CN102281985A

CN102281985A - 激光焊接方法

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Publication number: CN102281985A
Application number: CN2009801549009A
Authority: CN
Inventors: 小林晴彦; 大久保聪士; 宫坂慎一; 小田幸治; 高桥直树; 蒲池英有
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: WO2010084665A1; GB201113755D0; JP2010167423A; US20110278266A1; US8610026B2; GB2480178B; JP5248344B2; CN102281985B; GB2480178A

Abstract

本发明公开一种使用激光束叠层焊接金属板的方法，其中至少一个金属板被表面处理，该方法包括把金属板放在另一个金属板上并且在金属板之间形成间隙，从而在焊接时在被处理表面处产生的气体可以通过间隙被驱散。表面处理过的第一工件(12)和表面处理过的第一工件(14)彼此重叠放置，并且借助夹紧装置(16)夹紧，夹紧装置的开口(16d)在第一工件(12)的将被焊接的位置(18a)处对中。然后，激光束指向位置(18a)以形成焊缝(19)的。光束然后指向开口(16d)的内周边附近以形成加热部分(20a)，从而加热部分偏转以形成间隙(G1)，在所述处理表面(12b，14a)处产生的气体(22)通过间隙(G1)扩散，从而减少气体压力。

Description

激光焊接方法

技术领域

本发明涉及用于具有叠覆表面的金属板形式的工件的激光束焊接方法(激光焊接方法)，叠覆表面中的至少一个是被表面处理过的。具体地，本发明涉及激光束焊接方法，其能够尽可能地减少在激光束焊接过程中从表面处理层产生的气体的影响。

背景技术

至今，诸如镀锌钢板的表面处理过的金属板已经广泛地用作用于机动车体等的结构部件。在用激光束焊接这种金属板时，在表面处理层和金属板被熔化时，气体从表面处理层的金属中产生。现有技术公知的是，在从表面处理层放射的金属气体的压力下，熔化的金属板的一部分被吹走而引起喷溅或者内部缺陷，因而趋向于引起焊接故障。现有技术还已知的是，通过形成间隙作为表面处理的金属板之间的空间以允许金属气体扩散进入间隙因而没有故障地焊接金属板，从而克服上述缺陷。已经提出用于在金属板之间形成间隙的多种工艺。例如，日本专利No.3115456公开一种工艺，其通过基于当在激光形成过程中熔化的金属板固化和冷却时引起的堆叠的金属板的体积收缩量之间的差异，保持金属板的激光束施加到其上的一端部自由而形成间隙。

发明内容

然而，在一般的激光束焊接过程中，焊接区域可能没有必要定位在金属板的端部处，但是可以定位在金属板的中心附近。在焊接区域定位在金属板的中心附近的情况下，将难以扩散从表面处理层放射的气体。

如上所述，激光形成过程用作形成间隙的过程，而不管使用激光束焊接金属板的位置。然而，激光形成过程的问题在于，由于金属板的刚性变化，可能不会形成期望的间隙，这种刚性变化是由金属板的位置或者形状或者金属板被夹紧的方式引起的。

考虑上述问题提出本发明。本发明的目的在于提供一种激光束焊接方法，其允许当使用激光束焊接金属板时从金属板的表面处理层的金属产生的气体扩散，而不管金属板的位置或者形状或者金属板被夹紧的方式，从而可以稳定地焊接金属板而没有喷溅和内部缺陷，导致产生极好的焊接质量。

根据本发明，提供了一种激光束焊接方法，用于使用激光束焊接包括彼此堆叠的第一工件和第二工件，第一工件和第二工件包括具有叠覆表面的金属板，所述叠覆表面中的至少一个被表面处理，该方法包括下述步骤：第一步骤，用具有开口的夹紧夹具夹紧第一工件的围绕焊接点的部分；第二步骤，在第一步骤以后，将所述激光束中的一种施加到焊接点以形成熔化区域；第三步骤，在第二步骤以后，将所述激光束中的所述一种施加到第一工件的围绕熔化区域的部分以形成被加热区域，因而在第一工件和第二工件的叠覆表面之间形成间隙；和第四步骤，在第三步骤以后，将所述激光束中的另一种施加到焊接点以将第一工件和第二工件彼此焊接，并且将在将第一工件和第二工件彼此焊接期间从表面处理层产生的气体扩散到间隙中。

