CN117120208A - 用于激光焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于激光焊接两个接合件(1d、2d)的方法，两个接合件相互以搭接接头固持并由金属材料制成，第一接合件(1d)具有带接头的接合凸缘，第二接合件(2d)在平侧上具有接合区(6d)，其中，对于激光焊接的过程，第一接合件(1d)通过第一接合件的接合凸缘(3d)的一侧接触第二接合件(2d)的接合区(6d)地被保持，其中，在两个接合件(1d、2d)之间设置有间隙(10d)，该间隙在远离激光作用侧的方向上加宽，并且其中，激光束(7)以与接合区(6d)的平面成1°至45°的角度α定向到由接合区(6d)和接合凸缘(3d)形成的凹槽中，并且这样进行焊接，形成的焊缝(12)伸入到所述间隙(10d)中，并且由此在间隙(10d)中形成间隙底部(SB)，接合件(1d、2d)的相互对置的表面通过该间隙底部隔开。

Description

用于激光焊接的方法

本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的用于激光焊接的方法。

激光焊接是用于将两个接合件相互材料配合地连接的常用方法。在此，两个接合件相对定位并通常用夹紧装置保持在一起。然后通过激光束熔化接头用于材料性地连接两个接合件。激光焊接具有的优点是，虽然在工件中在局部引入足够高的能量，但热影响区仍然很小，因为焊接速度快并且引入的能量非常有限，所以只有较少的材料被熔化。为了执行焊接过程，激光头连同激光束相对于保持在一起的接合件相对移动。通常激光头移动，而接合件保持静止。

例如在文献DE 10 2017 105 900 A1中公开了一种激光焊接方法。在这种已知方法中，两个接合件在其接头处相互连接，方式是两个接合件被定向，使其通过接合法兰相互贴靠并且它们的接头相互齐平地终结。为了焊接，激光束对准两个接合法兰之间的接合间隙并以此对准接头。两个接合件相互成角度定位，使得在背离激光束的侧面形成间隙，脱气产物由此排出，而该脱气过程不会对焊缝的形成有不利影响，该脱气产物主要在焊接涂层接合件、如镀锌钢板时产生。

由文献EP 0 771 605 B1已知一种用于连接两个钢板的方法，其中，至少一个钢板具有低熔点涂层，例如锌涂层。根据这种已知方法，两个接合件以锐角相互对接布置以便接合。然后形成角焊缝作为焊缝并且通过该方式将一个板沿其端面与另一个板焊接。焊接通过激光束完成。通过激光束沿一个接合件的接头形成激光束-角焊缝。两个接合件为了接合而在夹紧装置中相对彼此定位和保持。为了通过由两个接合件彼此成角度的布置形成的间隙脱气，一个接合件的切割边沿其端面设有齿部。涂层的脱气产物因此可以通过齿之间的空隙和在背离激光束一侧上由接合件的成角度的布置提供的脱气途径排出。由焊缝设计成角焊缝，所以其不穿透接头。背离焊接一侧上的间隙可以具有7°至15°的开口角度并且通过在焊缝处的零间隙宽度结束。

在此的问题是，构件的这种成角度的布置会导致在背离激光束一侧上的间隙的根部区域中出现腐蚀。由于同时对耐腐蚀性的要求较高，所以即使在这种构件的使用寿命中会出现的较小的腐蚀位置也不再被接受。在上述方法中这会出现，因为锌涂层在焊接位置的区域中蒸发并被排出。通过两个接合件相互成角度的定位形成的间隙通常不够宽或者间隙角度太小，使得在由于焊接过程而锌层蒸发的区域中不能施加期望的涂层。尽管一些涂层是可行的，例如用于空腔保护的蜡涂层或新的合适的锌涂层；但这带来更高的耗费和与之相关的更高成本。

在此背景下本发明要解决的技术问题是建议一种激光焊接方法，通过该方法可以可靠地连接两个构件(接合件)并避免上述的腐蚀问题。

上述技术问题通过开始所述这种方法解决，其特点是，第一接合件具有带接头的接合凸缘，第二接合件在平侧上具有接合区，其中，对于激光焊接的过程，第一接合件通过第一接合件的接合凸缘的一侧接触第二接合件的接合区地被保持，其中，在两个接合件之间设置有间隙，该间隙在远离激光作用侧的方向上加宽，并且其中，激光束以与接合区的平面成1°至45°的角度定向到由接合区和接合凸缘形成的凹槽(Kehle或称为槽口)中，并且这样进行焊接，形成的焊缝伸入到所述间隙中，并且由此在间隙中形成间隙底部，接合件的相互对置的表面通过该间隙底部隔开。

