第二铝金属件上以形成焊接的钣金组件；

·形成焊接的钣金组件以产生成形部分，其中成形部分包括至少一部分焊接接头；

·成形部分没有接合线残余；

·清洁的氧化物层的量与铝金属件在放电纹理化部分处的平均表面粗糙度相关；

·分析和清洁步骤仅部分地去除氧化物层；和/或

·清洁发生在主表面、副表面、以及外周表面处。

根据另一个实施方式，提供了一种制备用于焊接的第一铝钣金件和第二铝钣金件的方法，第一铝钣金件和第二铝钣金件各自具有氧化物层，该方法包含以下步骤：对准第一铝钣金件和第二铝钣金件，使得第一铝钣金件的边缘部分面向第二铝钣金件的边缘部分；在第一铝钣金件和第二铝钣金件的边缘部分处引导去除设备，使得去除设备的第一部分被配置成冲击第一铝钣金件的边缘部分处的氧化物层，并且去除设备的第二部分被配置成冲击第二铝钣金件的边缘部分处的氧化物层；以及去除第一铝钣金件的边缘部分处的氧化物层，同时去除第二铝钣金件的边缘部分处的氧化物层，直到从第一铝钣金件的边缘部分去除氧化物层并且从第二铝钣金件的边缘部分去除氧化物层。

·去除设备是基于机械的、基于电晕的、基于等离子体的、基于激光的、或基于化学的；

·去除步骤包括第一铝钣金件的氧化物层的部分去除和第二铝钣金件的氧化物层的部分去除；

·去除步骤与焊接第一铝钣金件和第二铝钣金件的焊接步骤一起进行；

·去除步骤包括氧化物层的完全去除，以在第一铝钣金件的基础金属层上形成暴露的次表面，以及氧化物层的完全去除，以在第二铝钣金件的基础金属层上形成暴露的次表面；

·去除步骤与焊接第一铝钣金件和第二铝钣金件的焊接步骤一起进行；和/或·去除步骤包含去除第一铝钣金件处的主表面和外周表面处的氧化物层，同时去除第二钣金件处的主表面和外周表面处的氧化物层。

根据另一实施方式，提供一种焊接第一铝钣金件和第二铝钣金件的方法，第一铝钣金件和第二铝钣金件各自具有氧化物层、主表面、副表面和在主表面和副表面之间的外周表面，方法包含以下步骤：在第一铝钣金件的边缘部分处引导去除设备，去除设备配置成冲击边缘部分处的氧化物层；使用去除设备从第一铝钣金件的边缘部分处的主表面和外周表面去除氧化物层；使用去除设备从第一铝钣金件的边缘部分处的副表面去除氧化物层；使用去除设备从第二铝钣金件的主表面的焊接部分去除氧化物层；以及将第一铝钣金件的边缘部分焊接至第二铝钣金件的焊接部分。

附图说明

图1是显示在铝钣金件中的与氧化物相关的焊接缺陷的图像；

图2示意性地示出了根据一个实施方式的已制备的铝钣金件；

图3是图2的制备好的钣金件的截面图；

图4是焊接到另一个制备好的钣金件上的图2的制备好的钣金件的截面图；

图5示出了可以与所制备的钣金件一起使用的另一种焊接配置；

图6示出了可以与所制备的钣金件一起使用的又另一种焊接配置；

图7示意性示出了根据一个实施方式的激光清洁氧化物层的方法；

图8示意性示出了根据另一实施方式的激光清洁氧化物层的方法；

图9是在氧化物层被完全清洁之前的示例性分析谱；

图10是氧化物清洁过程中的示例性分析谱；

图11是图4的焊接钣金组件在经受成形工艺之后的截面图；以及

图12是另一焊接钣金组件的截面图。

具体实施方式

本文所述的方法涉及有效且有策略地从铝钣金件去除氧化物。铝及其合金越来越多地用于汽车应用中，诸如汽车车身面板、汽车封闭件、汽车电动和混合动力车身部件、电动车辆蓄电和配电部件以及其他结构部件。铝基钣金件经常被焊接(例如，被焊接到有时具有不同的铝等级的另一铝基钣金件)。焊接铝基材料可能是困难的，通常采用摩擦搅拌焊接等方法。在焊接之前和焊接期间，发生氧化物层的自然形成，这可导致氧化物渗入焊接接头。这会导致与氧化物相关的焊接缺陷，如图1所示。

