CN111655415A - 激光钎焊工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件(1)和第二金属工件(2)以形成车辆结构的工艺。该工艺包括：提供有接触关系的第一金属工件(1)和第二金属工件(2)，以形成细长接触区域(3)，其中第一金属工件(1)和第二金属工件(2)中的至少一个由热浸镀锌钢材料制成；从激光源(4)供应光束参数乘积小于10mm·mrad的激光束(7)；引导激光束(7)穿过总光学放大率在1:0.5‑1:1.5的范围内的激光聚焦头(5)；沿着细长接触区域(3)引导激光束(7)，其中在激光束(7)击中接触区域(3)的位置形成的射束光点(8)的尺寸在2‑6mm的范围内；以及，将填充材料的可消耗线材(9)供应至射束光点(8)以熔化可消耗线材(9)，并将第一金属工件(1)和第二金属工件(2)钎焊在一起，其中可消耗线材(9)包含至少95％的铜。此外，还公开了一种包括通过该工艺相互结合的顶板(43)和侧板(35)的车辆。

Description

激光钎焊工艺
技术领域
本公开内容涉及一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件以形成车辆结构的工艺。本公开内容还涉及一种车辆，所述车辆包括由所述工艺而结合的顶板和侧板。
因此，根据本公开内容的工艺特别适用于将车辆顶板激光钎焊至车辆侧板。然而，尽管本公开内容将主要描述顶板和侧板的相互结合，但本公开内容不限于这一特定的应用，而是可用于结合车辆的其他金属工件。
背景技术
连接顶板和侧板的结合部的激光钎焊是当今常见的做法，这种工艺提供了一种高质量的结合部，在喷漆前几乎不需要进行任何表面修整工作，并且能够实现平滑和理想的设计。
然而，在通过激光钎焊进行汽车制造的领域中，在制造质量和产品质量方面而非最低的成本和时间效率方面，对制造工艺的改进的要求一直存在。
尽管在该领域开展了各种活动，但仍然需要进一步改进用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件以形成车辆结构的工艺。
发明内容
本公开内容的一个总体目的在于提供一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件以形成车辆结构的改进的工艺。
尤其是，本公开内容的一个目的在于提供一种制造工艺，在保持高质量的结合部质量的同时，提高激光钎焊的生产速度。
本公开内容的另一个目的在于提供一种用于通过激光钎焊结合两个金属工件的制造工艺，其中第一金属工件和第二金属工件中的至少一个由热浸镀锌钢材料制成。热浸镀锌钢材料通常具有比传统电镀锌钢材料更厚的锌涂层。
这些目的及其他目的将在下文中得以更明显地看到，并通过所附的独立权利要求中所定义的工艺实现。在相关的从属权利要求中叙述了一些示例性实施例和其他可选特征的细节。
根据本公开内容的第一方面，提供了一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件以形成车辆结构的工艺。该工艺包括：提供有接触关系的第一金属工件和第二金属工件以形成细长接触区域，其中所述金属工件中的至少一个金属工件由热浸镀锌钢材料制成；从激光源供应光束参数乘积小于10毫米乘毫弧度(mm·mrad)的激光束；引导激光束通过总光学放大率在1:0.5-1:1.5的范围内的激光聚焦头；沿着所述细长接触区域引导激光束，其中在激光束击中所述接触区域处形成的射束光点的尺寸在2-6mm(毫米)的范围内，以及，将填充材料的可消耗线材供应至射束光点以熔化可消耗线材并将所述两个金属工件钎焊在一起，其中，所述可消耗线材包含至少95％的铜。
镀锌是在金属板上涂上一层保护性锌涂层以提高耐腐蚀性的工艺。有各种镀锌工艺可供选择。传统上，车辆的顶板和侧板通过一种称为电镀锌的工艺进行镀锌，因为该工艺的特点是在金属板上形成一层相对薄的锌涂层，例如在0.1-0.5μm(微米)的范围内，因为这使得金属工件的激光钎焊结合成为可能，因而是理想的。电镀锌层是通过电沉积将锌涂覆至钢板上形成。例如，这是通过将金属工件浸入镀锌浴中而实现的，其中，随着镀液中带正电荷的锌离子被电还原为锌金属并沉积在带正电荷的金属工件上，而形成锌涂层。
另一种已知的镀锌工艺是热浸镀锌，其中将金属工件清洗后直接浸入熔融锌浴中。与电镀锌工艺相比，热浸镀锌是更快的工艺，在金属工件上产生更厚的锌涂层。例如，由此产生的锌涂层厚度可能在3-5μm的范围内。但是到目前为止，还无法使用激光钎焊工艺以合理的生产速度和就气孔形成和飞溅而言的可接受的钎焊结合部质量，来结合车辆的热镀锌金属工件。
