CN109420843A - 弯曲表面的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接两个或多个重叠金属工件(12、14或12、504、14)的方法，这些金属工件限定了焊接区域(16)，其中工件堆叠(10、110、210、510)的可触及的顶表面(20、120、220、520)的至少一部分弯曲或成角度，该方法包括：沿着光束行进图案(74)推进激光束(24)，该光束行进图案至少部分地位于顶表面的弯曲的或成角度的部分上，同时在这种推进前行期间保持激光束的焦距(64)恒定。该光束行进图案可以投射到顶表面的弯曲部分(20”、220”)、顶表面的成角度部分(120”)，或者顶表面的缺少平整性的两个或多个部分(20'、20”、120'、120”、220'、220”、220”')上。

Description

弯曲表面的激光焊接方法

技术领域

本公开的技术领域总体上涉及激光焊接重叠金属工件的工件堆叠，并且更具体地涉及激光焊接方法，其中激光束沿工件堆叠的可触及顶表面的弯曲的或成角度的部分推进，并且沿不具有共同平面的可触及顶表面的多个部分推进。

引言

激光焊接是一种金属连接工艺，其中将激光束引导到堆叠的金属工件的组件处，以提供能够在组成的金属工件之间产生焊接接头的集中辐射能量源。通常，两个或多个金属工件的互补凸缘或其他结合区域首先相对于彼此对齐、装配和堆叠，使得它们的搭接表面重叠并面对面以产生一个或多个搭接界面。然后将激光束引导到被工件的重叠部分跨越的焊接区域内的工件堆叠的可触及顶表面处。由从激光束吸收能量而产生的热量引发了金属工件的熔化，并在工件堆叠内产生熔融金属焊池。并且，如果激光束的功率密度足够高，则将在熔融金属焊池内的激光束的束斑下方产生穿孔。穿孔是汽化金属柱，其可包括源自金属工件的等离子体。穿孔能对来自激光束的能量进行有效吸收，因此使得熔融工件金属能够深且窄地穿透到堆叠中。

一旦激光束冲击工件堆叠的顶表面，就在非常短的时间内产生熔融金属焊池和穿孔(如果存在的话)。在金属工件最初熔化之后，激光束的束斑可以相对于工件堆叠的顶表面推进，这通常涉及沿投射到堆叠的顶表面上的相对简单或复杂的几何轮廓的光束行进图案移动激光束。当激光束沿堆叠的顶表面推进时，来自熔融金属焊池的熔融工件金属在工件堆叠内的推进束斑周围和后面流动。随着激光束推进，这种穿透的熔融工件金属最终冷却并固化为固结的再固化金属工件材料。一旦激光束完成了对光束行进图案的跟踪，最终停止在工件堆叠的顶表面处的激光束传输，此时穿孔坍塌(如果存在的话)，并且任何仍留在堆叠中的熔融工件金属发生固化。通过激光束操作获得的固结的再固化工件材料构成了激光焊接接头，其自发地熔合将重叠金属工件焊接在一起。

许多工业使用激光焊接作为它们的制造实践的一部分，包括汽车、航空、海洋、铁路和建筑工业等。激光焊接是一种有吸引力的连接工艺，因为它只需要单侧接触，可以以较小的凸缘宽度实施，并且在堆叠组件内产生相对较小的热影响区，从而使金属工件中的热变形最小化。例如，在汽车工业中，激光焊接可用于在制造白车身(BIW)期间将金属工件并且在喷漆之前将安装到BIW上的成品悬挂零件连接在一起。其中可以使用激光焊接的一些特定实例包括在BIW内构造和附接承载体结构，诸如导轨结构、摇臂、A柱、B柱和C柱，以及车身底板横梁构件。其中也可以使用激光焊接的其他特定实例包括BIW内的非承载附接，诸如车顶与侧板的附接，以及在构造车门、机罩和行李箱中所遇到的连接重叠凸缘。

在汽车制造期间(以及在制造其他物品期间)进行激光焊接的工件堆叠可以包括提供了具有三维形状的堆叠的预制金属工件。因此，工件堆叠可具有可变的表面轮廓。在一些情况下，当形成激光焊接接头时，可能希望沿可触及的顶表面的弯曲的或成角度的部分推进激光束，包括例如沿不具有共同平面的顶表面的多个部分推进激光束。沿顶表面的这些部分推进激光束可能是一种有吸引力的任务，因为这些部分中的任何一个可以代表堆叠上的在接头强度、美观性、可触及性和/或工艺效率方面具有战略意义的位置。然而，当激光束沿具有复杂表面轮廓的顶表面的部分推进时，由于激光束的焦距的偏差，激光束可能变得过度聚焦或散焦。激光束的这种聚焦和/或散焦可能进而改变进入工件堆叠的热量输入，并导致工件堆叠熔化过多或过少，从而导致焊接质量不一致。

由于与沿可触及的顶表面的弯曲的或成角度的部分(特别是沿顶表面的偏离平面的两个或多个部分)推进激光束相关的问题，通常在工件堆叠的这些区域中避免激光焊接。在某些情况下，将激光焊接限制在顶表面的具有较不复杂的表面轮廓的其他区域可能使得在制造环境中的整个焊接过程比在没有这种限制的情况下难度更高和/或效率更低。当对具有复杂可变表面轮廓的工件堆叠的制造和生产细节进行研发时，甚至可能忽略激光焊接而支持其他连接工艺。为此，需要使得激光束能够沿顶表面的弯曲的或成角度的部分(包括顶表面的不具有共同平面的多个部分)推进，同时不扰乱在沿激光束的光束行进图案的各个点处进入工件堆叠的目标热量输入的激光焊接技术。

发明内容

激光焊接工件堆叠的方法的一个实施例可能包括几个步骤，该堆叠包括限定了焊接区域的至少两个重叠金属工件，在该区域中工件堆叠的顶部可触及表面的至少一部分是弯曲的或成角度的。在一个步骤中，提供包括了重叠金属工件的工件堆叠。重叠金属工件至少包含第一金属工件和第二金属工件，第二金属工件在焊接区域中与第一金属工件重叠。第一金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的底表面。并且，工件堆叠的顶表面的至少一部分是弯曲的或成角度的。在另一步骤中，将激光束引导到焊接区域内的工件堆叠的顶表面处。激光束在工件堆叠的顶表面处具有束斑，并且在工件堆叠内产生熔融金属焊池，其与在工件堆叠内产生的每个搭接界面相交。在又另一个步骤中，激光束的束斑沿光束行进图案推进，该光束行进图案至少部分地位于顶表面的弯曲的或成角度的部分上以形成细长的熔池，该熔池在冷却时固化成再固化的固结的工件材料以提供激光焊接接头，其自发地熔合将工件堆叠中的金属工件焊接在一起。在还另一个步骤中，当激光束沿顶表面的弯曲的或成角度的部分推进同时跟踪光束行进图案时，保持激光束的焦距恒定。

