CN106984900B

CN106984900B - 用于激光焊接的局部配合表面

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Publication number: CN106984900B
Application number: CN201710053676.0A
Authority: CN
Inventors: 约瑟·德·杰苏斯·科林·埃斯皮诺萨; 迈克尔·詹姆斯·弗里曼; 于尔根·威廉·霍弗; 圭多·H·穆勒; 马里奥·阿尔贝托·卢比奥·蒙罗伊
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2017-01-22
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2037-01-22
Also published as: US20170209962A1; MX2017000939A; US11173569B2; CN106984900A

Abstract

公开了一种用于激光焊接的局部配合表面。公开了一种组件和形成该组件的方法。该组件可包括第一部件和第二部件，第一部件包括非配合区域和配合区域。配合区域可沿着朝向第二部件的方向偏移，并且具有与第二部件接触的焊接表面。位于焊接表面内的焊缝可将第一部件和第二部件接合。该焊缝可以是激光焊缝。该方法可包括将第一部件进行定位，第一部件包括相对于第一部件的周围区域偏移的焊接衬垫，使得焊接衬垫与第二部件接触，以在第一部件的周围区域和第二部件之间形成间隙。然后可在焊接衬垫内的区域中将第一部件焊接到第二部件。

Description

用于激光焊接的局部配合表面

技术领域

本公开涉及(例如)在待激光焊接的部件中形成局部配合表面。

背景技术

激光焊接或激光束焊接(LBW)是使用激光来局部熔化和熔合两个或更多个部件(例如，金属片)的焊接技术。激光器可以提供高度集中且可控的热源，这可以允许精细的焊接线和高焊接速率以及高产量。激光焊接应用通常需要两个基板之间的紧密配合条件以达到良好的质量。如果在配合部件的焊接区域之外的任何部分朝向另一部件发生尺寸变形，则可能在焊接表面处产生间隙。该间隙可能由于减小焊接区域中的配合表面之间的接触而不利地影响焊接的质量。

发明内容

在至少一个实施例中，提供了一种组件。该组件可包括：第一部件和第二部件，第一部件包括非配合区域和配合区域，所述配合区域沿着朝向第二部件的方向偏移并且具有与第二部件接触的焊接表面；以及焊缝，将第一部件和第二部件接合并且位于所述焊接表面内。

所述非配合区域可与第二部件间隔开。在一个实施例中，焊接表面具有矩形形状。所述偏移可以是第一部件的厚度的至少0.5倍。在一个实施例中，配合区域相对于围绕配合区域的整个周边的非配合区域偏移。在另一实施例中，配合区域形成在第一部件的边缘上。第一部件进一步可包括多个配合区域，每个配合区域沿着朝向第二部件的方向相对于非配合区域偏移，每个配合区域具有接触第二部件的焊接表面并且具有位于配合区域中的将第一部件和第二部件接合的焊缝。

在一个实施例中，配合区域具有长轴线，焊缝具有长轴线，并且焊缝的长轴线沿着配合区域的长轴线布置。配合区域可以是矩形的，并且焊缝的长轴线可以沿着配合区域的对角线布置。在一个实施例中，配合区域内具有单个焊缝。第二部件还可包括第二配合区域，该第二配合区域沿着朝向第一部件的方向偏移并且具有与第一部件接触的焊接表面。焊缝可将第一部件和第二部件接合并且位于第二配合区域内。在一个实施例中，第一部件是管状部件。配合区域可以基本上平行于非配合区域，并且过渡区域可在配合区域和非配合区域之间延伸。

在至少一个实施例中，提供了一种组件。该组件可包括：第一部件和第二部件，第一部件包括非配合区域和配合区域，所述配合区域沿着朝向第二部件的方向偏移并且具有与第二部件接触的焊接表面；以及将第一部件和第二部件接合的焊缝，所述焊缝位于所述焊接表面内并且包括所述焊接表面的面积的10％至50％。在一个实施例中，焊接表面具有50mm²至5000mm²的面积。所述偏移可以是第一部件的厚度的0.5倍至5倍。在一个实施例中，所述偏移为0.5mm至10mm。

在至少一个实施例中，提供了一种方法。该方法可包括：将第一部件进行定位，第一部件包括相对于第一部件的周围区域偏移的焊接衬垫，使得焊接衬垫与第二部件接触以在第一部件的周围区域和第二部件之间形成间隙；以及在所述焊接衬垫内的区域中将第一部件激光焊接到第二部件。在一个实施例中，该方法还包括至少在焊接衬垫内的区域中将第一部件夹紧到第二部件。在另一实施例中，焊接步骤包括形成具有包括焊接衬垫面积的10％至50％的面积的焊缝。

