CN105537770A - 利用交叉双激光束的铝合金的激光传导方式焊接 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用交叉双激光束的铝合金的激光传导方式焊接。公开了一种利用以交叉束朝向设置的双激光束激光焊接铝合金工件的方法。该方法包括将包含第一激光束和第二激光束的双激光束指向在铝合金工件之间建立的焊缝，并且将双激光束与填料焊丝一起沿着焊缝引导。第一激光束包括第一纵向轴线，并且第二激光束包括第二纵向轴线。当以交叉束朝向设置时，分别与第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线交叉的平面形成该平面与铝合金工件会合的直线，该直线与焊缝横向地定向。

Description

利用交叉双激光束的铝合金的激光传导方式焊接

技术领域

本发明的技术领域总体上涉及激光焊接，并且更具体地涉及一种用于激光焊接铝合金工件的方法。

背景技术

在两个铝合金工件需要沿着共用界面接合的制造设定中存在许多实例。汽车工业例如当构造某些车辆组成部件时通常选择激光焊接铝合金面板。这些车辆组成部件可以包括车顶、行李箱盖和行李箱，仅列举少数。并且当在将成为组成部件的A级表面处需要进行激光焊接时，其通常是车辆外部上的风格化和非平面可见表面，焊接接头的美学外观占据了额外的重要性。激光焊接接头尤其必须满足某些可接受的外观标准，以使得当喷涂车辆组成部件时，不会使部件的外观表面审美上没有吸引力。

激光焊接是激光束提供实行焊接所需能量的金属接合工艺。实际上，激光光学头将激光束聚焦并且指向在两个工件之间建立的焊缝处，同时机械臂移动激光光学头以沿着焊缝平移激光束。当将两个铝合金工件激光焊接在一起时，通常与激光束的移动协调地沿着焊缝追踪填料焊丝，以使得在存在保护气体时填料焊丝的工作端部由激光束照射。填料焊丝吸收激光束的能量，并且在保护性保护气体环境中熔化以使熔融填料材料沿着焊缝沉积。铝合金工件的与焊缝相邻并且沿着焊缝的部分也通常与填料焊丝同时熔化。熔融填料材料最终与存在于焊缝处的熔融铝合金互相作用，并且在激光束和填料焊丝进一步前进时冷却并固化。因此继激光束和填料焊丝沿着焊缝的协调移动之后产生激光焊接接头。

由于铝合金的相对高的热导率，使得通常需要高能量密度的激光束以在激光焊接期间在铝合金工件内集中热量。这种强激光束倾向于产生小孔―是金属蒸汽和等离子体的柱体―在激光束的紧邻周围附近的在焊缝处。小孔贯穿到铝合金工件中，并且引起工件的侧向熔化以建立跟随小孔路径的周围熔融焊池。当所产生的小孔允许铝合金工件沿着焊缝更深地熔化时，其倾向于损坏焊接接头的光滑度和整体可见外观。当小孔崩塌并且使得焊接接头具有波状且不平坦的表面外观时，小孔的不稳定性和紊乱特别地将多孔性引入到熔融焊池中。由于这样，所以通常在可以喷涂激光焊接的部件之前必须对焊接接头进行磨光、擦刷或打磨，这增加了整体制造工艺的时间和复杂性。

发明内容

一种激光焊接铝合金工件的方法包括使用处于交叉束朝向的双激光束。首先将铝合金工件接合在一起以建立焊缝。然后使双激光束和填料焊丝优选地在惰性保护气体的保护下沿着焊缝移动，之后留下激光焊接接头。作为形成激光焊接接头的一部分，双激光束将填料焊丝的工作端部熔化，以使熔融填料材料沉积在焊缝处并且沿着焊缝沉积，并且甚至可以将铝合金工件的与焊缝相邻的部分熔化，而不会产生贯穿到工件中的小孔。换言之，如果铝合金工件由双激光束熔化，那么由于在铝合金工件表面处的能量吸收和传导（即传导焊接）而发生这种熔化，而非因为小孔的形成。双激光束因为它们的组合激光束覆盖区域大于单个激光束的覆盖区域，所以能够在传导焊接模式中起作用。