在从属权利要求中描述了有利的改进设计方案。

令人意想不到的是，在搭接接头焊接中，激光束相对接合区的设置不导致第二接合件在其接合区内被较深地焊接或焊透，而是在两个接合件的接触和间隙区域—接头中形成向间隙开口方向弯曲的并且不是线性地跟随光入射角的、极其均匀的和深的焊根(或者说焊底)。焊入深度延伸穿过实际上的接合头直至在背离激光束的一侧上的间隙中。熔化的金属进入间隙中并且填充最窄的间隙区域。流入背离激光一侧上的间隙的熔融物形成底部，接合件的限定间隙边界的侧面通过该底部隔开。这种间隙底部可以设计成直的，基本上直的或凸的或也可是凹的。重要的是，通过间隙底部，接合件之间的在背离激光束一侧上的间隙的间隙宽度在任何位置上都不具有零延伸，或者其也不会太窄，以至于期望的防腐涂层不能到达此处。激光焊接过程是受控地进行的—完全可以不具有焊接添加料(Schweiβzugabe)，由此，通过由熔融物形成的底部通过熔化的材料填充间隙直至这样的间隙宽度，直到间隙宽度足够大，以便对于后续涂层过程、例如KTL涂层来说保证材料到达间隙的根部，所述根部在该方法中是通过由焊接过程形成的间隙底部形成的。一般约0.2mm的间隙宽度被视为足以满足该要求。这种宽度是足够的，以便整个构件可以以成本有利的方式例如用KT涂层方法(KTL＝阴极浸涂)涂层。通过填充背离激光束一侧上的间隙的根部，直至KT漆可沉积到其中的间隙宽度，确保KTL涂层也能依规施加到构件的这些区域中。

通过激光束引入第一接合件的接合凸缘的接头的热量将其部段式熔化，由此提供通过接合头引入间隙中的熔融物。第二接合件通过其接合区起焊缝支撑的作用。通过激光束以优选小于45°，尤其小于30°的角入射到接合面上，引入第二接合件的接合区的能量明显低于引入第一接合件的接头中的能量。第一接合件的接头以此被用作用于焊接材料的源。将第一接合件的接合凸缘的接头用作用于焊接材料的源或储备具有的优点是，激光束至少在很大程度上加载到接头中并以此沿材料延伸的方向而不是与此成横向地对第一接合件加载。这对焊接方法是有利的，因为这就不存在烧穿第一接合件的危险。激光束的几何中心线为此优选向第一接合件的方向从接合头偏移，接合头通过两个接合件的相邻形成。

第一接合件的接合凸缘的接头在其沿材料厚度的延伸的方向上通常设计为直的。

接合凸缘可以相对于接合件的主延伸部弯折，尤其可以是向外伸的例如弯边的凸缘。接合凸缘与该接合件的其他部件之间的过渡部由于成形过程通常以半径弯曲。在这种设计中，限定间隙的壁以逐渐增大的开口角度弯曲。

相反，第二接合件具有平的接合区，第一接合件的接合凸缘焊接在接合区上。接合区通常与接合件的接头不同。该接合区相对于其用激光束加载的侧面通常与接合件的端部间隔。然而该接合区也可以位于该接合件的任何区域中。

对于激光焊接的过程，一个接合件的接合凸缘被带到另一个接合件的接合区，使得两个接合件相互接触以形成接合头。第一接合件的接合凸缘相对于第二接合件的端部后退，以便形成凹槽。期望的是两个接合件在接合头中彼此以所谓的零间隙定位。两个接合件之间的接触可以是线性的或者面式的。如果接合凸缘和接合区彼此面式地贴靠，则应注意该面在接合头的深度方向上的延伸不大于较薄的接合件的材料厚度。实验表明，若不是这样，通过规定的激光束能量不能形成期望的焊缝到间隙中的尺寸。理想情况下，第一接合件是接合区中较薄构造的接合件。在该设计方案中可以特别过程可靠地实现高强度连接，同时填充在接合头的背离激光束的一侧上设置的间隙的根部，以便根部的区域中的间隙宽度最后至少0.2mm宽。

如果第一接合件的接合凸缘相对于邻接的区域弯折，则间隙自动通过由接合件的伸出导致的弯曲而构成。如果两个接合件都是平的，则需要接合凸缘以5°至45°的角度保持到接合区上，以确保足够的扩宽。当然，间隙角度选择为可以通过可用的熔融物填充间隙，直到规定的最小间隙宽度足够大，以便防腐涂层可以直接沉积。可能的脱气产物可以通过设置的间隙逸出，尤其是在涉及镀锌接合件的情况下。同时间隙也是用于焊缝根部的指引线；其沿间隙延伸并由此将两个接合件沿较大的连接面连接。由此构成特别能承受负载的焊接连接。

