CN117916050A - 用于接合金属的螺旋激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

激光焊接方法包括：将激光辐射(120)聚焦到设置在金属部件(114)上的第一金属片(112)上，任选地在其间设有一个或多个中间金属片。激光辐射(120)被操纵以描绘出至少一个螺旋路径，以将金属部件(114)点焊在一起。激光辐射(120)包括中心光束(122C)和环形光束(122A)以维持稳定的匙孔。一种方法被定制用于焊接例如具有高气体含量和/或不同成分的铝部件，并且激光辐射(120)首先描绘向外螺旋路径(810)，然后描绘向内螺旋路径(830)。中心光束(122C)在向内螺旋路径(830)的一段期间用脉冲调制。另一种方法被定制用于焊接在其间的界面处具有涂层的钢或铜部件，并且激光辐射(120)描绘向内螺旋路径(830)。界面(414F)可以是零间隙界面，或者可以存在非零间隙。

Description

用于接合金属的螺旋激光焊接方法
优先权
本申请要求于2021年6月3日提交的美国申请序号17/338,109的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般地涉及金属片的激光焊接，具体涉及具有挑战性材料成分的金属片的激光焊接。
背景技术
激光焊接使用激光束作为集中热源来局部熔化并接合两个通常由金属制成的部件。激光束可以聚焦到相对较小的点，从而产生高功率密度和小的热影响区。因此，当需要准确度和高度控制时，激光焊接是一种有吸引力的技术。此外，激光焊接非常适合自动化。
在激光焊接中，聚焦的激光束精确定位每个焊点或焊线，同时最大限度地减少附带加热。区分两种主要的激光焊接方式很有用。传导焊接发生在较低的激光功率和较低的激光功率密度下。吸收的激光功率加热照射的材料，从而熔化每个待接合部件中的材料，该材料流动、混合，然后固化。匙孔(keyhole)焊接发生在较高的激光功率和较高的激光功率密度下，足以蒸发一些被照射的材料。蒸发材料对周围熔化材料的压力打开穿过熔化材料的通道。该通道在本领域中被称为匙孔，具有窄而深的轮廓特征，其允许激光束深度穿透。成品匙孔焊缝通常比传导焊缝更窄、更深且更坚固。
激光焊接已成功应用于涉及以各种构造排列的各种材料的广泛焊接问题。在某些情况下，激光焊接取代了另一种焊接技术。在其他情况下，激光焊接能够焊接不适合通过传统的非激光焊接技术进行焊接的结构。
汽车行业是越来越多地采用激光焊接的若干个制造业之一。在汽车行业，激光焊接目前用于焊接许多不同的车辆部件，例如底盘、车身框架、车门、发动机部件和电池(用于电动和混合动力汽车)。凭借较小的热影响区以及通常控制良好且可精细调节的工艺，激光焊接可用于自动且可靠地焊接比使用传统焊接技术更薄和更小的部件。因此，激光焊接有助于推动汽车制造技术的发展，以满足对更轻、更高效的车辆的需求。例如，激光焊接有利于轻质车身部件的精确焊接，以及电化学电池内部的连接和与电化学电池的连接(例如，金属箔堆叠和电池极耳之间的连接，以及电池极耳和汇流条之间的连接)。在车身部件的情况下，焊接材料通常是钢、铝和/或铝合金。就电池而言，焊接材料通常包括铜，但也可以包括铝或铝合金。
点焊是可用于激光焊接重叠部件的众多焊接方式之一。当将两个重叠部件激光点焊在一起时，激光束入射到其中一个部件上并局部熔化穿过该部件，一直到达与第二部件的界面，并且至少进入第二部件一定距离。激光点焊可应用于两个、三个或更多个金属部件的堆叠。事实证明，匙孔焊接可以在许多情况下形成牢固的点焊接头。为了形成比使用固定激光束所能实现的更大的焊点，可以引导激光束以描绘出螺旋图案。
发明概述
本文公开的是螺旋激光焊接方法，其被构造为通过用双束激光辐射描绘出螺旋形图案而将金属部件的堆叠点焊在一起。双束激光辐射从一侧入射到金属堆叠上，并穿过堆叠熔化到达最远的金属部件。金属部件可以是两个或更多个金属片的堆叠。可替代地，距堆叠的接受激光辐射的一侧最远的堆叠的最远金属部件可以是较厚的非片状金属结构。
目前公开的方法利用匙孔焊接并且被专门定制以在某些特别具有挑战性的场景中实现牢固的焊接接头。尽管匙孔焊接在熔化和混合材料方面非常有效，但所产生的焊接接头的质量可能会因夹带的气体、冷却速率差异以及飞溅造成的材料损失等问题而受到影响。
飞溅是匙孔焊接中的一种不良现象，其中匙孔中的对流足够剧烈，以至于在焊接过程中会喷射出金属熔滴。这种熔滴的喷射以一种控制不良的方式减小了焊核的体积。
熔池中的气体可能会带来一些问题。熔池中存在气泡可能会导致飞溅。当气体在最终冷却过程中仍然被夹带时，由夹带气体的存在引起的残余应力可能导致焊接接头开裂。如果在冷却之前或冷却期间没有释放，则夹带的气体会在所得焊核中形成相当大尺寸的空隙和/或较小的孔隙。
当不同材料焊接在一起时，特别容易出现冷却速率差异。当激光焊接相同或相似材料的部件时，部件之间可以在焊接接头处形成真正的冶金结合，并且焊核的材料成分相对均匀。当激光焊接不同材料时，不同材料之间可能无法形成冶金结合。相反，焊缝可以包含两种材料的混合物。当混合物不均匀时，两种材料之间任何显著的冷却速率差异都可能导致熔池冷却时应力诱发的裂纹。
裂纹、空隙、孔隙和材料损失可能会损害焊接接头的强度。此外，在焊接结构旨在承载电流的场景中，例如在电池应用中，焊接接头的导电性可能会受到这些效应的不利影响。
在本方法中，激光焊接通过双束激光辐射来执行，双束激光辐射包括两个光束：中心光束和围绕中心光束的环形光束。中心光束和环形光束各自的功率彼此独立控制，以实现所需的结果。与单束激光相比，这种双束激光辐射可以保持更稳定且控制良好的匙孔。本匙孔的更高稳定性同时(a)最小化飞溅和(b)最大化匙孔打开的持续时间，从而能够促进夹带气体的释放。本方法沿着螺旋形图案追踪双束激光辐射，以可靠地产生具有最少夹带气体和最小(或无)裂纹的坚固焊接接头，即使在涉及容易夹带气体和裂纹的材料的情况下也是如此。同样为了避免或至少最小化裂纹的目的，该方法以在向螺旋图案的中心移动的同时控制激光功率逐渐下降而结束。
