CN104334349A - 具有焊接凹口的金属板材件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

金属板材件(12)包括基础材料层(14)和一个或多个中间材料层和涂覆材料层(16、18)以及沿着该金属板材件的边缘区域(20)形成的焊接凹口(30)。涂覆材料层和中间材料层的至少一部分在焊接凹口处被去除，以使得来自这些层的某些成分在后续沿着边缘区域形成焊接接头时不会影响附近焊接接头(22)的完整性。可使用包括激光烧蚀的多种烧蚀方法来形成焊接凹口。

Description

具有焊接凹口的金属板材件及其形成方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年5月25日提交的第61/651,645号美国临时申请、于2012年6月29日提交的第61/666,388号美国临时申请、于2012年9月17日提交的第61/701,909号美国临时申请、于2012年11月30日提交的第61/731,497号美国临时申请、以及于2013年3月14日提交的第61/784,184号美国临时申请的权益，并且它们的整体内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体涉及金属板材件，更具体地，涉及涂覆有一个或多个薄材料层并且在焊接过程中使用过程的金属板材件。

背景技术

为了提高对腐蚀、结垢和/或其他过程的抵抗力，由高强度钢合金或可硬化钢合金制成的金属板材现在制造成具有一个或多个薄涂覆材料层，诸如铝基层和锌基层。虽然这些涂覆材料层可赋予金属板材期望的品质，但是它们的存在也会污染焊接，从而降低焊接强度、完整性等。如果涂覆的金属板材件对接焊接或搭接焊接至另一个金属板材件则尤甚。

发明内容

根据一个或多个实施方式，焊接过程中使用的金属板材件包括基础材料层、涂覆材料层和中间材料层。中间材料层位于基础材料层与涂覆材料层之间，并且包括具有来自基础材料层和涂覆材料层中每个的至少一种成分的金属间化合物。金属板材件包括沿着待焊接的金属板材件的边缘进行定位的边缘区域。边缘区域包括至少部分地由焊接凹口表面限定的焊接凹口，其中，焊接凹口表面包括来自涂覆材料层和中间材料层二者的材料。

根据一个或多个其他实施方式，在金属板材件中形成焊接凹口的方法包括以下步骤：(a)提供在边缘区域处具有多个材料层的金属板材件；(b)将激光束指向金属板材件的边缘区域；以及(c)在金属板材件的边缘区域用激光束从多个材料层中的至少一个去除材料，以使得在去除的材料不再存在之处形成焊接凹口。

附图说明

下文中将结合附图对优选的示例性实施方式进行描述，其中，相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：

图1A至1C是接合金属板材件的常规焊接接头的剖视图，其中，金属板材件在焊接之前不具有在其中形成的焊接凹口；

图2是示例性金属板材件的边缘区域的立体图，该示例性金属板材件包括在其相对两侧上的焊接凹口；

图3是图2的金属板材件的一部分的剖视图，示出了位于金属板材件的相对两侧上的涂覆层、中间材料层和焊接凹口；

图4是图3的一部分的放大视图，示出了材料层之间的不规则表面；

图5是包括焊接凹口的示例性金属板材件的剖视图，其中去除了涂覆材料层和中间材料层；

图6是包括焊接凹口的另一个示例性金属板材件的剖视图，其中去除了涂覆材料层、中间材料层和一部分基础材料层；

图7是包括偏轴焊接凹口的另一示例性金属板材件的剖视图；

图8是包括不同的偏轴焊接凹口的另一示例性金属板材件的剖视图；

图9是包括具有不均匀深度的焊接凹口的另一示例性金属板材件的剖视图；

图10是包括具有不均匀深度的不同的焊接凹口的另一示例性金属板材件的剖视图；

图11是包括具有不均匀深度和多个相交表面的焊接凹口的另一示例性金属板材件的剖视图；

图12是用于形成焊接凹口的示例性激光烧蚀过程的立体图；

图13是具有通过激光烧蚀形成的焊接凹口的示例性金属板材件的放大立体图；

图14是具有由不同的激光通过激光烧蚀形成的焊接凹口的另一示例性金属板材件的放大立体图；

图15是具有通过机械烧蚀过程形成的焊接凹口的另一示例性金属板材件的放大立体图；

图16是示例性双激光束烧蚀过程的立体图；

图17是图16的激光烧蚀过程的剖视图；

图18是另一示例性激光烧蚀过程的剖视图，其中激光光点比期望的焊接凹口的宽度窄；

图19是可通过图18的激光烧蚀过程形成的焊接凹口的放大立体图；

图20是同样可通过图18的激光烧蚀过程形成的焊接凹口的放大立体图；

图21是另一示例性激光烧蚀过程的立体图，其中该过程使用具有非零入射角的激光形成焊接凹口；

图22是来自图21的激光烧蚀过程的剖视图，其中该过程在金属板材件的单一侧上形成偏移焊接凹口；

图23是来自图21的金属板材件的边缘区域在形成偏移焊接凹口之前的放大剖视图；

图24是在金属板材件上执行的另一示例性激光烧蚀过程的立体图，其中该过程使用多个激光器来形成焊接凹口；

图25是来自图24的激光烧蚀过程的剖视图，其中该过程用多个非重叠激光形成焊接凹口；

图26是来自图24的激光烧蚀过程的另一剖视图，其中该过程用多个重叠激光形成焊接凹口；

图27示出了能够与图26的激光烧蚀过程一同使用的重叠的激光光点或足迹以及相对应的能量分布；

图28示出了能够与图26的激光烧蚀过程一同使用的重叠的激光光点或足迹以及另一相对应的能量分布；以及

图29是在脱离金属卷的金属板材件上执行的另一示例性激光烧蚀过程的立体图，其中该过程使用多个激光器以在金属板材件的相对两侧上形成焊接凹口。

具体实施方式

本文中公开的金属板材件可制成具有沿着一个或多个边缘进行定位的焊接凹口，其中焊接凹口的特征在于，不存在某些材料成分，以使得它们不会不可接受地污染附近的焊接处。例如，金属板材件可进行生产，以使得在沿着金属板材边缘进行定位的焊接凹口处减少或去除来自一个或多个涂覆材料层的材料。这转而可以防止由沿着金属板材边缘形成的附近焊接接头的涂覆材料层导致的污染，从而在后继过程或者在焊接接头的使用寿命期间保持焊接接头的强度和/或耐久性。

