CN102451955B - 镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法 - Google Patents

镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法 Download PDF

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Abstract

镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法，包括：由镀锌钢板加压成型两部件(10，20)，两部件包括在其相对表面将焊接到一起的细长接合区域(11，21)，沿两部件接合区域的至少一方(11)的纵向以预定间隔在该接合区域形成多个突起(1)；将两部件保持在接合区域彼此重叠的状态，使得在接合区域之间形成与突起高度对应的间隙(g)；将激光(2a)照射到两部件的重叠接合区域的一表面，使得重叠接合区域被激光能量熔化焊接(2)，伴随熔化产生的锌气体经由间隙(g)排出。加压成型包括通过沿与加压方向(P)相同的方向凸出的冲头(3)加工多个突起(1)，多个突起包括位于接合区域相对于加压方向的倾斜部分(11d，11e)的脊状突起(1a)，各脊状突起(1a)与接合区域的倾斜部分相对于加压方向的等高线(水平线)平行延伸。

Description

镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法
技术领域
本发明涉及镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法。
背景技术
考虑到耐腐蚀性，汽车的车身的很多部分中使用镀锌板。由镀锌板制成的用于形成车身部件的板被加压成型为三维形状并且在所述三维形状的外周部分处被焊接在一起，由此形成以强度上具有优势的中空截面为基础的车身结构。通常，这些车身板主要借助于点焊而被整合。然而，现在引入激光焊接作为允许以更高速度进行处理的可选技术。
已知的是，由于汽化锌(vaporized zinc)可能吹走熔化金属或作为气泡留在熔化金属中，所以当将镀锌板彼此紧密地重叠并且使用激光将镀锌板彼此焊接时，汽化锌可能导致诸如气孔等焊接缺陷。为了避免该问题，JP2571976B和JP10-216974A公开了如下技术：在任一镀锌板上形成突起，以形成在镀锌板彼此重叠的状态下用于排出锌蒸汽的间隙。
由于汽车的车身板通过加压成型而形成，所以在加压成型处理之后，通过利用配置在加压模内部的冲头使受压部件经受压印处理(embossing process)而在所述受压部件上形成突起。然而，当在原本设计为适用于点焊的部件上进行激光焊接时，所述部件并非设计为允许配置激光焊接所必需的突起。结果，存在由于有限的空间和接合表面上出现倾斜而不能布置突起的问题。还存在因为增加的突起而需要改变焊接位置的另一问题。
如果焊接位置被改变，则车身结构的强度性能和耐冲击性能被改变。由此，车身结构将需要再次经历性能确定试验。而且，新设计的部件不能直接利用以点焊为前提积累的设计数据。所述问题已经成为引入激光焊接的相当大的障碍。
而且，加压成型通常是单向加工，并且压印处理也沿与加压方向相同的方向执行。然而，汽车用的受压部件被形成为具有许多倾斜表面和弯曲表面的三维形状。因此，如果例如如图5的(A)所示在这些表面中的任一个表面上执行与加压方向P方向相同的压印处理(63)，则该处理不与被处理面71平行。
由此加工出的突起61在偏离冲头63的中央部63a的位置处具有实际的顶点61a。因此，顶点61a的凸出量(g')与偏差61e成比例地增大，并且如图5的(B)所示，在相配部件81搭接在突起61上的状态下不能形成适当的间隙(形成了比设计间隙g大的间隙g')。另外，当该突起61被夹紧在夹具64和65之间时，夹紧力不均匀地施加到相配部件81并且由于保持条件变得不稳定难以在接合表面之间维持均匀间隙。由此，不能获得良好的焊接质量。
