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CN110234462B - 用于将构件焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将构件焊接的方法，包括如下步骤：提供第一构件(1)和第二构件(2)；将这两个构件靠置在一起；借助于激光束(5)焊接这两个构件，其中，通过反复接通和断开激光束来产生多个焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间歇中断，在停顿间歇中激光束是断开的；通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域(11～22)，在焊接区域中，两个构件的材料局部限定地熔化和熔合；通过焊接脉冲产生的各焊接区域之中的一些焊接区域彼此重叠。激光束定位成，使得一个当前产生的焊接区域与一个已经产生的焊接区域重叠，当一个已经产生的焊接区域已经凝固或者基本上凝固时，才产生一个与已经产生的焊接区域重叠的、当前产生的焊接区域。

Description

用于将构件焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将构件焊接的方法。
背景技术
一种这样的方法由较早的未预先公开的德国专利申请DE102016206012.0已知。在该较早的未预先公开的德国专利申请中描述，两个车身构件借助于脉冲的激光束来焊接。
金属板构件借助于激光束焊接已经已知很久了。在此，激光束通常以相对于两个要彼此焊接的构件的连续进给运动来移动，这导致两个构件的材料的熔化和熔合。激光束由于其进给运动而在其后面留下几毫米(例如10mm)的“熔体拖尾”，即在激光束的当前位置的后面的几毫米的区域中，材料还是液态的。
镀锌钢板的焊接是尤其有问题的。因为在大约960℃时锌层已经蒸发并且然后蒸汽状地逃逸到环境中或者存入到处于该锌层下面的熔化的金属材料中，这会导致多孔性。在彼此贴靠的、要焊接的金属板的情况下，蒸发的锌不能容易地从金属板的贴靠区域逃逸出来、进入到环境中，这会导致较大的锌量存入在熔化的金属中并且因此导致不期望地强的多孔性、孔或者甚至导致废料或斑点。
激光束焊接因此至今基于质量原因仅用于“干燥的区域”，而不用在高程度地遭受湿气或溅水的构件或构件区域中，因为在此腐蚀风险至今被看作过高的。
发明内容
本发明的目的是，提供一种激光焊接方法，该激光焊接方法导致高品质的焊接连接，并且该激光焊接方法也适用于应用在车身结构中。
该目的通过一种用于将构件焊接的方法解决，该方法包括如下步骤：
·提供第一构件和第二构件；
·将第一构件和第二构件靠置在一起；
·借助于激光束焊接第一构件和第二构件，其中，在第一构件中形成贯穿第一构件的缝隙，在焊接期间将激光束定向到缝隙的区域中；
其特征在于，
·所述第一构件和第二构件之中的至少一个构件是要制造的车身的车身构件；
·通过反复接通和断开激光束来产生多个焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间歇中断，在所述停顿间歇中激光束是断开的；
·激光束在各焊接脉冲期间相对于所述第一构件和第二构件保持不动，通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域，在该焊接区域中，第一构件和第二构件的材料局部限定地熔化和熔合；
·通过焊接脉冲产生的各焊接区域之中的一些焊接区域彼此重叠，其中，激光束定位成，使得一个当前产生的焊接区域与一个已经产生的焊接区域重叠，当一个已经产生的焊接区域已经凝固或者基本上凝固时，才产生一个与已经产生的焊接区域重叠的、当前产生的焊接区域。
本发明的出发点是一种用于焊接第一构件和第二构件的方法。提供的各构件首先彼此靠置，并且紧接着借助于激光束彼此焊接。所述焊接脉冲地实现，即激光束重复地接通和断开，因此产生多个焊接脉冲。各焊接脉冲相应通过无焊接的停顿间歇中断，在所述停顿间歇中激光束断开。按本发明，在第一构件中形成贯穿第一构件的缝隙。激光束在焊接期间定向到该缝隙的区域中。该缝隙可以是直的或弯曲的。缝隙的走向相应于要形成的焊缝的走向。
优选，缝隙在连接之前或者在两个构件彼此靠置之前形成。缝隙的形成例如可以通过激光切割实现。
缝隙的宽度可以根据第一构件的材料(即根据第一构件的材料和厚度)非常细长地(例如十分之几毫米直至几毫米)进行选择。缝隙的宽度在缝隙的长度上不必一定是恒定的，而是在缝隙的长度上也可以变化。
优选这样焊接，使得焊缝连接到缝隙的两个对置的彼此间隔的壁上。优选，缝隙的宽度小于“熔体池”的宽度或者产生的焊缝的宽度，使得缝隙完全被焊接合上，并且第一构件的侧面的材料与第二构件的材料熔合并且连接。通过出缝而缝允许，即使在脉冲焊接的情况下两个构件也能够在重叠连接时以相对小的能量输入被均匀地熔化。
按本发明，通过每个焊接脉冲产生局部的焊接区域，在该焊接区域中两个构件的材料局部限定地熔化和熔合。术语“局部区域”可以理解成相对小的区域、例如“点状的”或“圆面形的”区域，当然其它的几何形状也是可考虑的。这种焊接区域按数量级例如在几微米与几毫米之间的(直径)范围中(例如直至3mm或4mm或5mm)。
本发明的基本构思在于，通过焊接脉冲产生的各焊接区域之中的一些焊接区域彼此重叠。按这样的方式，由多个彼此重叠的焊接区域可以构成一个连贯的焊缝。
