CN108463308A - 激光点焊镀层钢的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种激光点焊包括至少两个交叠的钢工件（12、14）的工件叠层（10）的方法，所述钢工件中的至少一个包括表面镀层（40）。本方法包括使激光光束（24）指向到所述工件叠层（10）的顶部表面（20）以形成穿透到所述叠层（10）中的钢焊接熔池（90）。然后通过增大所述激光光束（24）的辐照度同时减小所述激光光束（24）在所述工件叠层（10）的所述顶部表面（20）的平面处的投射截面区域（86）使所述钢焊接熔池（90）增长以进一步穿透到所述叠层（10）中。可以通过将所述激光光束（24）的焦点（62）移动接近所述顶部表面（20）或通过减小所述激光光束（24）的入射角（82）以便减小所述激光光束（24）的所述投射截面区域（86）的偏心率来实现所述激光光束（24）的辐照度的增大。

Description

激光点焊镀层钢的方法

技术领域

本公开的技术领域大体涉及激光焊接，并且更具体地，涉及将两个或更多个交叠的钢工件激光点焊到一起的方法。

背景技术

激光点焊是一种金属连接工艺，在该工艺中使激光光束指向金属工件叠层以提供能够在交叠的成分金属工件之间产生焊接接头的集中能量源。总体上讲，首先使两个或更多个金属工件对准并相对彼此堆叠使得它们的接合面交叠并面对以建立延伸穿过预期的焊接位点的一个接合界面（或多个接合界面）。然后使激光光束指向焊接位点处的工件叠层的顶部表面并照射所述顶部表面。由从激光光束吸收的能量产生的热开始熔化金属工件并且在工件叠层中形成焊接熔池。并且，如果激光光束的能量密度足够高，则在激光光束正下方产生匙孔并且所述匙孔被焊接熔池包围。匙孔是源自金属工件叠层中的金属工件的汽化金属柱，该金属柱可能包括等离子体。

激光光束照射工件叠层的顶部表面后就立即形成焊接熔池。形成以后，焊接熔池就随着激光光束继续将能量传递给工件叠层而增长。焊接熔池最终增长到穿透被激光光束照射的金属工件并且进入下面的一件或多件金属工件直到与所建立的接合界面中的每一个相交的深度。焊接熔池的大体形状和穿透深度可以通过控制激光光束的多个特点（包括其功率和焦点位置）来控制。当焊接熔池已经稳定并且达到工件叠层中的期望穿透深度时，停止激光光束的传输使得其不再照射焊接位点处的顶部表面。焊接熔池迅速冷却并凝固（并且如果存在匙孔，则匙孔塌缩）以形成由再凝固的源自焊接熔池所穿透的每个工件的复合工件材料组成的激光点焊接头。所述点焊接头的再凝固的复合工件材料在焊接位点处将交叠的工件自体熔焊到一起。

汽车工业对使用激光焊接来制造可以安装在车辆上的零件感兴趣。在一示例中，车门本体可以由通过多个激光焊缝结合到一起内门板和外门板制造而成。首先使所述内门板和外门板相对彼此堆叠并通过夹具固定在合适位置。然后根据编程顺序按顺序地使激光光束指向堆叠板周围的多个焊接位点以形成多个如之前所描述的激光点焊接头。激光点焊内门板和外门板（以及其它车辆零件部件，比如用于生产引擎盖、后备箱盖、车体结构（比如车体侧面和横梁）、承重结构构件等的部件）的过程通常是可以迅速且高效地实施的自动过程。前述的期望用激光点焊焊接金属工件并不是汽车工业特有的；实际上，可能使用激光焊接作为结合工艺的其它产业都有这种期望，包括航空、航海、铁路和建筑建造产业等。

使用激光点焊来使经常用于制造业的镀层的金属工件结合到一起可能提出挑战。例如，钢工件经常包括薄的锌基表面镀层以用于防腐。锌具有大约为906℃的沸点，而其涂镀的基体钢基底的熔点通常大于1300℃。因此，当包括外部锌基镀层的钢工件被激光点焊时，在钢工件的表面处容易产生高压锌蒸汽并且锌蒸汽具有干扰激光焊接过程的倾向。尤其是，在钢工件的接合界面处产生的锌蒸汽被迫扩散到由激光光束形成的焊接熔池中并穿过焊接熔池，除非提供穿过工件叠层的另一逸散出口。当没有提供足够的逸散出口时，当焊接熔池冷却并凝固的时候锌蒸汽可能被截留在焊接熔池中，这可能导致得到的焊接接头中的缺陷——比如飞溅和气孔——这些缺陷可能使激光点焊接头的机械性能降低到使接头被认为不合格的程度。

为了防止高压锌蒸汽扩散到焊接熔池中，常规的制造程序要求在执行激光点焊之前在存在锌基镀层的每个接合界面处对两个工件中的至少一个进行激光光刻或机械锪窝。所述激光光刻或机械锪窝过程在被如此处理的每个钢工件的接合表面上形成分隔开的凸出特征。因此，当在工件叠层中堆叠被光刻/锪窝的钢工件时，所述凸出特征在其上形成有所述凸出特征的接合表面和邻近的钢工件的面对的表面之间强加大约0.1-0.2毫米的间隙，这提供了逸散路径以沿着所建立的接合界面引导锌蒸汽使其远离焊接位点。但是，这些凸出特征的形成向整个激光点焊过程增加的额外的步骤并且被认为是造成焊接接头咬边的原因之一。

除了那些包括锌的镀层外，因为性能相关的原因用于制造业的钢工件还可以包括其它类型的表面镀层。仅举几个额外的例子，其它著名的表面镀层包括铝基镀层，比如铝、铝硅合金或铝镁合金。与锌不同，这些表面镀层在低于钢的熔点的温度下不沸腾，所以它们不大可能在工件叠层的接合界面处产生高压蒸汽。尽管存在这个事实，但是这些表面镀层可能熔化并且在焊接位点处被焊接熔池捕获。这种不相干的熔化材料进入焊接熔池中可能导致可能降低激光点焊接头的机械性能的多种焊接缺陷。举例来说，熔化的铝或铝合金（例如，AlSi或AlMg合金）可以稀释焊接熔池的钢含量进而在焊接接头中形成脆的Fe-Al金属间相，并且不利地影响焊接熔池的冷却行为。因此，本领域希望得到的是，可以将两个或更多个钢工件——其中的至少一个包括表面镀层（即，不被认为是“裸”钢）——激光点焊到一起并且该激光点焊减少了源自表面镀层的焊接缺陷在激光点焊接头中累积并不利地影响其强度的可能性。

