CN101678509A - 用于固定结构粘接的工件、特别是用于激光焊接经粘接的工件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于能量束(21)来固定结构粘接的工件(11，12)的方法，在所述工件之间设置至少一个粘接剂层(17)，该粘接剂层的蒸发温度低于工件(11，12)的材料的熔融温度，其中，在能量束(21)的作用区域(19)中的粘接剂(17)蒸发期间在熔池(26)中保留一个用于使蒸汽流出的蒸汽通道(24)；至少处于作用区域(19)中的粘接剂层(17)蒸发并且通过所述蒸汽通道(24)排出；粘接剂层(17)设有粘度，该粘度基于蒸汽通道(24)中的气体压力防止蒸发的材料进入到设置在工件(11，12)之间的粘接剂层(17)中。

Description

用于固定结构粘接的工件、特别是用于激光焊接经粘接的工件的方法

技术领域

本发明涉及一个用于借助于能量束固定结构粘接的工件、特别是用于激光焊接粘接后的工件的方法。

背景技术

在接合技术中已经普遍公知的是：使设有涂层和/或粘接剂层的工件、特别是板、彼此连接。为此，进行粘接技术与热接合工艺或机械接合工艺的结合来使这些构件彼此连接。特别是在现代的汽车轻结构中进行应用以便实现这种构件的改善的结构强度特性和运行强度特性。迄今为止，粘接技术与热接合技术的结合具有的缺点是用于制造这种构件的过程速度很低。

在一种公知的用于固定结构粘接的工件的第一实施方式中建议：在能量束的作用区域中避免使用涂层和/或粘接材料。然而该方法具有的缺点是：由于加工技术的公差不能保证这种构件与在其中施加材料锁合的连接的接缝部位或搭接区域的紧密性。这可能例如导致不期望的腐蚀。

由US 6,932,879B2公开了一种用于焊接经粘接的板的方法，其中，待连接的工件在搭接接头中设有粘接材料层。所述粘接材料层包括填料，所述填料用作待接合的配合件之间的间距保持件。所述填料保证了工件之间的确定的间距，该间距例如是必需的，以便防止粘接剂被从间隙中压出。此外，在材料锁合地连接工件期间，在搭接接头中在填料之间以及在能量束的作用区域之外在粘接剂-填料-联合体中形成脱气通道，由此，在作用区域中蒸发的材料可以逸出。设置在工件之间的粘接剂被这样调节：使得在材料锁合地连接经粘接的工件时可以形成脱气通道，气体可以通过所述脱气通道穿过搭接接头向外排出或者至少排出到外部区域中。在此，使用单组份或双组份的硬化粘接材料，所述粘接材料屈服于逸出的气体，以便形成这种脱气通道或气体排出通道。然而该方法具有的缺点是：所述脱气通道在材料锁合地连接工件之后仍保持获得，从而湿气可以进入到工件之间。由此不能实现工件之间的密封性。此外，必需使这种搭接接头或其相邻区域的构型适配于脱气通道的构造，以便使其发挥期望的作用。此外，在这种方法中值得推荐的是：粘接材料在材料锁合地连接工件之前硬化，因为否则粘接剂将流入到熔池中并且将引起不利的细孔形成和熔融物喷出风险。

此外，由US 6,359,252B1公开了一种用于借助于能量束焊接经涂层的板的方法，其中，应通过熔池进行脱气，所述熔池在能量束的作用区域中产生。为此提出，在材料锁合地连接板期间在这些板之间形成通道，该通道形成待彼此连接的工件之间的中间空间，用于使蒸汽流出到熔池中。为了使蒸汽不逸出到板之间，必须使这些板相互压紧。此外，设置了一个另外的能量束，该能量束将在熔融的焊接材料中在熔池中形成的蒸汽泡刺破，以便允许气体逸出。该方法需要敏感的且耗费的传感装置以及高的器材耗费，以便在用于在作用区域中产生材料锁合的连接的能量束的作用持续时间期间同时实现蒸汽泡的刺破。此外，这种方法的缺点还在于：需要高的过程复杂性，以便在熔池中产生蒸汽泡并且接着将其刺破以及在蒸汽泡排气之后又封闭熔池中的空腔。

发明内容

因此本发明的目的在于提出一种用于借助于能量束固定结构粘接的工件的方法，该方法允许过程持续时间的降低并且在该方法中在待连接的工件之间保持密封性。

按照本发明，所述目的通过权利要求1的特征实现。在该方法中，采用具有下述粘度的粘接剂层，在该粘度下防止在能量束的作用持续时间期间在作用区域中蒸发的粘接剂进入到工件之间的粘接剂层的邻接该作用区域的区域中。通过调节粘接剂层的粘度可以避免在工件之间的粘接剂层中形成细孔和/或脱气通道。同时，可以将形成的气体转移到熔池中并且通过保留在熔池中的蒸汽通道排出。由此可以特别是在工件的搭接接头或搭接区域中实现待通过结构粘接而连接的工件的密封性。同时保证了：邻接能量束作用区域的区域保持密封，从而紧邻该作用区域地设置有被密封的粘接剂层。此外，通过在熔池中保留蒸汽通道防止了蒸汽泡的形成。由此不必借助于第二能量束以刺破的方式对熔池进行后处理或额外处理。

