CN1095716C - 镀层钢板的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连接两块钢板的方法，其中至少一块钢板具有低熔点的镀层，特别是镀锌层。为了给形成的锌蒸汽提供一个排气区，本发明提出在焊接前将钢板的焊缝区按一个锐角(α)叠接摆放，而且焊缝为角焊缝(26)。此外，本发明对板件要焊接的端面进行修边，以便在沿修边的钢板切边上形成许多齿。这些齿构成垂直于焊接方向延伸的排气槽，有利于锌蒸汽的排出。最后，本发明提出用第二激光束对上面的板件的自由边倒圆而形成第二道焊缝，从而有利于均匀的喷漆层。

Description

镀层钢板的激光焊接方法和板件
技术领域
本发明涉及一种用激光焊缝连接两块钢板的方法，其中，至少一块钢板有低熔点镀层。这里所谓低熔点是指熔点明显低于钢的熔点。本发明特别涉及在汽车工业中用于车身制造的镀锌钢板的激光焊接方法。
此外，本发明还涉及一种板件特别是至少由两块薄板件组成的并用本发明焊缝连接的车身构件。
现有技术
用一条激光焊缝连接两块钢板的焊接方法是工业上特别是汽车工业最重要的连接方法。在镀有熔点明显低于钢熔点的防腐蚀金属的钢板上生产高质量的焊缝是困难的。例如镀锌钢板在焊接过程中锌首先熔化并部分汽化，由此产生的汽泡对焊缝形成过程中不断形成的钢熔池造成干扰。这样，例如就会在焊缝中出现弧坑、喷出物和其他不一致性。镀层钢板激光焊接出现的上述问题在文献中的关键词叫做“排气问题”。
已经提出了各种不同的方法来解决这个排气问题。欧洲专利EP-PS 0 178 394 B1提出一种方法是，两块以搭接接头形式摆放的要焊接的钢板通过钢板的适当形状使焊接区与外界至少保持一个通气口。这一先有技术提出的方法是，激光束对准搭接接头的第一块钢板的表面，使它首先熔透，在如此多的能量输入熔液之前，熔池也达到第二块钢板，也可以说下面的一块钢板。这种方法的缺点是，钢板的熔透必须使用大功率的激光束。此外，该方法不可能将两块相互要连接的钢板的一块直接在它的切边范围焊接，因为所提出的用来产生排气室亦即出气孔的构形在流动方向不可能装配夹具。但这正是自动化工业焊缝生产必不可少的。
为了解决上述排气问题，德国专利DE-PS 38 12 448 C1提出将两块镀层薄钢板的连接范围加工成使两块薄钢板沿焊缝叠接具有不同的曲率半径，而且焊缝两侧相距一定的距离。这种也称作“吻焊”的技术同样也是以使用大功率的激光束为先决条件，因为在形成的熔池达到下面的钢板之前，同样必须熔透上面的钢板。此外，在自动化生产过程中激光束的定位特别困难，因为，为了可利用两块重叠钢板构形的优点必须焊接的精确位置是很敏感的。用公知的光学导向方法也不可能定出激光束的精确理论位置。此外，这种方法必须精确保持曲率半径，否则就不能达到所追求的优点，这也是不利的。保持要求的曲率半径所需的工具公差当工具的使用寿命到期时由于工具的磨损而超差，所以又会降低工业生产焊缝的质量。
此外，上面最后提及的“吻焊”技术与前面讨论的方法一样有一个特大的缺点，即焊缝不能直接沿两块钢板的一块板边产生，而这正是车身结构所希望的焊缝，特别是出于外观上的原因。
德国专利DE-OS 35 15 598提出两块薄钢板的连接位置是，用一条激光焊接的角焊缝来连接两块重叠放置的钢板的平行接头。这种方法也有上述的缺点，即在镀锌钢板时焊缝不令人满意。
