CN115210029A - 用于激光焊接两个带涂层工件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光焊接两个带涂层工件(101，102)、特别是涂覆有锌的钢板的方法，上部工件(101)和下部工件(102)彼此上下定位，其中，在第一方法步骤中，激光束(104)从上部工件(101)的侧面扫过彼此上下定位的工件(101，102)，并且工件(101，102)在其彼此面对的侧上的涂层(101b，102a)至少部分地沿损耗轨迹(112)蒸发，并且其中，在第二方法步骤中，激光束(105)再次从上部工件(101)的该侧面扫过彼此上下定位的工件(101，102)，并且两个工件(101，102)的材料在损耗轨迹(112)内熔化，从而使工件(101，102)彼此焊接在一起，其特征在于，在第一方法步骤中，上部工件(101)的材料由激光束(104)熔化，在上部工件(101)的熔化材料与上部工件(101)面向下部工件(102)的侧面之间留下上部工件(101)的未熔化材料的接片(114)。本发明提供了一种用于激光焊接彼此上下定位的带涂层工件的方法，通过该方法可以实现高质量的焊缝，并且可以更快速且更容易地执行该方法。

Description

用于激光焊接两个带涂层工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光焊接两个带涂层工件、特别是涂覆有锌的钢板的方法，上部工件和下部工件彼此上下定位，其中，在第一方法步骤中，激光束从上部工件的侧面扫过彼此上下定位的工件，并且这些工件在其彼此面对的侧上的涂层至少部分地沿损耗轨迹(Entreicherungsspur)蒸发，其中，在第二方法步骤中，激光束再次从上部工件的该侧面扫过彼此上下定位的工件，并且两个工件的材料在损耗轨迹内部熔化，从而使这些工件彼此焊接在一起。
背景技术
这种方法例如已由DE 103 09 157 A1披露。
焊接是使两个工件能够彼此永久连接的接合方法。如果应以高焊接速度进行焊接并且焊缝形状窄而细长并且热变形低，则通常使用激光焊接。在激光焊接过程中，能量通过激光束给送。
在许多情况下，要彼此焊接在一起的工件都带涂层，例如以便保护工件免受腐蚀。例如，在汽车领域，以钢板作为基材的车身部件通常涂覆有锌。
然而，在激光焊接带涂层工件时，如果涂层材料的蒸发点很低，以至于其在焊接工件的基材所需的温度下蒸发，则焊缝处往往会出现缺陷(例如孔隙和飞溅)。关键的是在彼此重叠定位(彼此上下抵靠)的工件的接合部处参与焊接过程的涂层材料。熔池中的涂层材料突然蒸发会产生焊接飞溅，并且可能导致焊缝中出现孔洞或气孔(这被称为“熔池效应”)。此外，涂层材料气流可能在高压下从接合部流入到焊接过程的蒸气毛细管中并且压靠蒸气毛细管的后壁，从而使焊接过程的蒸气毛细管膨胀(这被称为“气球效应”)；这同样可能产生飞溅和隧道状的孔隙。
一个用于减少由工件上的涂层引起的缺陷的措施是，在激光焊接过程中，不是将工件彼此上下定位，而是彼此上下间隔开地布置这些工件。然而，这需要在定位工件时进行复杂的准备，并且可能会产生凹痕形式的表面缺陷。
为了在激光焊接尽可能无间隙地彼此上下定位的两块板时减少焊缝中的缺陷，DE103 09 157 A1提出在第一方法步骤中首先使用激光束来加热面向激光束的带涂层板，从而使这些板的在其彼此面对的侧上的涂层蒸发，而这些板均不熔化。在第二方法步骤中，可以在去除了涂层的区域中对这两块板进行焊接。在此，在第一方法步骤和第二方法步骤中使用相同的激光束，其中所使用的功率和聚焦分别相同，但前进速度不同。
在该做法中，可以提高焊缝质量，但这种方法相对较慢。此外，使相同的激光束以不同的前进速度在焊缝上行进多次执行起来是昂贵且复杂的。
在JP 2003 094 184 A、JP 2002 178 178 A、JP 2002 219 590 A、JP 2009 050894 A、WO 2007/060479 A1、WO 03/031 111 A1、JP 2002 160 083 A和JP H04 231 190 A中也已经披露了用于激光焊接带涂层工件的各种方法。
DE 10 2010 003 750 A1披露了通过多包层光纤改变激光束的射束曲线特征。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于激光焊接彼此上下定位的带涂层工件的方法，通过该方法可以实现高质量的焊缝，并且可以更快速且更容易地执行该方法。
所述目的根据本发明通过引言中所述类型的方法来实现，该方法的特征在于：