因此，当金属板被焊接时从表面处理层的金属中产生的气体被扩散而不管金属板的位置或者形状或者金属板被夹紧的方式，从而可以稳定地焊接金属板而没有喷溅和内部缺陷，导致产生极好焊接质量。

夹紧夹具可以具有与夹紧夹具的外部连通的至少一个排气口，并且被加热区域可以包括对应于排气口的形成-缺失部分。

当金属板被焊接时从表面处理层的金属产生的气体因而被扩散并且通过形成-缺失部分排出到外部。

使用根据本发明的激光束焊接方法，用于扩散气体的具有期望的尺寸的间隙或者排出口形成在堆叠工件之间，用于扩散在金属板被焊接时从表面处理层的金属中产生气体，不管金属板的位置或者形状或者金属板被夹紧的方式。结果，在金属板用激光束焊接时从表面处理层的金属中产生的气体的压力降低，从而防止喷溅和内部缺陷产生，并且可以用激光束稳定地焊接金属板，导致产生极好质量。

附图说明

图1显示用于实现根据本发明的第一实施方式的激光束焊接方法的夹紧夹具与工件之间的关系的透视图；

图2A是第一步骤以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图2B是在第二步骤中形成熔化区域以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图2C是在第三步骤中形成被加热区域以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图2D是在第三步骤中形成间隙以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图2E是焊接过程完成以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图3是第三步骤焊接完成以后工件和夹紧夹具的部分平面图；

图4是显示用于实现根据本发明的第二实施方式的激光束焊接方法的夹紧夹具与工件之间的关系的透视图；

图5A是第一步骤以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图5B是在第二步骤中形成熔化区域以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图5C是在第三步骤中形成被加热区域以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图5D是在第三步骤中形成间隙以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图5E是焊接过程完成以后工件和夹紧夹具的部分垂直横截面图；

图6是根据本发明的第二实施方式的修改的在第二步骤完成以后夹紧夹具与工件的部分俯视图；

图7是显示具有限定在其底部中的多个排气口的夹紧夹具的部分俯视图；

具体实施方式

下文将参照附图详细说明根据本发明的优选实施方式的关于用于实现束焊接方法的装置的激光束焊接方法。

如图1所示，根据本发明的第一实施方式的激光束焊接方法使用第一金属板形式的第一工件12、第二金属板形式的第二工件14和夹紧夹具16。激光束分别地在初步照射模式和主要照射模式中施加到第一工件12。

根据第一实施方式，第一工件12包括上表面处理层12a和下表面处理层12b，并且第二工件14包括上表面处理层14a和下表面处理层14b。上表面处理层12a、下表面处理层12b、上表面处理层14a和下表面处理层14b中的每一个都包括镀锌层。

夹紧夹具16由不会被在激光束焊接方法中使用的激光束熔化的金属制成。夹紧夹具16包括矩形平行六面体形状的主体16a和与主体16a一体的半圆形固定器16b。主体16a具有限定在其中的、靠近沿着其纵向方向的相对端的一对发光孔16c。固定器16b具有限定在其中的圆形开口16d。开口16d是圆形形状，其直径从一端到另一端保持相同。然而，开口16d可以是截头圆锥形状，其直径朝向第一工件12的上表面处理层12a逐渐变小。截头圆锥开口16d允许激光束源靠近第一工件12定位而同时与与夹紧夹具16脱开接触，使其能够精确地将激光束施加到焊接点。而且，如果夹紧夹具16是截头圆锥形状，其面对激光束源的表面宽于保持与第一工件12的上表面处理层12a接触的表面，则夹紧夹具16使得更容易在视觉上识别激光束焊接过程的进程。