根据本发明的另一个优选的构型，在待彼此连接的工件之间的粘接剂层硬化之前或硬化期间，能量束定向到一个用于材料锁合地连接工件的作用区域上。由此可以实现接合技术上的高的过程速度，其中，保持获得用于固定结构粘接的工件的优点。此外，在能量束引入时在硬化阶段之前固定工件，使得工件在硬化阶段期间不再能彼此相对移动。

根据所述方法的另一个有利的构型，熔池中的蒸汽通道直到达到蒸发的粘接剂层的临界气体压力地保持获得。由此保证了：防止在熔池中形成熔融物喷出。同时保证了：在粘接剂层的邻接所述作用区域的区域中不形成脱气通道和/或细孔。

在用于材料锁合地连接工件的能量束的作用区域中并且沿着该作用区域优选设置连续的粘接剂层。由此可以特别是在待通过结构粘接而彼此连接的工件的搭接接头中实现高的密封性。

根据所述方法的另一个有利的构型，在熔池中通过能量束的作用持续时间和强度而形成气体压力，该气体压力将粘接剂层到熔池中的补充流入降到最低或者防止粘接剂层补充流入到熔池中。

此外，通过构造粘接剂的承受气体压力的粘度和至少在能量束的作用持续期间保留蒸汽通道实现的是：在邻接该作用区域的区域中建立气体压力，该气体压力防止粘接剂层由于温度引起的粘度降低而补充流入到能量束的作用区域中并且通过附加的燃烧剩余物污染熔池。

能量束对作用区域的作用持续时间优选被限制在最大一秒的作用持续时间上。特别优选的是，设置几个十分之一秒的作用持续时间。通过较短的作用持续时间允许降低用于建立气体压力的时间并且降低该气体压力。此外，焊接区域周围的由温度引起的粘度降低的区域保持较小。此外，由此导致的较大的温度梯度有助于避免粘接剂中的脱气通道并且从而有助于通过熔池进行排气。

根据所述方法的一个有利的构型，采用激光束作为起作用的能量束。采用激光束比其他焊接方法破坏显著少的粘接剂层，然而所述焊接方法出于其有利的原因也可以采用。优选可以用聚焦的或去焦的激光束进行焊接。此外，可以设置后续的激光过程步骤。不仅可以借助于脉冲式激光器而且可以利用cw激光器进行激光焊接。

此外，有利的是，所述至少两个工件之间的材料锁合的连接通过点焊、缝焊或针脚缝焊产生。也可以考虑产生由多个针脚缝或点焊部形成的缝焊部。在此，各个过程参数适配于工件厚度、工件材料以及搭接接头的几何结构和构型。

粘接剂层优选可以设有填料。由此可以使在搭接接头中彼此相对布置的工件彼此间以预确定的间隙或间距定位。

有利的是，在焊透至少两个彼此相邻和待连接的工件时，蒸汽通道向着工件联合体的上侧或下侧定向。由此，气体的逸出既可以通过所述上侧也可以通过所述下侧进行，从而可根据待完成的几何结构来构造蒸汽通道的定向。

作为替代方案，在焊入至少两个彼此相邻的工件时，蒸汽通道向着工件的上侧定向，能量束作用在该上侧上。由此可以保证足够的脱气并且防止在待连接的工件之间在粘接剂层中形成脱气通道。

所述方法的一个有利的实施方式提出，通过过程持续时间的缩短在能量束的作用区域之间与邻接该作用区域的区域之间实现了高的温度梯度。由此防止邻接熔池的区域变热和蒸发，由此在熔池与待连接的工件之间提供了一个非常小的过渡区域。由此，粘接剂层可以被构造为一直邻接到熔池并且形成所述中间空间的密封。

在一个特别优选的实施方式中，通过能量束作用持续时间的适配以及粘接剂的选择直接采用可比较的焊接几何结构的过程参数例如激光功率、进给速度等。

为了实施本发明的方法优选采用在一侧或两侧具有锌涂层的工件。锌涂层的板特别是在汽车制造业中使用，所述板必须具有高的抗腐蚀性。

附图说明

以下利用附图中所示的实施例更加详细地说明和解释本发明和其它有利的实施例和进一步方案。根据本发明，从说明书和附图中得出的特征可以本身单独地应用或以多个任何组合的方式应用。在附图中：