可以在不同类型的工件堆叠上实施激光焊接方法的前述实施例。例如，第一金属工件可具有外部外表面和第一搭接表面，并且第二金属工件可具有外部外表面和第二搭接表面。另外，第一金属工件的外部外表面可以提供工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件的外部外表面可以提供工件堆叠的底表面。此外，第一和第二金属工件的第一和第二搭接表面可以重叠并面对面以产生搭接界面。

在另一个示例中，第一金属工件可具有外部外表面和第一搭接表面，并且第二金属工件可具有外部外表面和第二搭接表面。另外，第一金属工件的外部外表面可以提供工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件的外部外表面可以提供工件堆叠的底表面。工件堆叠可进一步包含放置在第一和第二金属工件之间的第三金属工件。第三金属工件可具有相对的第三和第四搭接表面。第三搭接表面可以重叠并面对第一金属工件的第一搭接表面以产生第一搭接界面，并且第四搭接表面可以重叠并面对第二金属工件的第二搭接表面以建立第二搭接界面。

工件堆叠中包括的金属工件的组成也可以变化。在一个场景中，工件堆叠中的所有金属工件都是钢制工件。此外，当所有金属工件都是钢制工件时，包括在工件堆叠中的至少一个钢制工件可以包含锌基表面涂层。在另一个场景中，工件堆叠中的所有金属工件都是铝制工件。并且，当所有金属工件都是铝制工件时，至少一个铝制工件可以包含耐火氧化物表面涂层。

光束行进图案所在的工件堆叠的顶表面的轮廓也可以变化。例如，光束行进图案可以完全投射到顶表面的弯曲的部分上。为此，在激光束沿顶表面的弯曲部分推进同时描摹光束行进图案时，激光束的焦距保持恒定。在另一个示例中，光束行进图案可以完全投射到顶表面的成角度部分上。在这种情况下，在激光束沿顶表面的成角度部分推进同时描摹光束行进图案时，激光束的焦距保持恒定。在又另一个示例中，光束行进图案可以投射到顶表面的缺少平整性的两个或多个部分上。在那里，在激光束沿顶表面的两个或多个部分推进同时描摹光束行进图案时，激光束的焦距保持恒定。

当顶表面以这种方式形成轮廓时，对顶表面的缺少平整性的两个或多个部分的多种布置都是可能的。在一个实施方式中，缺少平整性的两个或多个部分可包括第一部分和第二部分，其中第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，并且第二部分是弯曲的并且远离第一部分成弧形。在这种场景下，光束行进图案的至少一部分被投射到顶表面的第一部分和第二部分中的每一个上。在另一个实施方式中，缺少平整性的两个或多个部分可包括第一部分和第二部分，其中第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，并且第二部分是平面的并且位于第二延伸平面中并且相对于第一部分成角度。在那里，光束行进图案的至少一部分被投射到顶表面的第一部分和第二部分中的每一个上。在又另一个实施方式中，缺少平整性的两个或多个部分可包括第一部分、第二部分和第三部分。在这种情况下，第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，第二部分是弯曲的并且远离第一部分成弧形，并且第三部分是平面的并且位于第二延伸平面中并且进一步从第二部分向外延伸。当顶表面如此配置时，光束行进图案的至少一部分被投射到顶表面的第一部分、第二部分和第三部分中的每一个上。

激光焊接方法的前述实施例可以包括附加步骤或者可以进一步进行定义。例如，光束行进图案可以选自由线性焊接路径、弯曲焊接路径、周期性焊接路径、圆形焊接路径、一系列同心圆形焊接路径、椭圆形焊接路径、一系列同心椭圆形焊接路径，以及螺旋焊接路径组成的组。另外，激光束的焦距可以在0mm到20mm的范围内保持恒定。此外，穿孔可以形成在激光束的束斑下方，并且可以在激光束沿光束行进图案推进时平移穿过工件堆叠。

激光焊接工件堆叠的方法的一个实施例可能包括几个步骤，该堆叠包括限定了焊接区域的至少两个重叠金属工件，在该区域中工件堆叠的顶部可触及表面的至少一部分是弯曲的。在一个步骤中，提供了包括重叠金属工件的工件堆叠。重叠金属工件至少包含第一金属工件和第二金属工件，第二金属工件在焊接区域中与第一金属工件重叠。第一金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的底表面。工件堆叠的顶表面包括弯曲部分。在另一个步骤中，操作远程激光焊接设备来沿光束行进图案推进激光束的束斑以形成紧随着激光束的细长的熔池，该光束行进图案至少部分地投射到顶表面的弯曲部分上。细长的熔池从顶表面向底表面穿透工件堆叠，并与在工件堆叠内产生的每个搭接界面相交。在另一个步骤中，操作远程激光焊接设备来在激光束沿顶表面的弯曲部分推进同时描摹光束行进图案时，保持激光束的焦距恒定。在又另一个步骤中，从工件堆叠的顶表面移开激光束，以使得细长的熔池完全固化成激光焊接接头，该接头从第一金属工件延伸到第二金属工件中以自发地熔合来将工件堆叠的重叠金属工件焊接在一起。

激光焊接方法的前述实施例可以包括附加步骤或者可以进一步进行定义。例如，包括在工件堆叠中的金属工件可以仅包括第一和第二金属工件，或者包括在工件堆叠中的金属工件可以进一步包括位于第一和第二金属工件之间的在焊接区域内的第三金属工件。另外，激光束的焦距可以在0mm到20mm的范围内保持恒定。

激光焊接工件堆叠的方法的一个实施例可能包括几个步骤，该堆叠包括限定了焊接区域的至少两个重叠金属工件，在该区域中工件堆叠的顶部可触及表面的两个或多个部分缺少平整性。在一个步骤中，提供包括重叠金属工件的工件堆叠。重叠金属工件至少包含第一金属工件和第二金属工件，第二金属工件在焊接区域中与第一金属工件重叠。第一金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件在焊接区域内提供工件堆叠的底表面。另外，工件堆叠的顶表面的两个或多个部分缺少平整性。在另一个步骤中，激光束的束斑沿光束行进图案推进以形成紧随着激光束的细长的熔池，该光束行进图案至少部分地投射到顶表面的缺少平整性的两个或多个部分上。细长的熔池从顶表面向底表面穿透工件堆叠，并与在工件堆叠内产生的每个搭接界面相交。在又另一个步骤中，当激光束沿顶表面的缺少平整性的两个或多个部分推进同时描摹光束行进图案时，保持激光束的焦距恒定。在又另一个步骤中，从工件堆叠的顶表面移开激光束，以使得细长的熔池完全固化成激光焊接接头，该接头从第一金属工件延伸到第二金属工件中以自发地熔合来将工件堆叠的重叠金属工件焊接在一起。

激光焊接方法的前述实施例可以包括附加步骤或者可以进一步进行定义。例如，顶表面的缺少平整性的两个或多个部分可包括第一部分和第二部分，其中第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，并且第二部分是弯曲的并且远离第一部分成弧形。在这些情况下，光束行进图案的至少一部分被投射到顶表面的第一部分和第二部分中的每一个上。

