[发明专利]涂层钢的多束激光点焊

说明书

公开了一种激光点焊包括至少两个重叠的钢工件(12、14、150)的工件堆叠(10)的方法。方法包括使多个激光束(24、24’、24”)指向工件堆叠的顶表面(20)，以产生穿透到堆叠中的熔化的钢焊接熔池(92)。通过在减小激光束在工件堆叠的顶表面的平面的总投影截面积(88)的同时提高激光束的整体组合辐照，熔化的钢焊接熔池然后生长以进一步穿透到堆叠中。提高激光束的整体组合辐照可通过使激光束的焦点(66、66’、66”)更靠近顶表面移动或者通过减小激光束的平均入射角度(86)以便减小激光束的单独的投影截面积的偏心率来实现。

技术领域

本公开的技术领域总的涉及激光焊接，并且更具体地涉及一种用多个激光束将两个或更多个重叠的钢工件激光点焊到一起的方法。

背景技术

激光点焊是一种金属连接过程，其中，传统地，单个激光束指向金属工件堆叠，以提供能够实现重叠的组成金属工件之间的焊接接头的集中能量源。通常，两个或更多个工件首先相对于彼此被对齐并堆叠，使得它们的搭接表面重叠并面对以建立延伸通过预期的焊接部位的搭接界面(或多个搭接界面)。然后激光束被指向并撞击工件堆叠的顶表面。从来自激光束的能量吸收产生的热启动金属工件的熔化，并在工件堆叠内产生熔化的金属焊接熔池。此外，如果激光束的功率密度足够高，则在工件堆叠内产生钥匙孔。钥匙孔是源自于金属工件的汽化金属柱，其可包括等离子体。钥匙孔被熔化的金属焊接熔池包围，并且是来自激光束的能量的有效吸收器，从而与不存在钥匙孔的情形相比，允许焊接熔池进入堆叠的深且窄的穿透。

激光束在撞击工件堆叠的顶表面时在非常短的时间内产生熔化的金属焊接熔池。一旦产生，熔化的金属焊接熔池就随着激光束继续将能量输送到工件堆叠中而生长。熔化的金属焊接熔池最终生长以穿透被激光束撞击的金属工件并进入一个或多个下层金属工件达到横穿建立的搭接界面中的每一个的深度。熔化的金属焊接熔池的一般形状和穿透深度能通过控制激光束的包括其功率和焦点位置的各种特性来管理。当熔化的金属焊接熔池已稳定并达到工件堆叠中期望的穿透深度时，激光束的传输停止，使得能量不再在焊接部位传输至工件堆叠。熔化的金属焊接熔池快速冷却并固化(并且如果存在则使钥匙孔瓦解)，以形成由源自于被熔化的金属焊接熔池穿透的工件中的每一个的再固化的复合工件材料组成的激光点焊接头（weld joint）。激光点焊接头的再固化的复合工件材料将重叠的工件自体熔焊到一起。

汽车工业对使用激光点焊感兴趣，以制造能安装在车辆上的零件。在一个示例中，车辆门体可由通过多个激光点焊接头连接到一起的内门面板和外门面板制成。内外门面板首先相对于彼此堆叠并通过夹具固定就位。然后激光束根据编程的序列顺序地指向围绕堆叠面板的多个焊接部位，以形成多个激光点焊接头。激光点焊内外门面板、以及诸如用于制造发动机罩、行李箱盖、诸如车身侧部和横梁构件的车身结构、承重结构件、发动机舱等的其他车辆组成零件的过程——典型地是能快速有效地实现的自动过程。前述将金属工件激光点焊到一起的愿望非汽车工业所独有；实际上，它延伸至同样可利用激光焊接的其他工业，其中包括航空、航海、铁路和建筑构造工业。

使用激光点焊以将涂层金属工件连接到一起可能存在挑战。例如，钢工件常常包括用于防腐蚀的锌基表面涂层(例如，锌或锌铁合金)。在其涂覆的下层钢衬底的熔点典型地高于1300℃的同时，锌具有大约906℃的沸点。因而，当激光点焊包括锌基表面涂层的钢工件时，容易在钢工件的表面产生高压锌蒸汽，并且高压锌蒸汽具有使激光点焊过程复杂化的趋势。尤其地，除非提供通过工件堆叠的替代性逃逸出口，否则在钢工件的搭接界面产生的锌蒸汽能扩散到由激光束产生的熔化的钢焊接熔池中。当未提供足够的逃逸出口时，锌蒸汽随着其冷却和固化可保留被困在熔化的钢中，这可导致得到的激光点焊接头中的诸如多孔性的缺陷以及包括气孔和飞溅的其他焊接接头差异。这些焊接接头缺陷如果足够严重，则能令人不满意地降低激光点焊接头的机械特性。