在第一方法步骤中，上部工件的材料由激光束熔化，在上部工件的熔化材料与该上部工件面向下部工件的侧面之间留下上部工件的未熔化材料的接片。
在本发明的框架内设置的是，在第一方法步骤中不仅加热面向激光束的上部工件，而且还在上部工件的深度的一部分上熔化它。由此使得可以比在第一方法步骤的过程中仅加热上部工件而不(甚至仅部分)熔化上部工件时更快地引入至少部分蒸发彼此上下定位的重叠工件的接合部处的涂层所需的热量。相应地，在第一方法步骤中，更高的前进速度是可能的，并且总体上可以更快地执行该方法。
在第一方法步骤期间，仍然存在由工件的基材组成的上部工件的未熔化材料的接片，因此，在第一方法步骤中，激光束的熔池不会在这两个工件的接合部处与涂层材料接触。这避免了在第一方法步骤期间将来自接合部的蒸发涂层材料引入熔池的深度或者将其引入到蒸气毛细管中的情况。相应地，不会出现由涂层材料引起的飞溅形成。
在第一方法步骤中，来自接合部的涂层材料通过激光束的热量在损耗轨迹的宽度上至少部分蒸发，并且优选地几乎完全蒸发。蒸发的涂层材料尤其可以沿着工件的接合部侧向向外逸出。在随后的第二方法步骤中，当焊接过程的激光束或蒸气毛细管也通过损耗轨迹穿透下部工件时，只有少量甚至几乎没有来自接合部的涂层材料进入熔池或蒸气毛细管，因此有效避免了因蒸发涂层材料而产生的飞溅或孔隙。可以实现的最终焊缝质量相应地较高。
在根据本发明的激光焊接方法期间，在第一方法步骤和第二方法步骤这二者期间，这两个工件彼此上下定位，并且在重叠区域中、特别是在工件的表面区域上彼此直接接触。为此，在第一方法步骤和第二方法步骤期间，典型地将这两个工件彼此夹紧或彼此压靠，并且典型地这些工件彼此上下布置，几乎没有间隙。应指出的是，在接合部处蒸发(气态)的涂层材料也可以沿接合部流动，并且特别是可以侧向地流出。特别地，在第一方法步骤和第二方法步骤期间，这两个工件彼此并不保持间隔开。
如果需要，第一方法步骤的激光束(“第一激光束”)和/或第二方法步骤的激光束(“第二激光束”)可以经历射束成形，例如通过多包层光纤和/或衍射光学元件进行射束成形，以便获得激光束的特定几何配置。特别是对于第一激光束，具有纵横比ASP(相对于前进方向横向的最大宽度与前进方向上的最大范围之比)为ASP≥2、或甚至ASP≥4的配置是优选的，特别是可以近似地设置线性形状、矩形形状或椭圆形状。特别是对于第二激光束，通过芯焦点部分和(至少)一个环焦点部分(环焦点部分中的功率密度低于芯焦点部分中的功率密度)进行射束成形的应用已被证明是成功的。
典型地，第一方法步骤和第二方法步骤这两者作为深焊操作来执行(产生蒸气毛细管)。在此，在第一方法步骤中，又可以将热量特别快速地引入到接合部中。在第二方法步骤中，也可以特别快速地将用于熔化目的的热量引入到第二工件的材料中。对于深焊模式中的方法步骤，可以有利地通过芯焦点部分和(至少)一个环焦点部分来配置相应的激光束，以便提高加工速度。环焦点部分和芯焦点部分通常具有圆形截面；然而，如果需要高纵横比，那么也可以设置其他环形几何形状(例如矩形环形几何形状)，特别是针对第一激光束亦如此。
根据本发明的激光焊接方法可以通过将第一方法步骤和第二方法步骤的两个激光束扫过要焊接的工件一次来执行。
这两个带涂层工件典型地为镀锌钢板。然而，也可以使用针对工件的其他材料组合，特别是针对涂层材料的蒸发温度低于工件基材的熔化温度的工件。工件的厚度典型地为0.5mm至2.5mm，通常为0.75mm至1.5mm。工件的涂层的厚度典型地为10μm至200μm。
根据本发明的方法的优选变体
在根据本发明的方法的优选变体中，该第一方法步骤和该第二方法步骤在彼此上下定位的这些工件上的不同位置处同时进行，该第一方法步骤的激光束先于该第二方法步骤的激光束。由此使得该方法可以特别快速地执行。
该变体的进一步发展是有利的，其中第一方法步骤的激光束和第二方法步骤的激光束具有相同的前进速度。这可以特别容易地执行；在此，第一激光束和第二激光束的激光-光学单元可以共同地相对于工件移动。
优选的变体是，在该变体中如果稍后在同一位置处进行第二方法步骤，则在第一方法步骤中熔化的第一工件的材料至少在工件表面上又固化。这使得可以改进对方法顺序的控制和实现更高质量的焊缝。第一方法步骤之后的熔池固化表面确保在第二方法步骤开始之前熔池中的波动持续稳定。相应地，第二方法步骤的设置主要定义了第二方法步骤期间的熔池动力学。
同样优选的变体是，在该变体中如果稍后在同一位置处进行第二方法步骤，则在第一方法步骤中熔化的第一工件的材料再次完全固化。这同样使得可以改进对方法顺序的控制和实现更高质量的焊缝。第一方法步骤之后的完全固化的熔池确保在第二方法步骤开始之前熔池中的波动持续稳定。相应地，基本上仅第二方法步骤的设置定义了第二方法步骤期间的熔池动力学。此外，在第二方法步骤中产生熔池或使该熔池继续发展所消耗的总是“全”熔化焓，从而同样改善对方法顺序的控制。