双激光束包括沿着第一纵向轴线延伸的第一激光束以及沿着第二纵向轴线延伸的第二激光束。当以交叉束朝向设置时，分别与第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线交叉的平面形成该平面与铝合金工件会合的直线，该直线与焊缝横向地定向。前述平面可以垂直于焊缝，但是并非必须如此，因为其可以从垂直于焊缝以高达45o成角度，而不会影响双激光束的预期功能。由于它们的交叉束设置，使得第一激光束和第二激光束的覆盖区域可以在至少一些程度上重叠。由两个激光束产生的重叠的覆盖区域照射填料焊丝的工作端部，以便于沿着焊缝形成激光焊接接头而不会产生小孔。而且，除了由与焊缝横向的平面交叉之外，当激光束接近焊缝时，第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线也可以朝向彼此会聚，尽管这种会聚不是强制的。

如上所述，双激光束能够借由工件表面处的能量吸收和传导将铝合金工件的与焊缝相邻的部分熔化。这样的传导熔化是可能的，因为第一激光束和第二激光束的组合束覆盖区域大于通常用于铝合金工件的单个激光束的覆盖区域，这继而使得减小的能量密度指向焊缝和填料焊丝。与产生小孔不同，通过传导将铝合金工件熔化产生具有视觉上更有美感并且更光滑的外观的激光焊接接头。事实上，当采用时，双激光束能够制造具有露出上表面的激光焊接接头，能够对该上表面按照形成的那样进行喷涂，而不必须通过擦刷、磨光、打磨或一些其他适当工序对其修平。并且虽然双激光束设定能够用于激光焊接适合于多种应用的铝合金工件，但是当焊缝位于或者将存在于例如汽车组成部件的A级表面上时，这是特别有用的。

1.一种激光焊接铝合金工件的方法，该方法包括：

提供接合在一起以形成焊缝的第一铝合金工件和第二铝合金工件；

将双激光束指向在铝合金工件之间建立的焊缝，所述双激光束包括沿着第一纵向轴线延伸的第一激光束以及沿着第二纵向轴线延伸的第二激光束，并且其中与所述第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线交叉的平面形成该平面与所述第一铝合金工件和第二铝合金工件会合的直线，该直线是与所述焊缝横向的；

使所述双激光束沿着所述焊缝与填料焊丝一起移动，而不会产生贯穿到所述第一铝合金工件和第二铝合金工件中的小孔，所述填料焊丝具有追踪所述焊缝并且由所述第一激光束和第二激光束在所述焊缝处照射的工作端部；以及

当所述双激光束和所述填料焊丝沿着所述焊缝移动时，利用所述双激光束将所述填料焊丝的工作端部熔化，以使熔融填料材料沿着所述焊缝沉积，所述熔融填料材料在所述双激光束后面固化为激光焊接接头。

2.根据方案1所述的方法，其中，所述双激光束将所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的与所述焊缝相邻的部分熔化，并且其中所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的熔化部分与熔融填料焊丝材料一起硬化，并且成为所述激光焊接接头的一部分。

3．根据方案1所述的方法，其中，所述第一激光束和第二激光束中的每一个具有范围从500W至10kW的功率。

4．根据方案1所述的方法，其中，激光光学头将所述双激光束指向所述第一铝合金工件和第二铝合金工件，并且其中机械臂承载并移动所述激光光学头，以使得所述双激光束沿着所述焊缝移动。

5．根据方案1所述的方法，其中，所述填料焊丝由铝合金构成。

6．根据方案1所述的方法，其中，所述第一铝合金工件和第二铝合金工件一起形成汽车组成部件的一部分，并且其中在所述第一铝合金工件和第二铝合金工件之间建立的焊缝在所述汽车组成部件的可见外表面露出。

