CN109420812A - 利用激光束和填充焊丝之间的相对移动进行金属工件的激光钎焊 - Google Patents

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Abstract

一种沿着在第一金属工件和第二金属工件之间形成的接合缝对金属工件组件进行激光钎焊的方法包括使激光束沿着接合缝前进，同时将填充焊丝进给到激光束中以熔化填充焊丝的被激光束照射的前端，从而在接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料。所分配的熔融填充材料在激光束之后凝固成钎焊接头。另外，作为该方法的一部分，在激光束沿着接合缝的至少一部分前进期间，激光束的焦点相对于填充焊丝的前端的位置反复波动。

Description

利用激光束和填充焊丝之间的相对移动进行金属工件的激光 钎焊
技术领域
本发明的技术领域一般涉及金属工件的激光钎焊，并且更具体地涉及一种利用操作激光束和填充焊丝之间的相对移动来对金属工件进行激光钎焊以提高所得钎焊接头的质量的方法。
引言
在制造环境中存在着许多两个金属工件需要沿着共用接口进行接合的情况。例如在汽车工业中，经常需要在构造某些车辆部件零件时将两个预制金属板固定在一起。激光钎焊是一种广泛采用的接合技术，这种技术特别适用于沿着正在制造的零件的A级表面定位的接合缝。A级表面通常具备一定造型，并且也是存在于组装车辆或其它成品的可见外部上的非平面展示表面。包括最终将成为A级表面一部分的接合缝的车辆部件零件包括车顶、行李箱盖、C柱和后备箱，在此仅举几例。在A级表面上形成的任何接头对外观都有很高的美感要求，同时还存在着严格的光学要求，以便于在喷涂时形成统一的光滑表面外观。通常采用的是激光钎焊，而且，激光钎焊在接头的美学外观和机械性能会影响接头质量的情况下是一种有效的接合技术。当然，激光钎焊也可以在各种其它情况下实施，并且不一定仅局限于所得钎焊接头是沿着A级车辆表面存在的那些应用。
激光钎焊是一种金属接合工艺，其中激光束提供熔化消耗性填充焊丝所需的能量，该消耗性填充焊丝由所选钎焊材料组成，而钎焊材料在组成上适合于被接合的金属工件。在实践中，填充焊丝位于在两个金属工件之间形成的接合缝处，并且激光束指向接合缝，使得激光束的射束点至少部分地照射填充焊丝的前端(通常是在保护气体的保护下进行)。填充焊丝吸收激光束的能量并且熔化成熔融填充材料，这种熔融填充材料的粘度低得来足以使其可以流入接合缝中。激光束以预定速率沿接合缝前进，同时填充焊丝连续地进给到激光束的射束点以保持照射前端，从而在激光束向前前进期间连续地提供熔融可流动填充材料源。激光束沿着接合缝的前进再加上连续进给的填充焊丝，使得熔融填充材料被分配在金属工件的形成接合缝的相对表面之间的接合缝内和沿途。
在激光束向前前进之后放置在接合缝内的熔融填充材料最终凝固成将工件接合在一起的钎焊接头。凝固熔融填充材料在凝固之前润湿工件的相对表面，使得钎焊接头以冶金方式将工件表面结合在一起，而不会熔化金属工件本身中的任何一个。所得钎焊接头通常具有光滑的顶表面，这是因为钎焊工艺不产生锁孔或湍流熔池(这是激光焊接应用中经常发生的情况)，并且激光钎焊的相对低温性质仅产生了最小的热影响区，由此避免了对接合缝外侧的金属工件造成热损坏。钎焊接头的这些物理特征和结构特征简化了钎焊接头区域的后续加工，比如平滑(例如，抛光、刷涂、砂磨等)和喷涂(如果需要的话)，而不必牺牲钎焊接头的强度和机械性能，特别是在接头不承重的情况下。
在某些情况下(特别是当金属工件是钢制工件或铝合金工件时)，激光钎焊可能容易受到接合差异的影响，这些接合差异可能会对钎焊接头的机械性能、钎焊接头的美学外观(尤其在其顶表面处)或这两者产生不利的影响。例如，当将涂覆有锌基表面涂层(如锌或锌合金)的两个钢制工件激光钎焊在一起时，与激光钎焊工艺相关联的热量可能会导致锌基表面涂层在接合缝附近沸腾，而这可以将高压锌释放到熔融填充材料中和周围。逸出的高压锌可以反过来导致钎焊接头内的漏孔，并且还可以造成飞溅。当将两个铝合金工件激光钎焊在一起时，由于存在有通常包括在铝合金组成中的低沸点合金组成元素(如镁和锌)，因而可能会遇到类似的问题。当暴露于与激光钎焊工艺相关联的热量下时，这些低沸点合金成分可以作为高压蒸汽释放出去。另外，对于钢制工件和铝制工件而言，熔融填充材料与金属工件的相对表面之间的不充分接触是关注点所在。当熔融填充材料与金属工件的相对表面之间沿接合缝的接触不充分时，所产生的钎焊接头可能不具有预期的强度，并且可能无法完全桥接接合缝，这不是有利的结果。
发明内容
根据本发明的一个版本的对金属工件组件进行激光钎焊的方法可以包括几个步骤。在一个步骤中，提供金属工件组件。金属工件组件包括第一金属工件和第二金属工件。第一金属工件和第二金属工件形成接合缝。在另一个步骤中，激光束沿接合缝前进，同时将填充焊丝进给到激光束中以熔化填充焊丝的被激光束照射的前端，从而在激光束沿接合缝前进时在接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料。熔融填充材料在激光束之后凝固成钎焊接头。并且，在又一个步骤中，激光束的焦点的位置在激光束沿着接合缝的至少一部分前进期间相对于填充焊丝反复波动。