在图1中，钣金件10包括铝或铝基合金的基础金属层12，其包括薄氧化铝层14。在该实施方式中，由于焊接接头的氧化物污染而形成了与氧化物相关的焊接缺陷，例如接合线残余物16。接合线残余物可能是由于氧化物从铝基础金属层12的不充分去除，或由焊接工具对氧化物的不充分破坏和分散造成的。其他缺陷可包括空隙、不充分分散的氧化物或根部缺陷，这是列举的几个实例。在焊接之前有目标和有效地去除氧化物可以帮助减少这些缺陷的形成。此外，根据本文所述的方法使氧化物层最小化可以更精确地靶向氧化物层，同时有助于保持基础金属层的结构完整性并保护基础金属层的次表面。

图2示出了根据一个实施方式制备的铝或铝合金的钣金件20，其将沿着边缘部分22焊接到相邻件上。在此使用的“铝钣金件”和/或“铝金属件”指的是由铝或铝合金(例如，引用几个示例：铝：2xxx、5xxx、6xxx、或7xxx)制成的金属件。铝钣金件20包括主表面24、副表面26、以及在主表面24与副表面26之间的外周表面28。边缘部分22沿着待焊接的焊接边缘30定位。焊接边缘30可以如图所示是直的，或者它可以具有另一种形状，诸如曲线形状。边缘部分22的尺寸可取决于实现方式而变化。例如，如果需要搭接焊接，则边缘部分22的长度L_EP将可能大于如果使用对接焊接情况时的长度。长度L_EP通常远小于钣金件的长度(L_SMP)。在一些实施方式中，铝金属件20中的铝晶粒取向被取向为可能有助于限制氧化物生长(例如，通过使用特定的切割或成形方法，沿暴露表面24、26和/或28优化晶粒表面区域暴露)。

图3是图2的铝钣金件20的示意性截面图。所示的钣金件20包括基础金属层32和氧化物层34。基础金属层32构成钣金件20(T_SMP)的厚度的大部分并且因此对钣金件的机械特性有显著贡献。如图所示，基础金属层32的厚度(T_BML)是总厚度T_SMP的大百分比。此外，可以使用这里的方法使边缘部分22处的厚度(T_EP)与基础金属层32的厚度(T_BML)之间的差异最小化。在一个实施例中，T_BML和T_EP之间的差为约0.001-5％(即，T_EP在T_BML的0.001-5％内)。在另一个实施例中，T_BML和T_EP之间的差为约0.001-2.5％。保持T_BML和T_EP之间的这种小的差有助于促进最终焊接和形成的部件的结构完整性，并保护基础金属层32的次表面。另外，厚度T_SMP比主表面24和副表面26的总面积小。这导致外周侧(在图中示出了四个外周侧38-44，然而其他数量或形状当然也是可能的)的面积比主平面表面24或副平面表面26的面积小五倍或更多的因数。

氧化物层34覆盖基础金属层32，然后从边缘部分22被选择性地清洁。氧化物层34示意性地示出为大致平坦的，然而，氧化物层34的表面是不规则的并且取决于在沿着铝钣金件20的表面24、26和38-44的不同区域处的相应氧化物生长。氧化物层34可包括氧化铝(Al₂O₃)、油和/或其他成分。氧化物层34可以是自然形成的，或者可以有目的地在钣金件20上形成。例如，可以形成氧化铝、氧化铬和/或二氧化硅(例如，沉积氧化物层，或对钣金进行阳极氧化处理，或施加预处理，或施加氧化铝稳定剂)以帮助提高磨损和/或耐腐蚀性。烧蚀工艺还可以用于去除可以被认为是氧化物层34的一部分的其他表面污染物，诸如有机物、碳氢化合物、污垢和/或油。