发明内容
鉴于上述状况完成了本发明。本发明的目的是提供一种激光搭接焊方法，甚至当该方法应用于可以具有倾斜表面和弯曲表面的三维形状的受压部件的接合表面时仍能稳定地形成排出锌蒸汽用的均匀间隙，并且该方法能够获得良好的焊接质量。
为了解决上述问题，一种镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法包括如下步骤：由镀锌钢板加压成型两个部件，使得所述两个部件包括在所述两个部件的相对表面将要焊接到一起的细长的接合区域，并且沿所述两个部件的所述接合区域中的至少一个接合区域的纵向以预定间隔在该接合区域上形成多个突起；将所述两个部件保持在所述接合区域彼此重叠的状态，使得在所述接合区域之间形成与所述突起的高度对应的间隙；以及将激光照射到所述两个部件的重叠的所述接合区域的一个表面上，使得重叠的所述接合区域被所述激光的能量熔化和焊接，并且伴随熔化产生的锌气体经由所述间隙被排出，其中，所述加压成型的步骤包括通过在与加压方向相同的方向上凸出的冲头加工所述多个突起，并且所述多个突起包括脊状突起，各所述脊状突起位于所述接合区域的相对于所述加压方向倾斜的倾斜部分并且各所述脊状突起与所述接合区域的所述倾斜部分的相对于所述加压方向的等高线平行地延伸。
根据该方法，相对于加压方向的等高线甚至当接合区域向加压方向倾斜时也相对于加压方向保持平坦。因此，能够通过使用具有相对于加压方向平坦的脊线的冲头来加工平行于等高线延伸的脊状突起。而且，能够与接合区域的曲率或倾角无关地使脊状突起设置有沿着脊线的距离接合区域的恒定高度，使得甚至在受压部件的接合区域具有三维形状的情况下，也能够稳定地形成排出锌蒸汽用的均匀间隙。由此，能够获得良好的焊接质量。
所述接合区域的相对于所述加压方向倾斜的倾斜部分在所述加压成型的步骤中形成为与正交于所述加压方向的基准轴线的方向平行的可展曲面，并且各所述脊状突起均形成为沿所述基准轴线的方向延伸的脊状突起。
甚至在通过施加许多倾斜表面和弯曲表面而将受压部件形成为三维形状的情况下，只要通过使平钢板经受变形加工来制造受压部件，基于与正交于加压方向的基准轴线平行的可展曲面将受压部件形成为三维形状在成形性方面就是有利的。通过为部件的接合区域设置沿基准轴线延伸的脊状突起，能够稳定地形成具有高尺寸精度的间隙。而且，用于加工脊状突起的各冲头的脊线方向被设定为与基准轴线方向平行。因此，还有一个优点在于简化了机器构造。
各接合区域在所述加压成型的步骤中在与所述加压方向和所述基准轴线方向均交叉的方向上延伸，并且各所述脊状突起均形成为沿与所述接合区域的纵向正交的所述基准轴线的方向延伸的脊状突起。
通过如上所述地布局脊状突起，能够朝向接合区域的侧端即沿排出锌蒸汽的方向在接合区域之间稳定地形成均匀间隙，并且在不导致诸如气孔等焊接缺陷的情况下进行良好的激光焊接。而且，脊状突起在接合区域的纵向上需要的面积小。由此，能够在不影响经受激光照射的区域的布局的情况下形成突起。
各所述突起位于单个点之间，各所述单个点均等同于当点焊所述两个部件时的各个焊点，并且所述照射激光的步骤包括离散的单个激光扫描，各所述单个激光扫描沿着包围所述单个点的曲线扫描或以获得等同于所述单个点的焊熔面积的方式扫描。
如前所述，脊状突起在接合区域的纵向上需要的面积小。因此，能够在不影响等同于点焊用焊点的单个点的布局的情况下形成突起。由此，通过使单个点经受上述的单个激光扫描可以获得与点焊两个部件的情况等同的接合强度。以此方式，可以利用假定为点焊时积累的现有设计数据。这对于将激光焊接引入为代替点焊的可选技术来说是有利的。因为该技术中要求最小的激光扫描，所以较低的能耗是另一优点。同时，激光焊接不导致诸如点焊中所看到流向焊点的无效分路电流等问题。因此，还可以通过对单个点之间的空间增加激光扫描而局部地增强接合强度。
