CN107081526B - 激光焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接工艺。公开了一种用于将第一部件和第二部件焊接在一起的方法。首先通过在第一部件的一侧上引导激光束而在第一部件上形成分隔焊道。随后将第二部件装配到第一部件的一侧。之后通过在分隔焊道附近按照局部圆形图案引导第二激光束而将第二部件焊接到第一部件。焊缝的端部终止于局部圆形图案的径向内部。

Description

激光焊接工艺

技术领域

本公开涉及用于焊接具有防腐层的部件的激光焊接工艺。

背景技术

多种焊接工艺用于将薄金属面板或其它类型的部件接合在一起。激光焊接是一种具有以下优势的焊接工艺：诸如能够从将要被焊接的部件的一侧进行焊接而不需接近将要被焊接的部件的背侧(在点焊或阻焊时需要)。激光焊接还可在没有填充焊丝的情况下(如手工惰性气体保护(MIG)焊接或钨极惰性气体保护(TIG)焊接)执行。激光焊接消除了焊嘴、焊条和焊枪的维护。

涂覆有锌或锌基涂层组分的防腐层的焊接件因涂层具有比钢基板低的熔点而产生关于激光焊接工艺方面的问题。当在激光焊接操作期间涂层被加热时，涂层蒸发产生烟流和气体排放。通过在焊接区域吹动空气来将烟流从激光路径移除。由涂覆到以面对面的关系装配在一起的两个部件的区域的涂层蒸发所产生的气体排放必须被允许从面板之间排出，否则气体排放可通过熔化的激光焊缝向上冒泡并在焊缝中产生气孔。

曾有人提出通过使用“驼峰效应(humping effect)”(其中，激光用于加热将要被接合在一起的两个面板之一的内表面)在面板之间设置一系列突起(protuberance)或凸块(bump)。在面板面对面放置以使突起位于面板之间之后，激光焊缝形成在组件的一侧，同时来自涂层的排气通过在面板之间由凸块形突起所创建的空隙排出。凸块形突起的一个问题是难以一致地控制凸块的高度。

以面对面关系布置的激光焊接面板的另一问题是焊接可能在焊缝的末端产生增多的气孔。如果气孔影响大于特定长度的焊缝时，则焊缝中的气孔是不可接受的。取代点焊缝的激光焊缝通常被配置为直径小于9mm并具有25mm的曲线长度的C形。如果产生过多的气孔，则没有足够的空间来延伸C形焊缝的长度。

本公开旨在通过减少焊接气孔来解决促进涂层进行排气并保证焊接质量的问题，并解决关于激光焊接的其它问题。

发明内容

根据本公开的一方面，公开一种用于将第一部件和第二部件焊接在一起的方法。首先通过在第一部件的一侧上引导激光束而在第一部件上形成分隔焊道。随后将第二部件装配到所述第一部件的一侧。随后通过在分隔焊道附近按照局部圆形图案引导第二激光束并形成终止于局部圆形图案的径向内侧的焊缝端部而将第二部件焊接到第一部件。

根据本公开的另一方面，所述方法还包括：在第一部件和第二部件中的至少一个上设置涂层，并使涂层从由分隔焊道分隔的第一部件与第二部件之间排气，其中，在装配步骤中，在第一部件和第二部件装配在一起时，所述涂层位于第一部件与第二部件之间。

形成分隔焊道的步骤可通过在所述第一部件的一侧上朝向间隔开的位置引导第一激光束而形成间隔开的多个升高区域来执行。将第二部件焊接到第一部件的步骤可通过在间隔开的升高区域外侧按照局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在局部圆形路径内侧。

形成分隔焊道的步骤可通过在C形路径中引导第一激光束而形成C形焊道来执行。将第二部件焊接到第一部件的步骤可通过在C形焊道外侧按照局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在C形焊道内侧。

形成分隔焊道的步骤可通过按照第一C形路径引导第一激光束而形成第一C形焊道并通过按照位于第一C形路径的径向外侧的第二C形路径引导第一激光束而形成第二C形焊道来执行。将第二部件焊接到第一部件的步骤可通过按照第一C形焊道与第二C形焊道之间的局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在第一C形焊道内侧。

