CN110582371B

CN110582371B - 提高焊接表面品质的光滑方法

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Publication number: CN110582371B
Application number: CN201780089300.3A
Authority: CN
Inventors: 陶武; 杨上陆
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2037-04-03
Also published as: WO2018184131A1; US20200101563A1; CN110582371A; DE112017007174T5

Abstract

一种用于将金属工件（12、14、150）连接在一起的方法，该方法包括：使激光束（24）的束斑（44）沿着主要束行进图案（78）相对于工件叠层（10）的顶表面（20）前进以在工件叠层内形成熔融金属部分（70），并且然后减小激光束的功率密度并使激光束的束斑沿着次级束行进图案（84）相对于熔融金属部分的上表面（82）移动以将热量引入熔融金属部分中，从而防止熔融金属部分完全凝固并且至少将熔融金属部分的包括上表面的上部区域（86）维持在熔融状态。然后从熔融金属部分移除激光束，以允许熔融金属部分凝固成激光焊接接头（66）。激光焊接接头具有光滑的顶表面。

Description

提高焊接表面品质的光滑方法

技术领域

本公开的技术领域大体涉及一种用于通过激光焊接实践将两个或更多个交叠的金属工件连接在一起的方法，并且更具体地涉及一种其中以产生具有光滑顶表面的激光焊接接头的方式来执行激光焊接的连接方法。

背景技术

激光焊接是一种金属连接工艺，其中激光束被导向堆叠的金属工件的组件以提供能够在组成的金属工件之间实现焊接接头的集中热源。通常，两个或更多个金属工件的互补凸缘或其它结合区域首先相对于彼此对齐、装配和堆叠，使得它们的接合表面交叠且面对以建立一个或多个接合界面。然后将激光束导向由工件的交叠部分跨越的焊接区域内的工件堆叠的可接近顶表面。由从激光束吸收能量所产生的热量开始熔化金属工件并且在工件叠层内建立熔融金属焊池。熔融金属焊池穿透到叠层中并且与所建立的接合界面中的至少一者（并且通常是全部）相交。并且，如果激光束的功率密度足够高，则在熔融金属焊池内在激光束的束斑下方产生匙孔。匙孔是源自金属工件的汽化金属柱，其可包括等离子体。匙孔是激光束的有效能量吸收器，因此允许熔融工件金属深而窄地穿透到叠层中。

一旦激光束照射工件叠层的顶表面，就很非常迅速地形成熔融金属焊池和匙孔（如果存在的话）。在金属工件最初熔融之后，激光束的束斑可相对于工件叠层的顶表面前进，这通常涉及沿着如投射到叠层的顶表面上的相对简单或复杂的几何轮廓的束行进图案移动激光束。随着激光束沿着叠层的顶表面前进，来自焊池的熔融工件材料在工件叠层内的前进束斑周围和后面流动。一旦激光束已完成束行进图案的跟踪，激光束在工件叠层的顶表面处的传输最终停止，此时匙孔塌缩（如果存在的话），并且形成在叠层内的穿透的熔融工件材料冷却并凝固。通过操作激光束所获得的集合再凝固的复合工件材料构成激光焊接接头，其将交叠的金属工件自体熔焊在一起。

许多行业使用激光焊接作为其制造实践的一部分，包括汽车、航空、海事、铁路和建筑行业等。激光焊接是一种有吸引力的连接工艺，因为其仅需要单面接近，可以在减小的凸缘宽度下实践，并且在叠层组件内产生相对小的热影响区，这使金属工件中的热变形最小化。例如，在汽车工业中，激光焊接可以用于在制造白车身（BIW）以及在涂漆之前安装在BIW上的成品悬挂部件期间将金属工件连接在一起。可使用激光焊接的一些具体示例包括：BIW内的承重主体结构的构造和附接，诸如，轨道结构、摇杆、A柱、B柱和C柱、以及车身底部横梁。同样可以使用激光焊接的其它具体示例包括BIW内的非承重附接件（诸如，车顶与侧板的附接件）并且用于在车门、发动机罩和行李箱结构中遇到的交叠凸缘的连接。

激光焊接的实践会对某些类型的金属工件提出挑战。例如，当工件叠层中包括的金属工件是钢工件、铝工件或镁工件时，在激光束前进期间在熔融工件金属中产生的湍流和气体被截留在熔融工件材料内的趋势（这种趋势在熔融工件材料冷却和凝固时导致多孔性缺陷）会在最终形成的激光焊接接头中引起扰动的和粗糙的顶表面。激光焊接接头的粗糙顶表面不仅给出低品质焊接接头的外观，甚至在焊接接头结构良好且具有令人满意的机械性能的情况下也如此，而且其还可能形成残余应力集中点，当接头在腐蚀环境中承受拉伸载荷时，这些残余应力集中点易于开裂并且尤其是应力腐蚀开裂。当接头位于车门上或沿着BIW的车门或车窗开口时，激光焊接接头的粗糙顶表面也可能损坏可施加在接头上的密封条。

当被激光焊接在一起的金属工件由铝构成时，激光焊接接头的粗糙顶表面的出现尤其常见。除了氢气在熔融铝中的高溶解度和由激光束产生的湍流之外，熔融铝还具有相对低的表面张力，并且周围的固体铝材料具有相对高的热导率。铝的这些特性的组合通常是在激光焊接接头中形成粗糙顶表面的趋势的原因之一，这是因为由于熔融铝冷却和凝固的速率快，所以用于使熔融铝的表面自然沉降和变平的时间经常不足，尤其是当熔融铝通过激光束沿着其预定束行进图案前进而被搅动时。当激光焊接在一起的金属工件由镁构成时，可能出现类似的动力学现象。本公开描述了一种用于将金属工件连接在一起的方法，其方式确保不论工件叠层是否包括钢工件、铝工件或是镁工件所得到的激光焊接接头都具有光滑的顶表面。

发明内容

一种通过激光焊接实践将金属工件连接在一起的方法的实施例可包括若干步骤。首先，可组装包括两个或更多个金属工件的工件叠层，所述两个或更多个金属工件交叠以限定焊接区。工件叠层的焊接区具有顶表面和底表面并且进一步在工件叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面。其次，使激光束的束斑沿着主要束行进图案相对于工件叠层的顶表面前进以形成熔融金属部分，该熔融金属部分从叠层的顶表面朝向叠层的底表面穿透到工件叠层中并且与建立在工件叠层的顶表面与底表面之间的至少一个接合界面相交。第三，在形成熔融金属部分之后减小激光束的功率密度并且使激光束的束斑沿着次级束行进图案相对于熔融金属部分的上表面移动。激光束的这种移动将热量引入熔融金属部分中，从而防止熔融金属部分完全凝固并且至少将熔融金属部分的包括上表面的上部区域维持在熔融状态。以及第四，最终从熔融金属部分移除激光束，以允许熔融金属部分凝固成激光焊接接头，该激光焊接接头包括源自被熔融金属部分穿透的每个金属工件的再凝固复合工件材料。

该特定实施例的方法的工件叠层可包括两个或三个交叠的金属工件。在该方法的一个实施方式中，两个或三个交叠的金属工件中的每一者是钢工件。在该方法的另一实施方式中，每个交叠的金属工件是铝工件，或者每个交叠的金属工件是镁工件。此外，不论工件叠层中包括的交叠的金属工件的数量或那些金属工件的组成，形成在工件叠层中的激光焊接接头可以是激光点焊接头或激光滚焊接头。并且不论激光焊接接头是点焊接头或是滚焊接头，或者一些其它类型的接头，其都可具有邻近于工件叠层的顶面定位的顶表面，该顶表面由于具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）而被认为是光滑的。