受益于上述工艺特征，本方法能够焊接异种金属、具有夹带气体的金属以及具有在焊接过程中蒸发的涂层的金属。一种方法是被定制用于将具有夹带气体的铝部件焊接在一起，并用向外螺旋和向内螺旋描绘同一区域，并中心光束沿着向内螺旋的部分用脉冲调制，以便正确释放夹带气体。铝部件可以具有不同的成分。另一种方法是描绘向内螺旋，被定制用于焊接带涂层的金属部件，例如镀锌钢或镀镍铜。在存在此类涂层的情况下，传统的激光焊接方法很难可靠地产生良好的焊接接头，特别是当部件之间没有间隙时。即使对于零间隙构造，本方法也能可靠地实现高质量的焊接接头。事实上，本方法的焊接接头质量基本上对间隙尺寸不敏感，间隙尺寸在从零间隙延伸到例如约0.5毫米或可能更大的间隙的范围内，这取决于部件的厚度。
在一个方面，用于接合铝的激光焊接方法包括以下步骤：将激光辐射聚焦到设置在铝部件上的第一铝片上，以及控制聚焦的激光辐射在第一铝片上描绘多个路径，从而将第一铝片焊接到铝部件。激光辐射包括中心光束和围绕中心光束的环形光束。控制步骤包括：在维持中心光束和环形光束各自的第一功率的同时描绘向外螺旋路径。向外螺旋路径从中心位置开始并且围绕中心位置盘旋并远离中心位置。控制步骤还包括，在描绘向外螺旋路径之后，描绘外部路径，同时将中心光束和环形光束的功率从相应的第一功率斜坡下降到相应的第二功率。从中心位置看去，外部路径位于螺旋路径的外围。另外，控制步骤包括，在描绘外部路径之后，描绘朝向中心位置的向内螺旋路径，同时首先(a)将中心光束和环形光束的功率从相应的第二功率逐渐上升到相应的第三功率，随后(b)维持环形光束的第三功率并在其第三功率和较低的第四功率之间反复地用脉冲调制中心光束，并且最后(c)关闭中心光束并将环形光束的功率斜坡下降至零。
另一方面，用于接合在界面处具有涂层的金属部件的堆叠的激光焊接方法，包括：将激光辐射聚焦到金属部件的堆叠上，以及控制聚焦的激光辐射以在金属部件的堆叠的第一金属部件上描绘至少一个路径，以便将金属部件的堆叠焊接在一起，由此还至少部分地蒸发界面处的涂层。金属部件包括(i)第一金属片，(ii)最远金属部件，以及(iii)第一金属片和金属部件之间的零个、一个或若干个中间金属片。至少一个金属部件在与相邻金属部件的界面处具有涂层。该界面被构造成两个相邻金属部件之间直接接触或者其间具有间隙。激光辐射入射在第一金属片上并且包括中心光束和围绕中心光束的环形光束。控制步骤包括描绘向内螺旋路径，并且在描绘向内螺旋路径时，首先(a)维持中心光束和环形光束各自的第一功率，随后(b)同时将中心光束的功率从其第一功率斜坡下降至零瓦并将环形光束的功率从其第一功率斜坡下降至非零第二功率，并且最后(c)关闭环形光束。
附图说明
并入说明书并构成说明书的部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起，用于解释本发明的原理。
图1示出了根据实施方案的用于利用双束激光辐射焊接金属部件的激光焊接装置。
图2示出了根据实施方案的由图1的装置产生的激光辐射的聚焦于目标时的横向激光轮廓。
图3是根据实施方案的使用图2的利用双束激光辐射的螺旋激光焊接来接合铝的方法的流程图。
图4示出了通过图3的方法激光焊接的金属部件的示例性构造。在该构造中，金属片设置在金属部件上，其间没有其他金属片中间，并且由激光焊接引起的金属熔化仅部分地延伸到金属部件中。
图5示出了通过图3的方法激光焊接的金属部件的另一示例性构造。此构造与图4的构造类似，与图4的构造不同的是，金属熔化一直延伸到金属部件。
图6示出了通过图3的方法激光焊接的金属部件的又一示例性构造。此构造与图4的构造类似，与图4的构造不同的是，包括中间的金属片。
图7示出了根据实施方案的图3的方法中使用的激光功率方案。
图8A、图8B和图8C示出了由图3的方法中的聚焦双束激光辐射所描绘的三个路径。
图9是根据实施方案的用于接合金属部件的方法的流程图，所述金属部件在其间的界面处包括涂层。该方法使用利用图2的双束激光辐射的螺旋激光焊接。
图10示出了可以通过图9的方法焊接的金属部件的两层堆叠的实施例。
图11示出了可以通过图9的方法焊接的具有多于两层的金属部件的堆叠的实施例。
图12示出了根据实施方案的图9的方法中使用的激光功率方案。
图13示出了根据实施方案的图9的方法中聚焦的双束激光辐射所描绘的路径。
发明详述
现在参考附图，其中相同的部件由相同的附图标记表示。图1示意性地示出了一种用于焊接金属部件的激光焊接装置100。装置100被构造为将双束激光辐射120聚焦到目标上并在目标上描绘一个或多个路径，例如螺旋路径130。
在图1所示的场景中，装置100将两个重叠的金属部件焊接在一起：金属片112和金属部件114。这里，术语金属片是指厚度不大于10毫米的金属部件，使得具有千瓦级的平均功率的聚焦激光辐射可以熔化整个厚度。本文所用的术语“金属片”包括厚度小于100微米的金属箔以及不平坦的金属部件。本文所用的术语“金属片”还指金属部件的局部片状部分，其具有一个或多个厚度大于10毫米的其他部分。因此，金属片112的厚度112T为10毫米以下。虽然通过焊接接合金属部件112和114需要激光辐射120熔化穿过金属片112的厚度112T，但是没有必要熔化穿过金属部件114的厚度114T。因此，金属部件114可以是也可以不是金属片，厚度114T可以超过或不超过10毫米。