附图说明

图1是工件堆叠的一般图示，其包括两个重叠金属工件以及可以执行所公开的激光焊接方法的远程激光焊接设备；

图2是图1中描绘的激光束的放大视图，示出了激光束的焦点和纵轴并且指示了激光束的焦距和入射角；

图3是从截面线3-3的优势位置取得的激光束的束斑的平面图；

图4是图1中所示的工件堆叠的横截面图，同时激光束的束斑正沿根据本公开的一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其在冷却时固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头；

图5是如图4中描绘的已从顶表面移开激光束并且细长的熔池已完全固化成激光焊接接头后的工件堆叠的横截面图；

图6是根据本公开的一个实施例的投射到工件堆叠的顶表面上的光束行进图案的图示，其为线性缝焊路径的形式；

图7是根据本公开的一个实施例的投射到工件堆叠的顶表面上的光束行进图案的图示，其为弯曲焊接路径的形式；

图8是根据本公开的一个实施例的投射到工件堆叠的顶表面上的光束行进图案的图示，其为周期性焊接路径的形式；

图9是类似于图1中所示的工件堆叠的横截面图，其中激光束已沿根据本发明的另一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其已固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头；

图10是类似于图1中所示的工件堆叠的横截面图，其中激光束已沿根据本发明的又另一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其已固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头；

图11是类似于图1中所示的工件堆叠的横截面图，其中激光束已沿根据本发明的还另一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其已固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头；

图12是类似于图1中所示的工件堆叠的横截面图，其中激光束已沿根据本发明的又另一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其已固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头；

图13是类似于图1中所示的工件堆叠的横截面图，同时激光束的束斑正沿根据本发明的一个实施例的光束行进图案推进以在工件堆叠内形成细长的熔池，其在冷却时固化成由再固化的固结的工件材料组成的激光焊接接头，并且其中工件堆叠包括三个金属工件而不是两个；并且

图14是如图13中描绘的已从顶表面移开激光束并且细长的熔池已完全固化成激光焊接接头后的工件堆叠的横截面图；

具体实施方式

所公开的激光焊接两个或多个堆叠的金属工件的方法涉及沿至少部分跨越工件堆叠的可触及的顶表面的弯曲的或成角度的一部分的光束行进图案推进激光束(并且特别是激光束的束斑)。本文使用的术语“成角度的”是指表面部分相对于顶表面的另一个邻接部分倾斜。在一组特定情况下，光束行进图案可位于顶表面的缺少平整性的两个或多个部分上；也就是说，投射到工件堆叠的顶表面上的光束行进图案占据了顶表面的不具有共同平面的两个或多个部分。当根据所公开的激光焊接方法沿光束行进图案推进激光束时，激光束的焦距保持恒定，这进而使激光束的束斑的形状和表面面积的变化最小化。通过以这种方式控制激光束，避免了沿光束行进图案的进入到工件堆叠中的热量输入的随之的向上和向下的波动。由根据所公开的方法的激光束形成的激光焊接接头具有一致的形状和微观结构，并因此具有良好的强度和其他机械性能。

可以通过包括扫描光学激光头的远程激光焊接设备来执行沿工件堆叠的顶表面上的光束行进图案的激光束的推进。扫描光学激光头可以容纳可变位光学部件，它们可以在各种简单和复杂的几何光束行进图案中相对于工件堆叠的顶表面并沿工件堆叠的顶表面移动激光束的束斑，同时还能够根据需要改变激光束的焦点位置。可以从各种来源商购获得总体上在图1中示出并在下面描述的扫描光学激光头42，以及构造稍微不同的其他激光头。一些值得注意的用于与远程激光焊接设备一起使用的扫描光学激光头的供应商包括HIGHYAG(德国，小马赫诺)和TRUMPF公司(美国，康涅狄格州，法明顿)。另外，承载扫描光学激光头的机器臂可以在工件堆叠的顶表面上方的三维空间中的多个轴上操纵激光头。

可以在各种工件堆叠配置上执行所公开的将两个或多个金属工件激光焊接在一起的方法。例如，所公开的方法可以与包括两个重叠金属工件的“2T”工件堆叠结合使用，或者它可以与包括三个重叠金属工件的“3T”工件堆叠结合使用。还进一步地，在某些情况下，所公开的方法可以与包括四个重叠金属工件的“4T”工件堆叠结合使用。包括在工件堆叠中的两个或多个金属工件可以例如都是钢制工件或者它们可以都是铝制工件，并且它们不一定必须具有相同的组成(在相同的贱金属类别内)或与堆叠中的其他工件具有相同厚度。无论工件堆叠是包括两个重叠金属工件还是多于两个的重叠金属工件，以基本相同的方式执行所公开的方法来实现相同的结果。通过调节工作激光束的特性，可以容易地适应工件堆叠配置的任何差异。

现在总体参考图1，示出了工件堆叠10，其中堆叠10至少包括第一金属工件12和第二金属工件14，它们重叠以限定焊接区域16。还示出了可以执行所公开的工件连接方法的远程激光焊接设备18。在焊接区域16的范围内，第一金属工件12和第二金属工件14分别提供了工件堆叠10的顶表面20和底表面22。工件堆叠10的顶表面20对远程激光焊接设备18可用，并且可通过从远程激光焊接设备18发出的激光束24来接触。并且由于仅需要单侧接触来进行激光焊接，因此不需要以相同的方式使工件堆叠10的底表面22可触及。本文使用的术语“顶表面”和“底表面”是标识堆叠10的更接近并面向远程激光焊接设备18的表面(顶表面)，以及堆叠10面向相反方向的表面(底表面)的相对指称。

工件堆叠10可仅包括第一金属工件12和第二金属工件14，如图1到图12中所示。在这些情况下，并且如图4中最佳所示，第一金属工件12包括外部外表面26和第一搭接表面28，并且第二金属工件14包括外部外表面30和第二搭接表面32。第一金属工件12的外部外表面26提供了工件堆叠10的顶表面20，并且第二金属工件14的外部外表面30提供了堆叠10的相对的底表面22。并且，至少在该实施例中，由于工件堆叠10中只存在两个金属工件12、14，第一金属工件12和第二金属工件14的第一搭接表面28和第二搭接表面32重叠并且在焊接区域16内面对面以产生搭接界面34。在其他实施例中，下面结合图13到图14描述其中一个实施例，工件堆叠10可以包括设置在第一金属工件12和第二金属工件14之间另外的第三金属工件，以使堆叠10在焊接区域16内具有三个金属工件而不是两个。

