CN110914014B - 用于使用焊接路径的组合激光焊接金属工件的方法 - Google Patents

Abstract

将包括在工件堆叠（10）的焊接区域（16）中的两个或更多个重叠金属工件（12、14或12、150、14）激光焊接在一起的方法涉及使激光束（24）的束斑（44）在第一方向（74）上沿第一焊接路径（72）相对于工件堆叠的顶表面（20）前进，以形成细长熔池（76），并且然后，当细长熔池仍然处于熔化状态时，使激光束（24）的束斑（44）在与第一方向相反的第二方向（80）上沿第二焊接路径（78）前进。第一焊接路径和所述第二焊接路径重叠，使得当使束斑沿第二焊接路径前进时，激光束的束斑通过细长熔池输送。

Description

用于使用焊接路径的组合激光焊接金属工件的方法

技术领域

本公开的技术领域一般涉及用于将金属工件（诸如包括两个或更多个钢工件的工件堆叠、包括两个或更多个铝工件的工件或包括两个或更多个镁工件的工件堆叠）激光焊接在一起的方法。

背景技术

激光焊接是金属接合过程，其中将激光束引导到堆叠金属工件的组件，以提供能够实现构成的金属工件之间的焊接接头的集中热源。一般地，首先将两个或更多个金属工件的互补凸缘或其它粘结区域相对于彼此对齐、适配和堆叠，使得其结合表面重叠且面对以建立一个或多个结合界面。然后，将激光束引导到由工件的重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生成的热量引发金属工件的熔化，并且在工件堆叠内建立熔化金属焊池。并且，如果激光束的功率密度足够高，则在熔化金属焊池内的激光束的束斑底下产生键孔。键孔是来源于金属工件的一列汽化金属，该列汽化金属可包括等离子体。键孔是来自激光束的能量的有效吸收器，因此允许熔化工件金属深且窄地穿透到堆叠中。

一旦激光束撞击工件堆叠的顶表面，就在很短时间内产生熔化金属焊池和键孔（如果存在）。在金属工件初始熔化之后，可使激光束的束斑相对于工件堆叠的顶表面前进，这常规地涉及沿如投影到堆叠的顶表面上的相对简单或复杂几何轮廓的束行进图案移动激光束。当使激光束沿堆叠的顶表面前进时，来自焊池的熔化工件金属在工件堆叠内的前进束斑的周围和后面流动。该穿透的熔化工件金属最终冷却，并且伴随着前进的激光束凝固成固结的再凝固的金属工件材料。一旦激光束已经完成跟踪束行进图案，就最终停止在工件堆叠的顶表面处的激光束的传输，此时键孔塌陷（如果存在），并且任何熔化工件金属仍然在堆叠内保持凝固。通过由激光束的操作获得的固结的再凝固的工件材料构成激光焊接接头，激光焊接接头将重叠金属工件自发熔焊在一起。

许多行业使用激光焊接作为其制造实践的一部分，许多行业尤其包括汽车、航空、海运、铁路和建筑施工行业。激光焊接是吸引人的接合过程，因为激光焊接仅需要单侧接近，可在减少的凸缘宽度的情况下进行实践，并且在堆叠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。在汽车行业中，例如，激光焊接可用于在制造白车身（BIW）以及在喷涂之前装配在BIW上的成品悬挂零件期间将金属工件接合在一起。可使用激光焊接的一些具体实例包括在BIW内承载主体结构的构造和附接，诸如轨道结构、摇杆、A-立柱、B-立柱和C-立柱，以及车身底部横梁。也可使用激光焊接的其它具体实例包括BIW内的非承载附接，诸如将车顶附接到侧板，以及接合在构造门、车篷和行李箱中遇到的上覆凸缘。

对于某些类型的金属工件，激光焊接的实践可存在挑战。例如，钢工件经常包括用于防腐的锌基材料的涂层。锌具有约906℃的沸点，而锌涂覆的基础钢基材的熔点通常是1300℃或更大。因此，当包括锌基表面涂层的钢工件进行激光焊接时，在钢工件的表面处无困难地产生高压锌蒸气，并且高压锌蒸气有破坏激光焊接过程的趋势。特别地，在钢工件的一个或多个结合界面处产生的锌蒸气被迫使扩散到由激光束产生的熔化工件金属中且通过由激光束产生的熔化工件金属，除非通过工件堆叠提供另选的逸出出口。当没有提供充足的逸出出口，当锌蒸气冷却和凝固时，锌蒸气可保持被捕获在熔化工件金属中，这致使所得焊接接头中的缺陷（诸如夹带的气孔）、以及其它焊接接头差异（诸如飞溅物、吹孔和咬边接头）。如果足够严重，则这些焊接接头不足可不能令人满意地降低激光焊接接头的机械属性。

为了阻止高压锌蒸气扩散到熔化工件金属中，常规制造过程已经要求在进行激光焊接之前对存在锌基涂层的每个结合界面处的面对的钢工件中的至少一个进行激光刻痕或机械压痕。激光刻痕或机械压痕过程产生在结合表面之间强加约0.1毫米-0.2毫米的间隙的间隔开的凸起特征部，该间隙提供逸出路径以沿所建立的结合界面导引锌蒸气，并且导引锌蒸气远离焊接位置。但是这些凸起特征部的形成将附加步骤添加到总体激光焊接过程，并且据信有助于发生咬边焊接接头。

轻金属工件（诸如铝和镁工件）由于其高强度重量比和其提高车辆燃料经济性的能力也是许多汽车零部件和结构的良好的候选。然而，铝和镁工件通常包括表面氧化物涂层，表面氧化物涂层包括耐火氧化物材料。的确，在铝和镁工件上发现的表面氧化物涂层通常是热学上和电气上绝缘的以及机械上韧性的天然耐火氧化物涂层。因为表面氧化物涂层难以分解，并且表面氧化物涂层是不良的热导体，所以表面氧化物涂层可至少在激光焊接过程开始时抑制到下面的大块铝或镁中的传热速率。附加地，当表面氧化物涂层通过激光束加热到高温时，表面氧化物涂层和来自即刻周围附近的水分可为氢和/或水蒸气的来源。特别地，氢在熔化的铝和熔化的镁中具有相对高的溶解度，但是在固体铝和镁中没有相对高的溶解度。为了那个目的，接近激光束的氢的局部生成和熔化工件金属中氧化物涂层碎片本身的存在可致使最后凝固的激光焊接接头内的气孔，因为氢在其冷却和凝固时从熔化工件金属排出。

发明内容

激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法的实施例可包括若干步骤。在一个步骤中，提供的工件堆叠包括重叠金属工件。重叠金属工件包括至少第一金属工件和在焊接区域中与第一金属工件重叠的第二金属工件。第一金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的底表面。在工件堆叠中的重叠金属工件中的所有为钢工件、铝工件或镁工件。在另一个步骤中，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，并且为可操纵的，使得束斑可相对于工件堆叠的顶表面移动。在另一个步骤中，形成从第一金属工件延伸到第二金属工件中的激光焊接接头，以将工件堆叠的重叠金属工件自发熔焊在一起。激光焊接接头的形成包括使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于工件堆叠的顶表面前进以形成细长熔池，且然后当细长熔池仍然处于熔化状态时，使激光束的束斑在与第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进。第一焊接路径和第二焊接路径重叠，使得当使束斑沿第二焊接路径前进时，激光束的束斑通过细长熔池输送。

可在不同类型的工件堆叠上实践激光焊接方法的前面提及的实施例。例如，第一金属工件可具有外部外表面和第一结合表面，并且第二金属工件可具有外部外表面和第二结合表面。附加地，第一金属工件的外部外表面可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提供工件堆叠的底表面。而且，第一金属工件和第二金属工件的第一结合表面和第二结合表面可重叠且面对以建立结合界面。

在另一个示例中，第一金属工件可具有外部外表面和第一结合表面，并且第二金属工件可具有外部外表面和第二结合表面。附加地，第一金属工件的外部外表面可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提供工件堆叠的底表面。工件堆叠还可包括置于第一金属工件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结合表面和第四结合表面。第三结合表面可与第一金属工件的第一结合表面重叠且面对，以建立第一结合界面，并且第四结合表面可与第二金属工件的第二结合表面重叠且面对，以建立第二结合界面。