首先参照图1A至图1C，示出了与制造常规的拼焊坯件10相关的一些步骤，其中，常规的拼焊坯件10包括以边缘对边缘的方式激光焊接在一起的厚金属板材件12和薄金属板材件12’。根据本示例，金属板材件12、12’中每个都具有基础材料层14和覆盖基础材料层的相对表面的多个薄材料层16、18。如本领域的技术人员所理解的那样，可发现在金属板材坯料上存在许多材料层，包括多种类型的表面处理，诸如铝基材料层和锌基材料层、油和其他抗氧化物质、来自制造或金属处理过程的污染物以及氧化层，此处仅举几个例子。两个金属板材件一紧靠在一起，则使用激光束或其他焊接工具来熔融位于边缘区域20、20’中的板材金属中的一些，以使得一定量的薄材料层16、18变为嵌入所产生的焊接接头22内。除非首先进行去除，否则这些不期望的成分可能对焊接接头的整体强度和品质带来不良影响。

参照图2，示出了示例性金属板材件12，示例性金属板材件12可以沿着边缘区域20焊接至相邻件。金属板材件12包括相对的第一侧24和第二侧26以及沿着待焊接的金属板材件的边缘28进行定位的边缘区域20。图2中示出的具体边缘区域20包括两个焊接凹口30、30’，其中两个焊接凹口沿着金属板材件12的相对两侧24、26上的边缘区域延伸。每个焊接凹口30、30’都由彼此交叉或接合的第一凹口表面32和第二凹口表面34限定。虽然示出了沿着单个的、直线边缘区域20大体垂直的第一凹口表面32和第二凹口表面34，但是焊接凹口可以以多种方式配置。例如，焊接凹口可以包括一个或多个偏轴凹口表面，具有不同于同一金属板材件的另一焊接凹口的尺寸，形成为不同于另一焊接凹口的边缘区域的一部分，和/或形成为沿着金属板材件的轮廓边缘进行定位的边缘区域的一部分，仅举几个可能性。在附图中示出了这些不同的实施方式中的一些。

图3是图2的金属板材件12的边缘区域20的剖视图。所示的金属板材件12包括多个材料层，该多个材料层包括基础材料层14、中间材料层16和涂覆材料层18。在本实施方式中，基础材料层14是中央或核心材料层(例如，钢芯)，并且被夹在中间材料层16和涂覆材料层18之间。基础材料层14构成金属板材件12的大部分厚度T，并且由此可以显著有助于提高金属板材件的机械性能。涂覆材料层18位于基础材料层14的相对表面上方，并且是金属板材件12的最外层。每个涂覆材料层18都相对于基础材料层14相对薄，并且可以进行选择以增强金属板材件的一个或多个特性(例如，耐腐蚀性、硬度、重量、成型性、外观等)。还可以为使用或与后续过程(诸如热处理或互扩散过程)的兼容性选择涂覆材料层18。

在本实施方式中，每个中间层16都位于基础材料层14与多个涂覆材料层18中的一个之间，并且与基础材料层14和多个涂覆材料层18中的一个相接触。在一个实施方式中，中间材料层16包括与紧邻层14、18中每个一样的至少一种成分，诸如原子元素或化学化合物。中间材料层16可以是基础材料层14与涂覆材料层18的反应产物。例如，浸涂过程可以在基础材料层与涂覆层材料的熔池的界面处产生化学反应，并且反应产物为中间层16，其中，在浸涂过程中基础材料层浸泡在涂覆层材料的熔池中或通过该熔池。在这种浸涂过程的一个具体示例中，基础材料层14由高强度钢合金或可硬化钢合金制成，并且涂覆材料层18为铝合金。铝合金的熔池在基础材料层的表面与基础材料层反应以形成中间材料层16，中间材料层16包括铁-铝金属间化合物(Fe_xAl_y)，诸如Fe₂Al₅。中间层可以在较靠近基础材料层14处具有较高含量的基础材料层成分(例如，铁)，并且在较靠近涂覆材料层18处具有较高含量的涂覆材料层成分(例如，铝)。

虽然在图3中示为具有恒定厚度的完美平坦层，但是如图4的放大视图中所示，中间材料层16沿着其相对表面可以是不规则的。还应理解的是，中间材料层16在整个构成中未必是均匀的，也未必是基础材料层与涂覆材料层的反应产物。中间材料层16自身可以包括多于一个的材料层，可以是不同材料的不均匀混合物、或者可以在其整个厚度中具有成分梯度，此处仅举几个例子。在另一示例中，中间层包括连续或不连续的氧化层，如能够将基础材料层暴露在环境中形成的基础材料层14的氧化物(例如，铝氧化物、铁氧化物等)。金属板材件12还可以包括其他附加材料层。

如图3中所示的、在汽车和其他行业中形成主体或结构组件的有用的多层金属板材件的一个具体示例为涂覆的钢产物，其中，在涂覆的钢产物中，基础材料层14由钢以其多种可能的组成中的任一组成制成。在一个具体实施方式中，基础材料层14是高强度钢合金或可硬化钢合金，诸如硼钢合金、双相钢、压力硬化钢(PHS)或高强度低合金(HLSA)钢。对于这种材料，虽然就其重量而言强度高，但是经常要求热处理过程来获得高强度性质和/或仅能够在高温下形成。涂覆材料层18可以进行选择以帮助防止热处理期间的氧化，以比基础材料14层的重量轻，和/或以在后续的热处理期间与金属板材件12的其他层互相扩散。在一个实施方式中，涂覆材料层18是铝(Al)合金，诸如铝-硅(Al-Si)合金。用于涂覆材料层18的其他可能的组成包括纯铝或锌以及其合金或化合物(例如，在底层材料进行镀锌的情况下)。在基础材料层14是钢并且涂覆材料层18包括铝的情况下，中间材料层16可以包括金属间化合物形式的铁和铝，诸如FeAl、FeAl₂、Fe₃Al、Fe₂Al₅或者其各种组合物。中间材料层16还可以包括来自相邻层的成分的合金。

