CN113766991A - 两种铝材坯料的激光接合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用激光源，通过控制激光功率分布，来接合两种铝材坯料的方法。具体而言，该方法包括：放置第一坯料和第二坯料用于焊接；沿着焊接路径对第一坯料和第二坯料进行激光焊接，并调制激光功率分布，其中，焊接路径组合了沿着焊接方向的线性运动和大致横向于焊接方向的振动运动，其中，振动运动具有50Hz至1500Hz的频率和0.3mm至3.0mm的振幅，并且其中，在振动运动期间动态控制激光功率分布，并且其中，在最大激光功率的0％和100％之间调制功率。本发明还涉及调制激光功率分布的方法。

Description

两种铝材坯料的激光接合方法

对相关申请数据的交叉引用

本申请要求于2019年3月5日提交的第62/814,199号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及两种铝材坯料或部件的激光接合方法。具体而言，本发明涉及铝材坯料远程激光焊接方法。

背景技术

因为铝强度高而重量小，所以在结构中，特别是在轻质结构中使用铝，是有吸引力的。铝已经普遍用于飞行器制造，并且，也正在汽车应用中获得更广泛的使用。

在这方面，上述强度高而重量小的特点是关键。由于铝明显比钢更轻，所以可增加铝材面板或部件的厚度，改进能量吸收效果，同时仍保持减重的优点。此外，特定的铝合金提供良好的成型性，因此，铝适用于装配件(例如，车门、行李箱盖)的外板和内板以及白车身(BIW)应用。

本公开自始至终所使用的“白车身”一词，可以被解释为车辆的结构框架(不包括例如底盘、发动机)，该结构框架被设计成能够承受车辆在其使用寿命中可能经受的所有负荷。该结构骨架还具有这种设计，即，在例如与其他汽车或障碍物碰撞的情况下，承受并吸收冲击。

在这个意义上，车辆(例如，汽车)的结构骨架可以包括：例如，保险杠、立柱(A柱、B柱、C柱、D柱)、防撞侧梁、门槛或边梁、铰链柱和减震器。

本公开中自始至终使用的铝合金，可被认为是主要成分为铝(Al)的金属合金。通常，形成合金的元素包括：例如，铜、镁、锰、硅、锡和锌。选择铝合金，是因为其耐腐蚀性、强度、耐久性、挤出性能等。

关于铝在汽车应用中的使用，存在一项难题，那就是坯料或部件与其他坯料或部件的接合。使用远程激光焊接来接合铝坯料或部件是已知技术。当使用远程激光焊接来连接铝坯料或铝板时，经常遇到的问题在于孔隙的存在和热裂纹的形成，这会降低最终焊接部的强度。

当气泡被困在焊缝中时，焊接部就会出现孔隙。热裂纹也称为固化裂纹，当液态焊接金属的可用供给，不足以填充正在固化的焊接金属之间的空间时，就会发生热裂纹。这些问题的发生会随着焊接速度的加快而增多，即，如果要提高工业流程的产量，那么这些问题就会更频繁地发生。

孔隙和热裂纹都会降低焊接强度，从而降低最终产品的强度。

该问题的已知解决方案，是使用适当的填充材料，即，在焊接期间，将具有特定化学组成并且通常为填充焊丝形式的填充剂添加到焊池中。然而，填充焊丝的使用增加了接合成本。

WO 2018/017926公开了用于焊接铝的激光焊接装置的系统和方法。该装置包括：激光发生器，用于产生焊接型激光功率；透镜，用于将焊接型激光功率聚焦在铝工件上的焦点处，以产生焊接熔池。该装置还包括激光扫描器，用来控制该透镜，在焊接期间、在多个维度上，移动该焊接型激光功率在铝工件上的焦点。使用激光发生器和激光扫描器进行焊接，则无需对工件添加填充金属。