德国专利DE-PS 39 09 471 C1讨论了激光焊接镀层钢板时的排气问题，该文提出在搭接焊接镀层钢板特别是镀锌钢板时在焊缝范围内的工件上滚花。且不说该文没有向技术人员指出如何沿钢板的一块板边的施焊问题，单是提出的在要焊接钢板上的滚花工序本身是费用很高的，特别是在工业大批生产范围内，这种费用高到不可接受。
前述欧洲专利EP-PS 0 178 394 B1也在图4中提出两块钢板的搭接接头用激光束熔透并进行一段锯齿形滚花，从而形成平行于焊缝方向延伸的槽。这种槽或锯齿形或由此构成的滚花显然不适用于解决在一块钢板沿着它的切边与第二块钢板连接时出现的排气问题。
发明内容
所以，本发明的任务在于，改进上述连接两块钢板的方法，其中，至少一块钢板具有低熔点的镀层，例如为镀锌钢板，这种方法使激光焊缝可沿一块钢板的切边形成，而且形成的焊缝具有最好的质量。
本发明的另一个任务是，提出一种用于深拉板件特别是车身构件的修边方法，板件沿切边用一条激光束-角焊缝与第二板件连接，并用两个相互剪切运动的切刀进行修边，而且把一块板件的切边构成使它放到第二块板件上时能够生产第一流的激光焊缝，或者进一步改进本发明第一任务提出的方法。
本发明第一任务的技术解决方案的特征是：相互要连接的钢板在焊接前将焊缝范围按一锐角叠接摆放，并使焊缝构成角焊缝。
其中两决钢板之间焊缝范围的夹角最好介于7°和15°之间。所述的方法特别适用于汽车工业用深拉板件生产车身坯件，按本发明方法用一条激光焊缝将板件与车身构件相互连接，在板件设计时，沿端面要焊接的板件在与焊接邻接的焊缝区内的成型刚度是在考虑到另一块沿表面要焊接的钢板的情况下这样设计的，即在用一个夹紧装置夹住两块板件时，在将来的焊缝范围内板件之间形成一个介于7°和15°之间的锐角。
沿端面要焊接的板件在下面不论它的实际位置如何，统称为“上面”或“第一”板件，而配合件，即在其表面上要焊接的板件在下面不论它的实际位置如何，则统称为“下面”或“第二”板件。
换言之，例如由深拉压力机加工的第一板件的边缘范围按上述锐角进行大约1至11/2厘米宽的卷边，以便在放到第二板件的表面上时和在用夹紧装置夹紧时总是保持介于7°和15°之间的要求锐角。这个角度起排气区的作用，并保证镀锌层以气体的形式排出，而不对要形成的角焊缝的熔池造成干扰。
用本发明方法可直接在第一板件的切边上形成第一流质量的激光焊缝而具有各种优点。特别是车身结构由于美观的原因要求这样的焊缝。另外，焊缝位置直接在第一板件的切边上而可实现焊接过程的完全自动化。即激光束可用直接位于第一板件切边上的光学导向装置找正，例如可设置一个光学样板投影到切边上，例如五条相互平行设置的矩形带。由于通过切边在投影方面内构成的偏移使投影的样板产生特殊的畸变，这表示一个信息，它可用来对产生角焊缝的激光束导向。
所述的夹紧装置可与焊缝量规集成一体。这种焊缝量规例如在汽车车身毛坯生产中在生产汽车车身的门或盖时使用。
本发明的第二方面，提出一种作为上面的或第一板件的深拉板件的修边方法，这第一板件沿切边用一条激光束-角焊缝与第二板件连接，其中，修边用两个相互作前切运动的切刀进行，并在至少一把切刀的刀刃上设置有本发明的切口，所以沿修边的板件的切边上形成许多齿。根据本发明的方法，还在切割过程中也即在一道必须的加工工序中就在钢板的切边上形成了在把它放到第二板件的表面上时构成垂直于焊接方向延伸的排气槽，而不需要单独的加工工序。试验表明，通过这样处理的切边，即使在把两块钢板按搭接接头的形式相互平行摆放时，也能在两块钢板上生产质量一流的角焊缝。