包括在金属堆叠中的金属工件的成分也可变化。在一种场景中，工件堆叠中的金属工件中的所有是钢工件。还有，当金属工件中的所有是钢工件时，包括在工件堆叠中的金属工件中的至少一个可包括锌基表面涂层。在另一个场景中，包括在工件堆叠中的金属工件中的所有是铝工件。

激光焊接方法的前面提及的实施例可包括附加步骤，或者可另外定义。在一个实施方式中，可使激光束的束斑沿第一焊接路径从第一固定位置前进到间隔开的第二固定位置，并且然后可使激光束的束斑沿第二焊接路径从第二固定位置前进到第一固定位置。在另一个实施方式中，第一焊接路径可包括平均轮廓线以及在平均轮廓线上方和下方的侧向变化。第一焊接路径还可具有覆盖由第一焊接路径的长度尺寸和第一焊接路径的宽度尺寸的乘积定义的工件堆叠的顶表面的条带的表面积。在其它实施方式中，第一焊接路径可为周期性波形、一系列偏移相交圆的带或一系列连续环的带。并且，在其它实施方式中，第二焊接可为线性的，并且包含在第一焊接路径的表面积内。

方法可包括以下附加步骤：使激光束沿与第一焊接路径和第二焊接路径中的每个重叠的第三焊接路径前进，以向激光焊接接头提供具有15μm或更少的表面粗糙度（Ra）的顶表面。在这一点上，当细长熔池仍然处于熔化状态时，在不存在键孔的情况下，使激光束沿第三焊接路径前进，使得激光束撞击细长熔池的上表面，并且将热量引入到细长熔池的上区域中，以减慢细长熔池的上表面的冷却速度，使得在凝固时，使激光焊接接头的顶表面光滑。或者，作为另一个选项，在细长熔池已经完全凝固成激光焊接接头之后使激光束沿第三焊接路径前进，使得激光束撞击激光焊接接头的顶表面，并且瞬间使激光焊接接头的顶区域再熔化，使得在再凝固时，使激光焊接接头的顶表面光滑。

激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法的另一个实施例包括若干步骤。在一个步骤中，提供的工件堆叠包括重叠金属工件。重叠金属工件包括至少第一金属工件和在焊接区域中与第一金属工件重叠的第二金属工件。第一金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的底表面。在工件堆叠中的重叠金属工件中的所有为钢工件或铝工件。在另一个步骤中，操作远程激光焊接装置以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。在又一步骤中，操作远程激光焊接装置以使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于工件堆叠的顶表面前进，以形成细长熔池。第一焊接路径具有覆盖工件堆叠的顶表面的条带的表面积。在另一个步骤中，当细长熔池仍然处于熔化状态时，操作远程激光焊接装置以使激光束的束斑在与第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进，使得激光束的束斑通过细长熔池输送回来。第二焊接路径包含在第一焊接路径的表面积内。并且，在另一个步骤中，移除激光束以允许细长熔池凝固成从第一金属工件延伸到第二金属工件中的激光焊接接头，以将工件堆叠的重叠金属工件自发熔焊在一起。

激光焊接方法的前面提及的实施例可包括附加步骤，或者可另外定义。例如，包括在工件堆叠中的金属工件可仅包括第一金属工件和第二金属，或者包括在工件堆叠中的金属工件还可包括置于焊接区域内的第一金属工件和第二金属工件之间的第三金属工件。作为另一个示例，在细长熔池已经凝固成激光焊接接头之前或之后，可操作远程激光焊接装置以使激光束的束斑沿第三焊接路径前进，以向激光焊接接头提供光滑顶表面。作为又一示例，第一焊接路径可为周期性波形，并且第二焊接路径可为线性的。另外，在又一示例中，当使激光束的束斑沿第二焊接路径前进时，细长熔池可被扩大。

激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法的另一个实施例包括若干步骤。在一个步骤中。提供的工件堆叠包括重叠金属工件。重叠金属工件包括至少第一金属工件和在焊接区域中与第一金属工件重叠的第二金属工件。第一金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的顶表面，并且第二金属工件提供在焊接区域内的工件堆叠的底表面。在工件堆叠中的重叠金属工件中的所有为钢工件、铝工件或镁工件。在另一个步骤中，使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于工件堆叠的顶表面前进，以形成细长熔池。第一焊接路径包括平均轮廓线以及在平均轮廓线上方和下方的侧向变化，并且还具有覆盖工件堆叠的顶表面的条带的表面积。在又一步骤中，当细长熔池仍然处于熔化状态时，使激光束的束斑在与第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进，以通过细长熔池将束斑输送回来。第二焊接路径与第一焊接路径重叠，使得第二焊接路径的至少80%包含在第一焊接路径的表面积内。并且，在另一个步骤中，移除激光束以允许细长熔池完全凝固成从第一金属工件延伸到第二金属工件中的激光焊接接头，以将工件堆叠的重叠金属工件自发熔焊在一起。激光焊接接头具有顶表面，顶表面具有10μm或更少的表面粗糙度（Ra）。

附图说明

图1是包括两个重叠金属工件的工件堆叠连同可完成所公开的激光焊接方法的远程激光焊接装置的一般图示；

图2是图1中描绘的激光束的放大图，该放大图示出激光束的焦点和纵向轴线；

图3是图1中所示的工件堆叠连同在将激光束引导到工件堆叠的顶表面处使得激光束撞击顶表面时产生的键孔和周围的熔化焊池的剖视图；

图4是根据本公开的一个实施例的当使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径前进以在工件堆叠内形成细长熔池时图1中所示的工件堆叠的顶表面和激光束的平面图；

图5是在剖面线5-5处截取的图4中所示的工件堆叠和细长熔池的剖视图；

图6是当根据本公开的一个实施例使激光束的束斑在第二方向上沿第二焊接路径前进以通过使激光束的束斑沿第一焊接路径前进先前在工件堆叠内产生的细长熔池将激光束输送回来时图1中所示的工件堆叠的顶表面和激光束的平面图，第二方向被取向成与第一方向相反；

图7是在剖面线7-7处截取的图6中所示的工件堆叠和细长熔池的剖视图；

图8是根据本公开的一个实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图9是根据本公开的另一个实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图10是根据本公开的又一实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图11是根据本公开的另一个实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图12是根据本公开的另一个实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图13是根据本公开的又一实施例的如投影到工件堆叠的顶表面上的第一焊接路径的平面图；

图14是根据常规激光焊接实践形成在两个轻金属工件之间的焊接接头的放大剖面照片，常规激光焊接实践不采用如在本公开的激光焊接方法中阐述的使激光束沿至少第一焊接路径和第二焊接路径前进；

图15是根据所公开的激光焊接方法的实践的形成在两个轻金属工件之间的焊接接头的放大剖面照片；

图16是工件堆叠和激光接头的平面图，在使激光束沿第一焊接路径和第二焊接路径前进之后，在从工件堆叠移除激光束之后，焊接接头已经从细长熔池凝固；

图17是在剖面线17-17处截取的图16中所示的工件堆叠和焊接接头的剖视图；

图18是在已经使束斑沿第二焊接路径前进以提供激光焊接接头的光滑顶表面之后当根据本公开的一个实施例使激光束的束斑沿第三焊接路径前进以再一次通过细长熔池将激光束输送回来时图1中所示的工件堆叠和激光束的平面图；

图19是在剖面线19-19处截取的图18中所示的工件堆叠和细长熔池的剖视图；

图20是在激光焊接接头已经从细长熔池凝固以使激光焊接接头的顶表面再熔化且提供激光焊接接头的光滑顶表面之后当根据本公开的一个实施例使激光束的束斑沿第三焊接路径前进时图1中所示的工件堆叠和激光束的平面图；

图21是在剖面线21-21处截取的图20中所示的工件堆叠和细长熔池的剖视图；

图22是根据堆叠包括三个金属工件而不是两个金属工件的另一个实施例的图1中所示的工件堆叠的视图的剖视图，并且还示出当根据本公开的一个实施例使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径前进以在工件堆叠内形成细长熔池时图1中所示的激光束；