基础金属层32为铝钣金件。用于形成例如图2和图3所示的汽车和其他工业中的车身和结构部件的金属件的一个具体示例是铝钣金件20，该铝钣金件包含2xxx、5xxx、6xxx、7xxx或其他操作等级的铝。在一些实施方式中，基础金属层32是铸铝金属件。此外，可以具有焊接组件，该焊接组件包含两个铝金属件，每个铝金属件具有不同的材料组成。例如，可以将5xxx级铝钣金件焊接到6xxx级钣金件上。

对于基础金属层而言，示例层厚度32在从约0.5mm至约5.0mm的范围内，并且对于氧化物层34而言，示例层厚度在从约10nm至约100μm的范围内。基础金属层32的优选材料层厚度在约0.5mm至约2.0mm的范围内。氧化物层34的厚度是高度可变的，因为当暴露于空气中时层会生长，但是当层变得更厚时，生长通常指数地减慢。氧化物层34的生长、厚度和分布取决于许多变量，诸如基础金属层32的材料、储存和处理。当然，以上提供的示例性范围是非限制性的，因为单个层厚度取决于具体应用和/或所采用的材料类型的若干因素。本领域技术人员还将理解，附图不必按比例绘制，并且层32、34的相对厚度可以不同于附图中所示和上述的那些。

图4示出了钣金件20，其在焊接接头50处对接焊接到类似的钣金件20’上。氧化物从氧化物层34的去除可以形成基础金属层32的暴露的次表面52。在去除工艺的一些实施方式之后，暴露的次表面52至少暂时没有来自氧化物层34的氧化物。虽然氧化物层34将快速开始重新形成，但根据本文中的方法清洁氧化物层34的全部或部分可帮助策略地最小化最终产品中与氧化物污染相关的缺陷。在一些实施方式中，结合清洁和烧蚀工艺进行后续的或同期的焊接工艺，使得在氧化物层34的生长阶段期间进行焊接步骤(例如，在氧化物层34的指数生长之前，渐近地接近稳定的厚度)。此外，如下详述，暴露的次表面52非常靠近与氧化物层34交界的基础金属层32的实际表面54。使暴露的次表面52和实际表面54之间的差异最小化可以帮助维持焊接钣金组件100的结构完整性。通过使暴露的次表面52和/或实际表面54之间的差异最小化(例如，通过使T_BML和T_EP之间的厚度差异最小化)来保持结构完整性与从边缘部分22、22’清洁氧化物的需求相平衡以帮助防止氧化物相关的缺陷。在多个实现方式中，形成暴露的次表面52是有利的；然而，在一些实施方式中，烧蚀和去除可以仅仅是部分的(例如，大约5-99％的氧化物层34被去除，或者更优选地，50-99％)。

图5和6示出了可选的焊接配置。图5示出了具有搭接焊接形式的焊接接头50’的焊接钣金组件100’。在该实施方式中，可以与图2和图3的实施方式类似地制备表面。图6示出了焊接的钣金组件100”，其具有角焊接接头50”和t焊接接头51”形式的两个或更多个焊接接头。焊接组件100”可以具有两个接头50”，51”或仅具有接头50”、51”中的一个或另一个。图6的实施方式还示出了在表面已经被清洁和焊接之后的重新形成的氧化物层。此外，在该实施方式中，顶部钣金件可以与图2和3的实施方式类似地制备，但是底部件可以仅具有沿着件的中部的单个清洁表面。其他焊接接头当然也是可能的，例如基于凹口的接头，如在转让给本申请人的美国申请序列No.16/320,370中描述的，该申请于2019年1月24日提交，并且通过引用整体并入本文。