在初步照射模式中最初使用的激光束L1被设置到照射条件，用于当激光束L1从第一工件12侧施加到第一工件12和第二工件14的堆叠时仅加热或者熔化第一工件12。激光束L1可以是任何激光束类型，例如，光纤激光束、YAG激光束、CO₂激光束、半导体激励激光束等等。

在主要照射模式中使用的激光束L2被设置到照射条件，用于穿透第一工件12的堆叠并且然后移动通过稍后描述的间隙G1，到达第二工件14，因而将第一工件12和第二工件14彼此焊接在一起。在主要照射模式中使用的激光束L2也可以是任何激光束类型，如激光束L1所使用的。激光束L2可以与激光束L1相同，但是可以是从不同激光束源放射的激光束。

以下将描述使用具有上述基本结构的夹紧夹具16执行的激光束焊接过程的步骤。

如图2A所示，在第一步骤中，第一工件12和第二工件14重叠放置，下表面处理层12b和上表面处理层14a彼此面对。然后，第一工件12由夹紧夹具16夹紧，夹紧夹具16在焊接点18a附近挤压第一工件12以使焊接点18a大致定位在保持靠着第一工件12的夹紧夹具16的开口16d的中心处。换言之，夹紧夹具16牢固地定位在第一工件12上以使焊接点18a大致定位在限定在夹紧夹具16的固定器16b中的开口16d的中心处。

然后，如图2B所示，在第二步骤中，在初步照射模式将激光束L1施加到焊接点18a。焊接点18a被加热并熔化成熔化区域19。在这种情况下，熔化区域19不延伸通过第一工件12，而是保持在第一工件12的金属板内。由于熔化区域19通过在初步照射模式中将激光束L1施加到焊接点18a形成，其在稍后说明的第四步骤以后将不留痕迹，并且因而对第一工件12的外观没有不利影响。

然后，如图2C和3所示，在第三步骤中，在熔化区域19保持在熔化状态时，在其中照射比第二步骤的激光束L1的照射弱的照射条件下，即在表示比在第二步骤中的激光束L1的输出水平低的输出水平的输出条件下，使用激光束L1以围绕熔化区域19的圆形式样对第一工件12进行扫描。这时，沿着扫描式样加热第一工件12从而不被熔化，因而形成被加热区域(形成区域)20a。与熔化区域19一样，被加热区域20a保持在第一工件12的金属板内。如图2C所见，施加到被加热区域20a的热量小于施加到熔化区域19的热量。

被加热区域20a热膨胀并且然后固化和冷却。在被加热区域20a固化和冷却时，第一工件12由于在宽的区域中将激光束L1施加到其上而经受体积收缩。当被加热区域20a保持在第一工件12中时，在上表面处理层12a中的体积收缩比在下表面处理层12b中的大。因而，上表面处理层12a受到趋向将上表面处理层12a拉向开口16d的外边缘的作用力。由于第一工件12的围绕焊接点18a的部分由固定器16b夹紧，第一工件12的围绕焊接点18a的部分沿上表面处理层12a的方向被抬升。在第二步骤中形成的熔化区域19的刚性比第一工件12被熔化之前刚性低。因而，第一工件12在焊接点18a附近的部分变得容易沿上表面处理层12a的方向抬升。而且，在第三步骤中形成的被加热区域20a被加热而不熔化，其刚性被适度地降低，因而使得容易可靠地控制第一工件12的弯曲。结果，间隙G1(见图2D)形成为的第一工件12的下表面处理层12b和第二工件14的上表面处理层14a之间的空间。下表面处理层12b和上表面处理层14a在下文中可以称为叠覆表面。

