[发明专利]通过振荡激光束焦点位置辅助的重叠金属工件的激光焊接

说明书

一种激光焊接包括至少两个重叠的金属工件(12,150,14)的工件叠层(10,10’)的方法包括相对于工件叠层(10,10’)的顶表面(20)并沿着光束行进图案(66)推进激光束(24)的束斑(44)，以形成将金属工件(12,150,14)熔焊在一起的激光焊接接头(64)。当束斑(44)在光束行进图案(66)的一个或多个焊接路径(74)的第一点(76)和第二点(78)之间前进时，激光束(24)的焦点(52)的位置相对于工件叠层(10,10’)的顶表面(20)沿着横向于顶表面(20)定向的维度(68)振荡。

技术领域

本公开的技术领域总体上涉及激光焊接，更具体地涉及将两个或更多个重叠的金属工件激光焊接在一起的方法，其中叠层中的所有重叠的金属工件是钢工件、铝工件或镁工件。

背景技术

激光焊接是一种金属连接工艺，其中激光束被导向金属工件叠层，以提供能够在重叠的组成金属工件之间实现焊接接头的集中能量源。通常，两个或更多个金属工件首先相对于彼此对齐和堆叠，使得它们的搭接表面重叠并面对，以建立延伸穿过预期焊接位置的一个或多个搭接界面。激光束然后被导向并撞击工件叠层的顶表面。通过从激光束吸收能量产生的热量引发金属工件的熔融向下穿过被激光束撞击的金属工件，并进入下面的金属工件，到达与每个已建立的搭接界面相交的深度。而且，如果激光束的功率密度足够高，则在工件叠层内产生匙孔。匙孔是源自金属工件的汽化金属的柱，该汽化金属可能包括等离子体。匙孔被熔融的工件金属包围，并且是来自激光束的能量的有效吸收器，因此与不存在匙孔的情况相比，允许熔融的工件金属更深更窄地穿透到叠层中。

激光束一旦撞击到工件叠层的顶表面，就非常迅速地熔融工件叠层中的金属工件。在金属工件最初熔融后，激光束的束斑可以沿着预定路径移动横跨工件叠层的顶表面。随着激光束的束斑沿着叠层的顶表面前进，熔融的工件金属在前进的束斑周围和后面流动。这种穿透的熔融工件金属快速冷却并固化成再固化的复合金属工件材料。最终，激光束在工件叠层的顶表面的传输停止，此时匙孔塌陷，并且仍然保留在叠层内的任何熔融工件金属固化。通过将激光束导向到叠层的顶表面并沿着焊接路径推进激光束的束斑而获得的集合再固化复合金属工件材料构成激光焊接接头，并用于将重叠的金属工件自动地熔焊在一起。

汽车工业对使用激光焊接制造可安装在车辆上的零件感兴趣。在一个示例中，车门主体可以由通过多个激光焊接接头连接在一起的内门面板和外门面板制成。内门面板和外门面板首先相对于彼此堆叠，并通过夹具固定到适当位置。然后，激光束根据编程的顺序被顺序导向到堆叠面板周围的多个焊接位置，以形成多个激光焊接接头。激光焊接内门面板和外门面板以及诸如用于制造发动机罩、甲板盖、车身结构(例如车身侧面和横梁)、承重结构构件、发动机舱等的其他车辆零部件的过程通常是可以快速而有效地执行的自动化过程。前述将金属工件激光焊接在一起的愿望并不是汽车工业独有的；事实上，它还延伸到可以利用激光焊接的其他行业，包括航空、航海、铁路和建筑施工行业等。

使用激光焊接将制造实践中经常使用的带涂层金属工件连接在一起会带来挑战。例如，钢工件通常包括锌基表面涂层(例如锌或锌铁合金)以用于防腐。锌具有约906℃的沸点，而其涂覆的下面的钢基底的熔点通常高于1300℃。因此，当包括锌基表面涂层的钢工件被激光焊接时，高压锌蒸气容易在钢工件的表面产生，并且有破坏激光焊接过程的趋势。特别地，在钢工件的搭接界面处产生的锌蒸气会扩散到由激光束产生的熔融钢中，除非提供了通过工件叠层的替代的逸出出口。当没有提供足够的逸出出口时，锌蒸气可能会在熔融钢冷却和固化时残留在熔融钢中，这可能会导致最终激光焊接接头中的缺陷(例如多孔性)以及其他焊接接头差异，包括气孔、飞溅和底切接头。如果足够严重，这些焊接接头缺陷会令人不满意地降低激光焊接接头的机械性能。