术语“搭接界面”在本公开中广泛使用，并且旨在涵盖第一金属工件12和第二金属工件14的面对面的第一搭接表面28和第二搭接表面32之间的可以适应实施激光焊接的广范围的重叠关系。例如，搭接表面28、32可以通过直接或间接接触来产生搭接界面34。当搭接表面28、32物理地邻接并且不被单独的中间材料层或超出正常组装公差范围的间隙分开时，它们彼此直接接触。当搭接表面28、32被诸如密封剂或粘合剂的单独的中间材料层分开时，它们间接接触(并因此不具有代表直接接触的界面邻接类型)，但是它们足够接近可以实施激光焊接。作为另一个示例，搭接表面28、32可以通过施加间隙进行分隔来产生搭接界面34。通过激光刻线、机械造窝或其他方式在搭接表面28、32中的一个或两个上形成突出特征，从而可以在搭接表面28、32之间施加这种间隙。突出特征保持了搭接表面28、32之间的间断接触点，它们使表面28、32在接触点之外和周围以最高1.0mm间隔开。

仍然参照图4，第一金属工件12包括第一金属基层36，并且第二金属工件14包括第二金属基层38。第一金属基层36和第二金属基层38优选地全部由钢或铝组成；即，第一金属基层36和第二金属基层38优选地都由钢或都由铝组成；第一金属基层36和第二金属基层38中的至少一个，并且通常是两个金属基层36、38都包括表面涂层40。出于各种原因可以将表面涂层40应用于金属基层36、38中的一个或两个上，包括防腐蚀、增强强度和/或改善加工等原因，并且表面涂层40的组成主要基于下面的金属基层36、38的组成。考虑到金属基层36、38及它们可选的表面涂层40的厚度，至少在焊接区域16内第一金属工件12的厚度121和第二金属工件14的厚度141中的每一个优选地在0.4mm到6.0mm的范围内。第一金属工件12和第二金属工件14的厚度121、141可以彼此相同或不同。

金属基层36、38可以采用落入广泛列举的钢和铝的基材金属组中的各种金属形式和组合物中的任何一种。例如，如果由钢组成，则金属基层36、38(暂称为第一钢基层36和第二钢基层38)中的每一个可以分别由多种钢中的任何一种组成，包括低碳(软)钢、无间隙原子(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、孪晶诱发塑性(TWIP)钢，以及硼钢，诸如当工件12、14包括压制硬化钢(PHS)时。此外，第一钢基层36和第二钢基层38中的每一个可以经过处理以获得特定的一组机械性能，包括经受热处理过程，诸如退火、淬火和/或回火。第一钢基层36和第二钢基层38可以热轧或冷轧至其最终厚度，并且可以预制成具有适合于组装到工件堆叠10中的特定轮廓。

存在于钢基层36、38中的一个或两个上的表面涂层40优选地由锌基材料或铝基材料组成。锌基材料的一些示例包括锌或锌合金，诸如锌-镍合金或锌-铁合金。可以使用的一种特别优选的锌-铁合金具有包括8重量％到12重量％的铁和0.5重量％到4重量％的铝，剩余(以重量％计)为锌的体平均组成。尽管可以通过热浸镀锌(热浸镀锌涂覆)、电镀锌(电镀锌涂覆)或镀锌退火(镀锌退火锌-铁合金)来施加通常厚度在2μm到50μm之间的锌基材料涂层，但是可以采用其他程序或所获得的涂层为其他厚度。合适的铝基材料的一些示例包括铝、铝-硅合金、铝-锌合金，以及铝-镁合金。虽然可以通过浸涂施加通常厚度为2μm到30μm的铝基材料涂层，但是可以采用其他程序或所获得的涂层为其他厚度。考虑到钢基层36、38及它们可选的表面涂层40的厚度，在焊接区域16内第一钢制工件12和第二钢制工件14中的每一个的总厚度优选地在0.4mm到4.0mm的范围，或者在0.5mm到2.0mm的更小范围内。

如果第一金属基层36和第二金属基层38由铝组成，则金属基层36、38(暂称为第一铝基层36和第二铝基层38)中的每一个可以单独由非合金铝或包含至少85重量％的铝的铝合金组成。可构成第一铝基层36和/或第二铝基层38的一些值得注意的铝合金是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金或铝-锌合金。另外，可以分别以锻造或铸造的形式提供每个铝基层36、38。例如，铝基层36、38中的每一个可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻制铝合金板层；挤压、锻造或其他加工制品；或4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可用作第一铝基层36和/或第二铝基层38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。可以使用各种热处理状态的第一铝基层36和/或第二铝基层38，包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。

存在于铝基层36、38中的一个或两个上的表面涂层40可以是耐火氧化物涂层，其由氧化铝化合物组成，诸如当来自铝基层36、38的新铝暴露于大气或一些其他含氧介质和/或氧化皮时形成的自然氧化物层。表面涂层40也可以是由锌或锡组成的金属涂层，或者其可以是由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如在美国专利申请第2014/0360986号中所公开的。表面涂层40(如果存在的话)的典型厚度可以是从1nm到10μm范围内的任何厚度，这取决于涂层40的组成和获得涂层40的方式，但是也可以采用其他厚度。例如，当下面的铝材料是铝合金时，被动形成的耐火氧化物涂层通常具有2nm到10nm的厚度。考虑到铝基层36、38及它们可选的表面涂层40的厚度，在焊接区域16内第一铝制工件12和第二铝制工件14中的每一个的总厚度优选地在0.4mm到6.0mm的范围内，或者在0.5mm到3.0mm的更小范围内。

返回参考图1，远程激光焊接设备18包括扫描光学激光头42。一般而言，扫描光学激光头42将激光束24的传输引导向工件堆叠10的顶表面20(也就是第一金属工件12的外部外表面26)。引导的激光束24具有束斑44，如图2到图3中所示，其是沿堆叠10的顶表面20定向的平面处的激光束24的截面积。扫描光学激光头42优选地安装到机器臂46(部分示出)上，该机器臂可以根据编程指令快速且准确地在堆叠10的顶表面20上方的三维空间中移动激光头42。与扫描光学激光头42结合使用的激光束24优选地为固态激光束，其工作波长在电磁波谱的近红外范围(通常认为是700nm到1400nm)内。另外，激光束24具有功率水平容量，如果需要的话，其能够获得足以在激光焊接接头形成期间在工件堆叠10内产生穿孔的功率密度。在重叠金属工件12、14内产生穿孔所需的功率密度通常在0.5-1.5MW/cm²之间，这取决于金属基层36、38的组成。

可以与远程激光焊接设备18结合使用的合适的固态激光束的一些示例包括光纤激光束、盘形激光束和直接二极管激光束。优选的光纤激光束是二极管泵浦激光束，其中激光增益介质是掺有稀土元素(例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等)的光纤。优选的盘形激光束是二极管泵浦激光束，其中增益介质是掺有稀土元素的薄激光晶体盘(例如，涂覆有反射表面的掺镱钇-铝石榴石(Yb:YAG)晶体)并安装有散热器。并且优选的直接二极管激光束是从多个二极管获得的组合激光束(例如，波长组合)，其中增益介质是多个半导体，诸如基于铝砷化镓(AlGaAS)或铟砷化镓(InGaAS)的半导体。能够产生这些类型的激光中的每一种的以及其他变型激光的激光发生器是可商购的。当然可以使用此处未具体提及的其他固态激光束。

