CN107896490A - 对两个相邻固定的待接合法兰的接头端面进行激光焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对两个相邻固定的待接合法兰(3、4)的接头(5、6)端面进行激光焊接的方法，所述两个法兰属于两个由钢材料制成的待接合部件(1、2)。其中激光焊接束(8)除了朝着与所述接头(5、6)的纵向面一致的进给方向移动，还会横穿进给方向、以来回振荡的方式移动。对两个待接合部件(1、2)在其待接合法兰(3、4)的接头(5、6)上进行焊接，这两个部件中至少有一个、至少在其待接合法兰(3、4)的部分有金属涂层。激光焊接过程中导入的能量，使熔池得以形成并保持液态，至少一个待接合部件的金属涂层由于焊接而产生不同的相，各相除气过程和/或分布过程在受控条件下发生，激光焊接束的振荡频率为至少80Hz。

Description

对两个相邻固定的待接合法兰的接头端面进行激光焊接的 方法

本发明涉及一种对两个相邻固定的待接合法兰的接头端面进行激光焊接的方法，所述两个法兰属于两个由钢材料制成的待接合部件。激光焊接束除了朝着与所述接头的纵向面一致的进给方向移动，还会横穿进给方向、以来回振荡的方式移动。此类激光焊接可应用于汽车车身元件的多种接合位置。

在众多应用中，金属元件的平坦面被固定在一起，所述金属元件的待接合法兰互相平行放置、被焊接在一起，接头为法兰端面。在许多情况中，激光焊接被用于此目的。待接合部件的待接合法兰可能是互相毗邻的端部，并且与待接合部件的纵向面一致，例如金属板工件的端部，或此类工件为形成待接合法兰而特别被弯折或压弯的部分。为了对端面进行焊接，待接合法兰以合适的方式被固定在一起，例如通过合适的夹具，直至焊接完成为止。

对两个待接合部件的端面进行激光焊接的方法，已由DE 10 2013 107 228 B公开，其中的待接合部件为钢制元件。根据这一文件公开的激光焊接方法，提供给焊接处中央部分的能量导入较少，提供给与其毗邻、位于接头内部的边缘部分的能量导入较多。为了在理想的接头宽度上进行焊接，激光焊接束会横穿进给方向、以来回振荡的方式移动。在此已公开的方法中，这种激光焊接束的移动方式，还被用于在焊接处横截面上导入所需的不同数量的能量，具体而言，在需要导入更多能量的焊接处边缘部分，延长激光束停留时间，并且/或者增加激光束能量。通过这种方式实现的结果是，焊接区域可以相对较深地嵌入接头。

如DE 10 2012 104 362 A1所述，通过将一个元件横向叠加在主进给方向上，与需产生的焊缝的纵向面一致，可以产生断续焊接的焊缝。采用这一方法时，需对待接合部件中将产生焊缝的部分进行预热，然后进行焊接，之后还有一个后加热步骤。

在前述的两个文件中，振荡的幅度可以根据待接合部件的几何特征调整，例如其厚度、材料以及/或者涂层。

若金属板元件上有金属涂层，则在焊接时会出现问题，尤其在汽车车身部分。这种涂层可能用于防腐蚀，例如镀锌涂层。通常，此类镀锌涂层是以热浸镀锌或电镀锌的方式涂覆的。为了在后续计划进行的加压淬火处理过程中减少结垢，金属板元件有时会涂覆AlSi涂层，通常是以热浸方式涂覆在待成形的半成品上。在接合有金属涂层的工件时，若涂层的熔点与金属材料的熔点差异显著，则会出现问题。有一些此类用途的镀锌涂层的熔点明显低于钢的熔点(接合温度)，而AlSi涂层的熔点则明显较高。结果是在焊接两个工件时，如果其中至少一个待接合部件有镀锌涂层，涂层会由于焊接所需的热量而或多或少地爆炸式蒸发。这种情况会涉及锌除气。结果是形成更多飞溅，并且导致已熔化的熔池被部分带走，以及焊缝中孔隙增加。就这一点而言，这样的焊缝不符合被焊元件原有的强度要求，尤其是涉及动态应力的情况。相较之下，若一个工件中至少有一个待接合部件有AlSi涂层，则在焊接过程中，将无法防止金属间相形成并积聚在焊缝线和焊缝根部。这些金属间相呈易碎的材料特性，是被焊部件在应力下失效的起始点。因此，这样的焊缝也不符合工件的强度要求。