然后，如图2E所示，在第四步骤中，在主要照射模式将激光束L2施加到大致定位在开口16d的中心处的焊接点18a。激光束L2穿透第一工件12并且然后行进通过间隙G1到第二工件14。这时，激光束L2穿透的第一工件12的区域及其周围的环绕区域熔化，并且然后第一工件12和第二工件14被彼此焊接在一起。这个时间期间，激光束L2穿透的下表面处理层12b和上表面处理层14a的区域及其周围的环绕区域被加热到作为下表面处理层12b和上表面处理层14a的镀锌层被蒸发的温度处或者在此温度之上，并且然后产生锌气体22。

如由图2E中的虚线箭头所示，产生的锌气体22扩散进入间隙G1。由于间隙G1已经形成，在间隙G1中的锌气体22的压力足够低以至在焊接点18a处不引起喷溅和内部缺陷。结果，稳定地执行激光束焊接过程，并且产生极好焊接质量的产品。

根据第二实施方式的激光束焊接方法将说明如下。根据第二实施方式的激光束焊接方法中使用的与在根据第一实施方式的激光束焊接方法中使用的相同零件由相同标记标注，并且在如下说明中将对不其进行详细说明。

如图4所示，根据第二实施方式，夹紧夹具16具有拱形排气口16e，开口16d通过排气口16与夹紧夹具16的外部连通。具体地，夹紧夹具16具有连接到第一实施方式中的截头圆锥开口16d的排气口16e。排气口16e可以具有拱形形状，其围绕开口16d的中心以从20°至40°的角度成角度地展开，或者优选地以30°的角度展开。排气口16e的拱形形状用作引导，用于在稍后说明的被加热区域20b将被形成的时间处扫描第一工件12。结果，第一工件12的刚性适当地降低因而使得容易形成稍后说明的间隙G2和排出口28。

以下将描述使用夹紧夹具16执行的根据第二实施方式的激光束焊接过程的步骤。如图5A所示，在第一步骤中，如在第一实施方式中，焊接点18b定位在固定器16b的开口16d的中心处，并且然后第一工件12围绕焊接点18b的部分由夹紧夹具16夹紧。如从图5A容易地可见，第一工件12在排气口16e下的部分没被夹紧，因为其没被夹紧夹具16挤压。

接下来，如图5B所示，在第二步骤中将激光束L1施加到焊接点18b。第一工件12被加热并熔化，因而形成熔化区域19。在这种情况下，熔化区域19不延伸通过第一工件12，而是保持在第一工件12的金属板内。

然后，如图5C所示，在第三步骤中，沿着开口16d的内圆周部分，即围绕熔化区域19扫描第一工件12，将激光束L1施加到第一工件12，因而形成被加热区域20b。在这种情况下，激光束L1不施加到第一工件12的对应于排气口16e的部分。被加热区域20b具有拱形形状，没有如在俯视图中观察到的对应于排气口16e的部分。被加热区域20b因而具有缺失部分(在下文中称为形成-缺失部分)26，其以从20°至40°的角度成角度地展开，或者优选地以30°的角度展开，与排气口16e的展开角相称。在本实施方式中，被加热区域20b是拱形形状，即，被加热区域20b具有单个形成-缺失部分26。然而，被加热区域20b可以具有多个形成-缺失部分，例如，可以具有两个形成-缺失部分，并且本发明不限于单个形成-缺失部分26。结果，可以设置与将在稍后说明的排出口28一样多数量的形成-缺失部分26，并且将在稍后说明的间隙G2可以通过排出口28与夹紧夹具16的外部连通，用于适当地扩散和排出锌气体22。

因而，上表面处理层12a沿着被加热区域20b受到作用力，该作用力趋向于朝向开口16d的外边缘推上表面处理层12a。由于在第一步骤第一工件12在除了其对应于排气口16e的部分被夹紧，并且在第二步骤中形成熔化区域19，第一工件12在上表面处理层12a的方向上被抬升。另外，在第三步骤中形成的被加热区域20b使得容易可靠地控制第一工件12的弯曲。结果，间隙G2(参见图5D)形成为叠覆表面之间的空间。这时，由于存在排气口16e和形成-缺失部分26，排出口28形成在叠覆表面之间。