经过为了寻找能够使热浸镀锌金属工件的激光钎焊结合达到较高生产速度的工艺参数而开展的广泛研究和实验性的激光钎焊测试，现在已认识到一组参数设置是实现这一目的的核心，即，使用具有光束参数乘积低于10mm·mrad的激光束，使用总光学放大率在1:0.5-1:1.5的范围内的激光聚焦头，具有尺寸在2-6mm的范围内的射束光点，以及包含至少95％铜的可消耗线材。这种设置使得热浸镀锌金属工件的激光钎焊工艺速度能够达到相对高的约3.5-6.5米/分钟，并且所产生的激光钎焊结合部基本上没有飞溅和气孔，因此，无需对成品结合部进行诸如研磨或抛光的后加工。
热镀锌金属工件的使用提高了耐腐蚀性并降低了成本，而相对高的约3.5-6.5米/分钟的工艺速度，则因提高了生产率而进一步降低了成本。
在一种示例性实施方式中，激光束具有不大于8mm·mrad的光束参数乘积，具体地在2-8mm·mrad的范围内。光束参数乘积(BPP)量化了激光束的质量以及它能聚焦到一个小光斑的程度。相对低的光束参数乘积因而可以允许使用直径相对小的光缆，而不会在光缆的入口处损失太多激光功率，因为聚焦点应与纤芯尺寸相当，以获得与光缆的良好的耦合效率。此外，由于总光学放大率最好不偏离1:1过多，以便在射束光点处获得高斯激光功率分布，并且由于射束光点尺寸应在2-6mm的范围内，因此需要相对小的光缆的线芯尺寸。由于这些原因，具有不大于8mm·mrad的光束参数乘积，具体地在2-8mm·mrad的范围内的光束参数乘积，使得期望的相对小的射束光点尺寸和射束光点处的高斯激光功率分布得以实现，而不会损失激光源和光缆之间的耦合的太多激光功率。
在一种示例性实施方式中，激光聚焦头具有1:0.7-1:1.3的范围内的总光学放大率，具体地在1:0.9-1:1.1的范围内。如上所述，偏离1:1过多的总光学放大倍数，会在射束光点处产生或多或少的高斯激光功率分布，为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验令人惊讶地表明，射束光点处的高斯激光功率分布改善了激光钎焊结合部的质量，并允许相对高的工艺速度。
此外，约1:1的放大率还具有使得能通过相同的激光设备实现激光焊接的优点。换言之，这种类型的放大能使得同一激光设备被双重地使用。这对制造企业非常有吸引力，因为他们可以在两种不同的制造过程中使用基本相同的激光设备，以提高灵活性。此外，在激光钎焊和激光焊接中使用相同类型的激光设备，减少了对不同类型的更换零件、服务合作伙伴等的需求。
在一种示例性实施方式中，射束光点尺寸在3-5mm的范围内。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，射束光点尺寸在3-5mm的范围内可以减少飞溅和气孔的形成，同时允许较高的工艺速度。
在一种示例性实施方式中，为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验令人惊讶地表明，如果可消耗线材包含至少96％的铜，具体地至少96.5％的铜，可以减少飞溅和气孔形成，进一步改进激光钎焊结果，并且可以获得较高的工艺速度。
在一种示例性实施方式中，由热浸镀锌钢材料制成的至少一个金属工件具有在25-95g/m2(克/每平方米)的范围内，具体地在35-75g/m2的范围内，更具体地在40-60g/m2的范围内的锌涂层。与电镀锌层相比，热浸镀锌钢具有相对大的镀锌层厚度，并因而提高了耐腐蚀性。
在一种示例性实施方式中，由热浸镀锌钢材料制成的至少一个金属工件是厚度在0.3-1.0mm的范围内、具体地厚度在0.4-0.8mm的范围内、更具体地厚度在0.5-0.7mm的范围内的钢板。
在一种示例性实施方式中，可消耗线材包含少于3％的硅，具体地少于2.5％的硅，更具体地1-2.5％的范围内的硅。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，可消耗线材的硅含量应低于3％，具体地低于2.5％，更具体地在1-2.5％的范围内，以提供期望的高质量激光钎焊焊缝和高工艺速度。
在一种示例性实施方式中，可消耗线材为ISO 24373型；Cu 6511CuSi2Mn1型。这种特定类型的可消耗线材是一种铜硅锰线材，其与热浸镀锌钢板结合，在期望的高质量激光钎焊焊缝和高工艺速度方面显示出非常好的效果。这种线材的典型成分(重量％)为：
硅(Si) 锡(Sn) 锰(Mn) 铜(CU)
1.7-1.9％ 0.17-0,25％ 0.9-1.1％ 其余
在一种示例性实施方式中，激光源的输出处的激光束具有至少2.5kW、具体地至少3.5kW、更具体地在3.5-10kW的范围内的功率。广泛研究和测试表明，要达到期望的相对高的工艺速度，至少2.5kW的激光功率是必要的。此外，随着激光功率的增大，可以进一步提高工艺速度，而不会显著降低激光钎焊质量。