如果一个元件需要由两个或更多个工件接合在一起组成，则只有在待接合部件接合之后，才可按需考虑涂覆镀锌涂层。以此方式生产的元件几何特征复杂，相比单个工件(尤其是尚未定型的工件，也就是仍未成形的金属板)，镀锌涂层的涂覆过程费时费力得多。进一步地，这种由多个工件组成的元件如果带有空腔，且需要在空腔内涂覆镀锌涂层，则除非采取大量额外工序，否则无法保证实现。就AlSi涂层而言，由于工件通常是通过加压淬火成形，在接合之前就需要涂覆该涂层，因而无法考虑接合后涂覆。

机动车车身元件尤其易受水汽和盐分作用的腐蚀，生产此类元件时，最好有一种焊接方法，能将有金属涂层的多个工件接合在一起，使各工件的端面能在接头处焊接，并且避免现有技术的弊端。对于其他应用也是如此。因此，本发明的目的正是提出这样一种焊接方法。

本发明实现这一目的的方式如下：对两个待接合部件的端面进行激光焊接，焊接处为其待接合法兰的接头，这两个部件中至少有一个、至少在其待接合法兰的部分有金属涂层；激光焊接过程中导入的能量，使熔池得以形成并保持液态，至少一个待接合部件的金属涂层由于焊接而产生不同的相，各相除气过程和/或分布过程在受控条件下发生，激光焊接束的振荡频率为80Hz到1000Hz之间。

对于至少两个固定在一起的待接合法兰，相较于常规焊接方法，可以推断这种在接头端面进行激光焊接的方法，由于激光振荡频率高(可通过正弦波形振荡实现)，能更长时间地保持熔池液态。进一步地，通过高频率振荡的激光焊接束，为熔池带来了一定的流动，并相应地为熔池导入了高频率振荡的能量。结果是，由于熔池(或其一部分)不会过早硬化，有助于金属涂层(熔点低于待焊接的金属材料)除气过程的发生，从而产生不带孔隙的焊缝。更长时间地保持熔池液态，同时为熔池带来流动，可以支持除气过程，并减少焊接飞溅的形成。如果金属涂层在焊接所用的温度下尚不能除气(例如AlSi涂层)，则通过上述方法，可以确保形成的金属间相分散地分布在熔池中，而不会像先前已知的焊接方法那样在局部积聚。若金属间相分散分布，则不会影响所需的强度特性。

由于激光焊接束的高频率振荡，熔池通常可以在焊缝所需的完整宽度上保持液态。为了按上述方式形成熔池，激光焊接束的进给方向将根据其能量导入而调整。可以理解的是，进给速度不能过快。由于激光焊接束的高频率振荡，此焊接方法可在常规的进给速度下进行。在焊缝所需的完整宽度上生成熔池，而且熔池更长时间地保持液态，其优势在于，这样形成的焊缝将远比常规焊缝更为均质。

此方法中，由于熔池更长时间地保持液态，而且激光束横穿接合方向进行高频率振荡，还可以增加焊缝接合宽度。这还进一步有助于待接合工件的接头厚度差异的补偿。进一步地，采用这一方法，可以保证设定的焊接深度能体现待接合部件的实际接合深度。

为了防止熔池部分失控外流，此方法的一个优选实施例做了如下规定：在两个待接合法兰的接头上，保留远离另一个待接合法兰的边缘部分(至少在焊缝根部)不被熔化。接头边缘部分形成了熔池边界墙。然而，待接合法兰的上部顶端也有可能完全被熔化。