扫描光学激光头42包括了反射镜48的布置，其可以操纵激光束24并从而沿工件堆叠10的顶表面20在至少部分地包围焊接区域16的操作范围内传送束斑44。这里，如图1中所示，由三维坐标系的“x”和“y”坐标标识工件堆叠10的顶表面20上的束斑44的操作范围内的位置。除了反射镜48的布置之外，扫描光学激光头42还包括z轴聚焦透镜50，其可以沿激光束24的纵轴54移动激光束24的焦点52(图2)，以从而在相同三维坐标系的z方向上改变焦点52的位置。此外，为了防止灰尘和碎屑对光学系统部件和激光束24的完整性产生不利影响，可以在扫描光学激光头42下方设置盖滑块56。盖滑块56保护反射镜48和z轴聚焦透镜50的布置不受周围环境的影响，同时使得能够从扫描光学激光头42发出激光束24而不受到实质干扰。

反射镜48和z轴聚焦透镜50的布置在远程激光焊接设备18操作期间进行协作，以指定激光束24及其束斑44在操作范围内的所需运动以及沿激光束24的纵轴54的焦点52的位置。更具体地，反射镜48的布置包括一对可倾斜的扫描镜58。每个可倾斜扫描镜58安装在检流计60上。两个可倾斜的扫描镜58可以通过由检流计60执行的精确调整的倾斜运动相对于操作范围的x-y参考平面移动束斑44的位置(并从而改变激光束24与工件堆叠10相交的点)。同时，z轴聚焦透镜50控制激光束24的焦点52的位置，以帮助以正确的功率密度施加激光束24。所有这些光学部件50、58可以在几毫秒或更短的时间内快速变位，以使激光束24的束斑44相对于工件堆叠10的顶表面20沿如投射到顶表面20上的简单或复杂几何形状的光束行进图案推进，同时控制焦点52的位置。

区分远程激光焊接和其他常规形式的激光焊接的特征是激光束24的焦长。这里，如图1中所示，激光束24具有焦长62，测量焦点52和最后的可倾斜扫描镜58之间的距离作为焦距，该扫描镜在激光束24离开扫描光学激光头42之前截断并反射激光束24。激光束24的焦长62优选地在0.4米到2.0米的范围内，焦点52的直径通常在100μm到700μm的范围内。可以容易地调节焦长以及焦距64。本文使用的术语“焦距”是指激光束24的焦点52和工件堆叠10的顶表面20之间沿激光束24的纵轴54的距离，如图2中最佳所示。因此当焦点52位于堆叠10的顶表面20处时，激光束24的焦距64为零。

术语“焦点位置”与激光束24的焦距64相关，并且限定了焦点52相对于工件堆叠的顶表面定位的位置。无可否认，当激光束24的焦点52定位于工件堆叠10的顶表面20处时，激光束24的焦点位置为零(或“0”)，并且在逻辑上，如上所述焦距64也为零。当激光束24的焦点52位于工件堆叠10的顶表面20上方时，激光束24的焦点位置是报告为正值(+)的焦距64。类似地，当激光束24的焦点52位于工件堆叠10的顶表面20下方时，激光束24的焦点位置是报告为负值(-)的焦距64。因此，激光束24的焦点位置不仅给出了对焦距64的指示，还给出了对沿激光束24的纵轴54的方向的指示，沿该方向焦点52位移远离工件堆叠10的顶表面20。换句话说，激光束24的焦点位置的绝对值就是焦距64。

激光束24从扫描光学激光头42发出并且以入射角66引导向工件堆叠10的顶表面20。如图2中最佳所示，入射角66是光束24的纵轴54偏离垂直于顶表面20的线性方向68的角度。因此，当激光束24的纵轴54垂直于的顶表面20并平行于垂直线性方向68定向时，入射角66为0°。然而在其他实施例中，激光束24的入射角66在激光束24沿顶表面20的光束行进图案推进期间可以以任何方向偏离垂直，如箭头70和相应的虚线所示。入射角66的实现值影响了激光束24的束斑44的形状和表面积。例如，对于典型的高斯光束，当入射角66为0°时，激光束24的束斑44是圆形的，并且入射角66远离0°的任何变化都导致束斑44变得更为椭圆；实际上，随着入射角66在相对于垂直的任何方向上增加，表示了椭圆形状偏离圆的程度的束斑44的偏心率(ε)也增加。

在工件堆叠10的顶表面20包括弯曲的或成角度的部分时，当激光束24沿顶表面20的该部分推进时，根据常规的激光焊接实践(其中随着束斑44相对于顶表面20移动，激光束24的焦点64基本上保持在水平平面中)，激光束24的焦距64和/或入射角66发生改变。与在特定弯曲的或成角度的表面部分上的光束行进图案的其他部分相比，激光束24的焦距64的变化导致束斑44的表面积增加(激光束24的散焦)或减少(激光束24的聚焦)。当在沿光束行进图案的某些点处的激光束24的聚焦和/或散焦分别导致熔化太多或熔化不充分时，其会导致热输入变化。因此，在熔化的工件材料固化时产生的激光焊接接头的质量和结构完整性可能受到影响。当激光束24沿顶表面20的弯曲的或成角度的部分推进时由于入射角66的变化而可能发生的对束斑44的表面积的影响通常被认为是可忽略的，因为任何这样的对束斑44的表面积的影响与归因于激光束24的焦距64的变化的影响相比是无关紧要的。

为了解决由束斑44的表面积中不希望的实质偏差引起的加热不一致的问题，并从而使得能够在沿顶表面20的弯曲的或成角度的一部分并且沿顶表面20的缺少平整性的多个部分推进激光束24的同时一致且重复地形成激光焊接接头，在激光束跟踪光束行进图案时控制扫描光学激光头42的光学部件50、58和机器臂46以保持激光束24的焦距64恒定。无论激光束24是仅沿顶表面20的弯曲的部分推进、仅沿顶表面20的成角度的部分推进，或者沿顶表面的缺少平整性且任何一个都可弯曲或成角度的两个或多个部分推进，保持激光束24的焦距64恒定的相同的一般做法都适用。下面更详细地描述该概念的几个实施例。

在本公开的激光焊接方法的一个特定实施例中，并且现在参照图1到图5，通过沿光束行进图案74推进激光束24的束斑44在工件堆叠10中形成激光焊接接头72(图5)，该光束行进图案在焊接区域内被投射到并且至少部分地跨越顶表面20的缺少平整性的两个或多个部分。例如，并且现在参考图1和图4，该特定实施例中所示的顶表面20包括第一部分20'和第二部分20”。第一部分20'是平面的并位于第一延伸平面76中，并且第二部分20”是弯曲的，即它远离第一部分20'成弧形。具体地，在该实施例中，第二部分20”在第一延伸平面76下方远离第一部分20'向下成弧形。尽管此处示出的顶表面20的第二部分20”在第一部分20'的第一延伸平面76下方弯曲远离顶表面20的第一部分20'，工件堆叠10的其他变化可以使顶表面20的第二部分在第一延伸平面76上方弯曲远离第一部分20'。在任一情况下，以大致相同的方式实施所公开的激光焊接方法以实现相同的结果。