特别优选的变体是，在该变体中在第一方法步骤中，上部工件的材料被熔化到足够大的程度，使得与上部工件的厚度DW相比，对于上部工件的熔化材料的最大熔化深度AT适用以下：
60％≤AT/DW≤95％，
优选地70％≤AT/DW≤90％。
这些熔化深度允许热量容易进入接合部，以便蒸发在接合部处或损耗轨迹中工件的相对两侧面上的涂层。在常规工件厚度的情况下，作为保护措施，接片的剩余高度足以避免涂层材料在第一方法步骤中进入熔池或蒸气毛细管。
特别优选的变体是，在该变体中对于在各自情况下均相对于前进方向横向测量的且在上部工件的表面上的、第一方法步骤中的激光束的最大宽度B1和第二方法步骤中的激光束的最大宽度B2，适用以下：
B1≥2*B2，
优选地B1≥3*B2，
特别优选地B1≥5*B2。第一方法步骤的相对较宽的激光束使得可以首先产生相应较宽的损耗轨迹，特别是与工件的后期熔合区的宽度相比。此外，第一激光束的大宽度和辐射的激光功率的相应较宽分布降低了在第一方法步骤中熔池穿透到工件的接合部(特别是在工件或接合部处出现不均匀的情况下)的风险。同时，在产生(足够宽的)损耗区时存在高度的可靠性，从而同样可以可靠地防止在第二方法步骤中从接合部引入涂层材料。
还优选的变体的是，该变体提供了对于第一方法步骤中的激光束的平均激光功率P1和第二方法步骤中的激光束的平均激光功率P2，适用以下：
P1≥1.5*P2，
优选地P1≥3*P2。第一激光束的相对较高的激光功率P1使得可以在短时间内将大量能量引入第一工件或接合部中，从而使接合部中的涂层材料可以在短时间内蒸发，并且在第一方法步骤中的相应高前进速度是可能的。应注意，第一激光束的(平均)功率密度典型地大大低于第二激光束的(平均)功率密度，典型地低至1/2或更小，通常低至1/4或更小。
在有利的变体中，对于第一方法步骤中的激光束的焦点位置F1和第二方法步骤中的激光束的焦点位置F2，适用以下：
F1<F2，
优选地F1<F2≤0。为了在该方法中实现辐射的激光功率的良好分布、并且特别是为了在这两个方法步骤中设置蒸气毛细管的形成和深度，这在实践中已证明是成功的。负焦点位置表示焦点位于上部工件的工件表面下方(即位于工件中)。
特别优选的变体是，在该变体中对于在各自情况下均相对于前进方向横向测量的、第一方法步骤之后的这些工件的相对两侧面上的损耗轨迹的宽度BE和第二方法步骤之后的这两个工件的相对两侧面的接合平面中熔化材料的宽度BNK，适用以下：
BE≥2*BNK，
优选地BE≥3*BNK。在该关系中，可以最大限度地减少在第二方法步骤中向熔池中引入涂层材料，并且在出现不均匀性的情况下也可以以高可靠性确保这一点，并且相应地可以实现非常好的焊缝质量。
此外，有利的变体是，在该变体中第一方法步骤的激光束和/或第二方法步骤的激光束是再成形的激光束，并且包括芯焦点部分和至少一个环焦点部分，该芯焦点部分和该环焦点部分彼此同轴，并且该环焦点部分围绕该芯焦点部分。无论是在第一方法步骤中，还是主要在第二方法步骤中(特别是在深焊模式下)，这种射束成形已被证明为成功用于避免焊缝缺陷。这种射束成形使得可以实现熔池动力学的稳定，这与根据本发明避免将涂层材料从接合部引入熔池一起确保焊缝的特别高质量，并且同时允许快速方法顺序(特别是在两个方法步骤中以高前进速度)。该变体优选地适用于再成形有圆形截面的激光束，但也可以适用于非圆形、再成形的激光束，例如是矩形、再成形的激光束。
为此，特别优选的是进一步发展，其提供了：再成形的激光束通过多包层光纤产生，在输入端处，原始激光束的第一部分送入多包层光纤的芯光纤中并且原始激光束的至少一个第二部分送入多包层光纤的环光纤中，环光纤围绕芯光纤，并且在多包层光纤的输出端处获得再成形的激光束。以这种方式，可以使用环焦点部分和芯焦点部分相对容易地进行射束成形，并且此外可以相对容易地改变这两部分之间的划分(如果必要的话)，或者可以通过改变第一部分与第二部分之间的原始激光束的划分来适配各自的焊接任务。
特别优选的变体是，在该变体中第一方法步骤的激光束和第二方法步骤的激光束使用不同的激光源来产生，并且使用不同的激光-光学单元被引导到彼此上下定位的这些工件上，特别是这两个激光-光学单元以相对于彼此固定的距离布置。在该变体中，可以特别容易地独立选择或设置第一激光束和第二激光束的激光功率和射束成形，并且此外也可以容易地同时且独立地施加第一激光束和第二激光束。将激光-光学单元布置在固定距离处使得也可以容易地在彼此上下定位的这些工件上在两个激光束的加工区之间设置固定距离。在此，激光源是指由激光介质、泵和激光谐振器组成的结构单元。