图23是在使激光束沿第一焊接路径和第二焊接路径前进之后在从工件堆叠移除激光束之后在激光焊接接头已经从细长熔池凝固之后在图22中所示的相同工件堆叠的剖视图。

具体实施方式

激光焊接两个或更多个堆叠金属工件的所公开的方法涉及使激光束（且特别地激光束的束斑）在最后激光焊接接头形成期间沿多个重叠焊接路径相对于工件堆叠的顶表面前进。多个焊接路径中的每个可当被激光束跟踪时用作特定功能，这有助于激光焊接接头的完整性和质量，包括例如初始以细长熔池的形式形成穿透的熔化工件材料、一旦已经形成穿透的熔化工件材料就对细长熔池进行加工、以及可选地调节熔池和/或所凝固的激光焊接接头以向激光焊接接头提供光滑的顶表面。通过以该方式（而不是使激光束沿单个束行进图案前进一次）完成激光焊接方法，可使用多个跟踪的焊接路径中的每个以更加审慎和有效的方式形成激光焊接接头，以共同地使焊接缺陷（诸如气孔）以及其它激光焊接缺点的发生最小化。

可通过包括扫描光学激光器的远程激光焊接装置实行根据形成激光焊接接头所需的使激光束沿多个焊接路径前进。扫描光学激光头可容纳可转位光学部件，可转位光学部件可在多种多样的简单和复杂几何形状或焊接路径中相对于工件堆叠的顶表面且沿工件堆叠的顶表面移动激光束的束斑，同时如果需要也能够改变激光束的焦点位置。相同类型的激光束前进也可通过常规激光焊接装置完成，常规焊接激光装置诸如例如由高速CNC机器携带固定激光头的装置、以及拥有同等功能的其它类型的激光焊接装置。依据被接合的金属工件的特性和期望实践的激光焊接模式（传导、键孔等），被采用以形成激光焊接接头的激光束可为固态激光束或气体激光束。可使用的一些显著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，并且可使用的显著气体激光器是CO₂激光器，但是当然可使用其它类型的激光器。

可在多种工件堆叠构型上实行将两个或更多个金属工件激光焊接在一起的所公开的方法。例如，可结合包括两个重叠金属工件的“2T”工件堆叠使用所公开的方法，或者可结合包括三个重叠金属工件的“3T”工件堆叠使用所公开的方法。另外，在一些实例中，可结合包括四个重叠金属工件的“4T”工件堆叠（未示出）使用所公开的方法。包括在工件堆叠中的两个或更多个金属工件可都是钢工件，可都是铝工件、或者可都是镁工件，并且包括在工件堆叠中的两个或更多个金属工件不需要一定具有相同的成分（在相同的基础金属类别内），或者具有与堆叠中的其它的相同的厚度。以实质上相同的方式完成所公开的方法，以实现相同的结果，而不管工件堆叠是否包括两个重叠金属工件或多于两个重叠金属工件。通过调整操作激光束的特性，可容易适应工件堆叠构型中的任何差异。

现在一般参考图1，示出工件堆叠10，其中堆叠10包括重叠以限定焊接区域16的至少第一金属工件12和第二金属工件14。也示出可实行所公开的工件接合方法的远程激光焊接装置18。在焊接区域16的界限内，第一金属工件12和第二金属工件14分别提供工件堆叠10的顶表面20和底表面22。可使得工件堆叠10的顶表面20对远程激光焊接装置18可用，并且由从远程激光焊接装置18发出的激光束24可接近工件堆叠10的顶表面20。并且由于仅需要单侧接近以进行激光焊接，所以不需要以相同方式使得可接近工件堆叠10的底表面22。如本文使用的术语“顶表面”和“底表面”是识别更接近且面向远程激光焊接装置18的堆叠10的表面（顶表面）和面向相反方向的堆叠10的表面（底表面）的相对名称。

如图1-图21所示，工件堆叠10可仅包括第一金属工件12和第二金属工件14。在这些情形下，且如图3中最佳示出的，第一金属工件12包括外部外表面26和第一结合表面28，并且第二金属工件14包括外部外表面30和第二结合表面32。第一金属工件12的外部外表面26提供工件堆叠10的顶表面20，并且第二金属工件14的外部外表面30提供堆叠10的相反地面向的底表面22。并且，由于两个金属工件12、金属工件14仅为存在于工件堆叠10中的工件，所以至少在该实施例中，第一金属工件12和第二金属工件14的第一结合表面28和第二结合表面32在焊接区域16内重叠且面对，以建立结合表面34。在其它实施例中，下方结合图22-图23描述其它实施例中的一个，工件堆叠10可包括附加第三金属工件，附加第三金属工件设置在第一金属工件12和第二金属工件14之间，以在焊接区域16内向堆叠10提供三个金属工件而不是两个金属工件。

本公开中广泛使用术语“结合界面”，并且术语“结合界面”旨在涵盖可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中的面对的第一结合表面28和第二结合表面32之间的宽范围的重叠关系。例如，结合表面28、结合表面32可通过直接或间接接触建立结合界面34。当结合表面28、结合表面32物理邻接且不通过落在正常组装公差范围之外的离散中间材料层或间隙分离时，结合表面28、结合表面32彼此直接接触。当结合表面28、结合表面32通过离散中间材料层（诸如密封剂或粘合剂）分离时，结合表面28、结合表面32间接接触，且因此结合表面28、结合表面32不经历代表直接接触的界面邻接的类型，但是处于足够接近，可实践激光焊接。作为另一个示例，结合表面28、结合表面32可通过强加的间隙分离建立结合界面34。可通过激光刻痕、机械压痕或其它方式在结合表面28、结合表面32中的一者或两者上产生凸起特征部在结合表面28、结合表面32之间强加此类间隙。凸起特征部维持在结合表面28、结合表面32之间的间断接触点，这保持表面28、表面32在接触点之外和周围间隔开多达1.0mm。

仍然参考图3，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可都由钢、铝或镁组成；也就是说，第一金属基层36和第二金属基层38两者由钢组成，两者由铝组成，或者两者由镁组成。第一金属基层36或第二金属基层38中的至少一个且往往金属基层36、金属基层38中的两者包括表面涂层40。出于包括防腐、强度增强和/或提高处理以及其它原因的各种原因，可在金属基层36、金属基层38中的一者或两者上采用一个或多个表面涂层40，并且一个或多个表面涂层40的成分很大程度上基于下面的金属基层36、金属基层38的成分。考虑金属基层36、金属基层38及其可选表面涂层40的厚度，第一金属工件12的厚度121和第二金属工件14的厚度141中的每个至少在焊接区域16内优选地在从0.4mm至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、厚度141可彼此相同或不同。

金属基层36、金属基层38可采取落在钢、铝或镁的广泛引用的基础金属组内的多种多样的金属形式和成分中的任一种。例如，如果由钢组成，则金属基层36、金属基层38中的每个（暂且称为第一钢基层36和第二钢基层38）可单独由多种多样的钢中的任一种组成，多种多样的钢包括低碳（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、孪生诱发塑性（TWIP）钢、以及硼钢，诸如当工件12、工件14包括压制硬化钢（PHS）时。而且，第一钢基层36和第二钢基层38中的每个可已经被处理以获得特定的一组机械属性，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可被热轧或冷轧到其最后厚度，并且可被预制备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、钢基层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。可采用的一种特别优选的锌铁合金具有包括以下的体积平均成分：8wt%至12wt%铁和0.5wt%至4wt%铝，其中余量（以wt%计）是锌。可通常通过热浸镀锌（热浸镀锌锌涂层）、电镀锌（电镀锌锌涂层）或镀锌（镀锌锌铁合金）将锌基材料的涂层施加到2μm至50μm之间的厚度，但是可采用其它过程和一个或多个取得的涂层的厚度。合适的铝基材料的一些示例包括铝、铝硅合金、铝锌合金和铝镁合金。可通常通过浸涂将铝基材料的涂层施加到2μm至30μm的厚度，但是可采用其它涂覆过程和一个或多个取得的涂层的厚度。考虑钢基层36、钢基层38及其一个或多个可选表面涂层40的厚度，第一钢工件12和第二钢工件14中的每个的总体厚度在焊接区域16内优选地在从0.4mm至4.0mm的范围内、或更窄地在从0.5mm至2.0mm的范围内。

