CN107717229B - 利用螺旋路径的重叠金属工件的远程激光焊接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用螺旋路径的重叠金属工件的远程激光焊接。公开了一种激光焊接包括两个或更多个重叠金属工件的工件层叠的方法。所公开的方法包括将激光束引导至工件层叠的顶表面处，以形成熔化金属熔池，以及可选地形成匙孔，并且还使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点沿具有横向于所述工件层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线的螺旋路径运动。甚至可以实践所述激光束的回旋以使所述激光束的焦点沿多条螺旋路径运动，以便当使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进时，沿第一整体轴向方向和第二整体轴向方向交替地传送所述焦点。

Description

利用螺旋路径的重叠金属工件的远程激光焊接

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月11日提交的美国临时申请号62/373,432的权益。前述临时申请的全部内容特此通过引用并入本文。

技术领域

本公开的技术领域总体上涉及激光焊接，并且更具体地，涉及将两个或更多个重叠的金属工件激光焊接在一起的方法，其中，层叠中的所有重叠的金属工件都是钢工件或铝工件。

背景技术

激光焊接是一种金属连结过程，其中激光束被引导至金属工件层叠处以提供能够在重叠的组成金属工件之间实现焊接接头的集中的能量源。通常地，首先使两个或更多个金属工件相对于彼此对齐并且层叠，使得它们的接合表面重叠并且相对，以建立延伸通过预期的焊接部位的接合界面（或多个接合界面）。然后将激光束引导至工件层叠的顶表面并且使激光束冲击该顶表面。从吸收来自激光束的能量生成的热发起金属工件的熔化，向下通过激光束所冲击的金属工件并且进入在下层的（多个）金属工件到达一深度，在该深度与每一个所建立的接合界面相交。并且，如果激光束的功率密度足够高，则在工件层叠内产生匙孔（keyhole）。匙孔是源自金属工件的汽化的金属的柱，其可以包括等离子体。匙孔被熔化的工件金属环绕，并且是来自激光束的能量的有效吸收者，因此相比于不存在匙孔的情形，匙孔允许熔化的工件金属深入且范围狭窄的穿透至层叠内。

一旦激光束冲击层叠的顶表面，激光束就立即使工件层叠中的金属工件熔化。在金属工件初始地熔化之后，可以使激光束相对于工件层叠的顶表面沿预定的路径前进，所述路径能够采取多种多样的几何轮廓中的任意几何轮廓。当使激光束沿层叠的顶表面前进时，熔化的工件金属在工件层叠内在前进的激光束周围和后方流动。这种穿透的熔化工件金属快速地冷却并且凝固成再凝固复合金属工件材料。最终，停止激光束在工件层叠的顶表面处的传输，此时，如果存在匙孔则匙孔溃灭，并且仍然保留在层叠内的任意熔化的工件金属凝固。通过激光束的操作获得的集合的再凝固复合金属工件材料构成激光焊接接头，其将重叠的金属工件自体地熔焊在一起。

机动车工业关注使用激光焊接来制造能够安装在车辆上的零件。在一个示例中，车门主体可以由通过多个激光焊接接头连结在一起的内门板和外门板制成。首先将内门板和外门板相对于彼此层叠，并且由夹具将它们固定在适当位置。然后，根据计划的顺序顺序地将激光束引导至层叠的板周围的多个焊接部位处，以形成多个激光焊接接头。激光焊接内门板和外门板－以及其它车辆部件零件（诸如用于制造发动机罩、行李舱盖、诸如车身侧面和横梁的车身结构、负载结构构件、发动机舱等的那些）的过程，通常是能够迅速并且有效地执行的自动化过程。对于将金属工件激光焊接在一起的前述期望并不是机动车工业独有的；实际上，其延伸至可以利用激光焊接的其它工业，其中包括航空工业、海洋运输工业、铁路工业以及建筑建造工业。

用以将通常在制造实践中使用的某些金属工件连结在一起的激光焊接的用途能够造成挑战。例如，钢工件通常包括用于腐蚀保护的锌基表面涂层（例如，锌或锌-铁合金）。锌具有大约906°C的沸点，同时其涂覆的下层钢基底的熔点通常大于1300°C。因此，当激光焊接包括锌基表面涂层的钢工件时，在钢工件的表面处容易产生高压锌蒸汽，并且该高压锌蒸汽具有干扰激光焊接过程的倾向。具体地，在钢工件的（多个）接合界面处产生的锌蒸汽能够扩散到由激光束形成的熔化的钢内，除非提供通过工件层叠的替代性逸散出口。当未提供恰当的逸散出口时，当锌蒸汽冷却并且凝固时，其可以保持截留在熔化的钢中，这可以导致所得的焊接接头中的缺陷（诸如多孔性），以及其它焊接接头偏差，包括气孔、飞溅以及咬边接头。如果这些焊接接头瑕疵足够严重，则它们能够令人不满意地使激光焊接接头的机械性质劣化。

在制造实践中使用的钢工件也可以出于关于性能的原因代替锌基涂层包括其它类型的表面涂层。其它值得注意的表面涂层包括铝基涂层，诸如铝、铝-硅合金、铝-锌合金或铝-镁合金（仅列出一些示例）。不同于锌基表面涂层，铝基表面涂层不在低于钢的熔点的温度下沸腾，因此它们不大可能在工件层叠的（多个）接合界面处产生高压蒸汽。虽然如此，但是这些表面涂层能够熔化，尤其在如果出现匙孔的情况下，并且当处于熔化状态时，其能够与源自钢工件的块体的熔化的钢结合。这种异类的熔化材料引入熔化的钢内能够导致多种焊接缺陷，所述缺陷可能使激光焊接接头的机械性质劣化。比如，熔化的铝或铝合金（例如，AlSi、AlZn或AlMg合金），能够降低熔化的钢的纯度，并且在焊接接头内形成脆性的Fe-Al金属间相，以及不利地影响熔化的钢的冷却行为。

对于许多汽车部件零件和结构而言，铝工件是另一种令人关注的候选选项，这是由于它们的高强度重量比以及它们改进车辆的燃料经济性的能力。然而，铝工件几乎总是包括覆盖下层块体铝基底的表面涂层。该涂层可以是当新鲜的铝暴露于大气空气或一些其它含有氧的介质时被动地形成的耐熔的氧化物涂层。这种耐熔氧化物表面涂层由氧化铝以及可能地其它金属氧化物构成。在其它情形中，表面涂层可以是由锌或锡构成的金属涂层，或者其可以是由钛、锆、铬或硅的氧化物构成的金属氧化物转化涂层，如在美国专利申请号US2014/0360986中所公开的那样，该文献的全部内容特此通过引用并入本文。表面涂层根据涂层的组成通过多种机制中的任意机制抑制下层铝基底的腐蚀，并且也可以提供其它有利的提高。

激光焊接铝工件中涉及的主要挑战之一是熔化的铝中氢的相对高的溶解度。在熔化的铝凝固时，溶解的氢被截留，从而导致激光焊接接头内的多孔性。除了由氢的溶解度造成的挑战之外，也认为通常被包括在铝工件中的表面涂层促成激光焊接接头中焊接缺陷的形成。例如，当铝工件中的一个或多个的表面涂层是耐熔氧化物涂层时，由于涂层的高熔点和机械韧性，残留的氧化物能够污染由激光束产生的熔化的铝。在另一个示例中，如果表面涂层是锌，则涂层可以容易地汽化以产生高压锌蒸汽，该高压锌蒸汽可以扩散入和通过熔化的铝，因此导致焊接接头内的多孔性和其它焊接瑕疵，除非已作好准备将锌蒸汽排放远离焊接部位。多种其它挑战也可以以负面地影响激光焊接接头的机械性质的方式使激光焊接过程变得复杂。

发明内容

公开了一种激光焊接包括重叠的金属工件的工件层叠的方法。工件层叠包括两个或更多个金属工件，并且层叠中的所有金属工件都是钢工件或铝工件。换言之，工件层叠包括两个或更多个重叠钢工件，或者两个或更多个重叠铝工件。当尝试用激光束将工件连结在一起时，包括在每一个前述工件层叠中的各种金属工件产生挑战。所公开的激光焊接方法旨在通过使激光束回旋以使激光束的焦点沿至少一条螺旋路径运动来应对那些挑战。以这种方式操纵激光束有助于实现带有良好的机械性质的激光焊接接头。能够在不需要（但是当然不禁止）在金属工件之间在（多个）接合界面处有意地施加间隙的常规工业实践的情况下执行所公开的激光焊接方法，所述常规工业实践通常通过激光刻痕或机械压窝来施加间隙，作为用以尝试并且缓解蒸汽扩散入熔化的工件金属内的机制。