此外，有利的变体是，在该变体中在第二方法步骤中，通过全熔透焊接来对彼此上下定位的这些工件进行焊接。这使得一方面可以在这些工件之间实现特别固定的连接，另一方面，如果需要，可以从下方供应填充焊丝。
根据本发明的方法的优选变体提供了：
这些工件是具有厚度DW的镀锌钢板，其中0.5mm≤DW≤1.8mm、优选地0.7mm≤DW≤1.5mm，
选择第一方法步骤中的激光束的平均激光功率P1，其中6kW≤P1≤20kW、优选地8kW≤P1≤16kW，并且选择第二方法步骤中的激光束的平均激光功率P2为3kW≤P2≤6kW，
选择在各自情况下均相对于前进方向横向测量的、在上部工件的表面上的第一方法步骤中的激光束的最大宽度B1和第二方法步骤中的激光束的最大宽度B2，其中2.5mm≤B1≤5mm和0.25mm≤B2≤0.75mm，
选择第一方法步骤的激光束的前进速度V1和第二方法步骤的激光束的前进速度V2，其中V1≥4m/min且V2≥4m/min、优选地V1≥6m/min且V2≥6m/min、特别优选地V1＝V2且6m/min≤V1≤20m/min且6m/min≤V2≤20m/min，
以及选择第一方法步骤和第二方法步骤的激光束之间的空间距离ΔX为ΔX≥50mm/或选择第一方法步骤和第二方法步骤的激光束的作用之间的间隔时间TP，其中TP≥0.50s。在实践中，这些参数使焊接连接件具有较高的焊缝质量。
上述根据本发明的用于焊接机动车辆的车身部件的方法的用途也落在本发明的范围内。换言之，这两个工件(在焊接时或焊接后)安装在机动车辆的车身中。在机动车辆中，常常采用带涂层的金属板以便防腐，对于该金属板希望良好的焊缝质量，该焊缝质量可通过本发明容易地实现。
本发明的其他优点将从描述和附图中得出。同样，根据本发明，以上提及的特征和仍将进一步说明的那些特征可以在各自情况下本身单独地使用、或者以任何的组合作为多个使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的说明性特性。
附图说明
图1示出了在根据本发明的方法的示例性变体中彼此上下定位的两个工件的示意性平面图；
图2示出了图1的工件穿过图1的横截面平面II、在第一方法步骤之后的示意性横截面图；
图3示出了图1的工件穿过图1的横截面平面III、在第二方法步骤之后的示意性横截面图；
图4示出了用于执行根据本发明的激光焊接方法的设施的示意性侧视图；
图5示出了本发明的用于对原始激光束进行再成形的设备的示意图；
图6示出了本发明的再成形的激光束的示意性横截面；
图7示出了再成形的激光束沿着相对于再成形的激光束的传播方向横向的方向y的示意性强度分布；
图8示出了按照根据本发明的方法的一个变体来焊接的工件的抛光部段的、从实验中获得的在第一方法步骤之后的光-光学记录；
图9示出了按照根据本发明的方法的一个变体来焊接的图8的工件的抛光部段的、从实验中获得的在第二方法步骤之后的光-光学记录；
图10示出了图9的工件的最终焊缝从上方(顶部图像，标记a)和从下方(底部图像，标记b)的平面图中的、从实验中获得的光-光学记录。
具体实施方式
图1示出了按照根据本发明的方法的示例性变体的两个带涂层工件101、102的激光焊接的示意图。
工件101和102在重叠区域103中彼此上下定位，即彼此直接上下抵靠。在所示的变体中，工件101布置在上部，工件102布置在下部(并且其与上部工件101重叠的地方相应地以虚线部分地示出)。在重叠区域103中，这两个工件在其表面区域上相互接触(触及式接触)；在整个方法中，工件典型地通过机械方式彼此上下夹紧(压紧)(未更详细示出，但在这方面参见图4)。在此，两个工件101、102实施为涂覆锌的钢板(在这方面参见图2和图3)，这些钢板应安装在机动车辆的车身中。工件101、102用两个激光束104、105沿前进方向VR彼此焊接在一起，这些激光束指向到上部工件101的工件表面106上。激光束104、105在前进方向VR上相对于工件101、102沿着重叠区域103中的(计划的)焊缝100移动。
在第一方法步骤中，首先在重叠区域103中用激光束104(第一激光束)照射上部工件101，该激光束关于前进方向VR在前。第一激光束104在工件表面106上具有宽度B1，并且在此具有近似矩形的横截面(在工件表面106上)，并且在此具有大约ASP＝6.5的纵横比ASP；在此，第一激光束104相对于前进方向VR横向的宽度B1大于其在前进方向上的范围。第一激光束104在其后面产生了液态熔化的工件材料的拖尾状的熔池107。在熔池107的后面，工件材料在两个外焊缝边缘108a、108b的边界中又完全固化。