可以进一步定义上述版本的方法。例如，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着激光束的纵向束轴振荡焦点，从而在激光束沿接合缝前进期间交替地增加和减小激光束的焦距。在这种情况下，激光束的焦点可以振荡来使得激光束的焦距在2Hz至1000Hz的频率下在0.1mm至1.0mm之间的总振荡高度内交替地增加和减小。
作为另一个示例，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着与填充焊丝的轴向进给方向平行的方向振荡填充焊丝，以在激光束沿接合缝前进期间交替地增加和减小填充焊丝的前端的长度。在这种情况下，填充焊丝可以振荡来使得填充焊丝的长度在3Hz至1000Hz的频率下在0.1mm至0.8mm的长度范围内交替地增加和减小。
作为又一个示例，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着横向于填充焊丝的轴向进给方向的方向振动填充焊丝，以在激光束沿接合缝前进期间使填充焊丝的前端来回移动穿过接合缝的中心线平面。在这种情况下，填充焊丝可以振荡来使得填充焊丝的前端在2Hz至1500Hz的频率下在0.1mm至2.0mm范围的距离内移动穿过接合缝的中心线平面。
第一金属工件和第二金属工件可以由任何激光可钎焊金属构成。例如，在一个实施例中，第一金属工件和第二金属工件中的每一个可以是钢制工件。此外，当第一金属工件和第二金属工件是钢制工件时，第一金属工件或第二金属工件中的至少一个可以是钢制工件，该钢制工件包括由锌基涂层材料或铝基涂层材料组成的表面涂层。在另一个实施例中，第一金属工件和第二金属工件中的每一个可以是铝合金工件。此外，当第一金属工件和第二金属工件是铝合金工件时，第一金属工件或第二金属工件中的至少一个可以是铝合金工件，该铝合金工件包括由难熔氧化物材料组成的表面涂层。
根据本发明的另一个版本的对金属工件组件进行激光钎焊的方法可以包括几个步骤。在一个步骤中，激光束可以沿着在金属工件组件的第一金属工件和第二金属工件之间形成的接合缝前进。激光束具有焦点。在另一个步骤中，当激光束沿接合缝前进时，填充焊丝被进给到激光束中以熔化填充焊丝的被激光束照射的前端，从而在接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料。在又一个步骤中，激光束的焦点的位置在激光束沿着接合缝的至少一部分前进期间相对于填充焊丝反复波动。熔融填充材料在激光束之后凝固成将第一金属工件和第二金属工件以冶金方式结合在一起的钎焊接头。
可以进一步定义上述版本的方法。例如，在一个实施例中，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着激光束的纵向束轴振荡焦点，从而在激光束沿接合缝前进期间交替地增加和减小激光束的焦距。在另一个实施例中，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着与填充焊丝的轴向进给方向平行的方向振荡填充焊丝，以在激光束沿接合缝前进期间交替地增加和减小填充焊丝的前端的长度。在又一个实施例中，激光束的焦点相对于填充焊丝的位置的反复波动可以包括沿着横向于填充焊丝的轴向进给方向的方向振动填充焊丝，以在激光束沿接合缝前进期间使填充焊丝的前端来回移动穿过接合缝的中心线平面。
第一第二金属工件和第二金属工件可以由任何激光可钎焊金属构成。例如，第一金属工件和第二金属工件中的每一个可以是钢制工件。此外，当第一二金属工件和第二金属工件是钢制工件时，第一金属工件或第二金属工件中的至少一个可以是钢制工件，该钢制工件包括由锌基涂层材料组成的表面涂层。在另一个实施例中，第一金属工件和第二金属工件中的每一个可以是铝合金工件。此外，当第一二金属工件和第二金属工件是铝合金工件时，第一金属工件或第二金属工件中的至少一个可以是铝合金工件，该铝合金工件包括由难熔氧化物材料组成的表面涂层。
根据本发明的又一个版本的对金属工件组件进行激光钎焊的方法可以包括几个步骤。在一个步骤中，激光束可以沿着在金属工件组件的第一金属工件和第二金属工件之间形成的接合缝前进。激光束具有焦点。在另一个步骤中，当激光束沿接合缝前进时，填充焊丝被进给到激光束中以熔化填充焊丝的被激光束照射的前端，从而在接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料。这种熔融填充材料在激光束之后凝固成将第一金属工件和第二金属工件以冶金方式结合在一起的钎焊接头。在又一个步骤中，激光束的焦点沿激光束的纵向束轴振荡，从而在激光束沿接合缝的至少一部分前进期间交替地增加和减小激光束的焦距。在再一个步骤中，填充焊丝沿着横向于填充焊丝的轴向进给方向的方向振荡，以在激光束沿着接合缝的至少一部分前进期间使填充焊丝的前端来回移动穿过接合缝的中心线平面，同时，激光束的焦点沿着激光束的纵向束轴振荡。