在所公开的方法的该实施例的实践期间所使用的激光束可以是固态激光束。这种激光束可通过远程激光焊接设备沿着主要束行进图案相对于工件叠层的顶表面前进（以形成熔融金属部分）并且随后沿着次级束行进图案相对于熔融金属部分的上表面移动（以将热量引入熔融金属部分中）。在这样做时，例如，激光束可以以范围为从1 m/min至120 m/min的行进速度沿着主要束行进图案相对于工件的顶表面前进，同时激光束的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且激光束的焦点位置在-20 mm与+20 mm之间。并且此后，激光束可以以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着次级束行进图案相对于熔融金属部分的上表面移动，同时激光束的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且激光束的焦点位置在-50mm与-10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间。

还可以进一步限定所公开的方法的前述实施例的其它方面。例如，减小激光束的功率密度的动作可以包括：使激光束散焦以增加激光束的焦距；减小激光束的功率水平；或者使激光束散焦以增加激光束的焦距并且减小激光束的功率水平。另外，可在匙孔焊接模式中执行熔融金属部分的形成，尽管传导焊接模式在一些或所有条件下也可以是合适的。这涉及在激光束的束斑下方产生匙孔。匙孔被熔融金属焊池包围。这样，在激光束的束斑沿着主要束行进图案前进期间，匙孔在工件叠层内平移。

一种通过激光焊接实践将金属工件连接在一起的方法的另一实施例可以包括若干步骤。首先，提供包括两个或更多个金属工件的工件叠层，所述两个或更多个金属工件交叠以限定焊接区。工件叠层的焊接区具有顶表面和底表面并且进一步在工件叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面。工件叠层中的所述两个或更多个金属工件全部是钢工件、铝工件或者镁工件。其次，将具有一定功率密度的激光束导向工件叠层的顶表面以在工件叠层内产生被熔融金属焊池包围的匙孔。第三，使激光束的束斑沿着主要束行进图案相对于工件叠层的顶表面前进以形成熔融金属部分，该熔融金属部分从叠层的顶表面朝向叠层的底表面穿透到工件叠层中并且与建立在工件叠层的顶表面与底表面之间的所述至少一个接合界面相交。在这种沿着主要束行进图案的前进期间，激光束的功率密度范围为从0.7 MW/cm²至4 MW/cm²。第四，在形成熔融金属部分之后将激光束的功率密度减小至0.01MW/cm²与0.5 MW/cm²之间。第五，使激光束的束斑沿着次级束行进图案相对于熔融金属部分的上表面移动。激光束的这种移动将热量引入熔融金属部分中，从而防止熔融金属部分完全凝固并且至少将熔融金属部分的包括上表面的上部区域维持在熔融状态。以及第六，使激光束的传输停止以允许熔融金属部分完全凝固成激光焊接接头，该激光焊接接头包括源自被熔融金属部分穿透的每个金属工件的再凝固复合工件材料。

可以进一步限定所公开的方法的前述实施例。例如，工件叠层可包括两个或三个交叠金属工件，这些工件全部都是钢工件、铝工件或镁工件。在另一实施方式中，激光焊接接头的邻近于工件叠层的顶表面定位的顶表面可具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra），尽管当然也可能存在激光焊接接头的顶表面的表面粗糙度测量值落入该范围之外的情况。仍进一步地，减小激光束的功率密度的动作可包括：使激光束散焦以增加激光束的焦距；减小激光束的功率水平；或者使激光束散焦以增加激光束的焦距并且减小激光束的功率水平。

一种将金属工件连接在一起的方法的又一实施例可包括若干步骤。首先，提供包括两个或更多个金属工件的工件叠层，所述两个或更多个金属工件交叠以限定焊接区。工件叠层的焊接区具有顶表面和底表面并且进一步在工件叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面。工件叠层中的所述两个或更多个金属工件全部是钢工件、铝工件或者镁工件。其次，操作远程激光焊接设备的扫描光学激光头以将激光束导向工件叠层的顶表面，并且另外，使激光束的束斑沿着主要束行进图案相对于焊接区内的叠层的顶表面前进以使匙孔沿着工件叠层内的对应路线平移。激光束的束斑的这种前进形成熔融金属部分，该熔融金属部分穿透到工件叠层中并且与建立在工件叠层的顶表面与底表面之间的每个接合界面相交。第三，操作远程激光焊接设备的扫描光学激光头以减小激光束的功率密度并且进一步使激光束的束斑沿着次级束行进图案沿着熔融金属部分的上表面移动以将热量引入熔融金属部分中，从而至少将熔融金属部分的包括上表面的上部区域维持在熔融状态。以及第四，从熔融金属部分移除激光束以允许熔融金属部分凝固成焊接接头，该焊接接头将两个或三个金属工件熔焊在一起。激光焊接接头具有光滑顶表面，该光滑顶表面邻近于工件叠层的顶表面，该光滑顶表面具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）。

还可以进一步限定所公开的方法的前述实施例的其它方面。例如，减小激光束的功率密度的动作可以包括：使激光束散焦以增加激光束的焦距；减小激光束的功率水平；或者使激光束散焦以增加激光束的焦距并且减小激光束的功率水平。作为另一示例，激光束相对于熔融金属部分的上表面以及沿着次级束行进图案的移动可以在某些束参数的规定范围内执行。就此而言，激光束可以以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着次级束行进图案相对于熔融金属部分的上表面移动，同时激光束的功率水平范围为从2 kW至10kW并且激光束的焦点位置在-50 mm与-10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间。

附图说明

图1是工件叠层连同远程激光焊接设备的总体图示，工件叠层包括交叠的金属工件，远程激光焊接设备可以执行所公开的将交叠的金属工件连接在一起的方法；

图2是图1中描绘的激光束的放大代表图，其示出了在所公开的方法的实施例中采用的激光束的焦点和纵向轴线；

图3是根据本公开的一个方面在叠层内形成熔融金属部分期间图1所示的工件叠层的放大平面图，其中，通过远程激光焊接设备的扫描光学激光头将激光束导向工件叠层并且使其沿着主要束行进图案相对于叠层的顶表面前进；

图4是根据本公开的一个方面在叠层内形成熔融金属部分期间图3所示的工件叠层的局部截面图；

图5是工件叠层的概括性截面图，工件叠层包括通过使激光束的束斑沿着主要束行进图案相对于工件叠层的顶表面前进已经形成的熔融金属部分；

图6是在叠层内形成熔融金属部分期间图1所示的工件叠层的另一实施例的局部截面图，该截面图从与图4相同的视角截取，但在该图示中，工件叠层包括三个交叠的金属工件，而不是图4所示的两个；

图7是先前产生的熔融金属部分连同激光束的概括性截面图，激光束在将其功率密度减小之后相对于熔融金属部分的上表面移动，以防止熔融金属部分完全凝固并且至少将包括上表面的熔融金属部分的上部区域维持在熔融状态；

图8是工件叠层的立面透视图，其示出了由交叠的金属工件内的激光束形成的熔融金属部分连同次级束行进图案的投射，根据本公开的一个方面，该投射可由激光束追踪以便将热量引入熔融金属部分中，从而防止熔融金属部分完全凝固并且至少将包括上表面的熔融金属部分的上部区域维持在熔融状态，并且其中，本文所示的次级束行进图案包括单个连续正弦焊接路径；