根据本公开的另一个方面，公开了一种将第一部件与第二部件接合在一起的焊接结构。所述焊接结构包括在第一部件的一侧上一体地形成的分隔焊道和将第二部件连接到第一部件的焊接焊道。焊接焊道包括部分环绕分隔焊道的局部圆形的焊缝部分和终止于局部圆形的焊缝部分的径向内侧的焊缝端部。

分隔焊道可包括间隔开的多个升高区域，并且局部圆形的焊缝部分可围绕所述间隔开的多个升高区域延伸，所述焊缝端部在局部圆形的焊缝部分的径向内侧延伸。

分隔焊道可以是C形焊道，并且局部圆形的焊缝部分可围绕C形焊道延伸，并且所述焊缝端部在C形焊道的径向内侧延伸。

分隔焊道可以是第一C形焊道。可设置第二C形焊道，第二C形焊道设置在第一C形焊道的径向外侧并与第一C形焊道同心。局部圆形的焊缝部分可设置在内侧的第一C形焊道与外侧的第二C形焊道之间并且焊缝端部可在第二C形焊道的径向内侧延伸。

下面将参照附图描述本公开的上述方面和其它方面。

附图说明

图1是车门框的侧向正视图，示出了组件上的焊接位置。

图2是车门框组件的分解透视图。

图3是远程激光焊接工具的图示局部截面视图。

图4是用于在面板上形成三个升高的凹窝式分隔部(dimple spacer)的编程图。

图5是使用图4的编程图形成的三个升高的凹窝式分隔部的平面图。

图6是示出当激光在面板上形成2mm的凹窝时单位为瓦特的激光输出的功率的图表。

图7是用于在面板上形成内侧C形分隔部和外侧C形分隔部的编程图。

图8是利用图7的编程图在面板上形成的内侧C形分隔部和外侧C形分隔部的平面图。

图9是用于将面板接合在一起以形成组件的G形激光焊缝的编程图。

图10是利用图9的编程图在面板上形成G形激光焊缝的图片。

图11是叠加有用于在内面板上形成三个升高的凹窝式分隔部的编程图的用于外面板上的G形激光焊缝的编程图。

具体实施方式

参照附图公开了说明的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例意在仅是示例，示例可以以各种和替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可以夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为教导本领域技术人员如何实践所公开的构思的代表性基础。

参照图1，部分地示出了车辆10，以示出限定车辆的车门开口14的车门框12。用于装配车门框12的多个焊接位置16被作为示例示出。车门框的部件通常称为“A柱”18。

参照图2，在分解视图中示出了车门框12的部件，以更好地表示车门框12的构成部件。液压成型的管状前梁20使A柱(在图1中示出)强化。A柱18的其它部件包括车顶纵梁顶板22和挡风玻璃顶板24。液压成型的管状前梁20延伸到“B柱”26。

参照图3，示出了可被用于在车辆10上形成激光焊接的远程激光头30。通过激光光缆接收器32从远程位置接收激光。设置多个指示器二极管36以引导激光光束。设置滑盖(cover slide)38用于激光光束的瞄准。Z方向(竖直)上的激光束的调节由Z变化线性马达40来完成。设置X扫描镜和Y扫描镜42以控制激光束在X方向和Y方向上的移动。聚焦透镜44将激光聚焦在要被焊接的物体上。设置聚焦光学滑盖46以遮盖聚焦透镜44。横向喷嘴48用于引导空气横跨激光光束的流动，以消除来自激光束路径的任何烟流或气流。

参照图4，提供激光路径曲线50A、50B和50C，以示出如何控制激光来横贯面板52的内表面。激光路径曲线50A、50B和50C具有约2mm的长度并且像部分侧边间隔开的三角形阵列一样排列。