通过上述方式对端面进行激光焊接，还创造了一个有利条件，即端面为熔化过程提供了材料储备库，不必担心导入的能量烧穿待接合部件。因此，此方法最适合于焊接由高强度钢材料制成的工件，此类钢材料壁薄，目的是降低所制元件的重量。在至少一个待接合部件有金属涂层的情况下(涂层熔点低于钢的熔点)，由于除气过程在受控条件下发生，相比先前的端面激光焊接方法，现在可以选择更低的待接合法兰高度(即熔池材料规格)，不必再在这一方向上保留一个安全区(保留安全区的原因是，在涂层除气过程中，部分钢材料可能被带走)。这样一来，如果待接合工件设计恰当，待接合法兰的高度可以基本上全部用于形成熔池，因而将工件弯折或压弯形成待接合法兰时，凸出于元件其余表面的高度只需达到焊缝高度即可。

随着振荡频率的增加，带入熔池的流动能量也会增加，从而促进焊接时上述过程在熔池中的发生。因此，采用此方法时，优选的振荡频率为100Hz以上。900Hz到1000Hz之间的频率对上述过程没有进一步的促进作用，因而没有必要。考虑到激光束导向所需的机械装置，频率为250Hz到450Hz之间的激光焊接束尤其具有优势。

优选地，通过相应振荡的光导向组件(如反光镜或棱镜)，将激光焊接束引导至(两个或更多待接合部件的)待接合法兰上需焊接的接头，从而实现激光束的振荡运动。在一个优选实施例中，通过这样的光导向组件的相应振荡转动，实现了激光焊接束的振荡运动。这样也可以使振荡幅度的调整变得尤为简单。可以理解的是，针对待接合的接头，可以设置激光束的振荡幅度，具体方式是在激光焊接束的同方向或反方向上，相应地调整其与待接合接头表面的间距。

为进一步促进一个或两个待接合部件金属涂层的除气，在一个优选实施例中做了如下规定：对接头表面逐渐加热，以形成熔池。具体方式是，在将焊接能量实际导入待接合部件并致使钢材料熔化之前，先预热待接合法兰的接头，使其涂层升至蒸发温度(或稍高于蒸发温度)。若采用此焊接方法并进行此预热，在钢材料实际开始熔化之前，金属涂层的除气就已经实质性地发生。优选地，在形成熔池所需的更多能量导入之前，除气过程已经完成，至少大部分完成。此预热可以如下方式进行：先于实际激光焊接束，将部分激光焊接束解耦，并将解耦的部分光束施加于待接合接头。可用光导向组件对此部分激光束进行解耦，用于预热。此类光导向组件已充分公开。预热时，只需将待接合法兰加热至其表面金属涂层的除气温度。研究表明，对待接合法兰的接头进行预热，不将表面金属涂层加热至除气温度(即便这可能是优选的)，也已经可以支持除气过程。进行此预热的结果是，金属涂层的加热是逐渐进行的，而不是在焊接所需能量导入时突然进行的。

预热也可不以上述对部分激光焊接束进行解耦的方式进行，具体而言，使激光束相对于接头端面的竖直方向倾斜一个角度，例如5到45度之间，优选的倾斜角度为20度以上。由于这一倾斜，激光焊接束将一股热锋推向自身前方。研究表明，采用这样的焊接参数，对有涂层的待接合部件进行有效预热，可实现受控制条件下的除气。

接合时，金属涂层的除气程度取决于涂层厚度。采用上述方法和相关的焊接参数，取得了优良的焊接效果，即便对于镀锌涂层也如此(其相应的最大厚度为140g/m²)。以下借助附图对本发明进行更加详细的描述。附图说明：

图1：对两个相邻固定的待接合法兰的接头端面进行激光焊接的方法示意图图1a：图1右侧的待接合部件的部分侧面图，已旋转90度

图2：采用本发明方法产生的端面焊缝的显微照片

图3：图2所示的焊缝细部的显微照片

图4：采用常规端面激光焊接方法产生的端面焊缝的显微照片

图1显示了两个钢材料工件1、2，为待接合部件。工件1、2分别有一个待接合法兰3、4。待接合法兰3、4各自形成了一个接头5、6，其上端如图1所示。工件1中，待接合法兰3是该工件的边缘部分，设计为一块金属板。工件2中，待接合法兰4是通过弯折形成的。工件1、2由高强度钢合金制成。图1所示的工件2是通过加压淬火成形的。工件2有AlSi涂层，为的是优化之前的加压淬火过程。附图所示的实施例中，工件1有镀锌涂层，涂覆厚度为140g/m²。