所公开的激光焊接方法涉及提供包括两个或更多个重叠金属工件（例如，两个或更多个重叠钢工件或者铝工件）的工件层叠。将金属工件配合并且层叠在一起，使得在焊接部位处，每一对相邻的重叠金属工件的接合表面之间均形成接合界面。例如，在一个实施例中，工件层叠包括分别具有第一接合表面和第二接合表面的第一金属工件和第二金属工件，所述接合表面重叠并且彼此相对，以建立单个接合界面。在另一实施例中，工件层叠包括位于第一金属工件和第二金属工件之间的额外的第三金属工件。以这种方式，第一金属工件和第二金属工件分别具有第一接合表面和第二接合表面，所述接合表面重叠并且与第三金属工件的相对的接合表面相对，以建立两个接合界面。当存在第三金属工件时，第一金属工件和第二金属工件可以是单独的并且不同的零件，或者替代性地，它们可以是相同零件的不同部分，诸如当一个零件的边缘被折叠到另一零件的自由边缘上时。

在组装并且提供工件层叠之后，激光束被引导至工件层叠的顶表面处。激光束在束斑处冲击该顶表面。如本文所使用的那样，术语“束斑”广义地指代当激光束投射至沿工件层叠的顶表面取向的平面上时激光束的截面表面区域。金属工件吸收激光束的聚焦的能量，以形成熔化金属熔池，其从顶表面朝向底表面穿透至工件层叠内，同时与建立在所述层叠内的每个接合界面相交。选择所递送的激光束的功率密度以便以传导焊接模式或匙孔焊接模式中的任一者进行激光焊接的实践。在传导焊接模式中，激光束的功率密度相对低，并且激光束的能量作为热被传导通过金属工件，从而仅形成熔化金属熔池。在匙孔焊接模式中，激光束的功率密度足够高以使激光束的束斑下方的金属工件汽化，从而产生被熔化金属熔池环绕的匙孔。匙孔提供管道，以便更深地进入工件层叠的有效能量吸收，这相应地促进熔化金属熔池的更深入并且范围更窄的穿透。如果形成熔化金属熔池和匙孔，那么它们可以完全地或者部分地穿透工件层叠。

在更加均匀地在工件层叠内分布热和能量以及使匙孔稳定化（如果适用）的努力中，使激光束回旋从而使激光束的焦点沿至少一条螺旋路径运动，其中所述螺旋路径具有横向于所述层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线。螺旋路径可以具有许多不同的空间几何形状，只要焦点沿螺旋路径的运动导致焦点沿多个回转圈（turning）围绕中央螺旋轴线盘绕，并且每个回转圈具有平行于中央螺旋轴线量度（measure）的半径和螺距，以因此沿整体轴向方向传送（convey）焦点。例如，螺旋路径可以是圆筒形螺旋路径、圆锥形螺旋路径、包括上圆锥形螺旋部分和下圆锥形螺旋部分（其回转圈的半径朝向彼此或者增加或者减小）的螺旋路径，以及未明确提及的多种其它螺旋几何结构。可以使激光束回旋以使焦点沿单条螺旋路径或多条螺旋路径运动。使焦点沿多条螺旋路径运动具有交替地沿相对的整体轴向方向往复传送焦点的作用。

激光束的回转促成激光焊接接头的形成的方式可以取决于（多条）螺旋路径的大小。比如，如果螺旋路径的多个回转圈的最大半径相对大，诸如在2 mm和20 mm之间，则焦点沿螺旋路径的运动通常引起激光束的束斑相对于工件层叠的顶表面以二维路线前进，其中所述二维路线反映焦点沿螺旋路径的运动。例如，如果螺旋路径是圆筒形螺旋路径，并且其中多个回转圈中的每一个的半径均在2 mm和20 mm之间的范围内，那么激光束的焦点沿圆筒形螺旋路径的运动将使束斑在工件层叠的顶表面上重复地沿共同限定的环形路线前进。作为另一示例，如果螺旋路径是圆锥形螺旋路径，并且多个回转圈的最大半径在2 mm和20mm之间的范围内，那么激光束的焦点沿圆锥形螺旋路径的运动将使束斑在工件层叠的顶表面上沿限定的螺线路线前进。

另一方面，如果螺旋路径的多个回转圈的最大半径相对小，诸如在50 μm和2 mm之间，则焦点沿螺旋路径的运动对于使束斑运动的作用很小，并且通常其本身并不反映于工件层叠的顶表面上的限定的二维路线中。在这种情景中，为了获得合理大小的激光焊接接头，可以使激光束（以及因此束斑）相对于工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，同时回转以使激光束的焦点沿多条螺旋路径运动，以便当激光束沿行进图案前行时，交替地沿相对的整体轴向方向往复传送焦点。激光束所循沿的光束行进图案可以是线性缝线式图案（stitch pattern）、弯曲的或C形的卡钉式图案、螺线图案、环形图案、椭圆形图案、振荡图案（oscillating pattern），或者投射于工件层叠的顶表面上的任意其它期望的光束行进图案。当使光束沿光束行进图案前进时发生的激光束的回旋可以使激光束的焦点沿几何构造相同的螺旋路径运动，这意味着多条路径中的每条螺旋路径就大小和几何形状而言是相同的。在替代性实施例中，多条螺旋路径可以包括不同大小和/或几何构造的路径。

无论怎样实现，激光束的回旋，以及可选地激光束沿光束行进图案的前进都使熔化金属熔池和匙孔（如果存在）沿对应于激光束（以及因此束斑）相对于层叠的顶表面的按图案的运动的层叠内的线路平移。由于使激光束回转以及可选地使激光束沿光束行进图案前进引起的激光束的这种相应产生的运动引起熔化金属熔池在激光束周围和后方流动（尤其是如果存在匙孔的情况），并且紧随前行的激光束伸长。根据（多条）螺旋路径的大小和几何形状，以及可选的光束行进图案的二维几何形状，熔化金属熔池可以凝固成激光束的向前前进之后的限定的尾迹，或者其可以熔合并且生长成更大的熔坑（melt puddle），其凝固成固结的熔核。不论其最终形状和结构如何，通过使熔化金属熔池平移通过工件层叠获得的再凝固复合金属工件材料都由来自熔池所穿透的每一个金属工件的材料构成。集合的再凝固复合金属工件材料构成激光焊接接头，其将工件自体地熔焊在一起。

相信激光束的回旋对所获得的激光焊接接头的机械性质具有积极的影响。具体地，激光束的焦点沿（多条）螺旋路径的运动持续地改变激光束的束斑的大小，这相应地在使焦点沿（多条）螺旋路径运动的时间段内改变工件层叠的顶表面处的激光束的辐照度（也被称为强度或功率密度）。激光束的这种辐照度变化（不论通过层叠的顶表面处的辐照度增加还是辐照度减小）能够帮助实现束斑下方的工件层叠内的更加一致并且均匀的热输出。更加一致并且均匀的热输出能够辅助稳定熔化金属熔池和匙孔（如果存在），并且能够进一步减缓锌的汽化（针对钢工件）和帮助消除热积聚（这是焊料跌落（weld drop out）的促成因素），原因在于（多条）螺旋路径固有地中和工件层叠内激光束能量的局域化吸收以及热的集中。此外，焦点沿（多条）螺旋路径的运动可以作用为搅动熔化金属熔池，并且因此帮助促进截留在熔池的熔化金属内的气体的释放，由此抑制所获得的激光焊接接头中多孔性形成。

本发明还包括以下技术方案：

方案1.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

将激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束冲击所述顶表面并且形成熔化金属熔池，所述熔化金属熔池从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点沿具有横向于所述工件层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线的螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述螺旋路径的运动导致所述焦点围绕所述中央螺旋轴线沿所述螺旋路径的多个回转圈盘绕，所述多个回转圈中的每一个具有平行于所述螺旋路径的中央螺旋轴线测得的螺距；以及

向所述工件层叠的顶表面间歇地传输所述激光束，以形成包括再凝固复合工件材料的激光焊接接头，所述再凝固复合工件材料源自所述熔化金属熔池所穿透的每一个所述金属工件，所述激光焊接接头将每一个所述重叠金属工件熔焊在一起。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的顶表面，并且所述第二金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的底表面，并且其中，所述第一金属工件的第一接合表面和所述第二金属工件的第二接合表面重叠并且相对以建立接合界面。

方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的顶表面，并且所述第二金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的底表面，并且其中，所述工件层叠包括位于所述第一金属工件和所述第二金属工件之间的第三金属工件，所述第三金属工件具有相对的接合表面，其中之一与所述第一金属工件的第一接合表面重叠并且相对以建立第一接合界面，并且所述相对的接合表面中的另一个与所述第二金属工件的第二接合表面重叠并且相对以建立第二接合界面。

