铝激光焊接中的热裂纹减少制造技术

技术编号:17740907 阅读:89 留言:0更新日期:2018-04-18 15:45
激光焊接包括两个或三个叠置的铝合金工件的工件堆叠的方法涉及限制第一铝合金工件的叠置部分的自由端以防移动远离下面的第二铝合金工件来抵消热诱导的力,该热诱导的力在激光焊接期间引起一个或多个铝合金工件的平面外变形。第一铝合金工件的自由端的这种限制可以通过夹持、点焊或任何其他合适的实践来实现。通过限制第一铝合金工件的自由端,且因此当在附近的焊接区域中进行激光焊接时抑制铝合金工件的平面外变形,热裂纹的发生被最小化或者在最终的激光焊接接头中被完全消除。

Thermal crack reduction in aluminum laser welding

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】铝激光焊接中的热裂纹减少
本公开的
大体上涉及激光焊接,并且更具体地涉及叠置的铝合金工件的激光焊接。
技术介绍
激光焊接是金属连接过程,其中激光束被引导到金属工件堆叠以提供能够实现部件金属工件之间的焊接接头的集中热源。通常,两个或更多个金属工件首先彼此对准并堆叠,使得它们的接合表面在期望的焊接部位处叠置并面对。激光束然后被引导到工件堆叠的顶部表面处。从激光束吸收能量产生的热量引发金属工件的熔化,并在工件堆叠内建立熔融焊池。熔融焊池穿透由激光束冲击的金属工件并进入下面的金属工件或多个工件中。当激光束具有足够高的功率密度时,在激光束正下方的熔融焊池内形成小孔(keyhole)(被称为“小孔焊接”的过程)。小孔是在工件堆叠内从金属工件得到的汽化金属柱,并且可以包括等离子体。小孔为将能量吸收到工件堆叠的更深处提供了通道,这进而有利于熔融焊池的更深穿透和更窄的焊池轮廓。因此,通常控制小孔以穿过每个接合界面穿透到工件堆叠中,完全地或部分地穿过最底部的金属工件。一旦激光束冲击工件堆叠的顶部表面,小孔就通常以非常短的时间(毫秒量级)形成。在小孔形成并稳定后,沿着焊接路径移动激光束一小段距离。激光束的这种移动留下紧紧跟随小孔和熔融焊池的对应行进路径的熔融工件材料的尾部。熔融工件材料的这种穿透尾部沿与激光束的向前移动相同的方向冷却并凝固,以提供将工件熔焊在一起的激光焊接接头。许多行业使用激光焊接作为其制造实践的一部分,除了别的之外包括汽车、航空、海运,铁路和建筑物建造行业等。激光焊接是有吸引力的连接过程,因为它只需要单侧接近,可以以减小的凸缘宽度实践,并导致相对小的热影响区,其最小化热变形。在汽车行业中,例如,在制造白车身(BIW)以及在涂漆之前安装在BIW上的成品零件期间,能够使用-且实际上经常使用-激光焊接来将金属工件连接在一起。其中可以使用激光焊接的一些具体实例包括在BIW内构造和附接承载负载的主体结构,诸如轨道结构、摇杆、A柱、B柱和C柱以及底部横梁。也可以使用激光焊接的其他具体实例包括BIW内的非承载负载的附件,诸如车顶到侧板的附接,以及联接在车门、发动机盖和行李箱盖的构造中遇到的上覆凸缘。当需要时,可以采用完全和部分穿透激光焊接二者。为了将较轻重量的材料结合到机动车辆中,且因此提高燃料经济性,已经推动将铝合金尽可能地结合到车辆平台中。叠置的铝合金工件的堆叠当然可以通过激光焊接以点焊或接缝方式连接。然而,在一些情况下,特别是当铝合金工件中的至少一个由5000或6000系列铝合金构成时,激光焊接接头可能经历热裂纹,这继而可能使接头不能达到其最大强度。当在焊接区域的熔接边界处的应变超过材料延展性时,在由激光束产生的熔融铝合金材料的凝固期间出现热裂纹。这种应变被认为会导致晶粒之间的液膜破裂并形成空腔,在该空腔中液态金属不足以回填空腔,从而引起一个或多个叠置的铝合金工件的平面外变形。当出现这样的变形时,给予正在凝固的工件材料的所得拉伸应变导致裂纹从焊接接头的根部(一个或复数个)向上扩展通过焊接接头到激光束作用在其上的工件堆叠的表面。因此需要一种激光焊接方法,该方法包括在不使用填充焊丝将材料添加到熔融铝合金焊池的情况下提供消除或者至少减少热裂纹的机会。