但把提出的措施与本发明第一任务的技术解决方案结合起来则特别有利，也即相互焊接的钢板在焊接范围内按锐角叠接摆放，并附加考虑到使贴到第二板件表面上的第一板件的切边成段构成排气槽，即按本发明修边方法在第一或上面板件的切边上制造许多齿。
在一个优选的结构形式中，要焊接的板件即第一或上面的板件的端面上修边形成的齿高介于5/100和5/10毫米之间。结果表明了分段存在的间隙亦即垂直于焊接方向延伸的排气槽只具有5/100毫米的高度就足能解决上述的排气问题，特别是在朝焊缝板端方向设置有例如本发明提出的锐角构成的排气空间时。
在本发明另一种优选结构形式中，通过对下面的、即要焊接的切边上光学导向的激光束、即通过对倾斜接头产生角焊缝的激光束同步跟踪的第二激光束对准上面的、即要焊接的钢板端面的自由边，从而使该自由边倒圆。如果相互焊接的钢板象在汽车车身时那样需要喷漆，这样的倒圆则具有极大的优越性。亦即没有这样的倒圆就会导致所谓的“喷漆流走”，亦即喷漆由于它的表面张力或其他内分子的力从尖锐的边缘拉回，这就会导致只有了微米的极薄漆层。这样薄的漆层没有足够的防腐蚀作用，特别是在汽车制造中是不希望出现这种情况的。
用掺钕钇铝石榴石激光器来产生激光束是特别有利的。这种激光器结构具有这样的优点，即产生一微米的波长可通过玻璃纤维光缆传导，并可通过玻璃透镜或别的透射物质作成的透镜聚焦。这样用于产生角焊缝就特别简单，因为这种焊缝往往必须在位置受限的条件下进行焊接。
附图说明
下面结合附图所示的实施例来详细说明本发明。附图是：
图1表示本发明两块按锐角叠接摆放的钢板；
图2表示按先有技术搭接接头摆放的两块钢板；
图3表示通过汽车车身的车顶通风孔道的一段横截面；
图4表示按本发明方法作焊缝准备对钢板修边用的一个切刀；
图5表示图4带有切口的切刀的另一种结构形式；
图6表示附加切边倒圆的本发明焊缝；
图7表示没有倒圆的本发明焊缝的截面图；
图8表示喷漆后的图6焊缝；
图9表示喷漆后的图7焊缝；
图10表示本发明方法另一种结构形式的示意图。
优选实施例说明
图2表示按先有技术以搭接接头的形式摆放的两块钢板构件1和2。第一块钢板构件在本说明中也叫做上面的钢板构件，不管它的重力位置是否在上。钢板构件1用一条角焊缝与下面的钢板构件2焊接，而且钢板构件1沿它的端面焊接，而钢板构件2则沿它的表面焊接。激光束3沿贴角照射，以便生产激光束-角焊缝。由于钢板构件1和2有镀锌层4，所以镀锌层首先蒸发并沿图4箭头5方向排出。由于只有一条排气通道畅通，所以通过激光束3产生的钢熔液受到干扰，因而产生焊口。
图1表示按本发明大约7°到15°的锐角α摆放的两块钢板构件1和2，在这里，当通过一条激光束3产生一条角焊缝时，便附加地产生一条如箭头6所示的排气通路。也就是说，产生的锌蒸汽也可沿钢板构件侧的方向排出，从而保证了激光束-角焊缝的一流质量。
图3表示汽车车身所谓车顶通风孔道的横截面，这是本发明激光焊接法优先使用的场合。车顶构件10与构成车顶板的构件12焊接。本发明将构件10和12的横截面形状设计成相互配合，使这两个构件可按一个锐角α摆放。而且在设计时，特别是车顶构件10要焊接的前端14的角度位置设计成在用焊缝量规上的夹紧工具16将两个构件相互夹紧时，使弹性构件产生变形正好符合要求的锐角α，即为7°和15°之间。这里焊缝量规为一个连续运动的滚子。在通过激光束3产生角焊缝时，产生的锌蒸汽可附加地沿锐角α的方向排出，从而保证了第一流的激光焊缝。