由激光束24描摹的光束行进图案74可以采用至少占据工件堆叠10的顶表面20的第一部分20'和第二部分20”的各种几何形状中的任何一种。如图1中所示并且在图6中更具体地示出，例如，光束行进图案74可以是线性“缝焊”焊接路径。线性缝焊路径是在二维参考平面80中直接在最短可能距离上的两个点之间延伸并且投射到工件堆叠10的顶表面20上的焊接路径。也就是说，即使它在顶表面20上的投影由于第一部分20'和第二部分20”缺少平整性而产生焊接路径的平面外高度变化，线性缝焊路径仍然被认为是线性的。光束行进图案74可以被限制在顶表面20的第一部分20'和第二部分20”中，或者其可以延伸穿过第一部分20'和第二部分20”中的一个或两个都穿过。

用于光束行进图案74的几个其他替代的几何形状在图7到图8中示出。例如，如图7中所示，光束行进图案74可以是弯曲焊接路径。弯曲焊接路径是沿在上面讨论的相同的二维参考平面80中的两个点之间的弧形线(包括例如所示的“订书钉”或C形焊接路径)并且投射到工件堆叠10的顶表面20上的焊接路径。在又另一个示例中，光束行进图案74可以是包括了循环波形段的周期性焊接路径，这些波形段在上面讨论的相同的二维参考平面80中的两个点之间以规则间隔重复波形，并且投射到工件堆叠10的顶表面20上。周期性焊接路径的一些示例包括正弦波形焊接路径(如图8中所示)、锯齿波形焊接路径、三角波形焊接路径，以及方波形焊接路径。还进一步地，光束行进图案74可采用其他形状，诸如圆形焊接路径或一系列同心圆形焊接路径、椭圆形焊接路径或一系列同心椭圆形焊接路径，或者螺旋形焊接路径，仅举几个另外的选项。

当激光束24由扫描光学激光头42引导到工件堆叠的顶表面20处时，激光焊接接头72开始在光束行进图案74的起点86处形成。起点86可以位于顶表面20的第一部分20'中，如此处所示，但是其也可以位于顶表面20的第二部分20”中，或者甚至在第一部分20'和第二部分20”之外的其他地方。由激光束24对堆叠10的顶表面20的产生的冲击在堆叠10内产生熔融金属焊池88，如图2中所示。熔融金属焊池88从顶表面20朝底表面22穿透进入堆叠10，同时与在第一金属工件12和第二金属工件14之间产生的搭接界面34相交。实际上，在此处所示的2T堆叠中，熔融金属焊池88可以部分地或完全地穿透工件堆叠10。如图所示，完全穿透的熔融金属焊池88完全穿透工件堆叠10并且破坏堆叠10的底表面22，而部分穿透的熔融金属焊池88不完全延伸穿过第二金属工件14，并因此不会破坏堆叠10的底表面22。

此外，激光束24优选地具有足以直接在束斑44下方使工件堆叠10的金属工件12、14蒸发的功率密度。这种蒸发作用产生穿孔90，也在图2中描绘，其是汽化工件金属柱，通常含有等离子体。穿孔90形成在熔融金属焊池88内并被其包围，并且通过从蒸发金属获得的克服熔融金属焊池88的表面张力和流体静压力的反冲压力持续抵抗向内的塌陷。穿孔90为激光束24提供导管，以将能量向下输送到工件堆叠10中，从而促进熔融金属焊池88相对深且窄地穿透到工件堆叠10中。实际上，类似于熔融金属焊池88，穿孔90从顶表面20朝底表面22穿透进入工件堆叠10中，同时与在第一金属工件12和第二金属工件14之间产生的搭接界面34相交。穿孔90可以与熔融金属焊池88一起完全(如图所示)或部分地穿透工件堆叠10。在许多情况下，0.5MW/cm²到1.5MW/cm²的功率密度足以产生穿孔90。

在形成熔融金属焊池88并且优选地形成穿孔90时，激光束24(并且特别是其束斑44)沿光束行进图案74以从图案74的起点86向图案74的终点94的前向焊接方向92相对于工件堆叠10的顶表面20推进，如图1和图4中所示。这样一来，如上所述，由于光束行进图案74的一个部分74'位于第一部分20'上并且光束行进图案74的另一部分74”位于第二部分20”上，因此激光束24沿顶表面20的第一部分20'和第二部分20”推进。为了有助于产生根据所公开的方法的坚固且操作上可接受的激光焊接接头72，随着激光束24沿顶表面20的第一部分20'和顶表面20的第二部分20”推进，在跟踪光束行进图案74的同时保持束斑44的焦距64恒定。为此，当激光束24从顶表面20的第一部分20'移动到第二部分20”时，焦距64不会改变，或反之亦然，焦距64的变化不大于±0.3mm，或范围更小，变化不大于±0.1mm。由图4中的参考标记96标识的虚线示出了当激光束24沿顶表面20的部分20'、20”推进时具有恒定焦距64的焦点52的移动。

通过在激光束在顶表面20的第一部分20'和第二部分20”上描摹光束行进图案74时保持激光束24的焦距64恒定，使束斑44的表面积中的相应偏差被最小化。束斑44的稳定的恒定表面积可以帮助避免在沿光束行进图案74的各个点处的进入工件堆叠10中的热输入的随之的向上和向下的波动，这是在激光束24的给定功率水平和行进速度下所期望的。通过协调控制扫描光学激光头42的光学部件50、58以及通过机器臂46的扫描光学激光头42在工件堆叠10的顶表面20上方的空间中的运动(如果需要的话)，使焦距64保持恒定。可以将扫描光学激光头42的操作和控制及其运动编程到伴随控制设备中，包括扫描器、激光器和机器人控制器。

在激光束24沿光束行进图案74推进期间激光束24的焦距64的维持的特定值落入特定可用范围内。在某些情况下，例如，焦距64可以位于顶表面20上方或下方的0mm到20mm之间，这对应于-20mm到+20mm的焦点位置范围，并且入射角66可以在0°到45°之间，其与垂直线性方向68相对于前向焊接方向92向前(拉动光束布置)或向后(推动光束布置)的垂直偏差最高为45°。然而，优选地，焦距在顶表面20上方0mm到10mm之间，其对应于0mm到+10mm的焦点位置范围，并且入射角在0°到30°之间，其与垂直线性方向68向前或向后垂直偏离。就影响焊接过程的激光束24的其他特性而言，激光束24的功率水平可以在1.0kW到10kW的范围之间(或者在从2.0kW到6.0kW的更小范围内)，同时以1.0m/min到100m/min的范围内的行进速度(或者为3.0m/min到50m/min的更小范围内)沿光束行进图案74推进。