当两个部件是形成汽车的车身的板并且至少一个接合区域是沿着相应的一个板的外周设置的凸缘时，特别优选地进行根据本发明的激光搭接焊方法。
如上所述，根据本发明的镀锌板部件用的激光搭接焊方法，能够在包括很多倾斜区域和弯曲区域的三维形状的受压部件的接合区域之间稳定地形成用于排出锌蒸汽的均匀间隙，由此能够获得良好的焊接质量。而且，能够在要求最少焊接条件的情况下进行激光搭接焊，同时维持与通过点焊获得的性能和质量相同的性能和质量。因此，能够以低成本将激光搭接焊引入为代替点焊的可选技术。
附图说明
图1的(A)是示出彼此接合之前的要经受根据本发明的激光搭接焊的镀锌板部件的立体图，图1的(B)是彼此接合之后的镀锌板部件的沿着图1的(A)中的线A-A截取的截面图。
图2的(A)是沿着图2的(B)中的线B-B截取的截面图，图2的(B)是示出要经受根据本发明的激光搭接焊的镀锌板部件的前视图，图2的(C)和图2的(D)是单个激光焊接的放大图。
图3的(A)是示出处于水平布置状态的要经受根据本发明的激光搭接焊的镀锌板部件的立体图，图3的(B)是其中的突起的放大图。
图4的(A)和图4的(B)是沿着图3的(B)中的线C-C截取的要经受根据本发明的激光搭接焊的镀锌板部件的截面图；图4的(A)示出压印处理；图4的(B)示出夹紧状态。
图5的(A)和图5的(B)是与图4的(A)和图4的(B)对应的比较例中的镀锌板部件的截面图，图5的(A)示出压印处理，图5的(B)示出夹紧状态。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1的(A)示出彼此接合之前的位于汽车的后门洞下方的后裙部10以及要接合到后裙部10的上外表面侧的尾端构件，后裙部10和尾端构件均代表要经受根据本发明的激光搭接焊的镀锌板部件的示例。同时，图1的(B)示出彼此接合后的镀锌板部件。
后裙部10的上缘部分具有凸缘12。凸缘12沿车辆宽度方向延伸并且朝向车辆后方突出。凸缘12的下侧形成有沿车辆宽度方向延伸的细长接合区域11。在接合区域11和凸缘12之间形成有沿车辆宽度方向延伸的槽形结构14。槽形结构14具有朝向车辆后方开口的U形截面。实际上，后裙部10的接合区域11下方的部分是形成后裙部的部分，所述部分的车辆宽度方向上的中央部形成鼓起部分13，鼓起部分13朝向车辆后方鼓起从而形成备胎箱(未示出)的后壁部分。
尾端构件20具有凸缘21和22。凸缘22形成于尾端构件20的上缘部分。凸缘22沿车辆宽度方向延伸并且朝向车辆后方突出。凸缘21形成于尾端构件20的下端部分，沿车辆宽度方向延伸并且朝向车辆下方突出。于是，如图1的(A)和图1的(B)所示，尾端构件20的凸缘22搭接于后裙部10的凸缘12的下表面上，并且尾端构件20的凸缘21搭接于后裙部10的接合区域11上。通过使重叠部分经受如后所述的激光搭接焊，在后裙部10的槽形结构14和尾端构件20之间形成沿车辆宽度方向延伸的闭合截面15。同时，焊接接合的凸缘12和22一起形成沿着后门洞的下缘延伸的后门洞凸缘的一部分。
为了在相应的重叠部分11、21以及12、22之间引入用于排出激光搭接焊时所产生的锌蒸汽的间隙，大量的突起1(1a、1b)在沿接合区域11和凸缘12的纵向设置间隔的状态下形成于后裙部10的凸缘12的下表面和接合区域11。
这些突起1(1a、1b)形成在由图2的(A)和图2的(B)中的附图标记2e表示的单个点之间，即，形成在与当将后裙部10和尾端构件20点焊在一起时所用的各个焊点对应的单个点2e之间，从而离开单个点2e。当进行激光焊接时，如图2的(C)和图2的(D)所示，在各单个点2e上进行单个激光扫描2c、2d(将在后面说明)。以此方式，可以获得与点焊两个部件的情况等同的接合强度。
