CN110520239A - 用于端侧激光焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于端侧激光焊接两个相互固定的接合法兰的接头(2，2.1)的方法，所述两个接合法兰属于由钢材制成的接合配件(1，1.1)，其中至少一个接合法兰配备有金属涂层，所述金属涂层具有处于钢材的熔化温度以下的蒸发温度，实施所述方法的方式是，两个接合配件(1，1.1)的接合法兰(1，1.1)在激光焊接的过程中以一个夹角相互固定，所述夹角朝背离激光加载的接头侧的方向打开，由此，在接合法兰(3，3.1)之间提供沿热量导入的方向扩大的除气缝隙(5)，通过所述除气缝隙导出涂层材料(8，8.1)的由于热量导入而形成的蒸发产物。

Description

用于端侧激光焊接的方法

本发明涉及一种用于端侧激光焊接两个相互固定的接合法兰的接头的方法，所述两个相互固定的接合法兰属于由钢材制成的两个接合配件，其中至少一个接合法兰配备有金属涂层，该金属涂层具有处于钢材的熔化温度以下的蒸发温度。

存在多种应用情况，其中，金属部件的以其平坦侧相互固定的接合法兰在其接头(接合法兰的彼此平行延伸的端侧)上从端侧相互焊接。在许多情况下，为此使用激光焊接。接合配件的接合法兰可以是按照接头的纵向延伸方向的相互邻接的端部区域，例如板材工件的端部区域或专门为形成这种工件的接合法兰折弯的或卷边的区域。为了进行端侧焊接，接合法兰以适合的方式相靠地固定，例如借助适合的夹紧装置，更确切地说，直至实施焊接为止。

从文献DE102013107228B3中已知两个接合配件的接合法兰的端侧的激光焊接，其中，接合配件是钢板件。从该文献已知的激光焊接方法规定，给焊接的中央区域输入更少的能量并且给与之邻接的位于接头内部的边缘区域输入更高的能量。为了可以在期望的接头宽度上进行焊接，焊接激光束横向于进给方向来回振荡。对于这种在先已知的方法，也利用该焊接激光束运动来引入在焊接的横截面上需要的不同的能量导入，更确切地说或者方式为：在焊接的边缘区域中延长激光束的停留时间和/或提高激光束的能量，在该边缘区域中，焊接应当通过较高的能量输入进行。由此实现的是，可以将边缘区域中的焊接区相对深地引入接头中。

在焊接钢板部件时主要在车身区域会出现问题是，板件配备有金属涂层。此处该金属涂层可以是防腐涂层，例如锌涂层。通常这种锌涂层设计成热浸镀锌或电解镀锌。在接合这种板部件时产生的问题是，金属涂层的熔点和蒸发温度显著低于钢材的熔化温度。这产生的后果是，在熔焊两个工件时，其中，至少一个接合配件是具有位于钢材的熔化温度之上的蒸发温度的金属涂层，如同这例如在锌涂层中的情况，涂层材料由于为熔焊所必要的热量输入爆炸性地自发蒸发。在锌涂层时它也称作锌除气。结果是增加了飞溅，其中，熔化的焊池的部分也被引出并且导致焊缝中的孔隙率增加。该孔隙率可以通过蒸发的锌不受阻碍地除气来解释。此外，由于焊接过程产生在焊缝中的内应力。结合给出的扩散可能性，剩余的液态锌可能由于所谓的“液态金属脆化”(LME)使焊缝变脆。因此，这种焊缝通常不能满足对被焊接的部件提出的其它强度要求，尤其当涉及振动或动态载荷时，因为由于材料脆化增加了开裂的风险。

对于由文献DE102013107228B3已知的焊接工艺，在熔焊镀锌金属板时遵循在接合配件的接合法兰之间的缝隙尺寸。该缝隙尺寸不允许过大，也不允许过小。为了维持在接头的长度上的缝隙尺寸，相应对夹紧装置提出较高的要求。此外，在该方法中不可避免的是，一部分激光能量丢失，更确切地说穿过接合配件之间的缝隙的那部分激光束丢失。

