疊置的金屬工件的快速遠程激光焊接制造技術

一種激光焊接包括至少兩個疊置的金屬工件（12、14）的工件堆疊（10）的方法包括使激光束（24）相對于工件堆疊（10）的頂部表面（20）的平面從開始點（84）到終止點（86）沿著光束行進圖案（78）以大于8米每分鐘的高的激光束行進速度前進。兩個或者更多個疊置的金屬工件（12、14）可以是鋼工件或者其可以是鋁工件，且金屬工件（12、14）中的至少一個包括表面涂覆層（40）。使激光束（24）沿著光束行進圖案（78）前進形成焊接接頭（76），其包括源自被熔融焊池（80）穿透的金屬工件（12、14）中的每一個的重新凝固的復合工件材料，其將金屬工件（12、14）熔焊在一起。相對高的激光束行進速度有助于改善焊接接頭（76）的強度性能。

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).

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】疊置的金屬工件的快速遠程激光焊接
本公開的
大體涉及激光焊接，且更具體地，涉及將兩個或者更多個疊置的金屬工件遠程激光焊接在一起的方法，其中，所述工件中的至少一個包括表面涂覆層。技術背景激光焊接是一種金屬接合過程，其中激光束被引導到金屬工件堆疊，以提供能夠在疊置的構成金屬工件之間實現焊接接頭的集中能量源。一般而言，兩個或者更多個金屬工件首先對齊且相對于彼此堆疊，使得其接合面/搭接面疊置且面對面以在預期焊接位置內建立接合界面（或者多個接合界面）。激光束然后被引導到工件堆疊的頂部表面處。從來自激光束的能量的吸收生成的熱引起金屬工件的熔化，且在工件堆疊內建立熔融焊池。熔融焊池穿透通過由激光束直射的金屬工件，且穿到下層一個或者復數個金屬工件中至與所建立的接合界面中的每一個相交的深度。而且，如果激光束的功率密度足夠高，則小孔在激光束的正下方產生，且被熔融焊池環繞。小孔是源自金屬工件的氣化的金屬的柱，其可以包括等離子體。一旦激光束直射工件堆疊的頂部表面，激光束在非常短的時間內創建熔融焊池。在形成熔融焊池之后，激光束可以沿著工件堆疊的頂部表面前進，這通常涉及以1.0到5.0米每分鐘（m/min）的激光束行進速度沿著具有相對簡單形狀的光束行進圖案移動激光束。激光束的這種前進使熔融焊池沿著對應路線相對于工件堆疊的頂部表面平移，且緊隨前進的焊池留下熔融工件材料的尾跡。熔融工件材料的該穿透的尾跡冷卻并凝固以形成激光焊接接頭，其由重新凝固的復合工件材料構成。所得到的焊接接頭將疊置的工件熔焊在一起。汽車工業有興趣使用激光焊接以從包括鋼和鋁工件的不同工件制造零件。在一個示例中，車輛車門本體可以從由多個激光焊焊縫接合在一起的內車門板和外車門板制作。內車門板和外車門板首先相對于彼此堆疊，且通過夾具緊固就位。激光束然后根據編程的順序被順序地引導到圍繞堆疊的板的多個焊接位置，以形成多個激光焊接接頭。在其處執行激光焊接的每個焊接位置處，激光束被引導到堆疊的板處且傳輸短距離，從而以包括例如圓形焊接接頭、縫焊接頭或者騎縫焊接頭的多種構型中的一種產生焊接接頭。將內車門板和外車門板（以及其他車輛零部件，諸如用于制作發動機蓋、車頂、后備箱蓋、承重結構構件等的那些）激光焊接在一起的過程是典型的自動過程，其能夠被迅速且有效地執行。使用激光焊接將包括表面涂覆層的工件接合在一起能夠提出挑戰。例如，鋼工件可以包括基于鋅的材料（例如鋅或者鋅合金）的外涂覆層以用于防腐蝕。鋅具有大約906℃的沸點，而其涂覆的基底鋼基板的熔點通常大于1300℃。因此，當具有基于鋅的材料涂覆層的鋼工件被激光焊接在一起時，可以在鋼工件的表面處產生高壓鋅蒸氣。在堆疊的鋼工件的接合面處產生的鋅蒸氣可能被迫擴散到且通過由激光束創建的熔融焊池，除非提供替代的逃逸出口。當不提供足夠的逃逸出口時，在熔融焊池冷卻和凝固時，鋅蒸氣可以保持困在熔融焊池中，這可以在所得的焊接接頭中導致缺陷-諸如孔隙-其能夠將焊接接頭的機械性能降級到如此程度，使得接頭可以被認為是不合格的。出于性能相關的原因，除了鋅或者鋅合金之外，在制造實踐中使用的鋼工件還可以包括其他類型的表面涂覆層。再舉幾個額外的示例，其他值得注意的表面涂覆層包括基于鋁的涂覆層，諸如鋁、鋁硅合金、鋁鋅合金、或者鋁鎂合金。與基于鋅的材料不同，基于鋁的材料涂覆層不在低于鐵的熔點的溫度處沸騰，因此其不太可能在工件堆疊的（多個）接合界面處產生高壓蒸氣。