参照图5，在面板52上示出了多个升高的凹窝(raised dimple)54A、54B和54C。在图6中控制升高的凹窝的高度。

参照图6，示出了一系列功率偏移曲线56以示出如何控制激光功率以形成三个升高的凹窝54A至54C。每条功率偏移曲线56表示激光最初具有例如6000瓦特的功率尖峰，在移动1mm之后该功率减小到例如大约1000瓦特。在第二毫米中，激光输出功率再次增大直到达到峰值(例如，6000瓦特)，随后激光的功率输出减小到0瓦特。这个过程重复三次，以提供具有控制高度的三个升高的凹窝54A至54C。

参照图7，示出了用于形成内侧C形分隔部和外侧C形分隔部的激光路径曲线60。在激光发出多个受控的脉冲的情况下，通过开始追随外侧C形路径60A和内侧C形路径60B来形成同心的双C形分隔部路径60。激光路径曲线60A始于外侧C形的顶端并沿逆时针方向运动，直到到达外侧C形的下端为止。此时，重新引导激光束以在内侧C形的顶端开始追随内侧C形路径60B，并且激光束沿逆时针方向旋转，直到到达内侧C形的下端为止。当具有双C形分隔部62(在图8中示出)的面板被焊接到一起时，接合焊缝形成在外侧C形分隔部62A与内侧C形分隔部62B之间。

参照图8，双C形分隔部62被表示为在被装配的面板之一的内表面上形成。外侧C形分隔部62A和内侧C形分隔部62B形成双C形分隔部62。

参照图9，示出了用于形成G形激光焊缝66的激光路径曲线64。在图10中示出了将要形成在C形分隔部62A和62B内的G形激光焊缝66。末端68形成在G形激光焊缝66上。对于现有技术的C形激光焊缝，末端68是形成的焊缝的最后部分并趋于具有诸如增多的气孔和焊缝咬边的焊接缺陷。对于G形焊缝66，焊缝端部处的焊接缺陷被赶入G形激光焊缝66的末端68中，同时G形焊缝66的C形部分可具有令人满意的焊接质量。

公开的焊接工艺所面对的问题之一是在材料层叠中使用不同的材料。例如，焊接到车身内侧的外面板可以是0.7mm的低碳热镀锌铁(HDGI)。车身内侧组件可包括：DP800无涂层钢；DP800HDGI(镀锌高强度钢)；DP1000(无涂层高强度钢)；高强度低合金钢340(HSLA)；硼钢M1A37；马氏体钢1100和低碳热镀锌(HDG)钢。

用于提供远程激光30的设备包括Highyag远程扫描头、控制激光头的HighyagEPS、6000瓦特激光和可编程控制器。

用于控制远程激光30的参数包括激光功率、激光束的移动速度以及在形成升高的凹窝时和在形成G形激光焊缝时的功率斜坡进入/退出(ramp in/out)。影响工艺的关键因素包括用于保持激光路径清晰的烟流抑制气流、控制凹窝的高度还有凹窝的位置。其它因素包括当两个面板为了焊接而装配在一起时的部件配合和远程激光30的焦点。

烟流是在焊接期间从通过激光形成的小孔(keyhole)上方的焊池发出的等离子云。等离子云吸收激光能量并使传递给工件的功率减小，从而导致较小的穿透。横向喷嘴48引导空气或另一气体在焊缝上流动并将烟流从激光路径移出。然而，烟流抑制不总是必须的，烟流抑制减少不一致的能量吸收并产生更一致的焊接质量。成功的烟流抑制产生更鲁棒的质量和穿透。烟流抑制的关键因素是从横向喷嘴48提供稳定的气流。

参照图10中示出的G形激光焊缝66，在一个示例中焊缝66的直径为9mm，长度为25mm。如果25mm焊缝的80％是无孔的，则确定该焊缝是可以接受的。通过形成G形焊缝，焊缝的末端被设置在焊缝的局部圆形边缘内，并且能够被伸长以保证焊缝长度的80％是无孔的，从而得到可接受的焊缝。

为了提供升高的凹窝式分隔部，将被接合的两个面板的内侧设置有控制高度的一个或更多个凹窝，以允许锌气体从镀锌涂层中排出。为了通过激光形成升高的凹窝，快速发射激光以将表面升高约0.1mm至0.15mm。对成功排气和防止多气孔而言凹窝相对于接合两个面板的后续形成的焊缝的位置是关键的。

