CN102554469B - 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个部件(10，20)，两个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)，沿两个部件的接合区域的至少任一方(11)的纵向以预定间隔在该接合区域形成多个突起(1)；将两个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的高度对应的间隙(g)；将激光(2a)照射到两个部件的重叠接合区域的一个表面，使得重叠接合区域被激光能量熔化和焊接(2)，伴随熔化产生的锌气体经由间隙排出。各突起位于单个点(2e)之间，各单个点等同于两个部件被点焊时的各个焊点，各突起形成为沿与接合区域(11，12)的纵向正交的方向延伸的脊状(1a)，照射激光步骤包括沿包围单个点(2e)的曲线扫描的离散单个激光扫描(2c)。

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，更具体地，涉及适合作为代替点焊而执行的可选技术的激光搭接焊方法。
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，JP10-216974A和JP2571976B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，在对原本设计为适用于点焊的部件采用激光焊接的情况下，因为所述部件并非设计为允许配置激光焊接所必需的突起，所以发生下面的问题。例如，由于有限的空间和接合面上出现倾斜而不能布置突起，或者因为增加的突起而需要改变焊接位置。
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。因此，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。
发明内容
鉴于上述状况完成了本发明，并且本发明的目的是提供能够在基于点焊的接合条件下获得与点焊的性能相同的性能的激光搭接焊方法，并且该方法适合作为代替点焊而执行的可选技术。
为了解决上述问题，镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法包括下述步骤：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，各所述突起位于单个点之间，各所述单个点均等同于当所述两个部件被点焊时的各个焊点，并且多个所述突起包括沿与所述接合区域的纵向正交的方向延伸的脊状突起，并且照射激光的步骤包括均沿着包围所述单个点的曲线扫描的离散的单个激光扫描。
根据该方法，上述设置在用于进行单个激光扫描的单个点之间的多个突起形成为沿与接合区域的纵向正交的方向延伸的脊状突起，由此，能够朝向接合区域的侧面外侧在接合区域之间稳定地形成均匀的间隙，从而能够排出锌蒸汽，并且能够良好地实现激光焊接而不导致诸如气孔等焊接缺陷。
而且，脊线状突起在单个激光扫描的配置方向上要求小的面积，并且能够不影响等同于点焊用的焊点的单个点的布局地形成。沿着包围单个点的曲线的单个激光扫描能够在单个点的基本等同面积内进行，由此，可以获得与点焊两个部件的情况等同的接合强度。
结果，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的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。
在根据本发明的激光搭接焊方法中，优选的是，多个所述突起还包括均具有平坦顶面的梯形突起；彼此邻近的所述脊状突起之间的间隔等于或小于所述单个点的直径的五倍；彼此邻近的所述脊状突起和所述梯形突起之间的间隔以及彼此邻近的所述梯形突起之间的间隔两者均等于或小于所述单个点的直径的十倍。
在将两个部件保持在重叠状态的步骤中，如果相互邻近的脊线状突起之间的间隙等于或小于单个点的直径的五倍，则甚至例如邻近的脊线状突起之间的接合区域由薄钢板制的凸缘形成时，也可以避免由于接合区域的翘曲(warpage)引起的间隙不足，从而避免焊接时锌蒸汽的排出障碍。另外，当一个部件的接合区域上的多个单个点之间形成连续平坦部分时，可以通过形成梯形突起而不是脊状突起在将两个部件保持为重叠状态的步骤中提高相对于另一部件的接合区域的支撑稳定性。由此，能够通过省略邻近梯形突起的脊状突起来形成间隙，从而减少要形成的突起的数量。
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，根据本发明的镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法，能够在包括很多倾斜面和弯曲面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钢板制部件的立体图，图1的(B)是彼此接合之后的镀锌钢板制部件的沿着图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钢板制部件的前视图，图2的(C)是单个激光焊接的放大图。
