CN111526965A - 利用第一和第二前激光束以及后激光束对接激光焊接两个金属板的方法 - Google Patents

利用第一和第二前激光束以及后激光束对接激光焊接两个金属板的方法 Download PDF

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Abstract

一种对接激光焊接两个金属板(2、4)的方法，包括：提供第一金属板(2)和第二金属板(4)，沿焊接方向对接焊接所述金属板(2、4)，对接焊接步骤包括同时发射：第一前激光束(12)，所述第一前激光束(12)在与第一金属板(2)的相交处产生第一前斑点(18)，并在第一前斑点(18)处在第一金属板(2)中产生第一前钥孔；第二前激光束(14)，所述第二前激光束(14)在与第二金属板(4)的相交处产生第二前斑点(20)，并在第二前斑点(20)处在第二金属板(4)中产生第二前钥孔；后激光束(16)，所述后激光束(16)在第一金属板和第二金属板(2、4)上产生后斑点(22)，并在后斑点(22)处在第一金属板和第二金属板(2、4)中产生后钥孔，所述第一前激光束(12)和所述第二前激光束(14)以及所述后激光束(16)以这样的方式配置使得在每个时刻，在第一前钥孔与后钥孔之间以及第二前钥孔与后钥孔之间保留有金属板(2、4)的固相区域和/或液相区域。

Description

利用第一和第二前激光束以及后激光束对接激光焊接两个金 属板的方法
本发明涉及用于对接激光焊接两个金属板的方法。
用于焊接的金属板通常通过使用诸如纵切、剪切、压切、激光切割或水射流切割的切割方法从金属条或较大的金属板上切割而获得。
这些切割方法通常产生具有后角或间隙角的边缘轮廓，这在鉴于对接焊接而将这些金属板边对边布置时在金属板之间产生间隙。该间隙可能导致在金属板的至少一部分厚度上在整个边缘长度上没有接触，或者仅在金属板的相对边缘的一些点处没有接触。由于焊接过程本身期间的热应力导致的金属板变形，这种初始间隙可能进一步变宽。
在一些情况下，例如，如果要将焊接材料添加至熔池，则还可能期望在板之间施加并保持最小的焊接间隙。在这种情况下，焊接间隙通常在金属板的相对边缘的整个厚度和长度上延伸，使得在待彼此焊接的两个金属板之间没有接触。
本发明的发明人发现，使用标准激光束的常规激光焊接方法由于在金属板之间存在这种间隙而不能完全令人满意地将这样的金属板对接焊接在一起。确实，激光束能量的相当一部分被浪费，因为它穿过间隙并因此不与板相互作用。实际上，发明人已经观察到，通常，实际上激光束能量的仅10％至20％被用来焊接板，而其余的80％至90％被浪费。
WO 2017/103149涉及在具有锌合金或铝合金预涂层的两个金属板之间获得具有均匀材料特性的焊接接头的问题。为此，WO 2017/103149公开了一种使用填充焊丝和三个激光束对接激光焊接两个这样的金属板的方法，第一激光束旨在用于使填充焊丝熔化，另外两个激光束旨在用于使金属板熔化并使产生的焊池混合。如从图1c中可以看出，三个激光束利用Gibbs-Marangoni效应协作形成单个焊池，从而在单个焊池中获得材料的良好混合。然而，这种方法并不完全令人满意。特别是，其具有相对低的能量效率，因此不适用于焊接在两个金属板之间具有间隙的两个金属板。
还已知激光钎焊用于将两个金属板接合在一起。然而，这种接合方法不适用于在接合区域中获得至少等于基材的机械特性的机械特性。
本发明的目的之一是通过提出一种用于对接激光焊接两个边对边布置的金属板的方法来克服上述缺点，从而得到改善的最终产品的品质。
为此，本发明涉及一种用于对接激光焊接两个金属板的方法，该方法包括以下步骤：
-提供第一金属板和第二金属板，每个金属板分别具有两个主表面和接合两个主表面的侧表面；
-定位第一金属板和第二金属板使得其侧表面彼此面对，第一金属板和第二金属板的定位限定与第一金属板和第二金属板的主表面垂直的中间平面；以及
-沿着焊接方向对接焊接第一金属板和第二金属板，对接焊接步骤包括同时发射：
-沿第一前发射轴的第一前激光束，第一前发射轴与第一金属板的主表面中的一者相交，第一前激光束在与第一金属板的所述主表面的相交处产生第一前斑点，第一前激光束的能量密度大于或等于106W/cm2，第一前激光束在第一前斑点处在第一金属板中产生第一前钥孔；
-沿第二前发射轴的第二前激光束，第二前发射轴与第二金属板的主表面中的一者相交，第二前激光束在与第二金属板的所述主表面的相交处产生第二前斑点，第二前激光束的能量密度大于或等于106W/cm2，第二前激光束在第二前斑点处在第二金属板中产生第二前钥孔；
第一前斑点和第二前斑点各自的中心分别位于距离第一金属板和第二金属板的侧表面小于或等于2.5mm的距离处，以及第一前激光束和第二前激光束的中心之间沿焊接方向取得的距离小于或等于5mm；和
-后激光束，后激光束与第一金属板和第二金属板的相邻主表面相交并在其上产生后斑点，后激光束的能量密度大于或等于106W/cm2，后斑点的表面积大于第一前斑点和第二前斑点各自的表面积，后激光束在后斑点处在第一金属板和第二金属板中产生后钥孔；
第一前激光束和第二前激光束以及后激光束以这样的方式配置使得：
-第一前斑点和第二前斑点位于后斑点的前面；以及使得：
-在每个时刻，在第一前钥孔与后钥孔之间以及第二前钥孔与后钥孔之间保留有金属板的固相区域和/或液相区域。
根据一个特定实施方案，根据本发明的方法还可以包括以下特征中的一个或更多个：