发明内容

公开了一种激光点焊包括交叠的钢工件的工件叠层的方法。所述工件叠层包括两个或更多个钢工件，并且那些钢工件中的至少一个（以及可能所有的钢工件）包括表面镀层。所述表面镀层可以由锌或铝基材料（比如铝、铝硅合金或铝镁合金）组成，并且优选地具有位于3 μm到30 μm范围内的厚度。尽管可以因为多种原因将这些表面镀层中的任何一种添加到底部的基体钢基底——原因包括用于改进防腐、增大强度和/或改进成形性，但不限于此——但是它们的存在可能是激光点焊接头中的焊接缺陷的来源。所公开的激光点焊方法最小化表面镀层可能对激光点焊接头的影响而不要求——不过当然也不禁止——实施校正程序，例如在镀锌的钢的情况下，通过激光光刻或机械锪窝的方法在存在锌镀层的接合界面处的钢工件之间有意强加间隙。

首先，所述激光点焊方法包含提供包括两个或更多个交叠的钢工件（例如，两个或三个交叠的钢工件）的工件叠层。钢工件叠加在彼此上使得在每一对邻近的交叠的钢工件的接合表面之间形成接合界面。例如，在一实施例中，工件叠层包括分别具有第一和第二接合表面的第一和第二钢工件，所述第一和第二接合表面彼此交叠并面对以建立单个接合界面。在另一实施例中，工件叠层包括位于所述第一和第二钢工件之间的额外的第三钢工件。这样，所述第一和第二钢工件分别具有第一和第二接合表面，所述第一和第二接合表面与所述第三钢工件的相对的接合表面交叠并面对以建立两个接合界面。当存在第三钢工件时，所述第一和第二钢工件可以是独立的不同部件，或，替代地，它们可以是同一部件的不同部分，比如当一个部件的边缘被折叠在另一部件的自由边缘之上时。

在提供工件叠层之后，使激光光束指向在并且照射焊接位点处的工件叠层的顶部表面。当激光光束最初对准所述顶部表面时，激光光束的辐照度具有初始水平。激光光束的该初始辐照度形成穿透到工件叠层中的钢焊接熔池。在形成钢焊接熔池之后的某时刻，将激光光束的辐照度增大到使焊接熔池增长并使其朝着底部表面穿透到工件叠层中的高水平。所述钢焊接熔池在工件叠层中穿透得足够远以至于焊接熔池与建立在所述叠层中的每个接合界面都相交。在一些实施例中，所述钢焊接熔池穿透工件叠层直到第二钢工件中的一定深度，并且在其它实施例中，所述钢焊接熔池一直穿透穿过第二钢工件并因此破坏叠层的底部表面。在钢焊接熔池增长期间增大激光光束的辐照度被认为使钢焊接熔池处于更好的状态以凝固成具有良好的强度和机械性能的激光焊接接头。

可以通过缩减激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域使激光光束的辐照度从其初始水平增大到其高水平。例如，在一实施例中，激光光束的焦点可以相对工件叠层的顶部表面沿其纵向光束轴线移动，使得光束的更聚焦的部分与所述顶部表面的平面相交。作为另一示例，可以减小激光光束的入射角以减小激光光束在顶部表面的平面处的投射截面区域的偏心率。此外，可以控制钢焊接熔池的形成和增长期间的激光光束的辐照度从而以传导焊接模式或匙孔焊接模式操作。在传导焊接模式中，激光光束从其初始辐照度水平到其高辐照度水平的辐照度范围足够低，使得激光光束的能量作为热被传导穿过钢工件以仅形成钢焊接熔池。在匙孔焊接模式中，激光光束从其初始辐照度水平到其高水平的辐照度范围足够高以使钢工件汽化并在激光光束正下方的钢焊接熔池中产生匙孔。

在钢焊接熔池已经穿透到工件叠层中足够远以与接合界面相交之后，在焊接位点处停止激光光束的传输。这可以在不首先改变激光光束的投射截面区域的当前状态下完成，或在其它情况下，这可以在增大激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域之后完成以便减小激光光束的辐照度。一旦停止激光光束的传输，匙孔（如果存在）塌缩并且钢焊接熔池冷却并凝固成由再凝固的源自每个由焊接熔池穿透的钢工件的复合工件材料组成的激光点焊接头。所述再凝固的复合工件材料在焊接位点处将交叠的钢工件自体熔焊到一起。并且，与常规的激光点焊做法不同，根据所公开的方法形成的激光点焊接头包括与激光光束的机理有关的构造，该构造有助于防止一个或多个钢工件的表面镀层不利地影响激光点焊接头的强度。阻止表面镀层促成在激光点焊接头中形成削弱焊接的缺陷这一能力最终产生能在生产环境中持续获得的坚固且耐用的焊接接头。

附图说明

图1是常规的激光焊接装置的一个实施例的示意图，其中，作为在叠层中产生激光点焊接头的激光点焊方法的一部分，激光光束照射包括两个或更多个交叠的钢工件的工件叠层的顶部表面；

图2是激光光学焊接头和图1所示的工件叠层的一部分的示意图；

图3是根据一实施例的在激光点焊期间图1-2所示的工件叠层的剖面侧视图，其中激光光束在所述工件叠层的顶部表面处具有初始辐照度水平；

图4是在激光点焊期间图3所示的工件叠层的剖面侧视图，其中激光光束在叠层的顶部表面处的辐照度已经从其初始水平（图2）增大到高水平，并且其中通过相对所述工件叠层的顶部表面移动激光光束的焦点达到了激光光束的高辐照度水平；

图5是当激光光束的焦点被定位成如图3所示时激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域的平面图；

图6是当激光光束的焦点被定位成如图4所示时激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域的平面图；