在一种示例性实施方式中，激光源的输出处的激光束具有在800-1200nm的范围内、具体地在900-1100nm的范围内的波长。这种类型的波长已被证明能够实现期望的高工艺速度和激光钎焊质量。
在一个示例实施例中，所述工艺包括引导激光束从激光源通过光缆至激光聚焦头，该光缆的中心芯直径不超过1mm，具体地不超过0.6mm，更具体地在0.2-0.6mm的范围内。中心芯直径决定了工件上的最小射束光点尺寸，因此中心芯直径是与实现高质量和高速激光钎焊工艺相关的参数。
在一个示例实施例中，包含以至少3.5m/min(米/分钟)具体地至少4.5m/min更具体地在3.5-6.5m/min的范围内的工艺速度沿着接触区域引导激光束。这种相对高的工艺速度对车辆制造成本有显著影响，因为在顶板和侧板之间使用激光钎焊结合的细长接触区域相对长，因此这种相对高的工艺速度可显著缩短在车顶两侧产生激光钎焊焊缝的总工艺时间，以提高生产率。
在一种示例性实施方式中，该工艺包括以工艺速度的50-100％的送丝速率、具体地以工艺速度的70-90％的送丝速率供应可消耗线材。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，这种送丝速率可以产生期望的高质量、高速的激光钎焊工艺。
在一种示例性实施方式中，可消耗线材的线材直径在0.8-2.4mm的范围内，具体地在1.0-1.8mm的范围内，更具体地在1.2-1.6mm的范围内。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，这种送丝速率可以产生期望的高质量、高速的激光钎焊工艺。
在一种示例性实施方式中，在工艺方向上，在射束光点处，激光束与第一金属工件或第二金属工件的外表面之间的激光束工艺方向角度，在60-90度的范围内，具体地在65-85度的范围内，更具体地在70-83度的范围内。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，这种送丝速率可以产生期望的高质量、高速的激光钎焊工艺。
在一种示例性实施方式中，相比在射束光点处的激光束的方向，邻近射束光点的填充线材的纵轴在工艺方向上更为向前倾斜，并且在工艺方向上，与邻近射束光点处，激光束和可消耗线材的纵轴之间的供应角度在10-50度的范围内，特别是在20-40度的范围内。为寻找合适的工艺参数而进行的广泛研究和实验性的激光钎焊试验表明，这种送丝速率可以产生期望的高质量、高速的激光钎焊工艺。
在一种示例性实施方式中，第一金属工件和第二金属工件中的一个是车辆顶板，另一个金属工件是车辆侧板。
本公开内容还涉及一种包括通过上述工艺相互结合的顶板和侧板的车辆。
当研究所附权利要求和以下说明书时，本公开内容的其他特征和优点将变得明显。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以组合本公开内容的不同特征以产生除下文所描述的实施例以外的其他实施例。
附图说明
从以下说明性和非限制性的详细描述和附图中，可以容易地理解本公开内容的各种示例性实施例，其中：
图1示出一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件的工艺的第一示例性实施例的透视图；
图2示出了根据本公开内容的激光钎焊工艺的基本工艺步骤；
图3示出了根据本公开内容的激光钎焊工艺的具体应用的一种示例性实施例的三维视图；
图4示出了沿图3中的A-A切口的截面；
图5示出了与图4类似的视图，其中包括示意性的激光束；
图6示出了根据本公开内容的激光钎焊工艺的二维示意图；
图7示出了激光束供应设备的示意性的组成部件；
图8示出了高斯型激光束强度的示例视图；
图9至12示出了根据实验结果得出的可接受的工艺窗口的具体示例。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本公开内容，其中附图示出了本公开内容的示例性实施例。然而，本公开内容可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性。相似的附图标记在整个说明书中指代相似的部件。附图并非必然按比例绘制，并且为了更好地说明和解释本公开内容的示例性实施例，可以夸大某些特征。
图1示意性地描述了一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件1和第二金属工件2以形成车辆结构的工艺。提供有接触关系的第一金属工件1和第二金属工件2，以形成细长接触区域3。此外，金属工件1、2中的至少一个由热浸镀锌钢材料制成。激光源4通过光缆6向激光聚焦头5供应激光束，聚焦的单束激光束7被引导至接触区域3。激光聚焦头5是单焦点型，即提供单束激光束。因此，在激光束击中接触区域的位置形成单个射束光点8，并且填充材料的可消耗线材9同时沿供应方向10被供应至射束光点。激光束7的热量在供应至射束光点时熔化可消耗线材9，熔化的填充材料穿透到第一金属工件1和第二金属工件2之间的间隙中并润湿结合面。