-在对接焊接步骤的每个时刻，由第一前激光束和第二前激光束产生的熔池的体积与由后激光束产生的熔池的体积分开；
-第一前斑点和/或第二前斑点的最大尺寸为50μm至250μm；
-后斑点的最大尺寸为200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm；
-第一金属板和第二金属板的厚度分别为0.15mm至5mm；
-第一前斑点和第二前斑点的中心位于距离第一金属板与第二金属板之间的中间平面相等的距离处；
-第一前斑点和第二前斑点的中心沿垂直于焊接方向的方向对齐；
-第一前斑点和第二前斑点的中心沿焊接方向彼此以一定距离布置；
-后斑点以第一金属板与第二金属板之间的中间平面为中心；
-后斑点的中心相对于第一金属板与第二金属板之间的中间平面横向地偏置；
-后斑点的中心以距离第一前斑点和第二前斑点中最后者的中心沿焊接方向取得的0.5mm至8mm的距离延伸，优选以1mm至5mm的距离延伸；
-第一前斑点和/或第二前斑点具有高斯或顶帽(top hat)能量分布，并且优选地具有圆形轮廓；
-后斑点具有高斯或顶帽能量分布；
-后斑点为环形；
-后斑点的垂直于焊接方向取得的外部尺寸小于后斑点的平行于焊接方向取得的外部尺寸；
-后斑点相对于平行于两个金属板之间的中间平面的平面对称；
-后斑点的最大外部尺寸为200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm；
-后斑点的最大外部尺寸与最大内部尺寸之比为1.2至3.2，优选为1.3至2；
-后斑点具有圆形轮廓或沿着平行于焊接方向的伸长方向的细长形状；
-所述方法还包括：与发射第一前激光束、第二前激光束和后激光束的步骤同时，发射第二后激光束，第二后激光束与第一金属板和第二金属板的相邻主表面相交并在其上产生第二后斑点36，第二后激光束以这样的方式配置使得第二后斑点位于后斑点的后面；
-第二后斑点为环形或者具有高斯或顶帽能量分布；
-后斑点的最大外部尺寸大于第二后斑点的最大外部尺寸；
-所述方法还包括在对接焊接步骤期间提供焊接材料，例如焊丝或焊粉；
-第一金属板和/或第二金属板包括在其至少一个主表面上具有锌合金或铝合金预涂层的钢基体；
-第一前激光束和/或第二前激光束和/或后激光束由共同的激光头产生；
-每个激光束由专用激光头产生；
-第一金属板或第二金属板中的至少一者的钢基体为可压制硬化钢；以及，
-第一金属板或第二金属板中的至少一者包括含锌或含铝的预涂层。
本发明的另一些方面和优点将在阅读以示例方式给出并参照附图做出的以下描述后呈现，在附图中：
-图1是根据用于对接焊接两个金属板的方法的第一实施方案定位的两个金属板的截面示意图；
-图2是图1的两个金属板在根据第一实施方案的方法的对接焊接步骤期间的示意性俯视图；
-图3是根据图2中的平面III-III，图2的两个金属板之一的示意性截面，以及；
-图4至图8分别是根据第二、第三、第四、第五和第六实施方案的用于对接焊接两个金属板的方法的对接焊接步骤期间的两个金属板的示意性俯视图。
将参照图1至图3描述根据本发明的第一实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
所述方法包括提供第一金属板2和第二金属板4的步骤。
每个金属板2、4分别具有两个主表面6、7和接合两个主表面6、7的侧表面8。
主表面6、7是上表面6和下表面7。术语“上”和“下”意指相对于垂直于所述主表面6、7的轴线。
每个金属板2、4的侧表面8例如垂直于金属板2、4的主表面6、7延伸。或者，至少一个金属板2、4的侧表面8不垂直于主表面6、7延伸。例如，至少一个金属板2、4的侧表面8相对于该金属板2、4的主表面6、7倾斜并且与主表面6、7之一形成不同于90°的角度，例如大于或等于45°，更特别地大于或等于60°的角度。
第一金属板2和第二金属板4的厚度分别为0.15mm至5mm。“金属板的厚度”意指金属板2、4的主表面6、7之间的垂直于所述主表面6、7取得的距离。
优选地，第一金属板2和第二金属板4分别具有恒定的厚度。或者，第一金属板2和第二金属板4中的至少一者具有可变的厚度。
第一金属板2和第二金属板4具有例如相同的厚度。或者，其具有不同的厚度。
第一金属板2和/或第二金属板4包括钢基体9A。
基体9A的钢更特别地为具有铁素体-珠光体显微组织的钢。
优选地，基体9A由预期用于热处理的钢，更特别地可压制硬化钢，并且例如锰-硼钢(例如22MnB5型钢)制成。
或者，钢基体9A的显微组织包含贝氏体和/或铁素体和/或残余奥氏体。
根据其期望厚度，基体可以通过热轧和/或通过冷轧然后退火，或者通过任何其他适当的方法来获得。
板2、4例如在基体9A的至少一个主表面上并且例如在其两个主表面上包括含锌或含铝的预涂层9B。
所述方法还包括定位用于对接激光焊接的第一金属板2和第二金属板4的步骤。
如图1中所示，定位成使得第一金属板2和第二金属板4的侧表面8彼此面对。
在图2所示的实例中，存在第一金属板2和第二金属板4的至少一个区域，其中彼此面对的侧表面8彼此间隔开定位。或者，第一金属板2和第二金属板4例如在其侧表面8的整个区域上接触。在另一个替代方案中，存在第一金属板2和第二金属板4的至少一个区域，其中侧表面8仅在其一部分厚度上彼此接触。
主表面6、7基本上彼此平行地定位。“基本上平行”意指主表面6、7分别限定第一平面和第二平面，第一平面和第二平面限定它们之间的角度小于1°。