WO 2016/118555涉及利用角焊缝接头连接两种金属材料的激光焊接。该方法目的在于补偿两种材料之间的几何容差。该方法包括：例如，按照“8字形”模式振动激光束，同时沿两种材料之间的对接处，侧向移动激光束。与使用非振动激光束形成的角焊缝接头相比，该角焊缝接头宽度更大，因此补偿了容差。角焊缝接头的宽度取决于激光束的振幅，而不是光束的尺寸。

这些现有技术文献，都依赖于焊点的振动运动，来提供遍及焊池的充分混合，目的是减少焊接缺陷，特别是裂纹。

本公开的一个目的是：进一步改进用于远程激光焊接铝材的方法，并且特别是以搭接接头的形式，这样可以在实现高生产率的同时，提供优质的焊接部(极少或没有缺陷，如孔隙和热裂纹)。

本发明的另一个目的是：提供一种焊接方法和系统，其使用相对较低的热输入，并且热影响区域相对较小。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供一种用于接合第一坯料和第二坯料的方法，其中，第一坯料和第二坯料均由铝合金制成。该方法包括：放置第一坯料和第二坯料以进行焊接，第二坯料置于第一坯料上，并且部分地与第一坯料搭接。该方法还包括：沿着焊接路径，对第一坯料和第二坯料进行激光焊接，并调制激光功率分布，其中，该焊接路径结合了沿着焊接方向的运动以及大致横向于该焊接方向的振动运动，其中，该振动运动具有50Hz至1500Hz的频率，和0.3mm至3.0mm的振幅。并且，激光功率沿着焊接路径改变，其中，改变激光功率，使得沿着焊接路径的点中的累积热量大致恒定。

根据这个方面，在振动运动期间动态控制激光功率分布，并且可以在最大激光功率的0％和100％之间调制功率。

已经发现，通过控制沿焊接路径的每个点的累积热量，可以减少或完全避免热裂纹。通过结合焊接路径的振动运动和激光功率分布，确保了所得到的焊缝的质量有所提升，从而在不使用任何填充焊丝的情况下，减少或甚至消除了热裂纹。

此外，可以控制焊接的穿透深度以及接头截面几何形状。本发明中使用的参数，其定义中体现出的高灵活性，使得能够控制接缝强度和热影响区域，从而提高焊接质量，同时消除焊接部件的热裂纹。

累积热量大致恒定，优选地，这可能意味着，在模拟或实际焊接中的累积热量，沿着焊接路径的至少75％长度，围绕平均值的变化幅度小于20％。并且，更优选地，意味着，在模拟或实际焊接中的累积热量，沿着焊接路径的至少85％长度，围绕平均值的变化幅度小于15％。

在一些示例中，焊接路径的点中的累积热量，可以被确定为该点中的材料厚度和该点中的激光速度的函数。

在任何给定时刻，激光光斑的瞬时速度是横向于焊接方向的振动和沿着焊接方向的运动的组合。发明人已经发现，即使在振动运动的情况下，仍可能发生诸如裂纹等问题，并且其原因至少部分在于：在整个焊接熔池中热量的分布不均匀。所述热量的不均匀分布至少部分地由所述光斑的瞬时速度的差异引起。将激光功率作为激光光斑的瞬时速度的函数，改变激光功率，这样一来热量分布可以更均匀，并且发生热裂纹的可能性降低。

此外，将沿着焊接路径的任一点处的材料厚度纳入考虑之内，可以补偿沿着焊接路径的不同点发生的不同的热传导和分布。在搭接接头中，沿着焊接路径的一部分，比起沿着其他部分，在激光光斑下方存在更多的待加热材料。在坯料搭接的焊接路径的部分(第二坯料位于第一坯料上的部分)中，可以假定激光热量可以分布到的材料，是激光光斑只接触第一坯料的部分中的材料的两倍量。取决于材料的不同传导性(如果第一坯料和第二坯料不是由相同的铝合金制成)，并且取决于激光器的方向/取向，可以对热量能够分布到的材料的量进行不同的假设。