对于基础材料层14，示例性材料层厚度范围为约0.5mm至约2.0mm，对于中间层16，示例性材料层厚度范围为约1μm至约15μm，对于涂覆材料层18，示例性材料层厚度范围为约5μm至约100μm。对于基础材料层14，优选的材料层厚度范围为0.5mm至约1.0mm，对于中间层16，优选的材料层厚度范围为约5μm至约10μm，对于涂覆材料层18，优选的材料层厚度范围为约15μm至约50μm。在一个实施方式中，中间材料层16和涂覆材料层18的组合厚度处于约15μm至约25μm的范围，并且中间材料层为该组合厚度的约20至30％。例如，层16、18的组合厚度可以为约20μm，其中中间材料层为约4-6μm厚度，涂覆材料层构成组合厚度的剩余部分。当然，这些范围是非限制性的，因为各个层厚度取决于特定于应用和/或所采用的材料类型的若干因素。例如，基础材料层14可以是除了钢以外的材料，诸如铝合金、镁合金、钛合金或者其他适当的材料。本文中描述的焊接凹口可以与比图中所示更多或更少的材料层一同使用。技术人员还应理解的是，附图未必按比例，并且层14-18的厚度可以不同于附图中所示的那些厚度。

再次参照图3，对金属板材件的第一侧24上的焊接凹口30进行描述。在本示例中，该描述也适用于相对的第二侧26上的焊接凹口30’。焊接凹口30是金属板材件12的边缘区域20的一部分，其中一些材料已从在其他情况下均匀的叠层结构去除或省略。在将金属板材件焊接至另一件时，焊接凹口30沿着边缘28促进高品质焊接接头，并且可以通过减少或消除成为后续的焊接接头的一部分的、一定量的涂覆材料层18和/或中间材料层16的配置来如此进行。在涂覆材料层18包括如下的一个或多个成分的情况下，焊接凹口是特别有用的，即，该一个或多个成分若被包括在涂覆材料层18中，则在所产生的焊接接头中形成不连续性或者将以其他方式削弱所产生的焊接接头。在本具体实施方式中，焊接凹口30具有特性凹口宽度W和凹口深度D，凹口宽度W和凹口深度D中每个沿着边缘28的长度都是恒定的。凹口宽度W是从边缘28至第一凹口表面32的距离，凹口深度D是从涂覆材料层18的外表面至第二凹口表面34的距离。如本具体示例所示，在焊接凹口30与金属板材件相符的情况下，凹口宽度W等于第二凹口表面34的宽度，凹口深度D等于第一凹口表面32的宽度。

焊接凹口30的尺寸可以与金属板材件的厚度T相关，与待在边缘28处进行形成的焊接接头的预期大小相关，和/或与一个或多个材料层厚度相关。在一个实施方式中，凹口宽度W处于厚度T的约0.5倍至约1.5倍的范围内。在另一实施方式中，凹口宽度W处于约0.5mm至约4mm的范围内。凹口宽度W还可以至少为预期的焊接接头的宽度的二分之一。在图3所示的示例中，凹口深度D大于涂覆材料层18的厚度且小于中间材料层16和涂覆材料层18的组合厚度。但是这在一些其他示例性实施方式中有所不同。

焊接凹口30还可以结合凹口表面32、34的某些特性进行描述。例如，在图3的实施方式中，第一凹口表面32包括来自中间材料层16和涂覆材料层18二者的材料。第二凹口表面34仅包括来自中间材料层16的材料，并且第一凹口表面与第二凹口表面沿着定位或位于中间材料层中的边缘相交。因而，在本具体示例中，通过沿边缘区域20去除整个涂覆材料层18和一部分中间材料层16在金属板材件12中形成焊接凹口30。凹口表面32、34中每个均还可以包括条纹、界线、或其他类型的用于在焊接凹口位置处去除材料的过程指示物。诸如激光烧蚀或机械烧蚀的烧蚀过程可以形成具有不同表面特性的凹口表面，并且下文中将对其进行进一步详细描述。

图5示出了焊接凹口30的另一示例，其中第一凹口表面32与第二凹口表面34沿着位于基础材料层14与中间材料层16之间的界面处的边缘相交。第一凹口表面32包括来自中间材料层16和涂覆材料层18二者的材料，第二凹口表面34仅包括来自基础材料层14的材料。在本示例中，焊接凹口30通过在边缘区域20去除涂覆材料层18和中间材料层16在金属板材件12中形成。

图6示出了具有沿着位于基础材料层14中的边缘彼此相交的第一凹口表面32和第二凹口表面34的焊接凹口30。第一凹口表面32包括来自基础材料层14、中间材料层16和涂覆材料层18的材料，而第二凹口表面34仅包括来自基础材料层14的材料。在本示例中，焊接凹口30通过在边缘区域20处去除涂覆材料层18、中间材料层16和一部分厚度的基础材料层14在金属板材件12中形成。

图7示出了金属板材件12的另一实施方式，其中焊接凹口30是偏轴的。换言之，至少一个凹口表面(在该情况下为凹口表面32、34二者)既不垂直于、也不平行于涂覆材料层18的最外表面。如图所示，凹口表面32、34可以彼此垂直，并且与涂覆材料层18的最外表面形成相应的角度α和β。角度β小于90°，在本示例中为(90°–α)，但是可以大于或等于90°。在图7的示例中，第一凹口表面32包括来自中间材料层16和涂覆材料层18的材料，而第二凹口表面34包括来自基础材料层14和中间材料层16的材料。凹口表面32、34沿着中间材料层16中的边缘36彼此相交。该焊接凹口30可以通过在边缘区域20处去除涂覆材料层18、一部分厚度的中间材料层16以及一部分厚度的基础材料层14在金属板材件12中形成。

图8示出了根据另一实施方式的金属板材件，其中焊接凹口30为倒角或成角度的表面的形式并且由凹口表面32进行限定。凹口表面32是平坦的(即，总体平坦，并不一定是完美平坦)，并且包括来自所有基础材料层、中间材料层和涂覆材料层14-18的材料，并且沿着位于基础材料层14中的边缘与金属板材件12的边缘28相交。在另一实施方式中，倒角状焊接凹口30仅包括来自中间材料层16和涂覆材料层18的材料，但不包括来自基础材料层14的材料，从而在中间层16中或者在基础材料层14与中间层16之间的界面处与边缘28相交。

