CN104339085B - 激光焊接方法和激光焊接产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接方法，其用于至少将第一工件和第二工件连接在一起，其中，所述激光焊接方法包括以下步骤：在第一工件上加工出至少一个第一微孔结构，所述第一微孔结构由至少一个第一孔构成，所述第一孔的轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向；使第一微孔结构定位为至少部分地处于激光焦点光斑在第一工件上的覆盖区域内；以及进行激光焊接，以使得激光光束直接射入处于激光焦点光斑的覆盖区域内的所述第一微孔结构。本发明还涉及一种激光焊接产品，其通过采用根据上述激光焊接方法加工至少两个工件而获得。

Description

激光焊接方法和激光焊接产品

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，特别是一种激光点焊方法。本发明还涉及一种通过所述激光焊接方法获得的激光焊接产品。

背景技术

在激光的焊接应用中，对于某些由对近红外激光具有高反射率的材料或对热量具有高传导性的材料构成的工件，存在不易焊接、焊接稳定性不好、焊接强度不高等问题。

目前在本领域中常用的解决方案主要是以下两种。一种是通过对需要焊接的金属件表面涂敷吸收层来提高材料对激光的吸收率；另一种是选用短波长的激光或者采用将短波长的激光与YAG（钇铝石榴石）激光（1064nm）结合的方式来提高材料对激光的吸收率，这里的短波长指的是YAG激光的二倍频（532nm）或者三倍频（355nm）激光波长。

参见图24，其中示出了使用传统焊接方式时焊点形成的物理过程。由于工件接收激光光束的表面积有限，材料的熔化过程只能是由上到下发展，并且固熔边界的扩展非常有限。另外，在激光焊接过程中，热量在上下两个工件的传递也不均匀。

参见图25，其中示出了使用传统焊接方式时最终形成的焊点形貌。由于热量在两个工件中的不均匀传递，因此两个工件中熔化的区域存在较大差异。特别地，在两个工件之间的接触表面两侧，不同工件上形成的焊点的面积也存在较大差异。另外，由于两个工件的材料始终是连续的整体，因此在焊接之后焊点位置的温度降低速度较快。在这种情况下，在焊点处容易产生裂纹。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种激光焊接方法，其通过对待焊接的金属件进行预开孔来解决现有技术中存在的上述至少一个问题，特别是解决金属对激光的反射率过高以及对激光能量的吸收率偏低的问题。所述激光焊接方法特别适用于激光点焊。

根据本发明的一个方面，提出了一种激光焊接方法，其用于至少将第一工件和第二工件连接在一起，其中，所述激光焊接方法包括以下步骤：

在所述第一工件上加工出至少一个第一微孔结构，所述第一微孔结构由至少一个第一孔构成，所述第一孔的轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向；

使所述第一微孔结构定位为至少部分地处于激光焦点光斑在第一工件上的覆盖区域内；以及

进行激光焊接，以使得激光光束直接射入处于激光焦点光斑的覆盖区域内的所述第一微孔结构。

优选地，所述第一孔为通孔。

优选地，所述第一孔也可以被设置为盲孔。

优选地，当所述第一孔为通孔时，所述第二工件上加工有至少一个第二微孔结构，所述第二微孔结构由至少一个第二孔构成，所述第二孔的轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向，其中，在焊接位置处，至少部分第二孔的位置布置为与至少部分第一孔的位置相对应，从而在进行激光焊接时，穿过所述至少部分第一孔的激光光束直接射入相对应的第二孔中。

优选地，所述第二孔为通孔或盲孔。

优选地，所述第一孔和/或所述第二孔是通过脉冲模式或旋转穿孔模式的激光打孔操作制成的。

优选地，所述第一孔和/或所述第二孔的孔深度与激光入口侧孔口直径的比值为3-20。

优选地，所述第一微孔结构由多个第一孔构成，并且多个所述第一孔布置成规则排列的阵列。

优选地，所述激光焊接是通过点焊方式实施的，并且在第一工件的激光入射表面上，所述第一微孔结构所占据的区域与激光焦点光斑覆盖的区域大致重合或大于所述激光焦点光斑覆盖的区域。