在第二方法步骤中，然后在重叠区域103中用相对于前进方向VR在后的激光束105(第二激光束)照射上部工件101，该激光束在工件表面106上具有宽度B2，并且在此具有近似圆形的横截面(在工件表面106上)。在此，在所示的变体中，大致为B1＝3.5*B2，其中宽度是在工件表面106上相对于前进方向VR横向测量的。在此，第二激光束105具有芯焦点和围绕芯焦点的环焦点(有关这方面的更多详细细节，参见图5至图7)。第二激光束105在其后面进而产生了液态的、熔化的工件材料的拖尾状的熔池109。在熔池107的后面，工件材料在两个内焊缝边缘110a、110b的边界中又完全固化。
将要焊接的两个工件101、102的焊缝100在每个区段上由两个激光束104、105相继扫过，在所示的示例性变体中，这两个激光束104、105(只要未到达焊缝100的末端)同时进行应用并且具有相同的前进速度V1＝V2，并且相应地沿着焊缝100相对于彼此具有恒定距离ΔX(在工件表面106上从激光束104、105的中心到中心测量)。在所示的变体中，该距离ΔX足够大，使得第二激光束105始终穿透已再次完全固化的工件材料，即两个熔池107、109彼此分离。为此，距离ΔX典型地大于50mm。因此，在第一方法步骤和第二方法步骤的两次激光加工操作之间设置了间隔时间，该间隔时间允许工件在此期间冷却；典型的间隔时间为0.5秒或更长。
图2示出了在平面II处穿过图1的工件101、102、即在第一方法步骤之后的示意性横截面图(相对于前进方向垂直)。
对于工件101、102中的每个工件，在该横截面中可以容易地看到相应上侧上的涂层101a、102a，相应下侧上的涂层101b、102b，和施加有涂层101a、101b、102a、102b的基体101c、102c。基体101c、102c由钢制成，涂层101a、101b、102a、102b由锌制成。在所示的变体中，工件101、102具有类似的外形，特别是具有相同的厚度DW。
第一激光束104(被描绘为虚线，因为它位于图纸平面的后面)相对于工件表面106具有负焦点位置F1，在此，其焦点104a位于下部工件102的下半部分。第一激光束104在熔池107的区域已经将工件材料熔化(在此，熔池已再次固化)。熔池107仅在上部工件101中延伸，并且具有(最大)熔化深度AT，该深度在此约为上部工件101的厚度DW的75％。在熔池107与上部工件101的下侧之间留下第一工件101的未被第一激光束熔化的材料的接片114。
第一激光束104对上部工件101的加热还使得在工件101、102的接合部111处产生损耗轨迹112(以阴影标记)，该接合部是彼此上下定位且彼此上下叠靠的工件101、102的相对两侧面的接触区域，在该损耗轨迹中涂层101b和102a的材料至少部分、优选完全蒸发并且从接合部111逸出。损耗轨迹112具有宽度BE，在此BE＝0.9*B1大致成立。通常，优选成立的是BE≥0.5*B1。
图3示出了在平面III处穿过图1的工件101、102、即在第二方法步骤之后的示意性横截面图(相对于前进方向垂直)。
第二激光束105(被描绘为虚线，因为它位于图纸平面的后面)相对于工件表面106同样具有负焦点位置F2，在此，其焦点105a位于下部工件102的上半部分。因此，第二激光束105的焦点位置F2比第一激光束104的焦点位置F1稍微更向上(更靠近工件表面106)。第二激光束105在熔池109的区域中熔化了工件材料(在此，熔池已再次固化)。熔池109完全延伸穿过上部工件101并且在此也完全延伸穿过下部工件102，相应于透焊。
对于接合部111的接合平面113中(固化的)熔池109的熔化材料的宽度BNK，BNK＝0.33*BE在此大致成立。通常，优选成立的是BNK≤0.5*BE。熔池109位于接合部111的区域中，即在损耗轨迹112内，因此没有涂层101b、102a材料或只有很少的涂层材料进入在第二方法步骤中使用第二激光束105产生的熔池109或甚至是蒸气毛细管(未示出)。由此避免了由于涂层101b、102a的材料突然蒸发而导致的焊缝处的缺陷。
图4示出了用于实施本发明的焊接方法的示例性设施400的示意性侧视图。
两个在此板状的工件101、102彼此上下定位并且使用夹紧***401来将它们彼此压靠，在此夹紧***包括可移动的冲压机402和支撑件403，以便在这些工件的表面区域上获得近似无间隙的面状相互接触。工件101、102用第一激光束104和第二激光束105沿前进方向VR彼此焊接在一起(在这方面也参见图1至图3)。