图9示出了根据另一实施方式的金属板材件，其中焊接凹口30由弯曲的或波纹状凹口表面32进行限定。此处所示的凹口表面32包括来自所有基础材料层、中间材料层和涂覆材料层14-18的材料，并且沿着位于基础材料层14中的边缘与金属板材件12的边缘28相交。焊接凹口30的深度D可变，并且在本具体示例中示出为在其最大值处进行测量，其中其最大值位于金属板材件12的边缘28处。在另一实施方式中，波纹状焊接凹口30仅包括来自中间材料层16和涂覆材料层18的材料，而不包括来自基础材料层14的材料，从而在中间层16中或者在基础材料层14与中间层16之间的界面处与边缘28相交。

图10示出了根据另一实施方式的金属板材件，其中焊接凹口30由与图9中不同的波纹状凹口表面32进行限定。此处所示的凹口表面32包括来自所有基础材料层、中间材料层和涂覆材料层14-18的材料，并且沿着位于基础材料层14中的边缘与金属板材件12的边缘28相交。焊接凹口30的深度D可变，并且在本具体示例中示出为在其最大值处进行测量，其中在本具体示例中其最大值位于基础材料层14中并且与金属板材件12的边缘28间隔开。

图11示出了金属板材件12的另一实施方式，其中焊接凹口30由第一凹口表面32、第二凹口表面34和第三凹口表面38进行限定。如上所述以及如图3所示，本实施方式具有沿着位于中间材料层16中的边缘相交的第一凹口表面32和第二凹口表面34。第三凹口表面38为波纹状凹口表面，其一个端部沿着位于中间材料层16中的边缘40与第二凹口表面34相交，并且另一端部与金属板材件12的边缘28相交。在本示例中，第三凹口表面38包括来自基础材料层14和中间材料层16的材料。第二凹口表面34和/或第三凹口表面38的宽度可以与图11中所示有所不同，焊接凹口30沿着第二凹口表面34和/或第三凹口表面38的深度也可以与图11中所示不同。技术人员应理解的是，凹口表面形状、宽度和深度的多种多样的组合是可能的。

图7至图11共同示出了具有焊接凹口30的金属板材件的多种实施方式，其中，每个焊接凹口30都具有不均匀深度。换言之，在这些示例中，根据测量深度处距离金属板材件的边缘28的距离，每个焊接凹口30的深度都在整个一个或多个焊接凹口表面变化。在大多数这些实施方式中，除了图10中所示的以外，焊接凹口的平均深度朝着金属板材的边缘最大。这些类型的焊接凹口可以通过烧蚀过程形成，在烧蚀过程中烧蚀工具沿着边缘区域20的不同部分经过多次，或者其中烧蚀工具被配置成作为与边缘28的距离的函数从金属板材件去除不同量的材料。

以下参照图12，示出了用于在金属板材件中形成焊接凹口的示例性过程。在附图中示意性地示出的特定过程为激光烧蚀过程，在激光烧蚀过程中，激光源100发出指向金属板材件12的边缘区域20的激光束102。通过激光束102提供的能量在烧蚀点104处以热能形式转移至金属板材件12，从而在焦点处熔融和/或蒸发材料以从金属板材件12去除该材料。无论是激光束还是诸如刮刀或丝刷的机械工具的烧蚀工具都跟随沿着边缘区域20的路径106以形成具有期望配置的焊接凹口30。如图所示，路径106的一些部分可以是直线的，并且其他部分可以是波纹状或曲线状的。例如，图12中所示的焊接凹口130是波纹状的，以依照边缘128的形状。焊接凹口30不一定跟随直线路径106，因为反而可跟随具有其他配置的路径。对于包括基础材料层14、中间材料层16和涂覆材料层18的金属板材件，诸如图3中所示的金属板材件，可以通过沿着边缘区域20去除一些或所有涂覆材料层18、一些或所有中间材料层16、和/或一些基础材料层14形成焊接凹口30。

在采用激光烧蚀的本实施方式和其他实施方式中，金属板材件12可以保持静止，同时激光源100沿着如图12中的箭头所指示的路径106移动激光束102。在不同的实施方式中，在激光源100保持静止的同时，金属板材件12被移动或索引。还可以采用如移动激光源和金属板材件二者的其他技术。任何适当的激光或其他可比较的发光装置100可以用于形成焊接凹口，并且可以使用多种操作或设备参数来如此进行。在一个示例中，激光源100是Q开关激光器，但是也可以使用诸如各种纳秒、飞秒和皮秒脉冲激光的其他连续波和脉冲激光器类型。激光光点或足迹104可以是圆形、方形、矩形、椭圆形或任何其他适当的形状，随后将对这些形状中的一些示例进行描述。用于激光源100的可选择或可调节操作参数的非限制性示例包括：激光功率、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲能量、脉冲功率、占空比、光点面积、连续的激光脉冲之间的重叠以及激光源100相对于金属板材件12的速度，此处仅举几个可能性。这些操作参数的任何组合可以基于应用的特定需求通过本方法进行选择和控制。下文中将对激光烧蚀过程的多种示例进行进一步详细描述。

图13至图15示出了具有包括用于形成焊接凹口30的具体过程的过程标记或界线特性的表面的示例性金属板材件12。图13是当通过激光烧蚀过程形成焊接凹口30时焊接凹口表面32、34和/或边缘28的一种可能的外观的示例。所示的焊接凹口表面32、34每个都包括可视线或标记42。标记42与y方向大致平行并且沿着x方向彼此均匀间隔开。每个独立标记都在过程期间指示激光束边缘的位置，其中激光束形状为方形或矩形，并且激光束被提供为脉冲束，而非连续束。例如，激光束可以在x方向上和y方向上分别具有为L和W的尺寸，并且被指到边缘区域处烧蚀点104处以用一定数量的激光脉冲去除材料。然后，如图所示，光源可以用1/2L进行索引以去除更多材料，以使得标记42沿着x方向在每1/2L处明显。图13的示例沿着边缘28包括类似烧蚀标记。