通过加压成型镀锌板坯料来形成后裙部10，然后通过使用安装到压印处理用的加压模的冲头3形成突起1(1a、1b)。虽然图4的(A)与实际处理相比倒置地示出，但是通过将后裙部10设定在包括模32的下模上，其中模32在对应于处理区域的位置具有钻孔，然后从上模31(保持块)中的钻孔送出冲头3，使得冲头3将钢板推入模32的孔中来形成突起1(1a，1b)。
如前所述，由于鼓起部分13形成于后裙部10的下半部，所以沿着该鼓起部分13的上端延伸的接合区域11也形成为三维形状。具体地，如图1的(A)和图2的(A)所示，最突出地朝向车辆后方鼓起的第一平坦表面11a形成于接合区域11的车辆宽度方向上的中央部，并且第二平坦表面11c在台阶表面11b介于第一平坦表面11a和第二平坦表面11c之间的状态下形成于第一平坦表面11a的两侧(在图2的(A)和图2的(B)中仅示出右侧)。另外，大约30度倾角的第一倾斜表面11d和大约5度倾角的第二倾斜表面11e在第二平坦表面11c的两侧平滑地连续。
后裙部10基本上具有对称的三维形状，并且接合区域11的倾斜表面11d和11e、台阶表面11b以及过渡部分的弯曲表面由与沿车辆的竖直方向延伸的对称轴线(图2的(B)中的附图标记10c)平行的可展曲面(developable surface)(包括平坦表面)形成。因此，这些表面在与对称轴线10c平行的方向上相对于加压方向P具有相同高度。即，接合区域11上的任何位置的相对于加压方向P的等高线(contour line)与对称轴线10c平行。
因此，设置于接合区域11的倾斜表面11d、11e上的突起1通过使用如图4的(A)所示的具有V形截面的带尖端的冲头3的压印处理而形成，并且由此形成为如图3的(B)所示的具有平行于对称轴线10c地延伸的脊线1c的脊状突起1a。通过形成如上所述的脊状突起1a，能够与接合区域11(11d，11e)的倾角无关地获得脊线1c方向上的均匀高度，并且如图4的(B)所示，能够在相配部件的凸缘21和搭接于凸缘21上的接合区域之间形成均匀的间隙g。而且，如图4的(B)所示，当在突起1a的位置处将接合区域11(11d)和相配部件的凸缘21保持在夹具4和5之间时，能够获得稳定的支撑状态。
另一方面，设置于接合区域11的平坦表面11a、11c上的各突起1形成为具有平坦圆形顶面的梯形突起1b。以此方式，能够在宽范围内稳定地支撑相配部件的凸缘21，甚至当通过延长突起1b之间的间隔而减少要形成的突起1b的数量时也能在重叠部分之间维持均匀的间隙g。同时，后裙部10的凸缘12形成有位于中央的平坦表面12a以及平坦表面12c，其中平坦表面12c在台阶部分12b介于平坦表面12a和12c之间的状态下在平坦表面12a的两侧(在图2的(A)和图2的(B)中仅示出右侧)延伸。因此，凸缘12上的突起1除了邻近各台阶部分12b的两个脊状突起1a外均形成为梯形突起1b。
如上所述，后裙部10的根据三维形状设置有两种突起1a、1b的接合区域11和凸缘12与尾端构件20的凸缘21和22相应地搭接以在重叠部分之间形成预定的间隙g。而且，在沿着重叠部分在多个位置夹紧后裙部10和尾端构件20的状态下，图2的(A)和图2的(B)中示出的单个点2e经受如图2的(C)和图2的(D)所示的单个激光扫描2c、2d。
图2的(C)所示的单个激光扫描2c表示沿包围各单个点2e的圆形(曲线形或C形)的激光扫描。同时，图2的(D)所示的单个激光扫描2d表示获得与单个点2e等同的焊熔面积(beadarea)的长度为L的直线激光扫描。根据焊接区域的形状或空间选择性地进行所述激光焊接。虽然不特别地限制，但是由于以恒定形状重复地进行单个激光扫描2c、2d的构造，利用光学扫描激光焊机的远程扫描器焊接是优选的，其中光学扫描激光焊机利用电扫描器(galvano scanner)。