附图说明

图1是传统部件组件在激光焊接之前的俯视图；

图2是通过线A-A截取的图1的截面；

图3是根据实施例的部件组件在激光焊接之前的俯视图，其中一个部件包括三个焊接衬垫；

图4是通过线B-B截取的图3的截面；

图5是根据实施例的焊接衬垫内的焊缝和夹子的俯视图；和

图6是根据实施例的激光焊接部件的组件的俯视图，其中一个部件包括三个焊接衬垫。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

如上所述，如果在激光焊接过程中，配合部件的焊接区域之外的任何部分朝向另一部件发生尺寸变形，则可能在焊接表面处产生间隙。该间隙可能由于减小焊接区域中的配合表面之间的接触而不利地影响焊接的质量。这个问题可能需要补偿，以实现适当的焊接。例如，产生配合部件的模具和成形工具可能需要重新加工以微调配合表面，直到所述配合表面是合适的和/或可能需要在焊接/保持设备上进行大量的改进以使部件进入适当的配合条件。

这些替代方案可能都会导致在产品开发过程中的高投资成本和工时增加。此外，随着先进的高强度钢和加压硬化工艺的广泛使用，考虑到甚至在被批准为相同规格的材料中出现的卷到卷或轧机到轧机的变化，更难以产生重复性。如果出现其中需要从一个轧机(或供应商)向另一个轧机(或供应商)重新供应材料(例如钢、铝等)的商业情况，则制造工具(例如，模具)的“重新调校”可能非常昂贵并且时间受限。这些相同的问题也可能存在于原型阶段，其通常甚至更受时间的约束。在传统工艺中，在不进行较大或较全面的表面调校的情况下，不存在局部调校或调整配合表面的能力。

图1和图2中示出了传统的激光焊接组件的示例。图1示出了待激光焊接的第一部件10和第二部件12。图2是通过图1中的线A-A截取的截面，示出了两个焊接配合区域14以及若干个非焊接配合区域16。在所示的示例中，部件10和12的非焊接配合区域16不朝向另一部件发生尺寸变形，因此，焊接配合区域14处于接触状态并且可被成功地激光焊接。然而，如果第一部件10或第二部件12的非焊接配合区域16朝向另一部件发生尺寸变形，则在焊接配合区域14中的至少一个中将形成间隙。这可能需要模具和成形工具重新加工以微调配合表面，直到它们是相容的，和/或部件可能需要被迫使进入适当的配合条件。任一选择在资本和时间方面可能都是昂贵的。

参照图3至图6，公开了包括用于激光焊接的至少一个局部配合表面的部件组件，以及形成局部配合表面的方法。部件组件20可包括待接合在一起的第一部件22和第二部件24。在一个实施例中，部件22和24可通过焊接(例如，激光焊接)来接合。如上所述，激光焊接是一种可使用激光来局部熔化和熔合两个或更多个部件(例如，金属片)的焊接技术。激光焊接通常需要两个部件之间的紧密配合条件以达到良好的质量。因此，如果配合部件22和24在焊接区域之外的任何部分朝向另一部件发生尺寸变形，则可能在焊接表面处产生间隙。该间隙可能通过减小焊接区域中的配合表面之间的接触而不利地影响焊接的质量。

为了在激光焊接工艺期间减小或消除第一部件22和第二部件24之间的间隙，可在部件22和24中的一个或两个中形成激光焊接衬垫或区域26。如图3和图4所述，第一部件22可具有形成在其中的一个或更多个衬垫或配合区域26。然而，第二部件24也可具有形成在其中的一个或更多个衬垫26，或者两个部件均可具有形成在其中的一个或更多个衬垫26。激光焊接衬垫26可沿着朝向待接合的部件的焊接区域30的方向相对于非焊接区域或范围28偏移。在图3和图4所示的示例中，焊接衬垫26可形成在第一部件22中，并且可沿着朝向第二部件24的焊接区域30的方向偏移。

当衬垫26和焊接区域30处于配合位置时，衬垫26的偏移可在第一部件和第二部件之间形成一个或更多个间隙32。第一部件22的非焊接或非配合区域28可沿着远离第二部件24的方向偏移，使得它们不与第二部件24接触以形成一个或多个间隙32。间隙32具有与偏移的大小相同或基本相同的宽度。在一个实施例中，衬垫或配合区域26可偏移但平行或基本上平行于第一部件的非配合区域28。在配合区域26和非配合区域28之间可存在与二者均不平行(例如，倾斜)的过渡区域。因此，间隙32沿其长度的大部分(例如>50％)可具有恒定或基本上恒定(例如，±10％)的宽度。例如，间隙32的宽度在其长度的至少75％、85％或95％上可以是恒定的或基本上恒定的。在一个实施例中，间隙32的宽度在基本上整个长度(例如，99+％)上可以是恒定的或基本上恒定的。

