CN109070272B - 用于焊接构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于焊接构件的方法，包括如下步骤：提供两个构件；将两个构件彼此靠置；借助于激光束焊接两个构件，其中，通过重复地接通和断开激光束产生许多焊接脉冲，它们分别通过无焊接的停顿间隔被中断，在这些停顿间隔中激光脉冲断开；通过每个焊接脉冲产生局部的焊接区域，两个构件的材料在局部的焊接区域中局部限定地熔化和熔合；通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域彼此重叠成一个连续的流体密封的焊缝。至少一个构件是车辆构件，第一构件的厚度和/或第二构件的厚度位于0.3mm至5mm之间的范围中。焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至100ms之间的范围中。使用具有涂层的构件，涂层的熔化温度或蒸发温度低于施加有涂层的构件材料的熔化温度或蒸发温度。

Description

用于焊接构件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于焊接构件的方法。
背景技术
这种方法由较早的、没有预先公开的德国专利申请DE102016206012.0已知。在这种较早的、没有预先公开的德国专利申请中描述两个车身构件借助于脉冲的激光束进行焊接。
金属板构件借助于激光束焊接很久以来已经已知。激光束通常通过相对于两个彼此要焊接的构件的连续的进给运动来运行，这导致所述两个构件材料的熔化和熔合。激光束由于其进给运动而在其后面拉出一条若干毫米(例如10mm)的“熔体拖尾”，即在激光束的当前位置的后面的若干毫米的区域中材料仍是液态的。
镀锌钢板的焊接是尤其有问题的。因为锌层在大约960℃时已经蒸发并且然后以蒸汽的形式挥发到环境中或者存入到处于其下面的熔化的金属材料中，这会导致多孔性。在彼此贴靠的要焊接的金属板中，蒸发的锌不能容易地从金属板的贴靠区域出来、挥发到环境中，这会导致更多锌量存入在熔化的金属中并且因此导致不期望地强的多孔性、穿孔或者也许导致喷出物和飞溅物。
激光束焊接因此至今基于质量原因仅能用在“干燥的”区域中，但是不能用在如下的构件或构件区域中，即所述构件或构件区域在很大程度上遭受湿气或喷水，因为在此腐蚀风险至今被认为过高。
发明内容
本发明的目的是，提供一种激光焊接方法，该激光焊接方法导致在质量上高品质的焊接连接并且也适用于用在车身结构上。
该目的通过一种用于焊接构件的方法解决，该方法包括如下步骤：
·提供第一构件和第二构件；
·将第一构件和第二构件彼此靠置；
·借助于激光束焊接第一构件和第二构件，其中，通过重复地接通和断开激光束产生许多焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间隔被中断，在这些停顿间隔中激光束是断开的；
·通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域，两个构件的材料在局部的焊接区域中局部限定地熔化和熔合；
·通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域彼此重叠；
其中，第一构件和第二构件之中的至少一个是要被制造的车辆的构件，其中，第一构件的厚度和/或第二构件的厚度位于0.3mm至5mm之间的范围中，所述许多焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至100ms之间的范围中，通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域彼此重叠成一个连续的流体密封的焊缝，其中，使用具有涂层的构件，该涂层的熔化温度或蒸发温度低于施加有涂层的构件材料的熔化温度或蒸发温度。
本发明的出发点是一种用于焊接第一构件和第二构件的方法。各提供的构件首先彼此靠置并且紧接着借助于激光束彼此焊接。焊接脉冲地实现，即激光束重复地接通和断开，因此产生许多焊接脉冲。单个的焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间隔中断，在这些停顿间隔中激光束断开。
按本发明，通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域，两个构件的材料在该局部的焊接区域中局部限定地熔化和熔合。术语“焊接区域”可以理解成相对小的、例如“点状的”或圆面状的区域，当然其他的几何形状也是可考虑的。这种焊接区域按数量级例如位于若干微米与若干毫米(例如直至3或4或5mm)之间的(直径)范围中。
本发明的基本构思在于，通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域彼此重叠。按这样的方式由许多重叠的焊接区域能构成一个连续的焊缝。
与传统的激光焊接方法不同，在传统的激光焊接方法中激光束以一定的进给速度相对于要焊接的构件运动，按本发明可以设定，激光束在单个的焊接脉冲期间相对于两个构件保持不动。当前产生的焊接区域在焊接脉冲期间能持久地、尤其持久完全地或全面地用激光辐射。如果在焊接期间激光束相对于构件没有进行相对运动，那么与现有技术不同，也不发生焊接拖尾的跟随。