图3的(A)是示出脊线状突起的压印处理的截面图，图3的(B)是示出脊线状突起的立体图，图3的(C)是示出脊线状突起的夹紧状态的截面图。
图4的(A)是示出梯形突起的截面图，图4的(B)是示出梯形突起的立体图。
图5的(A)是示出邻近台阶部分的脊状突起并且示出单个激光扫描的平面图，图5的(B)是沿着图5的(A)中的线B-B截取的截面图。
图6的(A)是示出邻近台阶部分的梯形突起并且示出单个激光扫描的平面图，图6的(B)是沿着图6的(A)中的线B-B截取的截面图。
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(或行李箱盖洞)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钢板制部件的示例。同时，图1的(B)示出彼此接合后的镀锌钢板制部件。
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激光搭接焊，如后所述，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，在各单个点2e上进行单个激光扫描2c，如图2的(C)所示，单个激光扫描2c围绕单个点2e画圆形(曲线形或C形)。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。
在点焊情况下，在单个点2e的整个内部发生接合，而在上述单个激光扫描2c中，仅单个点2e的周围被接合而不引起单个点2e内部的任何接合。但是，激光焊接实现比点焊深的金属熔化。因此，可以确定通过进行上述圆形的单个激光扫描2c能够获得至少等同于通过点焊所获得的强度的接合强度。
这里，也可以借助于进行曲线形或直线形单个激光扫描而不进行上述的单个激光扫描2c以获得与单个点2e等同的焊熔面积(bead area)，来获得至少与通过点焊所获得的强度等同的接合强度。然而，如果以从单个点2e显著地突出的形状进行单个激光扫描，则因为所述构造实际上与移位单个点2e等同，所以强度性能可能改变。该问题还与突起1(1a、1b)的形状相关。后面将说明这一点。
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来形成突起1(1a、1b)。虽然图3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11推入模32的孔中来形成突起1(1a)。
根据接合区域11和凸缘12的形状以及与单个点2e的位置关系，各突起1(1a、1b)形成为如图3的(A)至图3的(C)以及图5的(A)和图5的(B)所示的脊状突起1a或形成为如图4的(A)和图4的(B)所示的梯形突起1b。
如图3的(B)所示，脊状突起1a包括沿与细长的接合区域11和凸缘12的纵向正交的方向延伸的脊线1c。通过使用具有V状截面的尖端的冲头3的压印处理形成脊状突起1a而获得脊线1c。该脊状突起1a所需的最小面积是沿接合区域11和凸缘12的纵向要求的面积，因此脊状突起1a适用于因接合区域11或凸缘12的形状而不能确保足够空间的区域。而且，优点还在于无论倾斜面11d、11e的倾角如何都可以在脊线1c的方向上获得均匀高度g。
同时，如图4的(B)所示，梯形突起1b包括平坦开阔的圆形顶面。该圆形顶面是通过使用具有平坦圆形顶端面的冲头(未示出)的压印处理形成梯形突起1b而获得的。该梯形突起1b的优点在于通过使用平坦的顶面能够稳定地支撑相配部件20。因此，优点在于，甚至通过延长梯形突起1b的间隔，并且由此与脊状突起1a定位为彼此相邻的情况相比减少要形成的突起1的数量，在重叠部分处仍能维持均匀的间隙g。这里，梯形突起1b也可以形成为除了圆形以外的形状。然而，考虑到可加工性，圆形具有优点。
后裙部10的设置有上述相应突起1a、1b的接合区域11和凸缘12搭接在尾端构件20的凸缘21和22上以在重叠部分中形成预定间隙g。而且，在后裙部10和尾端构件20沿着重叠部分在多个位置被夹紧的状态下，图2的(A)和图2的(B)中示出的各单个点2e顺次经受单个激光扫描2c。因此，后裙部10和尾端构件20被彼此焊接接合。虽然不特别地限制，但是由于重复多次地以恒定形状进行单个激光扫描2c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使用电扫描器(galvano scanner)。
接着，将具体说明相应的突起1a和1b的布局。在图2的(A)和图2的(B)示出的后裙部10中，因为单个点2e的较大间隔，梯形突起1b形成于接合区域11的平坦表面11a和11c以及形成于凸缘12的平坦表面12a和12c。自然，脊状突起1a可以替代梯形突起1b形成于这些相应的表面。不过，在那样的情况下，优选对凸缘12的平坦表面12c等的例如梯形突起1b之间存在大间隔的部分添加脊状突起1a或梯形突起1b。换言之，在该部分中由于连续地形成梯形突起1b而省略了一些突起。