激光束可以以其他方式确定形状(例如，圆形、椭圆形等)，并且连续的烧蚀点可以具有更多或更少的重叠。例如，图14示出了圆状标记44，每个圆状标记都具有与圆形激光束的直径相等的长度L。在本示例中，连续的标记44以光束直径的1/2重叠，并且第一凹口表面32具有扇形形状。

图15是当通过机械烧蚀过程形成焊接凹口30时焊接凹口表面32、34和/或边缘28的一种可能的外观的示例。所示的焊接凹口表面32、34每个都包括可视线或标记46。在本实施方式中，标记46与x方向大致平行并且在y方向上彼此随机间隔开。这些标记可以由刮削工具中的不规则性产生或者通过研磨表面的丝刷的独立丝产生。如图所示的定向，标记46可以产生自在x方向上刮削的刮削工具，或者产生自在y方向上绕轴线转动的丝刷。然而，标记46也可以在其他定向上，诸如在y方向上、x-y平面上的对角方向上、或在任意方向上。

下文参照图16，示出了用于使用激光烧蚀过程在金属板材件12中形成焊接凹口30的另一示例性方法。在该方法中，第一激光束102和第二激光束102’从位于金属板材件的相对侧24、26上的第一激光源100和第二激光源100’指向边缘区域20处，以形成焊接凹口30、30’。这种类型的多激光器布置允许本方法从边缘区域20的相对两侧上的一个或多个材料层同时去除材料，这与使用单个激光源相比较能够缩短过程时间。此外，因为能够对每一侧量身定制用不同的操作参数编程的两种不同类型的激光源或相同类型的激光源，所以多激光器布置可以为金属板材件12的每一侧提供操作参数的改善选择和/或控制。例如，在金属板材件12的一侧上的材料层的组成或者厚度不同于金属板材的另一侧上的材料层的情况下，这是很有用的。虽然图16中示出了激光源100、100’彼此直接面对，但是激光源100、100’可以对于彼此偏移或成角度，以避免一个激光源无意间撞击或损坏另一激光源。在另一示例中，激光源100、100’位于金属板材件12的同一侧或相对侧，但彼此间隔开，以使得激光源100、100’将其相应的激光束指向同一金属板材件12的不同边缘区域。例如，一个激光束可以指向顶部边缘区域20处，而另一激光束指向侧边缘区域120。

图17是图16的多激光器布置的一部分的剖视图，其中两个激光束102、102’从金属板材件12的相对侧指向边缘区域20处以形成具有深度D和宽度W的焊接凹口30、30’。虽然此处示出了在通过金属板材件的厚度彼此大致相对的金属板材件12的相对两侧上具有相同尺寸的激光束、光点和焊接凹口，但是它们的相应大小、形状等可以是独立的。例如，激光束102能够产生在大小、深度、图案等方面不同于通过激光束102’形成的焊接凹口30’的焊接凹口30。根据应用的具体需要，金属板材件12的相对侧上的相对的烧蚀位置可以是彼此的镜像或者它们可以变化。在图17中所示的具体示例中，激光束102生成具有与期望的焊接凹口30相同宽度W的激光光点或足迹104。因此，该方法能够沿着边缘区域20的长度以激光束102的单次通过创建焊接凹口30。这与图18中所示的示例不同，在图18所示的示例中激光束102生成具有比期望的焊接凹口宽度W小或窄的宽度的激光光点104。在这种情况下，激光束102必需多次通过以适应焊接凹口的较宽宽度W，并且可根据若干个不同的技术来进行。

根据一个潜在的技术，激光束102沿着边缘区域20的总长度多次通过(在x轴方向上多次通过)，其中每次通过都被索引至新的y轴位置以适应窄激光光点104。如图19所示，这种技术可以产生具有烧蚀图案108的焊接凹口。如上面的一些示例中的描述，这种技术在期望形成具有不恒定或不均匀深度的焊接凹口的情况下也可有用。例如，激光束102可以在沿着金属板材件的边缘28行进的第一次经过期间去除比在坐落于更内侧或更远离边缘28的第二次经过期间从边缘区域20去除更多的材料(即，创建较大深度D)。激光源102的操作参数可以进行控制或操纵来实现这一点。不同的技术涉及激光束102，该激光束102在沿着边缘区域的长度(x轴方向)前进至下一个位置之前沿着边缘区域20的宽度(在y轴方向上)移动。这种类型的前后来回技术可以创建具有如图20中所示那样的烧蚀图案110，并且导致沿着边缘区域20的长度(x轴方向)的仅单次通过。

以下参照图21至图23，示出了示例性激光烧蚀过程，其中，激光束102根据非零入射角α指向边缘区域20处。如本文所使用的入射角α是指形成在激光束的中心轴线A与垂直于金属板材件的主表面的线B之间的角度。入射角α可以是正或负的。在图12和图16的实施方式中，入射角α为零，并且在图21和图22中所示的示例性实施方式中，入射角α在大约15°与75°之间(例如，约25°)。当然，根据具体应用，其他角度也是可能的。非零入射角α可以用于形成相对于金属板材件12的不同的材料层偏置的焊接凹口30，诸如如图22所示，其中，焊接凹口弯曲或倾斜。图7和图8中示出了能够使用处于非零入射角的激光束形成的偏轴焊接凹口的其他示例。非零入射角α还可以用于通过单个激光从金属板材件12的多于一个的表面(如同时从边缘表面28和从侧或主表面24)同时去除材料。换言之，激光束102根据入射角α指向边缘区域20处，以使得激光束102同时照射金属板材件12的多于一个的表面。