优选地，所述第二孔的数量与所述第一孔的数量相等；并且在焊接位置处，每一个所述第二孔的位置布置为与所述第一孔的位置相对应，从而在进行激光焊接时，穿过每一个所述第一孔的激光光束直接射入每一个所述第二孔中。

根据本发明的另一个方面，提出了一种激光焊接产品，其中，所述产品通过采用如上所述的激光焊接方法加工至少两个工件而获得。

优选地，在所述工件之间的接触表面两侧，焊点在不同的工件上具有大致相同的横截面积。

优选地，构成所述工件的材料是对近红外激光具有高的光反射率和/或对热量具有高的传导性的金属和/或合金。

根据本发明，工件材料中的微孔结构使得激光的反射在孔内进行，从而被孔的内壁吸收，因此提高了工件的材料对近红外光的吸收率。微孔结构还使得激光的光斑覆盖区域内的材料在内部和外部同时融化，因此对于激光能量的吸收更良好。另外，微孔结构的设置减小了材料对焊点位置的热传导损失，这样有利于减小焊点裂纹的产生。可见，相对于传统激光焊接产品，根据本发明的激光焊接产品通过对待焊接的金属件进行预开孔从而在焊点位置具有更高的强度和稳定性。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的激光焊接操作；

图2示出了图1的激光焊接操作的剖视图；

图3示出了为形成微孔结构而在脉冲模式下进行的激光打孔操作；

图4示出了为形成微孔结构而在旋转穿孔模式下进行的激光打孔操作；

图5是图2的放大的局部视图，其中示意性地示出了进行激光焊接时激光在微孔中的反射状态；

图6示出了在第一实施方式的工件中焊点形成的物理过程；

图7示出了在第一实施方式的工件中最终形成的焊点形貌；

图8示出了分别具有通孔形式的第一孔和第二孔的第一工件和第二工件的剖视图；

图9示出了具有通孔形式的第一孔的第一工件和未开孔的第二工件的剖视图；

图10示出了具有盲孔形式的第一孔的第一工件和未开孔的第二工件的剖视图；

图11示出了呈密置排布形式并且分布面积大于激光焦点光斑覆盖区域的微孔结构的俯视图；

图12示出了呈密置排布形式并且分布面积小于或等于激光焦点光斑覆盖区域的微孔结构的俯视图；

图13示出了呈矩形排布形式并且分布面积大于激光焦点光斑覆盖区域的微孔结构的俯视图；

图14示出了呈矩形排布形式并且分布面积小于或等于激光焦点光斑覆盖区域的微孔结构的俯视图；

图15是根据本发明的第二实施方式通过激光焊接连接的螺柱100和壳体200的透视图；

图16是图15中的螺柱100的放大透视图；

图17是微孔结构111在法兰110的激光入射平面113上的俯视图；

图18是微孔结构111位置的法兰110和壳体200的局部剖视图；

图19是根据本发明的第三实施方式通过激光焊接连接的折弯件300和薄板件400的透视图；

图20是图19中的三个焊点位置的放大透视图；

图21是图19的折弯件300和薄板件400的俯视图；

图22是图21中的微孔结构的局部放大视图；

图23是微孔结构位置的边框部310和薄板件400的局部剖视图；

图24示出了使用传统焊接方法的工件中焊点形成的物理过程；以及

图25示出了使用传统焊接方法的工件中最终形成的焊点形貌。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一实施方式，其中，通过激光焊接、特别是通过激光点焊利用激光光束将第一工件10和第二工件20焊接到一起。

