CN105033472A - 为激光焊接准备工件的方法及通过搭接接头由激光焊接接合工件的方法 - Google Patents

为激光焊接准备工件的方法及通过搭接接头由激光焊接接合工件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于为后续的激光焊接准备工件(120)，尤其是涂层的板材件的方法，其中在该工件(120)的接缝区域(F)中借助于激光束产生至少一个由至少两个槽状线形元件(142、143)形成的凹陷结构(140)以及该凹陷结构(140)的线形元件(142、143)具有用于产生的激光束的共同的起点(141)。通过在共同的起点(141)有针对性的累积凝固的工件熔化物产生了在工件表面上突出的结状的隆起部(150)。本发明还涉及一种用于通过激光焊接伴随着搭接接头(F)接合至少两个工件的方法，其中根据前述方法准备工件(120)中的至少一个。

Description

为激光焊接准备工件的方法及通过搭接接头由激光焊接接合工件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于为后续的激光焊接准备工件的方法。
本发明还涉及一种用于通过搭接接头由激光焊接接合至少两个工件的方法，其中该工件中的至少一个被涂层。
背景技术
在搭接接头的激光焊接中，由于工件材料的气化和/或其它气态焊接废气排放在工件之间出现了蒸汽过压，这导致了损坏产生的焊缝。尤其当待接合的工件的至少一个具有涂层(例如镀锌)时，这是严重的。
在现有技术中描述了如何能产生待接合的工件之间的所谓的排气间隙(或类似物)的不同的做法。在DE10261655B4中建议了把结子通过变形引入到待焊接的至少一个工件中。在最接近的现有技术EP0748268B1中描述了一种用于准备涂层工件的接合区域的方法，其中，在焊缝的区域中借助于高能辐射以凹陷或隆起部的形式形成滚花状布置的表面结构。
JP11047967描述了一种焊接方法，其中，至少两个板状的元件彼此焊接且板状元件具有不平坦的表面。
现有技术还参考DE10241593B4和DE102004008108B4。
发明内容
本发明的目的是，提供一种前述类型的方法，所述方法不具有或至少仅在减小的程度上具有现有技术中的至少一个缺点。
本发明包括对应于权利要求1所述特征的、按本发明用于为后续的激光焊接准备工件的第一方法，以及对应于并列的权利要求所述特征的、用于通过搭接接头由激光焊接接合至少两个工件的根据本发明的方法，其中所述工件中的至少一个被涂层。两种根据本发明的方法以相同的发明构思为基础。对两种根据本发明的方法来说，优选的改进方案和设计方案同样既来自从属权利要求也来自随后的说明。
在根据本发明的用于为后续的激光焊接或激光束焊接(通过搭接接头)准备工件的方法中，借助于激光束在为激光焊接设置的接合区域(接合区域严格来说指的是对应于搭接接头的搭接区域的工件区域)中在工件表面产生凹陷。根据本发明，在此(在工件的接合区域中)产生至少一个由至少两个槽状线形元件形成的凹陷结构，其中(形成凹陷结构的)线形元件具有用于产生的激光束的共同的起点并通过在该共同的起点有针对性地累积凝固的工件熔化物(通过沿不同的方向移开的激光束，如下文仍将说明的那样)产生突出于工件表面的结状隆起部。
优选规定，在工件的相关的接合区域中产生多个具有各一个结状的隆起部的凹陷结构，所述凹陷结构能设计为相同或不同的。由此在激光焊接时实现了工件在搭接区域中的不倾斜的支承。
待准备的工件优选是至少在接合侧被涂层的工件。尤其优选是板材件且尤其是被涂层的板材件。特别规定了，工件具有包含锌的涂层(镀锌)。
形成凹陷结构的槽状的凹陷借助于激光束(或者类似的能量束)形成，所述激光束为此一次性(或者必要时也依次多次)经过工件表面上的相应的轨迹，其中，该轨迹通过起点、终点和轨迹线路定义。通过工件材料且尤其是涂层材料沿着轨迹的熔化和气化产生槽状的凹陷。从起点离开的激光束在起点处产生了熔化物累积(通过使熔融的熔化物反向于射束运动方向大致相互朝着起点的方向移动而产生)。
