CN109070271B - 叠置的铝工件的激光点焊 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接包括至少两个叠置的铝工件的工件堆叠（10）的方法包括使激光束（24）相对于工件堆叠（10）的顶部表面（20）的平面且沿着光束行进图案（74）前进，所述光束行进图案位于由顶部表面（20）的平面上的内径边界（86）和外径边界（84）限定的环形焊接区域（82）内。激光束（24）的光束行进图案（74）围绕由顶部表面（20）的平面上的环形焊接区域（82）环绕的中心区域，以便迫使夹带的孔隙向内至焊接接头（72）的在工件堆叠（10）的顶部表面（20）的平面上的中心区域下方的区域中。

Description

叠置的铝工件的激光点焊

技术领域

本公开的技术领域总体涉及激光焊接，并且更具体地，涉及将两个或更多个叠置的的铝工件激光点焊在一起的方法。

背景

激光点焊是一种金属接合过程，其中，激光束被引导到金属工件堆叠处，以提供能够在叠置的构成金属工件之间实现焊接接头的集中能量源。一般而言，两个或者更多个金属工件首先相对于彼此对准且堆叠，使得其接合面/搭接面叠置且面对面以在预期焊接位置内建立接合界面/搭接界面（或者多个接合界面）。激光束然后被引导到工件堆叠的顶部表面处。从来自激光束的能量的吸收生成的热引起金属工件的熔化，且在工件堆叠内建立熔融焊池。熔融焊池穿入通过由激光束冲击/直射的金属工件，且穿到下层一个或者多个金属工件中至与所建立的接合界面中的每一个相交的深度。而且，如果激光束的功率密度足够高，则小孔在激光束的正下方产生，且被熔融焊池围绕。小孔是源自工件堆叠内的金属工件的气化的金属的柱，其可以包括等离子体。

一旦激光束冲击工件堆叠的顶部表面，激光束就在非常短的时间内创建熔融焊池。在熔融焊池形成且稳定之后，激光束沿着工件堆叠的顶部表面前进，同时跟踪预先确定的焊接路径，这通常涉及以直线或者沿着弯曲路径，诸如圆或“C形”路径，移动激光束。激光束的这种前进使熔融焊池沿着对应路线相对于工件堆叠的顶部表面平移，且紧紧跟随前进的焊池留下熔融工件材料的尾迹。该被穿入的熔融工件材料冷却并凝固以形成包括重新凝固的复合工件材料的焊接接头，其将叠置的工件熔焊在一起。

汽车工业有兴趣使用激光点焊来制造能够安装在车辆上的零件。在一个示例中，车辆车门本体可以从由多个激光焊接接头接合在一起的内车门板和外车门板制作。内车门板和外车门板首先相对于彼此堆叠，且通过夹具紧固就位。激光束然后根据编程的顺序被顺序地引导到围绕堆叠的板的多个焊接位置处，以形成多个激光焊接接头。在其处执行激光点焊的每个焊接位置处，激光束被引导到堆叠的板处且传输短距离，从而以包括例如点焊接头、缝焊接头或者骑缝焊接头的各种构型中的一种产生焊接接头。激光点焊内车门板和外车门板（以及其他车辆零部件，诸如用于制作发动机盖、后备箱盖、结构本体构件等的那些）的过程是典型的自动过程，其能够被迅速且有效地执行。

由于其高的比强度和其改善车辆的燃料经济性的能力，铝工件是用于许多汽车零部件和结构的有吸引力的候选。在许多应用中，需要接合的铝工件包括块铝基板和覆盖基板的保护涂覆层。该保护涂覆层可以是耐高温氧化物涂覆层，当新鲜的铝暴露于大气空气或者一些其他含氧介质时，所述耐高温氧化物涂覆层被动形成。在其他情形中，保护涂覆层可以是包括锌或者锡的金属涂覆层，或者其可以是包括钛、锆、铬或者硅的氧化物的金属氧化物转化涂覆层，如在美国专利申请号US2014/0360986中公开的，所述文献的全部内容通过引用并入本文中。取决于涂覆层的成分，保护涂覆层通过各种机制中的任一种抑制在下层的铝基板的腐蚀，并且还可以提供其他有利的改进。

在激光焊接铝工件中涉及的主要挑战之一是氢气在熔融焊池中的高溶解度。熔融焊池一凝固，溶解的氢气就被困住，从而在焊接接头内导致孔隙，或者其脱气以引起通气孔和飞溅物。除了由在熔融焊池中的氢气溶解度提出的挑战，还认为铝工件中通常包括的保护涂覆层有助于焊接缺陷在焊接接头中的形成。例如，当保护涂覆层是耐高温氧化物涂覆层时，由于其高熔点和机械韧性，所以涂覆层难以分裂和分散。结果，在激光焊接接头中常常发现残留氧化物和微裂纹。在另一示例中，如果保护涂覆层是锌，则涂覆层可以容易气化以产生高压锌蒸气，其可以扩散到且通过熔融焊池，且在焊接接头内导致夹带的孔隙，除非规定从焊接位置放出锌蒸气。在上文中提到的可以构成保护涂覆层的其他材料能够存在类似的问题，其可能影响焊接接头的机械性能以及使得该机械性能降级。

使用激光焊接来将铝工件熔合在一起所引起的独特挑战使许多制造商拒绝激光点焊作为合适的金属接合过程，尽管它有可能带来广泛的益处。代替激光点焊，这些制造商已经转向机械紧固件，诸如自穿孔铆钉或流钻螺钉，以将两个或更多个铝工件接合在一起。然而，与激光焊接接头相比，这样的机械紧固件需要更长的时间放置就位并且具有高的消耗成本。它们还增加了制造复杂性并向制造的零件增加了额外重量 - 该重量在通过自体熔合激光焊接接头实现接合时被避免 - 其抵消了通过使用铝工件首先实现的重量减轻的一些。因此，能够使该过程成为接合铝工件的更可行的选择的激光点焊策略对本领域来说是受欢迎的补充。