图7是在已经停止激光光束的传输并在钢工件之间已经形成激光点焊接头之后图3所示的工件叠层的剖面侧视图；

图8是根据另一实施例的在激光点焊期间图1所示的工件叠层的剖面侧视图，其中激光光束在工件叠层的顶部表面处的具有初始辐照度水平；

图9是在激光点焊期间图8所示的工件叠层的剖面侧视图，其中激光光束在叠层的顶部表面处的辐照度已经从其初始水平（图8）增大到了高水平，并且其中通过减小激光光束的入射角以减小激光光束在顶部表面的平面处的投射截面区域的偏心率达到了激光光束的高辐照度水平；

图10是当激光光束的入射角被设置为如图8所示的那样时激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域的平面图；

图11是当激光光束的入射角被设置为如图9所示的那样时激光光束在工件叠层的顶部表面的平面处的投射截面区域的平面图；

图12是根据一实施例的在激光点焊期间的工件叠层的剖面图，其中激光光束在工件叠层的顶部表面处具有初始辐照度水平，其中该图的视图以和图3所示的相同视角截取，但与建立单个接合界面的两个钢工件不同，此处工件叠层包括建立两个接合界面的三个钢工件；

图13是在激光点焊期间图12所示的工件叠层的剖面侧视图，其中激光光束在叠层的顶部表面处的辐照度已经从其初始水平（图12）增大到高水平；以及

图14是在已经停止激光光束传输并且在钢工件之间已经形成激光点焊接头之后图12所示的工件叠层的剖面侧视图。

具体实施方式

所公开的激光点焊包括两个或更多个交叠的钢工件的工件叠层的方法要求在所形成的钢焊接熔池增长期间增大对准焊接位点处的所述叠层的顶部表面的激光光束的辐照度。可以采用常规的激光焊接装置中的任何一种类型来使激光光束指向所述工件叠层的顶部表面并且增大激光光束的辐照度。此外，可以控制激光光束的辐照度范围从而以传导焊接模式或匙孔焊接模式实施该方法。因此，取决于被结合的钢工件的特点以及期望实施的激光焊接模式，激光光束可以是固态激光器光束或气体激光器光束。可以使用的一些著名的固态激光器是光纤激光器、薄片激光器、二极管激光器和Nd：YAG激光器，并且可以使用的著名的气体激光器是CO₂激光器，尽管当然也可以使用其它类型的激光器，只要它们能够形成钢焊接熔池。

可以在多种工件叠层构造上实施本激光点焊方法。例如，可以将本方法用于包括两个交叠且邻近的钢工件的“2T”工件叠层（图3-4和7），或可以将本方法用于包括三个交叠且邻近的钢工件的“3T”工件叠层（图12-14）。此外，如果期望的话，包括在工件叠层中的几个钢工件可以具有不同的强度和等级，并且在焊接位点处可以具有相似或不相似的厚度。不论所述工件叠层包括两个还是三个交叠的钢工件，都以实质相同的方式实施本激光点焊方法以达到相同的结果。通过调整激光光束的特点（比如，激光光束的功率，在整个点焊过程中激光光束的焦点的定位、激光光束对准焊接位点处的工件叠层的时间或那些特点的一些组合）可以轻易地适应工件叠层构造中的任何差异。

现参照图1-7，示出了激光点焊工件叠层10的方法，其中叠层10包括在焊接位点16处交叠的第一钢工件12和第二钢工件14，使用常规的激光焊接装置18在焊接位点16处实施激光点焊。第一和第二钢工件12、14分别提供工件叠层10的顶部表面20和底部表面22。使工件叠层10的顶部表面20可用于常规的激光焊接装置10并且可由从激光焊接装置18发出的激光光束24接触。并且因为只需要单侧接触来实施常规的激光焊接，因此没有必要使工件叠层10的底部表面22以与顶部表面20相同的方式为激光焊接装置18可用。此外，尽管为了简单的目的在图中只描绘了焊接位点16，但是本领域技术人员应当理解，在遍布整个同一工件叠层的多个不同的焊接位点处都可以实施根据所公开的点焊方法的激光焊接。

如图1-4所示，工件叠层10可以只包括第一和第二钢工件12、14。在这些情况下，并如图3最佳所示，第一钢工件12包括外部外表面26和第一接合表面28，并且第二钢工件14包括外部外表面30和第二接合表面32。第一钢工件12的外部外表面26提供工件叠层10的顶部表面20并且第二钢工件14的外部外表面30提供叠层10的面向相反方向的底部表面22。并且，由于两个钢工件12、14都是存在于工件叠层10中的仅有的工件，所以第一和第二钢工件12、14的第一和第二接合表面28、32交叠并面对以建立延伸穿过焊接位点16的接合界面34。在其它实施例中，结合图12-14在下文描述了其中一个实施例，工件叠层10可以包括安置在第一和第二钢工件12、14之间的额外的钢工件以提供具有三个钢工件而非两个的叠层10。

在本公开中广泛使用了术语“接合界面”并且其意图为包含面对的第一和第二接合表面28、32之间的各种不同的交叠关系，这种交叠关系可以适应激光点焊的实施。举例来讲，接合表面28、32可以通过直接或间接接触建立接合界面34。接合表面28、32在它们物理上邻接并且不被单独的介于中间的材料层或落到正常组装公差范围之外的间隙分开时彼此直接接触。接合表面28、32在它们被单独的介于中间的材料层分开——并且因此不经历直接接触特有的那种面间邻接——但足够靠近以至于能够实施激光焊接时间接接触。作为另一个示例，接合表面28、32可以通过被有目的地强加的间隙分开而建立接合界面34。通过借助激光光刻、机械锪窝或其它方式在接合表面28、32中的一者或两者上形成凸出特征可以在接合表面28、32之间强加这种间隙。凸出特征在接合表面28、32之间保持断断续续的接触点，这些接触点保持接合表面28、32在接触点外侧和周围分隔开高达1.0 mm且优选地0.2mm和0.8 mm之间。