定位限定了垂直于第一金属板2和第二金属板4的主表面6、7的中间平面10。中间平面10特别地为侧表面8之间的中间平面。中间平面10优选为垂直的。
所述方法然后包括沿焊接方向对接焊接第一金属板2和第二金属板4的步骤。焊接方向特别地沿中间平面10延伸。在图2中，箭头11指示焊接方向。
对接焊接的该步骤包括同时发射第一前激光束12、第二前激光束14和后激光束16。
激光束12、14、16例如由CO2激光器、YAG-Nd激光器、光纤激光器、盘形激光器或直接二极管激光器产生。不同的激光束12、14和16可以通过相同类型的激光器或通过不同类型的激光器产生。
在一个实施方案中，第一前激光束12和第二前激光束14和/或后激光束16由共同的激光头产生。
根据一个替代方案，每个激光束12、14、16由专用激光头产生。
作为另一个替代方案，两个激光束例如两个前激光束12、14由共同的激光头产生，第三激光束例如后激光束16由不同的激光头产生。
焊接方向由第一金属板2和第二金属板4与激光束12、14和16之间的相对移位产生。
第一前激光束12沿第一前发射轴E1发射。第一前发射轴E1与第一金属板2的主表面6、7中的一者相交。在图2所示的实例中，所述主表面是第一金属板2的上表面6。或者，所述主表面是第一金属板2的下表面7。
例如，第一前发射轴E1垂直于第一金属板2的主表面6、7延伸。
如图2所示，第一前激光束12在与第一金属板2的所述主表面6、7的相交处产生第一前斑点18。
特别地，第一前激光束12在第一前激光束12的整个截面上与第一金属板2的所述主表面6、7相交。因此，第一前激光束12的所有能量都传输到第一金属板2。
第一前激光束12的能量密度大于或等于106W/cm2。结果，第一前激光束12在第一前斑点18处在第一金属板2中产生第一前钥孔19(见图3)。在图3中，未示出激光束。
在本文中，钥孔是延伸到金属板的厚度中并且包含由激光束与金属板的撞击而产生的气化材料的腔。钥孔允许将相关激光束的能量直接传输到金属板中。
如图3所示，在对接焊接步骤期间，第一前激光束12在第一前斑点18的位置处产生第一熔池13。
第一前钥孔19被第一熔池13包围。
在对接焊接步骤期间，包含在第一前钥孔19中的蒸气的压力防止第一熔池13的熔融材料塌陷到由该钥孔形成的腔中。
在图3的实例中，仅出于简化的目的，将第一钥孔19示出为垂直于主表面6、8延伸的圆柱形腔。在实践中，第一钥孔19可以相对于主表面6、8的法线以与焊接速度成比例的角度倾斜。此外，第一钥孔19在整个板厚度上可以具有可变的截面。
第二前激光束14沿第二前发射轴E2发射。
第二前发射轴E2与第二金属板4的主表面6、7中的一者相交。在图2所示的实例中，所述主表面是第二金属板4的上表面6。或者，所述主表面是第二金属板4的下表面7。
例如，第二前发射轴E2垂直于第二金属板4的主表面6、7延伸。
第二前激光束14在与第二金属板4的所述主表面6、7的相交处产生第二前斑点20。
在图2所示的实例中，第一前斑点18和第二前斑点20在第一金属板2和第二金属板4的相邻主表面6、7上产生。
“相邻主表面”指相对于激光束的发射方向位于金属板2、4的同一侧的第一金属板2的一个主表面和第二金属板4的一个主表面。因此，第一前斑点18和第二前斑点20例如在第一金属板2和第二金属板4的上表面6上或在第一金属板2和第二金属板4的下表面7上产生。
特别地，第二前激光束14在第二前激光束14的整个横面上与第二金属板4的所述主表面6、7相交。因此，第二前激光束14的所有能量都传输到第二金属板4。
第二前激光束14的能量密度大于或等于106W/cm2。结果，第二前激光束14在第二前斑点20处在第二金属板4上产生第二前钥孔(未示出)。
在对接焊接步骤期间，第二前激光束14在第二前斑点20的位置处产生第二熔池。第二熔池包围第二前钥孔。
例如，第一熔池13的体积与第二熔池的体积分开，并且在对接焊接步骤的至少一个时刻或每个时刻，第一熔池13和第二熔池彼此间隔开。
或者，第一熔池13的体积与第二熔池的体积分开，并且在对接焊接步骤的至少一个时刻或每个时刻，在第一熔池13与第二熔池之间保留有金属板2、4的固相区域。
或者，在对接焊接步骤的至少一个时刻，第一熔池和第二熔池接合以形成单个熔池。
第一前斑点18和/或第二前斑点20的最大尺寸为50μm至250μm。因此，激光束12、14的能量以非常高的效率传输到金属板2、4。此外，即使在第一激光束和第二激光束14、16的功率输入相对低的情况下，这些尺寸也允许在第一金属板2和第二金属板4中产生第一钥孔19和第二钥孔。
第一前斑点18和/或第二前斑点20具有高斯或顶帽能量分布，并且优选地具有圆形轮廓。
第一前激光束12和第二前激光束14的中心之间沿着焊接方向取得的距离小于或等于5mm。
特别地，在图2所示的方法中，第一前斑点18和第二前斑点20的中心沿着垂直于焊接方向的方向对齐。
第一前斑点18和第二前斑点20各自的中心分别位于距离第一金属板2和第二金属板4的侧表面8小于或等于2.5mm的距离处。
特别地，在图2所示的方法中，第一前斑点18和第二前斑点20的中心位于距离第一金属板2与第二金属板4之间的中间平面10相等的距离处。
在对接焊接期间，第一前斑点18和第二前斑点20彼此间隔开。换句话说，在对接焊接期间，第一前斑点18和第二前斑点20不重叠。
后激光束16沿后发射轴E3发射。