文献WO2016/169791A1公开一种方法，通过这种方法，两个这种接合配件在其接合法兰的区域内可以通过端侧的激光焊接相互焊接，同时减少了锌除气的问题。对于该预先已知的方法，通过激光束以80Hz到1000Hz之间的频率横向于进给方向振荡保持焊池更长时间是液态的。此外，通过激光束振荡将一定的动力引入焊池。两个措施有助于通过焊池进行受控的除气过程。但随着增大的板厚所需的焊接深度也增加。由此，正好当存在两个锌涂层的接合配件时越来越难以完全地或受控地进行除气过程，因为锌经过了越来越远的路程直到表面。即使通过该方法可以将接合配件在端侧激光焊接，其中至少一个部件具有带有处于钢材的熔化温度以下的蒸发温度的涂层，尤其是进给速度也受横向于进给方向必要的激光振荡限制。在批量生产时必须相应地给激光焊接过程提供更多的时间。

因此从所讨论的现有技术出发，本发明所要解决的技术问题是，改进用于端侧激光焊接两个相互固定的接合法兰的接头的方法，接合法兰属于两个由钢材制成的接合配件，使得能够以较之在由WO2016/169791A1已知的方法中更大的进给和更有效的涂层除气在避免孔隙形成和LME的情况下并因此更迅速地实施焊接。

该技术问题通过开头所述类型的方法解决，其中，用于激光焊接的过程的两个接合配件的接合法兰被固定为相互间围成朝背离激光加载的接头侧的方向打开的交角，由此在接合法兰之间提供沿热量导入的方向扩大的除气缝隙，通过该除气缝隙导出由于热量导入形成的、涂层材料的蒸发产物。

在本发明的范围内使用的概念“接合法兰”是接合配件的这种边缘区段，通过一个接合配件的所述边缘区段使该接合配件与另一个接合配件的接合法兰相连。因此，一个接合配件的这种区段表示其接合法兰，该接合法兰从邻接的接头开始相当于通过焊接熔化的材料的渗透深度。

对于该方法，接合配件区别于预先已知的方法不以其相互面对的侧面平行地固定，而是固定为围成一个夹角。该夹角朝背离激光加载的接头侧的方向打开。在接合法兰相互固定的位置中，实施激光焊接。由于接合法兰彼此成角度的设置，提供一个从当前沿焊缝深度方向持续熔化的位置向外延伸的并且在其宽度方面扩大的除气缝隙。通过该除气缝隙导出由于热量导入形成的、涂层材料的蒸发产物。这不意味着，朝激光加载的侧面的方向无蒸发产物从涂层材料导出，而是蒸发产物至少大部分通过除气缝隙被受控地导出。为了导出除气产物，通过除气缝隙的前述几何形状和尺寸获得途径，该途径使蒸发产物克服比穿过焊池除气更小的阻力。因此，蒸发产物至少大部分通过除气缝隙导出，更确切地说背离于接合区地导出。在按本发明的方法中，总的激光能量可以引入有待熔化的材料中。

被接受的是，在该实施方式的范围内第一次描述两个端侧有待焊接的接合法兰不相互平行地布置。按照主流观点，“接合法兰的平行布置必须具有足够的宽度”是不会出现焊接烧穿的保障。因此令人惊讶地确定，即使接合法兰为形成除气缝隙而如上所述地彼此成角度地布置时，在相同激光强度设定下也没有观察到烧穿并且所形成的焊缝的质量明显更好。这归因于巧妙设计的除气途径，该除气途径使金属涂层的蒸发产物沿激光束的传播方向导出并且不沿相反的方向(为此蒸发产物必须横穿液态的焊池)导出。但接合配件在接头的区域内，例如以相互面对的接头边棱彼此邻接。因此将激光能量的损失减至最少。因此在该方法中基本上不需要焊池更长时间保持液态。