激光光斑的振动运动还对焊接熔池中的金属液体产生额外的搅拌效果，这进一步加剧了焊接熔池中不均匀热量分布的形成。

在特定示例中，速度和激光功率的乘积除以局部厚度所得的值，可以在焊接期间保持基本恒定。在这些示例中，任何点处的瞬时速度和激光功率的乘积，相对于平均值仅具有小的变化，即，该值围绕平均值的变化幅度小于20％，并且优选地，小于15％。局部厚度在此可以理解为第一坯料沿着焊接路径的不与第二坯料搭接的位置的厚度，以及第一坯料和第二坯料搭接处的组合厚度。

在优选示例中，焊接路径的振动运动具有70Hz至500Hz，具体为100Hz至300Hz的频率。该振动运动优选地具有约0.5mm至2mm的振幅。该激光可以具有直径尺寸范围在0.2mm与1mm之间，具体地在0.3mm与0.8mm之间的圆形光斑。

该振动运动的振幅可以根据这些坯料的厚度来确定。具体地，如果待接合的坯料的厚度增加，则振动运动的振幅会加大。振动频率的提高，可以增加整个焊缝的功率分布和热量的均匀性，并因此对减少裂纹具有积极影响。另一方面，振动频率的提高，可导致材料特别是材料的挥发性化学成分的过度蒸发，这可导致焊接完整性受损。激光功率调制可以至少部分地对此进行补偿。

已经发现，对激光光斑位置相对于下方金属坯料的上表面上的边缘位置的侧向偏移的控制，也影响焊接质量。大致横向于焊接方向的振动运动，限定了振动中线，并且在一些示例中，振动中线相对于第二坯料的边缘的横向偏移在0.1mm和1.0mm之间。

在优选实施例中，第一坯料和第二坯料中的至少一个，其铝材是从包括5000、6000和7000系列铝合金的组中选择的铝合金。具体地，第一坯料和第二坯料中的至少一个的铝材可选自以下组：AA 5082、AA 5083、AA 5182、AA 5183、AA 5754、AA 5454、AA 6005、AA6022、AA 6016、AA 6451、AA 6111、AA 6014、AA 6501、AA 6181、AA 6061、AA 6021、AA 7204以及它们的变体。

通常，焊接路径的振动运动可包括不同的光束运动，例如，围绕中心点的螺旋或圆形运动、沿焊接方向的摇摆运动或迂回(Z字形)运动或其组合。在一些示例中，沿焊接方向的运动，和横向于焊接方向的运动，都是振动运动。沿着焊接方向的运动可以具有叠加在这种振动运动上的恒定线速度。这种组合会导致连续的椭圆形或圆形迂回模式。

在一些示例中，横向于焊接方向的振动运动，遵循大致正弦的模式。在一些其他示例中，横向于焊接方向的振动运动，遵循大致圆形的模式。不同的振动运动影响沿着焊接路径的局部速度，并且可以调制激光功率，以对其进行补偿。

在一些示例中，沿着焊接方向的运动是速度大致恒定的线性运动。

在一些其他示例中，沿着焊接方向的运动包括恒定的向前运动和振动运动的组合。沿焊接方向的振动运动可以促进焊接区域中的混合。

在一些示例中，沿着焊接方向的运动包括与横向于焊接方向的第一振动运动一致的恒定向前运动，以及在横向于焊接方向的第一振动运动之后的向后运动。利用这种焊接路径，已经发现，沿着横向摆动的中线的向后运动，对焊接熔池有稳定作用。

在一些示例中，接合方法还可包括这一过程，即，在将第一坯料和第二坯料置于本文所述的焊接过程之前，清洁第一坯料和第二坯料。具体地，该清洁过程包括：对第一坯料和第二坯料的表面，包括焊接表面，进行脉冲激光清洁；在10kHz至50kHz的频率和1.000mm/sec至2.500mm/sec的扫描速度下，其中，脉冲持续时间达25ns至50ns。对第一坯料和第二坯料进行清洁，可显著降低所得焊缝的孔隙率。