车顶构件10的轮廓即横截面形状用深拉压力机成形。板坯在深拉压力机上加工时，其尺寸稍大于车顶构件10的尺寸。所以有必要对深拉板件即车顶板构件10的端面18进行修边处理，为此，使用相互剪切的切刀。
图4表示所用的一把切刀21，该切刀的切刃上设置有小的切口23，所以在板件即车顶构件10切边上进行修边的过程中便产生许多小齿19，如图10所示，切边借助这些小齿19贴在第二板状构件12的表面20上，这样就在垂直于焊接方向形成许多排气槽22。焊接方向如箭头24所示，而且不论是产生角焊缝26的激光束沿倾斜接头上方定向移动，还是要加工的工件相对于固定的激光束运动，都是无关紧要的。
图5表示切刀21切刃上设置另一种切口23a、23b和23c的结构形式。
如果按本发明只生产图10所示的角焊缝26，则上板件即车顶构件10的自由边28可以保留。
图7表示激光产生的图10所示角焊缝26的一个截面，上板件即车顶构件10的自由边28如不加处理，则在喷漆时会导致漆层32如图9所示那样流走，于是在尖锐边缘28的范围内出现所谓漆流走，而导致在这个范围内的漆层明显薄于防腐蚀所需的漆层厚度。
如图10所示，这一缺陷可通过第二束激光束照射到自由边28上并使自由边熔化而获得补救。这样就形成一条附加的焊缝34以取代尖锐边缘28，这条附加焊缝构成的整个焊缝的横截面形状如图6所示。当图6所示的焊缝喷漆时，就会形成图8所示的均匀厚度的漆层。
本发明提出的措施可单独地但也能综合地用来生产工业加工领域中特别是镀锌钢板构件的第一流的激光焊缝。

Claims (10)

1.用一条激光焊缝连接两块钢板构件(1、2；10、12)的方法，其中至少一块构件具有低熔点的镀层(4)，其特征是，构件在焊接前在焊缝区按锐角(α)叠放，焊缝构成角焊缝(26)。
2.按权利要求1的方法，其特征是，焊缝区两块构件之间的夹角(α)介于7°和15°之间。
3.按权利要求1的方法，其特征是，两块要焊接构件(10、12)的横截面形状在焊缝区是这样设计的，即在通过一个夹紧装置(16)施加一个夹紧力后，在两块构件之间形成一个锐角(α)。
4.按权利要求2的方法，其特征是，两块要焊接构件(10、12)的横截面形状在焊缝区是这样设计的，即在通过一个夹紧装置(16)施加一个夹紧力后，在两块构件之间形成一个锐角(α)。
5.按权利要求1至4任一项的方法，其特征是，要焊接构件(10)沿其端面(18)的切边具有小齿(19)。
6.按权利要求5的方法，其特征是，在要焊接构件(10)端面(18)的修边(18)上形成的齿(19)具有的高度介于5/100和5/10毫米之间。
7.按权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，第一激光束(3)在倾斜接头上方移动，产生角焊缝(26)，其中，第二激光束则对准焊接构件端面的自由边(28)，使该自由边倒圆。
8.按权利要求7的方法，其特征是，第二激光束以等距离同步跟踪第一激光束(3)。
9.按权利要求1至4任一项的方法，其特征是，激光束通过掺钕钇铝石榴石激光器产生。
10.板件，其特征是，至少两个由薄钢板深拉的构件(10、12)用一条激光焊缝相互连接，构件在焊接前在焊缝区按锐角(α)叠放，焊缝构成角焊缝(26)。
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