在本实施方式中，各脊状突起1a被设定为高度8mm、宽度1mm，而各梯形突起1b设置有直径4mm的顶面。同时，限定接合区域之间的间隙g的各突起1a和1b的高度均设定在g＝0.15±0.05mm(0.1mm至0.2mm)的范围，这小于镀锌板的厚度(0.6mm至1.2mm)的一半。与此同时，至于各单个激光扫描2c和2d，对点焊中典型的直径6mm的单个点2e执行直径7mm的圆形单个激光扫描2c(同时设置等于1mm的非连续部分)或长度L等于17mm的直线单个激光扫描2d。以此方式，获得良好的、没有锌蒸汽引起的缺陷的焊接质量。
实施方式已经说明了在由与对称轴线10c的方向平行的可展曲面形成的接合区域11上形成与对称轴线10c的方向平行地配置的脊状突起1a的情况。然而，倾斜表面和弯曲表面的倾斜方向不限于该构造。通过沿与倾斜方向和加压方向P正交的方向配置脊状突起1a，即，沿相对于加压方向P的等高线的方向配置脊状突起1a，能够与接合区域的倾角无关地获得恒定的间隙g。该情况用的冲头3仅需要具有与上述相同的形状。由于脊状突起1a在排列方向上需要的面积小，所以能够在接合区域上的有限空间和邻近任一台阶部分(11b，12b)的区域中形成突起1a，因此突起1a在考虑形状时具有适用范围宽的优点。
实施方式已经说明了焊接接合汽车的后裙部10和尾端构件20的示例。然而，根据本发明的激光搭接焊方法还优选地适用于焊接接合汽车的其他车身板、组成部件、加强构件和支架，而且，适用于多种其他的加压成型为三维形状的镀锌板部件。

Claims (5)

1.一种镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法，其包括如下步骤：
由镀锌钢板加压成型三维形状的两个部件，使得所述两个部件包括相对于加压方向倾斜的倾斜表面和在所述两个部件的相对表面将要焊接到一起的细长的接合区域，并且沿所述两个部件的所述接合区域中的至少一个接合区域的纵向以预定间隔在该接合区域上形成多个突起；
将所述两个部件保持在所述接合区域彼此重叠的状态，使得在所述接合区域之间形成与所述突起的高度对应的间隙；以及
在所述突起之间将激光照射到所述两个部件的重叠的所述接合区域的一个表面上，使得重叠的所述接合区域被所述激光的能量熔化和焊接，并且伴随熔化产生的锌气体经由所述间隙被排出，
其中，所述加压成型的步骤包括通过在与加压方向相同的方向上凸出并且具有V形截面的带尖端的冲头形成所述多个突起，由此所述多个突起形成为脊状突起，各所述脊状突起位于所述接合区域的相对于所述加压方向倾斜的倾斜部分并且各所述脊状突起与所述接合区域的所述倾斜部分的相对于所述加压方向的等高线平行地延伸，所述保持步骤包括利用夹具在所述脊状突起的位置处夹紧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合区域的相对于所述加压方向倾斜的倾斜部分在所述加压成型的步骤中形成为与正交于所述加压方向的基准轴线的方向平行的可展曲面，并且各所述脊状突起的脊线均平行于所述基准轴线的方向。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接合区域包括在所述加压成型的步骤中在与所述加压方向和所述基准轴线方向均交叉的方向上延伸的倾斜部分，并且各所述脊状突起均形成为沿与所述接合区域的纵向正交的所述基准轴线的方向延伸的脊状突起。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，各所述突起位于单个点之间，各所述单个点均等同于当点焊所述两个部件时的各个焊点，并且所述照射激光的步骤包括离散的单个激光扫描，各所述单个激光扫描沿着包围所述单个点的曲线扫描或以获得等同于所述单个点的焊熔面积的方式扫描。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个部件是形成汽车车身的板，并且所述接合区域中的至少一个接合区域是沿着相应的一个所述板的外周设置的凸缘。
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