在第一实施方式中，第一工件10和第二工件20均呈板状。在进行激光焊接之前，在第一工件10上预先加工有第一微孔结构11，所述第一微孔结构11由多个呈通孔形式的第一孔11a组成；另外在第二工件20上也预先加工有第二微孔结构21，所述第二微孔结构21由多个呈盲孔形式的第二孔21a组成。优选地，所述第二孔21a的数量与第一孔11a的数量相等。第一微孔结构11和第二微孔结构21被定位为：在第一工件10和第二工件20被布置就位等待接受焊接时，第二微孔结构21的位置对应于第一微孔结构11的位置。具体地，每一个第二孔21a的位置各自对应于相应的一个第一孔11a的位置。换句话说，在已经就位的第一工件10和第二工件20之间的接触表面上，每一个第一孔11a和相应的一个第二孔21a的边缘相互重叠，这在图2中清楚地示出。对于第一工件10和第二工件20的整个结构来说，每个第一孔11a和相应的一个第二孔21a一起整体地构成一个盲孔。

另外，第一孔11a和第二孔21a优选地被设置为使其轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向。这样，一部分激光光束可以直接穿过第一工件10中的第一微孔结构11射入到第二工件20中的第二微孔结构21中。优选地，第一孔11a和第二孔21a沿着激光光束的行进方向逐渐变细。

重要的是，第一微孔结构11还被定位为至少部分地处于激光焦点光斑在第一工件10上覆盖的区域内，所述区域也即激光光束在第一工件10上的投影区域。在第一实施方式中，如图1和2所示，在第一工件10的激光入射表面上，第一微孔结构11所占据的区域与激光焦点光斑在第一工件上覆盖的区域大致重合。

第一孔11a和第二孔21a的微孔形状均有大的深径比，所述深径比指的是孔深值与孔径值的比值，并且例如为3-20。其中，孔深值指的是微孔从激光入口侧到孔底部的轴向距离，孔径值指的是微孔在激光入口侧的直径。这种较大深径比的微孔结构有利于激光焊接时工件材料对激光的吸收。

根据本发明，在进行激光焊接之前，事先在第一工件10和第二工件20上分别加工好第一微孔结构11和第二微孔结构21。优选地，第一孔11a和第二孔21a均通过激光打孔制作而成。所述激光打孔可以选择性地采用脉冲模式或旋转穿孔模式。图3和4分别示出了为形成第一微孔结构11和第二微孔结构21而在脉冲模式和旋转穿孔模式下进行的激光打孔操作。优选地，第一孔11a和相应的第二孔21a可以通过单次激光打孔操作一次完成。

需要注意的是，尽管在本实施方式中，优选地将所述第二孔21a的数量设定成与第一孔11a的数量相等，但第二孔与第一孔在数量上相等并不是必须的。根据实际情况，可以设置在数量上并不相等的第二孔和第一孔，并且确保至少部分第二孔的位置与至少部分第一孔的位置相对应，从而在进行激光焊接时，穿过所述至少部分第一孔的激光光束直接射入相对应的第二孔中。

根据本发明的第一实施方式至少可以实现如下所述的一种优点。

首先，参见图5，其在图2的放大的局部视图中示意性地示出了进行激光焊接时激光在第一孔11a和第二孔21a中的反射状态。在激光焊接的过程中，由于微孔的存在，并且特别是由于微孔具有锥形的形状结构，因此，与无微孔的传统技术相比较，激光可以通过微孔直接作用在材料的内部。即使是在使用具有高反射率的近红外激光的情况下，激光的反射也大致在微孔内进行。如图5中的折线箭头所示，激光在微孔的内壁之间进行多次反射，最终被孔的内壁吸收。因此，根据本发明，提高了工件的材料对近红外光的吸收率。

其次，根据本发明，由于在工件上事先设置了微孔，因此在激光焊接时工件直接接触激光的面积与传统技术相比有了大幅增加。也就是说，工件的材料可以在更大的面积上吸收激光的能量。参见图6，其中示出了在根据第一实施方式的具有微孔结构的工件中焊点形成的物理过程。微孔的内壁吸收了激光的能量后，工件的材料的熔化、气化过程在材料的微孔的外部和内部同时进行。在图6中，虚线轮廓表示具有微孔的工件直接接受激光照射并吸收能量的表面，随着能量的吸收，工件的材料从所述表面开始熔化，并且在一定时间之后形成以实线轮廓示出的新的固熔边界。可以看出，在激光焊接过程中，热量从微孔的内壁向材料内部传递，使得在整个激光的光斑覆盖区域内的材料在内部和外部同时融化。相对于材料的熔化过程是由上到下的传统的激光点焊（如图24所示），根据本发明的方法使得工件的材料对于激光能量的吸收更良好，同时热传递更均匀，并且材料的固熔过程也更迅速。