在传统的激光焊接方法中，激光束以一定的进给速度相对于要焊接的构件运动，与传统的激光焊接方法不同，按本发明可以设定，激光束在各焊接脉冲期间相对于两个构件保持不动。当前产生的焊接区域在焊接脉冲期间可以持久地、尤其持久地完全地或全面地用激光照射。如果在焊接期间不进行激光束相对于各构件的相对运动，那么不同于现有技术地也不发生焊接拖尾的跟随。
由于脉冲的能量输入而实现，要彼此焊接的构件的材料的熔化极其集中并且在本地极其地限定。所述材料基本上仅在当前由激光束熔化的区域中被显著加热。在与当前的焊接区域间隔若干毫米处就已经几乎不发生温度上升。这具有如下优点：如下构件仍然能无问题地彼此焊接，在所述构件中，温度敏感的元件、例如塑料构件或者粘合剂层或类似物相对近地处于当前产生的焊接区域旁。
如已经提到的，可以设定，通过焊接脉冲产生的各焊接区域之中的一些焊接区域彼此重叠成一个连贯的流体密封的焊缝。按本发明可以设定，激光束定位成，使得一个当前产生的焊接区域与一个已经产生的或焊接的焊接区域鳞片状地或缝状地重叠。
优选，如果应当与要产生的焊接区域部分重叠的、已经产生的焊接区域已经重新凝固或者基本上凝固，那么与已经产生的焊接区域重叠的、当前产生的焊接区域才被产生或熔化。
可以设定，多个焊接区域按顺序相继地产生而且是按如此次序地产生，使得直接相继地产生的焊接区域彼此鳞片状地重叠。换言之，这意味着，一个当前产生的焊接区域与一个直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域重叠。在本方法中，多个焊接区域类似于项链地按顺序相继地产生。
除此之外，也可能的是，一个当前产生的焊接区域与一个直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域具有间距。因此，当前产生的焊接区域相对于直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域不重叠。因此，局部的热量输入或者局部的温度上升在要彼此焊接的构件中仍可进一步降低。然而按本方式也可以产生一个连贯的流体密封的焊缝，不同于上述方法，焊缝的各焊接区域不是一个设置到前一个上，而是按一种不同的顺序设置。
多个焊接脉冲的脉冲时间例如可以在0.1ms与100ms之间的范围中、或者在0.1ms与50ms之间的范围中或者在0.1ms与20ms之间的范围中。优选，多个焊接脉冲的脉冲时间在1.0ms与20ms或1.0ms与10ms之间的范围中。通过这种脉冲时间，在到构件中的相对小的总热量输入的情况下，非常局部的熔化是可能的。
多个焊接脉冲的脉冲时间相应可以是同样长的。但是这不是必须的。多个焊接脉冲的脉冲时间也可以是不同长度的。例如可以有意义的是，在要彼此焊接的构件的具有较大构件厚度的区域中，比在构件厚度较小的构件区域中，以更长的焊接脉冲时间进行工作。
用于本发明的激光束的功率密度例如可以在104W/cm2与1010W/cm2之间的范围中。在此可以设定，多个焊接脉冲的功率密度是同样大小的或不同大小的。类似于脉冲时间的时长，例如可以设定，“焊接点”在要彼此焊接的构件的具有较大构件厚度的区域中比在另外的区域中更大。
另外可以设定，在一个焊接脉冲期间，焊接脉冲的功率密度发生变化，例如通过如下方式：
·在恒定地保持的束横截面的情况下改变激光功率，或者
·在恒定地保持的激光功率的情况下改变束横截面，或者
·改变激光功率和束横截面。
根据本发明的一种进一步方案，采用激光束，该激光束具有束直径或束宽度，该束直径或该束宽度处在40μm与4mm之间的范围中。对于该参数也可以设定，激光束的束直径或束宽度在多个焊接脉冲中是同样大小的或不同大小的。根据应用的不同情况，可以期望的是，产生焊缝，该焊缝在其整个长度上具有基本上相同的焊缝宽度或不同的焊缝宽度，这可以通过激光束的束直径或束宽度的变化来进行调节。
在激光束的横截面方面，例如可以利用具有圆形的束横截面的激光束进行工作。但是这不必一定是这样的情况。原则上也可考虑其它的横截面形状，例如具有矩形的或椭圆形的束横截面的激光束。
研究表明，如果以在200Hz与10kHz之间的范围中的“重复率”进行工作，那么能实现质量非常好的焊接连接。术语“重复率”理解成每秒焊接脉冲的数量。如果例如以时长5ms的焊接脉冲和15ms的停顿间歇进行工作，那么这得到20ms的周期时间T，这相应于1/0.02s或者说50Hz的重复率。
通过按本发明的方法，金属构件、尤其金属板构件——例如它们用在车身结构中——可以彼此焊接。但是按本发明的方法不受限于金属构件，而且原则上也能用于焊接塑料构件、尤其由热塑性塑料构成的构件。
按本发明的方法也良好地适用于将如下构件焊接，其中，所述构件之中的至少一个部分或完全用涂层覆盖，例如这在镀锌钢板中是这种情况。优选为此采用具有涂层的构件，该涂层的熔化温度或蒸发温度低于构件材料的熔化温度或蒸发温度，所述涂层施加到所述构件材料上。这例如在镀锌钢板中是这种情况，在镀锌钢板中，锌层已经在大约960℃的温度时蒸发。
按本发明的方法不仅用于焊接传统的钢板或铝板，而且尤其也适用于焊接不锈钢板构件。除此之外，按本发明的方法也可以用于将一个钢构件或铝构件与一个铸造构件焊接。例如钢或铝衬套或者钢或铝栓焊接到铸造构件上或者通过按本发明的方法焊接到铸造构件的凹部中。如果在说明书中谈及“铝”，那么这也包括“铝合金”。
根据本发明的一种进一步方案，第一构件是球，该球焊接到第二构件上。
根据本发明的一种进一步方案，第一构件是由钢、铝或热塑性塑料构成的球。
根据本发明的一种进一步方案，在所述球在第二构件上的支承区域中，通过多个焊接区域，产生在该支承区域中绕所述球延伸的焊缝。