用于第一方法步骤的第一激光束104由第一激光源404产生，用于第二方法步骤的第二激光束105由单独的第二激光源405产生；激光源404、405各自具有激光谐振器、激光介质和泵(未更详细地展示)。在所示的变体中，第一激光源具有功率P1，并且第二激光源具有功率P2，在此，P1＝3*P2；然而，其他变体也是可能的，例如P1＝P2。在相应的激光源404、405中产生的激光分别通过柔性光导406、407传导到相应的激光-光学单元408、409，然后将相应的激光束104、105分引导到上部工件101的(上部)工件表面106上。根据使用情况，可以为激光束104、105分别提供相应的射束成形，例如其由光导406、407(在这方面也参见图5至图7)和/或激光-光学单元408、409来设置，该激光-光学单元例如可以包含衍射光学元件(未更详细地展示)。
在此，这两个激光-光学单元408、409固定地布置在共用保持装置410上，该保持装置可以通过机动化驱动器411在引导件412上平行于前进方向VR移动。相应地，这两个激光-光学单元408、409关于前进方向VR处于相对于彼此固定的距离。在此，引导件412由用于啮合机动化驱动器411的齿轮411a的齿结构(未更详细地展示)形成。通过移动引导件412上的共用保持装置410，激光束104、105可以相对于(在此是静止的)工件101、102一起移动，以便设置焊接过程的前进。
图5示意性地示出了示例性设备1，该设备可以用于在本发明范围内对第一激光束和/或第二激光束进行射束成形(参见图1至图4)。
激光源3产生原始激光束2，该原始激光束在此通过聚焦透镜5被引导到多包层光纤4(这里是2in1光纤)的输入端4a上；参见传播方向AR。多包层光纤4用作光导。
原始激光束2的横截面的第一部分2a被无偏转地送入多包层光纤4的芯光纤8中。通过楔板6，原始激光束2的横截面的第二部分2b被偏转并且被送入多包层光纤4的环光纤7中。
在多包层光纤4中，两个部分2a、2b的激光功率在环光纤7和芯光纤8中前进的过程中分别均匀地分布；应当注意，多包层光纤4的长度在图5中以缩短的方式进行展示。在多包层光纤4的输出端4b处，提供再成形的激光束(未更详细地展示，但是在这方面参见图6和图7)；再成形的激光束典型地经由透镜***映射到要焊接的工件上，该透镜***通常包括准直透镜和聚焦透镜(同样未更详细地展示)。
为了设置部分2a、2b或芯焦点部分和环焦点部分的功率比例，楔板6在这里可以沿相对于传播方向AR横向的方向R移动。
图6展示了比如可以例如在被照射上部工件的工件表面处观察到的再成形的激光束10的射束截面。再成形的激光束10具有被环焦点部分12同轴包围的芯焦点部分11。具有较低激光强度的区域13典型地位于芯焦点部分11与环焦点部分12之间。在此，环焦点部分12的直径DR大约是芯焦点部分11的直径DK的3.5倍；优选地适用的是2≤DR/DK≤5。
图7展示了沿着方向y的横截面中的再成形的激光束10的典型强度分布，该方向穿过再成形的激光束10的横截面的中心；局部激光强度向上绘制，其位置沿着方向y向右。
在芯焦点部分11内，激光功率近似恒定，典型地在芯焦点部分11中的平均值附近具有最大25％的波动。同样，环焦点部分12的区域中的激光功率近似恒定，典型地同样在环焦点部分中的平均值附近具有最大25％的波动。在该图表中可容易看出，芯焦点部分11的区域中的再成形的激光束10的(平均)强度明显大于环焦点部分12的区域中的(平均)强度，在此大约是8倍。利用这里存在的几何形状，总激光功率的大约50％被分派到芯焦点部分11，并且剩余部分(这里同样是总激光功率的大约50％)被分派到环焦点部分。优选地，将激光束的总激光功率的45％到85％分配给芯焦点部分。
应当注意，在再成形的激光束的射束截面中也可以尤其通过用于再成形的具有两个或更多个环光纤的多包层光纤(未更详细地展示)提供多个同心的环焦点部分。
图8和图9分别示出了在图8中的第一方法步骤之后和图9中的第二方法步骤之后的状态下，根据本发明焊接的两个工件的断面的实验性光-光学记录。这些工件中的每个工件的厚度约为1mm，并且由钢板作为基体制造并在两侧上提供锌涂层。在第一方法步骤中，施加宽度B1为2.95mm的矩形激光束，激光功率为6kW，并且前进速度为4.2m/min。在第二方法步骤中，施加由2in1光纤再成形的且宽度B2为0.44mm(环焦点为0.44mm，芯焦点为0.11mm，芯焦点的功率比例为70％)的圆形激光束，激光功率也是6kW，并且前进速度为12m/min。图10示出了成品焊缝从上方(上部图像，标记a)和从下方(下部图像，标记b)的视图中的光-光学记录。