在一些示例中，这些方法还可包括：在接合第一坯料和第二坯料之后，用激光处理坯料，以改善坯料的表面外观。这种利用激光的处理对于背面涂漆可能是有益的。

通常，本发明的方法无需使用填充焊丝或其他填充材料。已知，在焊接过程中使用足够量的特定化学组分的填充焊丝，可避免产生孔隙和热裂纹的风险。然而，众所周知，在焊接过程中添加外部填充材料，增加了焊接过程的成本和复杂性。已经发现，通过使用本发明的方法，在不使用任何外部填充材料的情况下，就解决了这些缺点。

在另一方面，本发明还提供一种在均由铝材料制成的第一坯料和第二坯料的激光焊接过程中调制激光功率分布的方法，该方法包括：a)将第一坯料和第二坯料设置成搭接结构，b)通过焊缝跟踪焊接路径，限定焊接边缘位置，c)设置激光光斑相对于边缘位置的侧向偏移，该侧向偏移位于下方金属坯料的上表面上方，在0.1mm与1.0mm之间，以及d)以50Hz至1500Hz的频率和0.3mm至3.0mm的振幅，遵循振动模式，移动激光。

在优选示例中，激光功率调制是激光光斑沿着焊接路径的速度的函数。具体地，激光功率调制可以是激光光斑的速度和激光光斑下的材料的局部厚度两者的函数。

附图说明

将参考附图在下文中描述本公开的非限制性示例，附图中：

图1A至图1C示出了用于以两个坯料的边缘角焊缝接头的形式激光焊接两个坯料的构造，其中一个坯料放置在另一个坯料上并与另一个坯料部分搭接；

图2A至2F示出了当使用具有不同振动模式的振动激光束时，沿着焊缝的热量分布；

图3A和3B示出了根据本发明的示例的焊接方法中的功率调制；

图3C用于进一步说明图3B的示例；

图3D和3E示意性地示出了根据本发明的示例的焊接方法中的热量分布；

图4A至4D示出了使用具有和不具有功率调制的振动焊接光束之间的比较；

图5A和5B示出了根据本发明实施例的焊接结果的两个示例的照片；

图6A和6B示出了根据本发明的不同实施例的焊接结果的示例；

图7A至7C示出了通过根据本发明的方法获得的焊接结果的示例；和

图8说明了可用于本发明的示例中的激光光斑的另一示例。

具体实施方式

图1A至图1C示出了用于两个坯料的激光焊接的构造，其中一个坯料放置在另一个坯料之上并且与另一个坯料部分搭接。这一具体示例涉及在上方坯料的边缘处的角焊缝接头。

图1A和1B用于示出将在本公开中使用的一些术语和笛卡尔坐标系。图1A示出了第一坯料10和第二坯料12。第二坯料12与第一坯料10平行地布置，但布置成部分位于第一坯料之上。因此，第二坯料12至少部分地与第一坯料10搭接，即形成所谓的搭接接头。

在该特定示例中，第一坯料10和第二坯料12均具有1mm的厚度。待焊接的坯料通常可以具有0.5mm至3mm的厚度，并且它们的厚度可以相同或不同。

可以根据情况，为第一坯料和第二坯料中的每一个选择合适的铝合金。对于汽车应用，5000和6000系列铝合金可能是合适的。该第一坯料和第二坯料可以由相同的合金或不同的合金制成。

x轴可以被定义为角焊缝接头的轴，如图1A所示。因此，焊接方向通常与x轴重合。y轴垂直于x轴和z轴。

在焊接过程中，可以通过夹持机构(未示出)，使得上方坯料12相对于下方坯料固定就位。焊缝与下方坯料10的边缘之间的距离，优选地不小于4mm，并且在一些实施例中，可以在5mm与12mm之间。

在本发明的示例中，可以使用远程激光头。大功率激光源可用于产生激光束，并通过光纤电缆传送激光束。这种远程激光头可以提供小的集中热焦点(“光斑”)，使得能够精确控制热输入。此外，可以使用扫描仪光学头中的可移动反射镜，来控制光斑的位置。通过连续改变反射镜构造，激光束和激光光斑可以根据各种模式(例如，圆形振动或正弦振动模式)进行振动。