技术实现思路
公开了激光焊接工件堆叠的方法,该工件堆叠包括两个或三个叠置的铝合金工件。例如,在一个实施例中,工件堆叠可包括分别具有第一和第二接合表面的第一和第二铝合金工件,所述第一和第二接合表面彼此面对并接触以在堆叠内提供单个接合界面。在另一个实施例中,工件堆叠可以包括位于第二铝合金工件下方的额外的第三铝合金工件。在这样的实施例中,第一和第三铝合金工件分别具有第一和第四接合表面,该第一和第四接合表面面对并接触第二铝合金工件的相对的第二和第三接合表面,使得在堆叠内建立两个接合界面。当存在第三铝合金工件时,第一和第三铝合金工件可以由分开且不同的零件提供,或者可替代地,它们可以表示同一零件的不同部分,诸如当一个零件的端部部分被折叠并且包裹在另一零件的端部部分上时。为了帮助在最后的激光焊接接头中防止出现热裂纹,第一铝合金工件(其是激光束被引导到其并首先冲击的工件)的叠置部分的自由端被限制以防移动远离相邻的下面的第二铝合金工件,以抵消导致堆叠中的一个或多个铝合金工件的平面外变形的热诱导的力。第一铝合金工件的自由端最接近工件的自由边缘被限制在所述自由边缘和焊接区域之间,在焊接区域处激光束被引导以形成激光焊接接头;也就是说,激光束被引导到第一铝合金工件处从所述限制向内与第一铝合金工件的自由边缘相距一段距离。施加到第一铝合金工件的限制可以采用多种形式。例如,在一个实施方式中,第一铝合金工件的自由端可以被夹持在相邻的下面的第二铝合金工件上。而在另一种实施方式中,第一铝合金工件的自由端可以被点焊到相邻的下面的第二铝合金工件上。当然,除了夹持和点焊之外,还可以采用用于限制第一铝合金工件的其他替代措施。在第一铝合金工件被限制的情况下,激光焊接过程继续进行并且激光束被引导到第一铝合金工件并冲击焊接区域中的第一铝合金工件。激光束在工件堆叠内引起由熔融铝合金焊池围绕的小孔。熔融铝合金焊池完全穿透第一铝合金工件,并且进一步延伸到堆叠中,使得其穿过堆叠内的每个接合界面。在一些情况下,熔融铝合金焊池也完全穿透其他铝合金工件中的每一个,因此延伸穿过整个工件堆叠。在其他情况下,熔融铝合金焊池仅部分地穿透最底部的铝合金工件。一旦已经形成了小孔和熔融铝合金焊池,激光束就沿焊接区域内的焊缝传送。激光束的前进移动留下紧紧跟随小孔和熔融铝合金焊池的对应行进路径的熔融铝合金材料的尾部。熔融铝合金材料的尾部冷却并凝固成激光焊接接头,其将工件熔焊在一起。附图说明图1是描绘所公开的激光焊接方法的一个实施例的横截面图,其中工件堆叠被激光焊接并且第一铝合金工件的自由端通过夹持被限制;图2是图1所描绘的公开的激光焊接方法的透视图;图3是描绘所公开的激光焊接方法的另一实施例的横截面图,其中工件堆叠被激光焊接并且第一铝合金工件的自由端通过点焊被限制;图4是图2所描绘的公开的激光方法的上述有利点的平面图;图5是描绘所公开的激光焊接方法的实施例的横截面图,其中包括三个铝合金工件的工件堆叠被激光焊接并且第一铝合金工件的自由端被限制;图6是在不使用所公开的激光焊接方法的实践的情况下形成的激光焊接接头的横截面显微照片;图7是使用所公开的激光焊接方法的一个实施例形成的激光焊接接头的横截面显微照片;以及图8是使用所公开的激光焊接方法的另一实施例形成的激光焊接接头的横截面显微照片。具体实施方式激光焊接包括叠置的铝合金工件的工件堆叠的所公开的方法最小化或完全防止了所产生的激光焊接接头内的热裂纹。如将参照下面描述的具体实施例进一步描述的,所公开的激光焊接方法通过限制面向激光束且首先被激光束冲击的铝合金工件的叠置部分的自由端,使得在熔融铝合金材料凝固成激光焊接接头期间,该自由端不会在平面外自由地变形和离开相邻的下面的铝合金工件来对抗热裂纹问题。以这种方式,可以获得激光焊接接头,而不会在接头稍微更易于裂纹扩展时(即,在熔融铝合金材料冷却并凝固成激光焊接接头期间),在焊接接头的根部(一个或复数个)处集中显着的拉伸应变。所公开的方法可以在不使用填充焊本文档来自技高网
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铝激光焊接中的热裂纹减少