附图说明
图1是金属工件组件的顶部透视图，其中该金属工件组件包括通过激光钎焊设备沿接合缝激光钎焊在一起的第一金属工件和第二金属工件，该激光钎焊设备包括激光钎焊光学聚焦头、焊丝进给器和保护气体喷嘴；
图2是沿图1的剖面线2-2截取的金属工件组件以及激光钎焊设备的各部分的横截面图；
图3是沿图1的剖面线3-3从接合缝向下截取的金属工件组件以及激光钎焊设备的各部分的横截面图；
图4是大体上在图1的激光钎焊设备中描绘的激光钎焊光学聚焦头的示意图；
图5是沿着图1的剖面线3-3的相同位置截取的金属工件组件以及激光钎焊设备的各部分的放大横截面图；
图6是沿着图1的剖面线2-2的相同位置从接合缝向下截取的金属工件组件和填充焊丝的放大横截面图；以及
图7是沿着图1的剖面线2-2的相同位置从接合缝向下截取的金属工件组件的放大横截面图。
具体实施方式
公开了一种沿着在邻接金属工件之间形成的接合缝将两个金属工件激光钎焊在一起的方法。该方法包括在前进激光束和沿前向进给方向连续地进给到激光束中的填充焊丝之间产生相对移动，以沿着接合缝分配熔融填充材料。特别地，激光束和填充焊丝之间的上述相对移动可以通过反复地波动激光束的焦点相对于填充焊丝的前端的位置来实现。这种反复波动可以通过执行以下一个或多个动作来实现：(1)使激光束的焦点相对于金属工件组件沿纵向束轴振荡；(2)使填充焊丝沿平行于填充焊丝的轴向进给方向的方向振荡；或者(3)使填充焊丝在横向于填充焊丝的轴向进给方向的方向上振荡。当激光束沿接合缝前进时，通过激发激光束和填充焊丝之间的相对移动，可以更好地控制输入到填充焊丝的热量，和/或可以增强接合缝内熔融填充材料的流动性能，进而确保金属工件的相对表面之间的良好接触。
现在参照图1，示出了包括第一金属工件12和第二金属工件14的金属工件组件10。第一金属工件12包括第一主板部分16和第一凸缘部分18，第一凸缘部分18沿第一弯曲线20远离第一主板部分16弯曲。类似地，第二金属工件14包括第二主板部分22和第二凸缘部分24，第二凸缘部分24沿第二弯曲线26远离第二主板部分22弯曲。如图所示，第一凸缘部分18和第二凸缘部分24中的每一个的弯曲角度优选地是基本上垂直的，但是，其他角度当然也是可能的。第一金属工件12具有第一顶表面28，第一顶表面28跨越第一主板部分16并且在第一弯曲线20上延伸到第一凸缘部分16的末端边缘32，同样地，第二金属工件14具有第二顶表面34，第二顶表面34跨越第二主板部分22并且在第二弯曲线26上延伸到第二凸缘部分24的末端边缘36。第一金属工件和第二金属工件中的每一个具有范围为2mm至6mm或者更窄地2.5mm至4.0mm的厚度。
第一金属工件12和第二金属工件14通过合适的固定设备靠近并组装在一起，这样使得它们的凸缘部分18、24邻接。如图2和图6至图7中最佳地示出，组装的金属工件12、14形成接合缝38，通过第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’限定了接合缝38。第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’是顶表面28、34的沿第一凸缘部分18和第二凸缘部分24分开并朝向彼此直到穿过第一弯曲线20和第二弯曲线26的部分。为此，接合缝38为细长通道，该细长通道具有中心线平面40(图6)并且在横截面上大体上为漏斗形。在其组装状态下，金属工件组件10使得第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34可以进行激光钎焊，从而让顶表面28、34穿过接合缝38而组合为金属工件组件10的共同上表面42。在车辆制造领域中，金属工件组件10的共同暴露上表面42可以是车辆的A级展示表面或一些其他内表面或外表面。
第一金属工件12和第二金属工件14可以由有助于激光钎焊的各种金属构成。例如，第一金属工件12和第二金属工件14都可以是钢制工件，或者在另一示例中，第一金属工件12和第二金属工件14都可以是铝合金工件。无论是由钢还是铝合金构成，第一金属工件12和第二金属工件14中的每一个都可以是涂覆的或未涂覆的。第一金属工件12和第二金属工件14(无论其组成是什么)优选为锻造的金属薄片层，但也可以采用其他形式，包括挤压件或铸件。另外，第一金属工件12和第二金属工件14中的一个或两个可以在激光钎焊之前通过任何合适的成形技术进行预制，所述成形技术包括但不限于冲压、压制、拉伸、快速塑性成形(QPF)和超塑性成形(SPF)。当然，在替代方式中，第一金属工件12和第二金属工件14中的一个或两个可以在激光钎焊之后成形为其最终形状。因此，如本文结合第一金属工件12和第二金属工件14使用的术语“工件”包括各种各样的组合物，这些组合物包括可以适应于激光钎焊的任何形式的涂覆和未涂覆的钢和铝合金(锻造金属薄片层、挤压件、铸件等)。