然后，如图5E所示，在主要照射模式中将激光束L2施加到大致定位在开口16d的中心处的焊接点18b，因而使第一工件12和第二工件14彼此焊接在一起。这时，下表面处理层12b和上表面处理层14a被加热到镀锌层被蒸发的温度处或者在此温度之上，并且然后产生锌气体22。

产生的锌气体22扩散进入间隙G2并且如图5E中虚线箭头指示从排出口28排出。因而，间隙G2中的锌气体22的压力足够低以至不会在焊接点18b处引起喷溅。结果，激光束焊接过程被稳定地执行，并且产生极好焊接质量的产品。

根据修改，如在图6中阴影线所示，激光束L1可以施加到工件12在开口16d内的部分以整体上加热开口16d内的该部分。因而可以降低第一工件12的刚性，因而使得容易形成间隙G2。

在上述实施方式中，第一工件12和第二工件14每个具有通过镀锌处理的上表面和下表面。然而，根据本发明的激光束焊接方法可有效地施加到至少一个叠覆表面的程度，即，下表面处理层12b和上表面处理层14a中的至少一个镀锌。

而且，在上述实施方式中，夹紧夹具16具有单个拱形排气口16e。然而，如由图7中虚线指示，夹紧夹具16可以具有多个排气口16e，例如，两个或多个排气口16e，其是通过从夹紧夹具16的底表面切掉一部分形成的，并且因而本发明不限于单个排气口16e。结果，可以设置与排气口16e数量一样多的排出口28即，多个排出端，并且间隙G2可以通过排出口28与夹紧夹具16的外部连通，用于更容易地排出锌气体22。

在上述实施方式中，工件是镀锌钢板形式。然而，工件可以是镀铝钢板、镀铬钢板等形式。

在采用根据本实施方式的激光束焊接方法的情况下，如上所述，具有期望的尺寸的用于扩散气体的间隙或者排出口形成在叠覆表面之间，而不管钢板的位置或形状或者钢板被夹紧的方式，用于扩散和排出当钢板被焊接时从表面处理层的金属中产生的气体。因而，防止喷溅和内部缺陷产生，并且可以用激光束稳定地焊接钢板，导致极好质量的产品。

根据本发明的激光束焊接方法不限于上述实施方式，而是在没有背离本发明的范围的情况下对其可做各种变化。

在本实施方式中，夹紧夹具具有限定在其固定器中的圆形(真正圆形)开口。然而，开口可以具有任何期望的形状，例如，椭圆形或多边形。

Claims

1.一种用于使用激光束(L1，L2)焊接彼此堆叠的第一工件和第二工件(12，14)的激光束焊接方法，第一工件和第二工件(12，14)包括具有重叠表面的金属板，所述重叠表面中的至少一个被表面处理，所述方法包括下述步骤：

第一步骤，用具有开口(16d)的夹紧夹具(16)夹紧第一工件(12)的围绕焊接点(18a)的部分；

第二步骤，在第一步骤以后，将所述激光束中的一种(L1)施加到焊接点(18a)以形成熔化区域(19)；

第三步骤，在第二步骤以后，将所述激光束中的所述一种(L1)施加到第一工件(12)的围绕熔化区域(19)的部分以形成被加热区域(20a)，因而在第一工件(12)和第二工件(14)的叠覆表面之间形成间隙(G1)；和

第四步骤，在第三步骤以后，将所述激光束中的另一种(L2)施加到焊接点(18a)以将第一工件(12)和第二工件(14)彼此焊接，并且将在将第一工件(12)和第二工件(14)彼此焊接期间从表面处理层(12b，14a)产生的气体(22)扩散到间隙(G1)中。

2.根据权利要求1所述的激光束焊接方法，其中夹紧夹具(16)具有与夹紧夹具(16)的外部连通的至少一个排气口(16e)，并且被加热区域(20b)包括对应于排气口(16e)的形成-缺失部分(26)。