7．根据方案1所述的方法，其中，沿着所述焊缝形成的所述激光焊接接头具有上表面。

8．根据方案7所述的方法，还包括：

对包括所述激光焊接接头的上表面的所述第一铝合金工件和第二铝合金工件按照形成的那样进行喷涂，而不必须对所述激光焊接接头的上表面修平。

9．根据方案1所述的方法，还包括：

将保护气体指向焊缝处，在此由双激光束将所述填料焊丝的工作端部熔化。

10．根据方案1所述的方法，其中，当所述第一激光束和第二激光束接近所述焊缝时，所述第一激光束和第二激光束朝向彼此会聚。

11．一种激光焊接铝合金工件的方法，该方法包括：

将双激光束指向在第一铝合金工件和第二铝合金工件之间建立的焊缝，所述双激光束包括沿着第一纵向轴线延伸的第一激光束和沿着第二纵向轴线延伸的第二激光束，以使得与所述第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线交叉的平面形成该平面与所述第一铝合金工件和第二铝合金工件会合的直线，该直线是与所述焊缝横向的，当所述第一激光束和第二激光束接近所述焊缝时，所述第一激光束和第二激光束朝向彼此会聚；

将填料焊丝的工作端部定位在所述焊缝处，以使得所述填料焊丝的工作端部由所述第一激光束和第二激光束照射并且熔化为熔融填料材料；

使所述双激光束和所述填料焊丝沿着所述焊缝移动，以使熔融填料材料沉积在所述焊缝处，而不会产生贯穿到所述第一铝合金工件和第二铝合金工件中的小孔，所述熔融填料材料在所述双激光束后面固化为具有上表面的激光焊接接头。

12．根据方案11所述的方法，其中，所述双激光束将所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的与所述焊缝相邻的部分熔化，并且其中所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的熔化部分与熔融填料焊丝材料一起硬化并且成为所述激光焊接接头的一部分。

13．根据方案11所述的方法，其中，激光光学头将所述双激光束指向所述第一铝合金工件和第二铝合金工件，并且其中机械臂承载并且移动所述激光光学头以使得所述双激光束沿着所述焊缝移动。

14．根据方案11所述的方法，其中，所述填料焊丝由铝合金构成。

15．根据方案11所述的方法，其中，所述第一铝合金工件和第二铝合金工件一起形成汽车组成部件的一部分，并且其中在所述第一铝合金工件和第二铝合金工件之间建立的所述焊缝在所述汽车组成部件的可见外表面露出。

16．根据方案11所述的方法，还包括：

对包括所述激光焊接接头的上表面的所述第一铝合金工件和第二铝合金工件按照形成的那样进行喷涂，而不必须对所述激光焊接接头的上表面修平。

17．根据方案11所述的方法，其中，所述填料焊丝的工作端部由所述第一激光束和第二激光束照射，且在由所指向的惰性保护气体提供的无氧环境中熔化，并沿着所述焊缝与所述双激光束和所述填料焊丝一起移动。

附图说明

图1是通过双激光束和填料焊丝沿着焊缝的协调移动而沿着焊缝激光焊接的一对铝合金工件的俯视立体图；

图2是在图1中执行的激光焊接操作的侧面剖视图；

图3是沿着线3-3截取的图1中所示的焊缝的剖视图；

图4是沿着线4-4截取的图1中所示的焊缝的剖视图；

图5是能够将双激光束指向在铝合金工件之间建立的焊缝并且沿着所述焊缝引导双激光束的激光焊接设备的示意图；

图6是图5中所示的激光焊接设备的激光光学头的示意图；以及

图7是根据本发明中阐述示例而形成的激光焊接接头的截面的显微照片。

具体实施方式

图1-图6示出了在例如诸如车顶、行李箱盖或行李箱等汽车组成部件的制造期间用于将铝合金工件10激光焊接在一起的方法的优选实施例。激光焊接方法采用以交叉束朝向设置的双激光束，并且可以在预期为组成部件的A级表面处实施。铝合金工件10可以由任何适当的铝合金与其自然存在的表面氧化物层一起构成，或者如果期望则与诸如锌、锡等替代涂覆的表面涂层或金属转化涂层一起构成。可以采用的铝合金的一些示例是5XXX系列铝镁合金（例如AA5754）、6XXX系列铝镁硅合金（例如AA6022）、以及7XXX系列铝锌合金（例如AA7003）。术语“工件”在本发明中广泛地用于表示金属薄片层或者包括铸件或挤压件的任何其他种类的可激光焊接基底。