图1a是在施加焊入时的工作过程中的两个待彼此连接的工件的示意性剖视图；

图1b是在使用具有填料的粘接剂层的情况下在施加焊入时的工作过程中的两个待彼此连接的工件的示意性剖视图；

图2是在执行了该方法后按照图1的两个待连接的工件的示意性剖视图，

图3是在执行了产生焊透部的方法后的两个待连接的工件的示意性剖视图。

具体实施方式

借助于图1a、b和2中所示的第一实施例详细描述本发明的用于固定结构粘接的工件11、12的方法。

在制造例如车身部分时，工件11和12被构造为(金属)薄板。这些工件11和12可被设置为不被涂层、被单侧涂层或者被双侧涂层。在实施例中示例性示出被双侧涂层的工件11和12。在汽车制造业中优选设置单侧或双侧的锌涂层。

图1a示出一个通过工件11和12构成的搭接接头14。这些工件11和12利用粘接剂层17彼此连接。为了在粘接剂层17完全硬化前定位和预固定工件11和12，产生了一个材料锁合的连接27(图2)。

在按照图1a的实施例中示例性示出了仅仅两个待彼此连接的工件11和12。在这种搭接接头14中也可以使多层工件11、12彼此连接。

工件11和12之间的材料锁合的连接27在粘接剂层17的硬化阶段之前或期间进行，所述材料锁合的连接通过能量束21在作用区域19中产生。由此，作用区域19中的材料锁合的连接27允许工件11和12的预固定，从而在粘接剂层17缺乏起始强度期间允许工件11、12彼此间直到粘接剂层完全硬化地预固定。

作用于作用区域19的能量束21被构造为激光束。根据工件11、12的材料和/或厚度和必要时存在的涂层16以及粘接剂层17来选择激光束的激光参数。此外，根据待产生的焊接几何结构来选择激光参数。例如所述焊接几何结构可通过点焊形成，其中，这种点焊能够以焊入或焊透的形式形成。作为替代方案，可以设置缝焊或针脚缝焊。

所使用的粘接剂层17在其特性方面与工件11和12的应用范围和使用情况相适配。例如在汽车制造业中，需要这种粘接剂层具有更多特性，且必须承担例如耐久性、刚性、适宜碰撞或类似功能。

在图1b中示出类似于图1a的视图，工件11、12布置成搭接接头14。与图1a的不同之处在于：按照图1b中的实施方式，使用包括填料18的粘接剂层17。这些填料18可以例如由玻璃球或其他微粒以及具有预确定的粒度和尺寸的颗粒构成，以便调节工件11、12之间的间隙尺寸。这种在被涂层的工件11和12之间提供的间隙的优点是：可以使能量束的作用区域和紧邻该作用区域的区域中的涂层脱气。

所述用于借助于能量束21、特别是激光束固定经粘接的工件11、12的方法通过下述步骤进行：

使工件11和12在一个或两个工件表面上施加粘接剂层17之后彼此定位并且形成一个搭接接头14。接着使用于输出能量束21的能量源22相对于该搭接接头14定位，以便导入用于使工件11和12材料锁合地连接的焊接几何结构。能量束21作用于作用区域19上，其中，工件11和12连同位于其间的粘接剂17一起局部地蒸发。用于引入能量束21的过程持续时间仅仅以较短的时间进行并且被限制在1秒、特别是被限制在几个十分之一秒。由此，仅仅破坏粘接剂层17的很小的区域。同时，所述能量束21被这样地控制，使得在蒸发期间蒸汽通道24一直保持存在，从而流出的蒸汽可以完全从熔池26中逸出。

在按照图1的实施例中示出所谓的焊入。激光束没有完全地透穿两个工件11和12。由此，蒸汽通道24向着起作用的能量束21的方向定向。优选设置至少2kW的脉冲功率作为激光束的激光参数。优选设置4kW或更高的脉冲功率，以便使能量引入时间保持较短。由此，激光束的作用区域与紧邻该作用区域的区域之间的温度梯度也可以足够大。

原则上可以在引入材料锁合的连接27之后进行另外的后续的激光过程步骤。这种激光过程步骤可以使焊接部必要时通过激光束进一步平整，其中，可实现附加的、激光参数改变的通道，例如激光功率、进给量、对焦、去焦或类似的激光参数。这些激光过程步骤产生于下列背景：即，实现紧密的焊缝并且形成焊缝的不规则性。

所使用的粘接剂层17具有粘度，该粘度不屈服于在温度负荷时蒸汽通道中或在邻接蒸汽通道的区域中产生的气体压力。由此防止在紧邻熔池26的区域中形成脱气通道或细孔。同时，由此使得形成的气体通过熔池26或形成的蒸汽通道24排出。