相互面对的接合法兰为形成除气缝隙所采取的前述成角度布置允许接合法兰的一种设计方式，接合法兰在其相互固定的布置中为了实施接合过程仅通过线接触或近似的线接触相互邻接。因此，金属涂层的蒸发产物已经可以在使用熔焊时通过除气缝隙导出。同时，线接触和沿线接触产生的焊池形成对涂层的蒸发产物有效的阻挡。通过对准相互贴靠的接头的激光束，基于接合法兰彼此面对的侧面倾斜的布置，沿形成的焊缝的深度方向进行涂层表面的预热，这通过激光束和其在接合配件彼此面对的侧面上的反射和/或通过沿深度“侵蚀的”的焊池实现，该焊池具有先于其自身的热量前缘。以此加热接合法兰和尤其金属涂层并且处于金属涂层的蒸发温度，然后钢材在该区域内熔化。

通过接合法兰的前述相互固定形成的除气缝隙提供途径，通过该途径导出除气产物，这由于在蒸发时产生的压力自行完成。在按本发明的方法中，熔体基本上没有蒸发产物，因此如果不是焊缝没有孔隙，就是焊缝的孔隙极少。因此，所形成的焊缝的质量是非常好的并且在此即使在振荡和动态载荷的情况下也满足最高的静态要求。因为在该方法中金属涂层的除气不穿过焊池进行，所以原则上焊池为实现受控的除气过程无需比为熔化钢材所需时间更久地保持液态。基于此，激光束可以在该方法中以相应高的进给速度运动。研究表明，该方法可以以大于10m/min的进给速度实施。

接合法兰的相互面对的侧面为形成除气缝隙而成角度的布置可以通过在平直实施的接合法兰中的接合配件的相应布置实现。还可行的是，两个接合配件的至少一个在其接合法兰的区域中弯折或拱曲，并且封闭拱曲部的接头是在另一个接合配件的接头上为了激光焊接过程相互固定的接头。此外，在接合法兰的这种相互布置时有利的是，接合法兰可以以成角度的布置方式通过简单的器件夹紧。它们区别于现有技术不需要在其相互平行邻接的侧面上夹紧。更确切地说可以固定两个接合法兰的其中一个接合法兰，并且为了形成期望的线接触将另一个接合法兰压向所述一个接合法兰，以便补偿可能的公差。

在该方法中有利的不仅在于，即便在熔焊带有金属涂层的接合配件时也能形成特别好的焊缝质量和可能的高的焊接速度，而且还在于，接合法兰只需具有相当于焊缝深度的宽度。因此，接合法兰可以保持得特别窄。以此可以减少由接合配件形成的构件、例如车辆结构件的重量。同时，减小由这种构件所需的安装空间，这正好对于紧凑型机动车辆来说是一个不可忽视的优点。由于接合法兰为形成除气缝隙相互倾斜的布置，它们可以通过拱曲的构件边缘形成，这又减小由构件所需的结构空间。

当由接合法兰包围的角度非常小、例如为仅1°、优选在6°到8°之间时，形成除气的前述优点。除气缝隙的开口角度不要选择太大，以便可以产生具有足够深的根部的焊缝。因此，接合法兰一般为形成除气缝隙相互布置为形成不超过20°的角度，因为在角度较大时，强度相应地减小。

对于实施激光焊接方法来说，无需要求接合配件的材料厚度必须具有一定的量。事实上，所述一定的量根据其它对有待制造的构件提出的要求确定。

研究表明，当激光束横向于进给方向倾斜地对准两个接合法兰的相互固定的接头的接合区时，可以有利于除气过程。其原因是在除气缝隙的区域内接合法兰的相互面对的表面上出现越来越多的反射，这导致更少的能量损失并且在实际熔化金属涂层的表面区域之前相应更剧烈的预热。此外，可以观察到，在使用激光时能量可以比在不使用激光的情况下更深地引入材料中。按照设想，彼此成角度地布置的接合法兰结合激光的使用实现改善的反射性能，由此可行的是，相比传统的方法在相同的激光效率下能量可以更深地引入材料中。受此影响能够实现的是，有待形成的焊缝自行进入接合平面中。换言之，基本上根据接合配件的轮廓曲线在两个彼此成角度地布置的接合配件之间形成均匀的焊缝。激光束横向于进给方向倾斜的角度应当不大于25°。在更剧烈倾斜时，焊缝在较大进给的同时有时就不能再构造有必要的深度。