按本发明的方法尤其适用于将如下构件焊接，所述构件的厚度在焊接区域中处于0.3mm与5mm之间、尤其处于0.3mm与3mm之间的范围中。
附图说明
下面结合附图更详细地解释本发明。其中：
图1以示意图显示两个金属板构件的焊接；
图2显示一条焊缝由多个焊接区域依次产生；
图3是描述关于时间的激光功率的图表。
具体实施方式
图1显示两个彼此贴靠的金属板1、2，金属板1的厚度为S1并且金属板2的厚度为S2。厚度S1或S2例如处在0.3mm与3mm之间的范围中。在金属板1的边缘区域中，两个金属板1、2在此已经通过角焊缝3彼此焊接。但是通过角焊缝3的预先的焊接不是一定需要的。
在第一金属板1中设置贯穿第一金属板1的缝隙1a。缝隙1a可以具有从十分之几毫米直至几毫米的宽度。
借助于产生激光束5的激光焊接装置4，两个金属板1、2附加地通过(对接)焊缝6彼此焊接。在此，激光束5定向成，使得该激光束进入缝隙1a中并且使两个金属板1、2的材料熔化并且彼此焊接。
激光焊接装置4在此脉冲地运行，即通过周期地接通和断开激光束5相继地产生多个焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间歇被中断。
图2显示两个彼此叠置的金属板1、2，这些金属板通过正处于产生过程中的焊缝10彼此连接。清晰地可见设置在第一金属板1中的缝隙1a。
焊缝10在此通过鳞片状重叠的各焊接区域按顺序地构成。为了尽可能局部地限定到金属板1、2中的由激光束5产生的热量输入，可以设定，各焊接区域不是全部都并排地或彼此相继地产生。例如可以设定，焊接区域在通过附图标记11～22描述的顺序中依次产生。在产生焊接区域11之后，该焊接区域可以冷却。紧接着焊接区域11产生的焊接区域12与焊接区域11具有足够大的间距，使得到焊接区域12中的热量输入可以基本上不影响焊接区域11的冷却。依次类推。
图3借助于图表描述按本发明的脉冲的焊接，在该图表中记录关于时间t的激光功率PLaser。第一焊接脉冲从时刻0延伸直至时刻t1。紧接着是时长[t1，t2]的停顿间歇。
然后实现时长[t2，t3]的另一焊接脉冲，紧接着又是时长[t3，t4]的停顿间歇。从而周期时间，即焊接脉冲的时长和紧接着的停顿间歇，为T＝[t2，t4]。

Claims (37)

1.一种用于将构件焊接的方法，该方法包括如下步骤：
·提供第一构件(1)和第二构件(2)；
·将第一构件(1)和第二构件(2)靠置在一起；
·借助于激光束(5)焊接第一构件(1)和第二构件(2)，其中，在第一构件中形成贯穿第一构件(1)的缝隙，在焊接期间将激光束(5)定向到缝隙的区域中；
其特征在于，
·所述第一构件(1)和第二构件(2)之中的至少一个构件是要制造的车身的车身构件；
·通过反复接通和断开激光束(5)来产生多个焊接脉冲，这些焊接脉冲分别通过无焊接的停顿间歇中断，在所述停顿间歇中激光束(5)是断开的；
·激光束在各焊接脉冲期间相对于所述第一构件(1)和第二构件(2)保持不动，通过每个焊接脉冲产生一个局部的焊接区域(11～22)，在该焊接区域中，所述第一构件(1)和第二构件(2)的材料局部限定地熔化和熔合；
·通过焊接脉冲产生的各焊接区域(11～22)之中的一些焊接区域彼此重叠，其中，激光束(5)定位成，使得一个当前产生的焊接区域(20)与一个已经产生的焊接区域(17)重叠，当一个已经产生的焊接区域(17)已经凝固或者基本上凝固时，才产生一个与已经产生的焊接区域(17)重叠的、当前产生的焊接区域(20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过焊接脉冲产生的各焊接区域(11～22)之中的一些焊接区域彼此重叠成一条连贯的流体密封的焊缝(10)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束(5)定位成，使得一个当前产生的焊接区域(20)与一个已经焊接的焊接区域(17)鳞片状地或缝状地重叠。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一个当前产生的焊接区域(20)与一个直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域重叠。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一个当前产生的焊接区域(20)与一个直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域(19)具有间距，并且从而相对于直接在最近的停顿间歇之前产生的焊接区域(19)不重叠。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间处于0.1ms至100ms之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间处于0.1ms至50ms之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间处于0.1ms至20ms之间。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间处于1ms至20ms之间。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间处于1ms至10ms之间。