图7和8示出了可用于在保持边缘部分22处的结构完整性的同时实现从氧化物层34去除氧化物之间的平衡的方法的各种实施方式。考虑到氧化物层34的不均匀性，清洁工艺的策略控制可以帮助更好地保护下面的铝金属件20的结构完整性。另外，氧化物层34具有较高的熔融温度并且比基础金属层32硬。考虑到这些特性，在此描述的方法的闭环监测方面可以帮助更精确地控制热传导，以便防止对基础金属层32的不利影响。在这点上，当制备诸如铝6xxx系列的回火金属时，本方法可以是特别有利的。闭环自动化允许该方法的可扩展性，并提供对诸如汽车工业的高容量制造环境的适用性。此外，消除或显著降低在本文所述的清洁方法之后形成的焊接接头中的缺陷产生的可能性可获得焊接钣金件20，该钣金件可更好地承受随后的成形过程，诸如深拉。因此，该方法的某些实施方式可以具有与手动清洁方法相当或更好但具有更少的时间和成本的机械强度。此外，与手动和化学清洁方法相比，所描述的清洁方法的一些实施方式可以更环保且更安全。

应当注意，虽然在同时制备两个铝钣金件20、20’的上下文中描述了该方法，但是在一些实施方式中，一次可以仅制备一个钣金件。在其他实施方式中，可以一次制备多于两个的钣金件。如上所述，与一次制备一个金属件的方法相比，一次制备两个金属件可以提高制造效率。除了图7和8中具体示出的之外，还可以包括其他处理步骤。例如，在清洁之前，铝金属件可在边缘部分22(或跨越整个主表面和副表面24、26)处经受放电纹理化，且然后经清洁的氧化物层的量可与铝金属件的平均表面粗糙度相关联。

根据一个实施方式，该方法涉及将去除设备60导向铝钣金件20的边缘部分22。如图7和图8所示，可以将第一钣金件20和第二钣金件20’对准，使得第一钣金件20的边缘部分22面向第二钣金件20的边缘部分22’。然而，在其他实施方式中，可以仅存在一个钣金件。去除设备60有利地使用激光传输单元64的扫描束62，但是在其他实现方式中，去除设备可以是基于机械的磨削或刮削工具。在另一实施方式中，去除设备可以是基于等离子体的、基于电晕的或基于化学的。激光传输单元64可包括光束发生器和光学透镜，以在预期的配置中(例如，通过调整聚焦高度)传输激光束。在该实施方式中的去除设备60包括扫描控制器66，该扫描控制器还可以包括电子处理器68和存储器70。在所示实现方式中的去除设备60还包括光束生成单元，该光束生成单元未示出并且可以被远程定位，引用一个示例，激光束通过激光纤维被递送到扫描控制器66。扫描控制器66可以在清洁过程中调整扫描束62的尺寸和各种其他特性。例如，扫描控制器66可以在X-Y-Z坐标平面内控制射束62的形状。3-D扫描仪的一个优点是钣金件20、20’的水平和垂直表面都可以一次处理(例如，主表面24、24’和外周侧38-42中的一个或多个)。在其他实施方式中，可以使用2-D扫描。在一个实施方式中，2-D扫描的覆盖面积为约300×300mm，或者在200×200mm和400×400mm之间的任意面积，而3-D扫描的体积为约300×300×100mm，或者在约200×200×50mm和400×400×150mm之间的任意体积。给定钣金件20、20’之间的间隔或间隙以及边缘部分22、22’的期望尺寸，这些光束尺寸可以提供更好的烧蚀或清洁结果。此外，光束的尺寸和/或形状可以不同于这些具体示例，并且在一些实施方式中，用扫描束62完成的清洁可以结合焊接或接合工艺来完成，以制造例如焊接组件100。在一个具体实施方式中，清洁可以与摩擦搅拌焊接工艺或一些其他熔合或固态焊接工艺结合或同时进行。控制器66还可以用于调整光束62的各种其他操作参数，诸如功率、脉冲持续时间、波长、脉冲频率和激光64的位置(例如，经由图7的台架72或图8的机器人74的线速度)。在一个有利的实施方式中，激光64是超快脉冲激光(例如，以纳秒、皮秒或飞秒脉冲范围内的超快脉冲激光)，然而其他激光类型或去除设备类型当然也是可能的。