如图3最佳所示，第一钢工件12包括第一基体钢基底36并且第二钢基底14包括第二基体钢基底38。基体钢基底36、38中的每一个可以是镀层的或没有镀层的（即，裸的），并且可以分别地由很多种钢中的任何一种组成，这些钢包括低碳钢（也常被称为软钢）、间质自由（IF）钢、焙烧硬化钢、高强度低合金（HSLA）钢、双相（DP）钢，多相复合（CP）钢、马氏体（MART）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢、孪晶诱导塑性（TWIP）钢和冲压硬化钢（PHS）。此外，可以处理第一和第二基体钢基底36、38中的每一个以获得特定的一组机械性能，包括使其经受热处理过程，比如退火、淬火和/或回火。可以热轧或冷轧第一和第二钢工件12、14（不论有镀层还是没有镀层）到它们最终厚度，并且可以预制造第一和第二钢工件12、14（不论有镀层还是没有镀层）以使其具有适合于组装到工件叠层10中的特定轮廓。

第一和第二钢工件12、14中的至少一个（并且优选地两者）包括覆盖基体钢基底36、38的表面镀层40。如图3所示，第一和第二基体钢基底36、38中的每一个都镀有表面镀层40，继而镀层40为钢工件12、14提供它们相应的外部外表面26、30和它们相应的接合表面28、32。施加到基体钢基底36、38中的一者或两者的表面镀层40优选地是锌基材料或铝基材料。锌基材料的一些示例包括锌或锌合金。铝基材料的一些示例包括元素铝、铝硅合金和铝镁合金。可以通过热浸电镀锌、电镀锌或镀锌扩散处理来施加锌基材料的镀层，通常达2 μm到16 μm的厚度，并且可以通过浸镀施加铝基材料的镀层，通常达2 μm到10 μm的厚度，尽管可以采用其它的镀层工艺和所获得的镀层厚度。考虑到基体钢基底36、38的厚度和它们的任选的表面镀层40，第一和第二钢工件12、14至少在焊接位点16处具有优选地范围为0.4mm到4.0 mm，且更窄地从0.5 mm到2.0 mm的厚度120、140。第一和第二钢工件12、14的厚度120、140可以是相同的或与彼此不同。

现参照图1-2，常规的激光焊接装置18包括激光光学头42和承载激光光学焊接头42的机械手44。通过光纤光缆48联接到光束发生器46的激光光学焊接头42使激光光束24聚焦并指向工件叠层10的顶部表面20，在本实施例中，顶部表面20是第一钢工件12的外部外表面26。从激光光学焊接头42传输的激光光束24优选地是固态激光器光束，该激光器光束使用电磁光谱的近红外范围（700 nm到1400 nm）中的波长操作并且能够输出0.3 kW到50kW水平的功率。合适的固态激光器光束的一些示例包括光纤激光器光束，盘形激光器光束和直接二极管激光器光束。优选的光纤激光器光束是二极管泵浦激光器光束，其中激光增益介质是掺杂稀土元素（例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等）的光纤。优选的盘形激光器是二极管泵浦激光器光束，其中增益介质是掺杂稀土元素的薄激光晶体盘（例如，掺镱的镱铝石榴石（Yb：YAG）晶体），薄激光晶体盘镀有反射表面并且安装到散热器。并且优选的直接二极管激光器是从多个二极管得到的组合式激光器光束（例如，组合的波长），这些二极管中增益介质是半导体，比如基于铝砷化镓（AlGaAs）或砷化镓铟（InGaAs）的那些半导体。

如图2所示，激光光学焊接头42包括容纳准直透镜52和聚焦透镜54的主体50。光纤光缆48的端部56接收在主体50中并且传递起源于激光光束发生器46中的发散的锥形激光光束58，在激光光束发生器46中存在一种或多种增益介质连同其它相关的激光部件。发散的锥形激光光束58穿过准直透镜52以将发散的光束58转变成具有恒定光束直径的准直的激光光束60。准直透镜52可以是曲面透镜，比如抛物面透镜或球面透镜。接下来，准直的激光光束60穿过可以像准直透镜52一样也是曲面的聚焦透镜54以将准直的激光光束60聚焦成激光光束24，激光光束24离开激光光学焊接头42并照射工件叠层10的顶部表面20。聚焦透镜54将激光光束24会聚到焦点62，焦点62优选地具有范围为0.1 mm到8 mm的直径和范围为50 mm到350 mm的焦距64。如此处图1所示，激光光束24的焦距64是聚焦透镜54的外侧出射表面和激光光束24的焦点62之间的距离。

激光光束24离开聚焦透镜54和激光光学焊接头42并且沿着与聚焦透镜54的轴线68同轴的纵向光束轴线66向前传播。当激光光学焊接头42是运行的并且激光光束24对准工件叠层10上的时候，可以启动设置在焊接头42中的冷却功能以有助于确保准直透镜52和聚焦透镜54不过热。激光光学焊接头42还可以包括具有沿聚焦透镜54的轴线68向下的视线的视觉监测设备（未示出）以及其它相关的部件和设备。图1-2示意性示出和上文所描述的激光光学焊接头42以及其它没有特别提到的设计变化可在市场上从多种来源买到。用于和常规的激光焊接装置18一起使用的一些激光光学头和相关的激光系统设备的著名的供应商包括HIGHYAG（克莱因马赫诺（Kleinmachnow），德国）和TRUMPF公司（康涅狄格州，美国）。

可操作机械手44以在工件叠层10的顶部表面20上方的三维空间中移动激光光学焊接头42以便根据需要将激光光学焊接头42定位成使激光光束对准焊接位点16。尤其是，机械手44包括机械手臂70和基座72。机械手臂70的一个端部74连接到基座72并且臂70的相对的自由端部包括安装特征部78，安装特征部78连接到激光光学焊接头42并支撑激光光学焊接头42。基座72和机械手臂70用旋转连接、转环连接、铰链连接和/或其它类型的连接构造以允许激光光学焊接头42在计算机实施的控制系统的帮助下相对工件叠层10在三维空间中精确且可编程的移动。如此处可应用于所公开的激光点焊方法并且将在下文进一步描述的那样，机械手44能够移动激光光学焊接头42以（1）调整激光光束24的焦点62和工件叠层10的顶部表面20之间的距离，并且（2）以调整激光光束24相对工件叠层10的入射角。