发明内容

公开了一种激光点焊工件堆叠的方法，该工件堆叠包括叠置的铝工件。工件堆叠包括两个或更多个铝工件，并且这些铝工件（并且优选地所有铝工件）中的至少一个包括保护表面涂覆层。本公开中使用的术语“铝工件”泛指包括由至少85 wt％的铝构成的基底铝基板的工件。因此，铝工件中的每个可包括由元素铝或各种各样的铝合金中的任一者构成的基底铝基板。此外，覆盖两个或更多个铝工件的基底铝基板中的至少一个的保护表面涂覆层优选地是耐高温氧化物涂覆层，当新鲜的铝暴露于大气空气或一些其他氧源时被动地形成。然而，在替代实施例中，保护表面涂覆层可以是锌涂覆层、锡涂覆层、或金属氧化物转化涂覆层。如果需要，在两个或更多个铝工件中的任何一个或全部中的基底铝基板也可以经受各种回火处理过程，包括退火、应变硬化和固溶热处理。

首先，激光点焊方法涉及提供包括两个或更多个叠置的铝工件的工件堆叠。铝工件叠加在彼此上，使得在每对相邻的叠置的铝工件的接合面之间建立接合界面。例如，在一个实施例中，工件堆叠包括分别具有第一和第二接合面的第一和第二铝工件，所述第一和第二接合面叠置并面对彼此以建立单个接合界面。在另一个实施例中，工件堆叠包括位于第一和第二铝工件之间的额外的第三铝工件。以这种方式，第一和第二铝工件分别具有第一和第二接合面，第一和第二接合面叠置并面对第三铝工件的相对的接合面以建立两个接合界面。当存在第三铝工件时，第一和第二铝工件可以是分开的和不同的零件，或者，替代地，它们可以是同一零件的不同部分，诸如当一个零件的边缘折叠在另一个零件的自由边缘上时。

在提供工件堆叠之后，激光束被引导并冲击工件堆叠的顶部表面以创建熔融铝焊池，该焊池从顶部表面向底部表面穿入工件堆叠中。选择激光束的功率密度以在小孔焊接模式中执行激光焊接方法。在小孔焊接模式中，激光束的功率密度足够高以蒸发铝工件并在激光束正下方在熔融铝焊池内产生小孔。小孔为更深入工件堆叠中的能量吸收提供了导管，其进而有利于熔融铝焊池的更深和更窄的穿入。因此，在小孔焊接模式期间创建的熔融铝焊池通常在工件堆叠的顶部表面处具有小于焊池的穿入深度的宽度。在所公开的激光点焊方法期间，小孔优选地仅部分地穿入工件堆叠；即，小孔从顶部表面延伸到工件堆叠中并且与堆叠内建立的每个接合界面相交，但是不一直延伸通过堆叠到底部表面。

在创建熔融铝焊池和小孔之后，激光束相对于工件堆叠的顶部表面的平面沿着光束行进图案前进。使激光束沿着光束行进图案前进导致小孔和熔融铝焊池沿着与激光束相对于工件堆叠的顶部表面的图案化移动相对应的路线平移。激光束沿着光束行进图案的这种前进紧紧跟随焊池的对应路线和激光束留下熔融铝工件材料的尾迹。熔融铝工件材料的该尾迹快速冷却并凝固成重新凝固的复合铝工件材料，该材料包括来自被熔融铝焊池穿入的每个铝工件的铝材料。从使激光束沿着光束行进图案前进而获得的整体重新凝固的复合铝工件材料提供了点焊接头，其将铝工件自体熔焊在一起。在激光束已完成其沿着光束行进图案的前进之后，通常通过停止发射激光束来从工件堆叠的顶部表面移除激光束。

由激光束跟踪的光束行进图案包括一个或多个焊接路径，其在投影到工件堆叠的顶部表面的平面（x-y平面）上时位于环形焊接区域内。环形焊接区域由外径边界和内径边界限定。激光束的光束行进图案围绕由在顶部表面的平面上的环形焊接区域环绕的中心区域。当投影到顶部表面的平面上时，环形焊接区域能够包括圆形外径边界和圆形内径边界，尽管不同的几何形状当然是可能的。内径边界的直径优选地在从1 mm至12 mm的范围内，并且外径边界的直径优选地在从3 mm至15 mm的范围内。当激光束沿着环形焊接区域内的光束行进图案移动时，它在不冲击在中心区域上的情况下进行。激光束的这种类型的图案化移动迫使夹带的孔隙向内至所得焊接接头的在工件堆叠的顶部表面的平面上的中心区域下方的区域中。向内驱动孔隙继而导致焊接接头具有更好的强度和机械性能，因为位于中心的孔隙比围绕接头的周界定位的孔隙更弱。

构成光束行进图案的一个或多个焊接路径可以相对于工件堆叠的顶部表面的平面呈现各种轮廓中的任一种。例如，一个或多个焊接路径可包括多个径向间隔且不连接的圆形或椭圆形焊接路径（诸如一系列同心圆形焊接路径）。在这种情况下，激光束在多个离散的圆形/椭圆形焊接路径之间跳跃并沿着多个离散的圆形/椭圆形焊接路径前进，以便沿着环形焊接区域内的对应系列的圆形/椭圆形路线平移熔融铝焊池和相关的小孔。此外，在每对相邻的圆形/椭圆形焊接路径上的径向对准点之间的步进尺寸或间隔能够在从0.01mm至0.8 mm的范围内。在一种实施方式中，激光束首先沿着紧邻环形焊接区域的外径边界的圆形/椭圆形焊接路径前进，因此，该圆形/椭圆形焊接路径相对于其他圆形/椭圆形焊接路径是具有最大直径的圆形/椭圆形焊接路径。然后激光束沿着环形焊接区域内的一个或多个连续更小的圆形/椭圆形焊接路径前进，直到最终沿着紧邻环形焊接路径的内径边界的圆形/椭圆形焊接路径前进。