方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述螺旋路径的所述多个回转圈包括两个至两百个回转圈，并且其中，所述多个回转圈中的每一个的螺距在从10 µm至5000 µm的范围中。

方案5. 根据方案1所述的方法，其中，所述螺旋路径的长度在从0.5 mm至30 mm的范围中。

方案6. 根据方案1所述的方法，其中，使所述激光束回旋包括：

使所述激光束的焦点沿具有第一中央螺旋轴线的第一螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述第一螺旋路径的运动导致所述焦点沿第一整体轴向方向沿所述第一螺旋路径的多个第一回转圈围绕所述第一中央螺旋轴线盘绕；以及

使所述激光束的焦点沿具有第二中央螺旋轴线的第二螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述第二螺旋路径的运动导致所述焦点沿与所述第一整体轴向方向相对的第二整体轴向方向沿所述第二螺旋路径的多个第二回转圈围绕所述第二中央螺旋轴线盘绕。

方案7. 根据方案6所述的方法，还包括：

在使所述激光束回旋的同时，使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，以沿所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径分别沿所述第一整体轴向方向和所述第二整体轴向方向交替地传送所述激光束的焦点。

方案8. 根据方案7所述的方法，还包括：

在所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径之后，继续使所述激光束的焦点沿额外的螺旋路径运动，以便在使所述激光束沿所述光束行进图案前进的同时，继续沿所述第一整体轴向方向和所述第二整体轴向方向交替地传送所述焦点。

方案9. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束在所述熔化金属熔池内产生匙孔。

方案10. 根据方案1所述的方法，其中，所述工件层叠的重叠金属工件是钢工件，并且其中，至少一个所述钢工件包括包含锌基材料或铝基材料的表面涂层。

方案11. 根据方案1所述的方法，其中，所述工件层叠的所述重叠金属工件是铝工件，并且其中，至少一个所述铝工件包括包含耐熔氧化物材料的表面涂层。

方案12. 根据方案1所述的方法，其中，所述螺旋路径是圆筒形螺旋路径。

方案13. 根据方案1所述的方法，其中，所述螺旋路径是圆锥形螺旋路径。

方案14. 根据方案1所述的方法，其中，所述螺旋路径包括上圆锥形螺旋部分和下圆锥形螺旋部分，并且其中，所述上圆锥形螺旋部分的回转圈和所述下圆锥形螺旋部分的回转圈的直径朝向彼此减小。

方案15. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束是固态激光束，并且其中，由远程激光焊接设备执行将所述激光束引导至所述工件层叠的顶表面处以及使所述激光束回旋。

方案16. 一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

利用远程激光焊接设备将固态激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束冲击所述顶表面并且形成匙孔和围绕所述匙孔的熔化金属熔池，所述匙孔和所述熔化金属熔池中的每一者从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点交替地沿至少包括第一螺旋路径和第二螺旋路径的多条螺旋路径运动，以便分别沿第一整体轴向方向和第二整体轴向方向往复地传送所述焦点，所述焦点沿所述第一螺旋路径的运动导致所述焦点沿所述第一整体轴向方向沿多个第一回转圈围绕第一中央螺旋轴线盘绕；并且所述焦点沿所述第二螺旋路径的运动导致所述焦点沿与所述第一整体轴向方向相对的所述第二整体轴向方向沿多个第二回转圈围绕第二中央螺旋轴线盘绕，所述第一中央螺旋轴线和所述第二中央螺旋轴线中的每一者取向为横向于所述工件层叠的顶表面和底表面；以及

在使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点沿所述多条螺旋路径运动的同时，使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，以使所述匙孔和周围的所述熔化金属熔池沿所述工件层叠内的对应线路平移。

方案17. 根据方案16所述的方法，其中，所述工件层叠包括建立单个接合界面的两个金属工件，或者建立两个接合界面的三个金属工件。

方案18. 根据方案16所述的方法，其中，使所述激光束的焦点交替地沿所述多条螺旋路径运动在从所述工件层叠的底表面下方100 mm延伸至所述工件层叠的顶表面上方100 mm的空间内执行。

方案19. 根据方案16所述的方法，其中，所述多条螺旋路径中的每一条螺旋路径均具有相同的几何构造。

方案20. 一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

操作扫描光学激光头以将固态激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束在所述工件层叠内形成匙孔，所述匙孔从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

操作所述扫描光学激光头以形成激光焊接接头，其通过以下方式将所述重叠金属工件熔焊在一起：使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，这使所述匙孔沿所述工件层叠内的对应线路平移，以及还使所述激光束回旋，以使所述激光束的焦点沿多条螺旋路径运动，其中所述多条螺旋路径中的每一条均具有横向于所述工件层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线，以便当使所述激光束沿所述光束行进图案前进时，沿第一整体轴向方向和第二整体轴向方向交替地传送所述焦点。

附图说明

图1是用于在包括两个或更多个重叠金属工件的工件层叠内形成激光焊接接头的远程激光焊接设备的实施例的透视图，其中，激光焊接接头将两个或更多个金属工件熔焊在一起；

图2是图1中绘出的工件层叠的横截面侧视图，以及由激光束产生的熔化金属熔池和匙孔，其中熔化金属熔池和匙孔两者均完全穿透工件层叠；

图2A是图1中绘出的工件层叠的横截面侧视图，以及由激光束产生的熔化金属熔池和匙孔，其中熔化金属熔池和匙孔两者均部分地穿透工件层叠；

图3是当激光束投射至沿工件层叠的顶表面取向的平面上时激光束的束斑的截面平面视图（沿图2中的截面线3-3取得）；

图4是工件层叠的横截面视图，其图示代表性螺旋路径，根据所公开的激光焊接方法的一个实施例，在激光束的回旋期间使激光束的焦点沿该代表性螺旋路径运动；

图5是圆筒形螺旋路径的侧视透视图，根据所公开的激光焊接方法的一个实施例，在激光束的回旋期间使激光束的焦点沿该圆筒形螺旋路径运动；

图6是圆锥形螺旋路径的侧视透视图，根据所公开的激光焊接方法的一个实施例，在激光束的回旋期间使激光束的焦点沿该圆锥形螺旋路径运动；

图7是螺旋路径的侧视透视图，该螺旋路径包括上圆锥形螺旋部分和下圆锥形螺旋部分，并且根据所公开的激光焊接方法的一个实施例，在激光束的回旋期间使激光束的焦点沿该螺旋路径运动；

图8是投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的一般代表性描绘，在激光焊接方法的一个实施例中，当使激光束回旋时，激光束可以循沿该光束行进图案，以使光束的焦点沿多条螺旋路径运动，从而当激光束沿该行进图案前行时，交替地沿相对的整体轴向方向往复地传送焦点；

图9是图8的光束行进图案的一般代表性描绘的横截面视图（沿图8中的截面线9-9取得）；

图10描绘投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图11描绘了投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的另一实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图12描绘了投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的又一实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图13描绘了投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的再一实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图14描绘了投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的另一实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图15描绘了投射于工件层叠的顶表面上的光束行进图案的又一实施例，在包括在工件层叠中的两个或更多个重叠金属工件之间形成激光焊接接头的期间，激光束可以循沿该光束行进图案；

图16是取自与图2相同的角度的工件层叠的横截面侧视图，其示出由于激光束的束斑相对于层叠的顶表面的前进所导致的熔化金属熔池通过工件层叠的平移，并且其中，熔化金属熔池和匙孔两者均完全地穿透工件层叠；

图17是取自与图2相同的角度的工件层叠的横截面侧视图，不过此处工件层叠包括建立两个接合界面的三个金属工件，与如图2中所描绘的建立单个接合界面的两个金属工件不同；以及

图18是取自与图16相同的角度的工件层叠的横截面侧视图，其示出由于激光束的束斑相对于层叠的顶表面的前进所导致的熔化金属熔池通过工件层叠的平移，并且其中，熔化金属熔池和匙孔两者均完全地穿透工件层叠，不过此处工件层叠包括建立两个接合界面的三个金属工件，与如图16中所描绘的建立单个接合界面的两个金属工件不同。

具体实施方式

所公开的激光焊接由两个或更多个重叠金属工件构成的工件层叠的方法涉及在使激光束以特定方式回旋的额外辅助的情况下用激光束形成激光焊接接头，其中，使激光束以特定方式回旋即，使激光束回旋以使激光束的焦点沿至少一条具有横向于工件层叠的顶表面（激光束被引导至该顶表面处）和面向相对方向的底表面取向的中央螺旋轴线的螺旋路径运动。根据所连结的金属工件的特性和组成以及所使用的激光焊接设备，激光束可以是固态激光束或者气体激光束。可以使用的一些值得注意的固态激光器是光纤激光器、盘式激光器、直接二极管激光器以及Nd:YAG激光器，并且可以使用的值得注意的气体激光器是CO₂激光器，不过当然可以使用其它类型的激光器。所公开的激光焊接方法优选地以远程激光焊接的方式进行。下文中更详细地描述了远程激光焊接设备的优选实施方式。