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、金属基层38（暂且被称为第一铝基层36和第二铝基层38）中的每个可单独由非合金铝或包括至少85wt%铝的铝合金组成。可构成第一铝基层36和/或第二铝基层38的一些显著的铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金。附加地，铝基层36、铝基层38中的每个可以锻造或铸造形式单独提供。例如，铝基层36、铝基层38中的每个可由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻造铝合金薄板层，挤出件、锻件或其它加工制品或4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可被用作第一铝基层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铝锌合金和Al-10Si-Mg铝压铸合金。可在包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（T）的多种回火中采用第一铝基层36和/或第二铝基层38。

存在于铝基层36、铝基层38中的一者或两者上的表面涂层40可为包括氧化铝化合物的天然耐火氧化物涂层，当来自铝基层36、铝基层38的新鲜铝暴露于大气空气或一些其它含氧介质时，天然耐火氧化物涂层被动形成。表面涂层40也可为包括锌或锡的金属涂层，或者表面涂层40可为包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层，如在美国专利申请号US2014/0360986中公开的。依据涂层40的成分和得到涂层40的方式，表面涂层40（如果存在）的典型厚度位于从1nm至10μm的任何地方，但是可采用其它厚度。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经常具有从2nm至10nm范围的厚度。考虑铝基层36、铝基层38及其一个或多个可选表面涂层40的厚度，第一铝工件12和第二铝工件14中每个的总体厚度在焊接区域16内优选地在0.4mm至6.0mm的范围内、或更窄地从0.5mm至3.0mm的范围内。

如果第一金属基层36和第二金属基层38由镁组成，则金属基层36、金属基层38（暂且被称为第一镁基层36和第二镁基层38）中的每个可单独由非合金镁或包括至少85wt%镁的镁合金组成。可构成第一镁基层36和/或第二镁基层38的一些显著的镁合金是镁锌合金、镁铝合金、镁铝锌合金、镁铝硅合金和镁稀土合金。附加地，可以锻造（片材、挤出件、锻件或其它加工制品）或铸造形式单独提供镁基层36、镁基层38中的每个。可被用作第一镁基层36和/或第二镁基层38的镁合金的一些更具体示例包括但不限于AZ91D压铸或锻造（挤压或片状）镁合金、AZ31B压铸或挤压（挤压或片状）镁合金和AM60B压铸镁合金。可在包括退火（O）、应变硬化（H）和固溶热处理（T）的多种回火中采用第一镁基层36和/或第二镁基层38。

存在于镁基层36、镁基层38中的一者或两者上的表面涂层40可为包括氧化镁化合物（以及可能地，氢氧化镁化合物）的天然耐火氧化物涂层，当来自镁基层36、镁基层38的新鲜镁暴露于大气空气或一些其它含氧介质时，天然耐火氧化物涂层被动形成。表面涂层40也可为包括金属氧化物、金属磷酸盐或金属铬酸盐的金属转化涂层。依据涂层40的成分和得到涂层40的方式，表面涂层40的典型厚度（如果存在）位于从1nm至10μm的任何地方，但是可采用其它厚度。例如，当下面的镁材料是镁合金时，被动形成的耐火氧化物涂层经常具有从2nm至10nm范围的厚度。考虑镁基层36、镁基层38及其一个或多个可选表面涂层40的厚度，第一镁工件12和第二铝工件14中每个的总体厚度在焊接区域16内优选地在0.4mm至6.0mm的范围内、或更窄地从0.5mm至3.0mm的范围内。

再参考图1，远场激光焊接装置18包括扫描光学激光头42。一般而言，扫描光学激光头42朝向工件堆叠10的顶表面20（也朝向第一金属工件12的外部外表面26）引导激光束24的传输。所引导的激光束24具有束斑44，如图2所示，束斑44是在沿堆叠10的顶表面20取向的平面处的激光束24的剖面面积。扫描光学激光头42优选地安装到机器人臂（未示出），机器人臂可以快速编程顺序迅速且准确地将激光头42携带到焊接区域16内的许多不同预选位置。结合扫描光学激光头42使用的激光束24优选地为以在电磁光谱的近红外范围内（常常被认为700nm至1400nm）的波长操作的固态激光束。附加地，激光束24具有功率水平能力，根据期望，该功率水平能力可在激光焊接接头的形成期间取得足以在工件堆叠10内产生键孔的功率密度。依据金属基层36、金属基层38的成分，在重叠金属工件12、重叠金属工件14内产生键孔所需的功率密度通常在0.5-1.5MW/cm²之间。

可结合远程激光焊接装置18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抽运激光束，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抽运激光束，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镱钇铝石榴石（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来源于多个二极管的组合激光束（例如，波长组合的），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）的那些。可商购获得可生成那些类型的激光中的每种以及其它变型的激光发生器。当然，可使用这里没有具体提及的其它固态激光束。

扫描光学激光头42包括镜46的布置，该镜46可操纵激光束24，并且因此在至少部分跨越焊接区域16的操作包络48内沿工件堆叠10的顶表面20输送束斑44。这里，如图1所示，由操作包络48跨越的顶表面20的一部分被标记为x-y平面，因为激光束24在该平面内的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标识别。除了镜46的布置之外，扫描光学激光头42也包括z轴聚焦透镜50，z轴聚焦透镜50可沿激光束24的纵向轴线54移动激光束24的焦点52（图2），以因此使焦点52在垂直于图1中建立的三维坐标系中的x-y平面取向的z方向上的位置变化。还有，为了使灰尘和碎屑免于不利地影响光学系统部件和激光束24的完整性，盖玻片56可置于扫描光学激光头42下方。盖玻片56保护镜46的布置和z轴聚焦透镜50免受周围环境的影响，但是允许激光束24从扫描光学激光头42传递出去，而没有实质性破坏。

镜46的布置和z轴聚焦透镜50在远程激光焊接装置18的操作期间配合，以支配激光束24及其束斑44在操作包络48内的期望的移动以及焦点52沿激光束24的纵向轴线54的位置。更具体地，镜46的布置包括一对可倾斜扫描镜58。可倾斜扫描镜58中的每个安装在检流计60上。两个可倾斜扫描镜58可通过由检流计60执行的精确协调的倾斜移动，移动束斑44的位置，并且因此改变激光束24与工件堆叠10相交的点（在操作包络48的x-y平面中的任何地方）。同时，z轴聚焦透镜50控制激光束24的焦点52的位置，以便帮助以正确的功率密度管理激光束24，并且瞬时且随着时间推移取得期望的热输入。这些光学部件50、光学部件58中的所有可在大约毫秒或更少内被快速转位，以使激光束24的束斑44沿下方更全面描述的多个焊接路径相对于工件堆叠10的顶表面20的x-y平面前进，同时控制焦点52的位置。

将远程激光焊接与其它常规形式的激光焊接区别开来的特性是激光束24的焦距。这里，如图1所示，激光束24具有焦距62，焦距62被测量为焦点52和最后一个可倾斜扫描镜58之间的距离，最后一个可倾斜扫描镜58在激光束24离开扫描光学激光头42之前拦截且反射激光束24。激光束24的焦距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100μm至700μm的范围内的任何地方。可容易调整焦距以及焦点距离64。如本文使用的术语“焦点距离”指沿激光束24的纵向轴线54的激光束24的焦点52和工件堆叠10的顶表面20之间的距离，如图2最佳所示。因此，当焦点52被定位在堆叠10的顶表面20处时，激光束24的焦点距离64是零。

术语“焦点位置”与激光束24的焦点距离64相关，并且定义焦点52相对于工件堆叠的顶表面定位的地方。的确，当激光束24的焦点52被定位在工件堆叠10的顶表面20处时，激光束24的焦点位置是零（或“0”），并且，在逻辑上，如上面提到的，焦点距离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的焦点位置是被报告为正值（+）的焦点距离64。同样，当激光束24的焦点52位于工件堆叠的顶表面20下方时，激光束24的焦点位置是被报告为负值（-）的焦点距离64。因此，激光束24的焦点位置给出不仅焦点距离64而且还有沿激光束24的纵向轴线54的方向的指示，焦点52在该方向上远离工件堆叠10的顶表面20移位。换句话说，激光束24的焦点位置的绝对值仅为焦点距离64。