如果第一金属工件12和第二金属工件14为钢制工件，则每一个金属工件12、14可以由涂覆或未涂覆的钢基材构成。可以使用的几种值得注意的钢基材包括低碳(软)钢、无间隙(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、相变诱发塑性(TRIP)钢、孪生诱发塑性(TWIP)钢和硼钢(例如当工件12、14包括冲压硬化钢(PHS)时)。第一金属工件12和第二金属工件14的钢基材可以是相同的或不同的。并且，如果涂层存在于第一金属工件12和第二金属工件14的钢基材中的任一个或两个上，则该涂层优选为锌基涂层材料或铝基涂层材料。锌基涂层材料的一些示例包括锌或锌合金，例如锌镍合金或锌-铁合金。这种涂层材料可以通过热浸镀锌(热浸镀锌涂层)、电镀锌(电镀锌涂层)、镀锌退火(镀锌退火锌铁合金)或电沉积(锌-铁合金或锌-镍合金)来进行涂覆。铝基涂层材料的一些示例包括铝、锌-硅合金、铝-锌合金和铝镁合金。这些铝基涂层材料可以通过浸涂进行涂覆。
如果第一金属工件12和第二金属工件14为铝合金工件，则每一个金属工件12、14可以由涂覆或未涂覆的铝合金基材构成，该铝合金基材包括至少85重量％的铝。可以使用的几种值得注意的铝合金包括铝-镁合金、铝硅合金、铝镁-硅合金或铝-锌合金。可以使用的一些更具体种类的铝合金包括AA5182和AA5754铝镁合金、AA6011和AA6022铝镁-硅合金、AA7003和AA7055铝锌合金以及Al-10Si-Mg铝压铸合金。第一铝基层36和/或第二铝基层38可以以各种状态使用，包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。第一金属工件12和第二金属工件14的铝合金基材可以是相同的或不同的。并且，如果在第一金属工件12和第二金属工件14的铝合金基材中的任一个或两个上存在涂层，则该涂层通常是由氧化铝化合物组成的难熔氧化物材料，该难熔氧化物材料被动地形成于新鲜铝暴露于大气中或一些其他含氧介质中的时候和/或制造操作(如轧屑)或其他过程期间。替代地，涂层可以是由锌或锡组成的金属涂层，或者它可以是由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如美国专利申请第2014/0360986号中公开的。
现在参照图1至图6，根据本发明的某些实践，示出了一种对金属工件组件10进行激光钎焊以将第一金属工件12和第二金属工件14以冶金方式接合在一起的方法。该方法包括提供金属工件组件10，使得在第一金属工件12和第二金属工件14之间形成接合缝38。如前所述，这可以包括使用合适的固定设备将第一金属工件12和第二金属工件14的凸缘部分18、24靠近在一起以形成界面邻接。然后，钎焊接头44在接合缝38内和沿途沉积下来。通过激光钎焊设备46执行钎焊接头44的沉积，该激光钎焊设备包括激光钎焊光学聚焦头48、焊丝进给器50和保护气体喷嘴52。激光钎焊光学聚焦头48在被机器人56(部分地示出)携带着沿接合缝38行进的同时将激光束54聚集并指向金属工件组件10。与此同时，焊丝进给器50将填充焊丝58进给到激光束54中，并且保护气体喷嘴52朝向接合缝38喷出保护气体60以产生保护气体区域62。
大体上如图4所示，激光钎焊光学聚焦头48包括容纳准直器66和聚焦元件68的主体64。光纤电缆72的一端70容纳在主体64中，并输送发散开的锥形激光束74，而激光束74是源自激光束发生器(未示出)。发散开的锥形激光束74由准直器66变换成具有恒定光束直径的准直激光束76。准直器66可以是发散开的锥形激光束74可以从其中穿过的弯曲透镜，例如抛物面或球面透镜。在离开准直器66之后，准直激光束76被中间镜78偏转并被输送至聚焦元件68。聚焦元件将准直激光束76聚焦在激光束54中，激光束54由激光钎焊光学聚焦头48朝向金属工件组件10传输并最终照射填充焊丝58。聚焦元件68将激光束54的光束直径缩小到焦点或“腰部”80，而这种焦点或“腰部”优选地具有0.5mm至4.0mm的直径。与准直器66类似，聚焦元件68可以是准直激光束76可以从其中通过的弯曲透镜，例如抛物面或球面透镜。当然，激光钎焊光学聚焦头48可以设计成使用镜子作为准直器66和聚焦元件68，而不是透镜以及其他可能的变型。
激光束54在与聚焦元件68相互作用之后离开激光钎焊光学聚焦头48并沿纵向束轴82向前传播。激光束54可以是固态激光器或气体激光器。可以使用的一些值得注意的固态激光器是光纤激光器、盘形激光器、直接二极管激光器和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，当然，其他类型的激光器也是可以使用的。激光束54优选地通过光纤光缆传输到激光钎焊光学聚焦头48的光纤(某种程度上在光纤本身中不产生)。另外，激光束54的功率水平可以被调整为向接合缝38和填充焊丝58输送足够的能量，以促进填充焊丝58的熔化，同时不至于将第一金属工件12或第二金属工件14中的任何一个熔化到形成了穿透熔池的程度。为此，当对钢制工件进行激光钎焊时，激光束54的功率水平优选地在1.0kW至10kW的范围内或者更窄地在2.5kW至6.0kW的范围内，而当对铝合金工件进行激光钎焊时，功率水平在2.0kW至6.0kW的范围内。可以产生上面讨论的各种固态和气体激光器以及其他变型的激光发生器是市面上可购买到的。当然，也可以使用此处未具体提及的其他固态和气体激光束。