图2示出了激光辐射120聚焦在目标上时的横向轮廓200，例如聚焦在如图1所示的金属片112上时。激光辐射120包括中心光束122C和围绕中心光束122C的环形光束122A。环形光束122A的至少大部分功率在中心光束122C的直径之外。在图2所示的实施方案中，中心光束122C和环形光束122A是圆形的。以下讨论假设圆形光束，但很容易扩展到椭圆形光束。中心光束122C具有1/e2直径210C。环形光束122A具有1/e2外径212A和1/e2内径214A。环形光束122A的内径214A超过中心光束122C的直径210C。中心光束122C和环形光束122A的组合功率沿着圆220达到最小值，圆220在中心光束122C的直径210C外侧和环形光束122A的内径214A内侧。在一个实施例中，直径210C在50微米与500微米之间的范围内，并且外径212A在直径210C的两倍与三倍之间的范围内。在另一实施例中，直径210C在15微米与50微米之间的范围内，并且外径212A在直径210C的四倍与十倍之间的范围内。激光辐射120可以是近红外的，例如具有在900和1200纳米之间的范围内的波长。
再次参考图1，装置100包括激光源170、中心功率控制器172、环形功率控制器174、光纤178和光束传输模块180。激光源170产生激光辐射。激光源170将所产生的激光辐射的部分耦合到光纤178的中心芯中以形成中心光束122C，并且将所产生的激光辐射的另一部分耦合到光纤178的环形芯中以形成环形光束122A。为了将来自激光源170的激光辐射耦合到光纤178中，装置100可以实施类似于美国专利第US10,807,190号和美国专利申请公开第US2019/0118299号中所讨论的光纤耦合技术，这两个专利申请的全部内容均通过引用并入本文。
中心功率控制器172根据需要调节中心光束122C的功率。环形功率控制器174根据需要调节环形光束122A的功率。在一种实施方式中，激光源170包括由中心功率控制器172控制并专用于生成中心光束122C的至少一个激光器，以及由环形功率控制器174控制并专用于生成环形光束122A的至少一个其他激光器。
光束传输模块180从光纤178接收激光辐射120。光束传输模块180将激光辐射120聚焦到目标上，并根据需要操纵激光辐射120，例如描绘螺旋路径130。光束传输模块180将中心光束122C和环形光束122A作为一个整体一起操纵，并且不需要能够彼此独立地在空间上操纵中心光束122C和环形光束122A。光束传输模块180可以包括聚焦透镜或物镜以及本领域已知的光束转向光学器件。
装置100还可以包括主控制器190，其管理中心功率控制器172、环形功率控制器174和光束传输模块180的操作。主控制器是例如包含指定要由中心功率控制器172、环形功率控制器174和光束传输模块180执行的操作的机器可读指令的计算机。
在图1所示的场景中，光束传输模块180将激光辐射120聚焦到金属片112的表面112S上。表面112S位于金属片112的与金属部件114相反的一侧。光束传输模块180利用激光辐射120描绘一个或多个路径，包括螺旋路径130。当光束传输模块180将中心光束122C和环形光束122A一起聚焦和转向时，中心功率控制器172和环形功率控制器174根据需要彼此独立地调节中心光束122C和环形光束122A各自的功率，以将金属片112和金属部件114焊接在一起。例如，中心光束122C的功率可以以与环形光束122A的功率不同的速率逐渐上升或下降，或者中心光束122C可以在环形光束122A持续开启的同时用脉冲调制或关闭。
图3是用于使用利用双束激光辐射120的螺旋激光焊接来接合铝的一种方法300的流程图。方法300可以由装置100执行并且可以用于将铝片焊接到一个或多个其他铝片和/或到另一个铝部件。每个铝片/铝部件基本上由铝或铝合金制成。在不脱离本发明的范围的情况下，表面可以在焊接之前表现出一定程度的氧化和/或污染。
铝在熔化时相对较粘。由于铝通常含有一定程度的夹带气体，并且高粘度阻碍了此类气体的释放，因此传统的铝激光焊接特别容易产生具有显著孔隙率和大尺寸空隙的焊核，并且还容易产生飞溅。某些形式的铝，例如铸铝，往往含有相对大量的气体。方法300被定制以优化夹带气体的释放。至少出于这个原因，即使当一个或多个部件具有高气体含量时，例如当一个或多个部件是铸铝部件时，方法300也能够在铝部件之间形成高质量、低孔隙率的焊接接头。例如，方法300可用于将一个或多个挤压铝片焊接至铸铝部件。一般而言，方法300有利于夹带气体的受控释放并最小化应力，从而最小化飞溅和孔隙率以及在冷却期间形成裂纹的风险。
方法300包括步骤310和320。步骤310将激光辐射120聚焦到设置在另一铝部件上的第一铝片上，任选地在其间设置一个或多个其他中间铝片。步骤320控制聚焦的激光辐射120以在第一铝片上描绘多个路径，从而将第一铝片焊接至铝部件(以及中间铝片，如果存在的话)。
在继续讨论步骤310和320的细节之前，我们讨论可以通过方法300焊接的铝部件的不同构造。图4、图5和图6示出了可以应用方法300的金属部件的实施例构造，以及通过方法300形成的示例焊核。在方法300的背景下，图4、图5和图6中所示的每个金属部件都是铝部件。
图4示出了构造400，其中金属片112设置在金属部件114上，其间没有其他中间金属片，并且其中由方法300的执行引起的金属熔化仅部分地延伸到金属部件114中。金属片112可以沿着金属部件114之间的界面414F与金属部件114直接接触。在不脱离本发明的范围的情况下，小间隙可能存在于沿着界面414F的地方，例如由于定位公差或表面的不平坦度。金属部件114在金属部件114的与界面414F相对的一侧上具有表面414S。如构造400中布置的金属片112和金属部件114具有表面112S和414S之间的组合厚度410T。在金属片112和/或金属部件114是非平面的场景中，厚度410T是在焊接期间激光辐射120入射到金属片112上的区域中测量的局部厚度。