后激光束16与第一金属板2和第二金属板4的相邻主表面6、7相交。与后激光束16相交的这些相邻主表面6、7例如是第一金属板2和第二金属板4的两个上表面6或第一金属板2和第二金属板4的两个下表面7。
例如，后发射轴E3垂直于第一金属板2和第二金属板4的主表面6、7延伸。
后激光束16在所述相邻主表面6、7上产生后斑点22。
在图2所示的实例中，后斑点22产生在与其上产生有第一前斑点18和第二前斑点20的主表面相同的主表面6、7上。或者，后斑点22产生在与其上产生有第一前斑点18和第二前斑点20的主表面不同的主表面6、7上。
后激光束16的能量密度大于或等于106W/cm2。结果，后激光束16在后斑点22处在第一金属板2和第二金属板4中产生后钥孔23A(见图3)。
如图3所示，在对接焊接步骤期间，后激光束16在后斑点22的位置处产生后熔池23B。后熔池23B包围后钥孔23A。
在一个实施方案中，后激光束16的能量大于第一前激光束和第二前激光束14、16的相应能量。例如，后激光束16的能量是第一前激光束和第二前激光束14、16的相应能量的至少两倍。
在根据第一实施方案的方法中，后斑点22具有高斯或顶帽能量分布。
在图2所示的实例中，其具有圆形轮廓。
如图所示，后斑点22以第一金属板2与第二金属板4之间的中间平面10为中心。
后斑点22的最大尺寸为例如200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm。
如图2所示，后斑点22的表面积大于第一前斑点18和第二前斑点20各自的表面积。由后激光束16产生的后钥孔23A的体积大于分别由第一前激光束12和第二前激光束14产生的第一前钥孔和第二前钥孔的体积。此外，在对接焊接期间，后熔池23B的体积大于分别由第一前激光束12和第二前激光束14产生的第一熔池和第二熔池的体积。
在对接焊接期间，第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16具有相对于第一金属板2和第二金属板4的相对运动，使得第一前斑点18和第二前斑点20以及后斑点22相对于第一金属板2和第二金属板4沿焊接方向移位。
例如，在第一金属板2和第二金属板4固定在原位的同时，使第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16一起移动。或者，第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16固定在原位，使第一金属板2和第二金属板4一起移动。
激光焊接在两个金属板2、4的接合处产生焊接接头24。焊接方向定义为从其中已经产生焊接接头24的区域沿中间平面朝向其中板2、4尚未通过焊接接头24接合的区域延伸的方向。
第一激光束和第二激光束12、14以及后激光束16以这样的方式配置使得第一前斑点18和第二前斑点20位于后斑点22的前面。
在本文中，“在前面”意指相对于焊接方向在前面。因此，后斑点22沿着焊接方向位于前斑点18、20和焊接接头24之间。换句话说，在对接焊接步骤期间，第一金属板2和第二金属板4的以中间平面10为中心的给定区域总是首先与第一前斑点18和第二前斑点20相交，然后，随后与后斑点22相交。
在对接焊接期间，后斑点22与第一前斑点18和第二前斑点20中的每一者间隔开。换句话说，在对接焊接期间，后斑点22不与第一前斑点18和第二前斑点20中的每一者重叠。
在对接焊接期间，后钥孔23A与第一前钥孔19和第二前钥孔间隔开。换句话说，在对接焊接期间，后钥孔23A不与第一前钥孔和第二前钥孔中的每一者重叠。
例如，可以通过经由2D视觉传感器使激光材料相互作用区可视化来监测对接焊接期间钥孔的相对几何布置。利用红外2D视觉传感器，可以产生相互作用区的2D温度图。特别是，清楚地识别出钥孔、熔池和固相区域。替代地或另外地，可以通过使用不同于焊接激光的专用波长的光照射激光-材料相互作用区，并在视觉传感器前使用相应的通带滤波器，用2D纯视觉传感器来使钥孔形状可视化。
第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16以这样的方式配置使得在对接焊接步骤期间的每个时刻，在第一前钥孔19与后钥孔23A之间以及第二前钥孔与后钥孔23A之间保留有金属板2、4的固相区域25和/或液相区域13、23B。
更特别地，斑点18、20、22的尺寸；斑点18、20、22之间的距离；第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16与金属板2、4之间的相对移位速度；以及光束12、14、16的功率密度以这样的方式配置使得在对接焊接步骤期间的每个时刻，在第一前钥孔19与后钥孔23A之间以及第二前钥孔与后钥孔23A之间保留有金属板2、4的固相区域25和/或液相区域13、23B。
在图3所示的实例中，在第一前钥孔19与后钥孔23A之间以及第二前钥孔与后钥孔23A之间保留有金属板2、4的固相区域25和液相区域13、23B。或者，在第一前钥孔19与后钥孔23A之间以及第二前钥孔与后钥孔23A之间仅保留有金属板2、4的液相区域13、23B。
在一个实施方案中，第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16以这样的方式配置使得在对接焊接步骤期间的每个时刻，由第一前激光束12和第二前激光束14产生的熔池的体积与由后激光束16产生的熔池的体积间隔开。与其中由前激光束和后激光束形成单个熔池的情况相比，该实施方案降低了焊接的可变性并使其数值模拟容易。
