叠置的金属工件的快速远程激光焊接制造技术

一种激光焊接包括至少两个叠置的金属工件（12、14）的工件堆叠（10）的方法包括使激光束（24）相对于工件堆叠（10）的顶部表面（20）的平面从开始点（84）到终止点（86）沿着光束行进图案（78）以大于8米每分钟的高的激光束行进速度前进。两个或者更多个叠置的金属工件（12、14）可以是钢工件或者其可以是铝工件，且金属工件（12、14）中的至少一个包括表面涂覆层（40）。使激光束（24）沿着光束行进图案（78）前进形成焊接接头（76），其包括源自被熔融焊池（80）穿透的金属工件（12、14）中的每一个的重新凝固的复合工件材料，其将金属工件（12、14）熔焊在一起。相对高的激光束行进速度有助于改善焊接接头（76）的强度性能。

Fast Long-distance Laser Welding of Overlapped Metal Workpieces

A method for laser welding of workpiece stacking (10) consisting of at least two overlapping metal workpieces (12, 14) includes making the plane of laser beam (24) relative to the top surface (20) of workpiece stacking (10) move along the pattern (78) of the beam traveling from the start point (84) to the end point (86) at a high laser beam traveling speed greater than 8 meters per minute. Two or more overlapping metal workpieces (12, 14) may be steel or aluminum, and at least one of the metal workpieces (12, 14) includes a surface coating (40). A welded joint (76) is formed by advancing the laser beam (24) along the beam traveling pattern (78), which includes a re-solidified composite workpiece material from each of the metal workpieces (12, 14) penetrated by the molten weld pool (80), which welds the metal workpieces (12, 14) together. Relatively high laser beam traveling speed is helpful to improve the strength performance of welded joints (76).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】叠置的金属工件的快速远程激光焊接
本公开的
大体涉及激光焊接，且更具体地，涉及将两个或者更多个叠置的金属工件远程激光焊接在一起的方法，其中，所述工件中的至少一个包括表面涂覆层。技术背景激光焊接是一种金属接合过程，其中激光束被引导到金属工件堆叠，以提供能够在叠置的构成金属工件之间实现焊接接头的集中能量源。一般而言，两个或者更多个金属工件首先对齐且相对于彼此堆叠，使得其接合面/搭接面叠置且面对面以在预期焊接位置内建立接合界面（或者多个接合界面）。激光束然后被引导到工件堆叠的顶部表面处。从来自激光束的能量的吸收生成的热引起金属工件的熔化，且在工件堆叠内建立熔融焊池。熔融焊池穿透通过由激光束直射的金属工件，且穿到下层一个或者复数个金属工件中至与所建立的接合界面中的每一个相交的深度。而且，如果激光束的功率密度足够高，则小孔在激光束的正下方产生，且被熔融焊池环绕。小孔是源自金属工件的气化的金属的柱，其可以包括等离子体。一旦激光束直射工件堆叠的顶部表面，激光束在非常短的时间内创建熔融焊池。在形成熔融焊池之后，激光束可以沿着工件堆叠的顶部表面前进，这通常涉及以1.0到5.0米每分钟（m/min）的激光束行进速度沿着具有相对简单形状的光束行进图案移动激光束。激光束的这种前进使熔融焊池沿着对应路线相对于工件堆叠的顶部表面平移，且紧随前进的焊池留下熔融工件材料的尾迹。熔融工件材料的该穿透的尾迹冷却并凝固以形成激光焊接接头，其由重新凝固的复合工件材料构成。所得到的焊接接头将叠置的工件熔焊在一起。汽车工业有兴趣使用激光焊接以从包括钢和铝工件的不同工件制造零件。在一个示例中，车辆车门本体可以从由多个激光焊焊缝接合在一起的内车门板和外车门板制作。内车门板和外车门板首先相对于彼此堆叠，且通过夹具紧固就位。激光束然后根据编程的顺序被顺序地引导到围绕堆叠的板的多个焊接位置，以形成多个激光焊接接头。