图9是工件叠层的立面透视图，其示出了由交叠的金属工件内的激光束形成的熔融金属部分连同次级束行进图案的投射，根据本公开的一个方面，该投射可以由激光束追踪以将热量引入熔融金属部分中，从而防止熔融金属部分完全凝固并且至少将包括上表面的熔融金属部分的上部区域维持在熔融状态，并且其中，本文所示的束行进图案包括单个螺旋焊接路径；以及

图10是在从熔融金属部分移除激光束之后在已经允许熔融金属部分凝固之后的激光焊接接头的概括性截面图。

具体实施方式

所公开的通过激光焊接将两个或更多个堆叠的金属工件连接在一起的方法涉及：首先，通过将激光束导向叠层的顶表面而在工件叠层内形成熔融金属部分，并且然后使激光束的束斑沿着主要束行进图案相对于顶表面前进。因此，熔融金属部分可呈现各种形状和尺寸，这取决于主要束行进图案的几何形状及其到顶表面上的投射尺寸，并且其通常从叠层的顶表面朝向叠层的底表面穿透到工件叠层中并且与至少一个接合界面相交。在形成熔融金属部分之后，使激光束的功率密度减小，并且使激光束的束斑沿着次级束行进图案相对于熔融金属材料的上表面移动以将热量引入熔融金属中并防止其完全凝固。这样，至少使熔融金属部分的上部区域（其包括熔融金属部分的上表面）在很长一段时间内维持在熔融状态。最后，从熔融金属部分移除激光束，以允许熔融金属部分凝固成激光焊接接头。

至少使熔融金属部分的上部区域——并且优选地整个熔融金属部分——在很长一段时间内维持在熔融状态而不是一旦形成就使其快速冷却和凝固被认为是形成更令人满意的焊接接头结构的原因之一。事实上，通过使用处于减小的功率密度下的激光束来使熔融部分的至少上部区域保持处于熔融状态，从而延迟熔融金属部分的完全凝固，可以获得足够的时间来允许熔融金属部分的上表面在熔融金属的固有表面张力的帮助下沉降并变平。这种实践的结果是具有光滑的顶表面的激光焊接接头，该顶表面基本上是邻近于工件叠层的顶表面定位的激光接头的暴露表面。在许多情况下，激光焊接接头的光滑顶表面具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）。通过为激光焊接接头提供光滑的顶表面，去除了可能易于裂纹萌生和扩展的残余应力集中点，并且激光焊接接头不易损坏可施加在接头附近的密封条。光滑顶表面还给予激光焊接接头更具美感的外观。

具有光滑顶表面的激光焊接接头的形成可以通过任何类型的激光焊接设备来执行，诸如，例如，远程激光焊接设备或常规激光焊接设备，诸如，例如其中固定激光头由高速数控机床承载的设备。根据所公开的方法的实践用于形成激光焊接接头的激光束是固态激光束或气体激光束，这取决于所连接的金属工件的特性和期望实践的激光焊接模式（传导焊接模式或匙孔焊接模式）。可使用的一些著名固态激光器是光纤激光器、盘形激光器、直接二极管激光器以及Nd：YAG激光器，并且可以使用的著名气体激光器是CO₂激光器，不过当然也可以使用其它类型的激光器。在下文更详细地描述的所公开的方法的优选实施方式中，采用了远程激光焊接设备来形成激光焊接接头，其中其光滑顶表面包括在工件叠层内形成熔融金属部分的动作，并且随后防止熔融金属部分的完全凝固，直到熔融金属部分的上表面有时间来沉降和变平。

所公开的通过激光焊接将两个或更多个金属工件连接在一起的方法可以在各种工件叠层构造上执行。例如，所公开的方法可与包括两个交叠的金属工件的“2T”工件叠层（图1和图4至图5）结合使用，或者其可与包括三个交叠的金属工件的“3T”工件叠层（图6）结合使用。更进一步地，在一些情况下，所公开的方法可与包括四个交叠的金属工件的“4T”工件叠层（未示出）结合使用。工件叠层中包括的两个或更多个金属工件可全部是钢工件、铝工件或镁工件，并且它们不必与叠层中的其它工件具有相同的组成或相同的厚度。无论工件叠层是否包括两个交叠的金属工件还是多于两个交叠的金属工件，所公开的方法都以基本上相同的方式来执行以实现相同的结果。通过调节操作激光束的特性，可以容易地适应工件叠层构造的任何差异。

现在总体参照图1，示出了工件叠层10，其中，叠层10包括至少第一金属工件12和第二金属工件14，第一金属工件12和第二金属工件14交叠以限定焊接区16。还示出了可以执行所公开的方法的远程激光焊接设备18。在焊接区16的范围内，第一金属工件12和第二金属工件14分别提供工件叠层10的顶表面20和底表面22。工件叠层10的顶表面20可供远程激光焊接设备18使用，并且可被从远程激光焊接设备18发出的激光束24接近。并且由于执行激光焊接仅需要单侧接近，因此不需要工件叠层10的底表面22以相同的方式变得可接近。本文所使用的术语“顶表面”和“底表面”是相对的名称，其用于标识叠层10的更靠近且面向远程激光焊接设备18的表面（顶表面）和叠层10的面向相反方向的表面（底面）。

工件叠层10可仅包括第一金属工件12和第二金属工件14，如图1和图4至图5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和第一接合表面28，并且第二金属工件14包括外部外表面30和第二接合表面32。第一金属工件12的外部外表面26提供工件叠层10的顶表面20，并且第二金属工件14的外部外表面30提供叠层10的相背对的底表面22。并且，由于两个金属工件12、14是工件叠层10中存在的仅有工件，所以第一金属工件12和第二金属工件14的第一接合表面28和第二接合表面32在焊接区16内交叠并面对以建立接合界面34。在其它实施例中（在下文结合图6描述了其中一者），工件叠层10可包括设置在第一金属工件12与第二金属工14之间的附加的第三金属工件，以为叠层10提供三个金属工件而不是两个金属工件。

术语“接合界面”在本公开中被广泛使用并且其意图涵盖可以适应激光焊接的实践的第一金属工件12和第二金属工件14的面对的第一接合表面28和第二接合表面32之间的各种不同的交叠关系。例如，接合表面28、32可通过直接或间接接触来建立接合界面34。接合表面28、32在它们物理上邻接并且不被离散的介于中间的材料层或落到正常组装公差范围之外的间隙分开时彼此直接接触。接合表面28、32在它们被诸如密封剂或粘合剂等的离散的介于中间的材料层分开——并且因此不经历直接接触特有的那种面间邻接——但是足够靠近以至于可以实践激光焊接时间接接触。作为另一示例，接合表面28、32可以通过强加的间隙分开来建立接合界面34。通过借助激光光刻、机械锪窝或其它方式在接合表面28、32中的一者或两者上形成突出特征可以在接合表面28、32之间强加这种间隙。突出特征在接合表面28、32之间维持断断续续的接触点，这些接触点保持接合表面28、32在接触点外部和周围保持间隔开最高达1.0 mm。

仍参照图4，第一金属工件12包括第一基体金属基底36，并且第二金属工件14包括第二基体金属基底38。第一基体金属基底36和第二基体金属基底38可全部由钢、铝或镁构成；也就是说，第一基体金属基底36和第二基体金属基底38两者都由钢构成、两者都由铝构成、或者两者都由镁构成。第一基体金属基底36或第二基体金属基底38中的至少一者可包括表面涂层40。（多个）表面涂层40可以出于各种原因用在基体金属基底36、38中的一者或两者上，这些原因包括腐蚀防护、提高强度、和/或改善处理以及其他原因，并且（多个）涂层40的组成主要基于下层基体金属基底36、38的组成。考虑到基体金属基底36、38及其任选的表面涂层40的厚度，至少在焊接区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中的每一者优选地在0.4 mm至6.0 mm的范围内。第一金属工件12和第二金属工件14的厚度121、141可彼此相同或不同。