由于脉冲式的能量输入，彼此要焊接的构件的材料的熔化极其集中地并且极其局部限定地实现。材料基本上仅在当前由激光束熔化的区域中被显著加热。已经在与当前焊接区域的若干毫米的间距中，几乎不发生温度提高。这具有优点：如下构件仍然能毫无问题地彼此焊接，在所述构件中，温度敏感的元件例如塑料构件或粘合剂层或类似物相对靠近当前产生的焊接区域。
如已经提及的，可以设定，通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域彼此重叠成一个连续的流体密封的焊缝。按本发明可以设定，激光束定位成，使得当前产生的焊接区域与已经产生的或者说焊接的焊接区域瘤状地或缝状地彼此重叠。
优选，如果应与要产生的焊接区域部分重叠的、已经产生的焊接区域已经又凝固或者基本上凝固，那么才产生或者熔化与已经产生的焊接区域彼此重叠的、当前产生的焊接区域。
可以设定，焊接区域按顺序先后地产生，而且是按如此顺序地产生，使得直接先后产生的焊接区域瘤状地彼此重叠。换言之，这意味着，一个当前产生的焊接区域与一个直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域彼此重叠。在本方法中，焊接区域类似于珍珠项链按顺序先后产生。
除此之外，也可能的是，一个当前产生的焊接区域与一个直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域具有间距。从而当前产生的焊接区域相对于直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域是无重叠的。因此，局部的热量输入或者局部的温度上升在彼此要焊接的构件中还可以进一步最小化。因此也按这样的方式能产生一个连续的流体密封的焊缝，与上述方法不同，焊缝的各个焊接区域不是按一个接前一个的顺序产生，而是按其他的顺序产生。
许多焊接脉冲的脉冲时间例如能处在1ms与50ms之间的范围中优选，许多焊接脉冲的脉冲时间处在1.0ms与20ms或者处在1.0ms与10ms之间的范围中。通过这种脉冲时间，在相对小的输入到构件中的总热量中，非常局部的熔化是可能的。
许多焊接脉冲的脉冲时间分别可以是同样长的。但是这不是必须的。许多焊接脉冲的脉冲时间也可以是不一样长的。例如可以有意义的是，在彼此要焊接的构件具有较大构件厚度的区域中，与在构件厚度较小的构件区域中相比，应以更长的焊接脉冲时间进行工作。
用于本发明的激光束的功率密度例如可以处在104Watt/cm2与1010Watt/cm2之间。在此可以设定，许多焊接脉冲的功率密度是相同的或者不同的。类似于脉冲时间长度，例如可以设定，在彼此要焊接的构件具有较大构件厚度的区域中，与在其他区域中相比，“焊接点”是较大的。
另外可以设定，在一个焊接脉冲期间焊接脉冲的功率密度改变，例如通过如下方式：
·在束横截面保持恒定的情况下改变激光功率，或者
·在激光功率保持恒定的情况下改变束横截面，或者
·改变激光功率和束横截面。
按本发明的进一步方案使用如下的激光束，该激光束具有束直径或束宽度，该束直径或该束宽度处在40μm与4mm之间的范围中。在该参数中可以设定，激光束的束直径或者束宽度在许多焊接脉冲中是相同的或不同的。根据使用的不同情况，可以期望产生如下焊缝，该焊缝在其整个长度上具有基本上相同的焊缝宽度或不同的焊缝宽度，这能通过激光束的束直径或束宽度的改变来进行调节。
在激光束的横截面方面，例如能以如下激光束进行工作，该激光束具有圆形的束横截面。但是这不一定非得是这样的情况。原则上也可考虑其他的横截面形状，例如具有矩形的或椭圆形的束横截面的激光束。
试验已经显示，如果以如下“重复率”进行工作，那么能得到质量上非常好的焊接连接，该重复率处在200Hz与10kHz之间的范围中。术语“重复率”理解成每秒焊接脉冲的数量。如果以长度5ms的焊接脉冲和停顿间隔15ms工作，那么得到20ms的周期时间T，这相应于1/0.02s或者50Hz的重复率。
通过按本发明的方法，金属构件尤其是金属板构件能彼此焊接，这些金属构件例如使用在车身结构中。但是按本发明的方法不限制于金属构件，而且原则上也能用于焊接塑料构件、尤其是由热塑性塑料制成的构件。
按本发明的方法也良好地适用于焊接如下构件，即在所述构件中，至少一个所述构件部分或完全覆盖有涂层，如这尤其在镀锌的钢板中是这种情况。优选因此使用具有如下涂层的构件，该涂层的熔化温度或蒸发温度低于构件材料的熔化温度或蒸发温度，涂层施加到该构件材料上。这例如在镀锌的钢板中是这种情况，其中锌层已经在大约960℃的温度时蒸发。
按本发明的方法，不仅适用于焊接传统的钢板或铝板，而且尤其也适用于焊接不锈钢板构件。除此之外，按本发明的方法也可以用于使钢构件或铝构件与铸造构件焊接。例如钢套或铝套或者钢栓或铝栓通过按本发明的方法焊接到铸造构件上或者焊入到铸造构件的凹槽中。当在说明书中提到“铝”时，在该概念下也包括“铝合金”。
按本发明的方法突出地也适用于将球体尤其是钢球体或铝球体、或者由其他的材料构成的球体(例如由热塑性塑料构成的球体)或者其他元件(例如T形栓、其他形状的栓等)焊接到构件上。通过许多焊接区域，在球体在构件上的支撑区域中能产生围绕球体延伸的焊缝。
按本发明的方法尤其适用于焊接如下构件，即所述构件的厚度在焊接区域中处在0.3mm与5mm之间、尤其处在0.3mm与3mm之间的范围中。
附图说明
下面结合附图更详细地解释本发明。其中：
图1以示意图的形式显示两个金属板构件的焊接；
