两种铝材坯料的激光接合方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术还涉及调制激光功率分布的方法。本发明专利技术还涉及调制激光功率分布的方法。本发明专利技术还涉及调制激光功率分布的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】两种铝材坯料的激光接合方法
[0001]对相关申请数据的交叉引用
[0002]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。


[0003]本专利技术涉及两种铝材坯料或部件的激光接合方法。具体而言，本专利技术涉及铝材坯料远程激光焊接方法。

技术介绍

[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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)。
[0017]本专利技术的另一个目的是：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。

技术实现思路

[0018]在本专利技术的第一方面中，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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]此外，可以控制焊接的穿透深度以及接头截面几何形状。本专利技术中使用的参数，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。
[0022]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％。
[0023]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。
[0024]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。专利技术人已经发现，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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】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、A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟杰，加西亚，
申请(专利权)人：昂登坦工程有限公司，
类型：发明
国别省市：