在一些示例中，使用光纤激光，其中，有源增益介质是掺杂有稀土元素(例如，镱)的光纤，和/或其他。在其他示例中，可以使用不同的激光。本发明的示例中的激光功率通常可以在2kW与10kW之间，并且具体地在4kW与6kW之间。

根据本发明的示例，激光束的光斑可以实施一种运动，该运动是沿着焊接方向的(x轴)分量和横向于该方向的(y轴)分量的组合。沿着y-轴的分量是横向于焊接方向的振动。图1B示出了沿y轴的振度。

如图1B所示，激光束相对于竖直方向成角度α，指向坯料。该角度α通常可以在0°与45°之间。

本示例中的横向摆动的中心线或中线，与上方坯料的边缘不完全重合，而是中心线在y轴线上具有偏移，如图1B所示。该偏移的定义是：中心线与下方坯料的顶表面相交的点与上方坯料的边缘之间的距离。

在存在这一偏移的情况下，如图1C所示，激光光斑位于上方坯料12中的时间比位于下方坯料10中的时间更长，在此意义上，振动不是完全对称的。

图2A示出了沿着焊缝(使用了振动焊接光束)的能量或热量分布。可以将沿着焊接路径的每个点的热量记录纳入考虑之内，来确定热量分布。当激光光斑相对靠近时，在焊接路径的点中接收的热量，可以包括直接从激光束接收的热量，和通过传导间接接收的热量。

本示例中的振动模式，是以沿着x方向的大致恒定速度，沿着y方向振动的正弦曲线，如图2B所示。焊缝光束的振动在焊缝中产生一定的混合，因此有助于形成牢固的接头。然而，可以看出，沿着焊缝的外边缘存在显著的能量集中，即热量集中。本发明人已经得出这样的结论，即，这些热量集中提供了潜在的缺陷成因。

图2D和2F示出了在焊接方向上具有振动(叠加在沿该方向的线速度上)和在横向上具有振动的焊接光束模式。两种模式之间的主要差异在于横向上的振动频率。在图2C和2E中可以看出，在横向上加大振动频率，导致在焊接的纵向上的能量分布均匀化。然而，在图2C和2E中，在焊接路径的边缘附近，即，在横向振动的最大振幅附近，可以发现热量集中。

不希望受限于理论，我们认为能量的集中可以与焊点的瞬时速度相关联。即，当焊点的瞬时速度低时，出现能量集中。在这点上，重要的是要注意，瞬时速度可以是沿着焊接方向的线性焊接速度、横向于焊接方向的振动(可以是圆形、椭圆形、正弦曲线)和沿着焊接方向的振动(同样可以是正弦曲线)的复合函数。

在本发明的示例中，沿焊接方向的线速度可以在3m/min与15m/min之间，并且具体地，在3m/min与10m/min之间，并且更具体地，在4m/min与8m/min之间。

已经发现，速度的绝对值，即

对于给定厚度的焊接材料，是能量分布均匀性最重要的因素。

在本公开中，因此提出改变激光功率，以提供更均匀的能量分布。在一个示例中，提出了根据激光光斑的瞬时速度来改变激光功率。

在焊接路径的多个部分中，激光光斑位于搭接部分中，即，第二坯料置于第一坯料之上的位置。在焊接路径的其他部分中，激光光斑位于第一坯料上。当激光光斑在第二坯料上时，因为有更多的材料吸收热量，所以激光的热量分布到更多的周围材料。优选地，这还将激光功率调制纳入考虑之内。

在计算传递到焊接路径或焊池的每个点的激光热量的模拟操作中，可以针对每个点，将一个时间段纳入考虑之内，在该时间段内，每个点接收直接热量或间接热量。优选地，传导至每个焊接点的全部热量可大致恒定。通过避免局部热区(以及其他较冷区域)，可以减少缺陷，特别是热裂纹。