由于金属涂层的蒸发产物沿远离激光加载的表面的方向导出，由此还防止激光光学器件和另外的相邻布置的装置受焊池飞溅等。但适宜的是，提供在接合区上横贯焊接光束的空气流，通过该空气流吹走可能在该侧面形成的蒸发产物并因此防止激光和相邻的装置被污染。

附加地，激光束可以横向于按照接头的纵向延伸方向的进给方向振荡式地往复运动，如在WO2016/169791A1中所描述的。通过该措施更长时间保持焊池液态和引入其中的焊池动力对避免在焊缝内形成孔隙产生积极的影响。若激光束沿进给方向的横向振荡地导引，则带有金属涂层的钢部件也可以获得符合该要求的结果，其中，金属涂层具有在钢材的熔点以上的熔点。通过激光束的振荡和由此引入焊池的焊池动力，在熔焊过程中由所述金属涂层所形成的连续相首先被破坏，然后均匀地、因此精细分散地分布在焊缝内。位移振幅在这种振荡的激光束运动时一般相当于通过相互固定的接头形成的接头面宽度的三分之二。

除了激光沿进给方向非刺入、即垂直地布置，然而接合区也可以在进给方向上预热，更确切地说通过激光束偏离垂线成角度地、更确切地说沿进给方向倾斜地对准接合区实现所述预热。在此情况下，相对于接合区上的垂线成5°到45°之间的倾斜角度被看作适宜的。由于该角度位置，激光束在进给方向上刺入地对准接合区。然后，激光束在它前面推动一个更大的热量前缘，这尤其在接合带有金属涂层的接合配件时是有意义的，其金属涂层具有低于钢材的熔化温度的蒸发温度。然后，接头上侧上的金属涂层至少很大程度上蒸发，之后钢材熔化。总的来说，由此减少了接缝下陷并且改善了焊缝质量。

下列参考附图根据实施例描述本发明。在附图中示出：

图1a-1c：两个用于端侧激光焊接的接合配件(图1a)在为开始焊接过程在接合区的一点处形成焊池的起始阶段(图1b)和在焊接的持续时刻(图1c)的布置，

图2a-2c：在材料熔化开始之前(图2a)、在形成焊池的起始阶段(图2b)和在焊接过程结束之后(图2c)的图1中所示的焊接过程的放大的剖视图，

图3a-3c：与系列图1a-1c相应的具有不同几何设计的接合配件的焊接图和

图4：与按图3a-3c的焊接图相应地接合的两个接合配件的宏观磨片图。

图1a示出两个其余部分未进一步示出的接合配件1，1.1的边缘区段。接合配件1，1.1是钢板件，例如其被用于车辆的结构部件的制备。接合配件1，1.1是热浸镀锌的并因此具有金属涂层、即锌涂层。接合配件1，1.1在图1a中以其接头2，2.1沿构件的纵向延伸方向相互邻接地固定。在图1中所示的两个接合配件相互间的位置中，相互面对的接头边棱2.2，2.3相互邻接。因此，两个接合配件1，1.1彼此线接触。图1a中接合配件1.1的所示部分的上部区段形成接合法兰。接合法兰3，3.1的延伸部在图1a中用大括号表示。两个接合配件1，1.1彼此成约10°角度地布置，以便在相互面对的接头边棱上实现前述的线接触。这种布置的结果在于，接合配件1，1.1的相互面对的表面4，4.1彼此成角度并且围成缝隙5。缝隙宽度从相互贴靠地固定的接头边棱2.2，2.3开始朝远离接头2，2.1的方向扩大。

在图1a中所示的两个接合配件1，1.1相互间的布置中，两个接合配件1，1.1为了建立旨在接合两个接合配件1,1.1的端侧焊接而固定在图中未示出的夹紧设备中。接合配件1，1.1优选相互固定成，使得相互贴靠的接头边棱2.2，2.3处于一定的预紧力下。