所使用的用于形成粘接剂层17的粘接剂通过粘度与剪切速率的关系确定。标准粘接剂具有例如在剪切速率为0.1l/s的情况下1,500Pa·s的粘度。可以使用粘度在50至15,000Pa·s范围内的粘接剂。最佳的粘接剂具有例如在剪切速率为0.1l/s的情况下3,500至6,500Pa·s的粘度。

针脚缝的制造允许用于将工件11、12预固定在搭接接头14中的高的处理率，在所述制造时一个针脚缝或一个焊点要求小于0.5秒的时间。

对于工件特别优选地使用镀锌的钢板或者具有或不具有包覆金属的铝合金。此外，可以使用先进高强度钢(AHHS＝Advanced highstrength steel)。其特别是具有如下优点：即，在产生材料锁合的连接时通过起作用的温度产生后硬化效应，由此特别是在降低材料厚度的情况下允许搭接接头的加强。同时，可以实现动态疲劳率和强度率高的长寿命连接。

图2示出在执行了本发明的方法后的工件联合体31。两个工件11和12通过构造为焊入部的材料锁合的连接27彼此预固定并且通过完全硬化后的粘接剂层17彼此固定地连接。工件11和12的通过单个的或一组的焊点或焊缝以及搭接接头14中的一个连续的焊缝通过焊接、特别是激光束焊接的预固定允许短的过程时间。通过该预固定已经可以在无需粘接剂层17完全硬化的情况下开始后续的工作步骤。

图3示出用于使工件11和12连接的方法的一个替代的构型。代替焊入部地，设置穿过两个工件11和12的焊透部来作为材料锁合的连接27，其中，焊透部的边缘彼此焊接。在焊透的情况下，蒸汽通道24既可以向上也可以向下取向或构造。在其他方面，该实施例与图1和2中一样。

通过所述方法的按照本发明的构型允许实现紧密的搭接接头14以及在保持所需的功率参数不变的情况下实现过程速度的提高，所述功率参数例如是被接合的工件11和12的刚度和强度。

Claims (15)

1.一种用于借助于能量束(21)来固定结构粘接的工件(11，12)的方法，在所述工件之间设置至少一个粘接剂层(17)，该粘接剂层的蒸发温度低于工件(11，12)的材料的熔融温度，其特征在于，在能量束(21)的作用区域(19)中的粘接剂(17)的蒸发阶段期间在熔池(26)中保留一个用于使蒸汽流出的蒸汽通道(24)；至少处于作用区域(19)中的粘接剂层(17)蒸发并且通过所述蒸汽通道(24)排出；采用具有这样的粘度的粘接剂层(17)：在该粘度下基于蒸汽通道(24)中的气体压力防止蒸发的材料进入到设置在工件(11，12)之间的粘接剂层(17)中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在粘接剂层(17)硬化之前或硬化期间将能量束(21)定向到作用区域(19)上，用于使工件(11，12)材料锁合地连接。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一直保持熔池(26)中的蒸汽通道(24)直到达到蒸发的粘接剂层(17)的临界气体压力。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在用于使所述至少两个工件(11，12)材料锁合地连接的能量束(21)的作用区域(19)中并且沿着该作用区域(19)设置连续的粘接剂层(17)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在熔池(26)中通过能量束(21)形成气体压力，该气体压力将粘接剂层(17)从邻接的区域到熔池(26)中的补充流入降到最低或防止粘接剂层(17)从邻接的区域补充流入到熔池(26)中。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，能量束(21)对所述至少两个工件(11，12)的作用持续时间被限制为最大一秒并且优选被控制到作用几个十分之一秒。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用脉冲式的或cw激光束作为起作用的能量束(21)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个工件(11，12)之间的材料锁合的连接通过点焊、缝焊或针脚缝焊产生。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述粘接剂层(17)设有填料，特别是玻璃球。

10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在焊透至少两个相互配属的工件(11，12)的情况下，蒸汽通道(24)向着由所述至少两个工件(11，12)构成的工件联合体(31)的上侧或下侧定向。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在焊入至少两个相互配属的工件(11，12)的情况下，蒸汽通道(24)向着工件(11，12)的上侧定向，能量束(21)作用在该上侧上。

12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过缩短过程持续时间，在能量束(21)的作用区域与邻接该作用区域的区域之间实现了大的温度梯度。

13.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，直接通过过程持续时间的适配来采用在焊接设置在搭接接头(14)中的、无粘接剂层(17)和/或涂层(16)的工件(11，12)时的参数。

14.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件(11，12)被涂层，尤其是具有由锌构成的涂层(16)。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，缝焊部由多个针脚缝或点焊部产生。

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