在其处执行激光焊接的每个焊接位置处，激光束被引导到堆叠的板处且传输短距离，从而以包括例如圆形焊接接头、缝焊接头或者骑缝焊接头的多种构型中的一种产生焊接接头。将内车门板和外车门板（以及其他车辆零部件，诸如用于制作发动机盖、车顶、后备箱盖、承重结构构件等的那些）激光焊接在一起的过程是典型的自动过程，其能够被迅速且有效地执行。使用激光焊接将包括表面涂覆层的工件接合在一起能够提出挑战。例如，钢工件可以包括基于锌的材料（例如锌或者锌合金）的外涂覆层以用于防腐蚀。锌具有大约906℃的沸点，而其涂覆的基底钢基板的熔点通常大于1300℃。因此，当具有基于锌的材料涂覆层的钢工件被激光焊接在一起时，可以在钢工件的表面处产生高压锌蒸气。在堆叠的钢工件的接合面处产生的锌蒸气可能被迫扩散到且通过由激光束创建的熔融焊池，除非提供替代的逃逸出口。当不提供足够的逃逸出口时，在熔融焊池冷却和凝固时，锌蒸气可以保持困在熔融焊池中，这可以在所得的焊接接头中导致缺陷-诸如孔隙-其能够将焊接接头的机械性能降级到如此程度，使得接头可以被认为是不合格的。出于性能相关的原因，除了锌或者锌合金之外，在制造实践中使用的钢工件还可以包括其他类型的表面涂覆层。再举几个额外的示例，其他值得注意的表面涂覆层包括基于铝的涂覆层，诸如铝、铝硅合金、铝锌合金、或者铝镁合金。与基于锌的材料不同，基于铝的材料涂覆层不在低于铁的熔点的温度处沸腾，因此其不太可能在工件堆叠的（多个）接合界面处产生高压蒸气。虽然事实如此，但是这些表面涂覆层能够被焊接位置处的熔融焊池熔化和捕获。这样不同的熔融材料到熔融焊池中的引入能够导致多种焊接缺陷，其具有使激光焊接接头的机械性能降级的可能。例如，熔融铝或者铝合金（例如，AlSi、AlZn或者AlMg合金）能够稀释熔融焊池的钢含量，且在焊接接头内形成脆性Fe-Al中间金属相，以及负面影响熔融焊池的冷却行为。由于其高的比强度和其改善车辆的燃料经济性的能力，铝工件是用于许多汽车零部件和结构的另一有吸引力的候选。然而，铝工件几乎总是包括覆盖下层的整体铝基板的表面涂覆层。该涂覆层可以是耐高温氧化物涂覆层，当新鲜的铝被暴露于大气空气或者一些其他含氧介质时，所述涂覆层被动形成。在其他情形中，表面涂覆层可以是由锌或者锡构成的金属涂覆层，或者其可以是由于钛、锆、铬或者硅的氧化物构成的金属氧化物转化涂覆层，如在美国专利申请号US2014/0360986中公开的，所述文献的全部内容通过参考并入本文中。取决于涂覆层的成分，表面涂覆层通过多种机制中的任一种抑制在下层的铝基板的腐蚀。但是表面涂覆层的存在还使得通过激光焊接的方式将铝工件自熔焊在一起更有挑战性。在激光焊接铝工件中涉及的主要挑战之一是氢气在熔融焊池中的高溶解度。熔融焊池一凝固，溶解的氢气就被困住，从而导致孔隙，或者其脱气以引起通气孔。除了由在熔融焊池中的氢气溶解度提出的挑战，还认为铝工件的表面涂覆层有助于在最终的激光焊接接头中形成焊接缺陷。例如，当表面涂覆层是钝化耐高温氧化物涂覆层时，由于其高熔点和机械韧性，涂覆层难以分裂和分散。结果，在激光焊接接头中常常发现残留氧化物和微裂纹。作为另一示例，如果表面涂覆层是锌，则如先前描述的，涂覆层可以容易气化以产生高压锌蒸气，其继而可以扩散到且通过熔融焊池，且导致在最终激光焊接接头中夹带的孔隙，除非规定从焊接位置放出锌蒸气。在上文中提到的可以组成表面涂覆层的其他材料能够存在类似的问题，且可能最终影响焊接接头的机械性能以及使得该机械性能降级。
技术实现思路
公开了激光焊接包括叠置的工件的工件堆叠的方法。工件堆叠包括两个或者更多个金属工件，且这些金属工件中的至少一个（以及有时所有工件）包括表面涂覆层。尤其，工件堆叠可以包括两个或者三个叠置的钢工件，或者其可以包括两个或者三个叠置的铝工件。在前者的情形中，钢工件中的至少一个包括表面涂覆层诸如锌、锌合金、铝、铝硅合金、铝锌合金或者铝镁合金。在后者的情形中，铝工件中的至少一个包括表面涂覆层诸如耐高温氧化物涂覆层、金属涂覆层（例如，Zn或者Sn）或者金属氧化物转化涂覆层（例如，Ti、Zr、Cr或者Si的氧化物）。所公开的激光焊接方法与高的激光束行进速度组合以小孔焊接模式采用特定类型的激光焊接（即，远程激光焊接），以一致地获得带有良好的强度性能的焊接接头。远程激光焊接方法涉及提供工件堆叠，其包括两个或者更多个叠置的金属工件（例如，两个或者三个叠置的钢或者铝工件）。金属工件叠加在彼此上方，使得在每一对相邻的叠置工件的接合面之间建立接合界面。例如，在一个实施例中，工件堆叠包括第一和第二金属工件，其分别具有第一和第二接合面，其叠置且彼此面对以建立单个接合界面。在另一实施例中，工件堆叠包括额外的第三金属工件，其位于第一和第二金属工件之间。以这种方式，第一和第二金属工件分别具有第一和第二接合面，其叠置且面对第三金属工件的相对的接合面以建立两个接合界面。当存在第三金属工件时，第一和第二金属工件可以是单独的零件，或者替代地，它们可以是同一零件的不同部分，诸如当一个部分的边缘回折到另一部分的自由边缘上方时。一旦工件堆叠被组装，激光束就被引导至且直射工件堆叠的顶部表面。激光束创建熔融焊池，其从顶部表面朝底部表面穿透到工件堆叠中。