根据本发明，在第一方法步骤中，上部工件熔化了约其80％的厚度，但未达到接合部。在第二方法步骤中进行透焊。成品焊缝在上侧和下侧上都非常均匀，并且尽管第一方法步骤中的前进速度相对较高，但几乎没有焊接飞溅，并且在已完成的焊缝的固化熔池中看不到孔隙。
附图标记清单
1 设备
2 原始激光束
2a 第一部分(原始激光束)
2b 第二部分(原始激光束)
3 激光源
4 多包层光纤
4a 输入端
4b 输出端
5 聚焦透镜
6 楔板
7 环光纤
8 芯光纤
10 再成形的激光束
11 芯焦点部分
12 环焦点部分
13 具有较低激光强度的区域
100 焊缝
101 上部工件
101a 涂层(上部工件的上侧)
101b 涂层(上部工件的下侧)
101c 基体(上部工件)
102 下部工件
102a 涂层(下部工件的上侧)
102b 涂层(下部工件的下侧)
102c 基体(下部工件)
103 重叠区域
104 (第一)激光束
104a 焦点(第一激光束)
105 (第二)激光束
105a 焦点(第二激光束)
106 工件表面
107 熔池(由第一激光束产生)
108a、108b 外焊缝边缘
109 熔池(由第二激光束产生)
110a、110b 内焊缝边缘
111 接合部
112 损耗轨迹
113 接合平面
114 接片
400 设施
401 夹紧***
402 冲压机
403 支撑件
404 激光源(第一激光束)
405 激光源(第二激光束)
406、407 光导
408、409 激光-光学单元
410 共用保持装置
411 机动化驱动器
411a 齿轮
412 引导件
AR 传播方向
AT 熔化深度
BE 损耗轨迹的宽度
BNK 接合平面中的熔化材料的宽度
B1 第一激光束的宽度
B2 第二激光束的宽度
F1 第一激光束的焦点位置
F2 第二激光束的焦点位置
P1 激光功率(第一激光束)
P2 激光功率(第二激光束)
R 方向(相对于原始激光束的传播方向横向)
VR 送入方向
V1 前进方向(第一激光束)
V2 前进方向(第二激光束)
y 方向(相对于再成形的激光束的传播方向横向)
ΔX 激光束之间的距离。

Claims (16)

1.一种用于激光焊接两个带涂层工件(101，102)、特别是涂覆有锌的钢板的方法，
其中，上部工件(101)和下部工件(102)彼此上下定位，
其中，在第一方法步骤中，用激光束(104)从该上部工件(101)的侧面扫过彼此上下定位的这些工件(101，102)，并且这些工件(101，102)在其彼此面对的侧上的涂层(101b，102a)至少部分地沿损耗轨迹(112)蒸发，
其中，在第二方法步骤中，用激光束(105)再次从该上部工件(101)的侧面扫过彼此上下定位的这些工件(101，102)，并且两个工件(101，102)的材料在该损耗轨迹(112)内熔化，从而使这些工件(101，102)彼此焊接在一起，
其特征在于，
在该第一方法步骤中，该上部工件(101)的材料通过该激光束(104)熔化，其中在该上部工件(101)的熔化材料(107)与该上部工件(101)面向该下部工件(102)的侧面之间在该上部工件(101)的未熔化材料上保留有接片(114)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一方法步骤和该第二方法步骤同时在彼此上下定位的工件(101，102)上的不同位置处发生，其中第一方法步骤的激光束(104)先于第二方法步骤的激光束(105)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一方法步骤的激光束(104)和第二方法步骤的激光束(105)具有相同的前进速度(V1，V2)。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，如果以后在同一位置处进行第二方法步骤，则第一工件(101)的在第一方法步骤中熔化的材料至少在工件表面(106)上再次固化。
5.如前述权利要求之一所述的方法，其中，如果以后在同一位置处进行第二方法步骤，则第一工件(101)的在第一方法步骤中熔化的材料完全再次固化。
6.如前述权利要求之一所述的方法，其中，在第一方法步骤中，上部工件(101)的材料被熔化到足够大的程度，使得与该上部工件(101)的厚度DW相比，对于该上部工件(101)的熔化材料的最大熔化深度AT适用：
60％≤AT/DW≤95％，
优选地70％≤AT/DW≤90％。