激光束54具有焦长84和焦距86。焦长84是激光束开始变窄的聚焦元件68与激光束54的焦点80之间的距离。此距离可以在100mm至400mm的范围内或者更窄地200mm至300mm的范围内的任何位置处。焦距86是焦点80与激光束54的射束点88之间沿激光束54的纵向束轴82的距离。如图7所示，射束点88是激光束54在平面90处的投影截面区域，平面90延伸穿过接合缝38并且与主板部分16，22和它们各自的弯曲线20，26之间的过渡部相交。激光束54的焦距86可以是延伸穿过接合缝38的平面90的上方或下方0mm(焦点位于平面90处)到10mm的范围内或者更窄地0mm到5mm的范围内的任何地方。实际上，如下面将更全面地解释的，激光束54的焦距86可以在激光钎焊期间在此范围内改变，这是因为焦点80沿着纵向束轴82振荡的结果，而此举又反过来可以将激光束54的焦长84改变到对应但相对的程度。
激光钎焊光学聚焦头48可以包括其他相关的部件和设备。当激光钎焊光学聚焦头48是可操作的并且激光束54被引向金属工件组件10的时候，可以启动设置在光学聚焦头48中的冷却功能，以帮助确保准直器66和聚焦元件68不会过热。激光钎焊光学聚焦头48还可以包括视觉监视设备92，例如具有CCTV镜头的摄像机(具有沿激光束54的纵向束轴82向下的视线)以及其他相关的部件和设备。例如，如图4所示，激光钎焊光学聚焦头48可以包括位于聚焦元件68上游的自适应聚焦光学组件94，其可根据命令改变激光束54的焦点82。在一个实施例中，如图所示，自适应聚焦光学组件94可以是滑动地接收准直器66的套管结构，并且可以借助于高速致动器(诸如伺服电机或压电致动器)通过向前滑动准直器66以延长发散开的锥形激光束74或向后滑动准直器66以缩短发散开的锥形激光束74，从而相应地改变准直器66的位置。准直器66的这种向前和向后移动分别增大和减小了准直激光束76的直径，这影响了激光束54的焦长84并因此影响了其焦距86。图1和图4中示意性地示出的激光钎焊光学聚焦头48可以在市面上购买到。
承载激光钎焊光学聚焦头48的机器人56是可操作来将激光钎焊光学聚焦头48移动至金属工件组件10上方的空间内，以使激光束54相对于组件10并沿着接合缝38前进。具体地，机器人56包括机器人臂96，而机器人臂96连接并支撑激光钎焊光学聚焦头48。包括机器人臂96的机器人56构造有旋转、翻转、铰接和/或其他类型的连接，由此能够借助于计算机实现的控制系统在多个轴上实现激光钎焊光学聚焦头48的精确且可编程的机械人移动。由于激光束54的纵向束轴82相对于聚焦元件68是固定的，因此，通过操作机器人56以沿着金属工件组件10上方的相应路径传送激光钎焊光学聚焦头48，可以使激光束54(特别是激光束54的射束点88)沿着接合缝38前进。实际上，激光束24沿着接合缝38的行进速度等于激光钎焊光学聚焦头48相对于金属工件组件10移动的速度。根据所公开方法的实践，用于激光钎焊的激光束54的所实施的行进速度优选地在3.0m/min至10.0m/min的范围内。
焊丝进给器50和保护气体喷嘴52可以连接在激光钎焊光学聚焦头48上，如图所示，或者它们可以以允许这三个装置48，50，52沿接合缝38一起移动的某种其他方式与光学聚焦头48相关联。焊丝进给器50包括引导管98，引导管98在已知的精确引导机械设备和/或计算机辅助控制系统的帮助下沿着轴向进给方向100(图3和图5)将填充焊丝58进给到激光束54中。填充焊丝58的被进给到激光束54中并因此被激光束54照射和熔化的部分在此被认为是填充焊丝58的前端102(图5)。填充焊丝58的前端102沿着沿焊丝58的轴向进给方向100可测量的长度104。就保护气体喷嘴52而言，由于激光束54会熔化前端102，因此，保护气体喷嘴52将保护气体流60引向接合缝38，这样一来，保护气体区域62保护填充焊丝58的前端102免受氧化和其他形式的反应污染的影响。保护气体60可以是惰性气体，例如氩气或氦气，或者它可以是多种气体的混合物，例如(i)氩气和二氧化碳，或(ii)氩气和氧气。
填充焊丝58的尺寸和组成可以根据第一金属工件12和第二金属工件14的组成以及钎焊接头44的其他要求而变化。填充焊丝58由消耗性填充材料组合物构成，该组合物的熔点低于第一金属工件12和第二金属工件14中每一个的熔点。这样，填充焊丝58可以通过激光束54熔化，而不必熔化第一金属工件12和第二金属工件14。例如，当第一金属工件12和第二金属工件14为钢制工件的时候，填充焊丝58可以具有0.6mm至1.8mm的直径，并且可以由任何合适的消耗性填充材料组合物(包括铜、硅和锰的合金)构成。同样地，当第一金属工件12和第二金属工件14为铝合金工件的时候，填充焊丝58可以具有0.8mm至2.4mm的直径，并且可以由任何合适的消耗性填充材料组合物(包括铝、硅和锰的合金)构成。