图2显示将球体焊接到金属板构件上；
图3显示按顺序产生由许多焊接区域构成的焊缝；
图4显示描述关于时间的激光功率的图表；和
图5～9显示具有其他的焊缝形状的实施例。
具体实施方式
图1显示两个彼此贴靠的金属板1、2，金属板1的厚度为S1并且金属板2的厚度为S2。S1或S2例如处在0.3mm与3mm之间的范围中。在金属板1的边缘区域中，两个金属板1、2在此已经通过一个角焊缝3彼此焊接。但是通过角焊缝3的事先的焊接不一定是必要的。
借助于产生激光束5的激光焊接装置4，两个金属板1、2附加地通过对接焊缝6彼此焊接。
激光焊接装置4在此脉冲地运行，即通过周期地接通和断开激光束5，先后产生许多焊接脉冲，这些焊接脉冲分别被无焊接的停顿间隔中断。
通过这种脉冲式的焊接，球体7也能焊接到构件1上。球体7能通过许多焊接点与构件1连接。完全类似于上述，在此，激光焊接装置脉冲地运行。激光焊接装置在此能绕球体7的支撑区域引导。按这样的方式，能产生许多彼此重叠的焊接点或者说焊接区域，因此能产生一个在质量上非常高品质的“环绕的”焊缝8。
图3显示两个上下贴靠的金属板1、2，它们通过直线地存在的焊缝10彼此连接。焊缝10在此通过单个的瘤状地重叠的焊接区域按顺序构成。为了限定由激光束5产生的输入到金属板1、2中的热量以及尽可能局部限定该热量输入，可以设定，单个的焊接区域不是全部并排地或接连地产生。例如可以设定，焊接区域在通过附图标记11～22表示的顺序中先后产生。在产生焊接区域11之后，该焊接区域可以冷却。接着焊接区域11之后产生的焊接区域12具有与焊接区域11足够大的间距，使得输入到焊接区域12中的热量基本上不能影响焊接区域11的冷却，依次类推。
图4借助于图表描述按本发明的脉冲式的焊接，在该图表中记录在时间t上的激光功率PLaser。第一焊接脉冲从时刻0延伸直至时刻t1。紧接着是时长[t1、t2]的停顿间隔。
接着，实现时长[t2、t3]的另一焊接脉冲，紧接着又是时长[t3、t4]的停顿间隔。从而周期时间、即焊接脉冲的时长和接着的停顿间隔为T＝[t2、t4]。
图5～9说明，本发明不限制于制造在图1至3中显示的焊缝形状，而是也能用在制造所有其他的焊缝形状中，例如用在制造角焊缝(图6)中，这些角焊缝例如在搭接接头(端面角焊缝)上、在T形接头(图7)上、在凸缘接头上；用在搭接接头上的传统的I形焊缝中；等等。

Claims (33)

1.一种用于焊接构件的方法，该方法包括如下步骤：
·提供第一构件(1)和第二构件(2)；
·将第一构件(1)和第二构件(2)彼此靠置；
·借助于激光束(5)焊接第一构件(1)和第二构件(2)，其中，通过重复地接通和断开激光束(5)产生许多焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间隔被中断，在这些停顿间隔中激光束(5)是断开的；
·通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域(11～22)，第一构件(1)和第二构件(2)的材料在局部的焊接区域中局部限定地熔化和熔合；
·通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域(11～22)彼此重叠；
其特征在于，第一构件(1)和第二构件(2)之中的至少一个是要被制造的车身的车身构件，其中，第一构件(1)的厚度(S1)和/或第二构件(2)的厚度(S2)位于0.3mm至5mm之间的范围中，所述许多焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至100ms之间的范围中，以在200Hz与10kHz之间的范围中的重复率进行焊接，通过焊接脉冲产生的单个的焊接区域(11～22)彼此重叠成一个连续的流体密封的焊缝(10)，其中，使用具有涂层的构件，该涂层的熔化温度或蒸发温度低于施加有涂层的构件材料的熔化温度或蒸发温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光束在单个的焊接脉冲期间相对于各构件(1、2)保持不动，使得在焊接脉冲期间，相应的焊接区域(11～22)持久地用激光辐射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光束在单个的焊接脉冲期间相对于各构件(1、2)保持不动，使得在焊接脉冲期间，相应的焊接区域(11～22)持久完全地用激光辐射。
4.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(5)定位成，使得当前产生的焊接区域与已经焊接的焊接区域重叠。
5.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(5)定位成，使得当前产生的焊接区域与已经焊接的焊接区域瘤状地或者缝状地重叠。
6.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，当已经产生的焊接区域已经凝固或者基本上凝固时，才产生与已经产生的焊接区域重叠的当前产生的焊接区域。
7.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，当前产生的焊接区域与直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域彼此重叠。