在激光点焊方法的一个优选实施例中，如图1-7所示，常规的激光焊接装置18用于在第一和第二钢工件12、14之间形成激光点焊接头80（图7）。首先，并且现参照图1-4，机械手44将激光光学焊接头42定位在焊接位点16附近的工件叠层10的顶部表面20的上方。一旦定位，使激光光束24以入射角82指向并且照射焊接位点16处的顶部表面20。入射角82是激光光束24的纵向光束轴线66与垂直于焊接位点16处的顶部表面20的线性方向偏离的角度。通常地，入射角82的范围可以是从0°（即，激光光束24的纵向光束轴线66垂直于顶部表面20）到沿任一方向与垂直方向成45°，并且可以通过控制或指示机械手44将聚焦透镜54的轴线68定向成与工件叠层10的顶部表面20以相同的角度对准来实现上述入射角，前提是聚焦透镜54的轴线68与激光光束24的纵向光束轴线66同轴。此处，在图2-4中所描绘的实施例中，且入射角82是0°。

激光光束24具有辐照度——也被称为强度或功率密度——，辐照度由激光光束24的功率除以激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86确定（图5-6）。当它最初照射工件叠层10的顶部表面20时，激光光束24的辐照度具有足以形成穿透到叠层10中的钢焊接熔池90的初始水平，如图3和5所示。当激光光束24的辐照度处于其初始水平时，钢焊接熔池90可以部分地穿透第一钢工件12，并因此不与接合界面34相交，或它可能与接合界面34相交并且穿透到第二钢工件14中。激光光束24的辐照度的初始水平可以基于第一和第二钢工件12、14的成分和厚度120、140变化，但是，在许多情况下，初始水平的范围是从500 W/cm²到1.0×10⁶ W/cm²，或更窄地，从1.0×10³ W/cm²到1.0×10⁶ W/cm²。

通过协调激光光束24的功率水平和激光光束24的焦点62相对工件叠层10的顶部表面20的定位可以实现激光光束24的初始辐照度水平的建立。尤其是，在本实施例中，将激光光束24的功率水平设置到0.5 kW和50 kW之间，或更窄地到2.0 kW和6.0 kW之间，并且激光光束24的焦点62被定位成沿纵向光束轴线66相对工件叠层10的顶部表面20在距离92处，距离92的范围在-300 mm和300 mm之间或更窄地在-60 mm和60 mm之间。此处，在图3中，焦点62定位在顶部表面20上方，并且因此距离92是正值。当然焦点62可以定位成低于顶部表面20，并且甚至低于底部表面22，在这种情况下，距离92将是负值。此外，由于在本实施例中激光光束24的入射角82是0°，因此激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86本质上是圆形，如图5所示。因此，将激光光束24的焦点62朝向或远离工件叠层10的顶部表面20移动分别具有减小或增大组成激光光束24的投射截面区域86的圆的面积的效果。

在形成钢焊接熔池90之后，使激光光束24的辐照度增大到高水平以增长熔池90并且使其朝着底部表面22进一步穿透到工件叠层10中，如图4和6所示。这包括通过在朝着顶部表面20的传播方向上沿纵向光束轴线66向前（如果距离92为正）或与所述传播方向相反地沿着纵向轴线66向后（如果距离92为负）移动激光光束24的焦点62来减小激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86。激光光束24的高辐照度水平确保钢焊接熔池90在工件叠层10中穿透得足够远以至于钢焊接熔池90与接合界面34相交。例如，钢焊接熔池90可以穿透到第二钢工件14中的其接合表面和外部外表面32、30之间的深度。在其它情况下，钢焊接熔池90一直穿透穿过第二钢工件14使得熔池90破坏工件叠层10的底部表面22（以及表面30）。

激光光束24的焦点62可以沿其纵向光束轴线66向前或向后移动以将焦点62和工件叠层10的顶部表面20之间的距离92缩短到-280 mm和280 mm之间，或更窄地，到-50 mm和50 mm之间。优选地，激光光束24的功率水平在那个时候保持恒定。替代地，激光光束24的功率水平可以在焦点62的移动期间增大以便提高辐照度增益。更进一步，激光光束24的功率水平甚至可以在焦点62的移动期间减小，只要功率水平的减小不完全抵消通过焦点62的移动所获得的辐照度增益。尽管辐照度的高水平可以基于第一和第二钢工件12、14的成分和厚度变化（就像初始辐照度水平），但是激光光束24的高辐照度水平的范围通常是从1000W/cm²到1.0×10⁹ W/cm²，或更窄地，从1.0×10³ W/cm²到1.0×10⁸ W/cm²。

在激光光束24的辐照度水平增大期间，可以在熔池90内部产生或不产生匙孔的情况下实施钢焊接熔池90的增长。例如，如图4所示，如果激光光束24的辐照度在其初始水平和高水平之间的任一点处足够大以汽化钢工件12、14，那么在钢焊接熔池90中激光光束24正下方产生匙孔94。匙孔94有助于钢焊接熔池90的深且窄穿透的汽化钢柱。实际上，当存在匙孔94时，工件叠层10的顶部表面20处的钢焊接熔池90的宽度通常小于熔池90穿透到叠层10中的距离。替代地，如果激光光束24的辐照度在其初始水平和高水平之间不是大到足以汽化钢工件12、14，那么将不产生匙孔94。在这些情况下，来自激光光束24的热由传导扩散，这通常导致工件叠层10的顶部表面处的焊接熔池90的宽度大于熔池90穿透到叠层10中的距离。尽管产生匙孔94所需的确切的辐照度可能基于工件叠层10的组成而变化，但总体上，当激光光束24在顶部表面20的平面88处的辐照度超过1.0×10⁶ W/cm²时产生匙孔94。