去除设备60对准第一铝钣金件和第二铝钣金件20、20’，使得光束62的第一部分76配置成冲击第一钣金件20的边缘部分22处的氧化物层34。光束62的第二部分76’配置成在第二钣金件20’的边缘部分22’处冲击氧化物层34’。去除设备60的第一部分76和第二部分76’沿着轴线A对称。如果光束62上的功率分布不是完全均匀的(例如，朝向轴线或中心轴线A的功率较高的高斯型分布)，则可能期望功率分布是对称的。功率分布的这种对称性导致对称的第一部分76和第二部分76’，这又可以导致在同时处理期间对第一钣金件20和第二钣金件20’的更均匀的处理。在一些实施方式中，在制备主表面24的同时，在第一激光的另一侧上或从第一激光的下侧同时使用第二激光或去除设备来清洁副表面26。

去除设备60相对于铝钣金件20、20’的移动可以通过图7的台架72或图8的机器人74来实现。在所示出实施方式中，钣金件20、20’是静止的，而去除设备60是移动的。夹具台78可以使用机械力、磁力、或真空力保持这些钣金件20、20’。真空夹具80优于磁体，因为它可以保持有色金属。另外，真空夹具80可优于机械夹具，因为它可以为去除设备60提供更宽、更开放的区域以进行清洁，并且允许更容易地修改夹具台78以便适应不同的产品尺寸和形状。在另一个实施方式中，在去除设备保持静止的同时使用移动台或夹具(例如，促进钣金件20、22’的线性或旋转移动)。

在去除处理期间，扫描束62被配置为在边缘部分22、22’处冲击氧化物层34、34’。如下面将进一步详述的，可以在在线分析期间调节各种操作参数以在氧化物层34、34’被清洁的同时提供更好的结果，同时有助于保持基础金属层32、32’的结构完整性。在某些实施方式中，氧化物层34、34’被完全去除，以在基础金属层32、32’上形成暴露的次表面52、52’。该次表面52、52’可仅短暂或瞬间暴露，因为氧化物层34、34’可以快速重新形成，但清洁工艺通常有助于使与氧化物污染相关的缺陷最小化。因此，件20、20’可以在清洁过程之后很快被焊接以帮助最小化这些缺陷。该氧化物层34、34’优选地在该清洁过程中被蒸发并且通过分离***82被输送离开钣金件20、20’。分离***82可以是清洁烟雾和烧蚀颗粒的处理环境的真空或其他去除或输送装置。因此，分离***82从边缘区域22、22’附近的区域去除清洁或烧蚀的氧化物。

在有利的实施方式中，在边缘部分22、22’处以一系列清洁脉冲对激光束62施加脉冲。这些清洁脉冲产生清洁羽流84、84’，该清洁羽流然后可以被分析并且用于调整去除设备60的一个或多个操作参数。在一些实施例中，可以使用单独的激光来产生分析烟流，该分析烟流由在边缘部分22、22’处的一系列分析脉冲来产生。在所示出的实施方式中，使用相同的激光或去除设备60来进行清洁和分析。清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’是使用基于视觉、激光或等离子体的检查***来分析的。在有利的实施方式中，使用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’，其中来自激光束62的一个或多个脉冲清洁或烧蚀氧化物层34、34’并且还从烧蚀的颗粒产生原子发射。一个或多个LIBS光谱可提供清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’中的浓度量(例如，重量％)，其然后可用于调节操作参数。浓度量可以产生于强度对波长的一个或多个光谱。分析可以使用扫描控制器66或另一个可操作装置来完成。图9是示出一般未清洁的氧化物层34的示例分析谱，且图10是示出清洁的氧化物层34的示例分析谱。在环境中存在氧气的情况下，可以更容易地进行基于铝的量的分析，因为与氧化物层34的烧蚀或清洁相比，当烧蚀基础金属层32时，铝浓度将更高。因此，图10中的实施例展示强Al线和较弱氧(844)线110，其可指示经清洁的次表面52、52’(例如其中铝的最大阈值为每脉冲500个计数，且氧的最小阈值为每脉冲500个计数，并且进行烧蚀和分析步骤，直至铝大于500次/脉冲，且氧小于500次/脉冲)。在另一个实施方式中，在分析步骤中使用能量色散光谱(EDS)。