这是一个连续的过程，其在工艺方向11上沿细长接触区域3从期望的起始点13到期望的终点14以一定的工艺速度前进，并且新的可消耗线材9被连续地供应至射束光点8，在射束光点8，可消耗线材被激光束7熔化。通常，激光聚焦头5、可消耗线材的供给辊12和用于引导可消耗线材9并将可消耗线材9供应至射束光点8的引导装置(未示出)在工艺方向11上沿细长接触区域3以工艺速度连续移动，并且第一金属工件1和第二金属工件2静止。然而，相反的配置也是可能的。
一旦激光射束光点8移动越过熔化的填充材料区域，熔化的填充材料立即开始冷却并随后固化，以形成光滑的结合部，这一光滑的结合部具有高结合表面质量、高结合部耐腐蚀性，并且无需进行表面修整工作或仅需少量表面修整工作。
参考图2所示，其更详细地描述了图1所示的示意性的用于通过激光钎焊结合第一金属工件1和第二金属工件2以形成车辆结构的工艺，其中公开了用于该结合工艺的基本工艺步骤。
该工艺包括第一步骤S1，提供有接触关系的第一金属工件1和第二金属工件2以形成细长接触区域3，其中金属工件1、2中的一个由热浸镀锌钢材料制成。
热浸镀锌钢材料是在热浸镀锌工艺中镀锌的钢材。热浸镀锌工艺通常是通过首先清洁诸如钢板的钢材料，然后将板状材料浸入熔融锌浴中。热浸镀锌是一种相对快速的工艺，它在钢材上形成相对厚的锌涂层，诸如例如厚度在3-5μm的范围内。
另一种描述热浸镀锌形成的锌层涂层的特征的选项是，根据每平方米的重量来考虑涂层厚度。例如，由热浸镀锌钢材料制成的金属工件的镀锌层通常在25-95g/m2的范围内，具体地在35-75g/m2的范围内，更具体地在40-60g/m2的范围内。
用于通过激光钎焊结合第一第二金属工件1和第二金属工件1、2的工艺的第二步骤S2包括从激光源4提供光束参数乘积(BPP)小于10mm·mrad的激光束。
具体地，激光束的光束参数乘积(BPP)不大于8mm·mrad，更具体地在2-8mm·mrad的范围内。
激光束的光束参数乘积(BPP)被定义为光束半径(在束腰处测量)与光束发散半角(在远场测量)的乘积。通常的单位是mm×mrad(毫米乘以毫弧度)。BPP通常用于描述激光束的光束质量：光束参数乘积越高，光束质量越低。
例如，在激光源4的输出处提供的激光束可以具有至少2.5kw的功率，具体地至少3.5kw的功率，更具体地在3.5-10kw的范围内的功率。一般来说，提高激光束的功率水平可以提高生产速度。
例如，在激光源4的输出处的激光束的波长可以在800-1200nm的范围内，具体地在900-1100nm的范围内。
用于通过激光钎焊结合第一金属工件和第二金属工件的工艺的第三步骤S3包括引导激光束穿过具有1:0.5-1:1.5的总光学放大率的激光聚焦头5。激光聚焦头也可具有在1:0.7-1:1.3的范围内的总光学放大率，具体地在1:0.9-1:1.1的范围内的总光学放大率。激光聚焦头5的总光学放大率由激光头的准直透镜装置的总焦距与激光头的聚焦透镜装置的总焦距之比决定。对此，下文将参考图7进行更详细的说明。
用于通过激光钎焊结合第一金属工件1和第二金属工件2的工艺的第四步骤S4包括沿着细长接触区域3引导激光束7。在激光束7击中接触区域的位置形成射束光点8，射束光点8的尺寸在2-6mm的范围内。射束光点8通常是圆形的，射束光点8的尺寸由其直径定义。在某些应用中，可以选择尺寸在3-5mm的范围内的射束光点8。激光束7以至少3.5m/min，具体地至少4.5m/min，更具体地在3.5-6.5m/min的范围内的工艺速度，沿着接触区域3引导激光束7。这样的工艺速度使得激光钎焊设备的生产率相对高。
用于通过激光钎焊结合第一金属工件1和第二金属工件2的工艺的第五步骤S5包括将填充材料的可消耗线材9供应至射束光点8，以熔化可消耗线材并将所述两个金属工件1、2钎焊在一起。可消耗线材至少含有95％的铜。具体地，可消耗线材可包含至少96％铜，更具体地可消耗线材可包含至少96.5％铜。
此外，可消耗线材包含少于3％的硅，具体地少于2.5％的硅，更具体地在1-2.5％的范围内的硅。例如，可消耗线材的类型为ISO 24373型；Cu 6511CuSi2Mn1。
可消耗线材的线材直径通常在0.8-2.4mm的范围内，具体地在1.0-1.8mm的范围内，更具体地在1.2-1.6mm的范围内。此外，可消耗线材的送丝速率一般是工艺速度的50-100％，具体地是工艺速度的70-90％。