根据本发明，凹陷结构包括具有共同的起点的多个槽状线形元件或线形的凹陷，从而在制造该凹陷结构时通过沿不同方向从起点离开的激光束(其中熔化物几乎可以说始终沿起点方向被输送走)在起点处或在起点的区域中出现了凝固的工件熔化物的累积以及逐步地或逐渐地形成了在工件表面上突出的结状的隆起部。换句话说，借助于激光束在相关的工件的接合区域中以共同的起点形成多个尤其是短的槽状凹陷(激光步骤)，其中，由在共同的起点处产生的熔化物累积形成结状的隆起部。
如此产生的隆起部在随后的激光焊接期间在搭接或连接区域中用作待焊接的工件之间的间隔保持件，由此形成了排气间隙，该排气间隙结合槽状的凹陷使得气化的工件材料以及尤其是涂层材料(或者其它气态的焊接废气排放)能极好的逸出。间隙尺寸(也就是说工件之间的间隔距离)通过在搭接区域中隆起部的高度确定。
待制造的凹陷结构的线形元件或线形凹陷可以具有直的或弯曲的，例如弧线的走向。线形元件优选具有1.0mm至5.0mm的长度，尤其优选具有1.5mm至2.5mm的长度，且尤其是约2.0mm的长度。鉴于热量引入，短的线形元件是有利的。线形元件的深度可以通过激光束功率和/或通过激光束的不同的运动速度，或者必要时也通过多次经过线形元件设定。线形元件优选穿过工件涂层并直至达到基底材料。凹陷结构的线形元件可以设计为相同或不同的。
凹陷结构的线形元件优选在时间上相继地且尤其是依次紧接着借助于相同的激光束制造，其中，激光束首先产生一线形元件且随后产生下一个线形元件(等等)并在此重复地沿不同方向从起点离开，由此逐步地(近似从不同方向)在起点处出现凝固的工件熔化物的逐渐的累积。为此，激光束以合适的移动或运动速度运动并也具有合适的激光功率，这例如可以通过预实验在没有较大花费的情况下确定。
优选使用所谓的扫描器光学系统用于激光束的引导或转向，其中，该扫描器光学系统尤其固定在机器人手臂等上。扫描器光学系统例如由EP0748268B1已知。通过使用扫描器光学系统为凹陷结构产生了很大程度的设计自由度，例如在待产生的线形元件的数量和长度方面。此外，可以简单地改变激光束的移动速度、其功率和/或其焦点，尤其也在产生凹陷结构期间。此外，也实现了在空间形成的接合区域上产生凹陷结构。
凹陷结构可以包括两个楔形或箭头形地相对彼此布置的线形元件。线形元件可以相对彼此形成任意角度(>0°至<360°)。线形元件之间的角度优选为约90°，从而得到直角的布置。凹陷结构也可以包括至少三个线形元件，所述线形元件尤其以相同的角距相对彼此呈星形布置。
优选在相关的工件的接合区域中形成多个凹陷结构，例如具有2.0mm至10.0mm以及尤其是2.5mm至5.0mm的(在相邻的凹陷结构之间的)距离，其中，该距离说明必要时为平均距离。优选凹陷结构之间的距离相同。在接合区域中的凹陷结构可以设计为相同或不同。
相关的工件通常是金属体(例如铸件、铣削件、异型件等)。尤其是板材件或板状的工件。涂层优选是金属防腐蚀涂层。涂层尤其包含锌且在此也可以称为锌涂层或镀锌。
用于通过搭接接头由激光束焊接或激光焊接接合至少两个工件(其中该工件的至少一个被涂层)的、根据本发明的方法包括如下步骤：
-借助于根据前述(以及还有下述)说明的根据本发明的用于准备工件的方法准备至少一个工件，其中，优选是涂层的工件且尤其是涂层的板材件，其中，在该工件的接合区域中形成了多个凹陷结构和隆起部；
-对工件进行定位和定向，其中，隆起部在搭接区域中形成排气间隙；以及
-通过激光焊接接合工件，其中，气化/蒸发的涂层材料(或者其它气态的焊接废气排放)可以通过排气间隙逸出。
可选地，该根据本发明的第二方法也可以称为用于由至少两个工件制造工件复合体的方法以及尤其是激光焊接方法，其中，至少一个工件被涂层。待制造的工件复合体尤其是汽车车身的构件或者车身组成部件。