为了使两个接合配件1，1.1相互接合，激光束6对准接头2，2.1(参见图1b)。激光束6散焦。但在该部位处也可考虑激光聚焦。激光光斑的直径在图1b的图示中清楚可见。由于热量输入到两个接头2，2.1上使位于接头2，2.1上的锌涂层蒸发，之后钢材开始熔化。在该部位处也适用这种情况，仅在接合配件1，1.1的相互面对的侧面4，4.1上存在锌涂层并且该锌涂层例如通过先前的处理步骤、例如接合配件的切边不再存在于接头2，2.1的端侧。其中，焊池用附图标记7表示。由于激光束作用和由其引起的持续的热量输入，焊池7从接头2，2.1开始自主地侵蚀到接合配件1，1.1中，亦即，焊池自行寻求路径。焊池7朝深度方向位于前方的扩张形成热量前缘，该热量前缘在接合配件1，1.1的相互面对的侧面上加热锌涂层。因为锌涂层的蒸发温度低于钢材的熔化温度，所以在钢材熔化之前，锌涂层开始蒸发或该过程已经完全或部分地结束。通过在本实施形式的范围内也称作除气缝隙的缝隙5，锌涂层的蒸发产物沿着具有最小阻力的路径被导出。它是一条通过除气缝隙5的、远离焊池7的路径，如图1b中用块形箭头所示。由于蒸发产物沿焊接区朝焊缝的深度中扩散的方向导出，该焊接区在一定程度上类似于自行向深度处侵蚀。在该方法中，在深度中构造焊缝的作业因此不需要克服金属涂层的蒸发产物的逆流。

图1c示出在基本上完成焊接之后的接合区。可看见焊池7已足够深地渗入接合配件1，1.1中。位于接合配件1，1.1的相互面对的侧面4，4.1上的锌涂层还通过除气缝隙5蒸发离开焊池7。

系列图2a至2c再次根据两个接合配件1，1.1的相互邻接的接头边棱2.2，2.3的区域放大的局部图描述前述的方法。区别于图1a至1c中所描述的接合方法，例如在图2a至2c的实施例中，激光束6.1横向于其进给方向倾斜地对准两个接头2，2.1。如前所述，虽然两个接合配件1，1.1在相互面对的接头边棱2.2，2.3的区域内相互贴靠，但由于两个接合配件1，1.1之间不可避免的材料不均匀性实际上存在小的缝隙区段。这引起部分激光束穿过这些开口(如图2a中所示)并且在除气缝隙5的内部相互面对的表面4，4.1上反射。通过激光束在表面4，4.1上的侵入(这得益于倾斜的激光束6.1)，加热接合配件1，1.1的相互面对的表面上的锌涂层8，8.1。在(图2b中所示的)相互贴靠的接头边棱2.2，2.3的区域内材料开始熔化并且形成焊池7时，激光束穿过不可避免的存在的缝隙结束。通过预热并且通过围绕焊池7延伸的热量前缘，紧邻焊池7的锌涂层8，8.1已经熔化并且通常或者已经完全地或至少大部分蒸发，之后焊池在具有钢材的区域中熔化。在这种情况下尤其如此，锌涂层8，8.1不或仅部分地在接合配件1，1.1的相互面对的接头边棱2.2，2.3中延伸并因此主要在接合配件1，1.1的相互面对的表面4，4.1上延伸。这可以例如由相应的接合配件1，1.1在其端侧上的前置切边过程实现。在图2b中虚线示出等温线I，该等温线I示出锌涂层8，8.1的蒸发温度。焊池7的温度高于所示等温线I的温度，该等温线先于焊池7沿深度方向的侵入。与之相应地，在焊池7扩散之前，锌涂层8，8.1至少部分地蒸发，之后钢材的这些部分熔化。通过由除气缝隙5获得的途径，蒸发产物从焊池7导出，如图2b示意性示出的那样。

图2c示出已形成的焊缝。接合配件1，1.1在图2c中所示的焊缝深度同时是作为接合配件1，1.1的部分的接合法兰3，3.1的宽度。

系列图3a至3c示意性示出两个另外的接合配件1.2，1.3的接合。系列图1a至1c的实施例中接合配件1，1.1两者都平坦地设计并且彼此成角度地布置，而对于接合配件1.3的接合配件1.2，1.3来在其接合法兰3.2的区域内拱曲地设计。在该实施例中，通过接合法兰3.2的拱曲结构提供除气缝隙，其方式在于，在其拱曲端部上构造在接合配件之间的线接触。但在该部位处也可设想的是，两个接合配件拱曲地设计并且分别在相应的外部的半径端部或拱曲端部处借助线接触对置地相互固定。焊接过程与系列图1a至1c或图2a至2c中所描述的情况相同地实施。

