[发明专利]激光焊接重叠的金属工件

说明书

一种激光焊接包括至少两个重叠的钢工件（12,14）的工件叠层（10）的方法包括引导激光束（40）在工件叠层的顶部表面（26）处以形成由钢水焊池（58）围绕的键孔（56）。激光束沿着预定义的焊接图案被传送，所述预定义的焊接图案包括一个或多个非线性内焊接路径（66）和围绕一个或多个非线性内焊接路径的封闭的外周向焊接路径（68）。在沿着一个或多个非线性内焊接路径传送激光束期间，键孔从叠层的顶部表面完全穿透通过工件叠层到叠层的底部表面（28）。该方法在钢工件之间产生焊接接头，其不具有在它们的接合表面之间形成的有意施加的间隙。

技术领域

本公开的技术领域一般地涉及激光焊接，并且更特别地涉及重叠的钢工件的远程激光焊接。

背景技术

激光焊接是金属接合过程，其中激光束引导在金属工件叠层处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相对于彼此对齐和堆叠，使得它们的接合表面在期望的焊接部位处重叠并面对。然后激光束引导在工件叠层的顶部表面处。从吸收来自激光束的能量所产生的热量引发金属工件的熔化，并且在工件叠层内建立熔化的焊池。熔化的焊池穿透通过由激光束影响的金属工件并且进入下面的一个或多个金属工件。当激光束具有足够高的功率密度时，在激光束正下方的熔化的焊池内产生键孔（keyhole）（称为“键孔焊接”的过程）。键孔是源于可包括等离子体的工件叠层内的金属工件的蒸发的金属柱。

键孔为能量吸收提供了一个更深入工件叠层中的管道，这又有利于熔化的焊池的更深穿透和更窄的焊池轮廓。因此，通常控制键孔跨过每个接合界面穿透进入工件叠层中，但仅部分穿过最底部的金属工件。一旦激光束影响工件叠层的顶部表面，键孔通常就短期内（通常以毫秒）产生。在键孔形成并稳定后，激光束沿着焊接路径移动短距离。激光束的这种移动紧跟键孔和熔化的焊池的对应行进路径之后留下熔化的工件材料。此穿透熔化的工件材料在与激光束的向前移动相同的方向上冷却和固化，以提供将工件熔焊在一起的再固化工件材料的路线。

汽车工业经常使用远程激光焊接以将金属子组件接合到可安装在车辆上的成品零件中。在一个示例中，车辆门主体可由通过多个激光焊接接合在一起的内门板和外门板制成。内门板和外门板首先相对于彼此堆叠并且通常通过夹具固定就位。然后，可移动的光学激光头根据编程的顺序在堆叠的板周围的多个焊接部位处间歇地引导激光束，以形成多个激光焊接。在将要形成激光焊接的每个焊接部位处，激光束引导在堆叠的板处，并且沿着预定义的焊接路径被传送，所述预定义的焊接路径可配置成产生离散的点焊或连续的缝焊。激光焊接内门板和外门板（以及其它车辆部分部件，诸如用于制造罩、行李舱盖等的那些部件）的过程通常是可快速且有效地执行的自动化过程。

使用远程激光焊接将经涂覆的金属工件接合在一起可呈现挑战。例如，涂覆锌的钢工件包括用于防腐蚀的薄的外锌涂层。锌具有约906℃的沸点，而其涂覆的基础钢基板的熔点通常大于1300℃。因此，当涂覆锌的钢工件激光焊接在一起时，在钢工件的表面处容易产生高压锌蒸气。在堆叠的钢工件的接合表面处产生的锌蒸气被迫使扩散进入并通过由激光束产生的熔化的焊池，除非通过工件叠层提供替代的逸出出口。当没有提供足够的逸出出口时，锌蒸气可在其冷却并固化时保持捕集在熔化的焊池中，这可导致最终的焊接接头中的缺陷（诸如飞溅和孔隙），其劣化接头的机械性能到接头可被认为是未确认的程度。当钢工件的接合表面紧密配合（其间为零间隙界面）时，在激光焊接期间的钢工件表面上的锌涂层的蒸发倾向于具有最大的破坏性。

为了阻止锌蒸气扩散到熔化的焊池中，并且最终导致在钢工件（该钢工件中至少一个是涂覆锌的）之间形成的焊接接头的再固化的工件材料中存在焊接缺陷，工件通常在激光焊接发生之前用激光束刻划，以在钢工件的一个或多个接合表面上产生间隔开的突出的特征部。突出的特征部在钢工件的接合表面之间施加大约0.1-0.2毫米的间隙，这提供了在激光焊接过程期间将锌蒸气引导离开焊接部位的逸出路径。但是，这些突出的特征部的形成向整个远程激光焊接过程增加了附加的步骤，并倾向于产生底切焊接接头，尽管这是可接受的，但是并不像形成在钢工件之间的焊接接头一样是期望的，形成在钢工件之间的焊接接头不具有在它们的接合表面之间形成的有意施加的间隙以促进蒸气逸出。