在优选的设计方案中规定两个接合件在接合头的区域内相互以5°至20°的角度保持。

激光束聚焦在由两个接触的接合件形成的凹槽上，其中，激光束的中心优选定向到第一接合件的接头上。接合头，即其中两个接合件相邻接的区域通过激光束的与几何中心间隔的射线部段加热。

两个接合件通常在夹紧装置中在预应力下固持以便接合。

特别优选的是规定，激光能量以及接合区与接合凸缘之间的接触面彼此设置，使得在背离激光加载侧的一侧上提供通常凸起的焊缝。由此提供具有凸出表面的焊缝，其在间隙根部的区域中充分填充间隙，例如用于后续的KTL涂层。

有利的是在此建议的方法在没有额外的焊接添加料的情况下执行；这大大降低了焊接机的设计结构以及过程成本。

如此完成的焊接连接可以顺利地例如通过KTL涂层，即通过在处理状态中高粘度的液体涂层。这种涂层特别持久。这种涂层在上述方法后进行。有利的是，在上述方法中尽可能不破坏锌涂层，该锌涂层在背离激光加载侧保护接合件，因此最终只需在局部应用KTL涂层。不过通常整个构件都进行KTL涂层。

下面根据附图进一步阐述本发明。其中：

图1：按照第一实施方式两个接合件的示意图，

图2：按照第二实施方式两个接合件的示意图，

图3：按照第三实施方式两个接合件的示意图，

图4a：按照第四实施方式两个接合件的示意图，

图4b：在执行激光焊接过程之后图4a的两个接合件，

图5a：穿过两个通过根据本发明的方法相互接合的接合件的接合头的显微切片。

图1示出按照第一实施方式第一接合件1和第二接合件2的边缘部分布局的横截面。第一接合件1包括接合凸缘3，其相对于限定接合头边界的材料4伸出或弯折。接合凸缘3和周围的材料4之间的过渡通过弯曲部5实现。第二接合件2包括接合区6。激光束用附图标记7表示。

接合区6的面向激光束7的一侧与接合件2的端部8、接头间隔开；在本实施例中，间隔约为较薄的接合件的板厚度的四倍，其中在本实施例中两个接合件1和2一样厚。

通过接合件1的接合凸缘3布置在第二接合件2的由平侧形成的接合区6上，形成阶梯状的布局，即凹槽K。激光束7聚焦在由接合凸缘3的接头9和接合区6形成的凹槽K上。接合区6与激光束7之间的角度α在本实施例中约为25°。激光束7的中心入射到第一接合件1的接头9的下三分之一处。

在所示实施例中，接合凸缘3以线接触与接合区6接触。

在该布局的背离激光束7的一侧上有间隙10，由于接合凸缘3相对于接合区6弯曲该间隙随开口角度的增大而变宽。

图2示出第二实施方式的横截面。与第一实施例不同的是，在该实施例中，第一接合件1a设计为直的，而第二接合件2a具有设置带有弯曲部5a并且因此部段式弯曲的接合区6a。在该实施例中，接合件1a的接合凸缘3a和第二接合件2a的接合区6a也在线上接触。

图3示出另外的根据本发明的布局的横截面。在此第一接合件1b的在本实施例中设计为直的接合凸缘3b与第二接合件2b的同样设计为直的接合区6b成角度地布置，确切而言以约25°的角度β。在此接合凸缘3b也线形地与接合区6b接触。

图4a示出另外的实施方式的横截面。在此实施方式中，第一接合件1c的接合凸缘3c面式地接触第二接合件2c的接合区6c。在横截面中可以清楚地看到，在横向于面向激光束7c一侧方向上的面式接触在宽度方向B上基本相当于较薄的、在本例中第一接合件1c的接合凸缘3c的厚度D。

图4b示出在激光焊接过程结束后按照图4a的布局。在该示意图中可以看出，焊缝已经沿两个接合件1c、2c的接触面形成并且两个接合件1c和2c因此通过接合凸缘3c或者说接合区6c连接。熔融物通过附图标记11表示。可以看出，由于间隙10c在第一接合件1c的方向上变宽，焊缝向第一接合件1c的方向弯曲。

在背离激光束7d的一侧上布置的间隙10c由此可以被填充，直到间隙宽度S大于/等于0.2mm并且因此直到该最小宽度被填满。通过熔融的金属进入间隙10c而形成间隙底部SB，间隙宽度S通过该间隙底部在其面向熔融物11的结束部的区域中限定边界。剩余的最小间隙宽度S这样选择，即防腐蚀涂层、如KTL涂层可以顺利地引入间隙中直至通过熔融物形成的间隙底部SB。间隙10c中因此不留下不可涂覆的楔形部位。