现在具体参照图1-图4，示出了接合在一起以在它们之间建立焊缝16的第一铝合金工件12和第二铝合金工件14。第一铝合金工件和第二铝合金工件12、14中的每一个包括与焊缝16相邻的上表面18、20，上表面18、20可能最终成为成品汽车组成部件的A级表面的一部分。上表面18、20可以如图所示是大体平坦的，或者它们可以呈现更复杂的三维轮廓。为了通过激光焊接来接合第一铝合金工件和第二铝合金工件12、14，而将以交叉束朝向设置的双激光束22指向焊缝16，并且使双激光束22与填料焊丝24一起沿着焊缝16移动，以在激光束22和填料焊丝24后面继激光束22和填料焊丝24的协调移动之后产生激光焊接接头26，这将在下面更详细地说明。

双激光束22包括第一激光束28和第二激光束30。第一激光束和第二激光束28、30的每一个可以具有从500W至10kW的范围的功率，取决于各种因素，包括第一铝合金工件和第二铝合金工件12、14的精确成分和厚度、填料焊丝24的成分、以及双激光束22沿着焊缝16的扫描速度。第一激光束和第二激光束28、30可以是特别是在制造设定中能够输送由激光焊接操作要求的功率的任何适当的类型。这样的激光束的示例包括例如近红外光纤输送的激光束，其可从诸如IPGPhotonics(公司总部位于马萨诸塞州牛津市)和TrumpfInc.(北美总部位于康涅狄格州法明顿)等各种供货商商业地获得。

第一激光束28沿着第一纵向轴线32延伸，并且第二激光束30沿着第二纵向轴线34延伸。当以交叉束朝向设置时，分别与第一激光束和第二激光束28、30的第一纵向轴线32和第二纵向轴线34交叉的平面36形成平面36与铝合金工件12、14的上表面18、20会合的直线38，直线38与焊缝16横向地定向。直线38可以如图所示垂直于焊缝16，或者其可以沿如虚线40所示的任一方向从垂直于焊缝16变成以高达45o成角度。第一激光束和第二激光束28、30的第一纵向轴线和第二纵向轴线32、34也可以朝向彼此并且在平面36内朝向焊缝16会聚。这样的会聚使得第一激光束和第二激光束28、30在焊缝16处接合在一起，以使得由激光束28、30产生的束覆盖区域在至少一定程度上重叠。然而，第一激光束和第二激光束28、30的第一纵向轴线和第二纵向轴线32、34并不必须在焊缝16处会聚和会合。激光束28、30的轴线32、34可以是平行的，或者它们可以在到达焊缝16之前在某个点处交叉，而仍然在至少一定程度上具有重叠的束覆盖区域。

一旦将双激光束22指向焊缝16并朝向焊缝16聚焦，就使双激光束22沿着焊接方向42与填料焊丝24一起沿着焊缝16移动以产生焊接接头26。填料焊丝24包括工作端部44，工作端部44追踪双激光束22沿着焊缝16的移动并且由第一激光束28和第二激光束30照射，大体上如图1和图3中所示。填料焊丝24优选地由铝合金构成，诸如例如4043或4047铝硅合金。并且虽然大量各种铝合金填料焊丝可商业地获得，但是适合与双激光束22一起使用的典型填料焊丝具有约1mm至约2mm的直径。在优选实施例中，如图2中所示，填料焊丝24在焊接方向42上沿着焊缝16在第一激光束和第二激光束28、30之前，并且第一激光束和第二激光束28、30从填料焊丝24倾斜远离，以使得它们的纵向轴线32、34沿着与焊接方向42相反的方向而从法线偏移（即第一激光束和第二激光束28、30以“推进”设置倾斜），但是其他设定当然也是可能的。此外，保护气体喷嘴46与双激光束22和填料焊丝24一起沿着焊缝16移动，以分配诸如氩气等惰性保护气体48。惰性保护气体48在双激光束22和填料焊丝42的工作端部44的周围附近中提供了无氧环境。