7.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一方法步骤中的激光束(104)的最大宽度B1和第二方法步骤中的激光束(105)的最大宽度B2，分别横向于前进方向(VR)且在上部工件(101)的表面(106)上测量，适用以下：
B1≥2*B2，
优选地B1≥3*B2，
特别优选地B1≥5*B2。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一方法步骤中的激光束(104)的平均激光功率P1和第二方法步骤中的激光束(105)的平均激光功率P2，适用以下：
P1≥1.5*P2，
优选地P1≥3*P2。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一方法步骤中的激光束(104)的焦点位置F1和第二方法步骤中的激光束(105)的焦点位置F2，适用以下：
F1<F2，
优选地F1<F2≤0。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于第一方法步骤之后的工件(101，102)的彼此面对的侧上的损耗轨迹(112)的宽度BE和第二方法步骤之后的两个工件(101，102)的彼此面对的侧的接合平面(113)中的熔化材料的宽度BNK，分别横向于前进方向(VR)测量，适用以下：
BE≥2*BNK，
优选地BE≥3*BNK。
11.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一方法步骤的激光束(104)和/或第二方法步骤的激光束(105)是再成形的激光束(10)并且包括芯焦点部分(11)和至少一个环焦点部分(12)，该芯焦点部分(11)和该环焦点部分(12)彼此同轴，并且该环焦点部分(12)围绕该芯焦点部分(11)。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该再成形的激光束(10)通过多包层光纤(4)产生，其中在输入端(4a)处，原始激光束(2)的第一部分(2a)送入该多包层光纤(4)的芯光纤(8)中并且该原始激光束(2)的至少一个第二部分(2b)送入该多包层光纤(4)的环光纤(7)中，其中该环光纤(7)围绕该芯光纤(8)，并且在该多包层光纤(4)的输出端(4b)处获得再成形的激光束(10)。
13.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一方法步骤的激光束(104)和第二方法步骤的激光束(105)用不同的激光源(3；404，405)产生，并且用不同的激光-光学单元(408，409)引导到彼此上下定位的工件(101，102)上，
尤其，两个激光-光学单元(408，409)以相对于彼此固定的距离布置。
14.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在第二方法步骤中，通过透焊进行彼此上下定位的工件(101，102)的焊接。
15.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
工件(101，102)是具有厚度DW的镀锌钢板，其中0.5mm≤DW≤1.8mm、优选地0.7mm≤DW≤1.5mm，
选择第一方法步骤中的激光束(104)的平均激光功率P1为6kW≤P1≤20kW、优选地8kW≤P1≤16kW，并且选择第二方法步骤中的激光束(105)的平均激光功率P2为3kW≤P2≤6kW，
选择上部工件(101)的表面上的、第一方法步骤中的激光束(104)的最大宽度B1和第二方法步骤中的激光束(105)的最大宽度B2为2.5mm≤B1≤5mm和0.25mm≤B2≤0.75mm，分别是横向于前进方向(VR)测量的，
选择第一方法步骤的激光束(104)的前进速度V1和第二方法步骤的激光束(105)的前进速度V2为V1≥4m/min且V2≥4m/min、优选地V1≥6m/min且V2≥6m/min、特别优选地V1＝V2且6m/min≤V1≤20m/min且6m/min≤V2≤20m/min，并且
选择第一方法步骤和第二方法步骤的激光束(104，105)之间的空间距离ΔX为ΔX≥50mm，和/或选择第一方法步骤和第二方法步骤的激光束(104，105)的作用之间的间隔时间TP为TP≥0.50s。
16.如前述权利要求之一所述的方法的应用，用于焊接机动车辆的车身部件。
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