可以在多种工件层叠构造上执行激光焊接方法。例如，所公开的方法可以结合包括两个重叠且相邻的金属工件的“2T”工件层叠（图2和16）使用，或者其可以结合包括三个重叠且相邻的金属工件的“3T”工件层叠（图17-18）使用。更进一步地，在一些情形中，所公开的方法可以结合包括四个重叠且相邻的金属工件的“4T”工件层叠（未示出）使用。额外地，假如包括在工件层叠中的若干金属工件是相同基体金属集合（base metal group，例如，钢或铝）的一部分，则它们可以具有相似的或不相似的组成，并且根据需要，它们在焊接部位处可以具有相似的或不相似的厚度。激光焊接方法基本上以相同的方式进行，从而不论工件层叠包括两个重叠金属工件还是多于两个重叠金属工件，都实现相同的结果。通过调整激光焊接过程能够容易地适应工件层叠构造中的任何差异。

现在参考图1-16，示出一种远程激光焊接工件层叠10的方法，其中，层叠10至少包括在焊接部位16处重叠的第一金属工件12和第二金属工件14，在焊接部位16处，利用远程激光焊接设备18进行远程激光焊接。第一金属工件12和第二金属工件14分别提供工件层叠10的顶表面20和底表面22。工件层叠10的顶表面20被制成可用于远程激光焊接设备18，并且能够由从远程激光焊接设备18散发的激光束24通达。并且，由于执行激光焊接仅需要单一侧通达，因此不需要将工件层叠10的底表面22制成以与顶表面20相同的方式可用于远程激光焊接设备18。此外，虽然为了简单起见在图中仅绘出一个焊接部位16，但是本领域技术人员将认识到的是，能够在遍布同一工件层叠的多个不同焊接部位处实践根据所公开的激光焊接方法的激光焊接。

工件层叠10可以仅包括第一金属工件12和第二金属工件14，如图1-2中所示。在这些情况下，且如图2中最佳地示出的那样，第一金属工件12包括外部外表面26和第一接合表面28，并且第二金属工件14包括外部外表面30和第二接合表面32。第一金属工件12的外部外表面26提供工件层叠10的顶表面20，并且第二金属工件14的外部外表面30提供面向相对方向的工件层叠10的底表面22。并且，由于两个金属工件12、14是存在于工件层叠10中的仅有的工件，因此第一金属工件12的第一接合表面28和第二金属工件14的第二接合表面32重叠且相对以建立延伸通过焊接部位16的接合界面34。在所公开的激光焊接方法的其它实施例（其中之一在下文结合图17-18描述）中，工件层叠10可以包括安置在第一金属工件12和第二金属工件14之间的额外的金属工件，以使工件层叠10设有三个金属工件而不是两个。

术语“接合界面”在本公开中广义地使用，并且旨在涵盖相对的第一接合表面28和第二接合表面32之间能够适应激光焊接的实践的大范围的重叠关系。比如，接合表面28、32可以通过直接接触或间接接触建立接合界面34。当接合表面28、32物理地毗邻并且不由分立的干预材料层或落在正常组装容差范围之外的间隙分开时，它们处于直接接触中。当接合表面28、32由诸如结构粘合剂的分立的干预材料层分开（并且因此不经历体现直接接触的特征的类型的界面毗邻），但是足够紧密地接近使得能够实践激光焊接时，它们处于间接接触中。作为另一示例，接合表面28、32可以通过由目标明确地施加的间隙分开来建立接合界面34。通过在接合表面28、32中的一者或二者上通过激光刻痕、机械压窝或以其它方式形成突出特征，可以在接合表面28、32之间施加这种间隙。突出特征维持接合表面28、32之间断续的接触点，其保持接合表面28、32在接触点之外和接触点周围间隔分开高达1.0 mm，优选地0.2 mm和0.8 mm之间。

如图2中最佳地示出的，第一金属工件12包括第一基体金属基底36并且第二金属工件14包括第二基体金属基底38。第一基体金属基底36和第二基体金属基底38中的至少一者，并且可能地两者，可以包括表面涂层40。在此，在图2中，第一基体金属基底36和第二基体金属基底38中的每一个都涂覆有表面涂层40，其相应地使工件12、14设有其相应的外部外表面26、30和其相应的接合表面28、32。在其它实施例中，仅第一基体金属基底36包括表面涂层40，同时第二基体金属基底36是未涂覆或裸露的，或者仅第二基体金属基底38包括表面涂层40，同时第一基体金属基底36是未涂覆或裸露的。表面涂层40的确切组成很大程度上取决于下层基体金属基底36、38的金属组成。出于各种原因（其中包括腐蚀保护、强度提高和/或以改进处理），可以在基体金属基底36、38中的一者或两者上采用（多个）表面涂层40。第一金属工件12和第二金属工件14具有可以彼此相同或不同的厚度121、141。

第一基体金属基底36和第二基体金属基底38可以由钢或铝组成。如果由钢组成，则基体金属基底36、38（此时称为第一基体钢基底36和第二基体钢基底38）可以单独地由多种钢（包括低碳（软）钢、无间隙原子（IF）钢、烘烤硬化钢、高强度低合金（HSLA）钢、双相（DP）钢、复相（CP）钢、马氏体（MART）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢、孪晶诱导塑性（TWIP钢）以及硼钢中的任意钢组成（诸如当（多个）工件12、14中包括冲压硬化钢（PHS）时）。此外，可以处理第一基体钢基底36和第二基体钢基底38中的每一个以获得一组特定的机械性质，包括经受诸如退火、淬火和/或回火的热处理过程。可以将第一基体钢基底36和第二基体钢基底38热轧或冷轧至其最终厚度。

存在于基体钢基底36、38中的一者或两者上的表面涂层40优选地由锌基材料或铝基材料构成。锌基材料的一些示例包括锌和诸如锌-镍合金或锌-铁合金的锌合金。合适的铝基材料的一些示例包括铝、铝-硅合金、铝-锌合金以及铝-镁合金。可以通过热浸镀（锌）、电镀（锌）或镀层退火（锌-铁合金）来施加锌基材料的涂层，并且通常施加到2 µm至50 µm的厚度，并且可以通过浸渍涂覆施加铝基材料的涂层，通常施加到2 µm至30 µm的厚度，不过可以采用其它涂覆程序和所达到的涂层的厚度。考虑到基体钢基底36、38的厚度及其（多个）表面涂层40（如果存在），第一钢工件12和第二钢工件14中的每一个的总厚度121、141优选地在从0.4 mm至4.0 mm的范围中，或更窄地在从0.5 mm至2.0 mm的范围中，至少在焊接部位16处是这样。

如果第一基体金属基底36和第二基体金属基底38由铝组成，则基体金属基底36、38（此时称为第一基体铝基底36和第二基体铝基底38）中的每一个可以单独地由非合金铝或包括至少85 wt%的铝的铝合金组成。可以构成第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38的一些值得注意的铝合金是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金或铝-锌合金。此外，可以以锻造或铸造形式单独地提供基体铝基底36、38中的每一个。例如，基体铝基底36、38中的每一个均可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻制铝合金片层、挤压件、锻造件或其它加工制品组成。或者，作为另一示例，基体铝基底36、38中的每一个均可以由4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。能够用作第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38的铝合金的一些更具体的种类包括，但不限于，AA5182和AA5754铝-镁合金、AA6022和AA6111铝-镁-硅合金、AA7003和AA7055铝-锌合金，以及Al-10Si-Mg铝压铸合金。取决于工件12、14的期望性质，可以在多种回火（temper）中采用第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38，所述回火包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（T）。

存在于基体铝基底36、38中的一者或两者上的表面涂层40可以是当来自基体铝基底36、38的新鲜的铝暴露于大气空气或一些其它含有氧的介质时被动地形成的耐熔氧化物涂层。这种耐熔氧化物涂层包括铝氧化合物以及可能地也包括其它金属氧化物化合物。表面涂层40也可以是由锌或锡构成的金属涂层，或者其可以是由钛、锆、铬或硅的氧化物构成的金属氧化物转化涂层。表面涂层40（如果存在）的通常的厚度落在从1 nm到10 µm之间的任意厚度，取决于涂层40的组成和取得涂层40的方式，不过也可以采用其它厚度。考虑到基体铝基底36、38的厚度及其（多个）表面涂层40（如果存在），第一铝工件12和第二铝工件14中的每一个的总厚度121、141优选地在0.3 mm至6.0 mm的范围中，或更窄地在从0.5 mm至3.0 mm的范围中，至少在焊接部位16处是这样。