作为另一个示例，一个或多个焊接路径可以包括螺旋焊接路径，该螺旋焊接路径在紧邻环形焊接区域的内径边界的固定内部点附近旋转并且从紧邻环形焊接区域的内径边界的固定内部点到紧邻外径边界的固定外部点径向向外扩展。螺旋焊接路径的各种回转部可以彼此等距地间隔开，或者它们可以以不同的距离间隔开。在跟踪螺旋焊接路径的一个特定示例中，激光束沿着螺旋焊接路径的径向收缩进展前进远离外径边界并朝向内径边界和中心区域，这使熔融铝焊池和相关的小孔沿对应的螺旋路线平移。并且，与之前一样，在螺旋焊接路径的每对相邻的回转部上的径向对准点之间的步进尺寸或间隔大于0.01 mm且小于0.8 mm。

当然，除了圆、椭圆和螺旋之外，光束行进图案的一个或多个焊接路径可以呈现各种其他空间轮廓。例如，一个或多个焊接路径可以是位于环形焊接区域内的轮盘焊接路径。可以采用的一种特定类型的轮盘焊接路径是外旋轮线焊接路径。外旋轮线焊接路径能够表现为重复环的链，其位于外径边界和内径边界之间并且围绕位于工件堆叠的顶部表面上的环形焊接区域内的中心区域。当沿着外旋轮线焊接路径前进时，激光束交替地移动成更靠近和更远离环形焊接区域的内径边界和外径边界。此处未明确描述的许多其他焊接路径轮廓也可采用以实现与上文提及并在下文中更详细地描述的（多个）焊接路径类似的效果和结果。

使激光束沿着光束行进图案在环形焊接区域内并且围绕中心区域前进被认为使得到的焊接接头具有令人满意的强度。具体地，在不受理论束缚的情况下，认为使激光束沿着一个或多个焊接路径在环形焊接区域内前进与常规的激光焊接实践相比促进保护表面涂覆层的更大扰动（例如，破裂和分解、蒸发或其他）以及从熔融铝焊池中更有效地清除氢气。这继而有助于最小化夹带的气体孔隙和其他焊接缺陷在焊接接头内的普遍性，这些缺陷倾向于降低焊接接头的强度。另外，即使存在一些孔隙或其他缺陷，但是激光束沿着光束行进图案的一个或多个焊接路径径向向内的前进也能够帮助将这些焊接偏差推入到焊接接头的内部中，所述内部被认为对于孔隙和其他焊接缺陷而言在其对接头强度的影响方面是更无害的位置。

附图的简要说明

图1是用于在工件堆叠内产生激光点焊接头的远程激光焊接设备的实施例的透视图，该工件堆叠包括两个或更多个叠置的的铝工件；

图2是图1中所描绘的工件堆叠连同由冲击工件堆叠的顶部表面的激光束产生的熔融铝焊池和小孔的横截面侧视图（沿线2-2截取）；

图3是从与图2相同的视角截取的工件堆叠的横截面侧视图，但是这里工件堆叠包括建立两个接合界面的三个铝工件，与图2中所描绘的建立单个接合界面的两个铝工件相对；

图4描绘了光束行进图案在投影到工件堆叠的顶部表面上时的实施例，其在包括在工件堆叠中的两个或更多个叠置的铝工件之间的激光点焊接头的形成期间，可以被激光束跟踪，并且因此被小孔和周围的熔融铝焊池跟随；

图5描绘了光束行进图案在投影到工件堆叠的顶部表面上时的另一实施例，其在包括在工件堆叠中的两个或更多个叠置的铝工件之间的激光点焊接头的形成期间，可以被激光束跟踪，并且因此被小孔和周围的熔融铝焊池跟随；

图5A描绘了光束行进图案在投影到工件堆叠的顶部表面上时的另一个实施例，其类似于图5中所示的光束行进图案；及

图6描绘了光束行进图案在投影到工件堆叠的顶部表面上时的又另一个实施例，其在包括在工件堆叠中的两个或更多个叠置的铝工件之间的激光点焊接头的形成期间，可以被激光束跟踪，并且因此被小孔和周围的熔融铝焊池跟随。

具体实施方式

激光点焊包括两个或者更多个叠置的铝工件的工件堆叠的所公开的方法要求使激光束相对于工件堆叠的顶部表面的平面沿着光束行进图案前进。所公开的光束行进图案包括一个或多个焊接路径，其被限制在围绕中心区域的环形焊接区域内。任何类型的激光焊接设备，包括远程和常规激光焊接设备，可被采用以使激光束相对于工件堆叠的顶部表面沿着光束行进图案前进。取决于被接合的铝工件的特性和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。可以使用的一些显著的固态激光器是光纤激光器、盘形激光器、直接二极管激光束和Nd:YAG激光器，且可以使用的显著的气体激光器是CO₂激光器，但是当然可以使用其他类型的激光器，只要其能够创建小孔和周围的熔融铝焊池。在所公开的方法的优选实施方式（其在下文中被更详细地描述）中，远程激光焊接设备引导固态激光束到工件堆叠的顶部表面处并且使固态激光束沿着工件堆叠的顶部表面前进。

现在参考图1-3，示出激光点焊工件堆叠10的方法，其中，工件堆叠10包括至少第一铝工件12和第二铝工件14，二者在焊接位置16处叠置，在所述焊接位置16处，使用远程激光焊接设备18实践激光点焊。第一和第二铝工件12、14分别提供工件堆叠10的顶部表面20和底部表面22。工件堆叠10的顶部表面20为远程激光焊接设备18可及，且能够被从远程激光焊接设备18发出的激光束24接近。并且因为执行远程激光焊接仅需要单侧接近，所以不需要使工件堆叠10的底部表面22以与顶部表面20相同的方式为远程激光焊接设备18可及。此外，虽然出于简化的原因，在附图中仅仅描绘了一个焊接位置16，但是本领域技术人员将理解，根据所公开的方法的激光焊接能够在遍及同一工件堆叠10分布的多个不同的焊接位置处实践。

至于存在的铝工件的数目，如在图1-2中所示，工件堆叠10可以包括仅第一和第二铝工件12、14。在该情况中，第一铝工件12包括外表面26和第一接合面28，且第二铝工件14包括外表面30和第二接合面32。第一铝工件12的外表面26提供工件堆叠10的顶部表面20，且第二铝工件14的外表面30提供工件堆叠10的相对面向的底部表面22。相反地，由于这两个铝工件12、14是在工件堆叠10中存在的仅两个工件，所以第一和第二铝工件12、14的第一和第二接合面28、32叠置并彼此面对，以建立延伸通过焊接位置16的接合界面34。在其他实施例（其中一个在下文中结合图3描述）中，工件堆叠10可以包括额外的铝工件，使得工件堆叠10包括三个铝工件，而不是如在图1-2中所示的仅仅两个。