在一个实施例中，分析步骤继续，直到满足或超过清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’中的至少一种组成的阈值。在一个特定实施方式中，分析步骤继续，直到满足或超过清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’中铝的最小阈值。此时，可以调整一个或多个操作参数，诸如沿着边缘部分22、22’来移动激光束62。最小阈值可以是取决于基础金属层32的组成的可校准的阈值(例如，合金中更高的铝浓度将导致更低的最小阈值，因为给定更高的浓度，铝更可能更快掺入。)该阈值还可以取决于激光的参数和/或边缘部分22、22’处的暴露次表面52、52’的所希望的形式。例如，很可能最接近边缘部分22、22’的内侧部分(例如，最接近扫描束62的外部成角度边缘的内侧部分)的氧化物层34、34’的最小量将被烧蚀，同时其被完全去除以瞬时暴露最接近边缘30、30’的基础金属层32、32’。在其他实施方式中，分析可集中在基础金属层32、32’中的合金元素的量，诸如镁、铜、锰、锡、硅或锌，这里仅列举几个示例。该分析可以集中于清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’中的成分的组合。例如，可以继续分析，直到满足铝的最小阈值，同时满足氧的最大阈值。这些阈值可以基于激光操作参数、操作环境的质量以及各层32、34的组成来调整。

基于对清洁羽流84、84’和/或分析羽流86、86’的分析，可以调整去除设备60的一个或多个操作参数。在一个实施方式中，操作参数包括激光64的功率、脉冲持续时间、波长，脉冲频率和位置或速度。在一个实施方式中，功率范围在大约10-5000W的范围内，其中一个示例性基线或平均值为800W。在一个实施方式中，脉冲持续时间在大约1-100纳秒的范围内，其中一个示例性基线或平均值为25纳秒。如果脉冲持续时间在皮秒范围、飞秒范围或一些其他可操作的持续时间内，则可相应地进行调节。在一个实施方式中，波长在大约850-1200nm的范围内，其中一个示例性基线或平均值是1030nm。在一个实施方式中，脉冲频率在大约5-100kHz的范围内，其中一个示例性基线或平均值为30kHz。在一个实施方式中，台架72或机器人74的线速度在大约1-25m/min的范围内，其中一个示例性基线或平均值为6m/min。

来自分析的反馈可用于调节去除设备60的操作参数。例如，可以监测铝量并且激光64的速度或位置可以取决于是否存在或超过最小铝量阈值。在达到铝的阈值量之前，激光可以保持特定位置或者可以成比例地减慢台架72或机器人74的速度。在另一个示例中，可以根据一种或多种成分的存在或不存在成比例地增加功率。在又一个示例中，可以调节波长。例如，铝和氧化铝的烧蚀在特定波长下可能更有效，而铝的烧蚀在另一波长下可能不太有效。随着氧化铝量的减少，可将激光的波长调节至在烧蚀铝时效率较低的波长，以保持基础金属层32、32’的结构完整性。在另一个示例中，可以调节脉冲持续时间或脉冲频率。例如，可以随着铝浓度的增加成比例地减小脉冲持续时间或脉冲频率。其他示例调整当然是可能的。使用本文描述的反馈分析调节操作参数可以更精确地从氧化物层34、34’清洁氧化物并形成基础金属层32、32’的暴露的次表面52、52’。

在制备钣金件20、20’之后，可以将它们焊接在边缘部分22、22’处，如图4-6所示。在一些实施方式中，使用单件或小的批量流，其中摩擦搅拌焊接工艺在清洁之后接合件20、20’。清洁方法和焊接之间的时间可以是数秒或数分钟，因为在该时间范围内，氧化物层34、34’的生长将最小。在氧化物层34、34’中的氧化物被去除的情况下，在焊接过程期间可以防止与氧化物污染相关的缺陷或者使与氧化物污染相关的缺陷最小化，并且焊接组件可以在随后的成形过程(例如冲压或拉伸)期间保持其结构完整性。此外，由于更多的基础金属层32、32’在边缘部分22、22处可用，所以焊接可以更牢固。