第一基体金属基底36和第二基体金属基底38中的每一者可涂覆有表面涂层40，如此处在图3中所示。表面涂层40进而为金属工件12、14提供其相应的外部外表面26、30以及其相应的接合表面28、32。在另一实施例中，只有第一基体金属基底36包括表面涂层，而第二金属基底36未涂覆或裸露。在这些情况下，覆盖第一基体金属基底36的表面涂层40为第一金属工件12提供其外部外表面和接合表面26、28，而第二基体金属基底38为第二金属工件14提供其外部外表面和接合表面30、32。在又另一实施例中，只有第二基体金属基底38包括表面涂层40，而第一基体金属基底36未涂覆或裸露。因此，在这种情况下，第一基体金属基底36为第一金属工件12提供其外部外表面26和接合表面28，而覆盖第二基体金属基底38的表面涂层40为第二金属工件14提供其外部外表面30和接合表面32。

基体金属基底36、38可采用落入广泛列举的钢、铝和镁的基体金属组内的各种各样的金属形式和组成中的任一种。例如，如果由钢构成，则基体金属基底36、38（暂且称为第一和第二基体钢基底36、38）中的每一者可单独地由各种各样的钢中的任一种构成，诸如当（多个）钢工件12、14包括压制硬化钢（PHS）时，所述各种各样的钢包括低碳（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。此外，第一和第二基体钢基底36、38中的每一者可以已经经过处理以获得一组特定的机械性能，包括经受诸如退火、淬火和/或回火等热处理工艺。第一和第二基体钢基底36、38可热轧或冷轧至其最终厚度，并且可被预先制成具有适合于组装到工件叠层10中的特定轮廓。

存在于基体钢基底36、38中的一者或两者上的表面涂层40优选地包括锌基材料或铝基材料。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如下总平均组成，其包括8重量％至12重量％的铁和0.5重量％至4重量％的铝，其中余量（以重量％计）是锌。锌基材料的涂层可通过热浸镀锌（热浸镀锌锌涂层）、电镀锌（电镀锌锌涂层）或镀锌退火（镀锌锌铁合金）来施加，其厚度通常在2 μm至50 μm之间，不过也可采用其它程序和（多个）所获得的涂层的厚度。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。铝基材料的涂层可通过浸涂来施加，通常厚度为2 μm至30 μm，不过也可以采用其它涂覆程序和（多个）所获得的涂层的厚度。考虑到基体钢基底36、38及其（多个）表面涂层40（如果存在的话）的厚度，至少在焊接区16内，第一和第二钢工件12、14中的每一者的总厚度优选地在0.4 mm至4.0 mm的范围内，或者更窄地在0.5 mm至2.0 mm的范围内。

如果第一和第二基体金属基底36、38由铝构成，则基体金属基底36、38（暂且称为第一和第二基体铝基底36、38）中的每一者可单独地由非合金铝或包括至少85重量％铝的铝合金构成。可以构成第一和/或第二基体铝基底36、38的一些著名铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金。另外，基体铝基底36、38中的每一者可以以锻造或铸造形式单独提供。例如，基体铝基底36、38中的每一者可由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻造铝合金板层、挤出、锻造或其它加工制品、或者4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件构成。可以用作第一和/或第二基体铝基底36、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。第一和/或第二基体铝基底36、38可以在各种热处理下使用，包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（T）。

存在于基体铝基底36、38中的一者或两者上的表面涂层40可以是包括氧化铝化合物的天然耐火氧化物涂层，当来自基体铝基底36、38的新鲜铝暴露于大气空气或一些其它含氧介质时该氧化铝化合物被动地形成。表面涂层40也可是包括锌或锡的金属涂层，或者其可以是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层，如美国专利申请号US2014/0360986中所公开的。表面涂层40的典型厚度（如果存在的话）位于1 nm至10 μm之间的任一厚度，这取决于涂层40的组成和涂层40产生的方式，不过也可以采用其它厚度。例如，当下层铝材料是铝合金时，被动形成的耐火氧化物涂层经常具有范围为从2 nm至10 nm的厚度。考虑到基体铝基底36、38及其（多个）表面涂层40（如果存在的话）的厚度，至少在焊接区16内，第一和第二铝工件12、14中的每一者的总厚度优选地在0.4 mm至6.0 mm的范围内，或者更窄地在从0.5 mm至3.0 mm的范围内。

如果第一和第二基体金属基底36、38由镁构成，则基体金属基底36、38（暂且称为第一和第二基体镁基底36、38）中的每一者可单独地由非合金镁或包括至少85重量％镁的镁合金构成。可以构成第一和/或第二基体镁基底36、38的一些著名镁合金是镁锌合金、镁铝合金、镁铝锌合金、镁铝硅合金以及镁稀土合金。另外，基体镁基底36、38中的每一者可以以锻造（板材、挤出、锻造或其它加工制品）或铸造形式单独地提供。可以用作第一和/或第二基体镁基底36、38的镁合金的几个具体示例包括但不限于：AZ91D压铸或锻造（挤出或板材）镁合金、AZ31B压铸或挤出（挤出或板材）镁合金以及AM60B压铸镁合金。第一和/或第二基体镁基底36、38可以在各种热处理下使用，包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（W）。

存在于基体镁基底36、38中的一者或两者上的表面涂层40可以是包括氧化镁化合物（以及可能是氢氧化镁化合物）的天然耐火氧化物涂层，当来自基体镁基底36、38的新鲜镁暴露于大气空气或一些其它含氧介质时，氧化镁化合物被动地形成。表面涂层40也可以是包括金属氧化物、金属磷酸盐或金属铬酸盐的金属转化涂层。表面涂层40的典型厚度（如果存在的话）位于从1 nm至10 μm之间的任一厚度，这取决于涂层40的组成和涂层40产生的方式，不过也可以采用其它厚度。例如，当下层镁材料是铝合金时，被动形成的耐火氧化物涂层经常具有范围为从2 nm至10 nm的厚度。考虑到基体镁基底36、38及其（多个）表面涂层40（如果存在的话）的厚度，至少在焊接区16内，第一和第二镁工件12、14中的每一者的总厚度优选地在0.4 mm至6.0 mm的范围内，或者更窄地在从0.5 mm至3.0 mm的范围内。

图1和图4至图5图示了工件叠层10的实施例，工件叠层10包括两个交叠的金属工件12、14，两个交叠的金属工件12、14建立单个接合界面34。当然，如图6所示，工件叠层10可包括位于第一金属工件12与第二金属工件14之间的具有厚度151的附加的第三金属工件150。第三金属工件150（如果存在的话）包括第三基体金属基底152，第三基体金属基底152可以是裸露的或涂覆有表面涂层40（如所示出的）。第三金属工件150在许多一般方面类似于第一和第二金属工件12、14，并且因此，上文所阐述的对第一和第二金属工件12、14的描述（尤其是基体金属基底的组成、其可能的表面涂层以及工件厚度）完全适用于第三金属工件150。在该实施例中，工件叠层10的焊接区16现在由第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150全部的公共交叠程度来限定。