由照射的第一激光束和第二激光束28、30所提供的能量将填料焊丝24的工作端部熔化―其通过当熔化和消耗填料焊丝24时连续地向前进给填料焊丝24而维持―并且产生在焊缝16处沉积并且沿着焊缝16沉积的熔融填料材料。由第一激光束和第二激光束28、30所提供的能量也可以将铝合金工件12、14的与焊缝16相邻的部分熔化，而不会产生贯穿到工件12、14中的小孔；即，第一激光束和第二激光束28、30的能量通过由铝合金工件12、14的位于束覆盖区域内并且因此由第一和/或第二激光束28、30照射的部分吸收和传导而启动了熔化。这样的传导熔化是可获得的，因为由第一激光束和第二激光束28、30投射的组合束覆盖区域比否则如果使用单个激光束的情形大。扩展的束覆盖区域继而降低了指向焊缝16和填料焊丝24的能量密度，因此避免了小孔的生成。熔融填料材料以及如果启动的话铝合金工件12、14的熔融部分由惰性保护气体48所维持的局部化无氧环境保护，而避免受到不可接受的氧化。

当双激光束22和填料焊丝24在焊接方向42上沿着焊缝16前进时，从填料焊丝24得到的熔融填料材料在双激光束22后面硬化为焊接接头26，如图1和图4中所示。并且关于焊接接头26的结构，其可以包含或不包含与铝合金工件12、14的结合。如果发生了工件12、14的熔化，则熔融填料材料例如可以与铝合金工件12、14的熔化部分结合，或者如果没有发生工件12、14的熔化，则其可以简单地润湿铝合金工件12、14。在任一情形中，所形成的焊接接头26都具有跨越焊缝16并且连接第一铝合金工件和第二铝合金工件12、14的上表面18、20的上表面50。因为双激光束22在它们沿着焊缝26平移期间并未生成小孔，所以焊接接头26的上表面50是光滑的和视觉上有美感的。具体来说，在许多情形下能够对所形成的上表面50进行喷涂，而不必预先擦刷、磨光、打磨或者以其他方式对其修平。该表面光滑度是尤其期望的－并且从制造角度看是实用的－当期待铝合金工件12、14的上表面18、20与焊接结构26最终呈现A级表面质量时。

双激光束22可以由任何适当的激光焊接装置沿着焊缝16引导、聚焦和移动。例如，如图5-图6中所示，可以使用传统种类的激光焊接设备52。激光焊接设备52包括由光纤电缆58联接至激光束发生器56的激光光学头54、以及支撑并承载激光光学头54的机械臂60。机械臂60可以连接至基座62，并且构成为具有旋转、回转、铰接和/或其他类型的联结，这允许臂60以受控方式沿着焊缝16移动激光光学头54。并且尽管图5（或图1-或2）中未明确示出，但是填料焊丝24和保护气体喷嘴46（如果采用的话）可以由激光光学头54支撑，以确保双激光束22、填料焊丝24和保护气体喷嘴46沿着焊缝16协调移动。

激光光学头54包括制造双激光束22的光学部件。如图6中示意性所示，双激光束22由分束序列形成。在所示的实施例中，激活激光束发生器56，以从位于激光光学头54内的光纤电缆58的端部输送发散的锥形激光束64。发散的锥形激光束64随后穿过准直透镜66―诸如弯曲（例如抛物面或球面）透镜―以将发散的锥形激光束64转换为沿着其长度具有相当恒定的束径的准直激光束68。接下来，使准直激光束68的一部分穿过光学分束棱镜70。准直激光束68的两个分束部分然后穿过聚焦透镜72，聚焦透镜72可以像准直透镜66那样弯曲，以将分束部分朝向焊缝16聚焦并且引导作为第一激光束和第二激光束28、30。图6的示意图中未展示的其他部件或部分当然可以存在，例如包括反射镜和保护罩。