当与已在涂覆过程后进行切割或剪切的涂覆的金属板材件一同使用时，诸如当涂覆的金属板材卷材被切割成独立的坯件或狭缝对宽度件时，多表面激光装置可以很有用。参照图23的放大视图，当金属板材被切割成独立的坯件时，中间材料层16和/或涂覆材料层18可以变得污染或拉至边缘28上，以使得来自层16、18的材料至少部分地缠绕拐角或边缘112。如果在切割或剪切设备迟钝或以其他方式磨损时则尤为如此。在图23中，轮廓箭头指示剪切方向。因为两个表面会潜在地污染周围的焊接处，所以从边缘表面28和侧表面24二者去除被污染的材料层可以进一步改善边缘区域处的后续焊接接头。如上所述根据非零入射角α对准的单个激光或者如下所述指向同一边缘区域的多个激光器可以用于从已变得污染或者以其他方式拉至边缘表面28的中间材料层16和/或涂覆材料层18去除材料。该方法能够通过对准激光束102将金属板材件12的纵向边缘或拐角112用作引导特征，以使得激光束102的中心轴线A在离纵向边缘112一定距离处或该距离内(例如，在激光光点宽度的二分之一内)撞击金属板材件。也可以使用其他对准和引导技术。

图24和图25示出了另一示例性激光烧蚀过程。在本实施方式中，第一激光束102和第二激光束102’根据不同的入射角指向边缘区域20。此处示出了激光束102以大约为零(垂直于侧表面)的入射角照射边缘区域20，而激光束102’根据在大约15°至75°之间(例如，约45°)的非零入射角α照射边缘区域。激光束102、102’能够瞄准或指向同一激光光点或烧蚀位置，或者如图所示，激光束102、102’可以指向沿着x轴彼此间隔开的分离的烧蚀位置104、104’。对于使激光束间隔开的一个潜在的理由是为了允许通过第一激光束102溅出或排除的材料有时间在被第二激光束102’照射和蒸发之前至少部分地固化或反应。在图24和图25所示的实施方式中，第一激光束102沿着边缘区域20(x轴方向)移动并且主要从金属板材件的侧表面24去除材料，而第二激光束102’紧随其后并且从边缘表面28去除材料。由此产生的构造(即，通过激光102、102’二者形成的凹口区域)构成焊接凹口30，并且通过在潜在的焊接接头的未来位置处从一个或多个材料层去除材料来改善金属板材件12的可焊接性。

图25的放大剖视图示出了第一激光束102已从侧表面24去除材料后且第二激光束102’已从边缘表面28去除材料前的边缘区域20。在这个阶段，由第一激光束102撞击的熔融材料可以因烧蚀位置处的快速热膨胀而从焊接凹口30流走或溅出。该熔融材料可以沉积在附近并且形成再固化或部分再固化的凸起114。如果凸起114包括来自材料层16、18的材料，则任何沿着边缘区域20后续形成的焊接接头可能受到污染或破坏。第二激光束102’可以以任何适当的入射角α(零或非零)指向凸起114处，以从边缘区域20去除凸起114。在另一实施方式中，第二激光束102’被用于沿着边缘表面28去除凸起或者其他材料的、诸如刮刀或丝刷的机械烧蚀工具替代。机械烧蚀工具可以跟在所示的相同设置中的第一激光束102后面，或者其可以用于完全独立的操作中。适当的机械烧蚀工具的非限制性示例为Prasad等人的美国专利第7,971,303中公开的刮削工具，该专利的整体内容通过引用并入本文。

以下参照图26至图28，示出了多激光器或双束烧蚀过程的另一示例，其中第一激光束102与第二激光束102’在复合激光光点116处重叠，在复合激光光点116处激光的组合能量最大。在所示的示例中，复合激光光点116指向金属板材件12的边缘区域20，以使得复合激光光点至少部分地覆盖纵向边缘或拐角112，并且使得大部分材料去除发生在该大致区域中。这由具有不均匀深度的焊接凹口30的形状表示，其中不均匀深度与早前在图11中示出的焊接凹口的配置相似，在边缘28附近的区域中更大。

如图27和图28所示，重叠的激光光点104、104’可以用于调整或操纵烧蚀位置处的激光能量分布。例如，在图27的顶部示出的圆形激光光点104、104’重叠以形成复合激光光点116，并且在图27的底部的图表中示出了整个重叠的激光光点104、104’的示例性相应能量分布200。能量分布200在两个激光束都存在的复合激光光点116的区域中包括峰值或最大值202。能量分布的实际形状可以根据若干因素与此处显示的不同，其中，若干因素包括激光光点的各自能量分布、焦平面离每个激光光点的距离及其他因素。激光束102、102’可以从彼此共位的激光源发出，并且可以以大致平行的方式朝着烧蚀位置延伸(即，两个激光束可以具有彼此处于10°以内的入射角α)。这与图24中所示的实施方式有些不同，在图24中所示的实施方式中激光束从在x轴方向间隔开的(未共位)激光源产生并且以大致不平行的方式朝着烧蚀位置延伸。如前面所提及，当激光束沿着边缘区域20的长度(在x轴方向上)移动时，该方法可利用金属板材件的纵向边缘112作为引导特征。

在期望形成在整个宽度W上具有不恒定或不均匀深度D的焊接凹口30(如图9至图11和图26中所示的焊接凹口)的情况下，这种类型的多激光器或双束过程可以很有用。例如，该过程可以在复合激光光点116处从涂覆材料层18、中间材料层16和基础材料层14去除材料，而在激光光点104、104’的非重叠部分处仅从涂覆材料层18和/或中间材料层16去除材料。重叠的激光光点也可以与其他上述的实施方式结合使用。例如，第二激光束102’可以根据非零入射角指向金属板材件12处。不同于独立的激光光点104、104’为圆形的前面的例子，图28描绘了独立的激光光点104、104’为矩形形状的复合激光光点116。除了本文中所公开的，可使用具有不同大小、形状配置等的激光光点或足迹或者用于替代本文中所公开的激光光点或足迹。

图29示出了激光烧蚀过程的另一实施方式，其中金属板材件12从卷或卷材提供并且在机器方向(由未编号的轮廓箭头指示)上进给以通过多个激光源100、100’。激光源100、100’中每个都朝着边缘区域20上的不同位置发射激光束，并且可以由与其他激光器不同的侧和/或不同的入射角α发射激光束。在本具体示例中，随着金属板材件在机器方向上移动而遇到的第一两个激光束可以主要从金属板材件的两侧表面24、26去除材料，而接下来两个倾斜的激光束可以从边缘28去除再固化的凸起(例如，图25的部分114)或其他材料构造部。边缘区域20处所产生的烧蚀部共同构成焊接凹口30、30’。所示的过程可以有助于将完成焊接凹口30、30’的金属板材12直接进给至下游过程，在下游过程中，金属板材12可以沿着边缘区域20切割、剪切和/或与其他金属板材件接合。