一旦钢焊接熔池90已经完全增长并且如所期望的那样穿透工件叠层10，在焊接位点16处停止激光光束24的传输，如图7所示。可以停止激光光束24的传输而无需首先改变激光光束24在顶部表面20的平面88处的投射截面区域86；也就是说，当激光光束24已经达到其高辐照度水平时所得到的投射截面区域86被一直保持直到停止激光光束24的传输。例如，当工件叠层10是2T叠层时，可以实施这样的做法。在另一实施例中，可以增大激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86以便减小激光光束24的辐照度，紧接着再停止激光光束24的传输。这可以通过沿纵向轴线66向前（如果距离92为负）或向后（如果距离92为正）移动激光光束24的焦点62延长焦点62和工件叠层10的顶部表面20之间的距离来完成。通过这样做，在停止激光光束24的传输之前，使激光光束24的辐照度优选地减小到其高辐照度水平和其初始水平之间的某处。例如，当工件叠层10是3T叠层或当工件叠层是具有总厚度大于2 mm的2T叠层时，可以实施增大激光光束24的投射截面区域86的做法。

当停止激光光束24的传输时，匙孔94（如果存在）塌缩并且钢焊接熔池90冷却并凝固成激光点焊接头80，激光点焊接头80由再凝固的源自第一和第二钢工件12、14中每一个的复合钢材料组成。激光点焊接头80的再凝固的复合钢材料与两个交叠的钢工件12、14的接合界面34相交，并且在焊接位点16处将工件12、14自体熔焊到一起。此外，由于在所公开的激光点焊方法期间发生激光光束24的辐照度的增大，所以激光点焊接头80不太易于被包括在钢工件12、14中的一者或两者中的表面镀层40负面地影响。实际上，将激光光束24的辐照度从初始水平增大到高水平同时缩减激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86被认为提升了焊接接头80中的良好强度。

不被理论所约束，增大激光光束24的辐照度被认为有助于破坏包括在第一或第二钢工件12、14中的至少一者中的表面镀层40，使得源自镀层40的焊接缺陷变少。举例来讲，如果钢工件12、14中的一者或两者包括锌基表面镀层，则激光光束24的初始低辐照度水平可能在激光点焊过程的早期就将锌灼烧和/或氧化成高熔化温度的氧化锌，从而限制可能汽化并裹挟在熔池90中的锌的量。此外，由于可以通过调整激光光束24的辐照度来有效解决与锌蒸汽相关的问题，因此不再需要在钢工件12、14的接合表面28、32中的任何一个上形成凸出特征（通过激光光刻、机械锪孔等）以便在激光点焊接头80中获得良好强度。类似地，如果钢工件12、14中的一者或两者包括铝基表面镀层，则初始低辐照度水平可能在激光点焊过程的早期就熔化或破坏铝基表面镀层，这可能导致熔池90中较少的铝或铝合金污染。

上述实施例组成了一种通过缩减激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86来增大激光光束24的辐照度的方法。当然，存在其它的方法来达到相同的目标。在图8-11中示例性地示出了另一个这样的实施例。由于上文对第一和第二钢工件12、14以及常规的激光焊接装置18的讨论可同等地应用于此并且没有必要重复，因此下文的讨论只集中在激光光束24上以及在焊接接头80的形成期间激光光束24如何与工件叠层10相关联。当然，像之前一样，通过在工件叠层10的顶部表面20上方的空间中移动激光光学焊接头42可以实现图8-11中所详述的以及下文所描述的激光光束24的移动。

在所公开的激光点焊方法的另一实施例中，通过调节激光光束24的入射角82增大激光光束24的辐照度。特别地，当激光光束24最初对准焊接位点16上时，通过将激光光束24的入射角82设置到1°和45°之间（或更窄地，到2°和20°之间）的任何角度来建立激光光束24的初始辐照度水平，如图8和10所示。同时，激光光束24的焦点62可以定位成沿纵向光束轴线66相对工件叠层10的顶部表面20在距离92处，距离92的范围在-300 mm和300 mm之间，或更窄地，在-60 mm和60 mm之间。使激光光束24的纵向光束轴线66相对顶部表面20倾斜而使投射截面区域86呈椭圆形。因此投射截面区域86具有彼此垂直并在椭圆截面区域86的中心处相交的长径96和短径98（图10）。并且，由于此时投射截面区域86是椭圆的，所以投射截面区域86具有代表所述椭圆形与圆偏离程度的偏心率（ε）。具体来讲，椭圆的偏心率的范围是从0（圆）到0和1之间的值，其中长径96与短径98的比的增大导致偏心率的增大，并且反之亦然。

与之前一样，在激光光束24以其初始辐照度水平对准工件叠层10的顶部表面20上并且已经形成钢焊接熔池90之后，使激光光束24的辐照度增大到其高水平以增长熔池90并且使熔池90进一步朝着底部表面22穿透到工件叠层10中。参照图9和11，通过减小激光光束24的入射角82来增大激光光束24的辐照度，这继而减少激光光束24在顶部表面20的平面88处的投射截面区域86的偏心率；也就是说，使激光光束24的纵向光束轴线66更接近垂直位置以减小激光光束24的椭圆形的投射截面区域86的长径96与短径98的比，从而使投射截面区域86不那么椭圆并且更圆。为了建立激光光束24的高辐照度水平，激光光束24的入射角82可以设置成0°和30°之间的任何值，或更窄地，设置成0°和20°之间的任何值。

此外，如上所述，为了在实现高辐照度水平期间进一步缩减激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86，可以移动激光光束24的焦点62以缩短焦点62和工件叠层10的顶部表面20之间的距离92。也就是说，激光光束24的焦点62可以在传播方向上沿其纵向光束轴线66向前（如果距离92为正）或与传播方向相反地沿纵向光束轴线66向后（如果距离92为负）移动。举例来说，在减小激光光束24的入射角82之前或期间或之后，可以将距离92缩短到-280 mm和280 mm之间，或更窄地，到-50 mm和50 mm之间。当然，像之前一样，在减小激光光束24的入射角82和焦点62的任选移动期间，激光光束24的功率水平可以保持恒定，或可以增大或减小激光光束24的功率水平（只要功率水平的降低不完全抵消通过入射角82的减小和焦点62的任选移动所获得的辐照度增益）。