术语“接合界面”在本公开中广义地使用，且预期包含在面对的第一和第二接合面28、32之间的宽范围的叠置关系，其能够适应激光焊接的实践。例如，接合面28、32可以通过直接或者间接接触建立接合界面34。当接合面28、32物理邻接且不被离散的介于中间的材料层或者超出正常的组装公差范围的间隙分离时，接合面28、32彼此直接接触。当接合面28、32被离散的介于中间的材料层分离-且因此不经历直接接触中典型的广泛界面邻接的类型-但是仍然足够近的接近，使得能够实践激光点焊时，接合面28、32间接接触。作为另一示例，接合面28、32可以通过被故意施加的间隙分离而建立接合界面34。这样的间隙可以通过激光刻痕、机械造窝或以其他方式在接合面28、32中的一个或两者上创建突出特征而被施加在接合面28、32之间。突出特征维持接合面28、32之间的间断接触点，其保持接合面28、32在接触点的外部及周围处间隔开多达1.0 mm，且优选地，在0.2 mm和0.8 mm之间。

如在图2中最佳所示，第一铝工件12包括第一基底铝基板36，且第二铝工件14包括第二基底铝基板38。基底铝基板36、38中的每一者可以单独由元素铝或者包括至少85 wt%的铝的铝合金组成。可以构成第一和/或第二基底铝基板36、38的一些显著的铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、或者铝锌合金。此外，基底铝基板36、38中的每一个可以以锻造或铸造形式单独地提供。例如，基底铝基板36、38中的每一个可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻造铝合金板层、挤出件、锻件或其他加工制品组成。或者，作为另一示例，基底铝基板36、38中的每一个可以由4xx.x、5xx.x或者7xx.x系列铝合金铸件组成。能够被用作第一和/或第二基底铝基板36、38的一些更具体的种类的铝合金包括但是不限于AA5754铝镁合金、AA6022铝镁硅合金、AA7003铝锌合金、以及Al-10Si-Mg铝压铸合金。取决于期望的工件性能，第一和/或第二基底铝基板36、38可以采用包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（T）的各种回火处理。

第一或者第二铝工件12、14中的至少一个-以及优选地两者-包括保护表面40，其覆盖在基底铝基板36、38上。事实上，如在图2中所示，第一和第二基底铝基板36、38中的每一个利用保护表面涂覆层40涂覆，该保护表面涂覆层继而为工件12、14提供其相应的外表面26、30和其相应的接合面28、32。保护表面涂覆层40可以是耐高温氧化物涂覆层，当来自基底铝基板36、38的新鲜铝暴露于大气空气或者一些其他含氧介质时，所述耐高温氧化物涂覆层被动形成。保护表面涂覆层40还可以是包括锌或者锡的金属涂覆层，或者其可以是包括钛、锆、铬或者硅的氧化物的金属氧化物转化涂覆层。如果存在的话，取决于其成分，保护表面涂覆层38的典型厚度位于从1 nm到10 µm的任何处。考虑基底铝基板36、38的厚度和保护表面涂覆层40，至少在焊接位置16处，第一和第二铝工件12、14可以具有在0.3 mm到6.0 mm的范围内，且更狭窄地在0.5 mm到3.0 mm的范围内的厚度。第一和第二铝工件12、14的厚度可以相同或者彼此不同。

图1-2示出激光焊接方法的实施例，其中，工件堆叠10包括两个叠置的铝工件12、14，其具有单个接合界面34。当然，如在图3中所示，工件堆叠10可以包括额外的第三铝工件42，其位于第一和第二铝工件12、14之间。如果存在的话，第三铝工件42包括第三基底铝基板44，其可以是裸露的，或者利用上文中描述的相同保护表面涂覆层40涂覆（如图所示）。事实上，当工件堆叠10包括第一、第二和第三叠置的铝工件12、14、42时，工件12、14、42中的至少一个的基底铝基板36、38、44以及优选地其全部都包括保护表面涂覆层40。至于第三基底铝基板44的特性，上文中关于第一和第二基底铝基板36、38的描述也同样适用于该基板44。

作为以叠置方式堆叠第一、第二和第三铝工件12、14、42以提供工件堆叠10的结果，第三铝工件42具有两个接合面46、48。所述接合面中的一个46叠置并面对第一铝工件12的第一接合面28，且另一接合面48叠置并面对第二铝工件14的第二接合面32，因此在工件堆叠10内建立延伸通过焊接位置16的两个接合界面50、52。这些接合界面50、52与关于图1-2已经描述的接合界面34是相同的类型且包括相同的属性。因此，在如本文中描述的该实施例中，两侧的第一和第二铝工件12、14的外表面26、30仍然大体沿相对方向彼此背离，且构成工件堆叠10的顶部表面20和底部表面22。本领域技术人员将知道和理解激光焊接方法，包括针对包括两个铝工件的工件堆叠的下述公开，能够容易被调整并应用到包括三个叠置的铝工件的工件堆叠，而没有过分困难。

往回参考图1-3，远程激光焊接设备18包括扫描光学激光头54。扫描光学激光头54将激光束24引导到工件堆叠10的顶部表面20处，顶部表面20在此通过第一铝工件12的外表面26提供。扫描光学激光头54优选地安装到机器人臂（未示出），其能够以快速编程的次序，将激光头54迅速且精确地运送到在工件堆叠10上的许多不同的预选焊接位置。结合扫描光学激光头54使用的激光束24优选地是固态激光束且尤其是光纤激光束、或盘形激光束或以在电磁波谱的近红外范围（通常认为是700 nm到1400 nm）中的波长操作的直接二极管激光束。另外，激光束24具有能够获得足以在工件堆叠10内产生小孔的功率密度的功率水平能力。在叠置的铝工件内产生小孔所需的功率密度典型地是在大约1.0 MW/cm²附近。