图4示出焊缝的宏观磨片图，其相应于前面的图所阐述的焊接方法制造。该图示出熔化的材料具有理想的形状并且它是无孔隙的。

为了检查这种焊缝的负载能力，保险杠由两个在端侧相互焊接的锌涂层的钢板部件制成。构件是一个横截面为槽型的型材，型材的开口侧通过钢板封闭。两个部件在端侧，如前面的图所描述，相互焊接。所使用的钢板部件的厚度为2mm。焊接深度在2.5mm至3mm之间。通过该构件实施的、降落高度为3m并且降落质量超过500kg的降落实验不会导致焊缝的毁坏。但在所有进行的实验中，在几个部位处所使用的基础材料失效，但焊缝没有失效。该结果是令人惊讶，因为在其它情况下对于这种部件、尤其在动态负载中通常焊缝都是薄弱区。

本发明根据实施例描述。在不偏离权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员获得其他多种可以实现本发明的可行方案。

附图标记列表

1，1.1，1.2，1.3接合配件

2，2.1接头

2.2，2.3接头边棱

3，3.1，3.2接合法兰

4，4.1表面

5缝隙/除气缝隙

6，6.1激光束

7焊池

8，8.1锌涂层

I等温线

Claims (13)

1.一种用于端侧激光焊接两个相互固定的接合法兰的接头(2，2.1)的方法，所述两个相互固定的接合法兰属于由钢材制成的两个接合配件(1，1.1，1.2，1.3)，其中至少一个接合法兰配备有金属涂层，所述金属涂层具有处于钢材的熔化温度以下的蒸发温度，其特征在于，所述两个接合配件(1，1.1，1.2，1.3)的所述接合法兰(1，1.1，1.2，1.3)在激光焊接过程中被固定为相互间围成朝背离激光加载的接头侧的方向打开的夹角，由此在所述接合法兰(3，3.1，3.2)之间提供沿热量导入的方向扩大的除气缝隙(5)，通过所述除气缝隙导出涂层材料(8，8.1)的由于热量导入形成的蒸发产物。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合法兰(3，3.1，3.2)在其相互面对的接头边棱(2.2，2.3)的区域内以线接触的方式相互固定，以便实施激光焊接。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述接合法兰(3，3.1，3.2)以介于1°到20°之间的角度相互倾斜地固定。

4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将击中接头(2，2.1)的激光光斑设置为，所述激光光斑的直径大于在接头(2，2.1)的区域内相互固定的接合法兰(3，3.1，3.2)之间的最大缝隙宽度，除气缝隙(5)在其宽度方面从所述最大缝隙宽度逐渐扩大。

5.按权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述激光束(6.1)横向于进给方向以不大于25度的倾斜角度指向接头(2，2.1)的接合区。

6.按权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在激光束加载的接头侧上提供横向于激光束方向流动的且导引通过激光束的空气流。

7.按权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述激光束横向于按照接头的纵向延伸方向的进给方向往复振荡。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，激光束的振荡频率不超过1000Hz。

9.按权利要求7或8所述的方法，其特征在于，激光束的振荡运动的所述位移振幅不超过由相互固定的接头形成的接头面宽度的三分之二。

10.按权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，接头(2，2.1)的设计用于熔化的接合区沿进给方向在熔化之前逐步地预热。

11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光束以相对于垂线介于5°到45°之间的角度刺入地指向接合区。

12.按权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，至少一个接合配件的所述金属涂层是锌涂层(8，8.1)。

13.按权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，待熔化的接合区的宽度小于由相互固定的接头(2，2.1)形成的接头面宽度，并且所述激光束(6，6.1)这样地导引，使得在两个接头(2，2.1)上不熔化外部边缘区域，以便分别形成一个焊池支架。