在目前公开的激光焊接方法中，且现在参考图1-图19，激光焊接接头66（图16）通过使激光束24的束斑44沿多个重叠焊接路径前进，使得金属工件12、金属工件14在焊接区域16内的预先确定的焊接位置处瞬间熔化，而形成在工件堆叠10中。为了形成激光焊接接头66，激光束24被扫描光学激光头42引导到工件堆叠的顶表面20处。由激光束24对堆叠10的顶表面20的所造成的撞击在堆叠10内产生熔化金属焊池68，如图3所示，熔化金属焊池68从顶表面20朝向底表面22穿透到堆叠10中，并且可初始与或可初始不与在第一金属工件12和第二金属工件14之间建立的结合界面34相交。事实上，在图3中所示的2T堆叠中，熔化金属焊池68可部分或完全穿透工件堆叠10。完全穿透的熔化金属焊池68整个穿透工件堆叠10，并且毁坏堆叠10的底表面22，如图所示，而部分穿透熔化金属焊池68穿透到顶表面20和底表面22之间的某个中间深度，并且因而不延伸到堆叠10的底表面22或毁坏堆叠10的底表面22。

而且，激光束24优选地具有足以使直接在束斑44底下的工件堆叠10的金属工件12、金属工件14汽化的功率密度。该汽化作用产生键孔70，也图3中描绘的，键孔70是时常包含等离子体的一列汽化工件金属。键孔70形成在熔化金属焊池68内，并且施用足以防止周围熔化金属焊池68向内塌陷的向外引导的蒸气压。并且，像熔化金属焊池68一样，键孔70也从顶表面20朝向底表面22穿透到工件堆叠10中，并且可初始与或可初始不与在第一金属工件12和第二金属工件14之间建立的结合界面34相交。键孔70为激光束24提供将能量向下递送到工件堆叠10中的导管，因此便于熔化金属焊池68相对较深和较窄地穿透到工件堆叠10中。键孔70可连同熔化金属焊池68完全（如图所示）或部分穿透工件堆叠10。在许多实例中，0.5MW/cm²至1.5 MW/cm²的功率密度足以产生键孔70。

在产生熔化金属焊池68且优选地产生键孔70时，使激光束24且特别地其束斑44在第一方向74上沿第一焊接路径72相对于工件堆叠10的顶表面20前进，如图4-图5所示。激光束24的此类前进使熔化焊池68以及键孔70（如果存在）平移通过工件堆叠10，以形成包含穿透的熔化工件材料的细长熔池76。细长熔池76优选地足够深地穿透到工件堆叠10中或穿透工件堆叠10，使得细长熔池76与在第一金属工件12和第二金属工件14之间建立的结合界面34相交。在图5中，例如，细长熔池76被示为完全穿透工件堆叠10。在其它实施例中，然而，细长熔池76可部分穿透工件堆叠10，而不与结合界面34相交，或者细长熔池76可部分穿透工件堆叠10，并且与结合界面34相交，结果，这意味着熔池76完全横穿第一金属工件12的厚度121，并且仅部分横穿第二金属工件14的厚度141。

在激光束24完成跟踪第一焊接路径72之后，且当细长熔池76仍然处于熔化状态时（即，在细长熔池76已经完全凝固之前），使激光束24在与第一方向74相反取向的第二方向80上沿第二焊接路径78前进，如图6-图7所示。第二焊接路径78与第一焊接路径72重叠，以确保激光束24撞击细长熔池76的上表面82，并且通过熔池76输送回来。优选地，在激光束24沿第二焊接路径78通过细长熔池76往回前进期间存在键孔70，但是不一定必须如此。通过在增长熔池76的相反方向上通过细长熔池76将激光束24输送回来，可能对熔池76进行加工以使熔化工件金属具有更均匀和一致的分布，而具有更少夹带和/或溶解的蒸气（例如，锌、氢、水等），使得当凝固时，焊接接头逐渐拥有更好的强度和其它属性。附加地，如果需要，可控制激光束24沿第二焊接路径78的前进以另外扩大熔池76，使得熔池76与在第一金属工件12和第二金属工件14之间建立的结合界面34充分相交。

如由激光束24跟踪的第一焊接路径72和第二焊接路径78可采取如从平面图的角度投影到工件堆叠10的顶表面20上的多种几何形状。焊接路径72、焊接路径78可彼此相同或不同。如图4和图6所示，第一焊接路径72可具有开始位置84和结束位置86，其中激光束24在第一方向74上从开始位置84行进到结束位置86，同时沿第一焊接路径72前进。类似地，第二焊接路径78可具有开始位置88和结束位置90，其中激光束24在第二方向80（与第一方向74相反）上从开始位置88行进到结束位置90，同时沿第二焊接路径78前进。第一焊接路径72的开始位置84和第二焊接路径78的结束位置90可为顶表面20上的相同位置，或者第一焊接路径72的开始位置84和第二焊接路径78的结束位置90可偏移。同样，第二焊接路径78的开始位置88和第一焊接路径72的结束位置86可为在顶表面20上的相同位置，或者第二焊接路径78的开始位置88和第一焊接路径72的结束位置86可偏移。

在一个特定实施例中，第一固定位置92可构成第一焊接路径72的开始位置84和第二焊接路径78的结束位置90，并且第二固定位置94可构成第二焊接路径78的开始位置88和第一焊接路径72的结束位置86。以该方式，激光束24可沿第一焊接路径72在第一方向74上从第一固定位置92前进到第二固定位置94，然后，可沿第二焊接路径78在第二方向80上从第二固定位置94往回前进到第一固定位置92，并且然后可可选地沿可选的第三焊接路径在第一方向74上再次前进，如下方将另外解释的。使激光束24在第一固定位置92和第二固定位置94之间且沿第一焊接路径72和第二焊接路径78来回前进可为所公开的方法的实践实施方式，因为当从第一焊接路径72过渡到第二焊接路径78时激光束24到工件堆叠10中的传输不必被中断，并且与第一焊接路径72和第二焊接路径78的开始位置和/或结束位置84、86、88、90在工件堆叠10的顶表面20上彼此偏移的实施方式相比，焊接操作可更容易编程和控制。

第一焊接路径72优选地是包括在平均轮廓线96上方和下方的侧向变化的焊接路径，平均轮廓线96平行于第一方向74伸延通过焊接路径72的算术中心，如图8所示。例如，第一焊接路径72可为周期性波形或非周期性波形。周期性波形是包括以规则间隔重复其本身的重复出现的各个波段的波形，并且非周期性波形是不是周期性的波形。可被采用作为第一焊接路径72的合适的周期性波形的一些具体示例包括正弦波形，这里如图8所示，以及包括锯齿波形（图9）、方波（图10）和三角波（图11）的图9-图13所示的那些，仅举几例。第一焊接路径72也可包括圆形或非圆形种类的其它几何形式，其它几何形式包括一系列偏移相交圆的带（如图12所示）或一系列连续环的带（如图13所示）。因为第一焊接路径72的侧向变化，所以第一焊接路径72大小可被设计和控制为具有覆盖工件堆叠10的顶表面20的条带的表面积98。第一焊接路径72的表面积98（仅在图8中代表性地示出）是第一焊接路径72的长度尺寸100和宽度尺寸102的乘积。在许多实例中，但不一定是所有，长度尺寸100可在从5mm至100mm的范围中，并且宽度尺寸102可在从0.5mm至10mm的范围中。

应当注意，通过使激光束24沿第一焊接路径72前进产生的细长熔池76处于“熔化状态”，只要细长熔池76尚未遭遇完全凝固。例如，当第一焊接路径72的长度尺寸100相对较短（诸如15mm或更少以及特别地10mm或更少）时，细长熔池76可整个包括从开始位置84延伸到结束位置86的熔化金属，并且结果，激光束24可当通过熔池76输送回来同时在开始位置88和结束位置90之间沿第二焊接路径78前进时仅仅遇到熔化金属。在其它场景中，例如，诸如当第一焊接路径72的长度尺寸100相对较长（诸如大于15mm）时，在激光束24返回之前，细长熔池76可在第一焊接路径72的开始位置84附近开始凝固。如此，熔池76可包括从第一焊接路径76的开始位置84延伸的部分凝固或半固态熔化金属，并且还可包括从部分凝固的熔化金属延伸到第一焊接路径72的结束位置86的熔化金属。在这些情形下，激光束24可当通过细长熔池76输送回来同时在开始位置88和结束位置90之间沿第二焊接路径78前进时，首先遇到熔化金属，之后遇到一些部分凝固的熔化金属。在上面的实例中的两者中，当激光束24的束斑44沿第二焊接路径78前进时，细长熔池76处于熔化状态。