各种各样的光纤激光束、盘形激光束和直接二极管激光束是商业上可获得的，并且适用于与远程激光焊接设备18的扫描光学激光头54一起使用。例如，优选的光纤激光束是二极管泵浦的激光束，其中激光增益介质是掺杂有稀土元素（例如铒、镱、钕、镝、镨、铥等）的光学光纤。作为另一个示例，优选的盘形激光束是二极管泵浦的激光束，其中增益介质是掺杂有稀土元素的薄激光晶体盘（例如，涂覆有反射表面的掺杂镱的钇铝石榴石（Yb:YAG）晶体）并安装到散热器。以及作为又另一个示例，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，组合的波长），其中增益介质是半导体，诸如基于砷化铝镓（AlGaAS）或砷化铟镓（InGaAS）的半导体。当然也可以使用本文未具体提及的其他固态激光束。

扫描光学激光头54包括反射镜56的布置，其能够在包括焊接位置16的操作包线58内相对于沿着工件堆叠10的顶部表面20定向的平面操纵激光束24。在此，如在图1中所示，由于激光束24在平面内的位置通过三维坐标系的“x”和“y”坐标指示，所以被操作包线58跨越的顶部表面20的平面通过x-y平面标记。除了反射镜56的布置之外，扫描光学激光头54还包括z轴聚焦透镜60，其能够使激光束24的焦点62（图2-3）沿着激光束24的纵向轴线移动以因此改变焦点62在垂直于图1中建立的三维坐标系中的x-y平面定向的z方向上的位置。此外，为了防止污物和碎屑不利地影响光学系统和激光束24的完整性，盖滑动件（coverslide）64可位于扫描光学激光头54的下方。盖滑动件64保护z轴聚焦透镜60和反射镜56的布置免受周围环境影响，但允许激光束24在没有实质破坏的情况下从扫描光学激光头54中传递出去。

反射镜56的布置和z轴聚焦透镜60在远程激光焊接期间协作，以指定激光束24在操作包线58内在焊接位置16处的期望移动以及焦点62沿着光束24的纵向轴线的位置。更具体地，反射镜56的布置包括一对能倾斜扫描反射镜66。能倾斜扫描反射镜66中的每一个被安装在电流计68上。通过由电流计68执行的精确协调的倾斜移动，两个能倾斜扫描反射镜66能够将激光束24冲击工件堆叠10的顶部表面20的位置移动到在操作包线58的x-y平面中的任何位置。与此同时，z轴聚焦透镜60控制激光束24的焦点62的位置，以便帮助管理激光束24处于正确的功率密度。所有这些光学部件60、66能够在几毫秒左右或者更短时间内迅速转位，以使激光束24相对于工件堆叠10的顶部表面20沿着包括一个或多个焊接路径的光束行进图案前进。光束行进图案的若干具体示例在下文中更详细地描述。

将远程激光焊接（有时也称为“飞行焊接”）与其他常规形式的激光焊接区分开的特性是激光束24的焦距。此处，如在图1中最佳示出，激光束24具有焦距70，其被测量为在焦点62和最后一个能倾斜扫描反射镜66之间的距离，该最后一个能倾斜扫描反射镜66在激光束24冲击工件堆叠10的顶部表面20（也是第一铝工件12的外表面26）之前拦截并反射激光束24。激光束24的焦距70优选地在0.4米到2.0米的范围中，其中，焦点62的直径典型地范围为从350 µm至700 µm的任何大小。在图1中大体示出且在上文中描述的扫描光学激光头54以及可以被略微不同构造的其他部分可以从各种来源商购。用于与远程激光焊接设备18一起使用的扫描光学激光头和激光器的一些显著的供应商包括HIGHYAG（Kleinmachnow（克莱因马赫诺），德国）和TRUMPF公司（法明顿，康涅狄格州，美国）。

在当前公开的方法中，如大体在附图中所示，通过使激光束24沿着特定光束行进图案74（图4-6）相对于工件堆叠10的顶部表面20的平面前进，在第一和第二铝工件12、14之间（或者如在图3中所示，在第一、第二和第三铝工件12、14、42之间）形成激光点焊接头72（图1）。如在图2-3中最佳所示，激光束24初始被引导至且冲击在工件位置16内的工件堆叠10的顶部表面20。从激光束24的聚焦能量的吸收生成的热引起第一和第二铝工件12、14（以及第三铝工件42，如果存在的话）的熔化，以创建熔融铝焊池76，其从顶部表面20朝底部表面22穿入到工件堆叠10中。激光束24还具有功率密度，其足以气化在激光束冲击堆叠10的顶部表面20处的正下方的工件堆叠10。该气化作用产生小孔78，其是通常含有等离子体的气化铝的柱。小孔78在熔融铝焊池76内形成并且施加向外指向的蒸气压力，其足以防止周围的熔融铝焊池76向内塌陷。

与熔融铝焊池76一样，小孔78也从顶部表面20朝向底部表面22穿入到工件堆叠10中。小孔78为激光束24提供导管以将能量向下输送到工件堆叠10中，因此有利于熔融铝焊池76相对较深且较窄地穿入到工件堆叠10中和相对小的周围的热影响区。小孔78和周围的熔融铝焊池76穿入工件堆叠10并与在堆叠10内建立的每个接合界面34（或50、52）相交。在优选实施例中，小孔78和周围的熔融铝焊池76部分地穿入工件堆叠10，在这种情况下，小孔78和熔融铝焊池76从顶部表面20延伸到堆叠10中，但是不会一直延伸到并穿破通过工件堆叠10的底部表面22。可以在激光焊接过程期间控制激光束24的功率水平、行进速率、和/或焦点位置，使得小孔78和熔融铝焊池76穿入工件堆叠10到适当的部分穿入深度。