现在回到图1，沿着接合缝38在前向钎焊方向106上使激光束54前进，并同时在保护气体区域62的保护下将填充焊丝58进给到的激光束54中，这样便使得钎焊接头44在接合缝38内和沿途沉积下来。激光束54的能量熔化填充焊丝58的前端102以产生熔融填充材料108。这种可流动的熔融填充材料108分配在第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’之间的接合缝38内并对其进行局部填充。当激光束54沿着接合缝38前进的时候，填充焊丝58在轴向进给方向100上连续地进给，以将填充焊丝58的被照射的前端102保持在激光束54内，从而确保了在激光束54前进期间的可流动熔融填充材料108的持续供给源。激光束54沿着接合缝38向前前进，同时焊丝进给器50也协调地向前移动(其不仅与激光钎焊光学聚焦头48统一移动，而且同时还可控制地将填充焊丝58进给到前进的激光束54中)，这样做的结果是使得熔融填充材料108分配在第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’之间的接合缝38内和沿途。
焊丝进给器50可以沿着接合缝38位于激光钎焊光学聚焦头48之前，这样使得填充焊丝58在与前向钎焊方向106相反的方向上进给到激光束54中。换言之，如图3和图6中最佳地示出的，当相对于金属工件组件10传送焊丝进给器50和激光钎焊光学聚焦头48两者时，填充焊丝58的轴向进给方向100可以与激光束54的前向钎焊方向106相反。更进一步地并参照图3，激光束54的纵向束轴82可以朝向或远离填充焊丝58倾斜，使得束轴82在前向钎焊方向106上偏离法线(如箭头110所示的“拉动”布置)或者在与前向钎焊方向106相反的方向上偏离法线(如箭头112所示的“推动”布置)。当然，也可以实施填充焊丝58和激光束54的其他布置和取向。关于保护气体喷嘴52的定位，当激光束54沿着接合缝38前进并且熔融填充材料108分配在激光束54之后的接合缝38内和沿途时，保护气体喷嘴52可以被定向成横向于前向钎焊方向106引导保护气体流60。
根据所公开方法的实践并且为了更好地控制熔融填充材料108在第一金属工件12与第二金属工件14之间的接合缝38内的一致性和分布，可以通过在激光束54沿着接合缝38前进期间使激光束54的焦点80相对于填充焊丝58的位置反复波动来实现激光束54与填充焊丝58之间的相对移动。焦点80相对于填充焊丝58的位置的反复波动包含焦点80和填充焊丝58的空间取向的任何重复发生的变动，其中包括两个对象80，58之间的距离的重复发生的变化、两个对象80，58之间的对准的重复发生的变化、填充焊丝58的前端102的尺寸的重复发生的变化或者这些位置变动的任何组合。就这一点而言，焦点80相对于填充焊丝58的位置的反复波动可以通过执行以下一个或多个动作来实现：(1)使激光束54的焦点80相对于金属工件组件10沿纵向束轴82振荡；(2)使填充焊丝58沿着与填充焊丝58的轴向进给方向100平行的方向振荡；或者(3)使填充焊丝58在横向于填充焊丝58的轴向进给方向100的方向上振荡。
现在参照图3，示出了根据一个实施例的焦点80相对于填充焊丝58的位置的反复波动，其中激光束54的焦点80相对于金属工件组件10沿着纵向束轴82振荡。如图所示，在激光束54沿着接合缝38前进的过程中，焦点80的这种振荡使激光束54的焦距86交替地增加(线114)和减小(线116)，这进而分别增加和减小射束点88的面积。当焦距86增加从而导致射束点88的面积增加以及焦点80与填充焊丝58的前端102之间的距离增加时，由于激光束54的功率在填充焊丝58处扩展开的截面积增加，因此，被传送至填充焊丝58的前端102处的激光束54的功率密度减小。相反地，当焦距86减小从而导致射束点88的面积减小以及焦点80与填充焊丝58的前端102之间的距离减小时，由于激光束54的功率在填充焊丝58处扩展开的截面积减小，因此，被传送至填充焊丝的前端102处的激光束54的功率密度增加。
激光束54的焦点80可以振荡来使得激光束54的焦距86在总振荡高度118内交替地增加和减小，所述总振荡高度的范围从0.1mm至1.0mm，或者更窄地从0.2mm至0.8mm。焦距84优选地在焦距下限120与焦距上限122之间的任何地方在总振荡高度118内振荡。焦距下限120优选地是0mm(尽管为了便于说明而在图3中示出为大于0mm)，并且焦距上限122优选地在任一方向上与形成0mm的焦距的平面90相距10mm，或者更优选地相距5mm。这样，焦点80可以在金属工件组件10上方(即在金属工件组件10与激光钎焊光学聚焦头48之间)、在金属工件组件10下方(即在金属工件组件10的与激光钎焊光学聚焦头48相对的侧面上)振荡，或者振荡可以在将焦距设定为0mm的平面90的上方和下方延伸。无论焦点振荡所发生的确切位置如何，焦点80都可以在范围从2Hz至1000Hz或更窄地3Hz至100Hz的频率下振荡。而且，虽然焦点80的振荡优选地沿着整个接合缝38发生，但是在其他实施例中，振荡可以发生在激光束54沿其前进的接合缝38的至少50％上。