8.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，当前产生的焊接区域与直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域具有间距，并且从而当前产生的焊接区域相对于直接在最近的停顿间隔之前产生的焊接区域是无重叠的。
9.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至50ms之间的范围中。
10.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的脉冲时间是相同长的。
11.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的脉冲时间是不一样长的。
12.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束的功率密度位于104Watt/cm2与1010Watt/cm2之间的范围中。
13.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的功率密度是同样大的。
14.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的功率密度是不一样大的。
15.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束具有束直径或者束宽度，该束直径或该束宽度位于40μm与4mm之间的范围中。
16.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(5)的束直径或束宽度在所述许多焊接脉冲中分别是相同的。
17.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，以具有圆形的束横截面的激光束(5)进行工作。
18.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(5)的束直径或束宽度在所述许多焊接脉冲的单个的焊接脉冲中是不同的。
19.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至20ms之间的范围中。
20.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，作为各构件，使用金属构件。
21.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，作为各构件，使用金属板构件。
22.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，至少一个所述构件是部分或完全覆盖有涂层的构件。
23.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，作为至少一个所述构件，使用钢板构件或者铝构件或者由铝合金构成的构件。
24.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，作为至少一个所述构件，使用不锈钢板构件。
25.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，作为至少一个所述构件，使用镀锌构件。
26.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，第一构件是铸造构件，第二构件是由其他材料构成的构件，该第二构件焊接到铸造构件上，或者焊入到铸造构件中。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，第二构件是由钢或铝构成的构件。
28.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，第一构件是球体(7)，该球体焊接到第二构件(2)上。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述球体(7)是由钢、铝或热塑性塑料构成的球体。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，通过在球体(7)在第二构件(2)上的支撑区域中的许多焊接区域产生在支撑区域中围绕球体(7)延伸的焊缝。
31.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，第一构件(1)的厚度(S1)和/或第二构件(2)的厚度(S2)位于0.3mm至3mm之间的范围中。
32.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，所述许多焊接脉冲的脉冲时间处在1ms至10ms之间的范围中。
33.根据权利要求1至3之中任一项所述的方法，其特征在于，在焊接脉冲期间，焊接脉冲的功率密度通过如下方式改变：
·在保持恒定的束横截面的情况下改变激光功率，或者
·在保持恒定的激光功率的情况下改变束横截面，或者
·改变激光功率和束横截面。
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