优选规定了，凹陷结构和隆起部在相关的工件的接合区域中设计为紧邻待制造的激光焊缝(也就是说待制造的激光焊缝优选在隆起部旁边延伸)。尤其规定了，待制造的激光焊缝延伸经过之前形成的凹陷结构和/或隆起部。
优选仅在待接合的工件之一的接合区域产生凹陷结构和隆起部。同样可以规定，在两个工件的接合区域中尤其如此形成凹陷结构和隆起部，使得在工件定位和定向之后(以及进而在接合时)，所述一个工件的凹陷结构和隆起部贴靠在另一个工件的凹陷结构和隆起部的中间空间中(以及反之亦然)。因此，待制造或待产生的凹陷结构和隆起部的总数分配在两个工件上，这在热量引入方面是有利的。两个工件优选是板材件以及尤其是涂层的板材件，其中，凹陷结构和隆起部分别在接合时朝向彼此的接合区域(在结合侧)中产生。
附图说明
下面示例性且以不受限制的方式根据示意性且未按照比例尺的附图进一步阐述本发明。
图1以立体图示出两个工件，所述工件借助于激光焊接接合为工件复合体；
图2以立体图示出来自图1的为激光焊接准备的下部工件；
图3以俯视图示出凹陷结构的优选实施方案；
图4以俯视图示出凹陷结构的另一个实施方案。
具体实施方式
图1示出两个工件110和120，所述工件借助于沿着轨迹C导引的激光束L焊接，其中，轨迹C也可以具有另一个走向，例如弯曲的走向。为此，工件110和120布置在具有搭接接头的连接区域中(也就是说待接合的工件或构件110和120在接合区域中搭接地布置)，其中，搭接区域称为U。待接合的工件110和120示例性地是两个板材件，其中，下部工件120也可以是其它形式。工件110或120中的至少一个至少在其接合侧具有涂层，其中尤其是金属防腐蚀涂层，例如锌涂层(镀锌)。为了使得在激光焊接期间使气化的工件材料以及尤其是涂层材料和/或其它焊接废气排放能从搭接区域U逸出，待接合的工件110和120在搭接区域U中以所谓的排气间隙S相对彼此间隔开。
根据本发明，通过多个结状的隆起部150形成排气间隙S，所述隆起部在一位于激光焊接之前的工艺步骤中至少在工件110或120的一个中在对应于搭接区域U的接合区域F中形成，如下文所述。
图2示出为了激光焊接根据图1准备的下部工件120，其接合区域F在接合侧具有多个箭头状的凹陷结构140。设计相同的凹陷结构140沿着一条线以相同间距(例如以2.0mm至10.0mm的间距)布置。与图2中示出的实施可能性不同，凹陷结构140可以错开地、多列地和/或以相反的定向布置在接合区域F中。凹陷结构140的不同类型的设计方案也是可行的。
像从图2的放大的细节图可看到的，凹陷结构140包括两个槽状线形元件142和143，所述槽状线形元件相对彼此呈箭头状布置且具有共同的起点或交点141，在该起点或交点处形成了突出于工件表面的或在工件表面上伸出的结状的隆起部150，所述结状的隆起部在激光焊接时在搭接区域U中用作工件110和120之间的间隔保持件。
图3以俯视图示出相同的凹陷结构140。凹陷结构140在根据图1的激光焊接之前的工艺步骤中借助于激光束布置在工件120的工件表面(在接合侧)中。在此，激光束从共同的起点141(在箭头尖端处)出发首先产生线形元件142，像以箭头I示出的那样。接着，再次从共同的起点141出发产生另一个线形元件143，像以箭头II示出的那样。通过在此重复地由共同的起点141离开的激光束在起点141处产生由凝固的熔化物形成的结状的材料累积150(像以箭头i和ii示出的那样)，所述材料累积从材料表面伸出且所述材料累积还用作不变形的间隔保持件，用于形成排气间隙S。
在相关的工件120的接合区域F中所有的凹陷结构140优选借助于所谓的扫描器光学系统制造，其中，在随后通过相同方式制造下一个凹陷结构140之前，相继形成凹陷结构140的线形元件142和143。在俯视图中，箭头状或楔形的凹陷结构140可以相对迅速地(也就是说在短时间内)制造，从而也可以相对迅速地进行对整个接合区域F的处理并且热量引入很小。其中产生凹陷结构140的接合区域F可以具有空间造型。