后斑点22的中心以距离第一前斑点18和第二前斑点20中最后者的中心沿焊接方向取得的0.5mm至8mm的距离延伸。该距离优选为1mm至5mm。
第一前激光束12和第二前激光束14以及后激光束16的移位速度优选为相同，并且为2m/分钟至20m/分钟，优选4m/分钟至12m/分钟。
现在将详细说明斑点尺寸、斑点之间的距离、斑点在金属板2、4上的相对移位速度、以及光束的功率密度的实例。
根据第一实例：
-第一金属板2和第二金属板4分别具有1mm的厚度并且定位成使得它们沿着焊接方向彼此接触或者使得它们彼此间隔开小于80μm的距离；
-第一前斑点18和第二前斑点20分别具有等于150μm的直径和500W的能量，第一前斑点18和第二前斑点20由共同的激光焊接头产生，该共同的激光焊接头由功率为1kW且波长为1μm的盘形激光发生器驱动；
-后斑点22具有等于600μm的直径和4kW的能量，后斑点22由专用激光焊接头产生，该专用激光焊接头由功率为4kW且波长为1μm的YAG激光器驱动；
-前斑点18、20和后斑点22布置成等边三角形，使得等边三角形的边长为1.2mm，后斑点22以中间平面为中心并且前斑点18、20位于距离中间平面相等的距离处，以及；
-焊接速度为16m/分钟。
根据第二实例：
-第一金属板2和第二金属板4分别具有1mm的厚度并且定位成使得它们沿着焊接方向彼此接触或者使得它们彼此间隔开小于80μm的距离；
-第一前斑点18和第二前斑点20分别具有等于150μm的直径和500W的能量，第一前斑点18和第二前斑点20由共同的激光焊接头产生，该共同的激光焊接头由功率为1000W且波长为1μm的盘形激光器驱动；
-后斑点22具有等于600μm的直径和4kW的能量，后斑点22由专用激光焊接头产生，该专用激光焊接头由功率为4kW且波长为1μm的YAG激光器驱动；
-前斑点18、20位于距离中间平面相等的距离处并且相距0.6mm，后斑点22以中间平面为中心并位于前斑点18、20后面1.2mm的距离处，以及；
-焊接速度为16m/分钟。
在根据本发明的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法中，第一前钥孔和第二前钥孔具有高的形状比，形状比定义为钥孔的高度与钥孔的直径之比。具有高形状比的钥孔因激光束在钥孔中的多次反射而吸收最大的激光束能量。
特别地，在钥孔之间具有固相区域25和/或液相区域13、23B防止第一前钥孔和第二前钥孔开口到后钥孔23A中。前钥孔与后钥孔之间的这种连通将导致前钥孔的相应形状比的大幅减小并因此影响对接焊接步骤的能量效率。
此外，在对接焊接期间，第一前激光束12和第二前激光束14在所考虑的第一金属板2和第二金属板4的区域被后斑点22熔化之前分别对其进行预热。
这种预热是有利的，因为其提高了对接焊接的能量效率。此外，这还使得后熔池23B延长。延长后熔池23B改善了焊接接头24的几何形状，并提高了对接焊接的速度限度。
此外，在钢板2、4上存在涂层的情况下，第一前激光束12和第二前激光束14以以下方式作用在涂层上：具有低气化温度的涂层例如基于锌的涂层通过第一前激光束12和第二前激光束14的作用而被气化，而具有高气化温度的涂层例如基于铝的涂层(例如铝硅涂层)被预熔化并部分并入熔融区中。
第一前斑点18和第二前斑点20的相应能量密度允许非常有效地预热第一金属板2和第二金属板4。该效率归因于具有高形状比的第一前钥孔和第二前钥孔。
此外，在对接焊接期间，第一前激光束12和第二前激光束14倾向于减小第一金属板2和第二金属板4之间的间隙。更确切地，由于钢基体9A的热膨胀以及由于侧表面8处的表面张力(其倾向于使侧表面8的边缘轮廓弯曲并使其更靠近中间平面10移动)，第一金属板2与第二金属板4之间的间隙宽度减小。这种间隙宽度的减小导致后激光束16的能量效率的提高。
在根据第一实施方案的方法的一个替代方案中，第一前斑点18和第二前斑点20的中心沿着焊接方向彼此以一定距离布置。
在根据第一实施方案的方法的另一个替代方案中，所述方法包括在对接焊接步骤期间提供焊接材料，例如焊丝或焊粉。
焊接材料优选地通过插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间提供给后激光束16。或者，添加的焊接材料可以侧向地或在后激光束16的后位置处提供。
在第一前斑点18和第二前斑点20的中心沿着焊接方向彼此以一定距离布置的情况下，便于将焊接材料插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间。
在焊接材料是焊丝的情况下，焊丝例如相对于中间平面10基本平行地插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间。
当插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间时，焊接材料通过第一前激光束12和第二前激光束14预热。当将焊接材料插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间时，焊接材料的小于20％的体积被这些激光束12、14熔化。优选地，当焊接材料插入到第一前激光束12与第二前激光束14之间时，第一前激光束12和第二前激光束14不使焊接材料熔化。