激光束24沿光束行进图案74的推进(在此期间焦距64保持恒定)使熔融焊池88和穿孔90(如果存在的话)穿过工件堆叠10沿相似于光束行进图案74的路线平移。这使得熔融焊池88随着激光束24向前运动而变长，以形成含有穿透的熔融工件材料的细长的熔池98。细长的熔池98足够深地穿入或穿过工件堆叠10，使得其与在第一金属工件12和第二金属工件14之间产生的搭接界面34相交。在图4中例如，细长的熔池98显示为完全穿透工件堆叠10。然而在其他实施例中，细长的熔池98可以部分地穿透工件堆叠10但仍然与搭接界面34相交，因此其意味着熔池98完全横穿第一金属工件12的厚度121但仅部分地横穿第二金属工件14的厚度141。随着激光束24继续沿光束行进图案74推进，细长的熔池98开始在与激光束24的前向运动相同的方向上冷却并固化成固结的再固化工件材料100。表示细长的熔池98内的这种固化过程的固化前沿102总体上在图4中示出。

一旦激光束24的束斑44已完成对光束行进图案74的描摹，则在光束行进图案74的位置处从工件堆叠10的顶表面20移开激光束24。这可以通过停止激光束24到工件堆叠10的传输或者简单地将激光束24重新定位到焊接位置外部的顶表面20的另一区域来完成。由此产生的能量和热传递的终止使得细长的熔池98能够完全固化成固结的再固化工件材料100，如图5中所示。由激光束24获得的固结的再固化工件材料100构成了激光焊接接头72。激光焊接接头72完全延伸穿过或部分地延伸到工件堆叠10中，这取决于前面的细长的熔池98的穿透深度。也就是说，激光焊接接头72从第一金属工件12延伸到第二金属工件14中(或者更具体地从堆叠10的顶表面20朝底表面22延伸)，同时与搭接界面34相交，从而使金属工件12、14自发地熔合在一起。固结的再固化工件材料100具有一致的形状和微观结构，其至少部分地归因于沿光束行进图案74的受控推进激光束24。

在上述示例实施例中，工件堆叠10的顶表面20包括平面的第一部分20'和弯曲的第二部分20”，并且光束行进图案74占据顶表面20的这些部分20'、20”中的每一个。本公开的激光焊接方法不仅限于该特定表面配置。例如，如图9中所示，由参考标记110标识的另一种形式的工件堆叠的顶表面120可包括平面的并且位于第一延伸平面176中的第一部分120'，与先前的实施例非常相似，以及也是平面的并且位于第二延伸平面178中的第二部分120”。如图所示，顶表面120的第二部分120”远离顶表面120的第一部分120'向下成角度，但也可以远离第一部分120'向上成角度。在该实施例中，以与前述相同的方式形成激光焊接接头172，唯一的区别在于激光束24沿顶表面120的两个平面部分120'、120”推进，同时描摹光束行进图案74而不是平面部分20'和弯曲部分20”。此处，在图9中，通过理解上面结合图1到图8关于激光束24的推进和焊接接头的形成进行的讨论同样适用于此处，以虚线示出了导致形成激光焊接接头172的激光束24的先前推进。

在另一个示例中，如图10中所示，由参考标记210标识的又另一个形式的工件堆叠的顶表面220可包括平面的并且位于第一延伸平面276中的第一部分220'、弯曲的并且在第一延伸平面276下方向下远离第一部分220'成弧形的第二部分220”，以及平面的并且位于第二延伸平面278中的并从第二部分220”向外延伸的第三部分220”'。当然，在替代的实施方式中，尽管此处没有具体示出，但是第二部分220”可以向上远离第一部分220'朝向第三部分220”'成弧形。再一次，在该实施例中，以与前述相同的方式形成激光焊接接头272，唯一的区别在于激光束24沿顶表面220的两个平面部分220'、220”'和弯曲部分220”推进，同时描摹光束行进图案74而不是平面部分20'和弯曲部分20”。此处，在图10中，通过理解上面结合图1到图8关于激光束24的推进和焊接接头的形成进行的讨论同样适用于此处，以虚线示出了导致形成激光焊接接头272的激光束24的先前推进。

上面关于图1到图10讨论的实施例涉及光束行进图案74至少部分地横跨工件堆叠10、110、210的顶表面20、120、220的缺少平整性的两个或多个部分铺开的情况。然而在所公开的激光焊接方法的其他应用中，光束行进图案74可以仅位于顶表面的弯曲的部分或仅位于顶表面的成角度的部分上。例如，如与图1和图4相关的图11中所示，光束行进图案74可以仅位于顶表面20的第二部分20”上，这意味着仅在形成激光焊接接头372期间描摹光束行进图案74时激光束24才沿弯曲的顶表面部分20”推进。在另一个示例中，如与图1和图4相关的图12中所示，光束行进图案74可以仅位于顶表面120的第二部分120”上，这意味着仅在形成激光焊接接头472期间描摹光束行进图案74时激光束24才沿成角度的顶表面部分120”推进。在刚刚讨论的每个实施例中，通过理解上面结合图11到图12关于激光束24的推进和焊接接头的形成进行的讨论同样适用于此处，以虚线示出了导致形成激光焊接接头372、472的激光束24的先前推进。

在工件堆叠10的实施例的上下文中已经对图1到图12进行了描述，该堆叠包括产生单个搭接界面34的两个重叠金属工件12、14。当然，如图13到图14中所示，所公开的激光焊接方法也可以在工件堆叠510上实施，该堆叠包括位于第一金属工件12和第二金属工件14之间的另外的第三金属工件504，其厚度为5041。第三金属工件504(如果存在的话)包括第三金属基层506，该金属基层也可以涂覆有表面涂层40(如图所示)。第三金属工件504在许多一般方面与第一金属工件12和第二金属工件14类似，并且因此，上面对第一金属工件12和第二金属工件14的描述(特别是金属基层的组成，它们可能的表面氧化物涂层和工件厚度)完全适用于第三金属工件504。现在由第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件504中的所有的共同重叠的程度限定工件堆叠510的该实施例中的焊接区域16。

作为以重叠方式堆叠第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件504以提供工件堆叠510的结果，并且如图13中最佳所示，第三金属工件504具有两个搭接表面：第三搭接表面508和第四搭接表面509。第三搭接表面508与第一金属工件12的第一搭接表面28重叠并面对面，并且第四搭接表面509与第二金属工件14的第二搭接表面32重叠并面对面。在焊接区域16内，第一金属工件12和第三金属工件504的面对面的第一搭接表面28和第三搭接表面508产生第一搭接界面534，并且第二金属工件14和第三金属工件504的面对面的第二搭接表面32和第四搭接表面509产生第二搭接界面634。这些搭接界面534、634是相同类型的并且包含与上面关于图1到图12中所示的2T堆叠实施例描述的搭接界面34相同的属性。因此，在该实施例中，置于侧面的第一金属工件12和第二金属工件14的外部外表面26、30仍然在相反的方向上彼此背离并且构成了工件堆叠310的顶表面20和底表面22。