由于以交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150以提供工件叠层10，所以第三金属工件150具有两个接合表面：第三接合表面156和第四接合表面158。第三接合表面156与第一金属工件12的第一接合表面28交叠并面对，并且第四接合表面158与第二金属工件14的第二接合表面32交叠并面对。在焊接区16内，第一金属工件12和第三金属工件150的面对的第一接合表面28和第三接合表面156建立第一接合界面160，并且第二金属工件14和第三金属工件150的面对的第二接合表面32和第四接合表面158建立第二接合界面162。这些接合界面160、162是相同的类型并且涵盖与上文参考图1和3描述的接合界面34相同的属性。因此，在该实施例中，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仍沿相反的方向彼此背离并构成工件叠层10的顶表面20和底表面22。

返回参照图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的传输导向工件叠层10的顶表面20（也是第一金属工件12的外部外表面26）。导向的激光束24具有束斑44，如图2所示，束斑44是激光束24在沿着叠层10的顶表面20定向的平面处的截面区域。扫描光学激光头42优选地安装到机器人臂（未示出），该机器人臂可以以快速程序化演替的方式将激光头42迅速且准确地运送到工件叠层10周围的许多不同的预选位点。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，其以在电磁谱的近红外范围内（通常认为是700 nm至1400 nm）的波长操作。另外，激光束24具有功率水平能力，如果需要，在将激光束传输到工件叠层10中期间，该功率水平能力与其焦点位置一起可以获得足以在工件叠层10内产生匙孔的功率密度。在交叠的金属工件12、14（以及可能还有150）内产生匙孔所需的功率密度通常在0.5至1.5 MW/cm²的范围内。

可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、盘形激光束以及直接二极管激光束。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杂有稀土元素（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，其中增益介质是掺杂有稀土元素（例如，涂覆有反射表面的掺杂有镱的钇铝柘榴石（Yb：YAG）晶体）且安装到散热器的薄激光晶体盘。并且优选的直接二极管激光束是源自多个二极管的组合激光束（例如，波长组合），其中增益介质是多个半导体，诸如，基于砷化铝镓（AlGaAS）或砷化铟镓（InGaAS）的半导体。可以产生这些类型的激光器中的任一种以及其它变型的激光发生器是可商购获得的。当然也可以使用本文未具体提及的其它固态激光束。

扫描光学激光头42包括反射镜46的布置结构，反射镜46的布置结构可以操纵激光束24并因此沿着工件叠层10的顶表面20——并且如下文所讨论的沿着熔融金属部分的上表面——在至少部分地跨越焊接区16的操作包络48内传送束斑44。在此，如在图1中图示的，由于激光束24在该平面内的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标标识，所以顶表面20的被操作包络48跨越的部分被标记为x-y平面。除了反射镜46的布置结构之外，扫描光学激光头42还包括z轴线聚焦透镜50，z轴线聚焦透镜50可以使激光束24的焦点52（图2）沿着激光束24的纵向轴线54移动，以便因此改变焦点52沿z方向的位置，z方向垂直于在图1中建立的三维坐标系中的x-y平面定向。此外，为了防止灰尘和碎屑不利地影响光学系统部件和激光束24的完整性，盖滑动件56可位于扫描光学激光头42下方。盖滑动件56保护反射镜46的布置结构和z轴线聚焦透镜50免受周围环境的影响，但却允许激光束24在没有显著中断的情况下从扫描光学激光头42射出。

反射镜46的布置结构和z轴线焦距透镜50在远程激光焊接设备18的操作期间协作，以指示激光束24及其束斑44在操作包络48内的期望的移动以及焦点52沿着激光束24的纵向轴线54的位置。更具体地，反射镜46的布置结构包括一对可倾斜的扫描反射镜58。每个可倾斜的扫描反射镜58安装在检流计60上。两个可倾斜的扫描反射镜58可以通过由检流计60执行的精确协调的倾斜移动而在操作包络48的x-y平面中的任何位置移动束斑44的位置——并且因而改变激光束24照射工件叠层10的顶表面20的点。同时，z轴线聚焦透镜50控制激光束24的焦点52的位置，以便有助于以正确的功率密度管理激光束24并且既瞬时地获得期望的热输入又随时间推移获得期望的热输入。所有这些光学部件50、58都可以在几毫秒或更短的时间内快速转位，以使在控制焦点52的位置的同时，使激光束24的束斑44沿着简单或复杂几何形状的束行进图案相对于工件叠层10的顶表面20的x-y平面前进。

将远程激光焊接与其它常规形式的激光焊接区分开的特性是激光束24的焦点长度。在此，如图1中最佳所示，激光束24具有焦点长度62，焦点长度62被测量为焦点52与最后的可倾斜扫描反射镜58之间的距离，该最后的可倾斜扫描反射镜58在激光束24离开扫描光学激光头42之前拦截并反射激光束24。激光束24的焦点长度62优选在0.4米至2.0米的范围内，其中焦点52的直径通常在从100 μm至700 μm的范围内。焦点长度以及焦距64可以容易地调节。如本文所使用的术语“焦距”指的是激光束24的焦点52与工件叠层10的顶表面20（或者熔融金属部分的上表面，这取决于所公开的方法中焦距指的是哪个点）之间沿着激光束24的纵向轴线54的距离，如图2中最佳所示，并且通常以毫米为单位报告。因此，当焦点52定位在叠层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有关，并且限定焦点52相对于工件叠层的顶表面定位的位置。诚然，当激光束24的焦点52定位在工件叠层10的顶表面20或熔融金属部分的上表面处时，如下文参照图7至图9所描述的，激光束24的焦点位置为零（或“0”），并且逻辑上，焦距54如上所述那样也为零。当激光束24的焦点52位于工件叠层10的顶表面20上方（或熔融金属部分的上表面上方）时，激光束24的焦点位置是被报告为正值（+）的焦距54。同样，当激光束24的焦点52位于工件叠层10的顶表面20下方（或熔融金属部分的上表面下方）时，激光束24的焦点位置是被报告为负值（-）的焦距24。因此，激光束24的焦点位置不仅给出焦距54的指示，而且还给出沿着激光束24的纵向轴线54的方向的指示，其中焦点52远离工件叠层10的顶表面20（或熔融金属部分的上表面）移位。

在当前公开的方法中并且暂且参照图10，在工件叠层10中形成激光焊接接头66，激光焊接接头66自体熔焊每个金属工件12、14。激光焊接接头66具有顶表面68，顶表面68定位成邻近于工件叠层10的周围顶表面20。作为实践所公开的方法的直接结果，激光焊接接头66的顶表面68变得光滑。尤其，在所公开的方法的许多实施方式中，但不一定是全部实施方式，激光焊接接头66的顶表面68具有被测量为范围为从12.5 μm至0.4 μm的平均值或算术平均粗糙度（Ra）的表面粗糙度。通常，这种程度的表面光滑度是对常规实践的明显改进，在常规实践中，熔融金属部分由激光束形成并且然后快速凝固，这通常导致所得到的激光焊接接头的顶表面具有范围为从200 μm至13 μm的表面粗糙度（Ra）。当金属工件由铝或镁构成时，粗糙的或粗化的激光焊接接头顶表面尤其常见。