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间是同样长的。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的脉冲时间是不同长的。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束的功率密度处在104W/cm2和1010W/cm2之间的范围中。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的功率密度是相同大小的。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个焊接脉冲的功率密度是不同大小的。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束具有处于40μm与4mm之间的范围中的束直径或者束宽度。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束(5)的束直径或束宽度在所述多个焊接脉冲中总是相同的。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用具有圆形的束横截面的激光束(5)进行工作。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，激光束(5)的束直径或束宽度在所述多个焊接脉冲之中的一些焊接脉冲中是不同的。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以在200Hz与10kHz之间的范围中的重复率进行焊接。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件，采用金属构件。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件，采用金属板构件。
23.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件，采用塑料构件。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件，采用由热塑性塑料构成的构件。
25.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一构件和第二构件之中的至少一个构件是部分或者完全被涂层覆盖的构件。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，作为所述至少一个构件，采用具有涂层的构件，该涂层的熔化温度或蒸发温度低于构件材料的熔化温度或蒸发温度，该涂层施加到该构件材料上。
27.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件之中的至少一个构件，采用钢板构件、或者铝构件或者由铝合金构成的构件。
28.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件之中的至少一个构件，采用不锈钢板构件。
29.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所述第一构件和第二构件之中的至少一个构件，采用镀锌构件。
30.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一构件是铸造构件并且第二构件是由另外的材料构成的构件，该第二构件焊接到铸造构件上或者焊入到铸造构件中。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，第二构件是由钢或铝构成的构件。
32.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一构件是球，该球焊接到第二构件(2)上。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，第一构件是由钢、铝或热塑性塑料构成的球。
34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，在所述球在第二构件(2)上的支承区域中，通过多个焊接区域，产生在该支承区域中绕所述球延伸的焊缝。
35.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一构件(1)的厚度(S1)和/或第二构件(2)的厚度(S2)处在0.3mm与5mm之间的范围中。
36.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一构件(1)的厚度(S1)和/或第二构件(2)的厚度(S2)处在0.3mm与3mm之间的范围中。
37.根据上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一个焊接脉冲期间，该焊接脉冲的功率密度以如下方式改变：
·在恒定地保持的束横截面的情况下改变激光功率，或者
·在恒定地保持的激光功率的情况下改变束横截面，或者
·改变激光功率和束横截面。
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