在模拟操作中，可以做出若干假设，来计算在何种合适的激光功率调制下，可以确保大致均匀的热量分布。例如，一个假设可以是关于环境温度的。另一个假设可以是热导率恒定。在坯料由不同材料制成的情况下，可以采用这些假设。关于间接接收热量的激光光斑周围的材料的量，可以做出进一步的假设。一个假设可以是材料的量对应于“局部厚度”。局部厚度可以是第一坯料的厚度(激光束位于第一坯料上时，焊接路径的相应部分)，也可以是第一坯料和第二坯料的厚度的总和(激光束位于第二坯料上时，焊接路径的相应部分)。

在这方面注意，沿焊接路径的绝对激光功率不如一点相对于另一点的相对激光功率重要。焊接穿透深度随激光功率的绝对值而变化，但沿焊接路径的相对变化，对热量分布的影响更大。

在特定示例中，激光功率和速度的乘积除以局部厚度所得的值，对于沿焊接路径的多个点，优选地，对于所有点保持大致恒定。激光功率与速度的乘积除以局部厚度所得的值，是各点累积热量的良好指标。

累积热量大致恒定，优选地，这可能意味着，在模拟或实际焊接中的累积热量，沿着焊接路径的至少75％长度，围绕平均值的变化幅度小于20％。并且，更优选地，意味着，在模拟或实际焊接中的累积热量，沿着焊接路径的至少85％长度，围绕平均值的变化幅度小于15％。

图3A和3B示出了根据本发明不同示例的焊接方法中的激光功率分布。保持基本恒定的热量分布的激光功率的连续变化，实现起来可能是复杂的。相反，对于沿焊接模式的不同拉伸，可以建立几个不同水平的激光功率。

图3A示意性地示出了激光运动17，包括横向振动，结合有针对一个横向振动的沿着焊接方向的线性恒定运动。在第一横向振动和第二振动之间，发生沿焊接方向的向后运动15。接着是另一正弦运动。已经发现，箭头所示的向后运动有助于稳定焊接熔池并改善焊接。

沿着焊接路径，激光功率可以变化。在该特定示例中，例如，方块20表示沿焊接路径的最大激光功率的70％至80％之间的激光功率。方块22表示在最大激光功率的50％和60％之间的激光功率，而方块24表示最大激光功率的80％至90％的激光功率。

在该特定示例中，方块26表示最大激光功率的80％至90％的激光功率，并且方块28对应于最大激光功率的90％至100％的激光功率。可以看出，当激光位于第二坯料12上时(即，在搭接部上)，激光功率水平高于当激光位于第一坯料10上时的激光功率水平。由于不同的“局部厚度”，所得到的热量分布将更均匀。

在搭接部内，以及在第一坯料内，可以改变激光功率，以产生激光速度的差异。如之前所解释的，局部速度可以由沿着焊接方向的分量和横向于焊接方向的分量组成。远离x轴(横向振动的中线)，在正弦模式的情况下，激光的运动速度可以较低。因此可以降低激光功率。然而，在该特定模式中，随着沿x轴线的向后运动，更多的热量被引入焊接路径的更靠近中心的部分。结果，为了使热量分布更均匀，远离x轴的激光功率水平实际上可以更高。

沿着向后运动15，激光功率水平可以在最大激光功率水平的10％与20％之间。

在图3B所示的示例中，可以采用五个不同的功率水平。在该特定示例中，运用了朝向上方坯料12的偏移。本示例中的偏移量为-0.1mm(沿上方坯料方向的0.1mm)。在这种情况下，坯料的厚度为1mm。在本发明的示例中，偏移可以确定为上方坯料的厚度和激光角度α的函数(参见图1B)。

在本示例中，示出了横向上的正弦振动。对于上方坯料中的正弦振动的部分，在本示例中，使用三个不同的功率水平。对于下方坯料中的部分振动，使用两个不同的功率水平。图3B中示出了8个时间戳t1至t8。

时间戳t1至t8也可以在图3C中示出。图3C示出了沿着垂直于x轴的平面的截面视图。每个蓝色点表示两个时间戳之间的时间点。在图3C中可以看出，直到t5，激光的光斑位于上方坯料中，而从t5到t8，光斑位于下方坯料中。