图5a示出两个接合件1d和2d根据本发明焊接的样品的显微图。焊接通过带有约0.8mm直径的激光束进行。第一接合件1d厚1.5mm，第二接合件2d厚2mm。可以清楚地看到焊缝12如何沿接合凸缘3d和接合区6d之间的接触面形成。在背离激光加载的一侧上构成鼓起的、形成间隙底部SB的凸形焊缝。

还可以看到，接合凸缘3d的接头侧的部分熔化。当然熔化的材料的量仅为对于两个接合件1d、2d接合连接包括为形成间隙底部SB而期望的填充间隙根部所需的量。该材料表现为通过接合头引入间隙10d的材料。间隙宽度S在本实施例中还是0.4mm。

在图5a中，用虚线表示焊缝12的周围边界，即熔化的区域。图中用点划线表示接合位置区域内两个接合件1d、2d的原始表面。可以清楚地看到，通过所述激光焊接方法熔化的材料流入间隙10d，通过这些材料，间隙10d的最小宽度已达到间隙底部SB的具有间隙宽度S的宽度。从图4b中的示意图还可以看到焊缝12的弧形走向。

本发明根据实施例被说明。在不离开权利要求所述的保护范围的情况下，对于本领域技术人员有多个另外的方案，而不必在这些设计的范围内详细说明。

附图标记列表：

附图标记所带字母表示在另一设计中的相同部件。

1 第一接合件

2 第二接合件

3 接合凸缘

4 周围的材料

5 弯曲部

6 接合区

7 激光束

8 端部

9 接头

10 间隙

11 焊接

12 焊缝

K 凹槽

D 材料厚度

B 宽度

S 间隙宽度

SB 间隙底部

β 接合件角度

α 激光束角度

Claims (10)

1.一种用于激光焊接两个接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)的方法，两个接合件相互以搭接接头固持并由金属材料制成，其特征在于，第一接合件(1、1a、1b、1c、1d)具有带接头(9)的接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)，第二接合件(2、2a、2b、2c、2d)在平侧上具有接合区(6、6a、6b、6c、6d)，其中，对于激光焊接的过程，第一接合件(1、1a、1b、1c、1d)通过第一接合件的接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)的一侧接触第二接合件(2、2a、2b、2c、2d)的接合区(6、6a、6b、6c、6d)地被保持，其中，在两个接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)之间设置有间隙(10、10a、10b、10c、10d)，该间隙在远离激光作用侧的方向上加宽，并且其中，激光束(7)以与接合区(6、6a、6b、6c、6d)的平面成1°至45°的角度(α)定向到由接合区(6、6a、6b、6c、6d)和接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)形成的凹槽(K)中，并且这样进行焊接，使得形成的焊缝(12)伸入到所述间隙(10、10a、10b、10c、10d)中，并且由此在间隙(10、10a、10b、10c、10d)中形成间隙底部(SB)，接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)的相互对置的表面通过该间隙底部隔开。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一接合件(1、1a、1b、1c、1d)的接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)这样构造和固持到第二接合件(2、2a、2b、2c、2d)的接合区(6、6a、6b、6c、6d)上，使得接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)与接合区(6、6a、6b、6c、6d)在朝向激光束(7)的一侧上线接触或通过一个面进行接触，该面横向于激光加载侧的宽度(B)与较薄的接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)在接合区(6、6a、6b、6c、6d)中的材料厚度(D)一致。

3.按照权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，激光束以相对于接合区(6、6a、6b、6c、6d)的平面7°至30°，优选15°至25°的角度(α)定向到由接合区和接合凸缘形成的凹槽(K)中。

4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，接合凸缘(3、3a、3b、3c、3d)以5°至45°的角度(β)固持在接合区(6、6a、6b、6c、6d)上。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述角度(β)为7°至30°。

6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，接合区(6、6a、6b、6c、6d)距离第二接合件(2、2a、2b、2c、2d)的端部(8)至少是两个接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)中较薄的接合件的材料厚度的一倍、优选两倍。

7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，至少一个接合件配设有锌涂层，该锌涂层在焊接过程期间从接合区(6、6a、6b、6c、6d)区域蒸发。

8.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在间隙(10、10a、10b、10c、10d)中背离激光加载的一侧上形成凸起状的焊缝。

9.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在没有焊接添加剂的情况下执行焊接过程。

10.按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，在焊接过程之后，接合件(1、2；1a、2a；1b、2b；1c、2c；1d、2d)设置带有防腐蚀层，优选KTL涂层。