出于说明的目的，在此在图10所示的激光焊接接头66在“2T”叠层中被描绘成类似于图1和图4至图5中所示的激光焊接接头，其中工件叠层10仅包括第一金属工件12和第二金属工件14。相同的基本激光焊接接头结构也可以在类似于图6所示的“3T”叠层中获得，其包括第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150，尽管并未明确图示这种激光焊接接头的描绘。因此，激光焊接接头66的如下描述可以容易地转换为所公开的方法的实施例，其中工件叠层10是包括第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150的“3T”叠层，并且甚至是将包括位于侧面的第一金属工件12和第二金属工件14之间的两个附加金属工件的“4T”叠层。然而，为了清楚和易于讨论，下文在“2T”工件叠层实施例的背景下讨论激光焊接接头66，应理解，所公开的方法不必限于该实施例。

当前公开的方法通常从提供工件叠层10开始，这通常涉及通过将金属工件12、14与合适的固定和/或夹紧装备对准和装配在一起来将单独的第一和第二金属工件12、14（加上诸如第三金属工件150的任何附加金属工件）组装到叠层10中以提供焊接区16。一旦已经提供工件叠层10，就优选地通过远程激光焊接设备18的操作在焊接区16内形成激光焊接接头66。在激光焊接接头66的形成期间，激光束作用的至少两个阶段由远程激光焊接设备18执行和控制。首先，如图3至图5所示，通过激光束24在工件叠层10内形成熔融金属部分70。在形成了熔融金属部分70之后，激光束24经历功率密度的减小并且用于将热量引入熔融金属部分70中以防止熔融金属部分70的完全凝固，如图7至图9所示。延迟熔融金属部分70的完全凝固的积极努力是允许激光焊接接头66实现光滑的顶表面68的原因。

现在具体参照图3至图5，通过用激光束24熔化工件叠层10的一部分而在工件叠层10中形成熔融金属部分70（图5）。为此，在工件叠层的顶表面20处激光束24被扫描光学激光头42导向焊接区16内的预定位点处。激光束24对叠层10的顶表面20的所得到的照射在叠层10内产生熔融金属焊池72，熔融金属焊池72从顶表面20朝向底表面22穿透到叠层10中并且与至少一个接合界面相交。例如，在图1和图4至图5所示的2T叠层中，熔融金属焊池72与建立在金属工件12、14之间的接合界面34相交并且可完全地或部分地穿透工件叠层10。类似地，在图6所示的3T叠层中，熔融金属焊池72至少与第一接合界面160相交，并且在许多情况下与第一和第二接合界面160、162两者都相交，并且可完全地或部分地穿透工件叠层10。由激光束24产生的熔融金属焊池72是在激光束24的束斑44下方和/或周围的工件叠层10内的熔融金属的体积，由于激光束能量的吸收，所以只要激光束24被传输到工件叠层10，熔融金属焊池就可以保持熔融状态。

此外，激光束24优选地具有足以使束斑44正下方的工件叠层10汽化的功率密度。该汽化作用产生匙孔74（同样在图3至图4中描绘），匙孔74是汽化工件金属柱，其通常包含等离子体。匙孔74形成在熔融金属焊池72内并且施加足以防止周围熔融金属焊池72向内塌缩的向外指向的蒸汽压力。并且，与熔融金属焊池72一样，匙孔74也从顶表面20朝向底表面22穿透到工件叠层10中并且与建立在第一和第二金属工件12、14（或者第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150）之间的接合界面34（或者第一和/或第二接合界面160、162）相交。匙孔74为激光束24提供导管以将能量向下输送到工件叠层10中，因此促进熔融金属焊池72相对深且窄地穿透到工件叠层10中，同时伴有相对小的周围热影响区（HAZ）。匙孔74可连同熔融金属焊池72一起完全地（如图所示）或部分地穿透工件叠层10。

在形成熔融金属焊池72并且优选地形成匙孔74——即，匙孔或深穿透焊接模式——时，激光束24的束斑44在操作包络48的x-y平面中沿着主要束行进图案78相对于工件叠层10的顶表面20沿向前方向76前进，如图3中最佳所示。主要束行进图案78可包括投射到顶表面20上的一个或多个焊接路径80，诸如，例如以阿基米德或非阿基米德螺线布置的单个螺旋焊接路径、一系列径向间隔的同心圆形或椭圆形焊接路径、单个正弦或其它周期性波状焊接路径、单个线性焊接路径、单个U形钉或“C”形焊接路径、或者任何其它合适的一个或多个焊接路径图案。仅列举几种可能性，在PCT/CN2016/106914、PCT/CN2016/102669、PCT/CN2016/083112、PCT/CN2015/094003、PCT/CN2015/088569和PCT/CN2015/088563中示出并描述了若干个先前提及的束行进图案的一些具体示例以及可用作主要束行进图案78的其它束行进图案，所有这些文件均通过引用全部并入本文。出于说明的目的，在此在图3中示出的主要束行进图案78包括以阿基米德螺线布置的单个螺旋焊接路径。

通过精确控制可倾斜扫描反射镜58在扫描光学激光头42内的协调移动来管理激光束24的束斑44沿着主要束行进图案78的前进。当激光束24的束斑44沿着主要束行进图案78前进时，熔融金属焊池72（连同匙孔74一起，如果存在的话）沿着工件叠层10内的对应路线平移。这导致穿透的熔融金属在工件叠层10内的束斑44和熔融焊池72周围和后面流动，从而导致熔融金属部分70随着激光束24的前进而增长。并且，取决于主要束行进图案78的几何形状，熔融金属部分70可在激光束24的束斑44的向前前进之后构成离散的细长熔融迹线，如图8所描绘的，或者当激光束24的束斑44沿着同一焊接路径的多个部分或者紧密靠近的多个离散的焊接路径前进时，其可以是由熔融材料合并产生的固结熔池，如图9所描绘的。

因此，熔融金属部分70构成由激光束24的束斑44沿着主要束行进图案78前进而产生的熔融材料的完全体积集合，并且包括来自被激光束24熔化的每个金属工件12、14（或者12、150、14）的材料。如图5最佳所示，熔融金属部分70（其被描绘为呈固结熔池的形式）包括与工件叠层10的顶表面20一起暴露的上表面82。并且以与紧邻激光束24的束斑44的熔融金属焊池72大致相同的方式，熔融金属部分70从叠层10的顶表面20朝向叠层10的底表面22穿透到工件叠层10中并且与在工件叠层10内建立在其顶表面29和底表面22之间的每个接合界面34（或者160、162）相交。在这方面，熔融金属部分70可以完全地或部分地穿透工件叠层10。如图所示，完全穿透的熔融金属部分70完全穿透工件叠层10并破坏底表面22，而部分穿透的熔融金属部分70穿透到第二金属工件14中至某个中间深度并因此不破坏工件叠层10的底表面22。

为了形成熔融金属部分70，激光束24必须具有足以熔化工件叠层10中包括的单独金属工件12、14（或者12、150、14）的功率密度，并且如果需要，该功率密度足以在激光束24的束斑44下方的叠层10内产生匙孔74。激光束24的功率密度简单地是激光束24的功率水平除以激光束的束斑44的投影面积，并且通常以kW/cm²或MW/cm²为单位报告。为此目的，激光束24的功率密度取决于激光束24的功率水平，并且尤其是如果激光束24是高斯束则取决于激光束24的焦距64，并且当激光束24沿着主要束行进图案78前进时，其可以是在0.7 MW/cm²至4.0 MW/cm²的范围内的任何功率密度。除了功率密度之外，还可以管理激光束24的行进速度来控制激光束24的能量吸收和熔化效率，以便形成期望的熔融金属部分70。在所公开的方法的许多实施例中，熔融金属部分70可以通过使激光束24以从1米/分钟至120 m/min的范围的行进速度沿着主要束行进图案78相对于工件10的顶表面20行进而产生，同时激光束24的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且激光束24的焦点位置在-20 mm至+20 mm之间。