由参考标记520标识的工件堆叠510的顶表面包括缺少平整性的两个或多个部分。在此处描绘的实施例中，顶表面520包括第一平面部分520'和第二弯曲部分520”，如前面关于图1和图4中所示的实施例所描述的那样，它们具有相同的关系和相对布置。因此对第一部分20'和第二部分20”的相关讨论同样适用于此处，唯一的例外是存在三个重叠金属工件12、504、14而不是两个重叠金属工件12、14。当然，在其他实施例中，工件堆叠510的顶表面520可以类似于图9到图12中所示的工件堆叠110、210的顶表面或缺少平整性的表面部分的任何其他布置。所公开的激光焊接方法可以在“3T”工件堆叠510上实施，来用如上面关于“2T”工件堆叠10、110、210描述的相同的一般方式形成激光焊接接头572。

具体地，为了形成激光焊接接头572，激光束24可沿焊接区域16内的光束行进图案推进，该光束行进图案被投射到顶表面520的第一部分520'和第二部分520”上并且至少部分地跨越它们，或者类似于前面的实施例仅投射到并至少部分地跨越顶表面520的弯曲的或成角度的部分，同时保持焦距64恒定。激光束24沿光束行进图案74的推进使熔融焊池88和穿孔90(如果存在的话)穿过工件堆叠510沿相似于光束行进图案74的路线平移。得到的细长的熔池98足够深地穿入或穿过工件堆叠510(完全地(如图所示)或部分地)，使其与在第一金属工件12、第三金属工件504和第二金属工件14之间产生的每个搭接界面534、634相交，如图13中所示。随着激光束24继续沿光束行进图案74推进，细长的熔池98开始在与激光束24的前向运动相同的方向上冷却并固化成固结的再固化工件材料100。一旦激光束24的束斑44完成了对光束行进图案74的描摹，就在光束行进图案74的位置处从工件堆叠510的顶表面520移开激光束24，并且细长的熔池98完全固化成固结的再固化工件材料100，如图14中所示，以获得激光焊接接头572。

对优选示例性实施例和特定示例的上述描述本质上仅仅是描述性的；它们不旨在限制以下权利要求书的范围。所附权利要求书中使用的每一个术语应被赋予它的普通和习惯的意义，除非在说明书中另有明确且明白地陈述。

Claims (10)

1.一种激光焊接包括限定了焊接区域的至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法，在该区域中，所述工件堆叠的顶部可触及表面的至少一部分是弯曲的或成角度的，所述方法包含：

提供包括了重叠金属工件的工件堆叠，所述重叠金属工件至少包含第一金属工件和在所述焊接区域中与所述第一金属工件重叠的第二金属工件，所述第一金属工件提供在所述焊接区域内的所述工件堆叠的顶表面，并且所述第二金属工件提供在所述焊接区域内的所述工件堆叠的底表面，其中所述顶表面的至少一部分是弯曲的或成角度的；

将激光束引导到所述焊接区域内的所述工件堆叠的所述顶表面处，所述激光束在所述工件堆叠的所述顶表面处具有束斑，并且在所述工件堆叠内产生与在所述工件堆叠内产生的每个搭接界面相交的熔融金属焊池。

沿至少部分地位于所述顶表面的弯曲的或成角度的所述部分上的光束行进图案推进所述激光束的所述束斑，以形成在冷却时固化为再固化的固结工件材料的细长的熔池，来提供自发地熔合来将所述工件堆叠中的所述金属工件焊接在一起的激光焊接接头；并且

当所述激光束沿所述顶表面的弯曲的或成角度的所述部分推进同时跟踪所述光束行进图案时，保持所述激光束的焦距恒定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述光束行进图案完全投射到所述顶表面的弯曲部分上，并且其中当所述激光束在沿所述顶表面的所述弯曲部分推进的同时描摹所述光束行进图案时，所述激光束的所述焦距保持恒定。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述光束行进图案完全投射到所述顶表面的成角度的部分上，并且其中当所述激光束在沿所述顶表面的所述成角度的部分推进的同时描摹所述光束行进图案时，所述激光束的所述焦距保持恒定。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述光束行进图案投射到所述顶表面的缺少平整性的两个或多个部分上，并且其中当所述激光束在沿所述顶表面的所述两个或多个部分推进的同时描摹所述光束行进图案时，所述激光束的所述焦距保持恒定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中缺少平整性的所述两个或多个部分包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，其中所述第二部分是弯曲的并且远离所述第一部分成弧形，并且其中所述光束行进图案的至少一部分被投射到所述顶表面的所述第一部分和所述第二部分中的每一个上。

6.根据权利要求4所述的方法，其中缺少平整性的所述两个或多个部分包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，其中所述第二部分是平面的并且位于第二延伸平面中并且相对于所述第一部分成角度，并且其中所述光束行进图案的至少一部分被投射到所述顶表面的所述第一部分和所述第二部分中的每一个上。

7.根据权利要求4所述的方法，其中缺少平整性的所述两个或多个部分包括第一部分、第二部分和第三部分，其中所述第一部分是平面的并且位于第一延伸平面中，其中所述第二部分是弯曲的并且远离所述第一部分成弧形，其中所述第三部分是平面的并且位于第二延伸平面中并且进一步从所述第二部分向外延伸，并且其中所述光束行进图案的至少一部分被投射到所述顶表面的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分中的每一个上。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件堆叠中的所有所述金属工件都是钢制工件，其中至少一个所述钢制工件包含锌基表面涂层，或者其中所述工件堆叠中的所有所述金属工件都是铝制工件，其中至少一个所述铝制工件包含耐火氧化物表面涂层。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述焦距保持恒定在0mm到20mm的范围内。

10.一种激光焊接包括限定了焊接区域的至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法，在该区域中所述工件堆叠的顶部可触及表面的两个或多个部分缺少平整性，所述方法包含：

提供包括了重叠金属工件的工件堆叠，所述重叠金属工件至少包含第一金属工件和在焊接区域中与所述第一金属工件重叠的第二金属工件，所述第一金属工件提供在所述焊接区域内的所述工件堆叠的顶表面，并且所述第二金属工件提供在所述焊接区域内的所述工件堆叠的底表面，其中所述工件堆叠的所述顶表面的两个或多个部分缺少平整性；

沿至少部分地投射到所述顶表面的缺少平整性的所述两个或多个部分上的光束行进图案推进激光束的束斑，以紧随着激光束形成细长的熔池，所述细长的熔池从所述顶表面朝所述底表面穿透所述工件堆叠并与所述工件堆叠内产生的每个搭接界面相交；

当所述激光束在沿所述顶表面的缺少平整性的所述两个或多个部分推进的同时描摹所述光束行进图案时，保持所述激光束的焦距恒定；并且

从所述工件堆叠的所述顶表面移开所述激光束，以使得所述细长的熔池完全固化成从所述第一金属工件延伸到所述第二金属工件中的激光焊接接头，以自发地熔合来将所述工件堆叠的所述重叠金属工件焊接在一起。