现在转到图3，图3示出了一种应用所公开的激光钎焊工艺的具体应用的示例性实施例。图3示意性地示出具有前部38、后部39、车辆长度方向97、车辆横向方向98和车辆垂直方向99的车辆结构30的示例性实施例。车辆结构30被描绘为处于制造状态下，其中车辆结构的金属板部件已被结合在一起以形成成品车辆的刚性结构。车门、罩、传动系、车辆内部构件等具体构件尚未装配到车辆结构上。
在图3中可见用于前后车门的孔31，以及用于前挡风玻璃和后轮舱33的孔32。图3进一步显示了车顶板34和车侧板35，以及它们之间的结合部36。
举例来说，此前披露的激光钎焊工艺可以应用于通过激光钎焊使得顶板34和侧板35相互结合。因此，第一金属工件1可以是车顶板34，第二金属工件2可以是车侧板35。
因此，顶板34和侧板35中的一个或两个可以由热浸镀锌钢板材料制成。例如，钢板材料的厚度可在0.3-1.0mm的范围内，具体地厚度在0.4-0.8mm的范围内，更具体地厚度在0.5-0.7mm的范围内。
图4示意性地示出了沿着图3所示切口A-A的顶板34、侧板35和激光钎焊结合部36的示例性实施例的截面图。图4中未显示车辆底部的车身加强结构。
顶板34和侧板35在结合部36区域内的几何形状和构造可能会有所不同，但优选地使用某种类型的法兰结合部。在法兰结合部中，顶板34的向下折叠的法兰41与侧板36的向下折叠的法兰42邻接并接触。这种设计在顶板34和侧板35之间的结合部36处提供了一个小空腔，这一空腔可填充由可消耗线材9的熔融的填充材料形成的激光钎焊焊缝。
顶板朝上的基本平坦部分和顶板34的朝下法兰41之间的顶板折叠部43的半径可能不超过3mm，具体地不超过2mm，更具体地在1-2mm的范围内。该参数是和激光钎焊工艺相关的，因为它影响填充结合部36所需的熔融的填充材料的量。半径超过3mm可能会导致填充水平过高，从而使得完成的激光钎焊结合部无法与顶板34的外表面44完全齐平。另一方面，如果顶板折叠部43的半径小于1mm，则可能导致空腔过小，从而导致激光钎焊结合部的低强度。
参数45表示侧板35的向下折叠的法兰42相对于垂直方向99的角度，参数46表示侧板35的向下折叠的法兰42和顶板34的向下折叠的法兰41之间的角度。例如，可以将参数45设置为大约30-60度，具体地大约40-50度，更具体地大约45度，这是考虑到由于顶板34随后可以自动安装在车辆左侧和右侧的侧板35之间并处于一定的车顶高度，而这一角度(参数45)在这些范围内能够使得车辆左侧和右侧的侧板之间的横向距离得以具有较高的公差水平。
换言之，即使车辆左右两侧的侧板35之间的距离在不同的车辆之间有所不同，顶板34也将始终是适合的，并在高度上自动地略微调节。
然而，角度45过小会导致左右侧板35之间的横向距离的微小变化会引起顶板34的相对大的不期望的垂直位置位移。此外，过大的角度45可能导致顶板34和侧板35之间的接触点47对于熔融填充材料而言更难到达，从而产生强度较小的激光钎焊结合部。此外，法兰41、42的抗弯折的加固性能随着角度45的增大而降低。
此外，角度46最好是正的，具体地在1-10度的范围内，因为在负角度46下，顶板34和侧板35之间的接触点47可能位于法兰41、42的下方过远的位置，致使熔融的填充材料无法到达接触点47。
参数48可设置为约2-5mm，因为该设置可降低车辆碰撞时顶板到侧板的结合部完全解体的风险。
参数49可设置为至少1mm，具体地在1-4mm的范围内，以便在考虑到车辆左右侧板35之间的距离公差的情形下，侧板35的向内折叠的法兰42为顶板34提供足够的支撑。
参数50可设置为至少3mm，具体地在3-10mm的范围内，以便在考虑到车辆左右侧板35之间的距离公差的情形下，顶板34的向内折叠的法兰41为支撑顶板34提供足够的接触面。
参数51可设置为至少1mm，具体地在1-10mm的范围内，以提供期望的顶板的抗弯折的加固性能，等等。
参数52可设置为至少1mm，具体地在1-10的范围内，以避免法兰41、42之间发生不期望的接触。
图5示意性地示出了沿着图3所示切口A-A的顶板34、侧板35和激光钎焊结合部36的剖面，并且图5还包括激光束7。例如，激光束7可以具有与垂直方向99平行的方向62，如在车辆的长度方向97中所看到的。换言之，激光束7在横向98上具有零角度，并且不朝向侧板35或朝向顶板34倾斜。
尽管所述激光钎焊工艺被描述为主要用于结合车辆的顶板和侧板，但根据本公开内容的激光钎焊工艺也可用于结合车辆的其他金属工件，诸如例如形成后行李箱盖的金属零件。
图6示意性示出了根据本公开内容的激光钎焊工艺的二维视图。在图6中，激光聚焦头5和可消耗线材供给辊12沿工艺方向11以一定的工艺速度移动，其中第一工件1和第二工件2是静止的。在激光束7的方向62和第一金属工件1或第二金属工件2的外表面63之间形成的激光束工艺方向角度61，在工艺方向11的平面内，在射束光点8处，在60-90度的范围内，具体地在65-85度的范围内，更具体地在70-83度的范围内。这基本意味着，激光聚焦头5向前倾斜，即向工艺方向11倾斜，或者激光束7的方向62垂直于工件1、2的表面。实验测试表明，该具体范围可提供优良的激光钎焊光洁度，并具有较高的工艺速度。