图3D和3E示意性地示出了根据本发明示例的焊接方法中，在不同时间戳处的热量分布。图3D示出了俯视图，指示激光光斑，其中附图标记30表示熔融焊接熔池，并且在激光光斑后面可以看到残余热量。

图3E示出了在垂直于x轴的平面中的截面视图。各图中的阴影部分表示熔融焊接熔池。可以看出，在振动的第一部分，激光光斑在上方坯料中，因此热量集中在该处。在振动的第二部分中，下方坯料中存在更多的热量累积。注意，在单次振动内，同时存在沿x方向的位移，这样一来，振动的不同部分中的热量水平不能直接相互比较。

图4A示出了在没有功率调制的情况下，在沿着焊接方向的恒定速度与横向于焊接方向的正弦振动相结合的情况下的热量分布。可以看出，大部分热量沿着焊接熔池的边缘集中。其原因至少部分在于，在边缘处，激光束的速度最低。

图4B示出了如何运用本发明一个示例的功率调制来更均匀地分配热量。结果就是，降低了焊接缺陷的可能性。

图4C示出了圆形激光模式中的激光热量分布，其中，沿着焊接方向的运动是叠加有正弦振动的恒速运动。横向于焊接方向的运动是正弦振动。图4C示出了在没有功率调制的情况下的热量分布，而图4D示出了当使用功率调制时的热量分布。同样，结果是图4D的热量分布更加均匀。

图5A和5B示出了根据本发明实施例的焊接结果的两个示例的照片。图5A和5B之间的区别在于：在图5B中，在焊接之后执行了额外的表面处理。额外的表面处理可以增加外表面的光滑度和美观性。

额外的表面处理可以包括对该表面进行激光扫描。这种类型的激光扫描可以用于在涂漆之后提供表面光洁度。

图6A和6B示出了根据本发明的不同实施例的焊接结果的示例。在图6A中，激光模式包括横向于焊接方向的正弦振动以及沿着焊接方向的恒定运动速度，其结果示出于图6A。图6B示出了利用根据图3A的激光模式的最终焊接方式，包括在横向振动之间沿焊接方向的向后运动。两种焊接效果都令人满意，但是图6B的焊接结果略显更光滑。

图7A至7C示出了作为根据本发明的焊接方法的结果的三个焊接部的截面图。所有三个视图显示了均匀的焊接穿透，没有或极少存在缺陷。

图8示出了本发明的另一个实施例。除了激光束振动和激光功率调制之外，在图8的示例中，可以使用双激光光斑。激光光斑包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的激光功率水平可以单独控制。

如图8所示，第一部分可以是中心圆，第二部分可以是围绕中心圆的环。除了改变双光斑(包括内部和外部光斑)的激光功率之外，可以改变激光功率，并且激光功率在内部中心点和外部圆形光斑之间自由地分布。

根据示例，中心内部光斑的直径可以是70微米。该环的内径可以是100微米，并且外径可以是180微米。

如图8所示，在运用根据本示例的双光斑的情况下，光斑可以在仅外环、仅中心圆，以及圆和环的组合这些情形间变化。

如图8所示，可以在内部和外部光斑之间调整功率水平。该中心光斑可以具有给定激光功率的30％至80％比例的功率，并且优选地，是总激光功率的大约60％与80％。因此，在任何给定时刻，外环光斑可具有激光功率的约20％至40％比例的功率。

功率配置中体现出的这种高灵活性，使得在环中产生第一预热温度，为稳定的焊接过程做准备。来自外环的预热效果增加了过程的润湿性，使得接头的表面与处于单环模式的传统激光焊接过程相比更光滑。此外，外环还有助于去除表面中的污染物。

在本文公开的任何方法中，可以在焊接之前实施脉冲激光清洁。已经发现，脉冲激光清洁也有助于减少焊接缺陷，因为杂质可以在焊接池中消除。

在本文公开的任何方法中，可以使用保护气体。保护气体在焊接过程中保护接头免受大气的污染，降低孔隙率。它还可以用于在激光焊接过程中改变液态金属池的温度梯度，以降低热裂纹产生的可能性。例如，可以使用氩气或氦气，作为屏蔽气体。