激光束54的焦点80可以机械地或光学地振荡。焦点80可以通过机械臂96处的线性致动器124(图1)机械地振荡，其中激光钎焊光学聚焦头48安装在线性致动器124上。线性致动器124使激光钎焊光学聚焦头48相对于金属工件组件10物理地上下移动，并且可以是由伺服电机驱动，或者其可以是液压、气动、压电或电气机械驱动的，在此仅举几种替代驱动机制的示例。在这种情形下，激光束54的焦长84保持不变，而激光束54的焦距86交替地增加和减小，与光学聚焦头48的向上和向下移动一致。通过操作自适应聚焦光学组件94来反复地改变激光束54的焦距84，可以使焦点80振荡。在这种情形下，激光钎焊光学聚焦头48以平滑路径在金属工件组件10上方传送，同时自适应光学透镜组件94不停地使焦点80移动以反复改变激光束54的焦长84，这因此使得激光束54的焦距86交替地增加和减小至对应的但相反的程度。不管是以何种方式实现，焦点80的振荡都能够实现对填充焊丝58的加热和熔化的更出色的控制，以帮助减轻诸如漏孔和飞溅之类的钎焊差异。
现在参照图5，示出了根据另一实施例的焦点80相对于填充焊丝58的位置的反复波动，其中填充焊丝58沿着与填充焊丝58的轴向进给方向100平行的方向126振荡。以这种方式，填充焊丝58的前端102的长度104随着填充焊丝58的振荡而交替地增加和减小，或者换言之，填充焊丝58的被激光束照射的部分54被反复地扩展和收缩。并且，因为填充焊丝58经由熔化而被消耗掉，所以填充焊丝58整体上继续被进给到激光束54中，同时执行填充焊丝58的振荡，以确保持续不断地产生熔融填充材料108。实质上，与恒定的线性进给不同的是，将填充焊丝58进给到激光束54中更像是在轴向进给方向100上的前向移动的卡顿。根据本实践的填充焊丝58的振荡可以在焊丝进给器50处机械地驱动，并且可以在范围从3Hz至1000Hz或者更窄地从20Hz至100Hz的频率下使填充焊丝58的前端102的长度104在0.1mm至1.2mm之间或者更窄地在0.3mm至0.8mm之间交替地增加和减小。与焦点80的振荡一样，根据本实施例的填充焊丝58的振荡有助于控制填充焊丝58的加热和熔化，并且可以发生在激光束54沿其前进的接合缝38的至少50％上，并且优选地发生在整个接合缝38上。
现在参照图6，示出了根据又一实施例的焦点80相对于填充焊丝58的位置的反复波动，其中填充焊丝58在横向于填充焊丝58的轴向进给方向100的方向128上振荡。在激光束54沿着接合缝38前进的过程中，这种振荡使填充焊丝58的前端102来回移动穿过接合缝38的中心线平面40，这主要使填充焊丝58的前端102在第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的对置区域28’、34’之间切换。填充焊丝58的前端102可以在横向方向128上横贯范围从0.1mm至2.0mm或者更窄地从0.3mm至1.2mm的总距离130。并且填充焊丝58在横向方向128上的振荡频率的范围可以从2Hz至1500Hz，或者更窄地从3Hz至100Hz。根据本实践的填充焊丝58的振荡可以在焊丝进给器50处被机械地驱动，并且可以发生在激光束54沿其前进的接合缝38的至少50％上，并且优选地发生在整个接合缝38上。根据本实施例的填充焊丝58的振荡促使熔融填充材料XX更好地分散在接合缝38内，由此更好地润湿了第一金属工件12和第二金属工件14。
在所公开的激光钎焊方法的一个特定实施方式中，在激光束54沿着接合缝38的至少一部分前进期间，激光束54的焦点80可以振荡来使得激光束54的焦距86交替地增加和减小(如图3所示)，与此同时，填充焊丝58振荡来使得填充焊丝58的前端102来回移动穿过接合缝38的中心线平面40(如图6所示)。就此而言，填充焊丝58可以在更可控的速率下进行加热和熔化，并且熔融填充材料108可以同时在接合缝38上扩散，以实现熔融填充材料108与第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’之间的广泛润湿和良好接触。通过在激光束54的焦点80与填充焊丝58的前端102之间同时地实现这两种形式的相对移动，得以提供在激光束54沿着接合缝38前进期间熔化熔融填充材料108并将其分配在接合缝38内和沿途的最高效的方式，至少在减轻钎焊差异和提高熔融填充材料108在两个金属工件12、14上的良好润湿性能方面是这样的。