第二焊接路径78可为线性的，如图6所示，但是第二焊接路径78也可包括在平均轮廓线上方和下方的侧向变化，诸如先前相对于第一焊接路径72讨论的焊接路径中的任一个。线性焊接路径是直的或曲线的线性焊接路径，诸如例如在第二焊接路径78的开始点88和结束点90之间直接伸延最短可能距离的直线、或在开始点88和结束点90之间伸延稍微更长距离的光滑弧线。C型焊接路径是遵循弧线且因此是曲线的焊接路径的常见示例。不管其几何轮廓，在某些优选实施例中，第二焊接路径78中的至少80%和优选地所有包含在第一焊接路径72的表面积98内。以该方式，激光束24的能量的大部分或所有可用于传送到细长熔池76，并且可更有效地实现使激光束24沿第一焊接路径72和第二焊接路径78以协调方式前进的益处，下方详细讨论益处中的一些。

包括激光束24的功率水平和行进速度和焦点位置的激光束24的束特性可在沿第一焊接路径72和第二焊接路径78中的每个前进期间进行定制，以实现激光束24的特定传递的期望的最终结果作为激光焊接接头66的总体发展的一部分。激光束24的束特性可当沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进时是不同的。当第一金属工件12和第二金属工件14是钢工件时，例如，激光束24可当以0.5m/min至50m/min的行进速度沿第一焊接路径72前进的同时，具有在从1.0kW至5.0kW范围内的功率水平和在从-50mm至-10mm或从+10mm至+50mm范围内的焦点位置。然后，在从第一焊接路径72过渡之后，激光束24可当以0.5m/min至50m/min的行进速度沿第二焊接路径78前进的同时，具有在从1.0kW至10kW范围内的功率水平和在从-5mm至+5mm范围内的焦点位置。在另一个示例中，当第一金属工件12和第二金属工件14为铝或镁工件时，激光束24可当以5m/min至100m/min的行进速度沿第一焊接路径72前进的同时，具有在从2.0kW至10kW范围内的功率水平和在从-5mm至+5mm范围内的焦点位置。然后，在从第一焊接路径72过渡之后，激光束24可当以5m/min至50m/min的行进速度沿第二焊接路径78前进的同时，具有在从2.0kW至10kW范围内的功率水平和在从-10至+10范围内的焦点位置。

可在一些具体激光焊接应用的上下文中更好解释使激光束24沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进的益处。例如，如果第一金属工件12和第二金属工件14中的两者是钢工件，并且钢工件中的一者或两者包括锌基表面涂层，则存在以下可能性：由激光束24的热量生成的锌蒸气将产生包括太多气孔的焊接接头。所公开的激光焊接方法可解决该问题。具体地，对于包括钢工件的工件堆叠10，使激光束24沿第一焊接路径72前进可将可沿工件堆叠10的顶表面20存在的锌煮沸，并且可附加地在细长熔池76的形成期间将任何锌煮沸和/或将任何锌转化成氧化锌，任何锌沿结合界面34和沿工件堆叠10的底表面22存在。随后，使激光束24通过细长熔池76沿第二焊接路径78前进，然后变更熔化工件材料内的流体速度场，这又干扰且帮助驱散被捕获在熔池76内的锌蒸气。在激光束24完成跟踪第二焊接路径78之后，熔池76不易于包含锌蒸气且具有更一致的分布。

在另一个示例中，如果第一金属工件12和第二金属工件14中的两者是铝工件或第一金属工件12和第二金属工件14中的两者是镁工件，则存在以下可能性：氢气和/或水蒸气可被引入到熔化工件金属中，并且最终可致使包括太多气孔的焊接接头。为了那个目的，使激光束24沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进可以与上面针对钢工件描述的大致相同的方式帮助从细长熔池76消除那些气态物质。附加地，且现在参考图14-图15，作为对以下描述的视觉辅助，从开始位置104到结束位置106的激光束的单向通道具有产出细长熔池的趋势，该细长熔池部分由于轻金属工件的热阻系数而以与激光束的路径的结束位置106相邻的凹部108凝固。这样的凹部可被认为缺陷，并且尤其在某些类型的铝中，这样的凹部可为引发热裂的来源。如在所公开的激光焊接方法中要求的，通过使激光束24沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进，细长熔池76更均匀地分布，使得在凝固时，并且如图15所示，消除代表单向激光焊接实践的凹部。

一旦激光束24的束斑44已经完成跟踪第一焊接路径72和第二焊接路径78，通过停止将激光束24传输到工件堆叠10或简单地将激光束24重新定位在焊接位置之外，从焊接位置移除激光束24。能量和传热的所造成的终止允许细长熔池76完全凝固成固结的再凝固工件材料110，如图16-图17中所示。第一焊接路径72和第二焊接路径78以虚线叠加到激光焊接接头66上，以帮助将其贡献输送到激光焊接接头66。从激光束24获得的固结的再凝固工件材料110构成激光焊接接头66，激光焊接接头66包括顶表面112。依据在前的细长熔池76的穿透深度，激光焊接接头66完全延伸穿过工件堆叠10或部分延伸到工件堆叠10中。也就是说，激光焊接接头66从第一金属工件12延伸到第二金属工件14中，或更具体地，从堆叠10的顶表面20朝向底表面22延伸，同时与结合界面34相交，以便将金属工件12、金属工件14自发熔焊在一起。

所公开的激光焊接方法可附加地包括以下可选实践：使激光束24沿第三焊接路径114前进以使激光焊接接头66的顶表面12比无实施第三焊接路径114时原本可能的更光滑，如图18-图21所示。值得注意的，为由工件堆叠10的顶表面20围绕的接头66的暴露表面的焊接接头66的顶表面112通常至少部分由于在激光焊接过程期间在细长熔池76中产生的湍流和由从熔池76驱赶的气体引起的干扰而具有稍微粗劣的趋势。顶表面112具有表面粗糙度，该表面粗糙度被测量为平均或算术平均粗糙度（Ra），平均或算术平均粗糙度（Ra）在某些实例中可与200μm一样大。过度粗糙的顶表面112可对激光焊接接头66的视觉外观和/或结构完整性具有若干不利影响。即使激光焊接接头66实际上在结构上和功能上是健全的，粗劣顶表面112也可给出质量很差接头的感觉。附加地，粗劣顶表面112可产生残余应力集中点，当激光焊接接头66在腐蚀环境中经受拉伸载荷时，残余应力集中点易受裂纹且特别地应力腐蚀裂纹的影响。另外，激光焊接接头66的粗劣顶表面112可损坏在随后制造操作中施加到接头66上的密封条。

可以两种方式中的一种方式完成使激光束24沿可选第三焊接路径114前进以提供激光焊接接头66的光滑顶表面112。在一个实施方式中，如图18-图19所示，且在沿第二焊接路径78前进之后，可通过增加激光束24在沿堆叠10的顶表面20取向的平面处的剖面面积，使激光束24散焦，以增加束斑44的大小。这可通过将激光束24的焦点距离52（正（+）或负（-））增加到在20mm和50mm之间和/或将激光束24的功率水平减少到在1.0kW和10kW之间（或更窄地到3.0kW和6.0kW之间）实现，使得键孔70不再是可持续的。一旦散焦，当细长熔池76仍然处于熔化状态（即，其尚未完全凝固）时，使激光束24以在从10m/min至50m/min范围内的行进速度沿第三焊接路径114前进。

第三焊接路径114与第一焊接路径72和第二焊接路径78重叠，并且结果，引起激光束24撞击细长熔池76的上表面82，同时在第一方向74或第二方向80上通过熔池76再次输送。第三焊接路径114优选地具有覆盖熔池76的整个上表面82的至少90%和优选地熔池76的整个上表面82的表面积116。第三焊接路径114可采取上面相对于第一焊接路径72描述的几何轮廓中的任一种，包括图18所示的正弦波形，并且第三焊接路径114的表面积116可由从5mm至100mm范围内的长度尺寸118和从1mm至12mm范围内的宽度尺寸120定义。通过使激光束24沿第三焊接路径114前进，热量被引入到细长熔池76的上区域122中，这又延长熔池76的上区域76（包括上表面82）保持熔化状态的时间，如图19中描绘的。使细长熔池76的上区域122的凝固延迟而不是使细长熔池76的上区域122在激光束24完成跟踪第二焊接路径78之后即刻冷却和凝固，沿熔池76的上表面82重新分布能量，并且为熔化金属的固有表面张力提供足够时间以自然引起上表面82沉降且变平，因此使激光焊接接头66的顶表面112更光滑。