当将方法300应用于构造400时，方法300将激光辐射120引导到金属片112的表面112S上，以熔化穿过金属片112、经过界面414F并进入金属部件114，但不是一直穿过金属部件114到达表面414S。方法300由此形成焊核450，焊核450开始于表面112S并且终止于金属部件114的内部部分内，使得焊核450的深度450D小于厚度410T。焊核450具有可以超过深度450D的宽度450W。例如，宽度450W可以在深度450D的一倍和五倍之间的范围内。由于方法300在构造400中不寻求从金属部件114一直熔化到表面414S，因此金属部件114的厚度414T可以基本上超过金属片112的厚度112T，只要由金属部件114提供的相应散热器不阻止激光辐射120穿过界面414F熔化即可。在构造400的一个实施例中，厚度112T在1毫米与5毫米之间的范围内，厚度114T在2毫米与30毫米之间的范围内，宽度450W在3毫米与15毫米之间，并且深度450D延伸到金属部件114中至少一毫米。可替代地，深度450D可以延伸到金属部件114中小于一毫米，例如当金属部件114相对薄并且优选表面414S不显示焊接过程的迹象时。焊核450通常在表面112S处或附近最宽，使得在表面112S附近获得宽度450W，并且焊核450在界面414F处的宽度稍小。
图5示出了类似于构造400的构造500，不同之处在于由方法300的执行产生的金属熔化和相关联的焊核550一直延伸穿过金属部件114到达表面414S。在构造500中，金属部件114可以是具有与厚度112T相似的厚度114T的金属片。焊核550的宽度550W可以超过厚度410T。然而，由于在激光焊接期间仅焊核550的周边由金属片112和金属部件114的实心部分支撑，因此优选将宽度550W限制为小于厚度410T的大约三倍。如果允许宽度550W超过该限制，则激光辐射120可能会吹出大量熔化的金属。这种吹出可能损害焊核550的尺寸和强度，并且在最坏的情况下甚至形成延伸穿过金属片112和金属部件114的孔。在构造500的一个实施例中，厚度112T和114T中的每一的个范围都在一毫米到三毫米之间，宽度550W小于厚度410T所得值的三倍。
图6示出了除了在金属片112和金属部件114之间包括中间金属片616之外与构造400类似的构造600。金属片616具有与厚度112T类似的厚度616T。金属片112和616在界面616F处相遇，并且金属片616和金属部件114在界面614F处相遇。界面616F和614F中的每一个都具有类似于界面414F的属性。当方法300应用于构造600时，激光辐射120熔化穿过金属片112、经过界面616F、穿过金属片616、经过界面614F并进入金属部件114，但不是一直到达表面414S。所得焊核650终止于金属部件114的内部部分内，并且具有小于表面112S和414S之间的金属片112和616以及金属部件114的组合厚度610T的深度650D。在构造600的一个实施例中，厚度112T和616T中的每一个都在一毫米与三毫米之间的范围内，厚度414T在二毫米与三十毫米之间的范围内，并且宽度650W在三毫米与十五毫米之间的范围内。进入金属部件114的深度650D的范围可以类似于构造400中焊核450进入金属部件114的范围。
构造600可以通过方法300修改为金属熔化，金属熔化以与修改构造400以达到构造500类似的方式一直延伸穿过金属部件114到表面414S。此外，构造600可以扩展为在金属片112和金属部件114之间包括多于一个的中间金属片616。
再次参考图3，在步骤310的一个实施例中，激光源170产生激光辐射120，并且光束传输模块180将包括中心光束122C和环形光束122A的激光辐射120聚焦到如上面参考图4、图5和图6讨论的构造中的任一构造中布置的金属片112的表面112S上。在步骤320的相关实施例中，光束传输模块180操纵激光辐射120以利用中心光束122C和环形光束122A在表面112S上描绘多个路径。
步骤320包括按照所列出的顺序执行的步骤324、326和328。步骤320的执行涉及在描绘多个路径的同时操纵中心光束122C和环形光束122A的功率。图7示出了步骤320中使用的激光功率方案，并且图8A、图8B和图8C分别示出了在步骤324、326和328中由聚焦激光辐射120描绘的三个路径。中心光束122C和环形光束122A可以是连续波光束。中心光束122C和环形光束122A的功率可以根据需要分别由中心功率控制器172和环形功率控制器174调节。
步骤324描绘图8A中所示的向外螺旋路径810。向外螺旋路径810在时间t1从中心位置LC开始，并且绕中心位置LC盘旋并远离中心位置LC以在时间t2到达外部位置LO。在图8A所示的实施例中，螺旋路径810类似于阿基米德螺旋，使得围绕中心位置LC的连续旋转近似等距并且由间隔距离812表征。间隔距离812可以由环形光束122A的直径212A确定，并且例如至少与直径212A一样大但不大于直径212A的两倍。在不脱离本发明的范围的情况下，螺旋路径810可以呈现与阿基米德螺旋不同的形状。
当描绘向外螺旋路径810时，步骤324维持中心光束122C的功率PC1和环形光束122A的功率PA1(参见图7)。PA1可能高于PC1。中心光束122C和环形光束122A的这些功率被设置为足以维持局部熔池，该局部熔池具有从激光辐射120入射的铝片表面(例如，金属片112的表面112S)延伸的匙孔，穿过任何中间铝片(如果存在的话)(例如，金属片616)，并且进入或穿过距离激光辐射120入射到的铝片最远的铝部件(例如，金属部件114)。在步骤324期间，匙孔和周围熔池随着激光辐射120沿着向外螺旋路径810移动。匙孔被定位于激光辐射120入射到的区域。熔池通常在激光辐射120后面具有尾部。