一旦钢焊接熔池90已经完全增长并且如期望的那样穿透工件叠层10，则以如之前参考图7在上文所列举的大体相同的方式在焊接位点16处停止激光光束24的传输。再次重申，可以停止激光光束24的传输而无需首先改变激光光束24在顶部表面20的平面88处的投射截面区域86，或替代地，可以增大激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86以减小激光光束24的辐照度。此处，在本实施例中，激光光束24的投射截面区域86的增大可以通过增大激光光束24的入射角82来完成，这继而增大激光光束24在顶部表面20的平面88处的投射截面区域86的偏心率。如果实施这样的技术，则像之前一样，在停止激光光束24的传输之前优选地将激光光束24的辐照度降低到其高辐照度水平和其初始辐照度水平之间的某处。

图1-11在工件叠层10是“2T”叠层的背景下示出了上文所描述的实施例，“2T”叠层只包括具有单个接合界面34的第一和第二钢工件12、14。然而，当工件叠层10是包括在第一和第二钢工件12、14之间交叠且定位的额外的第三钢工件100的“3T”叠层时，也可以实施所公开的激光点焊方法的相同实施例，如图12-14所描绘的那样。实际上，不论工件叠层10是2T还是3T，不必将激光点焊方法修改那么多来形成激光点焊接头80。并且，在每种情况下，尽管事实是钢工件中的至少一个（以及有时所有的）包括由锌基材料或铝基材料组成的表面镀层40，激光点焊接头80还是可以达到良好品质的强度性能。

现参照图12-13，额外的第三钢工件100（如果存在）包括可能是裸的或镀有与上文所述的相同表面镀层40的第三基体钢基底102。当工件叠层10包括第一、第二和第三交叠的钢工件12、14、100时，工件12、14、100中的至少一个的基体钢基底36、38、102(并且优选地它们中的所有都)包括表面镀层40。对于第三基体钢基底102的特点（例如，成分、厚度等）来讲，上文关于第一和第二基体钢基底36、38的描述也可同样适用于基底102。但应当注意的是，尽管同样的大体描述适用于几个钢工件12、14、100，但是不要求钢工件12、14、100彼此相同。在许多情况下，第一、第二和第三钢工件12、14、100在某个方面与彼此不同，不论是成分、厚度和/或形式。

作为以交叠的方式堆叠第一、第二和第三钢工件12、14、100以提供工件叠层10的结果，第三钢工件92具有两个接合表面104、106。接合表面中的一个104与第一钢工件12的第一接合表面28交叠并面对，并且另一接合表面106与第二钢工件14的第二接合表面32交叠并面对，因此在工件叠层10中建立两个延伸穿过焊接位点16的接合界面108、110。这些接合界面108、110是相同的类型并且包含和参照图3-4已经描述的接合界面34相同属性。因此，在本文所描述的实施例中，侧面的第一和第二钢工件12、14的外表面26、30仍然在相反的方向上背对彼此并且构成工件叠层10的顶部和底部表面20、22。

当工件叠层10包括第一、第二和第三钢工件12、14、100时，通过使激光光束24指向工件叠层10使得激光光束24 照射焊接位点16处的顶部表面20来实施形成钢焊接熔池90和任选地产生熔池90中的匙孔94，如图12所示。如前所述，然后通过减小激光光束24在工件叠层10的顶部表面20的平面88处的投射截面区域86使工件叠层10的顶部表面20处的激光光束24的辐照度从初始水平增大到高水平，如图13所示。这可以包括相对顶部表面20移动激光光束24的焦点62以缩短焦点62和顶部表面20之间的距离92和/或减小激光光束24的入射角82以减小激光光束24的投射截面区域86的椭圆本质的偏心率。在激光光束24的辐照度的增大已经使钢焊接熔池90增长到期望的大小和期望的穿透深度之后，在焊接位点16处停止激光光束的传输，并且从钢焊接熔池90获得激光点焊接头80，如图14所示。

上文对优选的示例性实施例和具体示例的描述本质上只是描述性的；它们不意图为限制接下来的权利要求的范围。除非在说明书中特别地且清楚地声明，否则在所附的权利要求中所使用的每一个术语应当具有其普通和通常的含义。

Claims (20)

1.一种激光点焊交叠的钢工件的方法，所述方法包括：

提供包括交叠的钢工件的工件叠层，所述工件叠层至少包括第一钢工件和第二钢工件，所述第一钢提供所述工件叠层的顶部表面并且所述第二钢工件提供所述工件叠层的底部表面，其中在所述工件叠层中的每对邻近的交叠的钢工件之间建立接合界面，并且其中所述工件叠层中的所述钢工件中的至少一个包括由锌基材料或铝基材料组成的表面镀层；

使激光光束指向所述工件叠层的所述顶部表面，所述激光光束在位于所述顶部表面的平面处的投射截面区域上照射所述顶部表面并且形成钢焊接熔池，所述钢焊接熔池从所述顶部表面朝着所述底部表面穿透到所述工件叠层中；

通过缩减所述激光光束在所述工件叠层的所述顶部表面的所述平面处的所述投射截面区域使所述激光光束在所述工件叠层的所述顶部表面处的辐照度从初始水平增大到高水平，辐照度从所述初始水平到所述高水平的所述增大使所述钢焊接熔池增长并且朝着所述底部表面进一步穿透到所述工件叠层中；以及

停止所述激光光束的传输以允许所述钢焊接熔池凝固成由再凝固的复合钢材料组成的激光点焊接头，所述再凝固的复合钢材料源自所述工件叠层中的每个所述钢工件，所述激光点焊接头的所述再凝固的复合钢材料与所述工件叠层中的所述接合界面中的每一个相交以将所述钢工件熔焊到一起。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一钢工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二钢工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一钢工件的所述外部外表面提供所述工件叠层的所述顶部表面，并且所述第二钢工件的所述外部外表面提供所述工件叠层的所述底部表面，并且其中所述第一和第二钢工件的所述第一和第二接合表面彼此交叠并面对以建立接合界面。

3.如权利要求1所述方法，其中所述第一钢工件具有外部外表面和第一接合表面，并且所述第二钢工件具有外部外表面和第二接合表面，所述第一钢工件的所述外部外表面提供所述工件叠层的所述顶部表面并且所述第二钢工件的所述外部外表面提供所述工件叠层的所述底部表面，并且其中所述工件叠层包括位于所述第一和第二钢工件之间的额外的第三钢工件，所述第三钢工件具有相对的接合表面，所述相对的接合表面中的一个与所述第一钢工件的所述第一接合表面交叠并面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钢工件的所述第二接合表面交叠并面对以建立第二接合界面。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述工件叠层中的所述钢工件中的每一个包括由锌基材料或铝基材料组成的表面镀层。