在另一个实施方式中，如图20-图21所示，并且在沿第二焊接路径78前进之后，细长熔池76被允许完全凝固成激光焊接接头66。一旦激光焊接接头66获得其顶表面112，就使激光束24在第一方向74或第二方向80上沿第三焊接路径114前进，以再熔化包括接头66的顶表面112的激光焊接接头66的顶区域124，之后从焊接位置移除激光束24，以允许再熔化的顶区域124再凝固。在该场景中，第三焊接路径114与第一焊接路径72和第二焊接路径78重叠，并且结果，引起激光束24在通过焊接接头66输送的同时撞击激光焊接接头66的顶表面112。当跟踪第三焊接路径时，激光束24可当以在从10m/min至50m/min的范围内的行进速度前进的同时，被设定为在1.0kW和10kW之间或更窄地在3.0kW和6.0kW之间的功率水平、以及在-50mm和-20mm之间或在+20mm和+50mm之间的焦点位置。

在该实施例中的第三焊接路径114优选地具有覆盖至少激光焊接接头66的整个顶表面112的表面积126。第三焊接路径114可采取上面相对于第一焊接路径72描述的几何轮廓中的任一种，并且第三焊接路径114的表面积126可由从5mm至100mm范围内的长度尺寸128和从1mm至12mm范围内的宽度尺寸130定义。表面积126可覆盖激光焊接接头66的整个顶表面112的至少90%以及优选地激光焊接接头66的整个顶表面112。通过在接头66已经从细长熔池76凝固之后再熔化激光焊接接头66的顶区域124，重新形成接头66的顶表面112；也就是说，顶表面112瞬间流化，使得在冷却时，该区域124中的熔化金属的固有表面张力允许熔化金属沉降且变平，因此重新形成具有更光滑表面轮廓的焊接接头66的顶表面112。虽然优选地在细长熔池76凝固之后即刻通过激光束24跟踪第三焊接路径114，但是不一定需要此类立刻行动，这将一些过程灵活性引入到总体激光焊接过程中。

不管如何使激光束24沿可选的第三焊接路径114前进以提供激光焊接接头66的光滑顶表面112，结果几乎相同。激光焊接接头66的顶表面112不仅具有比其它情况更美观的外观，而且可易于裂纹萌生和扩展的残余应力集中点已经从顶表面112移除，并且接头66不易于损坏可施加到接头66上或附近的密封条。在一些实例中，由于使激光束24沿可选的第三焊接路径前进，所以顶表面66的表面粗糙度（Ra）可小于15μm、小于10μm、小于5μm、以及甚至小于1μm、一直降到0.1μm。当与使激光束24沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进的效果组合，如上所述，最后产生的激光焊接接头66具有总体鲁棒接头结构，该总体鲁棒接头结构以良好的剥离强度和横向张力以及其它机械属性将第一工件12和第二工件14自发熔焊在一起。

已经在包括建立单个结合界面34的两个重叠金属工件12、金属工件14的工件堆叠10的实施例的上下文中描述图1-图12。当然，如图22-图23所示，所公开的激光焊接方法也可在工件堆叠10上实践，工件堆叠10包括具有厚度151、置于第一金属工件12和第二金属工件14之间的附加第三金属工件150。第三金属工件150（如果存在）包括也可涂覆有表面涂层40（如图所示）的第三金属基层152。第三金属工件150在许多一般方面中类似于第一金属工件12和第二金属工件14，并且于是，上方阐述的第一金属工件12和第二金属工件14的描述（特别地，金属基层的成分、其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150。在工件堆叠10的该实施例中的焊接区域16现在由第一金属工件12、第二金属工件14和金属工件150中的所有的共同重叠的程度定义。

由于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150以提供工件堆叠10，并且如图22中最佳所示，第三金属工件150具有两个结合表面：第三结合表面156和第四结合表面158。第三结合表面156与第一金属工件12的第一结合表面28重叠且面对，并且第四结合表面158与第二金属工件14的第二结合表面32重叠且面对。在焊接区域16内，第一金属工件12和第三金属工件150的面对的第一结合表面28和第三结合表面156建立第一结合界面160，并且第二金属工件14和第三金属工件150的面对的第二结合表面32和第四结合表面158建立第二结合界面162。这些结合界面160、结合界面162是相同类型，并且涵盖与上方相对于图1和图3中所示的2T堆叠实施例描述的结合界面34相同的性质。结果，在该实施例中，侧翼的第一金属工件12和第二金属工件14的外部外表面26、外部外表面30仍然在相反方向上彼此背离，并且构成工件堆叠10的顶表面20和底表面22。

以与上述相同的一般方式实践所公开的激光焊接方法。使用图4作为参考以描述图22，并且暂且将图4的视觉效果应用于3T堆叠，由扫描光学激光头42将激光束24引导在工件堆叠的顶表面20处，以在堆叠10内产生熔化金属焊池168（图22）、以及可选地键孔170（图22）。熔化金属焊池168和键孔170中的每个从顶表面20朝向底表面22穿透到堆叠10中。在产生熔化金属焊池168以及优选地键孔170时，使激光束24（且特别地，其束斑44）在第一方向74上沿第一焊接路径72相对于工件堆叠10的顶表面20前进，如图4和图22所示，并且然后使激光束24（且特别地，其束斑44）在与第一方向72相反取向的第二方向80上沿第二焊接路径78前进，如图6所示。在完成第二焊接路径之后，可可选地使激光束24沿第三焊接路径114前进，如图18和图20所示。应当注意，为了方便，在本该实施例中再次参考图4、图6、图18和图20，因为除了先前描述的2T堆叠之外，从平面透视图的角度，那些附图中的每个中的视觉效果同样适用于3T堆叠。

使激光束24沿第一焊接路径72、第二焊接路径78以及可选地第三焊接路径114前进是出于相同的目的，并且具有与之前相同的功能。特别地，使激光束24沿第一焊接路径72前进使熔化焊池168以及键孔170（如果存在）平移通过工件堆叠10，以形成包含穿透的熔化工件材料的细长熔池176，如图22所示。细长熔池176优选地足够深地穿透到工件堆叠10中或穿透工件堆叠10，使得细长熔池176与在金属工件12、金属工件14、金属工件150之间建立的结合界面160、结合界面162中的一者以及优选地两者相交（如图所示）。为了帮助形成焊接接头166（图23），第一焊接路径72的表面积98和由表面积98覆盖的工件堆叠10的顶表面20的对应的条带优选地足够大以包含第二焊接路径78的至少80%以及优选地第二焊接路径78的所有。这帮助确保激光束24的能量中的大部分或所有可用于传送到细长熔池176，并且确保可以最佳方式实现使激光束24以协调方式沿第一焊接路径72和第二焊接路径78前进的益处。

在激光束24完成跟踪第一焊接路径72之后，且当细长熔池176仍然处于熔化状态（即，细长熔池176尚未完全凝固）时，使激光束24在与第一方向74相反取向的第二方向80上沿第二焊接路径78前进，如图6所示。像之前一样，第二焊接路径78与第一焊接路径72重叠，以确保激光束24撞击细长熔池176的上表面182，并且通过熔池176输送回来。而且，如果在使激光束24沿第一焊接路径72前进之后细长熔池176仅与第一结合界面160相交，并且因此没有足够深地穿透到工件堆叠10中以到达第二结合界面162，则使激光束24沿第二焊接路径78前进需要将足够的热量引入到熔池176中，以扩大熔池176，使得熔池176另外穿透到堆叠10中，并且与第二结合界面162相交。如上方解释的，通过在增长熔池176的相反方向上通过细长熔池176将激光束24输送回来，可能对熔池176进行加工以使焊接接头66拥有更好的强度和其它属性。