在形成之后，如果停止激光束24束的传输并且允许熔融金属部分70快速冷却，则熔融金属部分70的上表面82有扰动并产生微凸起和其它表面异常的趋势。所得到的激光焊接接头的过度粗糙或粗化的顶表面会对焊接接头的视觉外观和/或结构完整性产生若干不利影响。为了解决这个问题，所公开的方法要求减小激光束24的功率密度并且使激光束34的束斑44沿着次级束行进图案84在操作包络48的x-y平面中相对于熔融金属部分70的上表面80移动，如图7至图9所示。激光束24的束斑44在减小的功率密度状态下沿着次级束行进图案84的移动将热量引入熔融金属部分70中并且防止熔融金属部分70完全凝固。更具体地，至少使熔融金属部分70的包括熔融金属部分70的上表面82的上部区域86维持在熔融状态，如图7所示。保持在熔融状态的熔融金属部分70的上部区域86应当构成不小于最初形成的熔融金属部分70的体积的10％，而优选地，整个熔融金属部分70都保持在熔融状态。

激光束24的功率密度的减小和激光束24的束斑44沿着次级束行进图案84的移动可在已经形成熔融金属部分70之后立即由远程激光焊接设备18控制和实施。为了减小激光束44的功率密度，例如，可以执行以下操作之一：（1）使激光束24散焦以增加激光束24的焦距64；（2）减小激光束24的功率水平；或者（3）使激光束24散焦以增加激光束24的焦距64并且减小激光束24的功率水平。应当注意，通过使激光束24的焦点52沿着激光束24的纵向轴线54移动远离工件叠层10的顶表面20可以使激光束24散焦，使得焦点52呈现更正（+）的焦点位置或更负（-）的焦点位置。在任一情况下，当激光束的焦点52移动远离工件叠层10的顶表面20时，如果激光束24具有高斯强度分布或一些其它适用的强度分布，则束斑44的表面积将增加。

优选地减小激光束24的功率密度，使得当激光束24沿着次级束行进图案84移动时，其范围为从0.01 MW/cm²至0.5 MW/cm²的任一功率密度。至于激光束24的行进速度，其可以取决于各种因素而增加、减小或保持不变，这些因素包括：熔融金属部分70的尺寸和形状、次级束行进图案84的几何形状、金属工件12、14（或者12、150、14）的组成以及功率密度减小的程度，仅举几例。在所公开的方法的许多实施例中，激光束24可以以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着次级束行进图案84相对于熔融金属部分70的上表面82移动，而激光束24的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且激光束24的焦点位置在-50 mm与-10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间。当然，在所公开的方法的某些情况下，落入一个或多个前述范围之外的这些激光束参数的其它组合也当然是可能的。

激光束24的束斑44沿着次级束行进图案84的移动可通过精确控制扫描光学激光头42内的可倾斜扫描反射镜58的协调移动来执行，类似于前面在追踪主要束行进图案78时。激光束行进图案84可包括如投射到熔融金属部分70的上表面82上的一个或多个焊接路径88，诸如，例如，以阿基米德或非阿基米德螺线布置的单个螺旋焊接路径、一系列径向间隔的同心圆形或椭圆形焊接路径、正弦或其它周期性焊接路径、单个线性焊接路径、单个U形钉或“C”形焊接路径、或者任何其它合适的一个或多个焊接路径图案。因此，次级束行进图案84可以与主要束行进图案78相同或不同，并且其可以是上文参考主要束行进图案78提及的并通过引用并入本文的国际专利申请示出和描述的任何束行进图案。例如，次级束行进图案78可以是以阿基米德螺线布置的单个螺旋焊接路径，如图8所示，或者其可以是单个正弦焊接路径，如图9所示。此外，次级束行进图案84可以与熔融金属部分70的上表面82的面积相当，如图8至图9所示，不过这种关系并非必需，因为次级束行进图案84的面积可以大于或小于熔融金属部分70的上表面82。

因为激光束24在沿着次级束行进图案84移动时具有减小的功率密度，并且在束斑44下方不存在匙孔，所以引入熔融金属部分70中的热量不足以搅动熔融金属部分70并使其进一步增长。相反，如上所述，这种激光束操纵的效果是将热量引入熔融金属部分70中以至少将上部区域86维持在熔融状态。在这些情况下，能量沿着熔融金属部分70的上表面82重新分布，并且为熔融金属的固有表面张力提供足够的时间以自然地使上表面82沉降并变平。并且，尽管使熔融金属部分70的上表面82变平所需的确切时间量可以基于若干因素而变化，但是在许多情况下，由于在激光束24追踪次级束行进图案84时来自激光束24的热量输入，至少保持熔融金属部分70的上部区域86——并且优选地整个熔融金属部分70——处于熔融状态达50毫秒至1000毫秒是足够的。

一旦激光束24的束斑44完成对次级束行进图案84的追踪，就从熔融金属部分70的上表面82移除激光束24，这通常通过停止激光束24的传输来移除。从熔融金属部分70移除激光束24导致熔融金属部分70及其现在已沉降和变平的上表面82快速冷却并凝固成再凝固的复合工件材料90，如图10所示。再凝固的复合工件材料90源自由熔融金属部分70穿透的每个金属工件12、14（或者12、150、14），并且其组成由穿透的金属工件的组成确定。从激光束24获得的集合再凝固的复合工件材料90构成激光焊接接头66，并且接头66的光滑顶表面68从熔融金属部分的上表面82的凝固获得。因此，并且如图10所示，激光焊接接头66从叠层10的顶表面20朝向底表面22延伸到工件叠层10中，同时与每个所建立的接合界面34（或者160、162）相交，并且此外，可取决于熔融金属部分70在激光束24的传输期间穿透叠层10的程度而完全地延伸穿过或者部分地延伸到工件叠层10中。

激光焊接接头66可以取决于主要束行进图案78的几何形状呈现各种形状和结构。例如，激光焊接接头66可被构造为激光点焊接头，其是再凝固的复合工件材料90的固结熔核，其可以通过沿着包括螺旋焊接路径或一系列同心圆形或椭圆形焊接路径的主要束行进图案操纵激光束24而形成，使得熔融金属部分70基本上增长成更大的固结熔池，诸如，在图9中代表性地示出的熔池。在另一示例中，激光焊接接头66可被构造为激光滚焊接头，其是通过沿着包括线性焊接路径、诸如C形“钉”或波状焊接路径等非线性焊接路径、或者单个圆形或椭圆形焊接路径（其具有足够大的直径以使得存在中心非焊接部分）的主要束行进图案操纵激光束24而形成的一串再凝固的复合工件材料90，使得熔融金属部分70构成离散的细长熔融迹线，诸如，在图8中代表性地示出的迹线。无论其最终形状和结构如何，激光焊接接头66的再凝固复合金属工件材料90都将金属工件12、14（或者12、150、14）自体熔焊在一起，同时由于以其至少两个阶段的激光束作用实践的所公开的方法，焊接接头66的顶表面68具有一致的光滑度。

上文对优选示例性实施例和具体示例的描述本质上仅仅是描述性的；其并不意图在限制下文的权利要求的范围。除非在说明书中另外特别地且明确地陈述，否则所附权利要求中使用的每个术语应该具有其普通和惯用的含义。