传统上，匙孔焊接是通过单个激光束进行的，通常具有近似高斯或平顶的横向强度分布。该单一激光束的功率密度设置得足够高以形成匙孔。然而，匙孔的对流力学通常非常剧烈，以至于不可避免地会产生大量飞溅，并且匙孔以无法预测的方式打开和关闭。另一方面，方法300受益于环形光束的存在以(a)控制施加在金属中的温度梯度以及(b)降低对中心光束的功率密度要求。当利用激光辐射120描绘向外螺旋路径810时，环形光束122A的部分824L领先于中心光束122C，并且环形光束122A的另一部分824T落后于中心光束122C。前部824L预热材料，使得相对容易地建立和维护匙孔。由尾部824T提供的加热用于更平缓地降低匙孔后面的材料的温度，以减小匙孔尾部的温度梯度并最小化冷却材料中的应力。方法300从而实现了稳定的匙孔，其中有很少或没有因飞溅而损失的材料并且具有最小的应力。通过方法300实现的改进的匙孔稳定性有助于释放夹带在铝中的气体，因为夹带的气体仅当匙孔打开时才可以经由匙孔逸出。
我们发现，当一个或多个部件含有大量夹带气体时，单独的步骤324不足以在铝部件之间实现令人满意的焊接接头。如果步骤324不伴随额外的焊接，则气体仍然被夹带在熔化的材料中，通常导致最终的焊核具有相当大尺寸的空隙以及相关的应力引起的裂纹。类似地，我们发现单独的步骤324不足以将不同成分的铝部件焊接在一起。这里，沿着向外螺旋路径810的单程没有提供充分的混合，因此焊核在冷却时趋于开裂。因此，方法300还包括步骤328。步骤328描绘如图8C所示的向内螺旋路径830，回到中心位置LC。然而，由于步骤324中的向外螺旋路径810的描绘使材料处于升高的温度，因此如果步骤328在步骤324结束后立即开始且具有相同的功率水平，则材料将变得太热。飞溅可能是不可避免的。为了防止这种过热，步骤328(a)以降低的功率水平开始，并且步骤328(b)通过步骤326与步骤324分开，步骤326照射步骤324和328的螺旋路径的外围区域。
步骤326在时间t2和t3之间描绘外部路径820，如图8B所示。外部路径820在时间t2开始于外部位置LO处。当从中心位置LC径向观察时，外部路径820位于向外螺旋路径810的外围。(图8B示出了径向方向890的实施例。)在描绘外部路径820的同时，步骤326将中心光束122C和环形光束122A的功率分别从功率PC1和PA1斜坡下降到功率PC2和PA2(参见图7)。PC2和PA2都低于PC1。PC2和PA2可以为零。
在一个实现方案中，外部路径820包括闭合路径，例如如图8B所示的圆圈。在该实现方案中，步骤326还可以用于确保通过方法300形成的焊核具有期望形状的明确的周界。步骤326可以描绘该闭环一次，在这种情况下外部路径820在外部位置LO处开始和结束。可替代地，步骤326沿着闭环围绕中心位置LC执行多于一个的环行，在这种情况下，外部路径820终止于外部位置LO或闭环上的另一终止点LT。当足够时，沿着闭环的单个环行可以最大限度地减少该实现方案中的总处理时间。
在另一实现方案中，外部路径820是在完成围绕中心位置LC的完整环行之前终止于终止点LT的开放路径。在该实现方案中，终止点LT的位置可以由将中心光束122C和环形光束122A的功率分别斜坡化至PC2和PA2所花费的时间来定义。在完成完整环行之前终止外部路径820导致较小的焊核，这在一些情况下可能是优选的。
在不脱离本发明的范围的情况下，外部路径820可以是向外螺旋路径810的延续，对应于在向外螺旋路径810的延伸版本的外端处斜坡下降激光功率的步骤326。
步骤328在时间t3开始并且顺着向内螺旋路径830行进回到中心位置LC，如图8C所示。向内螺旋路径830的几何特性可以类似于向外螺旋路径810的几何特性。向内螺旋路径830在外部路径820结束的地方开始。因此，向内螺旋路径830开始于外部位置LO(如图8C所示)或终止点LT。描绘向内螺旋路径830的过程发生在三个段中：(1)从时间t3处的外部位置LO(或终止点LT)到时间t4处的位置LP的第一段，(2)从时间t4的位置LP到时间t5的位置LR的第二段，以及(3)从时间t5的位置LR到时间t6的中心位置LC的第三段。当描绘第一段时，步骤328将中心光束122C和环形光束122A的功率分别从PC2和PA2逐渐上升到功率PC3和PA3(参见图7)。在图7所示的实施例中，PC3超过PC2，并且PA3超过PA2和PC3。然而，在某些情况下，其他关系可能是有利的。接下来，在描绘第二段时，步骤328(a)维持环形光束122A的功率PA3，并且(b)在PC3和较低功率PC4之间反复地用脉冲调制中心光束122C(参见图7)。PC4可能是断电的，即零瓦。中心光束122C的脉冲速率可以在0.5到5kHz之间的范围内。最后，在描绘第三段时，步骤328减小中心光束122C和环形光束122A的功率。在该功率降低的一个实施方案中，步骤328关闭中心光束122C并将环形光束122A斜坡下降至零瓦(参见图7)。当PC4非零时，步骤328可通过以下方式关闭中心光束122C：(a)例如在启动第三段时将其功率切换至零瓦，或(b)在描绘第三段期间将其功率斜坡下降至零瓦。在不脱离其范围的情况下，步骤328可以以环形光束122A中的非零功率结束，例如20％或小于PA3。
已经证明，在步骤324中描绘向外螺旋路径810之后，在向内螺旋路径830的第二段期间用脉冲调制中心光束122C对于释放被夹带在熔化材料中的气体是有效的。与突然关闭相反，环形光束122A的斜坡下降可以减缓材料的冷却，以释放应力并防止焊核开裂。我们已经发现，在激光辐射120静止时斜坡下降功率往往会在焊核中产生孔或凹痕。因此，步骤328在沿着向内螺旋路径830移动的同时执行激光辐射120的最终斜坡下降。