在至少一个实施例中，衬垫26的偏移可以是部件厚度(例如，第一部件22)的函数。所述偏移可以是部件厚度的至少0.5倍(0.5x，x表示倍)，例如至少1x、2x、3x、4x或5x。在一个实施例中，所述偏移可以是部件厚度的0.5至5倍(0.5x至5x)或其中任何子范围。例如，所述偏移可以是从1x到5x、1x到3x、0.5x到2x或1x到2x。部件的厚度可根据应用而变化，然而，在至少一个实施例中，其可以为0.5mm至5mm。例如，部件可具有0.5mm至2.5mm或0.5mm至1.5mm的厚度。因此，所述偏移可具有由上述范围计算的任何值。例如，如果偏移为厚度的0.5x至5x，并且厚度为0.5至5mm，则所述偏移可以为0.25mm至25mm。可对上面公开的其它范围执行相同的计算。在另一实施例中，衬垫26的偏移可以是绝对值。所述偏移可以是至少0.25mm、0.5mm、0.75mm或1mm。在一个实施例中，所述偏移可为0.25mm至10mm或其中的任何子范围，诸如0.5mm至10mm、0.7mm至10mm、1mm至10mm、1mm至7.5mm、1mm至5mm或1mm至3mm。

图4示出了图3的沿着线B-B穿过三个激光焊接衬垫34、36和38的横截面。在横截面上向下看，示出了由于衬垫26而形成的间隙32。在所示的实施例中，衬垫34在第一部件22的最左边缘上，衬垫38在第一部件22的最右边缘上。因此，在衬垫34的左侧或衬垫38的右侧，部件之间可没有间隙。然而，在衬垫34的右侧和衬垫38的左侧以及衬垫34和36的上方和下方(例如，分别在图4中从纸面出来和进入页面的方向)形成有间隙32。衬垫36完全位于第一部件22内，因此间隙32围绕衬垫36的整个周边形成。

通过在第一部件和第二部件之间形成(多个)间隙32，减小了部件的非焊接区域将导致在焊接区域中形成间隙的风险。即使部件的非焊接区域中的一个或两个朝向另一部件发生尺寸变形(例如，意外地由于成形误差、超出公差分量等)，间隙32可在这两个部件之间形成缓冲使得焊接区域不受影响或受影响较小。例如，如果衬垫34右侧的非焊接区域28形成为使其朝向第二部件24延伸超过预期，则间隙32可防止所述非焊接区域28接触第二部件24的非焊接区域28。因此，衬垫26和焊接区域30的配合不会被损坏(或发生较小的延伸)。类似地，如果第二部件24的非焊接区域28朝向第一部件22的非焊接区域28延伸，则将实现相同的效果。

尽管衬垫26的焊接表面在图3、图5和图6中示出为正方形或矩形(例如，在俯视平面图中)，但是它们可具有任何合适的形状，例如卵形、圆形、椭圆形、三角形、五边形、六边形、其它多边形或不规则形状。如图所示，衬垫26的拐角可以是圆滑的，而不被认为是其它形状。衬垫26的形状和大小可取决于焊缝的形状和大小。衬垫26可具有用于容纳焊缝40的任何合适的大小。在一个实施例中，衬垫26的焊接表面可具有25mm²至10000mm²或其中任何子范围的面积。例如，衬垫26可具有25mm²至5000mm²、50mm²至5000mm²、50mm²至3000mm²、50mm²至2500mm²、100mm²至2500mm²、100mm²至1500mm²或100mm²至1000mm²的面积。

参照图5，衬垫26的焊接表面的大小可使得它们刚好足够大以容纳焊缝40本身和夹子42，而没有明显的额外空间。焊缝40可具有任何合适的大小和形状。如图5和图6的非限制性示例所示，焊缝40可具有包含三个侧部的“U”形形状。例如，可具有由横向部分46连接的两个平行部分44。平行部分44可垂直地连接到横向部分46。在图5所示的实施例中，平行部分的未连接端48可朝向彼此卷曲或弯曲。焊缝40可形成衬垫26的焊接表面的至少一定部分的区域。在一个实施例中，焊缝40的面积可以是衬垫26的焊接表面的面积的至少10％，例如，至少15％、20％、25％、30％或35％。焊缝40的面积可形成衬垫26的焊接表面的面积的10％至75％或其中的任何子范围，例如10％至50％、20％至60％、20％至50％或其它。焊缝40的面积的绝对值可取决于应用。然而，在至少一个实施例中，焊缝40的面积可为5mm²至1000mm²或其中的任何子范围，例如10mm²至1000mm²、10mm²至500mm²、10mm²至250mm²或5mm²至100mm²。