返回参考图1，远程激光焊接设备18包括扫描光学激光头42。扫描光学激光头42将激光束24引导至工件层叠10的顶表面20处，在此，由第一金属工件12的外部外表面26提供工件层叠10的顶表面20。所引导的激光束24冲击顶表面20，并且如图3中所示，具有束斑44，其是激光束24在沿层叠10的顶表面20取向的平面处的截面区域。扫描光学激光头42优选地安装于能够以迅速计划的顺序将激光头42快速并且准确地载至工件层叠10上的许多不同的预选焊接部位16的机器人臂（未示出）。结合扫描光学激光头42使用的激光束24优选地是以处于电磁光谱的近红外范围（通常认为是700 nm到1400 nm）中的波长操作的固态激光束。此外，激光束24能够获得足以根据需要在激光焊接接头的形成期间在工件层叠10内产生匙孔的功率密度。在重叠金属工件内产生匙孔所需的功率密度通常在0.5-1.5 MW/cm²的范围中。

可以与远程激光焊接设备18结合使用的合适的固态激光束的一些示例包括光纤激光束、盘式激光束以及直接二极管激光束。这些类型的激光器中的每一个都是能够商业地获得的。优选的光纤激光束是二极管泵浦的激光束，其中激光器增益介质是用稀土元素（例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等）掺杂的光学纤维。优选的盘式激光束是二极管泵浦的激光束，其中增益介质是用稀土元素掺杂并且安装于热沉的薄激光晶体盘（例如，涂覆有反射性表面的掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）晶体）。并且，优选的直接二极管激光束是源自多个二极管的组合激光束（例如，波长组合的），其中增益介质是诸如基于砷化铝镓（AlGaAS）或砷化铟镓（InGaAS）的那些半导体的多种半导体。当然也可以使用未在此具体地提及的其它固态激光束。

扫描光学激光头42包括能够操纵激光束24并且使束斑44沿工件层叠10的顶表面20在包围焊接部位16的操作包络线（envelope）48内平移的镜的装置46。在此，如图1中所示，操作包络线48跨过的顶表面20的部分被标注为x-y平面，这是因为激光束24在平面内的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标确定。除了镜的装置46之外，扫描光学激光头42也包括z轴线聚焦透镜50，其能够使激光束24的焦点52（图2）沿激光束24的纵轴线54运动，以因此改变焦点52沿z方向的位置，其中在图1中建立的三维坐标系中，该z方向取向为垂直于x-y平面。此外，为了防止污物和碎屑不利地影响光学系统部件和激光束24的完整性，滑盖（coverslide）56可以位于扫描光学激光头42下方。滑盖56保护镜的装置46和z轴线聚焦透镜50不受周围环境影响，但是允许激光束24在不受到实质上的干扰的情况下穿出扫描光学激光头42。

在远程激光焊接设备18的操作期间，镜的装置46和z轴线聚焦透镜50协作以指示激光束24及其束斑44在焊接部位16处操作包络线48内的期望的运动，以及焦点52沿激光束24的纵轴线54的位置。更具体地，镜的装置46包括一对可倾斜扫描镜58。每一个可倾斜扫描镜58均安装在振镜（galvanometer）60上。通过由振镜60执行的精确协调的倾斜运动，两个可倾斜扫描镜58能够使束斑44的位置运动（并且因此改变激光束24冲击工件层叠10的顶表面20的位置）至操作包络线48的x-y平面中的任意位置。同时，z轴线聚焦透镜50根据期望控制激光束24的焦点52的位置。所有这些光学部件50、58能够在可编程控制器的帮助下以大约毫秒或更少的时间迅速地转位（index），以在控制焦点52的位置的同时在操作包络线48内操纵激光束24。这允许激光束24的焦点52非常快速并且高度精确地以几乎任意期望的空间顺序运动通过三维x-y-z坐标系的空间。

将远程激光焊接（有时也称为“即时焊接”）区别于激光焊接的其它常规形式的特性在于激光束24的焦距。在此，如图1中最佳地示出的那样，激光束24具有焦距62，其作为焦点52和在激光束24冲击工件层叠10的顶表面20（也是第一金属工件12的外部外表面26）之前与激光束24相交并且反射激光束24的最后一个可倾斜扫描镜58之间的距离测得。激光束24的焦距62优选地在0.4米至2.0米的范围中，并且焦点52的直径通常在从350 µm到700 µm的范围中的任意处。在图1中大体地示出并且在上文描述的扫描光学激光头42以及可以在某种程度上不同地构建的其它激光头，能够从多种来源商业地获得。扫描光学激光头和用于与远程激光焊接设备18一起使用的激光器的一些值得注意的供应商包括HIGHYAG（小马赫诺，（Kleinmachnow），德国）和TRUMPF Inc.（法明顿（(Farmington），康涅狄格州（Connecticut），美国）。

在当前公开的激光焊接方法中，如图1-18中大体地示出的那样，通过用激光束24短暂地熔化金属工件12、14，同时以相当复杂的方式操纵激光束24，在工件层叠10内并且在第一金属工件12和第二金属工件14（或如图17-18中所示并且在下文描述的第一金属工件、第二金属工件和第三金属工件）之间形成激光焊接接头64（图1、16和18）。开始，提供工件层叠10，这通常涉及组装或配合第一金属工件12和第二金属工件14，连同重叠凸缘或其它粘接区域。一旦提供工件层叠10，就将激光束24引导至焊接部位16内的工件层叠10的顶表面20处，并且使激光束24在焊接部位16内冲击工件层叠10的顶表面20，因此在激光能量进入层叠10的位置处建立束斑44。从激光束24的聚集的能量的吸收生成的热发起第一金属工件12和第二金属工件14的熔化，以形成熔化金属熔池66，其从顶表面20朝向底表面22穿透至工件层叠10内，如图2中最佳地示出的那样。在激光焊接方法的持续时间期间的某些时刻，熔化金属熔池66穿透至工件层叠10内足够深，使得其与建立在第一金属工件12和第二金属工件14之间的接合界面34相交。

此外，激光束24优选地具有足以使紧接着在束斑44下方的工件层叠10汽化的功率密度。这种汽化作用产生匙孔68，匙孔68是汽化的工件金属的柱，其通常包含等离子体。匙孔68形成在熔化金属熔池66内并且施加足以防止周围的熔化金属熔池66向内溃灭的方向向外的蒸汽压力。并且，像熔化金属熔池66那样，匙孔68也从顶表面20朝向底表面22穿透至工件层叠10内，并且在激光焊接方法的持续时间期间的某些时刻，穿透至工件层叠10内足够深，使得其与建立在第一金属工件12和第二金属工件14之间的接合界面34相交。匙孔68为激光束24提供管道，以将能量向下递送至工件层叠10内，因此促进熔化金属熔池66相对深入并且范围狭窄地穿透至工件层叠10内和相对小的周围热影响区。熔化金属熔池66和匙孔78可以完全地（图2）或者部分地（图2A）穿透工件层叠10。

现在具体参考图4-5，一旦激光束24冲击工件层叠10的顶表面20，或此后不久，就使激光束24回旋，以使光束24的焦点52沿至少一条螺旋路径70运动，其中所述螺旋路径70具有横向于工件层叠10的顶表面20和底表面22取向的中央螺旋轴线72。当中央螺旋轴线72与这些表面20、22中的每一个相交，或者能够共线地外推以与这些表面20、22中的每一个相交时，中央螺旋轴线72取向为横向于工件层叠10的顶表面20和底表面22。中央螺旋轴线72或其共线外推的相交可以垂直于工件层叠10的顶表面20和底表面22，如图4中所示，不过不必需要求这种严格的垂直性。实际上，也如图4中所示，中央螺旋轴线72或其共线外推可以以角度74与工件层叠10的顶表面20和底表面22相交，其中角度74偏离垂直高达45°。使焦点52沿螺旋路径70运动所需的激光束24的回旋通过精确地控制扫描光学激光头42的可倾斜扫描镜58和z轴线聚焦透镜50的协调运动来实现。