紧随激光束54的前向前进之后分配在接合缝38内的熔融填充材料108至少润湿第一金属工件12和第二金属工件14的第一顶表面28和第二顶表面34的相对区域28’、34’，并且最终凝固成将第一金属工件12和第二金属工件14接合在一起的钎焊接头44。第一金属工件12和第二金属工件14的接合可以通过冶金结合来实现。钎焊接头44具有顶表面132，顶表面132在第一金属工件12的第一顶表面28与第二金属工件14的第二顶表面34之间延伸跨过接合缝38，以使两个顶表面28、34组合成金属工件组件10的共同上表面42。现在可以对共同上表面42进行进一步加工。例如，可以通过诸如抛光、刷涂或砂磨之类的任何合适技术使共同上表面42变得平滑，特别是在钎焊接头44的顶表面132的区域中，然后可以进行喷涂以给出单一整体表面的外观，而不是两个接合在一起的表面。这种类型的进一步加工通常在要求共同上表面42展示出A级表面质量或展示表面质量时实施，这是因为其是用于构成车辆或其他制成品的外表面的一部分，而其中视觉外观是整体制品质量的一个组成部分。
以上对优选的示例性实施例和具体示例的描述在本质上仅仅是描述性的；它们并非旨在限制以下权利要求书的范围。除非在说明书中另外具体地和明确地进行陈述，否则所附权利要求书中使用的每个术语都应当给出其普通的且惯用的含义。

Claims (10)

1.一种对金属工件组件进行激光钎焊的方法，所述方法包括：
提供金属工件组件，所述金属工件组件包括第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件和第二金属工件形成接合缝；
使激光束沿着所述接合缝前进，同时将填充焊丝送入到所述激光束中以熔化所述填充焊丝的被所述激光束照射的前端，从而在所述激光束沿所述接合缝前进时在所述接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料，所述熔融填充材料在所述激光束之后凝固成钎焊接头；并且
在所述激光束沿着所述接合缝的至少一部分前进期间相对于所述填充焊丝反复波动所述激光束的焦点的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中使所述激光束的所述焦点相对于所述填充焊丝的所述位置反复波动包括沿着所述激光束的纵向束轴振荡所述焦点，从而在所述激光束沿所述接合缝前进期间交替地增加和减小所述激光束的焦距。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述激光束的所述焦点振荡来使得所述激光束的所述焦距在2Hz至1000Hz的频率下在0.1mm至1.0mm之间的总振荡高度内交替地增加和减小。
4.如权利要求1所述的方法，其中使所述激光束的所述焦点相对于所述填充焊丝的所述位置反复波动包括沿着与所述填充焊丝的轴向进给方向平行的方向振荡所述填充焊丝，以在所述激光束沿所述接合缝前进期间交替地增加和减小所述填充焊丝的所述前端的长度。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述填充焊丝振荡来使得所述填充焊丝的所述长度在3Hz至1000Hz的频率下在0.1mm至0.8mm的长度范围内交替地增加和减小。
6.如权利要求1所述的方法，其中使所述激光束的所述焦点相对于所述填充焊丝的所述位置反复波动包括沿着横向于所述填充焊丝的轴向进给方向的方向振动所述填充焊丝，以在所述激光束沿所述接合缝前进期间使所述填充焊丝的所述前端来回移动穿过所述接合缝的中心线平面。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述填充焊丝振荡来使得所述填充焊丝的所述前端在2Hz至1500Hz的频率下在0.1mm至2.0mm范围的距离内移动穿过所述接合缝的所述中心线平面。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属工件或所述第二金属工件中的至少一个是钢制工件，所述钢制工件包括由锌基涂层材料或铝基涂层材料组成的表面涂层。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属工件或所述第二金属工件中的至少一个是铝合金工件，所述铝合金工件包括由难熔氧化物材料组成的表面涂层。
10.一种对金属工件组件进行激光钎焊的方法，所述方法包括：
使激光束沿着在金属工件组件的第一金属工件和第二金属工件之间形成的接合缝前进，所述激光束具有焦点；
当所述激光束沿所述接合缝前进时，将填充焊丝进给入所述激光束中以熔化所述填充焊丝的被所述激光束照射的前端，从而在所述接合缝内和沿途产生并分配熔融填充材料；并且
使所述激光束的焦点的位置在所述激光束沿着所述接合缝的至少一部分前进期间相对于所述填充焊丝反复波动，所述熔融填充材料在所述激光束之后凝固成将所述第一金属工件和所述第二金属工件以冶金方式结合在一起的钎焊接头。
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