在熔融铝焊池76和小孔78形成之后，激光束24相对于工件堆叠的顶部表面20的平面沿着光束行进图案74前进。激光束24沿着光束行进图案74的前进通过精确控制扫描光学激光头54的扫描反射镜66的协调移动来管理。扫描反射镜66的这种协调移动能够快速地移动激光束24以跟踪光束行进图案74，其具有几何构造，其使得焊接接头72能够在焊接部位16处将第一和第二铝工件12,14（以及额外的介于中间的铝工件42，如果存在的话）成功熔合在一起，尽管工件12,14中的至少一个（和可选地，42）包括保护表面涂覆层40的事实，保护表面涂覆层40倾向于成为焊接缺陷的来源。焊接激光束24优选地沿着指定的光束行进图案74以相对高的行进速率前进，该行进速率在2 m/min和120 m/min之间，或者更狭窄地，在8 m/min和50 m/min之间的范围内。

由激光束24跟踪的光束行进图案74可呈现各种不同的几何和空间构造。然而，通常，光束行进图案74包括一个或多个非线性焊接路径80，其被限制在环形焊接区域82内。环形焊接区域82由在工件堆叠10的顶部表面20的平面上的外径边界84和内径边界86限定且包围中心区域88。外径边界84的直径范围优选地从3 mm至15 mm，而内径边界86的直径范围优选地从1 mm至12 mm。图4-6中示出了光束行进图案74和限制光束行进图案74的环形焊接区域82的若干代表性示例的平面图。在这些代表性示例中，图4、图5和图6示出了具有圆形外径边界84和圆形内径边界86的环形焊接区域82。图5A略有不同并且描绘了具有椭圆形外径和内径边界84、86的环形焊接区域82。

如上所述，光束行进图案74由激光束24相对于在焊接部位16处的沿工件堆叠10的顶部表面20定向的平面跟踪。因此，图4-6中所示的图示是从上方看到的投影到工件堆叠10的顶部表面20上的各种示例性光束行进图案的平面图。这些视图提供了在焊接接头72的形成期间，激光束24如何相对于工件堆叠10的顶部表面20前进的视觉理解。在光束行进图案74内的一个或多个非线性焊接路径80可包括单个焊接路径或包括一定弯曲或偏离线性的多个焊接路径。这样的焊接路径可以连续弯曲，或者它们可以包括多个直线段，这些直线段彼此成一定角度地端对端连接（即，连接的线段之间的角度≠180°）。

现在参照图4-6，光束行进图案74可包括封闭曲线光束行进图案、螺旋光束行进图案或一些其他光束行进图案。封闭曲线光束行程图案可以是包括多个径向间隔且未连接的圆形焊接路径、椭圆形焊接路径或具有类似封闭曲线的焊接路径的任何图案。螺旋光束行进图案可以是具有单个焊接路径的任何图案，单个焊接路径围绕环形焊接区域82的内径边界86旋转并且包括在外径和内径边界84,86之间径向间隔开的多个回转部，其中，螺旋回转部的优选数量在从2到20的范围内。各种各样的其他图案也能够用作光束行进图案74，包括例如图6中所示的包括外旋轮线焊接路径的轮盘光束行进图案。这些具体示出的光束行进图案74的变型以及包括非线性焊接路径的其他图案也可以由激光束24跟踪以形成激光点焊接头72。

图4示出了光束行进图案74的实施例，其包括位于环形焊接区域82内的单个非线性内部焊接路径80。具体地，该光束行进图案74实施例包括位于环形焊接区域82内的螺旋焊接路径800。光束行进图案74的螺旋焊接路径800起始于固定内部点802，环绕中心区域88，同时围绕环形焊接区域82的内径边界86旋转，并且终止于固定外部点804。因此，螺旋焊接路径800围绕固定内部点802旋转并且从固定内部点802径向向外扩展至固定外部点804。此外，螺旋焊接路径800可以连续弯曲，如图4所示，并且它可以布置成阿基米德螺线的形式，其中，焊接路径800的回转部彼此等距间隔开距离（d）。该距离（d）可以被称为步进尺寸，并且在每对相邻的回转部上的径向对准点A，B之间测量时，其可以在0.01 mm和0.8 mm之间的范围内。替代地，作为另一个示例，螺旋焊接路径800可以布置成等角螺旋的形式，在这种情况下，螺旋的相邻回转部逐渐变得分开更远。等角螺旋的一个示例由等式r(θ)= e^-0.1(θ)定义，其中θ在极坐标中被定义。

图5-5A示出了光束行进图案74的若干实施例，其包括多个非线性焊接路径80，这些非线性焊接路径80彼此不同，因为非线性焊接路径80都不相交。例如，图5-5A中所示的光束行进图案74中的每一个包括多个径向间隔且未连接的圆形焊接路径820（图5）或未连接的椭圆形焊接路径822（图5A）。圆形焊接路径820和椭圆形焊接路径822围绕中心区域88同心地布置。这些离散的焊接路径820、822可以均匀地径向间隔开（图5-5A），或者它们可以在外径边界84和内径边界86之间以不同的距离间隔开。在这方面，圆形焊接路径820包括定位成紧邻环形焊接区域82的外径边界84的最外侧圆形焊接路径820'和定位成紧邻内径边界86的最内侧圆形焊接路径820''。椭圆形焊接路径822包括类似定位的最外侧和最内侧的椭圆形焊接路径822'、822''。图5-5A中所示的光束行进图案74的实施例优选地包括从两个到二十个焊接路径820、822的任何焊接路径数量，或者更狭窄地，从三个到八个焊接路径820、822的任何任何焊接路径数量。并且，像图4的螺旋焊接路径800一样，相邻的圆形或椭圆形焊接路径820、822上的径向对准点A、B之间的距离（d）（或步进尺寸）优选地在0.01 mm至0.8mm的范围内。

除了图4和图5-5A中所示的那些之外，确实考虑了光束行进图案74的其他实施例。在一个这样的实施例中，图6中所示的光束行进图案74是呈外旋轮线焊接路径824的形式的轮盘焊接路径。外旋轮线焊接路径824能够由附接到半径为R的旋转圆826的原点O的点P绕固定圆828的外侧滚动描绘的路径表示。当旋转圆826沿顺时针方向绕固定圆828旋转，使得旋转圆826的圆周与固定圆828的圆周会合时，点P与圆826一起移动，从而创建图6所描绘的外旋轮线焊接路径824。旋转圆826能够沿固定圆828旋转，使得它在环形焊接区域82内围绕中心区域88连续移动点P。通过改变点P和旋转圆826的原点O之间的距离、通过改变旋转圆826的半径R、和/或通过改变固定圆828的直径来创建具有不同于图6所示形状的形状的不同的外旋轮线焊接路径。