焦点52沿螺旋路径70的运动导致焦点52沿多个回转圈76围绕中央螺旋轴线72盘绕。每个回转圈76均具有平行于中央螺旋轴线72测得的螺距78，以及垂直于中央螺旋轴线72测得的半径80。每个回转圈76的螺距78优选地在从10 µm至5000 µm的范围中，并且若干回转圈76的螺距78全部是相同的，或者替代性地，展示出一些变化性。每个回转圈76的半径80优选地在从50 µm至20 mm的范围中，并且当其环绕中央螺旋轴线72时可以是恒定的或可变的（例如，增大或减小）。构成螺旋路径70的回转圈76的数量可以从几个到许多个不等，而且在许多情形中，焦点52可以循沿从两个至两百个中的任意数量的回转圈76。并且，取决于螺旋路径70中的转圈76的数量和每一个这些回转圈76的螺距78，螺旋路径70沿中央螺旋轴线72具有长度82，该长度82优选地在从0.5 mm至30 mm的范围中。

使焦点52沿多个回转圈76运动的激光束24的回旋引起沿整体轴向方向沿螺旋路径70传送焦点52。术语“整体轴向方向”指代焦点52的运动的平行于中央螺旋轴线72的分量。取决于使焦点52绕多个回转圈76运动的方式，可以沿正整体轴向方向84传送焦点52，或者沿负整体轴向方向86传送焦点52（图4）。这两个整体轴向方向84、86指向相对但是对齐的方向，并且正整体轴向方向84代表朝向扫描光学激光头42传送（即，焦点52沿z方向的位置变得更加正（+）），且负整体轴向方向86代表远离扫描光学激光头42传送（即，焦点52沿z方向的位置变得更加负（-））。激光束24的焦点52沿螺旋路径70的多个回转圈76的运动以最终或者沿正整体轴向方向84或者沿负整体轴向方向86传送焦点52可以以在从0.1米每分钟（m/min）至100 m/min的范围中的速度发生。

焦点52沿其运动的螺旋路径70可以穿过工件层叠10，如图4中所示。以这种方式，螺旋路径70的长度82大于焊接部位16处第一金属工件12和第二金属工件14的组合的厚度，并且焦点52所沿循的螺旋路径70延伸穿过整个第一金属工件12和第二金属工件14。当然，除了本文图4中所示的螺旋路径70的布置之外，其它布置也是可能的。在其它实施例中，比如，螺旋路径70可以完全容纳在工件层叠10内，或者其可以部分地穿过第一金属工件12或第二金属工件14中的任一者。此外，在又一其它实施例中，螺旋路径70可以定位在工件层叠10的顶表面20上方，或者定位在底表面22下方，并且因此，与上文所讨论的实施例不同，可能根本不侵入工件层叠10。不论螺旋路径70相对于工件层叠10定位在何处，激光束24的焦点52的运动均优选地在从工件层叠10的顶表面20上方100 mm至底表面22下方100 mm延伸的空间内执行。

激光束24的焦点52所沿循的螺旋路径70可以采取多种几何构造。比如，如本文图4-5中所示，螺旋路径70可以是圆筒形螺旋路径。在圆筒形螺旋路径中，沿从路径70的一端至另一端的螺旋路径70的长度82，每个回转圈76的半径80均是恒定的。就此而言，圆筒形螺旋路径的每个回转圈76的半径80均是相同的。半径为（r）并且螺距为（b/r）的圆筒形螺旋路径可以由以下参数方程数学地表示：

x(t) = rcos(t)

y(t) = rsin(t)

z(t) = bt。

在另一示例性实施例中，如图6中所示，螺旋路径70可以是圆锥形螺旋路径。在圆锥形螺旋路径中，每个回转圈76的半径80从路径70的一端处带有最大半径801的回转圈761至另一端处带有最小半径802的回转圈762沿螺旋路径70的长度80规律地减小。带有角频率（a）、高度（h）以及随高度（h）减小的半径（r）的圆锥形螺旋路径可以由以下参数方程数学地表示：

。

除了刚才描述的圆筒形螺旋路径和圆锥形螺旋路径之外，螺旋路径70也可以是几何构造相同或不同的两个或更多个螺旋部分的组合。例如，如图7中所示，螺旋路径70可以包括上圆锥形螺旋部分88和下圆锥形螺旋部分90。上圆锥形螺旋部分88和下圆锥形螺旋部分90的每个回转圈76的半径80均沿螺旋路径70的长度82朝向彼此减小。更具体地，上圆锥形螺旋部分88的每个回转圈76的半径80和下圆锥形螺旋部分90的每个回转圈76的半径80从圆锥形螺旋部分88、90的一端处带有最大半径803的回转圈763至圆锥形螺旋部分88、90的另一端处带有最小半径804的回转圈764沿螺旋路径70的长度82沿收缩方向规律地减小。由最小半径804限定的上圆锥形螺旋部分88和下圆锥形螺旋部分90中的每一个的回转圈764沿中央螺旋轴线72相邻地定位，同时由最大半径803限定的回转圈763间隔分开等于螺旋路径70的长度82的距离。

当形成激光焊接接头64时，可以使激光束24回旋以使焦点52沿单条螺旋路径70或多条螺旋路径70运动。在所公开的激光焊接方法的一种实施方式中，多个回转圈76都具有基本上对应于最大回转圈76的半径80的最大半径，其足够大以引起激光束24的束斑44相对于工件层叠10的顶表面20沿二维路线前进，其中所述二维路线反映焦点52沿螺旋路径70的运动。换言之，由于焦点52沿螺旋路径70运动，因此使激光束24的束斑44沿螺旋路径70在顶表面20上的二维投影前进。大于2 mm，或者更具体地在2 mm和20 mm之间的多个回转圈76的最大半径通常足以引起束斑44沿工件层叠10的顶表面20的明显的前进，并且足以使足够的第一金属工件12和第二金属工件14熔化，使得通过使激光束24的焦点52沿仅单条螺旋路径70运动就能够获得合适大小的激光焊接接头64。

利用螺旋路径的多种几何构造都能够实践在激光焊接接头64的形成期间，使激光束24回旋以使焦点52沿单条螺旋路径70运动（沿正整体轴向方向84或负整体轴向方向86中的任一者）。例如，螺旋路径70可以是圆筒形螺旋路径（例如，图4-5），使得焦点52沿圆筒形螺旋路径的运动（沿任一整体轴向方向）导致束斑44沿工件层叠10的顶表面20上的共同限定的环形路线反复地前进。在该示例中，多个回转圈76的最大半径等于每一单个回转圈76的恒定半径80，其也等于束斑44在顶表面20上所循沿的所得的环形路线的半径。作为另一示例，螺旋路径70可以是圆锥形螺旋路径（例如，图6），使得焦点52沿圆锥形螺旋路径的运动（沿任一整体轴向方向）导致束斑44沿工件层叠10的顶表面20上限定的螺线路线前进。在该示例中，多个回转圈76的最大半径等于最大回转圈761的半径801，其也等于束斑44在顶表面20上所循沿的所得的螺线路线的周界（perimeter）的半径。

当然可以使激光束24的焦点52一条接一条地沿多条螺旋路径70运动，即使螺旋路径70的最大直径足够大以引起束斑44沿工件层叠10的顶表面20沿所反映的二维路线前进也可以这样。以这种方式，可以使激光束24回旋以使激光束24的焦点52沿第一螺旋路径70运动，从而沿第一整体轴向方向（其可以是正整体轴向方向84或负整体轴向方向86中的任一者）传送焦点52，并且然后使焦点52沿第二螺旋路径70运动，从而沿与第一整体轴向方向相对的第二整体轴向方向（即，正整体轴向方向84或负整体轴向方向86中的另一者）传送焦点52。因此，激光束24的这种回旋导致沿第一螺旋路径和第二螺旋路径沿相对的整体轴向方向交替地传送激光束24的焦点52。此外，如果期望，可以使激光束24的焦点52沿额外的螺旋路径（即，第三螺旋路径、第四螺旋路径等）运动，以便在使焦点52沿若干不同的螺旋路径70运动的同时，沿相对的整体轴向方向往复地交替地传送焦点52。如果采用多条螺旋路径70，则就大小和几何构造而言，每一条螺旋路径均可以是相同的或不同的。

在一些情形中，诸如当螺旋路径70的多个回转圈76的最大半径小于2 mm，或更具体地在50 µm和2 mm之间时，激光束24的焦点52沿螺旋路径70的运动可能不熔化足够的第一金属工件12和第二金属工件14以使激光焊接接头64具有恰当的大小。在这些情况中，可以使激光束24，以及因此束斑44额外地相对于工件层叠10的顶表面20沿光束行进图案94沿平均向前方向92前进，以便获得充足大小的激光焊接接头64，如大体在图8中所示的那样。具体地，当使激光束24回旋以使焦点52沿多条螺旋路径70运动的同时，可以使激光束24相对于工件层叠10的顶表面20前进，以便当激光束24沿行进图案94前行时，沿相对的整体轴向方向往复地交替地传送焦点52，如总体上在图8-9中图示的那样。多条螺旋路径70中的每一条均沿束斑44沿平均向前方向92的向前前进的方向从相邻的、先前沿循的螺旋路径70移位。使焦点52沿其运动的螺旋路径70可以或可以不彼此重叠。