可以与前述的实施方式中的任一个一同使用的一个潜在的特征涉及监测过程条件和响应于过程条件改变操作参数。本发明可以采用自动调节某些操作参数的闭环反馈特征，以负责监测的过程条件中的变化或改变，或者可以利用某些操作参数以增量或其他方式改变的迭代过程，仅举两个可能性。例如，激光烧蚀过程可以被配置成监测金属板材件12的特征，诸如材料在烧蚀位置或激光光点104处的吸收率或反射率。当吸收率或反射率以给定量改变或者偏离时，例如，当激光束遇见新的材料层时，该方法可以调节激光器的操作参数，诸如脉冲频率和/或脉冲宽度。在金属板材件12的多种材料层每个都具有能够由本方法调整的不同的最佳操作参数的情况下，这种动态方法可以很有用。例如，一定脉冲频率和/或脉冲宽度可以比其用于去除中间材料层16或基础材料层14更有效地去除涂覆材料层18。通过监测过程条件和相应地改变操作参数，本方法可能能够检测激光束12何时到达新的材料层，并且响应于此实施用于该层的最佳操作参数。

如图12、图16、图21和图24所示，可以与前述的实施方式中的任一个一同使用的另一种潜在的技术涉及在激光烧蚀过程期间将金属板材件布置在大致竖直定向上。因为竖直定向，重力能够使烧蚀位置附近的任何熔融材料以期望的方向流动。例如，如果期望使熔融材料流动远离金属板材件的边缘28，则可以使用与参照附图中相似的竖直取向，其中，金属板材件的边缘28是后续形成的焊接接头可能进行定位的位置。这减小了熔融涂覆材料朝着边缘28流动并固化边缘28的可能性，其中，这可能给沿着该边缘的后续焊接过程带来问题。然而，金属板材件无需完美竖直。在一些情况下，可能足够的是，将金属板材件进行定向，以使得从中去除材料的边缘区域20被定位为比金属板材件的剩余部分高。在焊接凹口一次仅在金属板材件的一侧上形成的情况下，金属板材件12可进行定向，以使得材料被去除的一侧在激光烧蚀过程期间面朝下，以使得任何多余的熔融材料都从边缘区域滴落或吹离。

有助于帮助防止熔融材料沿着待焊接的金属板材件的边缘28固化的另一种技术是在激光光点的位置或者烧蚀位置104处提供空气或其他流体(例如，氮气或惰性气体)的高速射流118(参见图16)，从而将熔融材料吹离该边缘。在图16中，空气的射流118被定位为远离金属板材件表面，以使得空气在朝着边缘28的方向上(在向下的y方向上)流动，以将熔融材料吹向金属板材件的仍被涂覆的部分。空气的射流118可以在激光运动的方向上(在图16的水平x方向上)沿着焊接凹口可选地或附加地进行引导。在一个实施方式中，多个射流118沿着边缘区域进行指向以帮助防止熔融材料沿着金属板材件的边缘固化。独立的射流可都在相同的方向或相对于彼此不同的方向上进行指向。前述的技术中的一些也可以与布置在水平定向上的金属板材件一同使用。

在使用激光束沿着金属板材件的边缘区域从金属板材件去除一个或多个层的涂覆材料的另一示例性过程中，还包括金属板材件的激光切割。激光切割采用通常为连续模式而非脉冲能量模式的相对高功率的激光来将一件金属板材分离成两个或多个独立件。在激光切割过程中，激光束将足够的能量传递至金属板材件的期望的分离位置处以熔融和/或蒸发基础材料层。空气或其他流体的高速射流可以跟随激光束以将熔融材料从金属板材件吹离，并且有效地将金属板材件分离成具有新形成的边缘和边缘区域的两个独立金属板材件。已发现该过程产生基本上没有来自涂覆材料层和/或中间材料层的任何材料的边缘(附图中为元件28)和/或纵向拐角(例如，图22和图23中位于附图标记112处)。沿着在激光切割过程中产生的边缘后续形成的焊接接头有时表现出比沿着机械剪切边缘形成的焊接接头显著改善的强度。由此，可将激光切割视为有助于防止不期望的成分包含在后续形成的附近焊接接头的一种激光烧蚀过程形式，并且是在去除涂覆材料的一个或多个层的同时同步地将金属板材切割成独立的坯件或其他件的过程。

应理解的是，以上描述不是对本发明的限定，而是对本发明的一个或多个优选的示例性实施方式的描述。本发明并不限于本文中公开的具体实施方式，而是仅由所附的权利要求书限定。此外，包含在前面的描述中的陈述涉及具体实施方式，并且除了在上面明确定义了术语或措辞的情况以外，不应被解释成对本发明的范围或者权利要求中所使用的术语的限定上的约束。对于本领域的技术人员，所公开的实施方式的各种其他实施方式和各种变型和修改将变得显而易见。所有这种其他实施方式、变化和修改都旨在落入所附权利要求书的范围内。

如本说明书和权利要求书中所使用，术语“例如(for example)”、“例如(e.g.,)”、“例如(for instance)”、“如(such as)”和“像(like)”以及动词“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包含(including)”及它们的其他动词形式中每个在与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时均应被解释为开放的，即，意味着该列表并不应被视为排出其他、附加的部件或项目。其他术语应被解释成使用它们最宽泛的合理含义，除非它们用在要求不同解释的上下文中。

Claims (19)

1.一种在焊接过程中使用的金属板材件(12)，包括：

基础材料层(14)；

涂覆材料层(18)；

中间材料层(16)，位于所述基础材料层与所述涂覆材料层之间，并且包括具有来自所述基础材料层和所述涂覆材料层中每个的至少一种成分的金属间化合物；以及

边缘区域(20)，沿着待焊接的所述金属板材件的边缘(28)进行定位，并且包括至少部分地由焊接凹口表面(32、34)限定的焊接凹口(30)，其中所述焊接凹口表面包括来自所述涂覆材料层和所述中间材料层二者的材料。