另一方面，脊状突起1a形成于接合区域11的倾斜面11d和11e而不考虑单个点2e的间隔。在该部分中不能形成梯形突起1b。如果在该部分中代替脊状突起1a形成梯形突起1b，则突起的实际高度由于倾斜面11d和11e的倾斜而改变。因此，不能获得期望的间隙。
不能在接合区域11的台阶部分11b和凸缘12的台阶部分12b形成突起。另外，由于这些形状转变部分11b、12b在强度方面重要，所以焊点(单个点2e)布置得较靠近这些部分。如果邻近任何形状转变部分地，或者具体地，邻近例如图6的(A)和图6的(B)中示出的台阶部分12b地，形成梯形突起1b，则不能执行包围单个点2e的单个激光扫描2c。由于梯形突起1b的顶面被压靠在相配部件(凸缘22)上而不设置任何间隙，所以不能排出由激光照射产生的锌气体。
如图6的(A)和图6的(B)中的附图标记2c′所示，如果离开梯形突起1b地进行单个激光扫描以避免上述情形，则焊点(单个激光扫描2c′)离开台阶部分12b。如图4的(A)所示，需要由直径dw＝5mm限定的区域来形成直径d＝4mm的梯形突起1b。而且，梯形突起1b需要从台阶部分12b的上端离开大约1mm以稳定地压印梯形突起1b。结果，单个激光扫描2c′需要在离开台阶部分12b的上端至少6mm处进行。
因此，在接合区域11的台阶部分11b和凸缘12的台阶部分12b处，脊状突起1a分别形成于接近台阶部分11b的两侧的平坦表面11a、11c的一部分以及接近台阶部分12b的两侧的平坦表面12a、12c的一部分。如图5的(A)和图5的(B)所示，在脊状突起1a的情况下，甚至在离开台阶部分12b的上端1mm的位置处压印突起1a时，仍能够在离开台阶部分12b的上端2mm至3mm的位置处进行单个激光扫描2c。在典型的点焊情况下设置加工边缘，宽度w等于大约1mm的脊状突起1a可以形成于该加工边缘内。由此，不需要使单个激光扫描2c的位置从单个点2e的原始位置改变。
除了上述的诸如台阶部分11b和12b等形状转变部分以外，可以在邻近凸缘的端部的焊点(单个点2e)的附近设置脊状突起1a而不改变单个激光扫描2c的定位或不改变强度性能。
在本实施方式中，当各脊状突起的长度等于8mm、宽度w等于1mm，各梯形突起1b的顶面的直径d等于4mm，并且突起1a、1b的高度均等于0.15mm时，需要将接合区域之间的间隙维持在g＝0.15±0.05mm(0.1mm至0.2mm)的范围以获得良好的焊接质量。在使用板厚在0.6mm至1.2mm范围的镀锌板的情况下，当脊状突起1a定位成彼此邻近时，通过将间隔D1设定为30mm以下，接合区域之间的间隙g能够维持在0.1mm至0.2mm的范围。
另一方面，当脊状突起1a和梯形突起1b彼此邻近以及当梯形突起1b彼此邻近时，仅通过将间隔D2设定为60mm以下(间隔D1的长度的两倍)，接合区域之间的间隙g就能够维持在0.1mm至0.2mm的范围。与典型点焊情况下适用于单个点2e的6mm直径相比，这些数字分别为五倍以下(关于D1)和十倍以下(关于D2)。因此，当在跨过等于上述间隔D2的部分上确保平坦表面时，通过设置梯形突起1b能够减少要形成的突起的数量，并且能够在彼此邻近的突起之间进行多次(session)单个激光扫描2c。
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钢板制部件。

Claims (3)

1.一种镀锌钢板制部件用的激光搭接焊方法，所述方法适合作为代替点焊而执行的可选技术，所述方法包括如下步骤：
由镀锌钢板加压成型为三维形状的两个部件，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，其中，各所述突起位于单个点之间，各所述单个点具有等同于假定所述两个部件被点焊时的各个焊点的面积，以及多个所述突起包括沿与所述接合区域的纵向正交的方向延伸的脊状突起；
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，
照射激光包括均沿着包围所述单个点的曲线扫描的离散的单个激光扫描，各所述单个点均等同于假定所述两个部件被点焊时的各个焊点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个所述突起包括除了所述脊状突起以外的、均具有平坦顶面的梯形突起；彼此邻近的所述脊状突起之间的间隔等于或小于所述单个点的直径的五倍；彼此邻近的所述脊状突起和所述梯形突起之间的间隔以及彼此邻近的所述梯形突起之间的间隔两者均等于或小于所述单个点的直径的十倍。
3.根据权利要求1或2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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