【技术保护点】
一种激光焊接工件堆叠的方法,所述工件堆叠包括两个或三个铝合金工件,所述方法包括:提供工件堆叠,所述工件堆叠包括至少第一铝合金工件和下面的第二铝合金工件,所述第一铝合金工件和所述下面的第二铝合金工件叠置且彼此接触以在所述工件之间建立第一接合界面,所述第一铝合金工件提供所述工件堆叠的顶部表面;限制所述第一铝合金工件的叠置部分的自由端以防移动远离所述下面的第二铝合金工件;在所述工件堆叠的所述顶部表面处引导激光束以在所述工件堆叠内形成小孔和包围所述小孔的熔融铝合金焊池,所述熔融铝合金焊池至少穿过在所述第一铝合金工件和所述第二铝合金工件之间建立的所述第一接合界面;以及沿焊接区域内的行进路径相对于所述工件堆叠的所述顶部表面传送所述激光束和相关联的所述小孔以及熔融铝合金焊池,所述焊接区域位于所述第一铝合金工件的从所述自由端向内的所述叠置部分内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光焊接工件堆叠的方法,所述工件堆叠包括两个或三个铝合金工件,所述方法包括:提供工件堆叠,所述工件堆叠包括至少第一铝合金工件和下面的第二铝合金工件,所述第一铝合金工件和所述下面的第二铝合金工件叠置且彼此接触以在所述工件之间建立第一接合界面,所述第一铝合金工件提供所述工件堆叠的顶部表面;限制所述第一铝合金工件的叠置部分的自由端以防移动远离所述下面的第二铝合金工件;在所述工件堆叠的所述顶部表面处引导激光束以在所述工件堆叠内形成小孔和包围所述小孔的熔融铝合金焊池,所述熔融铝合金焊池至少穿过在所述第一铝合金工件和所述第二铝合金工件之间建立的所述第一接合界面;以及沿焊接区域内的行进路径相对于所述工件堆叠的所述顶部表面传送所述激光束和相关联的所述小孔以及熔融铝合金焊池,所述焊接区域位于所述第一铝合金工件的从所述自由端向内的所述叠置部分内。2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一铝合金工件具有第一外表面和第一接合表面,并且所述第二铝合金工件具有第二外表面和第二接合表面,所述第一铝合金工件的所述第一外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面并且所述第二铝合金工件的所述第二外表面提供所述工件堆叠的底部表面,并且其中,所述第一铝合金工件的所述第一接合表面和所述第二铝合金工件的所述第二接合表面叠置并彼此接触以建立所述第一接合界面。3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述工件堆叠还包括位于所述第二铝合金工件下方的第三铝合金工件,所述第一铝合金工件具有第一外表面和第一接合表面,所述第三铝合金工件具有第二外表面和第四接合表面,并且所述第二铝合金工件具有相对的第二接合表面和第三接合表面,其中,所述第一铝合金工件的所述第一外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面,并且所述第三铝合金工件的所述第二外表面提供所述工件堆叠的底部表面,其中,所述第一铝合金工件的所述第一接合表面与所述第二铝合金工件的所述第二接合表面叠置并接触以建立所述第一接合界面,并且其中,所述第三铝合金工件的所述第四接合表面与所述第二铝合金工件的所述第三接合表面叠置并且接触以建立第二接合界面。4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述熔融铝合金焊池穿过所述第一接合界面和所述第二接合界面二者。5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一铝合金工件或所述第二铝合金工件中的至少一个包括不可热处理的铝合金基底,所述不可热处理的铝合金基底包含在0.2wt.%和6.2wt.%之间的镁。6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一铝合金工件或所述第二铝合金工件中的至少一个包括可热处理的铝合金基底,所述可热处理的铝合金基底包含在0.2wt.%和1.5wt.%之间的镁和在0.2wt.%和2.0wt.%之间的硅。7.根据权利要求1所述的方法,其中,限制所述第一铝合金工件的所述叠置部分的所述自由端包括将所述自由端夹持在所述第二铝合金工件上。8.根据权利要求7所述的方法,其中,夹持支撑垫片邻近于所述第一铝合金工件的所述叠置部分的所述自由端设置在所述第二铝合金工件上,并且其中,一个或多个夹持件接合所述第一铝合金工件的第一外表面和所述夹持支撑垫片的上表面并引导向下的力作用在所述第一铝合金工件的所述第一外表面和所述夹持支撑垫片的所述上表面上。9.根据权利要求1所述的方法,其中,限制所述第一铝合金工件的所述叠置部分的所述自由端包括将所述自由端点焊到所述第二铝合金工件。10.根据权利要求9所述的方法,其中,将所述自由端点焊到所述第二铝合金工件包括:使用所述激光束在所述第一铝合金工件的所述自由端和所述下面的第二铝合金工件之间形成一个或多个焊点,之后在所述工件堆叠的所述顶部表面上引导所述激光束,并沿着所述焊接区域内的焊接路径传送所述激光束。11.根据权利要求1所述的方法,其中,所述激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面沿着线性行进路径被传送,以在至少所述第一铝合金工件和所述第二铝合金工件之间形成线性激光焊接接头。12.一种激光焊接工件堆叠的方法,所述工件堆叠包括两个或三个铝合金工件,所述方法包括:提供工件堆叠,所述工...

【专利技术属性】
技术研发人员:HP王MG波斯BE卡尔森F卢H崔
申请(专利权)人:通用汽车环球科技运作有限责任公司上海交通大学
类型:发明
国别省市:美国,US

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