一旦激光束24的束斑44已经完成跟踪第一焊接路径72和第二焊接路径78，就停止激光束24的传输，或者否则从焊接位置移除激光束24。能量和传热的所造成的终止允许细长熔池176迅速冷却和凝固成固结的再凝固工件材料1110，如图23所示。如之前，从激光束24获得的固结的再凝固工件材料1110构成激光焊接接头166，激光焊接接头166具有与上述相同的基础构造，不同的是激光焊接接头166从堆叠10的顶表面20朝向底表面22延伸到工件堆叠10中，同时与第一结合界面160和第二结合界面162相交，以便将三个金属工件12、金属工件150、金属工件14自发熔焊在一起，而不是仅将图17中所示的两个金属工件12、金属工件14自发熔焊在一起。根据如上所述的两个实施方式中的任一种，根据期望，也可可选地使激光束24沿第三焊接路径114前进，以使激光焊接接头166的顶表面1112更光滑。为了那个目的，如关于图18-图21所示的2T堆叠描述的关于使激光束24沿第三焊接路径1114前进的上面的教导内容同样适用于3T堆叠，并且如此，这里不需要另外详细重复。

优选示例性实施例和具体示例的上方的描述在本质上仅仅是描述性的；优选示例性实施例和具体示例不旨在限制以下权利要求书的范围。在所附权利要求书中使用的术语中的每个应当被给出其普通和习惯含义，除非在说明书中另外具体和清楚地规定。

Claims (16)

1.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件堆叠，所述重叠金属工件包括至少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，其中在所述工件堆叠中的所述重叠金属工件中的所有为钢工件、铝工件或镁工件；

将激光束引导在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，并且为可操纵的，使得所述束斑可相对于所述工件堆叠的所述顶表面移动；

通过使所述激光束的所述束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于所述工件堆叠的所述顶表面前进以形成细长熔池，且然后当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，使所述激光束的所述束斑在与所述第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进，形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，以使所述工件堆叠的所述重叠金属工件自发熔焊在一起，并且其中所述第一焊接路径和所述第二焊接路径重叠，使得当使所述束斑沿所述第二焊接路径前进时，所述激光束的所述束斑通过所述细长熔池输送；

其中所述第一焊接路径包括平均轮廓线以及在所述平均轮廓线上方和下方的侧向变化，所述第一焊接路径还具有覆盖由所述第一焊接路径的长度尺寸和所述第一焊接路径的宽度尺寸的乘积定义的所述工件堆叠的所述顶表面的条带的表面积；

其中所述第二焊接路径是线性的，并且包含在所述第一焊接路径的所述表面积内；

其中形成所述激光焊接接头还包括使所述激光束沿与所述第一焊接路径和所述第二焊接路径中的每个重叠的第三焊接路径前进，以向所述激光焊接接头提供具有15μm或更少的表面粗糙度（Ra）的顶表面；以及

所述方法还包括当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，在不存在键孔的情况下，使所述激光束沿所述第三焊接路径前进，使得所述激光束撞击所述细长熔池的上表面，并且将热量引入到所述细长熔池的上区域中，以减慢所述细长熔池的所述上表面的冷却速度，使得在凝固时，使所述激光焊接接头的所述顶表面光滑。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属工件具有外部外表面和第一结合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二结合表面，所述第一金属工件的所述外部外表面提供所述工件堆叠的所述顶表面，并且所述第二金属工件的所述外部外表面提供所述工件堆叠的所述底表面，并且其中所述第一金属工件和所述第二金属工件的所述第一结合表面和所述第二结合表面重叠且面对以建立结合界面。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属工件具有外部外表面和第一结合表面，并且所述第二金属工件具有外部外表面和第二结合表面，所述第一金属工件的所述外部外表面提供所述工件堆叠的所述顶表面，并且所述第二金属工件的所述外部外表面提供所述工件堆叠的所述底表面，并且其中所述工件堆叠包括置于所述第一金属工件和所述第二金属工件之间的第三金属工件，所述第三金属工件具有相对的第三结合表面和第四结合表面，所述第三结合表面与所述第一金属工件的所述第一结合表面重叠且面对，以建立第一结合界面，并且所述第四结合表面与所述第二金属工件的所述第二结合表面重叠且面对，以建立第二结合界面。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述激光束的所述束斑沿所述第一焊接路径从第一固定位置前进到间隔开的第二固定位置，并且然后使所述激光束的所述束斑沿所述第二焊接路径从所述第二固定位置前进到所述第一固定位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一焊接路径为周期性波形。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一焊接路径是一系列偏移相交圆的带或一系列连续环的带。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述细长熔池已经完全凝固成所述激光焊接接头之后使所述激光束沿所述第三焊接路径前进，使得所述激光束撞击所述激光焊接接头的所述顶表面，并且瞬间使所述激光焊接接头的顶区域再熔化，使得在再凝固时，使所述激光焊接接头的所述顶表面光滑。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件堆叠中的所述金属工件中的所有是钢工件。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括在所述工件堆叠中的所述钢工件中的至少一个包括锌基表面涂层。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件堆叠中的所述金属工件中的所有是铝工件。

11.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件堆叠，所述重叠金属工件包括至少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，其中在所述工件堆叠中的所述重叠金属工件中的所有为钢工件或铝工件；

操作远程激光焊接装置以将激光束引导在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；

操作所述远程激光焊接装置以使所述激光束的所述束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于所述工件堆叠的所述顶表面前进，以形成细长熔池，所述第一焊接路径具有覆盖所述工件堆叠的所述顶表面的条带的表面积；

当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，操作所述远程激光焊接装置以使所述激光束的所述束斑在与所述第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进，使得所述激光束的所述束斑通过所述细长熔池输送回来，所述第二焊接路径包含在所述第一焊接路径的所述表面积内；

移除所述激光束以允许所述细长熔池凝固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，以将所述工件堆叠的所述重叠金属工件自发熔焊在一起；

其中形成所述激光焊接接头还包括使所述激光束沿与所述第一焊接路径和所述第二焊接路径中的每个重叠的第三焊接路径前进；以及

当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，在不存在键孔的情况下，使所述激光束沿所述第三焊接路径前进，使得所述激光束撞击所述细长熔池的上表面，并且将热量引入到所述细长熔池的上区域中，以减慢所述细长熔池的所述上表面的冷却速度，使得在凝固时，使所述激光焊接接头的所述顶表面光滑。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括在所述工件堆叠中的所述金属工件仅包括所述第一金属工件和所述第二金属，或者其中包括在所述工件堆叠中的所述金属工件还包括置于所述焊接区域内的所述第一金属工件和所述第二金属工件之间的第三金属工件。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述细长熔池已经凝固成所述激光焊接接头之前或之后，操作所述远程激光焊接装置以使所述激光束的所述束斑沿第三焊接路径前进，以向所述激光焊接接头提供光滑顶表面。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一焊接路径为周期性波形，并且所述第二焊接路径是线性的。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当使所述激光束的所述束斑沿所述第二焊接路径前进时，所述细长熔池被扩大。

16.一种激光焊接包括至少两个重叠金属工件的工件堆叠的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供包括重叠金属工件的工件堆叠，所述重叠金属工件包括至少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，其中在所述工件堆叠中的所述重叠金属工件中的所有为钢工件、铝工件或镁工件；

使激光束的束斑在第一方向上沿第一焊接路径相对于所述工件堆叠的所述顶表面前进，以形成细长熔池，所述第一焊接路径包括平均轮廓线以及在所述平均轮廓线上方和下方的侧向变化，并且还具有覆盖所述工件堆叠的所述顶表面的条带的表面积；

当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，使所述激光束的所述束斑在与所述第一方向相反的第二方向上沿第二焊接路径前进，以通过所述细长熔池将所述束斑输送回来，所述第二焊接路径与所述第一焊接路径重叠，使得所述第二焊接路径的至少80%包含在所述第一焊接路径的所述表面积内；

移除所述激光束以允许所述细长熔池完全凝固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，以将所述工件堆叠的所述重叠金属工件自发熔焊在一起，所述激光焊接接头具有顶表面，所述顶表面具有10μm或更少的表面粗糙度（Ra）；

其中形成所述激光焊接接头还包括使所述激光束沿与所述第一焊接路径和所述第二焊接路径中的每个重叠的第三焊接路径前进；以及

当所述细长熔池仍然处于熔化状态时，在不存在键孔的情况下，使所述激光束沿所述第三焊接路径前进，使得所述激光束撞击所述细长熔池的上表面，并且将热量引入到所述细长熔池的上区域中，以减慢所述细长熔池的所述上表面的冷却速度，使得在凝固时，使所述激光焊接接头的所述顶表面光滑。

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