激光束24可以以各种方式沿着光束行进图案74的（多个）非线性焊接路径80前进。例如，关于图4中所示的螺旋焊接路径800，激光束24可以从最接近外径边界84的固定外部点804并围绕螺旋焊接路径800的几个回转部前进，直到它最终停止在最接近内径边界86的固定内部点802处。作为另一个示例，关于图5-5A中所示的圆形和椭圆形焊接路径820、822，激光束24可以沿径向向内方向从最接近外径边界84的最外侧焊接路径820'、822'前进至最接近内径边界86的最内侧焊接路径820''、822''。由于激光束24沿着光束行进图案74的图案化向内移动通过驱动或扫除孔隙和其他焊接缺陷而有助于提高焊接接头72的强度，因此激光束24沿径向向内方向在环形焊接区域82内的前进 - 特别是当（多个）非线性焊接路径80是螺旋焊接路径800或多个圆形/椭圆形焊接路径820、822时-通常是优选的，所述孔隙和其他焊接缺陷可能朝向焊接接头72的在中心区域88下方的区域发展，在中心区域处它们不易于对焊接接头72的强度和机械性能产生不利影响。

当激光束24沿着光束行进图案74相对于工件堆叠10的顶部表面20前进时，小孔78和熔融铝焊池76因此沿着对应路线相对于顶部表面20平移，因为它们跟踪激光束24的移动，如图2-3中最佳所示。以这种方式，熔融铝焊池76紧紧跟随激光束24的行进路径和焊池76的对应路线瞬间留下熔融铝工件材料的尾迹。熔融铝工件材料的该尾迹最终冷却并凝固成重新凝固的复合铝工件材料90（图2-3），其由来自通过熔融铝焊池76穿入的每个铝工件12、14（和42，如果存在的话）的铝材料组成。最后，当激光束24完成跟踪光束行进图案74时，终止激光束24的发射。此时，小孔78塌陷并且熔融铝焊池76凝固。由使激光束24沿光束行进图案74前进而获得的整体重新凝固的复合铝工件材料90构成焊接接头72。

在激光束24沿光束行进图案74的前进期间，控制小孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度，以确保铝工件12、14（和可选地42）在焊接位置16处通过焊接接头72熔焊在一起。尤其，如上所述并在图2-3中最佳示出，在激光束24沿光束行进图案74的前进期间，小孔78和熔融铝焊池76与工件堆叠10内存在的在堆叠10的顶部表面20和底部表面22之间的每个接合界面34（或50、52）相交。这意味着小孔78和熔融铝焊池76完全横穿第一铝工件12的厚度（和第三铝工件42（如果存在的话）的厚度），而在优选实施例中，仅部分地横穿第二铝工件14的厚度，以便不延伸和穿破通过底部表面22。通过使小孔78和熔融铝焊池76足够深地穿入到工件堆叠10中使得它们与每个接合界面34（50、52）相交，通过使激光束沿着光束行进图案74产生的重新凝固的复合铝工件材料90用于将铝工件12、14（和可选地42）自体熔焊在一起。

小孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度能够通过各种激光焊接过程参数来控制，包括激光束24的功率水平、激光束24的焦点62沿光束24的纵向轴线相对于工件堆叠10的位置（即，焦点位置）、以及激光束24在沿光束行进图案74前进时的行进速率。这些激光束参数能够被编程到焊接控制器中，焊接控制器能够精确地执行指示小孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度的指令。虽然激光束24的各种过程参数能够彼此结合瞬间变化，以在光束行进图案74的任何特定部分处获得小孔78和熔融铝焊池76的穿入深度，在许多情况下，无论光束行进图案74的轮廓如何，激光束24的功率水平可以设置在0.2 kW和50 kW之间，或者更狭窄地设置在1 kW和10 kW之间，激光束24的行进速率可以设置在2 m/min和120 m/min之间，或者更狭窄地，在8 m/min和50 m/min之间，并且激光束24的焦点62可以设置在工件堆叠10的顶部表面20（也是第一铝工件12的外表面26）上方30 mm和顶部表面20下方30mm之间的某处。

认为激光束24沿着光束行进图案74的前进通过最小化可源自存在于一个或多个铝工件12、14（和可选地42）上的保护表面涂覆层40的焊接缺陷的普遍性而赋予焊接接头72良好且可重复的强度，特别是剥离和交叉张力强度。在不受理论束缚的情况下，认为使激光束24沿着环形焊接区域82内的光束行进图案74的一个或多个非线性焊接路径80前进，而不是冲击在中心区域88上，通过传导热传递迫使夹带的孔隙和源自氢气和/或保护涂覆层残余物的其他缺陷向内进入焊接接头72的在工件堆叠10的顶部表面的平面上的中心区域88下方的区域中。中心区域88下方的孔隙和其他焊接缺陷的浓度是可容忍的，因为与位于焊接接头72的周界处的孔隙相比，位于中心的孔隙不太可能影响激光点焊接头72的机械性能。

优选示例性实施例和具体示例的上述描述本质上仅是描述性的；其不预期限制所附权利要求的范围。除非在说明书中另外具体且明确地陈述，否则在所附权利要求中使用的每个术语应当赋予其普通和惯例意思。

Claims (20)

1.一种激光焊接工件堆叠的方法，所述工件堆叠包括至少两个叠置的铝工件，所述方法包括：

提供包括叠置的铝工件的工件堆叠，所述工件堆叠包括至少第一铝工件和第二铝工件，所述第一铝工件提供所述工件堆叠的顶部表面，并且所述第二铝工件提供所述工件堆叠的底部表面，其中，在所述工件堆叠内的每对相邻的叠置的铝工件之间建立接合界面，并且其中，在所述工件堆叠中的铝工件中的至少一个包括保护表面涂覆层；