现欲以焊接方式，将工件1、2在其接头5、6的端面上接合起来。为此目的，如图1所示，将待接合法兰3、4用图中未显示的夹具或卡具固定在一起。要产生的焊缝与接头5、6的纵向面一致。图1中，这一方向标为x。相应地，为了进行焊接，待接合法兰3、4的平坦面固定在一起。

通过激光器7，对接头5、6进行焊接，激光焊接束8通过反光镜9(作为光导向组件)，施加在待接合法兰3、4的接头5、6上。反光镜9安装在枢轴10上，可绕其转动。可调整激光焊接束8，使其通过反光镜9，横穿进给方向(x方向)。这是为了在接头5、6上形成足够宽度的熔池。因此，反光镜9的目的是在y方向上产生来回振荡的激光焊接束8。所示实施例中，反光镜9的转动幅度已预先设定。因而，可通过设置接头5、6(即工件1、2)与反光镜9之间的距离，从而确定激光焊接束8在来回移动时能覆盖的接头5、6表面区域。可以理解的是，接头5、6与反光镜9的距离越远，激光焊接束8能覆盖的区域越大。

通过激光焊接束8向待接合法兰3、4导入足够能量，使钢材料熔化形成熔池。

所示实施例中，激光焊接是通过散焦激光点直径实施的。对激光焊接束8进行的散焦，与在y方向上激光束的移动幅度，需互相协调。所述的焊接方法中，激光束8在y方向上以约300Hz的频率来回振荡。相应地，反光镜9需振荡转动。散焦是为了在接头5、6上覆盖尽可能宽的区域，也是为了优化这一位置的能量导入，以及涂层系统的导入深度。相应地，通过散焦，在相同功率下，可以用更低的功率密度，处理更大的表面区域。换言之，待接合部件和涂层熔化得更缓慢、更均一，从而使焊接接合得更好，并减少材料飞溅的发生。所示实施例中，激光焊接束8已散焦，当其触及接头5、6表面时，其光束直径与待接合部件的最小金属板厚度大致对应。进一步地，在焊接过程中，对于待接合法兰3、4，并不使其完全熔化形成熔池，而是保留远离另一个待接合法兰的边缘部分(至少在焊缝根部)不被熔化，或者仅使其较少地参与熔池形成。图1和2中，所述边缘部分标为11、12，与进给方向(x方向)平行。这些边缘部分形成了熔池边界墙，而待接合法兰3、4的其他部分则熔化成熔池。保留下来的熔池边界墙(至少在焊缝根部)可防止熔化的部分外流。

图1a所示的焊接装置中，激光焊接束8并非垂直于接头5、6，而是在进给方向(x方向)上倾斜。图1中，激光焊接束8的进给方向向右倾斜。所示的焊接装置中，激光焊接束8与竖直方向之间的倾斜角度α为35度。其结果是，在进给方向上形成了热锋13，位于激光焊接束8实际触及接头5、6位置的前方。这样就可以实现对接头5、6和待接合法兰3、4的预热。对待接合法兰3的镀锌涂层进行预热，在激光焊接束8熔化下层钢材料之前，先将涂层加热至除气温度(优选做法)。这样可以支持锌除气在受控条件下发生，而除气过程最终是不可避免的。

焊接过程中，激光焊接束8以约300Hz的频率在y方向上振荡，横穿进给方向。这样可使得待接合法兰上除了边缘部分11、12的其他部分熔化，形成熔池。激光焊接束8的高频率振荡的结果是，熔池在焊接处整个宽度上保持一段时间的液态。进一步地，通过振荡导入能量，还为熔池带来了一定的流动，这不仅能支持锌除气过程，还能确保待接合法兰4的AlSi涂层在焊接过程中形成的相，能在熔池中以及后续固化的焊缝中分散分布。对激光焊接束8在进给方向上的移动进行调整，使熔池在足够长的时间内保持液态。

另外，将一个超声波头附在两个待接合部件中的一个上面，也可以实现熔池的流动。但是从根本上说，通过在y方向上高频率振荡的激光焊接束，为熔池带来一定的流动，已经足够。

对于上述提及的激光焊接束8在y方向上的振荡运动，可以理解的是，激光焊接束的振荡并不一定要严格以90度横穿进给方向(x方向)，才能获得此焊接方法的优势。此处解释时所用的“横穿进给方向”，应当理解为激光焊接束振荡时与进给方向呈任一角度的方向，尤其是大于45度的方向。