步骤320还可以包括在步骤324之前的步骤322。在时间t0，步骤322分别以中心光束122C和环形光束122A的初始功率PC0和PA0在中心位置LC处开启激光辐射120。PA0可能超过PC0。从时间t0到时间t1，在保持激光辐射120指向中心位置LC的同时，步骤322将中心光束122C和环形光束122A的功率分别斜坡下降至PC1和PA1。在步骤322中由激光辐射120沉积的能量有助于形成熔池并建立匙孔。省略步骤322的实施方案最初在步骤324中分别以中心光束122C和环形光束122A的功率PC1和PA1开启激光辐射120。
在一个实施方案中，步骤324的持续时间在150毫秒到300毫秒之间，步骤326的持续时间在25毫秒到100毫秒之间，步骤328的持续时间在150毫秒到300毫秒之间，并且步骤322的持续时间(如果包括的话)介于25毫秒到100毫秒之间。方法300可以在不到一秒的时间内完成。在某些实现方案中，PC0、PA0、PC1、PA1、PC3和PA3中的每一个均超过一千瓦的平均功率。例如，PC0、PA0、PC1、PA1和PA3可以在2千瓦到4千瓦之间的范围内，PC3可以在0.5千瓦2.5千瓦之间的范围内，并且PC2、PC4和PA2可以在0千瓦到0.2千瓦之间的范围内。可以根据所涉及的铝部件的厚度并且基于所产生的焊核是否应该穿透最远的铝部件或者更确切地说终止于其内部位置来调整功率水平。
方法300可包括向焊接区提供保护气体以进一步帮助防止焊核顶层(例如，最近表面112S)中的气孔，以防止等离子体形成，并最小限度地暴露于环境氧。保护气体例如是氩气或氮气。
路径810、820和830连接以形成单个连续路径。步骤320可以沿顺时针或逆时针方向描绘路径810、820和830中的每一个。每个路径的方向不需要相同。例如，向内螺旋路径830可以与向外螺旋路径810相同，但是以相反的方向并且沿着向内而不是向外的方向描绘。由路径810、820和830的组合描绘的区域可以具有一般范围，例如如图8C所示的直径870D，范围在3毫米到15毫米之间。
图9是用于接合在金属部件间的界面处包括涂层的金属部件的一种方法900的流程图。方法900可以由装置100执行。方法900可以用于焊接镀锌钢或镀镍铜。
当涂层在低于熔化金属部件本身所需的温度的温度下蒸发时，待焊接的金属部件之间的界面处存在涂层会带来挑战。例如，钢的熔化温度通常约为1370摄氏度，而锌的蒸发温度仅为907摄氏度。在缺乏有效的气体逸出路径的情况下，涂层蒸发产生的气体在匙孔焊接过程中会引起严重的飞溅。在此类涂层金属部件的传统匙孔激光焊接中，金属部件通过间隙彼此分离，该间隙足够大以提供气体的替代逸出路线。方法900不需要这样的间隙。相反，方法900被定制为允许由涂层蒸发产生的气体以最小(或无)飞溅经由匙孔高效逸出。因此，当金属部件彼此直接接触时，方法900能够最小化飞溅并因此实现高质量的焊接接头。我们发现，当部件彼此分开一定量的间隙时，方法900还可以最大限度地减少飞溅并实现高质量的焊接接头。对于镀锌钢的情况，我们发现只要间隙相对较小，焊接接头质量对间隙的存在不敏感。即使不根据间隙尺寸修改任何工艺参数，小间隙和无间隙也能实现相同的焊接接头质量。由于匙孔往往会将熔融金属从顶部片材(更靠近入射激光辐射)压到下面的片材或部件上，因此顶部片材的厚度是定义焊接接头质量不敏感的最大间隙尺寸的主要因素。在某些情况下，只要间隙在零(无间隙)和顶部片材厚度的约60％之间的范围内，焊接接头质量对间隙尺寸不敏感。
方法900包括步骤910和920。步骤910将激光辐射120聚焦到金属部件的堆叠上。金属部件的堆叠由设置在金属部件上的第一金属片组成，任选地在其间设置有一个或多个中间金属片。金属部件可以是也可以不是金属片。步骤920控制激光辐射120，当聚焦时，在第一金属片上描绘至少一个路径，以便将第一金属片焊接到金属部件(以及中间金属片，如果存在的话)。该焊接引起设置在激光辐射120的路径中的涂层的蒸发，包括金属部件之间的界面处的涂层。
图10和图11示出了可以通过方法900焊接的金属片/金属部件的实施例构造。在方法900的背景下，每个金属片/金属部件由任选地涂覆有锌或锌合金的钢制成，或者每个金属片/金属部件由铜或铜合金制成，任选地涂覆有镍或镍合金。在不脱离本发明的范围的情况下，表面可以在焊接之前表现出一定程度的氧化和/或污染。
图10示出了具有两层堆叠的构造1000。构造1000类似于构造400和500，除了(a)金属片112和金属部件114中的至少一者在界面414F处其上具有涂层，以及(b)间隙1010G可存在于界面414F处。金属片112在金属片112在面向界面414F的表面处具有涂层1012C，和/或金属部件114在金属部件114的面向界面414F的表面处具有涂层1014C。金属片112和金属部件114的其他表面也可以被涂覆。在典型的情况下，金属片112和金属部件114中的至少一者的所有表面均被涂覆。间隙1010G可以在零(无间隙)和一毫米之间的范围内，或者在金属片112的厚度的零和60％之间的范围内。
通过方法900形成的焊核可具有与通过方法300形成的尺寸类似的尺寸。焊核(图10中未示出)可以以与图5的焊核550类似的方式穿透金属部件114，或者以类似于图4的焊核450的方式终止于金属部件114的内部部分。