另外，由于工件在微孔中的材料被去除，微孔空隙中充满空气或接近真空状态，相对于金属材料的工件，因微孔中的空气或近真空是热的非良导体，使得热传递不能按照通常未打孔状况下沿直线路径进行辐射，而仅能沿存留的微孔壁或者微孔间的工件材料呈直线和/或曲线状传递，客观上导致在工件的材料中的热传递在微孔处受阻，也就是说，在焊点位置，温度降低的速度减缓。因此，与无微孔的传统技术相比较，根据本发明，减小了材料对焊点位置的热传导损失，这样有利于减小焊点裂纹的产生。参见图7，其中示出了根据第一实施方式的具有微孔结构的工件所最终形成的焊点形貌。

以上已经通过示例的方式描述了根据本发明的第一实施方式，然而其也可以具有多种变化形式。

在第一实施方式中，第一工件10的第一微孔结构11中的第一孔11a为通孔，第二工件20的第二微孔结构21中的第二孔21a为盲孔。然而，也可以采用如图8所示的结构，其中，第一工件30的第一微孔结构31中的第一孔31a和第二工件40的第二微孔结构41中的第二孔41a均为通孔。优选地，在已经就位的第一工件30和第二工件40之间的接触表面上，第一孔31a和第二孔41a的边缘各自相互重合。对于第一工件30和第二工件40的整个结构来说，每一个第一孔31a和相应的第二孔41a一起构成一个通孔。

优选地，每个第一孔11a、31a的内壁和相应的第二孔21a、41a的内壁在第一工件10、30和第二工件20、40的接触表面两侧以光滑连续的方式相互邻接。

备选地，也可以采用如图9所示的结构，其中，第一工件50的第一微孔结构51中的第一孔51a为通孔，第二工件60上不设有微孔。或者也可以采用如图10所示的结构，其中，第一工件70的第一微孔结构71中的第一孔71a为盲孔，第二工件80上不设有微孔。

应当理解，在被焊接的工件上，可以以通孔和/或盲孔的形式设置微孔，并且在任一工件上可以选用通孔和/或盲孔的任意适当的组合形式。

在垂直于激光入射方向的平面上，微孔结构中的多个孔优选地以均匀的间隔排列分布，并且整体所占区域至少部分地与激光焦点光斑的覆盖区域重合。换句话说，所述多个孔布置成规则排列的阵列。优选地，在微孔结构具有多个孔的情况下，在垂直于微孔的轴向的横截面上，多个微孔成多行排列。在相邻两行的微孔中任意选取两两相邻的三个微孔，这三个微孔的中心可以用直线连接形成一个假想的三角形。当所述三角形为直角三角形时，这种微孔的排布方式可称为矩形排布，特别地，当所述三角形为等腰直角三角形时，该矩形排布即为正方形排布；当所述三角形为非直角三角形时，这种微孔的排布方式可称为密置排布。在实际操作中通常按照如图11所示的锐角三角形的密置排布来布置微孔，或者按照如图13所示的正方形排布来布置微孔，或者也可以按照等腰三角形或等边三角形的密置排布来布置。

在实际操作过程中，通过对激光打孔机进行编程来制作不同排布形态的微孔。优选地，微孔结构中的多个行被设置成以均等的间距间隔开，并且在每一行中，多个微孔被设置成以均等的间距间隔开。在这种情况下，激光打孔机的编程更简单、相应的微孔加工也更方便、效率更高。