图11和12示意性地示出了示例性焊接钣金组件100，该示例性焊接钣金组件100包括通过诸如热冲压、冷冲压、拉伸等成形工艺形成的成形部分102。焊接的钣金组件100可以是汽车车身面板、汽车封闭件、汽车电动和混合动力车身部件、或电动车辆蓄电和配电部件，这是列举的几个示例。成形部分102可沿着焊接接头50形成，诸如图11所示的弯曲部，然而在其他实施方式中，形成部分可能仅与焊接接头50的一部分相交。在图12中，焊接组件100仅由包括焊接在一起的两个边缘部分22、22’的单件20制成。焊接组件100可以是电池盒，或一些其他结构，这些结构期望由在根据本文描述的方法进行清洁的两个边缘部分22、22’处焊接在一起的一件形成。焊接组件100可以更多地为管状，这在诸如汽车横梁的应用中是期望的。由于在此描述的制备和去除方法，清洁部分104，并且在一些实施方式中，成形部分102，也没有由焊接接头中的不连续性引起的残余应力，诸如传播到基础金属层32、32’中的接头线残余。同样在一些实施方式中，部分104可对应于已通过放电纹理化而纹理化的区域。

应当理解，前面的描述不是对本发明的定义，而是对本发明的一个或多个示例性说明的描述。本发明不限于在此公开的特定示例，而是仅由所附权利要求来限定。此外，除了在上面明确定义了术语或短语的情况下，包含在前述描述中的陈述涉及特定的示例性说明，并且不应被解释为对本发明的范围或权利要求中使用的术语的定义的限制。本领域的技术人员将清楚对所公开的实施方式的各种其他示例和各种改变和修改。所有这样的其他实施方式，改变和修改旨在落入所附权利要求的范围内。

如在本实用新型中所使用的，各种术语“举例而言”、“例如”、“比如”、“诸如”和“...等”以及动词“包含”、“具有”、“包括”以及它们的其他动词形式与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时，应解释为开放的，这意味着该列表不应视为排除其他或额外部件或项目。除非在需要不同解释的上下文中使用其他术语，否则应使用其最广泛的合理含义来解释其他术语。

Claims

1.一种制备用于焊接的铝金属件的方法，所述铝金属件具有氧化物层，所述方法包含以下步骤：

将激光光束引导到所述铝金属件的边缘部分，使得所述光束的一部分配置成冲击所述边缘部分处的氧化物层，其中所述边缘部分包括所述铝金属件的主表面的至少一部分、所述铝金属件的副表面的至少一部分、以及所述铝金属件的外周表面的至少一部分，所述外周表面位于所述主表面与所述副表面之间；

在所述边缘部分处以一系列清洁脉冲使所述激光脉动，其中所述清洁脉冲产生清洁羽流，所述清洁羽流包括来自位于所述主表面处的氧化物层的烧蚀材料以及来自位于所述外周表面处的氧化物层的烧蚀材料；