相比于激光束7的方向62，与射束光点8相邻的可消耗线材9的纵轴64在工艺方向11的平面内更向前倾斜。特别地，在工艺方向11的平面内，与射束光点8相邻处，激光束7的方向62和可消耗线材9的纵轴64之间的供应角度65在10-50度的范围内，具体地在20-40度的范围内。实验测试表明，该具体范围可提供优良的激光钎焊光洁度，并具有较高的工艺速度。
图7示意性示出了一种激光源4和激光聚焦头5的光学装置的示例性实施例。激光源4可具有一个或多个激光发射器70，其产生激光束7，该激光束被引导通过聚光透镜72后被引导进入光缆6的入口。
光束参数乘积不大于8mm·mrad，具体地在2-8mm·mrad的范围内，可确保激光束7的相对窄的束腰73，从而得以将激光束在进入光缆时的功率损失保持得较小，考虑到激光束在束腰73处的聚焦点应与光缆的芯尺寸相当，这便于获得激光束进入光缆中的良好的耦合效率。
光缆6用于引导激光束从激光源4至激光聚焦头5。这允许激光源4和激光聚焦头5之间可以有显著的相对运动，从而提高灵活性。光缆6的中心芯74的直径75可能不超过1mm，具体地不超过0.6mm，更具体地在0.2-0.6mm的范围内。
如果在激光聚焦头5中应用1:1的光学放大率，则从激光聚焦头流出的激光束7的束腰76的直径通常与光缆6的芯直径基本相同。这可由以下等式推导出：最小光斑尺寸＝聚焦透镜装置的焦距/准直透镜装置的焦距×光纤直径。因此，在某些情况下，将光缆6的中心芯74的直径75保持在0.2-0.6mm的范围内可能是有利的。
光学放大率在1:0.5-1:1.5的范围内，具体地在1:0.7-1:1.3的范围内，更具体地在1:0.9-1:1.1的范围内是有利的，因为这不会显著地扭曲由激光源4提供的激光束7的高斯强度形式。实验结果表明，高斯强度曲线对激光钎焊质量有着有利的影响。
图8示意性示出了高斯激光束的强度分布，其中X轴表示激光束中的位置，Y轴表示激光束的强度。如图所示，强度85在束的中心0处最大，并且强度从中心处的最大值平滑地衰减到束7圆周边缘的零强度。本例中光束的总厚度约为600μm。
聚焦头5具有准直透镜装置77，准直透镜装置77具有第一焦距78，第一焦距78对应于从光缆6流出的激光束7的出口点，即焦点，与准直透镜装置77之间的距离。聚焦头5还具有聚焦透镜装置79，聚焦透镜装置79具有第二焦距80，第二焦距80由聚焦透镜装置79和束腰76，即离开激光聚焦头7的激光束7的焦点，二者之间的距离确定。
第一焦距78和第二焦距80之间的比值决定了激光聚焦头5的光学放大率。在所示的激光聚焦头的示意性示例中，示出了准直透镜装置77和聚焦透镜装置79，它们各自显示了一个透镜。然而，准直透镜装置77和聚焦透镜装置79中的每一个可以可替代地由多个透镜组成，这些透镜组合起来提供一定的焦距。
离开光缆6的激光束被引导穿过准直透镜装置77，随后通过聚焦透镜装置79，形成离开激光聚焦头5的激光束7。离开激光聚焦头5的激光束7朝向第一工件1和第二工件2的细长接触区域，并且在激光束击中接触区域的位置形成的射束光点8，射束光点的尺寸在2-6mm的范围内，具体地在3-5mm的范围内。
由于激光束7的束腰尺寸76，例如，在光学放大率接近1:1的情况下可约为0.2-0.6mm，可能远小于期望的射束光点尺寸3-5mm，因此第一工件1和第二工件2可能必须位于距聚焦装置79相比第二焦距80较小的距离82处。
根据本公开内容，激光钎焊工艺中潜在的具体工艺参数已通过进行广泛的研究和实验性的激光钎焊试验来确定，其中的目的具体在于确定能够使得以高工艺速度和高钎焊结合部光洁度对热浸镀锌钢进行激光钎焊的工艺参数。
实验结果的具体示例在图9至12中示出。图9至12示出了一个确定的工艺窗口的实验结果，该工艺窗口代表了在钎焊焊缝质量方面可接受的激光钎焊结果，在此考虑的钎焊焊缝质量方面例如是钎焊焊缝的飞溅少、气孔形成的量少，以及，不需要或仅需进行少量表面修整工作。图9至12所示的图例说明了用于通过激光钎焊结合两个热浸镀锌钢金属工件以形成车辆结构的过程中，可接受的工艺窗口的上限和下限的具体示例，其中图示中的X轴表示以m/min为单位的工艺速度，Y轴表示以kW为单位的激光功率。在任何试验中都没有使用保护气体。
图9示出了使用以下特定测试参数设置来改变工艺速度和激光功率的可接受的工艺窗口的具体示例：
可消耗线材：ISO 24373型；Cu 6511CuSi2Mn1(直径1.6mm)
可消耗线材送丝速度：约为工艺速度的80％