参见图11-14，其中示出了多种不同的微孔布置形式。在图11中，微孔以密置排布密置排布的样式排列，并且整体所占区域超出激光焦点光斑的覆盖区域。在图12中，微孔以密置排布的样式排列，并且整体所占区域大致等于或者小于激光焦点光斑的覆盖区域。在图13中，微孔以矩形排布的样式排列，并且整体所占区域超出激光焦点光斑的覆盖区域。在图14中，微孔以矩形排布的样式排列，并且整体所占区域大致等于或者小于激光焦点光斑的覆盖区域。

应当理解，微孔的排列方式及排列区域的大小需要考虑到激光焦点光斑的大小，以及微孔对激光焊接的物理过程的影响而根据实际应用来设定。在本发明的实施方式中，微孔结构由多个孔构成，然而，根据实际情况，微孔结构也可以由单个孔构成。

下面以两个实际应用方案为例，描述本发明的第二实施方式和第三实施方式。

在本发明的第二实施方式中，如图15所示，将4个螺柱100通过激光焊接、特别是通过激光点焊连接到壳体200上。呈大致方形且具有1mm厚度的壳体200通过利用CNC（计算机数字控制）技术加工而成。构成螺柱100和/或壳体200的材料例如为Al6061。

参见图16，其中示出了放大的螺柱100的透视图。螺柱100在其一端具有法兰110，在法兰110上均匀分布有多个微孔结构111。图17和18分别示出了一个微孔结构111的俯视图和剖视图。在法兰110的激光入射平面113上，微孔结构111所占据的区域与激光焦点光斑的覆盖区域大致相同。如图所示，一个微孔结构111由19个微孔111a构成的圆形阵列组成。在微孔结构111的直径方向上，位于相反侧的最远端的两个微孔111a的轴线之间的距离为1.2mm。位于微孔结构111外侧圆周上的相邻两个微孔111a之间具有0.2mm的间隔，并且微孔结构111的过5个微孔轴心的两条相邻直径之间成60°夹角。

在本实施方式中，法兰110具有0.4mm的厚度，并且微孔111a在激光入射平面113上具有0.1mm的直径，从而微孔111a的深径比等于4。

在法兰110上设置好微孔结构111之后，通过激光点焊将螺柱100焊接到壳体200上。在螺柱100的法兰110上执行点焊的位置对应于各个微孔结构111的位置，并且在法兰110的激光入射平面113上，激光焦点光斑的直径与微孔结构111的直径大致相等。

在实际应用中，一般对螺柱100的焊接强度要求较高。在这种情况下，如果采用传统的焊接方式，则焊接强度不高，稳定性较差。相反，根据本发明，焊接前在螺柱100的法兰110上需要点焊的位置加工出了微孔结构111，由此确保了螺柱焊接的品质要求。

在本发明的第三实施方式中，如图19和21所示，将冲压形成的折弯件300通过激光焊接、特别是通过激光点焊连接到薄板件400上。折弯件300为大致呈正方形的框，并且由4个边框部310和从每一个边框部310的内侧翻折的折弯部320构成。薄板件400为大致呈正方形的薄板。折弯件300和薄板件400的厚度均为0.3mm。构成折弯件300和/或薄板件400的材料例如为Al5052。

在进行激光焊接之前，在折弯件300的每一个边框部310上都加工有一个第一微孔结构311。第一微孔结构311在边框部310上被布置成大致类似于边框部310的细长条状，并且占据边框部310的大部分区域。参见图20和22，第一微孔结构311由以矩形排布布置的多个第一孔311a构成。所述矩形排布在图22中详细地示出，其中在纵向上和在横向上的相邻两个孔之间的距离均为0.15mm。

与第一微孔结构311类似地，在薄板件400上加工有相应的第二微孔结构401。所述第二微孔结构401由以矩形排布布置的多个第二孔401a构成。为了进行激光焊接，将边框部310贴合在薄板件400上。如图23所示，第一孔311a和第二孔401a均为通孔，并且每一个第一孔311a都与相应的一个第二孔401a一起整体地构成一个总体通孔。因此在本实施方式中，叠置的边框部310和薄板件400总共具有0.6mm的厚度，并且第一孔311a在边框部310的激光入射平面313上具有0.05mm的直径，从而由第一孔311a和第二孔401a构成的总体通孔的深径比等于12。