图11示出了构造1100，其包括位于金属片112和金属部件114之间的中间金属片616。构造1100类似于构造600，除了(a)金属片112、金属片616和金属部件114中的至少一个在相应的界面处具有涂层，并且(b)界面616F和614F中的一个或多个处可存在间隙。关于涂层，金属片112可以在界面616F处具有涂层1012C，金属片616可以具有在界面616F处的涂层1116C(1)和在界面614F处的涂层1116C(2)中的一者或两者，并且金属部件114可以在界面614F处具有涂层1014C。界面616F和614F中的每一个可构造有类似于图10的间隙1010G的间隙。构造1100易于扩展以包括多于一个的中间金属片616。
在构造1100中由方法900形成的焊核(图11中未示出)可以以类似于图5的焊核550的方式穿透金属部件114，或者以类似于图6所示的焊核650的方式终止于金属部件114的内部部分。
再次参考图9，在步骤910的一个实施例中，激光源170产生激光辐射120，并且光束传输模块180将包括中心光束122C和环形光束122A的激光辐射120聚焦到金属片112的表面112S上，如以上面参考图10和图11讨论的构造中的任一构造布置的。在步骤920的实施例中，光束传输模块180操纵激光辐射120以利用中心光束122C和环形光束122A在表面112S上描绘至少一个路径。步骤920的执行涉及在描绘至少一个路径的同时操纵中心光束122C和环形光束122A的功率。中心光束122C和环形光束122A的功率可以根据需要分别由中心功率控制器172和环形功率控制器174调节。中心光束122C和环形光束122A可以是连续波光束。
步骤920包括描绘向内螺旋路径的步骤924。步骤920还可以包括步骤922，其在步骤922之前并且利用激光辐射120描绘闭环。该闭环围绕向内螺旋路径并且终止于向内螺旋路径的起点。因此，当步骤920包括步骤922时，闭环和向内螺旋路径形成一条连续路径。
图12示出了在包括步骤922的步骤920的实施方案中使用的激光功率方案。图13示出了在步骤922和924中由聚焦激光辐射120描绘的路径。
步骤924描绘向内螺旋路径1320。向内螺旋路径1320类似于图8C的向内螺旋路径830。向内螺旋路径1320在时间t1处从外部位置LO开始，并且围绕并朝向中心位置LC盘旋以在时间t3处到达中心位置LC。描绘向内螺旋路径1320的过程分两段进行：(1)第一段从时间t1处的外部位置LO到时间t2处的位置LR，以及(2)第二段从时间t2处的位置LR到时间t3处的中心位置LC位置。当描绘第一段时，步骤924将中心光束122C和环形光束122A的功率分别维持在功率PC0和PA0。PA0可以大于PC0，如图12所示。接下来，在描绘第二段的同时，步骤924将中心光束122C和环形光束122A的功率分别斜坡下降至零和非零功率PA1。最后，当在时间t3到达中心位置LC时，步骤924关闭环形光束122A。
分别为中心光束122C和环形光束122A设置功率PC0和PA0，以保持局部熔池，其中匙孔从第一金属片的表面(例如，金属片112的表面112S)延伸穿过任何中间金属片(如果存在的话)(例如，金属片616)，并且进入或穿过最远的金属部件(例如，金属部件114)。如上面参考方法300的步骤324所讨论的，在步骤924期间，匙孔和周围的熔池随着激光辐射120沿着向内螺旋路径1320移动。凭借包括中心光束122C和环形光束122A两者，方法900实现了稳定的匙孔，通过飞溅损失的材料非常少或没有损失，如上文参考方法300所讨论的。通过方法900实现的改进的匙孔稳定性有助于释放金属中截留的气体，并为金属堆叠的界面处任何涂层蒸发所产生的气体提供有效的逸出路线。当方法900应用于铜或铜合金时，环形光束122A的存在可以具有额外的益处，即，由环形光束122A的引导部分824L提供的预热引起铜/铜合金中的相变至由激光辐射120的较高水平的吸收表征的状态。环形光束122A因此进一步降低了对中心光束122C的功率要求。在描绘向内螺旋路径1320的第二段的同时激光功率的温和斜降用于减缓材料的冷却以释放应力并防止焊核开裂。该功率逐渐下降是在激光辐射120沿向内螺旋路径1320移动时而不是静止时执行的，以便防止在焊核中形成孔或凹痕，如上面参考方法300的步骤328所讨论的。
当被包括时，步骤922描绘时间t0和时间t1之间的闭环1310。闭环1310位于向内螺旋路径1320的外围。闭环1310终止于外部位置LO并且可以是圆形。步骤922完成闭环1310的至少一个完整回路。闭环1310可沿与向内螺旋路径1320(如图13所示)相同的方向或沿相反方向围绕中心位置LC旋转。步骤922主要用于确保通过方法900形成的焊核的明确周界。当不需要这样的周界时，省略步骤922可能是有利的，例如在受到空间约束时实现更小的焊核或最大限度地减少总体处理时间。
由方法900施加的功率PC0和PA0可以在1.5千瓦到5千瓦之间的范围内，而PA1可以在0.05千瓦到1.0千瓦之间的范围内。由向内螺旋路径1320和闭环1310(如果包括)描绘的区域可以具有一般范围，例如如图13所示的直径1370D，在3毫米到15毫米的范围内。方法900可在小于500毫秒内完成，其中步骤924的功率斜降部分的持续时间在30毫秒与100毫秒之间的范围内。使用稳定激光功率(在时间t1和t2之间)执行的部分步骤924可以占用功率斜降之前的处理时间的60％到100％之间。
方法900可以包括向焊接区域提供保护气体以进一步帮助防止焊核的顶层中出现气孔。保护气体可以是氮气。
以上通过优选实施方案及其他实施方案对本发明进行了描述。然而，本发明不限于本文描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求书限制。

Claims (20)

1.用于接合铝材的激光焊接方法，包括以下步骤：