参照形成内侧C形分隔部62A和外侧C形分隔部62B，该方法对于诸如镀锌的HSLA340的材料是特别有利的。HSLA340是比其它类型的钢更加不稳定的硼材料。

按照公开的方法，远程激光焊机可用于在快节奏的加工环境中形成焊缝。必须控制夹持和冲压质量以将整个焊接表面上的部件配合间隙保持在0.1mm与0.3mm之间，以实现可接受的焊接质量。诸如那些镀锌涂层或其它锌基涂层的涂覆材料需要包括升高的凹窝或其它分隔部，以提供排气路线并防止排气经过熔化的焊缝。已发现与传统的电阻点焊相比，远程激光焊接能够在单工位循环(single station cycle)中执行至少三倍多的焊接。远程激光焊接还允许具有单侧接近焊接位置的产品设计并消除由背侧检修孔(back-sideaccess hole)所产生的结构弱点。

上述实施例是具体示例，其没有描述本公开的所有可能的形式。示出的实施例的特征可以进行组合以形成所公开的构思的进一步的实施例。说明书中使用的词语是描述性的而不是限制性的词语。权利要求的范围比具体公开的实施例更宽，并且包括示出的实施例的变型。

Claims (9)

1.一种焊接第一部件和第二部件的方法，包括：

通过在第一部件的一侧上引导第一激光束而在第一部件上形成分隔焊道；

将第二部件装配到所述第一部件的一侧；

其特征在于，所述方法还包括：

通过在分隔焊道附近按照局部圆形图案引导第二激光束并形成终止于局部圆形图案的径向内侧的焊缝端部而将第二部件焊接到第一部件。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在第一部件和第二部件中的至少一个上设置涂层，其中，在将第二部件装配到所述第一部件的一侧的步骤中，当第一部件和第二部件装配在一起时，所述涂层位于第一部件与第二部件之间；

使涂层从由分隔焊道分隔的第一部件与第二部件之间排气。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成分隔焊道的步骤通过在第一部件的一侧上朝向间隔开的位置引导第一激光束以形成间隔开的多个升高区域来执行，其中，将第二部件焊接到第一部件的步骤通过在所述间隔开的多个升高区域外侧按照局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在局部圆形图案内侧。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成分隔焊道的步骤通过按照C形路径引导第一激光束而形成C形焊道来执行，其中，将第二部件焊接到第一部件的步骤通过在C形焊道外侧按照局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在C形焊道内侧。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，形成分隔焊道的步骤通过按照第一C形路径引导第一激光束而形成第一C形焊道并通过按照位于第一C形路径的径向外侧的第二C形路径引导第一激光束而形成第二C形焊道来执行，其中，将第二部件焊接到第一部件的步骤通过按照第一C形焊道与第二C形焊道之间的局部圆形路径引导第二激光束来执行，所述焊缝端部形成在第一C形焊道内侧。

6.一种接合第一部件和第二部件的焊接结构，包括：

分隔焊道，一体地形成在第一部件的一侧上；

将第二部件连接到第一部件的焊缝，

其特征在于：所述焊缝具有部分地环绕分隔焊道的局部圆形的焊缝部分，而所述焊缝的端部在局部圆形的焊缝部分的径向内侧延伸。

7.根据权利要求6所述的焊接结构，其中，分隔焊道包括间隔开的多个升高区域，其中，局部圆形的焊缝部分围绕所述间隔开的多个升高区域延伸而所述焊缝的端部在所述间隔开的多个升高区域的径向内侧延伸。

8.根据权利要求6所述的焊接结构，其中，分隔焊道是C形焊道，其中，局部圆形的焊缝部分围绕C形焊道延伸而所述焊缝的端部在C形焊道的径向内侧延伸。

9.根据权利要求6所述的焊接结构，其中，分隔焊道包括第一C形焊道，并且所述分隔焊道还包括：

第二C形焊道，设置在第一C形焊道的径向外侧并与第一C形焊道同心，其中，局部圆形的焊缝部分设置在第一C形焊道与第二C形焊道之间，而所述焊缝的端部在第二C形焊道的径向内侧延伸。

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