将激光束引导到所述工件堆叠的所述顶部表面处以创建熔融铝焊池，其从所述顶部表面朝向所述底部表面穿入到所述工件堆叠中并与所述工件堆叠内建立的每个接合界面相交；及

通过使激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面的平面沿着光束行进图案前进来形成激光焊接接头，所述光束行进图案位于由所述顶部表面的平面上的内径边界和外径边界限定的环形焊接区域内，所述激光束的所述光束行进图案围绕中心区域，所述中心区域由所述顶部表面的平面上的所述环形焊接区域环绕，以便迫使夹带的孔隙向内至所述激光焊接接头的在所述工件堆叠的所述顶部表面的平面上的所述中心区域下方的区域中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一铝工件具有外表面和第一接合面，并且所述第二铝工件具有外表面和第二接合面，所述第一铝工件的外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面，并且所述第二铝工件的外表面提供所述工件堆叠的所述底部表面，并且其中，所述第一铝工件和所述第二铝工件的第一和第二接合面叠置并面对以建立第一接合界面。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一铝工件具有外表面和第一接合面，并且所述第二铝工件具有外表面和第二接合面，所述第一铝工件的外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面，并且所述第二铝工件的外表面提供所述工件堆叠的所述底部表面，并且其中，所述工件堆叠包括位于所述第一铝工件和所述第二铝工件之间的第三铝工件，所述第三铝工件具有相对的接合面，其中的一个接合面叠置并面对所述第一铝工件的第一接合面以建立第一接合界面，并且其中的另一个接合面叠置并面对所述第二铝工件的第二接合面以建立第二接合界面。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过具有能倾斜扫描反射镜的扫描光学激光头执行使激光束前进，所述能倾斜扫描反射镜的移动被协调以使所述激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面的平面沿着所述光束行进图案在所述环形焊接区域内移动。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束是光纤激光束、盘形激光束或直接二极管激光束。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束沿着所述光束行进图案以在从8 m/min至120 m/min的范围内的行进速度前进。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束行进图案包括螺旋焊接路径，所述螺旋焊接路径围绕紧邻所述内径边界的固定内部点旋转并且从紧邻所述内径边界的固定内部点到紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的固定外部点径向向外扩展。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述螺旋焊接路径的每对相邻的回转部上的径向对准点之间的步进尺寸大于0.01 mm且小于0.8 mm。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述激光束沿着所述螺旋焊接路径从紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的固定外部点到紧邻所述内径边界的固定内部点径向向内前进。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束行进图案包括多个径向间隔且未连接的圆形或椭圆形焊接路径，所述圆形或椭圆形焊接路径围绕所述中心区域同心地布置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，每对相邻的圆形或椭圆形焊接路径的径向对准点之间的步进尺寸大于0.01 mm且小于0.8 mm。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述激光束沿着所述多个圆形或椭圆形焊接路径在径向向内的方向上从紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的最外侧焊接路径到紧邻所述内径边界的最内侧焊接路径前进。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述环形焊接区域的所述内径边界的直径在从1mm至12 mm的范围内，并且所述外径边界的直径在从3 mm至15 mm的范围内。

14.一种远程激光焊接工件堆叠的方法，所述工件堆叠包括至少两个叠置的铝工件，所述方法包括：

提供包括叠置的铝工件的工件堆叠，所述工件堆叠包括至少第一铝工件和第二铝工件，所述第一铝工件提供所述工件堆叠的顶部表面，并且所述第二铝工件提供所述工件堆叠的底部表面，其中，在所述工件堆叠内的每对相邻的叠置的铝工件之间建立接合界面，并且其中，在所述工件堆叠中的铝工件中的至少一个包括保护表面涂覆层；

操作扫描光学激光头以将固态激光束引导到所述工件堆叠的所述顶部表面处以创建熔融铝焊池，所述熔融铝焊池从所述顶部表面朝向所述底部表面穿入到所述工件堆叠中，所述固态激光束具有在0.4米到2.0米之间的焦距；及

协调能倾斜扫描反射镜在所述扫描光学激光头内的移动以使所述固态激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面的平面沿着光束行进图案前进，所述光束行进图案位于由所述顶部表面的平面上的内径边界和外径边界限定的环形焊接区域内，所述固态激光束的所述光束行进图案围绕由所述顶部表面的平面上的所述环形焊接区域环绕的中心区域，以便迫使夹带的孔隙向内至焊接接头的在所述中心区域下方的区域中，并且其中，所述固态激光束沿着所述光束行进图案以在从8 m/min至120 m/min的范围内的行进速度前进。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述工件堆叠仅包括所述第一铝工件和所述第二铝工件，或者其中，所述工件堆叠还包括设置在所述第一铝工件和所述第二铝工件之间的第三铝工件。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，在沿着所述光束行进图案前进期间，所述固态激光束具有从0.2 kW至50 kW的范围内的功率水平，并且所述固态激光束的焦点在所述固态激光束的纵向轴线上被定位在所述工件堆叠的所述底部表面下方50 mm和所述工件堆叠的所述顶部表面上方50 mm之间。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述固态激光束是光纤激光束、盘形激光束或直接二极管激光束。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束行进图案包括螺旋焊接路径，所述螺旋焊接路径围绕紧邻所述内径边界的固定内部点旋转并且从紧邻所述内径边界的固定内部点到紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的固定外部点径向向内扩展，其中，所述螺旋焊接路径的每对相邻的回转部上的径向对准点之间的步进尺寸大于0.01 mm且小于0.8mm，并且其中，所述固态激光束沿着所述螺旋焊接路径从紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的固定外部点到紧邻所述内径边界的固定内部点前进。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束行进图案包括多个径向间隔且未连接的圆形或椭圆形焊接路径，其围绕所述中心区域同心地布置，其中，每对相邻的圆形或椭圆形焊接路径的径向对准点之间的步进尺寸大于0.01 mm且小于0.8 mm，并且其中，所述固态激光束沿着所述多个圆形或椭圆形焊接路径在径向向内方向上从紧邻所述环形焊接区域的所述外径边界的最外侧焊接路径到紧邻所述内径边界的最内侧焊接路径前进。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述环形焊接区域的所述内径边界的直径在从1 mm至12 mm的范围内，并且所述外径边界的直径在从3 mm至15 mm的范围内。

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