针对所述一系列清洁脉冲分析所述清洁羽流或分析由所述边缘部分处的一系列分析脉冲产生的分析羽流；

持续进行上述清洁和分析步骤，直至达到或超过所述清洁羽流或所述分析羽流中铝的最大阈值；以及

基于所述清洁羽流或所述分析羽流的分析来关联所述激光沿着所述边缘部分的移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光束是扫描束，并且所述激光的所述扫描束包含2-D扫描或3-D扫描，所述2-D扫描或3-D扫描在所述光束上具有朝着中心轴线更高的非均匀功率分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光的所述扫描束包含2-D扫描，所述2-D扫描具有在200mm×200mm与400mm×400mm之间的覆盖面积，包括端值在内。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光的所述扫描束包含3-D扫描，所述3-D扫描具有在200mm×200mm×50mm和400mm×400mm×150mm之间的覆盖体积，包括端值在内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中至少一种成分的阈值是与氧的最小阈值相比的铝的最大阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述铝的最大阈值是每脉冲500个计数并且所述氧的最小阈值是每脉冲500个计数，并且所述清洁和分析步骤持续进行，直到所述铝大于每脉冲500个计数并且所述氧小于每脉冲500个计数。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种成分的阈值包括镁、铜、锰锡、硅和/或锌的阈值，并且其中镁、铜、锰锡、硅和/或锌作为一种或多种合金元素包括在基础材料层中。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个操作参数包括所述激光的功率水平、脉冲持续时间、波长、脉冲频率、位置和/或速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化物层进一步包括其他表面污染物，并且其中所述其他表面污染物包括有机物、碳氢化合物、污垢和/或油。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础金属层具有一个厚度，并且所述边缘部分在所述清洁和分析步骤之后具有一个厚度，并且其中所述边缘部分在所述清洁和分析步骤之后的厚度与所述基础金属层的厚度之间的差值在0.001-5％内，包括端值在内。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述清洁和分析步骤导致在所述边缘部分处的所述氧化物层的完全去除以形成所述基础金属层的暴露的次表面。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包含使用所述激光的所述扫描束在所述第二铝金属件的边缘部分上制备用于焊接的第二铝金属件的步骤，其中所述第一铝金属件的制备和所述第二铝金属件的制备同时发生。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在沿着边缘区域的焊接接头处将所述铝金属件焊接到第二铝金属件上以形成焊接的钣金组件的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包含形成所述焊接的钣金组件以产生成形部分的步骤，其中所述成形部分包括所述焊接接头的至少一部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述成形部分没有接合线残余物。

16.根据权利要求1所述的方法，其中清洁的氧化物层的量与所述铝金属件在放电纹理化部分处的平均表面粗糙度相关。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析和清洁步骤仅部分地去除所述氧化物层。

18.根据权利要求1所述的方法，其中清洁发生在所述主表面、所述副表面、以及所述外周表面处。

19.一种制备用于焊接的第一铝钣金件和第二铝钣金件的方法，所述第一和第二钣金件各自具有氧化物层，所述方法包含以下步骤：

对准所述第一铝钣金件和所述第二铝钣金件，使得所述第一铝钣金件的边缘部分面向所述第二铝钣金件的边缘部分；

在所述第一铝钣金件和第二铝钣金件的边缘部分处引导去除设备，使得所述去除设备的第一部分被配置成冲击所述第一铝钣金件的边缘部分处的氧化物层，并且所述去除设备的第二部分被配置成冲击所述第二铝钣金件的边缘部分处的氧化物层；以及

去除所述第一铝钣金件的所述边缘部分处的所述氧化物层，同时去除所述第二铝钣金件的边缘部分处的氧化物层，直到从所述第一铝钣金件的边缘部分去除氧化物层并且从所述第二铝钣金件的边缘部分去除氧化物层。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述去除设备是基于机械的、基于电晕的、基于等离子体的、基于激光的、或基于化学的。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述去除步骤包括所述第一铝钣金件的氧化物层的部分去除和所述第二铝钣金件的氧化物层的部分去除。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述去除步骤与焊接所述第一铝钣金件和第二铝钣金件的焊接步骤一起进行。

23.根据权利要求19所述的方法，其中所述去除步骤包括所述氧化物层的完全去除以在所述第一铝钣金件的基础金属层上形成暴露的次表面，以及所述氧化物层的完全去除以在所述第二铝钣金件的基础金属层上形成暴露的次表面。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述去除步骤与焊接所述第一铝钣金件和第二铝钣金件的焊接步骤一起进行。

25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述去除步骤包含去除所述第一铝钣金件处的主表面和外周表面处的氧化物层，同时去除所述第二钣金件处的主表面和外周表面处的氧化物层。

26.一种焊接第一铝钣金件和第二铝钣金件的方法，所述第一铝钣金件和第二铝钣金件各自具有氧化物层、主表面、副表面以及在所述主表面与副表面之间的外周表面，所述方法包含以下步骤：

在所述第一铝钣金件的边缘部分处引导去除设备，所述去除设备配置成冲击所述边缘部分处的氧化物层；

使用所述去除设备从所述第一铝钣金件的边缘部分处的主表面和外周表面去除所述氧化物层；

使用所述去除设备从所述第一铝钣金件的边缘部分处的副表面去除所述氧化物层；

使用所述去除设备从所述第二铝钣金件的主表面的焊接部分去除所述氧化物层；以及

将所述第一铝钣金件的边缘部分焊接至所述第二铝钣金件的焊接部分。