激光聚焦头的光学放大倍数：1:1，
单光斑激光束的光斑尺寸4mm，
光缆的芯直径为2.0mm，
激光束横向角度：0度
激光束工艺方向角度：15度
光束参数乘积：2mm·mrad
顶板折叠半径：2mm
图9中的线91表示可接受的工艺窗口的上限，线92表示可接受的工艺窗口的下限。因此，以5.5m/min的工艺速度为目标，激光功率应保持在4-5.5kW之间，以获得可接受的激光钎焊结果。例如，高于5.5kW的激光功率可能导致过多的飞溅，低于4kW的激光功率可能会导致气孔形成。
图9所示的具体示例的工艺窗口代表了用于通过激光钎焊结合两个金属热镀锌工件以形成车辆结构的非常好的工艺设置。工艺窗口显示，通过上述定义的特定工艺，仅需在3-7kW的范围内适应性调节激光功率，即可在工艺速度的大范围内，即自3.5m/min至6.5m/min的工艺速度的范围内，实现可接受的激光钎焊质量。
实验结果表明，在保证较高的焊接速度的前提下，某些工艺参数对获得合格的热浸镀锌钢激光钎焊质量具有重要意义。以下工艺参数被认为是更为重要的：光束参数乘积、光学放大率水平、射束光点尺寸和可消耗线材的材料。实验结果表明，当前述相关的工艺参数改变一定幅度时，也能获得可接受的工艺窗口。特别是，当光束参数乘积小于10mm·mrad、光学放大率在1:0.5-1:1.5的范围内、射束光点尺寸在2-6mm的范围内以及包含至少95％铜的可消耗线材时，可获得可接受的工艺窗口。
图10示出了一个可接受的工艺窗口的具体示例，该窗口采用与图9相关的类似的具体试验参数设置，但使用激光聚焦头的光学放大率为1:3，其中，线91表示可接受的工艺窗口的上限，线92表示可接受的工艺窗口的下限。光学放大率为1:3意味着离开激光聚焦头5的激光束7的束腰76直径基本上等于光缆6的芯直径75的三倍，即，在具体的实验测试设置中束腰76直径约为3x0.6mm＝1.8mm。为了获得期望的射束光点尺寸，则必须调整第一工件1和第二工件2与聚焦透镜装置79之间的距离82。
图10所示的具体示例工艺窗口表明，1:3的光学放大率导致非常窄的可接受的工艺窗口，其不允许高于4.5m/min的工艺速度。
图11示出了一个可接受的工艺窗口的具体示例，该示例采用与图9相关的类似特定试验参数设置，但使用激光聚焦头的光学放大率为1:5，其中，线91表示可接受的工艺窗口的上限，线92表示可接受的工艺窗口的下限。光学放大倍率为1:5意味着离开激光聚焦头5的激光束7的束腰76直径基本上等于光缆6芯直径75的五倍，即，在具体的实验测试设置中束腰76的直径约为5x0.6mm＝3.0mm。为了获得期望的射束光点尺寸，则必须调整第一工件1和第二工件2与聚焦透镜装置79之间的距离82。
图11中所示的具体示例的工艺窗口表明，1:5的光学放大率会导致相对窄的可接受的工艺窗口，其不允许高于5.5m/min的工艺速度。
图12示出了采用与参照图9所描述的类似的具体试验参数设置并改变了工艺速度和激光功率的可接受的工艺窗口的具体示例，其中激光聚焦头中的光学放大率为1:1，但可消耗线材的材料不同，即：ISO 24373型；Cu 6560CuSi3Mn1(直径1.6mm)。这种线材的典型成分(重量％)为：
硅(Si) 铁(Fe) 锰(Mn) 鋅(Zn) 铜(CU)
2.7-3.2％ ≤0.2％ 0.7-1.3％ ≤0.4％ 其余
图12所示的具体示例的工艺窗口表明，可消耗的CuSi3Mn1导致了一个非常苛刻的可接受的工艺窗口，其最大工艺速度仅为3.5m/min。线91表示可接受的工艺窗口的上限，线92表示可接受的工艺窗口的下限。
尽管已经针对部件的特定组合描述了本公开内容，但是应该容易理解的是，部件也可以以其他配置进行组合，技术人员在研究本申请时将清楚了解这一点。因此，以上对本公开内容和附图的示例性实施例的描述应被视为本公开内容的非限制性示例，而保护范围则由所附权利要求限定。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于通过激光钎焊结合第一金属工件(1)和第二金属工件(2)以形成车辆结构的工艺，包括
提供有接触关系的所述第一金属工件(1)和所述第二金属工件(2)，以形成细长接触区域(3)，其中，所述第一金属工件(1)和第二金属工件(2)中的至少一个由热浸镀锌钢材料制成，
从激光源(4)供应光束参数乘积小于10mm·mrad的激光束(7)，
引导所述激光束(7)穿过总光学放大率在1:0.5-1:1.5的范围内的激光聚焦头(5)，
沿着所述细长接触区域(3)引导所述激光束(7)，其中，在所述激光束(7)击中所述接触区域(3)的位置形成的射束光点(8)的尺寸在2-6mm的范围内，以及