2.如权利要求1所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)由彼此相交的第一凹口表面和第二凹口表面(32、34)限定，所述第一凹口表面(32)包括来自所述涂覆材料层(18)和所述中间材料层(16)二者的材料，所述第二凹口表面(34)包括来自所述中间材料层(16)或所述基础材料层(14)中的至少一个的材料，并且所述第一凹口表面和所述第二凹口表面沿着位于所述中间材料层或所述基础材料层中的至少一个中的边缘(36)彼此相交。

3.如权利要求2所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)进一步由第三焊接凹口表面(38)进行限定，所述第三焊接凹口表面与所述第二焊接凹口表面(34)和所述金属板材件(12)的所述边缘(28)二者相交，并且所述第三焊接凹口表面被布置在所述焊接凹口内，以去除已向下污染所述金属板材件的所述边缘的、来自所述涂覆材料层(18)或所述中间材料层(16)中的至少一个的材料。

4.如权利要求1所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口表面(32、34)与所述金属板材件(12)的所述边缘(28)相交，其中所述焊接凹口表面(32、34)包括来自所述涂覆材料层(18)和所述中间材料层(16)二者的材料。

5.如权利要求4所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)至少部分地由弯曲的、波纹状焊接凹口表面(32)进行限定，并且所述波纹状焊接凹口表面包括来自所述涂覆材料层(18)和所述中间材料层(16)二者的材料，并且与所述金属板材件(12)的所述边缘(28)相交。

6.如权利要求4所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)至少部分地由平坦的、倒角状焊接凹口表面(32、34)进行限定，并且所述倒角状焊接凹口表面包括来自所述涂覆材料层(18)和所述中间材料层(16)二者的材料，并且与所述金属板材件(12)的所述边缘(28)相交。

7.如权利要求1所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)具有深度(D)和宽度(W)，并且所述焊接凹口的所述深度在所述焊接凹口的整个所述宽度上变化，以使得所述焊接凹口的平均深度在朝着所述金属板材件(12)的所述边缘(28)最大。

8.如权利要求1所述的金属板材件，其中，所述焊接凹口(30)沿着所述金属板材件(12)的一侧(24)进行定位，并且所述边缘区域(20)还包括沿着所述金属板材件的相对侧(26)进行定位的附加的焊接凹口(30’)，以使得所述焊接凹口(30)和所述附加的焊接凹口(30’)通过所述金属板材件的厚度(T)总体上彼此相对。

9.一种在金属板材件(12)中形成焊接凹口(30)的方法，包括以下步骤：

(a)提供在边缘区域(20)处具有多个材料层(14、16、18)的金属板材件，并且所述多个材料层包括基础材料层(14)、覆盖所述基础材料层的至少一部分的中间材料层(16)以及覆盖所述中间材料层的至少一部分的涂覆材料层(18)；

(b)将激光束(102)指向所述金属板材件的所述边缘区域；以及

(c)在所述金属板材件的所述边缘区域处用所述激光束从所述多个材料层中的至少一个去除材料以形成焊接凹口，其中，所述焊接凹口包括具有来自所述涂覆材料层和所述中间材料层二者的材料的焊接凹口表面(32、34)。

10.如权利要求9所述的方法，其中：

步骤(b)还包括根据非零入射角α将所述激光束(102)指向所述金属板材件(12)的所述边缘区域(20)，以使得所述激光束(102)照射所述金属板材件的侧表面(24)和边缘表面(28)，以及

步骤(c)还包括使用单个激光束同时在所述金属板材件的所述侧表面和所述边缘表面二者上从所述多个材料层(14、16、18)中的至少一个去除材料。

11.如权利要求9所述的方法，其中：

步骤(b)还包括将第一激光束和第二激光束(102、102’)指向所述金属板材件(12)的所述边缘区域(20)；以及

步骤(c)还包括在所述金属板材件的所述边缘区域处用所述第一激光束和所述第二激光束从所述多个材料层(14、16、18)中的至少一个去除材料。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)处于所述金属板材件(12)的相对两侧(24、26)上，并且所述第一激光束和所述第二激光束分别在所述金属板材件的相对两侧上形成第一焊接凹口和第二焊接凹口(30、30’)，以使得所述第一焊接凹口和所述第二焊接凹口通过所述金属板材件的厚度(T)大致上彼此相对。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)处于所述金属板材件(12)的同一侧(24)上，并且在大致相同的位置处照射所述边缘区域(20)，并且所述第一激光束和所述第二激光束彼此协作以形成公共的焊接凹口(30)。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束(102)在所述金属板材件(12)的所述边缘区域(20)处从所述多个材料层(14、16、18)中的至少一个去除材料，并且同时形成凸起(114)，并且一旦所述凸起再固化或者部分再固化，所述第二激光束(102’)则从所述凸起去除材料。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束(102)在所述金属板材件(12)的侧表面(24)上从所述多个材料层(14、16、18)中的至少一个去除材料，并且所述第二激光束(102’)在所述金属板材件的边缘表面(28)上从所述多个材料层中的至少一个去除材料。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束(102)根据第一入射角α指向所述边缘区域(20)，所述第二激光束(102’)根据第二入射角α’指向所述边缘区域，并且所述第一入射角α和所述第二入射角α’彼此不同并且布置成从所述边缘区域的不同部分去除材料。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)照射所述金属板材件(12)的所述边缘区域(20)，并且在组合能量最大的复合激光光点(116)处至少部分地重叠，并且控制所述复合激光光点的位置来操纵所述边缘区域处的激光能量分布。

18.如权利要求17所述的方法，其中，对所述复合激光光点(116)的所述位置进行控制，以使得所述复合激光光点(116)的所述位置至少部分地覆盖所述金属板材件(12)的侧表面(24)与边缘表面(28)之间的纵向边缘或拐角。

19.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

在所述激光束(102)从所述多个材料层(14、16、18)中的至少一个去除材料的位置处提供空气或其他流体的高速射流(118)，以使得熔融材料被吹离所述边缘区域(20)。