在该替代方案中，由于通过第一前斑点18和第二前斑点20对金属板2、4的预热而引起的后熔池23B的延长有助于改善焊接材料与金属板2、4的材料的混合。
替代根据第一实施方案的方法，第一前斑点18和第二前斑点20的中心位于距离中间平面10不同的距离处。
在根据第一实施方案的方法的另一个替代方案中，后斑点22的中心相对于第一金属板2与第二金属板4之间的中间平面10横向地偏置。当金属板2、4具有不同的厚度时，该替代方案特别合适。
根据根据第一实施方案的方法的另一个替代方案，后斑点22具有细长的外部轮廓，例如长圆形(oblong)轮廓、椭圆形轮廓、矩形轮廓、泪滴形轮廓或卵形轮廓。将分别参照图5、6、7更详细地描述长圆形轮廓、泪滴形轮廓和卵形轮廓。
将参照图4描述根据第二实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
该方法与根据第一实施方案的方法的不同之处在于，后斑点22为环形。
后激光束16的能量主要集中在外部环形部分而不是其中心部分。这样的形状使得更容易达到106W/cm2的能量密度。
特别地，“环形”意指后斑点22具有外轮廓26和内轮廓28。内轮廓28与外轮廓26基本相似。
特别地，后斑点22相对于平行于两个金属板2、4之间的中间平面10的平面对称。
如图4所示，后斑点22为圆形。更确切地，后斑点22的外轮廓26和内轮廓28为圆形。
后斑点22的最大外部尺寸为200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm。在根据第二实施方案的方法中，后斑点22的最大外部尺寸对应于其外轮廓26的直径。
后斑点22的最大外部尺寸与最大内部尺寸之比为1.2至3.2，优选为1.3至2。在第二方法中，后斑点22的最大内部尺寸对应于其内轮廓28的直径。
如图4所示，内轮廓28的至少一个部分分别与第一金属板2和第二金属板4相交。
后激光束16的环形形状使得该方法的能量效率增加，因为减少了后激光束16的能量因穿过侧表面8之间的间隙而浪费的部分。
将参照图5描述根据第三实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
根据第三实施方案的该方法与根据第二实施方案的方法的不同之处在于，后斑点22具有沿着平行于焊接方向的伸长方向的细长形状。在这种情况下，后斑点22的垂直于焊接方向取得的外部尺寸小于后斑点22的平行于焊接方向取得的外部尺寸。
在图5所示的实例中，后斑点22具有长圆形形状。更确切地，在环形后斑点22的情况下，后斑点22的外轮廓26和内轮廓28为长圆形。
细长形状改善了后斑点22后面的熔融材料的流动，该流动较少湍动。因此，细长形状甚至进一步改善了焊接接头24的几何形状并提高了对接焊接的速度限度。
根据一个替代方案，后斑点22具有椭圆形状。更确切地，在环形后斑点22的情况下，后斑点22的外轮廓26和内轮廓28为椭圆形。
根据另一个替代方案，后斑点22具有矩形轮廓。更确切地，在环形后斑点22的情况下，后斑点22的外轮廓26和内轮廓28为矩形。
将参照图6描述根据第四实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
根据第四实施方案的方法与根据第三实施方案的方法的不同之处在于，后斑点22具有泪滴形状。
更确切地，在环形后斑点22的情况下，后斑点22的外轮廓26和内轮廓28为泪滴形。
更特别地，如图6可以看出，外轮廓26和内轮廓28中的每一者具有与圆形边缘32相对的尖的端部30。
如图6所示，尖的端部30沿着焊接方向位于圆形边缘32的后面。
尖的端部30以中间平面10为中心。
泪滴形状甚至进一步改善了后斑点22后面的熔融材料的流动。
将参照图7描述根据第五实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
根据第五实施方案的方法与根据第三实施方案的方法的不同之处在于，后斑点22具有卵形形状。
将参照图8描述根据第六实施方案的用于对接激光焊接两个金属板2、4的方法。
根据第六实施方案的方法与根据第三实施方案的方法的不同之处在于，其还包括在发射第一前激光束12、第二前激光束14和后激光束16的步骤的同时，发射第二后激光束34。
第二后激光束34沿第二后发射轴E4发射。
第二后激光束34与第一金属板2和第二金属板4的相邻主表面6、7相交。
第二后激光束34在所述相邻主表面6、7上产生第二后斑点36。
在图8所示的实例中，第二后斑点36产生在与其上产生有后斑点22的主表面相同的主表面6、7上。或者，第二后斑点36产生在与其上产生有后斑点22的主表面不同的主表面6、7上。
第二后激光束34的能量密度优选大于或等于106W/cm2。结果，第二后激光束34在第二后斑点36处在第一金属板2和第二金属板4中产生第二后钥孔。
或者，第二后激光束34的能量密度小于106W/cm2，因此产生非钥孔加热，从而增强焊接接头24的平滑度。
第二后斑点36相对于平行于两个金属板2、4之间的中间平面10的平面对称。
特别地，第二后斑点36为圆形。更确切地，第二后斑点36的外轮廓38和内轮廓40为圆形。
后斑点22的最大外部尺寸大于第二后斑点36的最大外部尺寸。
第二后斑点36的最大尺寸为例如100μm至1300μm，优选为300μm至1000μm。
在图8的实例中，第二后斑点36以中间平面10为中心。