本文所公开的示例涉及焊接坯料。坯料通常被认为是未完成的金属片，即坯料必须经过制造步骤，才能获得完成的部件。本文所公开的任何接合方法也可应用于可视为完成的铝元件或部件。

虽然本文仅公开了一些示例，但是其他替换、修改、使用和/或等同物是可能的。此外，还涵盖所述示例的所有可能组合。因此，本公开的范围不应受特定示例的限制，而应仅通过对所附权利要求的合理解读来确定。

Claims (21)

1.一种用于接合第一坯料和第二坯料的方法，其中，所述第一坯料和所述第二坯料均由铝材制成，所述方法包括：

放置所述第一坯料和所述第二坯料以进行焊接，所述第二坯料放置在所述第一坯料之上，并与所述第一坯料部分搭接；

沿着焊接路径对所述第一坯料和所述第二坯料进行激光焊接，

所述焊接路径组合了沿着焊接方向的运动以及大致横向于所述焊接方向的振动运动，其中，所述振动运动具有50Hz至1500Hz的频率，以及0.3mm至3.0mm的振幅，并且其中

沿着所述焊接路径改变激光功率，其中，改变所述激光功率，使得沿着所述焊接路径的多个点中的累积热量是大致恒定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接路径的点中的所述累积热量，是根据所述点中的材料厚度以及所述点中的激光速度来确定的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在沿着所述焊接路径的所述点中的所述激光功率与所述激光速度的乘积除以局部厚度的所得值，在沿着所述焊接路径的点中是大致恒定的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述激光功率在最大激光功率水平的0％至100％之间变化，并且具体地，在所述最大激光功率水平的25％至100％之间变化。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述振动运动具有70Hz至500Hz，具体为100Hz至300Hz的频率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述振动运动具有0.5mm至2mm的振幅。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述激光具有直径尺寸为0.2mm至1mm，具体为0.3mm至0.8mm的圆形光斑。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，大致横向于所述焊接方向的所述振动运动，限定了振动中线，并且，所述振动中线相对于所述第二坯料的边缘的侧向偏移在0.1mm与1.0mm之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述第一坯料和所述第二坯料中的至少一个的所述铝材是选自由5000系列、6000系列和7000系列铝合金组成的组中的铝合金。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一坯料和所述第二坯料中的至少一个的铝材选自以下组：AA 5082、AA 5083、AA 5182、AA 5183、AA 5754、AA 5454、AA 6005、AA6022、AA 6016、AA 6451、AA 6111、AA 6014、AA 6501、AA 6181、AA 6061、AA 6021和AA7204。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，横向于所述焊接方向的所述振动运动，遵循大致正弦曲线的模式。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，横向于所述焊接方向的所述振动运动，遵循大致圆形的模式。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，沿着所述焊接方向的所述运动，是速度大致恒定的线性运动。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，沿着所述焊接方向的所述运动包括恒定的向前运动和振动运动的组合。

15.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，沿着所述焊接方向的所述运动包括：与横向于所述焊接方向的第一振动运动一致的恒定向前运动，以及在横向于所述焊接方向的所述第一振动运动之后的向后运动。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述第一坯料和所述第二坯料在执行根据权利要求1至15中任一项所述的接合方法之前，已经预先得到清洁。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述清洁过程包括对所述第一坯料和所述第二坯料的表面进行脉冲激光清洁；频率为10kHz至50kHz，扫描速度为1.000mm/sec至2.500mm/sec，并且其中，所述脉冲持续时间达25ns至50ns。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括：在接合所述第一坯料和所述第二坯料之后，用激光对所述坯料进行处理，以改善所述坯料的表面外观。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中，所述接合是在不使用填充材料的情况下完成的。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，激光光斑包括第一部分和第二部分，并且其中，可以单独地控制所述第一部分和所述第二部分的激光功率水平。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一部分是中心圆，并且所述第二部分是围绕所述中心圆的环。

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