雖然事實如此，但是這些表面涂覆層能夠被焊接位置處的熔融焊池熔化和捕獲。這樣不同的熔融材料到熔融焊池中的引入能夠導致多種焊接缺陷，其具有使激光焊接接頭的機械性能降級的可能。例如，熔融鋁或者鋁合金（例如，AlSi、AlZn或者AlMg合金）能夠稀釋熔融焊池的鋼含量，且在焊接接頭內形成脆性Fe-Al中間金屬相，以及負面影響熔融焊池的冷卻行為。由于其高的比強度和其改善車輛的燃料經濟性的能力，鋁工件是用于許多汽車零部件和結構的另一有吸引力的候選。然而，鋁工件幾乎總是包括覆蓋下層的整體鋁基板的表面涂覆層。該涂覆層可以是耐高溫氧化物涂覆層，當新鮮的鋁被暴露于大氣空氣或者一些其他含氧介質時，所述涂覆層被動形成。在其他情形中，表面涂覆層可以是由鋅或者錫構成的金屬涂覆層，或者其可以是由于鈦、鋯、鉻或者硅的氧化物構成的金屬氧化物轉化涂覆層，如在美國專利申請號US2014/0360986中公開的，所述文獻的全部內容通過參考并入本文中。取決于涂覆層的成分，表面涂覆層通過多種機制中的任一種抑制在下層的鋁基板的腐蝕。但是表面涂覆層的存在還使得通過激光焊接的方式將鋁工件自熔焊在一起更有挑戰性。在激光焊接鋁工件中涉及的主要挑戰之一是氫氣在熔融焊池中的高溶解度。熔融焊池一凝固，溶解的氫氣就被困住，從而導致孔隙，或者其脫氣以引起通氣孔。除了由在熔融焊池中的氫氣溶解度提出的挑戰，還認為鋁工件的表面涂覆層有助于在最終的激光焊接接頭中形成焊接缺陷。例如，當表面涂覆層是鈍化耐高溫氧化物涂覆層時，由于其高熔點和機械韌性，涂覆層難以分裂和分散。結果，在激光焊接接頭中常常發現殘留氧化物和微裂紋。作為另一示例，如果表面涂覆層是鋅，則如先前描述的，涂覆層可以容易氣化以產生高壓鋅蒸氣，其繼而可以擴散到且通過熔融焊池，且導致在最終激光焊接接頭中夾帶的孔隙，除非規定從焊接位置放出鋅蒸氣。在上文中提到的可以組成表面涂覆層的其他材料能夠存在類似的問題，且可能最終影響焊接接頭的機械性能以及使得該機械性能降級。
技術實現思路
公開了激光焊接包括疊置的工件的工件堆疊的方法。工件堆疊包括兩個或者更多個金屬工件，且這些金屬工件中的至少一個（以及有時所有工件）包括表面涂覆層。尤其，工件堆疊可以包括兩個或者三個疊置的鋼工件，或者其可以包括兩個或者三個疊置的鋁工件。在前者的情形中，鋼工件中的至少一個包括表面涂覆層諸如鋅、鋅合金、鋁、鋁硅合金、鋁鋅合金或者鋁鎂合金。在后者的情形中，鋁工件中的至少一個包括表面涂覆層諸如耐高溫氧化物涂覆層、金屬涂覆層（例如，Zn或者Sn）或者金屬氧化物轉化涂覆層（例如，Ti、Zr、Cr或者Si的氧化物）。所公開的激光焊接方法與高的激光束行進速度組合以小孔焊接模式采用特定類型的激光焊接（即，遠程激光焊接），以一致地獲得帶有良好的強度性能的焊接接頭。遠程激光焊接方法涉及提供工件堆疊，其包括兩個或者更多個疊置的金屬工件（例如，兩個或者三個疊置的鋼或者鋁工件）。金屬工件疊加在彼此上方，使得在每一對相鄰的疊置工件的接合面之間建立接合界面。例如，在一個實施例中，工件堆疊包括第一和第二金屬工件，其分別具有第一和第二接合面，其疊置且彼此面對以建立單個接合界面。在另一實施例中，工件堆疊包括額外的第三金屬工件，其位于第一和第二金屬工件之間。以這種方式，第一和第二金屬工件分別具有第一和第二接合面，其疊置且面對第三金屬工件的相對的接合面以建立兩個接合界面。當存在第三金屬工件時，第一和第二金屬工件可以是單獨的零件，或者替代地，它們可以是同一零件的不同部分，諸如當一個部分的邊緣回折到另一部分的自由邊緣上方時。一旦工件堆疊被組裝，激光束就被引導至且直射工件堆疊的頂部表面。激光束創建熔融焊池，其從頂部表面朝底部表面穿透到工件堆疊中。選擇激光束的功率密度，從而以小孔焊接模式執行激光焊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種遠程激光焊接包括至少兩個疊置的金屬工件的工件堆疊的方法，所述方法包括：提供包括疊置的金屬工件的工件堆疊，所述金屬工件中的每一個包括由鋼或者鋁組成的基底金屬基板，所述工件堆疊包括至少第一金屬工件和第二金屬工件，所述第一金屬工件提供所述工件堆疊的頂部表面，且所述第二金屬工件提供所述工件堆疊的底部表面，其中，在所述工件堆疊內的每一對相鄰疊置的金屬工件之間建立接合界面，以及其中，在所述工件堆疊中的金屬工件中的至少一個包括表面涂覆層；將激光束引導到所述工件堆疊的所述頂部表面處以產生小孔和環繞所述小孔的熔融焊池，所述小孔和所述熔融焊池中的每一個從所述堆疊的所述頂部表面朝所述堆疊的所述底部表面穿透到所述工件堆疊中；以及通過使所述激光束相對于所述工件堆疊的所述頂部表面的平面且沿著光束行進圖案前進以致于使所述小孔和環繞的熔融焊池沿著對應路線相對于所述工件堆疊的所述頂部表面平移來形成焊接接頭，所述激光束以范圍從8?