5.如权利要求1所述的方法，其中当将所述激光光束的辐照度从初始水平增大到高水平时在所述钢焊接熔池中产生匙孔。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述激光光束的所述初始辐照度水平的范围是从500W/m²到1.0×10⁶ W/m²，并且其中所述激光光束的所述高辐照度水平的范围是从1000 W/m²到1.0×10⁹ W/m²。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述激光光束沿着纵向光束轴线朝着所述顶部表面传播并且还包括定位成沿所述纵向光束轴线相对所述顶部表面在一定距离处的焦点，并且其中增大所述激光光束在所述工件叠层的所述顶部表面处的辐照度包括沿着所述纵向光束轴线移动所述激光光束的焦点以便缩短所述焦点和所述工件叠层的所述顶部表面之间的距离。

8.如权利要求7所述的方法，其中使所述激光光束的焦点和所述工件叠层的所述顶部表面之间的沿所述纵向光束轴线的距离从在-300 mm到300 mm之间减小到在-280 mm到280mm之间。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述激光光束以一定的入射角沿纵向光束轴线朝着所述顶部表面传播到所述工件叠层的所述顶部表面，由此使所述激光光束在所述顶部表面的平面处的投射截面区域呈椭圆形形状，并且其中增大所述激光光束在所述工件叠层的所述顶部表面处的辐照度包括减小所述激光光束的入射角以便减小所述激光光束在所述顶部表面的平面处的投射截面区域的偏心率。

10.如权利要求9所述的方法，其中使所述激光光束的入射角从在1°和45°之间减小到在0°和30°之间。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述激光光束的辐照度从所述初始水平到所述高水平的增大使所述钢焊接熔池增长，使得所述钢焊接熔池一直穿透穿过第二钢工件并且破坏所述工件叠层的所述底部表面。

12.如权利要求1所述的方法，其中使所述激光光束指向所述工件叠层的所述顶部表面包括从激光光学焊接头发射所述激光光束，所述激光光学焊接头定位在所述工件叠层的所述顶部表面上方，所述激光光学焊接头包括聚焦透镜，所述激光光束从所述聚焦透镜沿纵向光束轴线朝着所述工件叠层的所述顶部表面向前传播，所述聚焦透镜使所述激光光束会聚到所述纵向光束轴线上的焦点，所述焦点具有在50 mm和350 mm之间的焦距，并且其中所述聚焦透镜的透镜轴线与所述激光光束的所述纵向光束轴线同轴。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述激光光束是固态激光器光束。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述工件叠层中的所述钢工件全都没有在接合界面处形成刻痕或被机械锪孔。

15.一种激光焊接交叠的钢工件的方法，所述方法包括：

提供包括交叠的钢工件的工件叠层，所述工件叠层至少包括第一钢工件和第二钢工件，所述第一钢工件提供所述工件叠层的顶部表面并且所述第二钢工件提供所述工件叠层的底部表面，其中在所述工件叠层中的每对邻近的交叠的钢工件之间建立接合界面，并且其中所述工件叠层中的所述钢工件中的至少一个包括由锌基材料或铝基材料组成的表面镀层；

将激光光学焊接头定位成使固态激光器光束指向所述工件叠层的所述顶部表面使得所述激光光束照射焊接位点处的所述顶部表面并形成穿透到所述工件叠层中的钢焊接熔池，所述激光光学焊接头包括聚焦透镜，所述固态激光器光束从所述聚焦透镜沿纵向光束轴线朝着所述工件叠层的所述顶部表面向前传播，所述聚焦透镜使所述激光光束会聚到所述纵向光束轴线上的焦点，所述焦点具有在50 mm和350 mm之间的焦距，并且其中所述聚焦透镜的透镜轴线与所述激光光束的所述纵向光束轴线同轴；

通过缩减所述固态激光器光束在所述工件叠层的所述顶部表面的平面处的投射截面区域使所述固态激光器光束在所述工件叠层的所述顶部表面处的辐照度从初始水平增大到高水平，所述辐照度从所述初始水平到所述高水平的增大使所述钢焊接熔池增长并且朝着所述底部表面进一步穿透到所述工件叠层中；以及

停止所述固态激光器光束的传播以允许所述钢焊接熔池凝固成由再凝固的复合钢材料组成的激光点焊接头，所述再凝固的复合钢材料源自所述工件叠层中的每个所述钢工件，所述激光点焊接头的再凝固的复合钢材料与所述工件叠层中的所述接合界面中的每一个相交以将所述钢工件熔焊到一起。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述工件叠层只包括第一和第二钢工件，或其中所述工件叠层还包括安置在所述第一和第二钢工件之间的额外的第三钢工件。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述激光光束的所述初始辐照度水平的范围是从500 W/m²到1.0×10⁶ W/m²，并且其中所述激光光束的所述高辐照度水平的范围是从1000W/m²到1.0×10⁹ W/m²。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述固态激光器光束的焦点定位成相对所述工件叠层的所述顶部表面在一定距离处，并且其中增大所述固态激光器光束的辐照度包括移动所述激光光学焊接头以沿着所述纵向光束轴线移动所述固态激光器光束的所述焦点以便缩短所述焦点和所述工件叠层的所述顶部表面之间的距离。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述固态激光器光束具有使所述固态激光器光束在所述顶部表面的平面处的投射截面区域成椭圆形的入射角，并且其中增大所述固态激光器光束的辐照度包括移动所述激光光学焊接头以减小所述固态激光器光束的入射角以便减小所述激光光束在所述顶部表面的平面处的投射截面区域的偏心率。

20.如权利要求15所述的方法，其中所述激光光束辐照度的所述高水平高于1.0×10⁶ W/m²，并且当使所述激光光束的辐照度从所述初始水平增大到所述高水平时在所述钢焊接熔池中产生匙孔。