焊缝40可布置在衬垫26内，以使容纳焊缝40和夹子42所需的衬垫26的大小最小化或基本上最小化。例如，焊缝40的长轴线或尺寸50可沿衬垫26的长轴线或尺寸52(例如，在衬垫的长轴线上或平行于衬垫的长轴线)布置。如图5所示，焊缝40的长轴线50沿着矩形垫26的对角线布置。第一部件22和第二部件24可被夹在一起，以便于每个部件的焊接区域30的接触。夹子42可在用于每个焊缝40的衬垫26的内部接触两个部件中的至少一个。夹子42可具有与衬垫26接触的一个或更多个接触点54。如图5所示，夹子42可在两个接触点54处与衬垫26接触。夹子可在焊缝40的相对侧上与衬垫26接触。在图5所示的示例中，在焊缝40的长轴线50的相对侧上具有接触点54。因此，在该示例中，接触点还设置在衬垫的长轴线52上。

夹子42的接触点54可与焊缝40间隔开并且与衬垫26的边缘间隔开最小量。该最小间隔可防止夹持力影响待焊接的区域并且避免激光接触或影响夹子42。与衬垫26的边缘的最小间隔可防止夹持力使衬垫26的偏移变形。例如，从衬垫26的边缘到夹子42的接触点54的间距可为1mm至100mm或其中的任何子范围，例如，4mm至100mm、4mm至75mm或4mm至50mm。

参照图6，焊接组件20被示出具有激光焊接到第二部件24的第一部件22。在所示的实施例中，第一部件包括三个激光焊接衬垫26。在该实施例中，每个焊接衬垫26具有设置在其中的一个焊缝40。如图所示，每个焊缝40可完全位于焊接衬垫26内。虽然在每个焊接衬垫26中示出了一个焊缝40，但是在其它实施例中，至少一个焊接衬垫26可具有设置在其中的两个或更多个焊缝。此外，尽管示出了三个衬垫26，但是可具有一个或更多个衬垫26，例如，1个、2个、3个、4个、5个或更多个。如上所述，衬垫26可形成在第一部件22和/或第二部件24中。

在至少一个实施例中，第一部件和第二部件可以是车辆部件。然而，所公开的焊接衬垫可以在任何焊接组件应用中实施。在所示的示例中，第一部件22是冲压车身板件，第二部件24是管状加强件。然而，组件20中可包括其它部件，例如车身部件、结构部件或非结构部件。在一个实施例中，包括衬垫26的部件可以是板或管。如本文所使用的，管可以是细长的空心物体，不一定是圆柱形的或沿其长度方向具有均匀的横截面。部件可由任何可焊接(例如，可激光焊接)的材料(例如，钢)制成。例如，部件可由冷轧钢、高强度钢、马氏体钢、硼钢或其它的任何组合制成。包括其中形成有衬垫26的部件可由任何合适的工艺形成。合适的工艺的非限制性示例可包括冲压和模具成型(例如，液压成型、热金属气压成型等)。

除了在焊接之前和焊接期间在部件组件中提供加强的鲁棒性之外，焊接衬垫还可在形成和/或调整形成部件的工具方面具有益处。在传统的部件组件中，例如在图1和图2中描述和示出的那些部件中，部件配合表面远远延伸超过焊接区域。如上所述，在焊接区域之外的区域中的配合表面中的表面差异可能因此在焊接表面中产生间隙。因此，为了弥补这些间隙，必须采取一些措施，该措施通常是两种选择中的一个选择。

首先，形成部件的模具和/或工具可能必须重新加工或改进以解决一个或两个部件中引起间隙的差异。这可能是非常困难和耗时的过程，其可能需要几次迭代。对工具/模具的调整(例如，再加工)可以是全局的，而不局限于焊缝的区域。这些问题可能由于增加使用先进的高强度钢、高强度铝或其它先进材料而加剧。例如，所述材料可能已经经历了加压硬化工艺，这使得更难以在材料中具有高度的重复性(例如，卷到卷的变化)。此外，如果部件来自多个位置，即使规格相同，也可能存在轧机到轧机的变化。因此，对工具/模具进行再加工以适应各种变化源可能在时间和资源上都是昂贵的。