Claims

1.一种通过激光焊接实践将金属工件连接在一起的方法，所述方法包括：

组装工件叠层，所述工件叠层包括两个或更多个金属工件，所述两个或更多个金属工件交叠以限定焊接区，所述工件叠层的所述焊接区具有顶表面和底表面并且进一步在所述工件叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面；

使激光束的束斑沿着第一束行进图案相对于所述工件叠层的所述顶表面前进以形成熔融金属部分，所述熔融金属部分从所述工件叠层的所述顶表面朝向所述工件叠层的所述底表面穿透到所述工件叠层中并且与建立在所述工件叠层的所述顶表面与所述底表面之间的每个接合界面相交；

在形成所述熔融金属部分之后减小所述激光束的功率密度并且使所述激光束的束斑沿着第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的上表面移动以将热量引入所述熔融金属部分中，从而防止所述熔融金属部分完全凝固并且至少将所述熔融金属部分的包括所述上表面的上部区域维持在熔融状态；以及

从所述熔融金属部分移除所述激光束，以允许所述熔融金属部分凝固成激光焊接接头，所述激光焊接接头包括源自被所述熔融金属部分穿透的每个所述金属工件的再凝固复合工件材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件叠层包括两个或三个交叠的金属工件。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两个或三个交叠金属工件中的每一者是钢工件。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两个或三个交叠的金属工件中的每一者是铝工件或镁工件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光焊接接头是激光点焊接头。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光焊接接头是激光滚焊接头。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光焊接接头具有邻近于所述工件叠层的所述顶表面的顶表面，并且其中，所述激光焊接接头的所述顶表面具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束是固态激光束，并且其中，使所述激光束沿着所述第一束行进图案前进以形成所述熔融金属部分并且然后使所述激光束沿着所述第二束行进图案移动以将热量引入所述熔融金属部分中由远程激光焊接设备执行。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光束以范围为从1 m/min至120 m/min的行进速度沿着所述第一束行进图案相对于所述工件叠层的所述顶表面前进，同时所述激光束的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且所述激光束的焦点位置相对于所述顶表面沿垂直于所述顶表面的方向在-20 mm至+ 20 mm之间，其中，位于所述顶表面上方的焦点位置被报告为正值。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光束以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着所述第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的所述上表面移动，同时所述激光束的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且所述激光束的焦点位置相对于所述顶表面沿垂直于所述顶表面的方向在-50 mm与- 10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间，其中，位于所述顶表面上方的焦点位置被报告为正值。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，减小所述激光束的所述功率密度包括：使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距；减小所述激光束的功率水平；或者使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距并减小所述激光束的功率水平。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述激光束的所述束斑下方产生匙孔，并且所述匙孔在所述激光束的所述束斑沿着所述第一束行进图案前进期间在所述工件叠层内平移。

13.一种通过激光焊接实践将金属工件连接在一起的方法，所述方法包括：

提供工件叠层，所述工件叠层包括两个或更多个金属工件，所述两个或更多个金属工件交叠以限定焊接区，所述工件叠层的所述焊接区具有顶表面和底表面并且进一步在所述工件叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面，并且其中，所述工件叠层中的所述两个或更多个金属工件全部是钢工件、铝工件或者镁工件；

将激光束导向所述工件叠层的所述顶表面以在所述工件叠层内产生匙孔，所述匙孔由熔融金属焊池包围，所述激光束具有功率密度；

使所述激光束的束斑沿着第一束行进图案相对于所述工件叠层的所述顶表面前进以形成熔融金属部分，所述熔融金属部分从所述工件叠层的所述顶表面朝向所述工件叠层的所述底表面穿透到所述工件叠层中并且与建立在所述工件叠层的所述顶表面与所述底表面之间的每个接合界面相交，其中，在所述激光束沿着所述第一束行进图案前进期间所述激光束的所述功率密度范围为从0.7 MW/cm²至4.0 MW/cm²；

在形成所述熔融金属部分之后将所述激光束的所述功率密度减小至0.01 MW/cm²与0.5MW/cm²之间；

使所述激光束的所述束斑沿着第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的上表面移动以将热量引入所述熔融金属部分中，从而防止所述熔融金属部分完全凝固并且至少将所述熔融金属部分的包括所述上表面的上部区域维持在熔融状态；以及

停止所述激光束的传输以允许所述熔融金属部分完全凝固成激光焊接接头，所述激光焊接接头包括源自被所述熔融金属部分穿透的每个所述金属工件的再凝固复合工件材料。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述工件叠层包括两个或三个交叠的金属工件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述激光焊接接头具有邻近于所述工件叠层的所述顶表面的顶表面，并且其中，所述激光焊接接头的所述顶表面具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，减小所述激光束的所述功率密度包括：使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距；减小所述激光束的功率水平；或者使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距并且减小所述激光束的功率水平。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述激光束是固态激光束，其中，使所述激光束沿着所述第一束行进图案前进以形成所述熔融金属部分并且然后使所述激光束沿着所述第二束行进图案移动以将热量引入所述熔融金属部分中由远程激光焊接设备执行，所述远程激光焊接设备控制所述激光束的功率水平、行进速度和焦点位置，其中，所述激光束以范围为从1 m/min至120 m/min的行进速度沿着所述第一束行进图案相对于所述工件叠层的所述顶表面前进，同时所述激光束的所述功率水平范围为从2 kW至10 kW并且所述激光束的所述焦点位置相对于所述顶表面沿垂直于所述顶表面的方向在-20 mm至+20 mm之间，并且其中，所述激光束以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着所述第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的所述上表面移动，同时所述激光束的所述功率水平范围为从2 kW至10 kW并且所述激光束的所述焦点位置相对于所述顶表面沿垂直于所述顶表面的方向在-50 mm与-10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间，其中，位于所述顶表面上方的焦点位置被报告为正值。

18.一种通过激光焊接实践将金属工件连接在一起的方法，所述方法包括：

操作远程激光焊接设备的扫描光学激光头以将激光束导向所述工件叠层的所述顶表面，并且另外以使所述激光束的束斑在所述焊接区内相对于所述工件叠层的所述顶表面并沿着第一束行进图案前进以使匙孔沿着所述工件叠层内的对应路线平移，由此形成熔融金属部分，所述熔融金属部分穿透到所述工件叠层中并且与建立在所述工件叠层的所述顶表面与所述底表面之间的每个接合界面相交；

操作所述远程激光焊接设备的所述扫描光学激光头以减小所述激光束的功率密度并且进一步使所述激光束的所述束斑沿着第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的上表面移动以将热量引入所述熔融金属部分中，从而至少将所述熔融金属部分的包括所述上表面的上部区域维持在熔融状态；以及

从所述熔融金属部分移除所述激光束以允许所述熔融金属部分凝固成激光焊接接头，所述激光焊接接头将所述两个或三个金属工件熔焊在一起，所述激光焊接接头具有邻近于所述工件叠层的所述顶表面的光滑顶表面，所述光滑顶表面具有范围为从12.5 μm至0.4 μm的表面粗糙度（Ra）。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，减小所述激光束的所述功率密度包括：使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距；减小所述激光束的功率水平；或者使所述激光束散焦以增加所述激光束的焦距并且减小所述激光束的功率水平。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述激光束以范围为从10 m/min至120 m/min的行进速度沿着所述第二束行进图案相对于所述熔融金属部分的所述上表面移动，同时所述激光束的功率水平范围为从2 kW至10 kW并且所述激光束的焦点位置相对于所述顶表面沿垂直于所述顶表面的方向在-50 mm与- 10 mm之间或者在+10 mm与+50 mm之间，其中，位于所述顶表面上方的焦点位置被报告为正值。