在对接焊接期间，第二后激光束34以这样的方式配置使得第二后斑点36沿着焊接方向位于后斑点22的后面。第二后斑点36特别地沿着焊接方向位于后斑点22与焊接接头24之间。
在对接焊接步骤期间，第二后激光束34产生第二后熔池，第二后熔池特别地产生在第二后斑点36的位置处。
例如，后熔池23B和第二后熔池接合。或者，后熔池23B的体积与第二后熔池的体积分开，并且在对接焊接步骤的每个时刻，在后熔池23B与第二后熔池之间保留有金属板2、4的固相区域。
在图8所示的实例中，第二后斑点36为环形。第二后斑点36特别地具有外轮廓38和内轮廓40。第二后斑点36的内轮廓40与第二后斑点36的外轮廓38明显相似。
根据一个替代方案，第二后斑点36具有高斯或顶帽能量分布。
根据另一个替代方案，第二后斑点36具有细长形状，例如长圆形形状、卵形形状、矩形形状或泪滴形形状。
在另一个替代方案中，第二后斑点36的中心相对于第一金属板2与第二金属板4之间的中间平面10横向地偏置。
由于上述公开的特征，根据本发明的对接焊接方法使得即使金属板2、4定位成在它们之间具有显著的间隙，也可以以良好的能量效率焊接金属板2、4。

Claims (28)

1.一种用于对接激光焊接两个金属板(2、4)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一金属板(2)和第二金属板(4)，每个金属板分别具有两个主表面(6、7)和接合所述两个主表面(6、7)的侧表面(8)；
-定位所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)使得其所述侧表面(8)彼此面对，所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的定位限定与所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的所述主表面(6、7)垂直的中间平面(10)；以及
-沿焊接方向对接焊接所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)，对接焊接步骤包括同时发射：
-沿第一前发射轴(E1)的第一前激光束(12)，所述第一前发射轴(E1)与所述第一金属板(2)的所述主表面(6、7)中的一者相交，所述第一前激光束(12)在与所述第一金属板(2)的所述主表面的相交处产生第一前斑点(18)，所述第一前激光束(12)的能量密度大于或等于106W/cm2，所述第一前激光束(12)在所述第一前斑点(18)处在所述第一金属板(2)中产生第一前钥孔(19)；
-沿第二前发射轴(E2)的第二前激光束(14)，所述第二前发射轴(E2)与所述第二金属板的所述主表面(6、7)中的一者相交，所述第二前激光束(14)在与所述第二金属板的所述主表面的相交处产生第二前斑点(20)，所述第二前激光束(14)的能量密度大于或等于106W/cm2，所述第二前激光束(14)在所述第二前斑点(20)处在所述第二金属板(4)中产生第二前钥孔；
所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)各自的中心分别位于距离所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的所述侧表面(8)小于或等于2.5mm的距离处，以及所述第一前激光束(12)和所述第二前激光束(14)的中心之间沿所述焊接方向取得的距离小于或等于5mm；和
-后激光束(16)，所述后激光束(16)与所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的相邻主表面(6、7)相交并在其上产生后斑点(22)，所述后激光束(16)的能量密度大于或等于106W/cm2，所述后斑点(22)的表面积大于所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)各自的表面积，所述后激光束(16)在所述后斑点(22)处在所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)中产生后钥孔(23A)；
所述第一前激光束(12)和所述第二前激光束(14)以及所述后激光束(16)以这样的方式配置使得：
-所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)位于所述后斑点(22)的前面；以及使得：
-在每个时刻，在所述第一前钥孔(19)与所述后钥孔(23A)之间以及所述第二前钥孔与所述后钥孔(23A)之间保留有所述金属板(2、4)的固相区域(25)和/或液相区域(13、23B)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述对接焊接步骤的每个时刻，由所述第一前激光束(12)和所述第二前激光束(14)产生的熔池的体积与由所述后激光束(16)产生的熔池的体积分开。