米/分鐘到100?米每分鐘的激光束行進速度從所述光束行進圖案的開始點前進到所述光束行進圖案的終止點。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種遠程激光焊接包括至少兩個疊置的金屬工件的工件堆疊的方法，所述方法包括：提供包括疊置的金屬工件的工件堆疊，所述金屬工件中的每一個包括由鋼或者鋁組成的基底金屬基板，所述工件堆疊包括至少第一金屬工件和第二金屬工件，所述第一金屬工件提供所述工件堆疊的頂部表面，且所述第二金屬工件提供所述工件堆疊的底部表面，其中，在所述工件堆疊內的每一對相鄰疊置的金屬工件之間建立接合界面，以及其中，在所述工件堆疊中的金屬工件中的至少一個包括表面涂覆層；將激光束引導到所述工件堆疊的所述頂部表面處以產生小孔和環繞所述小孔的熔融焊池，所述小孔和所述熔融焊池中的每一個從所述堆疊的所述頂部表面朝所述堆疊的所述底部表面穿透到所述工件堆疊中；以及通過使所述激光束相對于所述工件堆疊的所述頂部表面的平面且沿著光束行進圖案前進以致于使所述小孔和環繞的熔融焊池沿著對應路線相對于所述工件堆疊的所述頂部表面平移來形成焊接接頭，所述激光束以范圍從8米/分鐘到100米每分鐘的激光束行進速度從所述光束行進圖案的開始點前進到所述光束行進圖案的終止點。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一金屬工件具有外表面和第一接合面，且所述第二金屬工件具有外表面和第二接合面，所述第一金屬工件的外表面提供所述工件堆疊的所述頂部表面，且所述第二金屬工件的外表面提供所述工件堆疊的所述底部表面，以及其中，第一和第二金屬工件的第一和第二接合面疊置且面對以建立接合界面。3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一金屬工件具有外表面和第一接合面，且所述第二金屬工件具有外表面和第二接合面，所述第一金屬工件的外表面提供所述工件堆疊的所述頂部表面，且所述第二金屬工件的外表面提供所述工件堆疊的所述底部表面，以及其中，所述工件堆疊包括位于第一和第二金屬工件之間的第三金屬工件，所述第三金屬工件具有相對的接合面，其中一個疊置且面對所述第一金屬工件的第一接合面以建立第一接合界面，且其中另一個疊置且面對所述第二金屬工件的第二接合面以建立第二接合界面。4.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述工件堆疊中的疊置的金屬工件中的每一個是鋼工件，以及其中，所述鋼工件中的至少一個包括鋅、鋅合金或者基于鋁的材料的表面涂覆層。5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述基于鋁的材料是元素鋁、鋁硅合金、鋁鋅合金或者鋁鎂合金。6.根據權利要求4所述的方法，其中，在所述激光束沿著所述光束行進圖案的前進期間，所述小孔和所述環繞的熔融焊池完全穿透到所述工件堆疊中。7.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述工件堆疊中的疊置的金屬工件中的每一個是鋁工件，以及其中，所述鋁工件中的至少一個包括耐高溫氧化物的表面涂覆層。8.根據權利要求7所述的方法，其中，在所述激光束沿著所述光束行進圖案的前進期間，所述小孔和所述環繞的熔融焊池穿透到所述工件堆疊中足夠遠，使得其與在所述堆疊內建立的每個接合界面相交，但是僅部分穿透堆疊。9.根據權利要求1所述的方法，其中，使所述激光束前進通過...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊上陸，W陶，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：美國,US