如图8-9中所示，可以使激光束24回旋以使激光束24的焦点52沿第一螺旋路径70'运动，从而沿第一整体轴向方向（其可以是正整体轴向方向84或负整体轴向方向86中的任一者）传送焦点52，并且然后使焦点52沿第二螺旋路径70''运动，从而沿与第一整体轴向方向相对的第二整体轴向方向（即，正整体轴向方向84或负整体轴向方向86中的另一者）传送焦点。焦点52的这种运动可以沿许多额外的螺旋路径70'''继续，以进一步地在使激光束24在层叠10的顶表面20上沿光束行进图案94沿平均向前方向92前进的同时，沿相对的整体轴向方向往复地交替地传送焦点52。激光束24的焦点52可以沿循从10至500中的任意数量的螺旋路径70，这取决于多种因素，包括光束行进图案94的形状，以及每一条螺旋路径70的多个回转圈76的最大半径。组成多条螺旋路径70的许多不同的螺旋路径70的大小和几何构造可以彼此相似或不相似。

激光束24沿工件层叠10的顶表面20所循沿的光束行进图案94可以是多种多样的图案中的任意图案。若干示例性光束行进图案94在本文中从工件层叠10的顶表面20的二维平面图的角度示出。比如，并且现在参考图10-15，其中光束行进图案94可以是线性缝线式图案（图10）、弯曲的或“C形”的卡钉式图案（图11）、环形图案（图12）、椭圆形图案（图13）、螺线图案（图14）或振荡图案（图15）等。在图10的线性缝线式图案中，使激光束24的束斑44沿线性焊接路径96从开始位置98前进到终止位置100。同样地，在图11的卡钉式图案中，使激光束24的束斑44沿弯曲的且周向开放的焊接路径102从开始位置104前进到终止位置106。弯曲的且周向开放的焊接路径102的形状可以是半环形或者半椭圆形。

在图12的环形图案中，使激光束24的束斑44沿一条或多条环形焊接路径108从开始位置110前进到终止位置112（仅在图示的环形焊接路径108中的一条上示出）。（多条）环形焊接路径的开始位置110和终止位置112可以是相同的，或者替代性地，它们可以是不同的。此外，如果环形图案包括一系列径向间隔开且不连接的环形焊接路径108，如图12中所示，则环形焊接路径108的数量可以在从二至二十的范围中变化。就此而言，该系列的环形焊接路径108包括最外侧环形焊接路径108'和最内侧环形焊接路径108''，并且其间的所有焊接路径108可以平均地间隔分开，或者它们可以以不同的距离间隔分开。不论存在间距的统一性还是其缺乏统一性，每一对相邻的环形焊接路径108上的径向对齐的位置之间的距离优选地落在0.01 mm和0.8 mm之间。图13中所示的椭圆形图案在所有重要方面均与图12中所示的环形图案相似，包括焊接路径的数量和间距，除了不同于一条或多条环形焊接路径，使激光束24的束斑44沿一条或多条椭圆形焊接路径114从开始位置116前进到终止位置118的事实。

在图14的螺线图案中，使激光束24的束斑44沿单条螺线焊接路径124从开始位置120前进到终止位置122，其中所述螺线焊接路径124绕其自身绕转，并且在绕转的同时径向向外扩张，并且其还包括二个到二十个回转圈126。螺线焊接路径124的开始位置120可以是焊接路径124的最内侧回转圈126'的内部位置128，且终止位置122可以是焊接路径124的最外侧回转圈126''的外部位置130，或反之。螺线焊接路径124可以连续地弯曲，如图14中所示，并且螺线图案还可以是阿基米德螺线（Archimedean spiral），其中焊接路径124的回转圈126等距离地彼此间隔开。当在每一对相邻回转圈126上的径向对齐的位置之间测量时，该距离可以在从0.01 mm和0.8 mm之间的范围中。替代性地，作为另一示例，螺线焊接路径124可以布置成等角螺线图案，其中焊接路径124的相邻回转圈126变得逐渐更加远离。等角螺线图案的一个示例由方程r(θ) = e^–0.1(θ)限定，其中θ以极坐标限定。

除了图10-14中所示的那些光束行进图案94的实施例之外，实际上也构想到光束行进图案94的其它实施例。在图15中所描绘的一种这样的其它实施例中，可以使激光束24的束斑44沿图10-14中示出的以及其它未示出的那些图案中的任意图案前进，同时沿横向于束斑44的平均向前方向92的方向往复振荡。例如，当束斑44沿平均向前方向92沿图10中所示的线性焊接路径96、沿图11中所示的弯曲且周向开放的焊接路径102、沿图12-13所示的一条或多条环形焊接路径108/椭圆形焊接路径114，或者沿图14中所示的单条螺线焊接路径124行进时，可以使束斑44沿工件层叠10的顶表面20往复振荡。束斑44的往复振荡可以是正弦的，如图所示，但是也能够是曲折的或矩形的或一些其它形状的。就往复振荡的大小和间距而言，当束斑44沿光束行进图案94沿平均向前方向92运动时，束斑44的横向偏离的峰间幅值和波长两者优选地在从0.1 mm到6.0 mm的范围中。

现在参考图16，当使激光束24的束斑44沿工件层叠10的顶表面20前进时，或者由于螺旋路径70本身的大小和形状，或者由于在使激光束24回旋的同时使激光束24沿光束行进图案94前进，匙孔68（如果存在）和围绕可选的匙孔68的熔化金属熔池66沿工件层叠10内的对应线路并且相对于顶表面20平移，原因在于它们循沿激光束24的运动。激光束24的这种前进引起穿透的熔化金属熔池66在工件层叠10内在束斑44周围和后方流动，从而导致熔化金属熔池66紧随束斑44的前进发展而伸长。在激光束24连续前进和/或间歇传输时，由激光束24的回旋和可选的前进产生的熔化的工件材料冷却并且凝固成再凝固复合工件材料130。并且，取决于确切地如何操纵激光束24，熔化金属熔池66可以凝固成再凝固复合工件材料130的限定尾迹，或者其可以熔合并生长成更大的熔坑，其凝固成再凝固复合工件材料130的固结的熔核。不论其最终形状和结构如何，集合的再凝固复合金属工件材料130构成激光焊接接头64，其在焊接部位16处将金属工件12、14自体地熔焊在一起。

在激光束24的回旋以及可选的激光束24的束斑44的前进的期间，控制匙孔68和周围的熔化金属熔池66的穿透深度，以确保激光焊接接头64将金属工件12、14熔焊在一起。具体地，如上文提及的那样，匙孔68（如果存在）和熔化金属熔池66穿透至工件层叠10内，并且与建立在第一金属工件12和第二金属工件14之间的接合界面34相交。匙孔68和熔化金属熔池66可以完全地或部分地穿透至工件层叠10。比如，在优选实施例中，当第一金属工件12和第二金属工件14是钢工件时，匙孔68和熔化金属熔池66完全地穿透工件层叠10，而且当第一金属工件12和第二金属工件14是铝工件时，匙孔68和熔化金属熔池66仅部分地穿透工件层叠10。完全穿透的匙孔68和熔化金属熔池66从工件层叠10的顶表面20到底表面22延伸穿过整个第一金属工件和第二金属工件，如图2中所示。另一方面，部分穿透的匙孔68和熔化金属熔池66延伸穿过整个第一金属工件12，而且仅部分地穿过第二金属工件14，如图2A中所示。

图1-16图示在工件层叠10是仅包括第一金属工件12和第二金属工件14以及它们的单个接合界面34的“2T”层叠的背景中所公开的激光焊接方法的上文所描述的实施例。然而，当工件层叠10是包括额外的具有厚度151的第三金属工件150（其中第三金属工件150与第一金属工件12和第二金属工件14重叠并且位于第一金属工件12和第二金属工件14之间，如图17-18中所描绘的那样）的“3T”层叠时，也可以进行相同的激光焊接方法。实际上，不论工件层叠10是2T层叠还是3T层叠，均不需要过多修改激光焊接方法以形成激光焊接接头64。并且，在每一种状况中，通过如上文详细地描述的那样，在某些情况中可选地使激光束24沿光束行进图案94前进之外，使激光束24回旋以使激光束24的焦点52沿至少一条具有横向于工件层叠的顶表面20和底表面22取向的中央螺旋轴线72的螺旋路径70运动，激光焊接接头64能够实现良好的机械性质。