在图3中示出的实施方案中，凹陷结构140的两个对称形成的线形元件142和143具有约2.5mm至3.0mm的长度a以及约0.8mm至0.9mm的宽度b。宽度b可以通过激光焦点调节，其中，可以尽可能与焦点位置无关地进行凹陷结构的制造，因为沿正或负Z方向的散焦仅表示较大或较小的焦点直径。腿状布置的线形元件142和143之间的角度d为约90°(直角)。隆起部或结子150相对于工件表面的高度例如可以为0.05mm至0.5mm。
图4示出了星形的凹陷结构140'，其具有多个对称设计的且以均匀角距相对彼此布置的线形元件142'至146'(例如为五个线形元件)。通过较大数量的线形元件可以在其共同的起点处产生多卷的且进而尤其是更稳定的和/或较多的累积或隆起部150'。此外前述说明类似地适用。

Claims (10)

1.一种用于为后续的激光焊接准备工件(120)的方法，其中，在该工件(120)的接合区域(F)中借助于激光束在工件表面产生凹陷，其特征在于，在此产生至少一个由至少两个槽状线形元件(142、143)形成的凹陷结构(140)，其中，该线形元件(142、143)具有用于所产生的激光束的共同的起点(141)以及通过在共同的起点(141)处有针对性地累积凝固的工件熔化物产生突出于工件表面的结状的隆起部(150)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用相同的激光束相继地产生形成凹陷结构(140)的线形元件(142、143)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个凹陷结构(140)由两个相对彼此呈箭头状布置的线形元件(142、143)形成，其中从共同的起点出发制造第一线形元件以及接着再次从共同的起点出发制造第二线形元件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述线形元件(142、143)之间的角度(d)为约90°。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个凹陷结构(140')由至少三个相对彼此呈星形布置的线形元件(142'-146')形成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，形成凹陷结构(140)的线形元件具有1mm至5mm的长度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在工件(120)的接合区域(F)中形成多个凹陷结构(140)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件(120)具有含锌的涂层。
9.一种用于通过搭接接头(U)由激光焊接(L)接合至少两个工件(110、120)的方法，其中，所述工件中的至少一个被涂层，该方法包括如下步骤：
-借助于根据前述权利要求中任一项所述的方法准备至少一个工件(120)，其中，在该工件(120)的接合区域(F)中形成多个凹陷结构(140)和隆起部(150)；
-对工件(110、120)进行定位和定向，其中，隆起部(150)在搭接区域(U)中形成排气间隙(S)；以及
-通过激光焊接(L)接合工件(110、120)，其中，气化的涂层材料能够通过排气间隙(S)逸出。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在两个工件(110、120)的接合区域(F)中如此形成凹陷结构(140)和隆起部(150)，使得在工件(110、120)定位和定向之后，一个工件(110)的凹陷结构和隆起部贴靠在另一个工件(120)的凹陷结构和隆起部的中间空间中。
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