将填充材料的可消耗线材(9)供应至所述射束光点(8)，以熔化所述可消耗线材(9)，并将所述第一金属工件(1)和第二金属工件(2)钎焊在一起，其中，所述可消耗线材(9)包含至少95％的铜。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述激光束(7)的光束参数乘积不大于8mm·mrad，具体地在2-8mm·mrad的范围内，和/或，其中所述激光聚焦头(5)的总光学放大率在1:0.7-1:1.3的范围内，具体地在1:0.9-1:1.1的范围内，和/或，其中所述射束光点(8)的尺寸在3-5mm的范围内，和/或，其中，所述可消耗线材(9)包含至少96％的铜，具体地至少96.5％的铜。
3.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，由热浸镀锌钢材料制成的所述第一金属工件(1)和第二金属工件(2)中的至少一个具有在25-95g/m2的范围内、具体地在35-75g/m2的范围内、更具体地在40-60g/m2的范围内的镀锌层。
4.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，由热浸镀锌钢材料制成的所述第一金属工件(1)和第二金属工件(2)中的至少一个由厚度在0.3-1.0mm的范围内的、具体地厚度在0.4-0.8mm的范围内的、更具体地厚度在0.5-0.7mm的范围内的钢板制成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，所述可消耗线材(9)包含少于3％的硅，具体地少于2.5％的硅，更具体地在1-2.5％的范围内的硅。
6.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，所述可消耗线材(9)为ISO 24373型；Cu 6511 CuSi2Mn1型。
7.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在所述激光源(4)的输出处的所述激光束(7)具有至少2.5kW、具体地至少3.5kW、更具体地在3.5-10kW的范围内的功率。
8.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，所述工艺包括引导所述激光束(7)从所述激光源(4)通过光缆(6)至激光聚焦头(5)，所述光缆(6)的中心芯直径(75)不超过1mm，具体地不超过0.6mm，更具体地在0.2-0.6mm的范围内。
9.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，所述工艺包括以至少3.5m/min、具体地至少4.5m/min、更具体地在3.5-6.5m/min的范围内的工艺速度沿着所述接触区域(3)引导所述激光束(7)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，所述工艺包括以所述工艺速度的50-100％的送丝速率，具体地以所述工艺速度的70-90％的送丝速率，供应所述可消耗线材(9)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，所述可消耗线材(9)的线径在0.8-2.4mm的范围内，具体地在1.0-1.8mm的范围内，更具体地在1.2-1.6mm的范围内。
12.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，在所述工艺方向(11)的平面内，在所述射束光点(8)处，所述激光束(7)与所述第一金属工件(1)或第二金属工件(2)的外表面(63)之间的激光束工艺方向角度(61)在60-90度的范围内，具体地在65-85度的范围内，更具体地在70-83度的范围内。
13.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，相比所述激光束(7)在所述射束光点(8)处的方向(62)，邻近所述射束光点(8)的所述可消耗线材(9)的纵轴(64)在所述工艺方向(11)的平面内具有较大的前倾角，并且
其中，在所述工艺方向(11)的平面内，在邻近所述射束光点(8)处，所述激光束(7)的方向(62)与所述可消耗线材(9)的纵轴(64)之间的供应角度(65)在10-50度的范围内，具体地在20-40度的范围内。
14.根据上述权利要求中任一项所述的工艺，其中，所述第一金属工件(1)和第二金属工件(2)中的一个是车顶板(34)，另一个金属工件是车侧板(35)。
15.车辆，所述车辆包括通过上述权利要求中任一项所述的工艺相互结合的顶板(43)和侧板(35)。
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