现在参考图17，额外的第三金属工件150（如果存在）包括第三基体金属基底152，其可以可选地涂覆有上文所描述的相同的表面涂层40。当工件层叠10包括第一重叠金属工件12、第二重叠金属工件14和第三重叠金属工件150时，工件12、14、150中的至少一者的基体金属基底36、38、152，并且有时它们的全部，可以包括表面涂层40。对于第三基体金属基底152的特性（例如，组成、厚度等），关于属于同一基体金属集合（即，钢或铝）的第一基体金属基底36和第二基体金属基底38的以上描述也同等地适用于该基底152。但是应当注意到的是，虽然相同的大体描述适用于若干金属工件12、14、150，但是不要求金属工件12、14、150彼此相同。在许多情形中，虽然第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150处于同一基体金属集合中，但是它们在一些方面不同，不论这些方面是组成、厚度和/或形式。

由于以重叠的方式堆叠第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150以提供工件层叠10，因此第三金属工件150具有两个接合表面154、156。接合表面之一154与第一金属工件12的第一接合表面28重叠并与其相对，并且另一个接合表面156与第二金属工件14的第二接合表面32重叠并与其相对，由此在工件层叠10内建立延伸通过焊接部位16的两个接合界面158、160。这些接合界面158、160与上文已关于图1-16描述的接合界面34是相同类型并且包含相同属性。因此，如本文所述的在该实施例中，侧面的第一金属工件12和第二金属工件14的外部外表面26、30仍沿相对方向彼此背离，并且构成工件层叠10的顶表面20和底表面22。

由激光束24以与先前所描述的相同的方式在“3T”工件层叠10中形成激光焊接接头64。具体地，激光束24被引导至，并且冲击工件层叠10的顶表面20（也是第一金属工件12的外部外表面26）。激光束24的聚集的能量的吸收形成熔化金属熔池66，并且可选地，在激光束24的束斑44下方在熔池66内形成匙孔68。匙孔68和熔化金属熔池66从顶表面20朝向底表面22或者完全地或者部分地穿透至工件层叠10内，并且与建立在层叠10内的接合界面158、160中的每一个相交。一旦激光束24冲击工件层叠10的顶表面20，或此后不久，就使激光束24回旋以使光束24的焦点52沿至少一条螺旋路径70运动。焦点52沿螺旋路径70的运动导致焦点52绕中央螺旋轴向72沿多个回转圈76盘绕。激光束24的焦点52所沿循的螺旋路径70可以采取多种几何构造，包括上文所描述的那些具体实施例。

在激光焊接接头64的形成期间，可以使焦点52沿单条螺旋路径70或多条螺旋路径70运动。例如当多个回转圈76的最大半径足够大以引起激光束24的束斑44相对于工件层叠10的顶表面20沿反映焦点52沿螺旋路径70的运动的二维路线前进以便形成恰当大小的激光焊接接头64时，激光束24的焦点52可以沿循单条螺旋路径70。在其它情景中，诸如当多个回转圈76的最大半径相对较小时，可以使激光束24以及因此束斑44相对于工件层叠10的顶表面20沿光束行进图案94沿平均向前方向92前进，与此同时使激光束24回旋，以便当激光束沿行进图案94前行时，沿相对的整体轴向方向沿多条螺旋路径70往复地交替地传送焦点52。激光束24的这种额外的操纵帮助最终获得大小足够的激光焊接接头。在任一种情况中，如图18中图示的那样，由激光束24形成的所得的激光焊接接头64包括再凝固复合工件材料130，其源自金属工件12、14、150中的每一者，并且因此用于在焊接部位16处将第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150自体地熔焊在一起。

优选的示例性实施例和具体示例的以上描述在本质上是仅描述性的；它们不旨在限制后续的权利要求的范围。在所附权利要求中使用的每一个术语应当给予其普通和惯例的意义，除非在说明书中另外具体并清楚地陈述。

Claims (10)

1.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

将激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束冲击所述顶表面并且形成熔化金属熔池，所述熔化金属熔池从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点沿具有横向于所述工件层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线的螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述螺旋路径的运动导致所述焦点围绕所述中央螺旋轴线沿所述螺旋路径的多个回转圈盘绕，所述多个回转圈中的每一个具有平行于所述螺旋路径的中央螺旋轴线测得的螺距；以及

向所述工件层叠的顶表面间歇地传输所述激光束，以形成包括再凝固复合工件材料的激光焊接接头，所述再凝固复合工件材料源自所述熔化金属熔池所穿透的每一个所述金属工件，所述激光焊接接头将每一个所述重叠金属工件熔焊在一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的顶表面，并且所述第二金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的底表面，并且其中，所述第一金属工件的第一接合表面和所述第二金属工件的第二接合表面重叠并且相对以建立接合界面。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的顶表面，并且所述第二金属工件的外部外表面提供所述工件层叠的底表面，并且其中，所述工件层叠包括位于所述第一金属工件和所述第二金属工件之间的第三金属工件，所述第三金属工件具有相对的接合表面，其中之一与所述第一金属工件的第一接合表面重叠并且相对以建立第一接合界面，并且所述相对的接合表面中的另一个与所述第二金属工件的第二接合表面重叠并且相对以建立第二接合界面。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述螺旋路径的所述多个回转圈的数量为两个至两百个，并且其中，所述多个回转圈中的每一个的螺距在从10 µm至5000 µm的范围中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述螺旋路径的长度在从0.5 mm至30 mm的范围中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述激光束回旋包括： 使所述激光束的焦点沿具有第一中央螺旋轴线的第一螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述第一螺旋路径的运动导致所述焦点沿第一整体轴向方向沿所述第一螺旋路径的多个第一回转圈围绕所述第一中央螺旋轴线盘绕；以及 使所述激光束的焦点沿具有第二中央螺旋轴线的第二螺旋路径运动，所述激光束的焦点沿所述第二螺旋路径的运动导致所述焦点沿与所述第一整体轴向方向相对的第二整体轴向方向沿所述第二螺旋路径的多个第二回转圈围绕所述第二中央螺旋轴线盘绕。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括： 在使所述激光束回旋的同时，使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，以沿所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径分别沿所述第一整体轴向方向和所述第二整体轴向方向交替地传送所述激光束的焦点。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括： 在所述第一螺旋路径和所述第二螺旋路径之后，继续使所述激光束的焦点沿额外的螺旋路径运动，以便在使所述激光束沿所述光束行进图案前进的同时，继续沿所述第一整体轴向方向和所述第二整体轴向方向交替地传送所述焦点。

9.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

利用远程激光焊接设备将固态激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束冲击所述顶表面并且形成匙孔和围绕所述匙孔的熔化金属熔池，所述匙孔和所述熔化金属熔池中的每一者从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点交替地沿至少包括第一螺旋路径和第二螺旋路径的多条螺旋路径运动，以便分别沿第一整体轴向方向和第二整体轴向方向往复地传送所述焦点，所述焦点沿所述第一螺旋路径的运动导致所述焦点沿所述第一整体轴向方向沿多个第一回转圈围绕第一中央螺旋轴线盘绕；并且所述焦点沿所述第二螺旋路径的运动导致所述焦点沿与所述第一整体轴向方向相对的所述第二整体轴向方向沿多个第二回转圈围绕第二中央螺旋轴线盘绕，所述第一中央螺旋轴线和所述第二中央螺旋轴线中的每一者取向为横向于所述工件层叠的顶表面和底表面；以及

在使所述激光束回旋以使所述激光束的焦点沿所述多条螺旋路径运动的同时，使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，以使所述匙孔和周围的所述熔化金属熔池沿所述工件层叠内的对应线路平移。

10.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件层叠，所述工件层叠至少包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件层叠的顶表面，且所述第二金属工件提供所述工件层叠的底表面，其中，接合界面建立在所述工件层叠内每一对相邻的重叠金属工件之间，并且其中，所述工件层叠的所有重叠金属工件均是钢工件或铝工件；

操作扫描光学激光头以将固态激光束引导至所述工件层叠的顶表面处，所述激光束在所述工件层叠内形成匙孔，所述匙孔从所述顶表面朝向所述底表面穿透至所述工件层叠内，并且与建立在所述工件层叠内的每一个接合界面相交；

操作所述扫描光学激光头以形成激光焊接接头，其通过以下方式将所述重叠金属工件熔焊在一起：使所述激光束相对于所述工件层叠的顶表面沿光束行进图案前进，这使所述匙孔沿所述工件层叠内的对应线路平移，以及还使所述激光束回旋，以使所述激光束的焦点沿多条螺旋路径运动，其中所述多条螺旋路径中的每一条均具有横向于所述工件层叠的顶表面和底表面取向的中央螺旋轴线，以便当使所述激光束沿所述光束行进图案前进时，沿第一整体轴向方向和第二整体轴向方向交替地传送所述焦点。