将激光辐射聚焦到设置在铝部件上的第一铝片上，该激光辐射包括中心光束和围绕该中心光束的环形光束；以及
控制聚焦的激光辐射在所述第一铝片上描绘多个路径，以将所述第一铝片焊接至所述铝部件，所述控制步骤包括：
描绘向外螺旋路径，同时维持所述中心光束和环形光束各自的第一功率，所述向外螺旋路径从中心位置开始并且绕着所述中心位置盘旋并离开所述中心位置，
在描绘所述向外螺旋路径之后，描绘外部路径，同时将所述中心光束和环形光束的功率从相应的第一功率斜坡下降到相应的第二功率，从所述中心位置看，所述外部路径在所述螺旋路径的外围，并且
在描绘所述外部路径之后，描绘朝向所述中心位置的向内螺旋路径，同时首先(a)将所述中心光束和环形光束的功率从相应的第二功率斜坡上升到相应的第三功率，随后(b)维持所述中心光束和环形光束的第三功率并使所述中心光束在其第三功率和较低的第四功率之间反复用脉冲调制，以及最后(c)减小所述中心光束和环形光束的功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小步骤关闭所述中心光束并将所述环形光束的功率从所述第三功率斜坡下降。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述减小步骤将所述环形光束的功率斜坡下降至零。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述铝部件是第二铝片。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述外部路径包括完成围绕所述中心位置的至少一个完整回路的闭环。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述外部路径是未围绕所述中心位置完成完整旋转的开放路径。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中由所述控制步骤引起的铝熔化终止于所述铝部件的内部部分内的深度处。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一铝片和所述铝部件中的至少一个是铸铝或铸铝合金。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一铝片是挤压铝或挤压铝合金，并且所述铝部件是铸铝或铸铝合金。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中：
一个或多个中间铝片设置在所述第一铝片与所述铝部件之间，并且
所述控制步骤将所述第一铝片、所述中间铝片和所述铝部件焊接在一起。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述控制步骤还包括：在所述中心位置处并且在描绘所述向外螺旋路径之前，将所述中心光束和环形光束的功率从相应的初始功率斜坡下降到相应的第一功率。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述环形光束的所述第一功率、第二功率和第三功率中的每一个均超过所述中心光束的所述第一功率、第二功率和第三功率中的对应一个。
13.用于接合在界面处包括涂层的金属部件的堆叠的激光焊接方法，包括：
将激光辐射聚焦到所述金属部件的堆叠上，所述金属部件包括(i)第一金属片，(ii)最远的金属部件，以及(iii)所述第一金属片与所述金属部件之间的零个、一个或若干个中间金属片，至少一个所述金属部件在与相邻金属部件的界面处具有涂层，所述界面被构造为在两个相邻金属部件之间直接接触或者在其间具有间隙，所述激光辐射入射到所述第一金属片上并且包括中心光束和围绕所述中心光束的环形光束；以及
控制聚焦的激光辐射在所述第一金属片上描绘至少一个路径，以便将所述金属部件的堆叠焊接在一起，由此还至少部分地蒸发所述界面处的涂层，所述控制步骤包括：
描绘向内螺旋路径，并且
在描绘所述向内螺旋路径的同时，首先(a)维持所述中心光束和环形光束的相应的第一功率，随后(b)同时将所述中心光束的功率从其第一功率斜坡下降到零瓦，并且将环形光束的功率从其第一功率斜坡下降到非零第二功率，以及最后(c)关闭所述环形光束。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述最远金属部件是金属片。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中每个所述金属部件均由钢制成并且所述涂层包括锌。
16.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中每个所述金属部件由铜或铜合金制成，并且所述涂层包括镍。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的方法，其中由所述控制步骤引起的金属熔化终止于所述堆叠中位于所述最远金属部件的内部部分内的深度处。
18.根据权利要求13至17中的任一项所述的方法，其中所述环形光束的第一功率超过所述中心光束的第一功率。
19.根据权利要求13至18中的任一项所述的方法，其中所述控制步骤还包括，在描绘所述向内螺旋路径之前，利用处于相应的第一功率的所述中心光束和环形光束描绘闭环，所述闭环位于所述向内螺旋路径的外围并且终止于所述向内螺旋路径的起点。
20.根据权利要求13至19中的任一项所述的方法，其中所述间隙不大于所述两个相邻金属部件中的最靠近所述堆叠的接受所述激光辐射的一侧的一个金属部件的厚度的60％。
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