第二选择可以是对焊接或保持/夹紧设备进行调整或再加工，以迫使部件进入合适的配合状态。类似于对工具/模具进行再加工，这是一个耗时且困难的过程，这是因为一些调整可能无法为所有差异提供解决方案。此外，增加夹紧力可能在一些组件中不可行或损坏部件。例如，夹紧力的增加可能导致部件中的其它质量控制问题，例如，使一个或两个部件脱离标称设计/规格形状。因此，这两种选择可能都无法实际或有效地弥补不适当的配合表面的问题。

所公开的焊接衬垫可减少或消除非焊接区域在焊接区域配合表面中形成间隙的问题。如上所述，设置在部件的非焊接区域之间的间隙可提供缓冲，使得任一部件中的微小变化不会导致焊接区域配合表面受损。此外，在需要对焊接衬垫的配合表面进行调整的情况中，待调整区域的位置是已知的并且局限于焊接衬垫。因此，对焊接衬垫进行的调整可相对较小并且可快速完成。

在一个实施例中，焊接衬垫的工具公差和模具公差可比非焊接区域的公差更紧密。焊接衬垫可通过将插入件切入到工具/模具中而形成。因此，如果焊接区域中的配合表面存在问题，则插入件可被返工或重新机加工以解决该问题。工具/模具的非焊接区域可以不变。因此，对插入件进行调整或再加工显著减少加工时间/数量、试验、压制时间和劳动时间。此外，随着工具/模具随时间磨损，插入件可被再加工或更新以保持可接受的焊接配合表面。通过仅需要调整工具/模具的局部焊接衬垫区域，再加工可更快且更廉价。

在一个实施例中，插入件在工具/模具内是可移除和可更换的。因此，如果插入件将被再加工或更换，则可将其从工具/模具的其余部分中移除，使得工作更方便和更容易接近。插入件可由与工具/模具相同的材料形成或者可由与工具/模具不同的材料形成。在一个实施例中，插入件可由比整个工具/模具更高质量的材料形成。较高的质量可能意味着更强、更耐磨、具有更紧密的尺寸公差、更容易再加工或再机加工或具有其它有益于工具/模具材料的特性。

除了改进工具/模具的成型和/或再加工之外，焊接衬垫还可为焊接夹具提供益处。如上所述，如果焊接配合表面没有正确对准，则焊接夹具可包括迫使焊接配合表面合格或平顺的夹子。如果所公开的焊接衬垫需要夹紧，则与其中远离焊接区域的非焊接区域中的变化引起非平顺焊接配合表面的组件相比，需要变平顺的焊接区域可小得多。因此，当焊接部件具有所公开的焊接衬垫时，可能需要减小的夹紧力和/或夹紧设备。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种变化。此外，可组合各个实施的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims

1.一种组件，包括：

第一部件和第二部件，第一部件包括非配合区域和配合区域，所述配合区域从所述非配合区域沿着朝向第二部件的方向偏移以形成围绕所述配合区域的周边且在所述配合区域与所述非配合区域之间延伸的侧表面过渡区域，所述配合区域具有与第二部件接触的焊接表面，在所述侧表面过渡区域与第二部件之间形成第一间隙，在所述非配合区域与第二部件之间形成第二间隙，所述第一间隙延伸的距离比第二间隙延伸的距离短；和

焊缝，将第一部件和第二部件接合并且位于所述焊接表面内，

其中，第一部件和第二部件通过搭接焊接而彼此接合。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述侧表面过渡区域相对于所述非配合区域和所述配合区域倾斜。

3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述焊接表面具有矩形形状。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述偏移是第一部件的厚度的至少0.5倍。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述配合区域相对于通过所述侧表面过渡区域围绕所述配合区域的整个周边的所述非配合区域偏移。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，第一部件进一步包括多个配合区域，每个配合区域沿着朝向第二部件的方向相对于非配合区域偏移，每个配合区域具有与第二部件接触的焊接表面并且具有位于配合区域中的将第一部件和第二部件接合的焊缝。

7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述配合区域具有长轴线，并且所述焊缝具有长轴线，并且所述焊缝的长轴线沿着所述配合区域的长轴线布置。

8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述配合区域是矩形的，并且所述焊缝的长轴线沿着所述配合区域的对角线布置。

9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述配合区域形成在第一部件的边缘上。

10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述配合区域内具有单个焊缝。

11.一种组件，包括：

焊缝，将第一部件和第二部件接合，所述焊缝位于所述焊接表面内并且包括所述焊接表面的面积的10％至50％，

其中，第一部件和第二部件通过搭接焊接而彼此接合。