在使用夹具将折弯件300和薄板件400组装好之后，在边框部310和薄板件400上加工出如上所述的第一微孔结构311和第二微孔结构401。接下来通过将激光光束发射到微孔结构上来进行激光点焊操作。参见图20，多个激光焊点均位于微孔结构中。在本实施方式中，在激光入射平面上，微孔结构占据的面积远大于激光焦点光斑覆盖的面积，因此在进行激光点焊时，可以更自由地设定激光焊点的数量和位置。

在第二实施方式和第三实施方式中，在焊接区域进行的微孔处理确保了高的焊接强度。另外，微孔结构为激光的能量传播提供了通道，使得两个被焊接的工件在焊点位置的内外同时吸收激光并融化、降低了材料对激光的反射，还降低了热量在材料中的传导损失，从而保证了高的焊接质量。

以上已经参考一些实施方式对本发明进行了描述，但需要指出的是，以上所述的实施方式均是示例性的，而不是限制性的。在以上所述的实施方式中描述的各个技术特征在不互相抵触的情况下可以任意地在不同的实施方式中结合和使用。并且本领域技术人员可以认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出多种变化，这些变化都应被涵盖在本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种激光焊接方法，其用于至少将第一工件和第二工件连接在一起，其特征在于，所述激光焊接方法包括以下步骤：

在所述第一工件上加工出至少一个第一微孔结构，所述第一微孔结构由多个第一孔构成，所述第一孔的轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向；

使所述第一微孔结构定位为至少部分地处于激光焦点光斑在第一工件上的覆盖区域内，其中所述激光焦点光斑覆盖多个所述第一孔；以及

进行激光焊接，以使得激光光束直接射入处于激光焦点光斑的覆盖区域内的所述第一微孔结构。

2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一孔为通孔。

3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一孔为盲孔。

4.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第二工件上加工有至少一个第二微孔结构，所述第二微孔结构由至少一个第二孔构成，所述第二孔的轴向大致平行于激光焊接时激光光束的入射方向，其中，在焊接位置处，至少部分第二孔的位置布置为与至少部分第一孔的位置相对应，从而在进行激光焊接时，穿过所述至少部分第一孔的激光光束直接射入相对应的第二孔中。

5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第二孔为通孔或盲孔。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一孔是通过脉冲模式或旋转穿孔模式的激光打孔操作制成的。

7.根据权利要求4或5所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第二孔是通过脉冲模式或旋转穿孔模式的激光打孔操作制成的。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一孔的孔深度与激光入口侧孔口直径的比值为3-20。

9.根据权利要求4或5所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一孔和/或所述第二孔的孔深度与激光入口侧孔口直径的比值为3-20。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，多个所述第一孔布置成规则排列的阵列。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接是通过点焊方式实施的，并且在第一工件的激光入射表面上，所述第一微孔结构所占据的区域与激光焦点光斑覆盖的区域大致重合或大于所述激光焦点光斑覆盖的区域。

12.根据权利要求4或5所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第二孔的数量与所述第一孔的数量相等；并且在焊接位置处，每一个所述第二孔的位置布置为与所述第一孔的位置相对应，从而在进行激光焊接时，穿过每一个所述第一孔的激光光束直接射入每一个所述第二孔中。

13.一种激光焊接产品，其特征在于，所述产品通过采用根据权利要求1-12中任一项所述的激光焊接方法加工至少两个工件而获得。

14.根据权利要求13所述的产品，其特征在于，在所述工件之间的接触表面两侧，焊点在不同的工件上具有大致相同的横截面积。

15.根据权利要求13或14所述的产品，其特征在于，构成所述工件的材料是对近红外激光具有高的光反射率和/或对热量具有高的传导性的金属。

16.根据权利要求13或14所述的产品，其特征在于，构成所述工件的材料是对近红外激光具有高的光反射率和/或对热量具有高的传导性的合金。