选择激光束的功率密度，从而以小孔焊接模式执行激光焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远程激光焊接包括至少两个叠置的金属工件的工件堆叠的方法，所述方法包括：提供包括叠置的金属工件的工件堆叠，所述金属工件中的每一个包括由钢或者铝组成的基底金属基板，所述工件堆叠包括至少第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件堆叠的顶部表面，且所述第二金属工件提供所述工件堆叠的底部表面，其中，在所述工件堆叠内的每一对相邻叠置的金属工件之间建立接合界面，以及其中，在所述工件堆叠中的金属工件中的至少一个包括表面涂覆层；将激光束引导到所述工件堆叠的所述顶部表面处以产生小孔和环绕所述小孔的熔融焊池，所述小孔和所述熔融焊池中的每一个从所述堆叠的所述顶部表面朝所述堆叠的所述底部表面穿透到所述工件堆叠中；以及通过使所述激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面的平面且沿着光束行进图案前进以致于使所述小孔和环绕的熔融焊池沿着对应路线相对于所述工件堆叠的所述顶部表面平移来形成焊接接头，所述激光束以范围从8 米/分钟到100 米每分钟的激光束行进速度从所述光束行进图案的开始点前进到所述光束行进图案的终止点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种远程激光焊接包括至少两个叠置的金属工件的工件堆叠的方法，所述方法包括：提供包括叠置的金属工件的工件堆叠，所述金属工件中的每一个包括由钢或者铝组成的基底金属基板，所述工件堆叠包括至少第一金属工件和第二金属工件，所述第一金属工件提供所述工件堆叠的顶部表面，且所述第二金属工件提供所述工件堆叠的底部表面，其中，在所述工件堆叠内的每一对相邻叠置的金属工件之间建立接合界面，以及其中，在所述工件堆叠中的金属工件中的至少一个包括表面涂覆层；将激光束引导到所述工件堆叠的所述顶部表面处以产生小孔和环绕所述小孔的熔融焊池，所述小孔和所述熔融焊池中的每一个从所述堆叠的所述顶部表面朝所述堆叠的所述底部表面穿透到所述工件堆叠中；以及通过使所述激光束相对于所述工件堆叠的所述顶部表面的平面且沿着光束行进图案前进以致于使所述小孔和环绕的熔融焊池沿着对应路线相对于所述工件堆叠的所述顶部表面平移来形成焊接接头，所述激光束以范围从8米/分钟到100米每分钟的激光束行进速度从所述光束行进图案的开始点前进到所述光束行进图案的终止点。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外表面和第一接合面，且所述第二金属工件具有外表面和第二接合面，所述第一金属工件的外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面，且所述第二金属工件的外表面提供所述工件堆叠的所述底部表面，以及其中，第一和第二金属工件的第一和第二接合面叠置且面对以建立接合界面。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属工件具有外表面和第一接合面，且所述第二金属工件具有外表面和第二接合面，所述第一金属工件的外表面提供所述工件堆叠的所述顶部表面，且所述第二金属工件的外表面提供所述工件堆叠的所述底部表面，以及其中，所述工件堆叠包括位于第一和第二金属工件之间的第三金属工件，所述第三金属工件具有相对的接合面，其中一个叠置且面对所述第一金属工件的第一接合面以建立第一接合界面，且其中另一个叠置且面对所述第二金属工件的第二接合面以建立第二接合界面。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述工件堆叠中的叠置的金属工件中的每一个是钢工件，以及其中，所述钢工件中的至少一个包括锌、锌合金或者基于铝的材料的表面涂覆层。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于铝的材料是元素铝、铝硅合金、铝锌合金或者铝镁合金。6.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述激光束沿着所述光束行进图案的前进期间，所述小孔和所述环绕的熔融焊池完全穿透到所述工件堆叠中。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述工件堆叠中的叠置的金属工件中的每一个是铝工件，以及其中，所述铝工件中的至少一个包括耐高温氧化物的表面涂覆层。8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述激光束沿着所述光束行进图案的前进期间，所述小孔和所述环绕的熔融焊池穿透到所述工件堆叠中足够远，使得其与在所述堆叠内建立的每个接合界面相交，但是仅部分穿透堆叠。9.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述激光束前进通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨上陆，W陶，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US