图2的显微照片展示了以上述方式产生的一个焊缝。这张照片生动地展现了两个待接合法兰3、4焊缝处非常均质的晶体结构。这张照片中，焊缝标为14。金属间相并不明显。光栅显微镜研究显示，待接合法兰4的AlSi涂层上的金属间相在焊缝14中分散分布。图3展示的是焊缝14在图2白框中的一部分，已抛光，但未蚀刻。没有明显的金属间相或孔隙。

图4的照片展示的是采用常规端面激光焊接产生的焊缝，与图2形成对比。焊缝构成的差异明显。图4的焊接中，由于锌除气失控，部分待接合法兰被带走，因而形成了焊缝下方的空洞。进一步地，在有AlSi涂层的待接合法兰的熔化边界部位，可以看到一系列金属间相形成一条直线，从焊缝根部延伸出来。与本发明方法的目的形成对比的是，锌除气失控，金属间相积聚、明显未能分散分布在熔化部分中，导致这样的焊缝不能满足强度要求。

上述的焊接方法适用于大量应用。在汽车领域，采用这种方法接合涂覆有金属涂层的待接合部件，具有成本优势。举例而言，可用于保险杠的成形(加压淬火的横杆与有镀锌涂层的锁限位板的接合)，也可用于有镀锌涂层的发动机座或变速器座的焊接，还可用于有镀锌涂层的底盘零件与其他零件(涂覆或未涂覆镀锌涂层/AlSi涂层)的焊接。

附图标记表

1 工件

2 工件

3 待接合法兰

4 待接合法兰

5 接头

6 接头

7 激光器

8 激光焊接束

9 反光镜

10 枢轴

11 边缘部分

12 边缘部分

13 热锋

14 焊缝

α 倾斜角度

Claims (12)

1.一种对两个相邻固定的待接合法兰(3、4)的接头(5、6)端面进行激光焊接的方法，所述两个法兰属于两个由钢材料制成的待接合部件(1、2)。激光焊接束(8)除了朝着与所述接头(5、6)的纵向面一致的进给方向移动，还会横穿进给方向、以来回振荡的方式移动。其特征在于，对两个待接合部件(1、2)在其待接合法兰(3、4)的接头(5、6)上进行焊接，这两个部件中至少有一个、至少在其待接合法兰(3、4)的部分有金属涂层；激光焊接过程中导入的能量，使熔池得以形成并保持液态，至少一个待接合部件(1、2)的金属涂层由于焊接而产生不同的相，各相除气过程和/或分布过程在受控条件下发生，激光焊接束(8)的振荡频率为80Hz到1000Hz之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光焊接束(8)的振荡频率大于100Hz，尤其是大于250Hz。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光焊接束(8)触及待接合法兰(3、4)的接头(5、6)时，可以选择所述激光束的振荡频率，使其将流动能量带入熔池。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，在待接合法兰(3、4)的接头(5、6)上，保留远离另一个待接合法兰(3、4)的边缘部分(11、12)(至少在焊缝根部)不被熔化，边缘部分形成熔池边界墙。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，在导入熔化所需的能量之前，对待熔化的接头(5、6)部分进行逐渐预热。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对激光焊接束(8)进行导向，使其在进给方向，相对于接头(5、6)端面的竖直方向倾斜。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，激光焊接束(8)相对于接头(5、6)端面的竖直方向倾斜的角度为5度到45度之间。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过一个光学系统，将激光焊接束的一部分解耦用于预热，对已解耦的预热激光束进行导向，使其移动至焊接激光束的前方。

9.根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于，一个待接合部件(1)的金属涂层为镀锌涂层，是以热浸镀锌或电镀锌的方式涂覆的。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该镀锌涂层厚度至少为100g/m²。

11.根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于，一个待接合部件(2)的金属涂层为AlSi涂层。

12.根据权利要求1至11所述的方法，其特征在于，两个待接合部件(1、2)具有相同或不同的金属涂层。