如刚刚描述的那样，使用双激光束22沿着焊缝16激光焊接第一铝合金工件和第二铝合金工件12、14的优选方法在本领域技术人员的知识范围内经受了数种变型，例如包括激光焊接设备52的准确设计和构成。由于这些原因和其他原因，所以优选示例性实施例的上述描述和以下示例本质上仅是描述性的；它们并非意在限制所附权利要求的范围。所附权利要求中所使用的每个术语应该被给予其通常和习惯的含义，除非在说明书中另外明确且毫无疑义地声明。

示例

为了示范以上描述的方法的特定实施方式，而如图7中所示将两个1.2mm厚的AA6111试样10’接合在一起以在它们之间建立焊缝。使用光学棱镜作为分束器而制造了每个具有约1875W的功率的双激光束。将双激光束与1.6mm直径的AA4047填料焊丝一起沿着焊缝以约60mm/s的速度引导和移动。激光束将填料焊丝的工作端部以及铝合金试样10’的与焊缝相邻的部分74熔化，而并未产生小孔。如图7中所示，沉积的熔融填料材料硬化为激光焊接接头76，由于传导焊接机制与小孔焊接机制相比的相对稳定性，使得激光焊接接头76呈现了光滑的上表面78。观察焊接接头76的上表面78对于成品汽车组成部件的A级表面是视觉上可接受的，并且足够光滑以便于为了使表面可经受喷涂而需要最少的刷擦或者不需要刷擦。

Claims (10)

1.一种激光焊接铝合金工件的方法，该方法包括：

提供接合在一起以形成焊缝的第一铝合金工件和第二铝合金工件；

将双激光束指向在铝合金工件之间建立的焊缝，所述双激光束包括沿着第一纵向轴线延伸的第一激光束以及沿着第二纵向轴线延伸的第二激光束，并且其中与所述第一激光束和第二激光束的第一纵向轴线和第二纵向轴线交叉的平面形成该平面与所述第一铝合金工件和第二铝合金工件会合的直线，该直线是与所述焊缝横向的；

使所述双激光束沿着所述焊缝与填料焊丝一起移动，而不会产生贯穿到所述第一铝合金工件和第二铝合金工件中的小孔，所述填料焊丝具有追踪所述焊缝并且由所述第一激光束和第二激光束在所述焊缝处照射的工作端部；以及

当所述双激光束和所述填料焊丝沿着所述焊缝移动时，利用所述双激光束将所述填料焊丝的工作端部熔化，以使熔融填料材料沿着所述焊缝沉积，所述熔融填料材料在所述双激光束后面固化为激光焊接接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双激光束将所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的与所述焊缝相邻的部分熔化，并且其中所述第一铝合金工件和第二铝合金工件的熔化部分与熔融填料焊丝材料一起硬化，并且成为所述激光焊接接头的一部分。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一激光束和第二激光束中的每一个具有范围从500W至10kW的功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，激光光学头将所述双激光束指向所述第一铝合金工件和第二铝合金工件，并且其中机械臂承载并移动所述激光光学头，以使得所述双激光束沿着所述焊缝移动。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填料焊丝由铝合金构成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一铝合金工件和第二铝合金工件一起形成汽车组成部件的一部分，并且其中在所述第一铝合金工件和第二铝合金工件之间建立的焊缝在所述汽车组成部件的可见外表面露出。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着所述焊缝形成的所述激光焊接接头具有上表面。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

对包括所述激光焊接接头的上表面的所述第一铝合金工件和第二铝合金工件按照形成的那样进行喷涂，而不必须对所述激光焊接接头的上表面修平。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将保护气体指向焊缝处，在此由双激光束将所述填料焊丝的工作端部熔化。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述第一激光束和第二激光束接近所述焊缝时，所述第一激光束和第二激光束朝向彼此会聚。