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一前斑点和/或所述第二前斑点的最大尺寸为50μm至250μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)的最大尺寸为200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的厚度分别为0.15mm至5mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)的中心位于距离所述第一金属板(2)与所述第二金属板(4)之间的所述中间平面(10)相等的距离处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)的中心沿着垂直于所述焊接方向的方向对齐。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)的中心沿着所述焊接方向彼此以一定距离布置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)以所述第一金属板(2)与所述第二金属板(4)之间的所述中间平面(10)为中心。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)的中心相对于所述第一金属板(2)与所述第二金属板(4)之间的所述中间平面(10)横向地偏置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)的中心以距离所述第一前斑点(18)和所述第二前斑点(20)中最后者的中心沿所述焊接方向取得的0.5mm至8mm的距离延伸，并且优选以1mm至5mm的距离延伸。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述第一前斑点(18)和/或所述第二前斑点具有高斯或顶帽能量分布，并且优选地具有圆形轮廓。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)具有高斯或顶帽能量分布。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)为环形。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述后斑点(22)的垂直于所述焊接方向取得的外部尺寸小于所述后斑点(22)的平行于所述焊接方向取得的外部尺寸。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述后斑点(22)相对于平行于所述两个金属板(2、4)之间的所述中间平面(10)的平面对称。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)的最大外部尺寸为200μm至1800μm，优选为600μm至1200μm。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)的最大外部尺寸与最大内部尺寸之比为1.2至3.2，优选为1.3至2。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述后斑点(22)具有圆形轮廓或沿着平行于所述焊接方向的伸长方向的细长形状。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：与发射所述第一前激光束(12)、所述第二前激光束(14)和所述后激光束(16)的步骤同时，发射第二后激光束(34)，所述第二后激光束(34)与所述第一金属板(2)和所述第二金属板(4)的相邻主表面(6、7)相交并在其上产生第二后斑点36，所述第二后激光束(34)以这样的方式配置使得所述第二后斑点(36)位于所述后斑点(22)的后面。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二后斑点(36)为环形或者具有高斯或顶帽能量分布。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述后斑点(22)的最大外部尺寸大于所述第二后斑点(36)的最大外部尺寸。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在所述对接焊接步骤期间提供焊接材料，例如焊丝或焊粉。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中所述第一金属板(2)/或所述第二金属板(4)包括在其主表面(6、7)中的至少一者上具有锌合金或铝合金预涂层(9B)的钢基体(9A)。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中所述第一前激光束(12)和/或所述第二前激光束(14)和/或所述后激光束(16)由共同的激光头产生。
26.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中每个激光束由专用激光头产生。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中所述第一金属板(2)或所述第二金属板(4)中的至少一者的所述钢基体(9A)为可压制硬化钢。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中所述第一金属板(2)或所述第二金属板(4)中的至少一者包括含锌或含铝的预涂层。
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