焊接接头的制作方法

焊接接头的制作方法
【专利摘要】本文公开了用于焊接接头的方法。该方法的一个示例涉及在两个工件之间焊接接头。将能量聚焦到该接头上以焊接该接头。该能量的焦点相对于该接头移动。从由于焊接所产生的键槽转移已汽化的材料。该已汽化的材料通过该能量被汽化。在该能量在该接头处的作用期间，一池熔融材料与键槽相邻地形成。通过将该熔融材料的一部分从该池的近端以及从该池的横向侧转移到该池的远端来操纵该一池熔融材料。该池的远端是近端的远侧。
【专利说明】焊接接头
【技术领域】
[0001]本公开总的涉及用于焊接接头的方法。
【背景技术】
[0002]汽车工业利用包含镀层钢的各种材料用于各种不同的零件。作为一个示例，镀锌钢因其耐腐蚀性而常常被利用。虽然镀层材料因其性质常常是合意的，但这些材料的焊接可能会出现一个或多个挑战，尤其是当试图产生搭接接头时。

【发明内容】

[0003]本文公开了焊接接头的方法。该方法的一个示例涉及在两个工件之间焊接接头。该方法包含将能量聚焦到该接头上以焊接该接头。该能量的焦点相对于该接头移动。该方法进一步包含从由于焊接所产生的键槽(keyhole)转移已汽化的材料。该已汽化的材料通过该能量被汽化。在该能量在该接头上的作用期间，一池熔融材料与键槽相邻地形成。该方法还涉及通过将该熔融材料的一部分从该池的近端以及从该池的横向侧转移到该池的远端来操纵该一池熔融材料。该池的远端是近端的远侧。
[0004]本发明提供以下技术方案:
方案1.一种焊接在两个工件之间的接头的方法，所述方法包括:
将能量聚焦到所述接头以焊接所述接头，所述能量的焦点相对于所述接头移动；
从通过所述焊接产生的键槽转移已汽化的材料，所述已汽化的材料被所述能量汽化；
以及
通过如下方式操纵在所述能量在所述接头处的作用期间所形成的与所述键槽相邻的一池熔融材料:将所述熔融材料的一部分从所述池的近端以及从所述池的横向侧转移到所述池的远端，所述远端是所述近端的远侧。
[0005]方案2.如方案I中所限定的方法，其中所述能量是激光束，并且所述方法进一步包括:施加气体喷射流以从所述键槽转移激光感应的等离子体，所述激光感应的等离子体通过用所述激光束电离在所述接头中的材料而形成。
[0006]方案3.如方案I中所限定的方法，其中所述两个工件中的任一个包含具有比形成所述两个工件中的任一个的基础材料的熔点低的沸点的组分材料，并且所述已汽化的材料包含处于蒸汽状态的所述组分材料。
[0007]方案4.如方案I中所限定的方法，其中从所述键槽转移所述已汽化的材料以及操纵所述一池熔融材料均通过对所述一池熔融材料施加气体喷射流而完成。
[0008]方案5.如方案4中所限定的方法，其中所述气体喷射流沿着喷嘴轴线以根据平行于所述能量的方向的线所限定的角度被施加到所述一池熔融材料，所述角度的范围从约O度至约90度。
[0009]方案6.如方案4中所限定的方法，其中所述气体喷射流由具有喷嘴壁的喷嘴形成，所述喷嘴壁限定了从所述喷嘴的进口孔到所述喷嘴的出口孔具有约26 mm的轴向长度的圆柱形导管。
[0010]方案7.如方案4中所限定的方法，其中所述气体喷射流由具有进口孔和出口孔的喷嘴形成，所述进口孔和出口孔各自具有范围从约0.1 mm到约200 mm的各自的等效直径。
[0011]方案8.—种焊接在第一板与第二板之间的接头的方法，所述方法包括:
将能量聚焦到所述接头以焊接所述接头，所述第一和第二板中的至少一个具有比形成所述第一板或第二板的基础材料的熔点低的沸点的组分材料，所述第一板搭接所述第二板的至少一部分；以及
冷却相邻于熔池的所述第一或第二板以降低所述接头的温度，从而降低所述组分材料的已汽化的形式的温度和体积。
[0012]方案9.如方案8中所限定的方法，其中冷却包括应用具有冷却剂在其中流动的热交换器，或应用具有比所述第一和第二板高的热传导性的散热器。
[0013]方案10.如方案8中所限定的方法，其中冷却包括应用冷却气体喷射流。
[0014]方案11.如方案10中所限定的方法，进一步包括:
将所述冷却气体喷射流相对于焊接方向在所述熔池前面施加到所述第一或第二板；或将所述冷却气体喷射流相对于焊接方向在所述熔池后面施加到所述第一或第二板，并且将另一冷却喷射流相对于所述焊接方向在所述熔池前面施加到所述第一或第二板。
[0015]方案12.如方案10中所限定的方法，其中所述冷却气体喷射流在范围从约一100°C至约25°C的温度下。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]本公开的示例的特征和优势通过参照下列详细描述和附图将变得明显，其中相似的附图标记对应于虽然或许不相同、但类似的部件。为简洁起见，附图标记或具有先前所描述的功能的特征可能或可能不结合它们出现在其中的其它附图被描述。
[0017]图1A是根据本公开的接头的一示例的示意性透视图；
图1B是沿着图1A的1B-1B线截取的接头的截面示意图；
图2是描绘出在由常规焊接形成的以及由根据本公开的焊接方法的一示例形成的接头焊接区域中的键槽的示例的时间推移视图的示意图；
图3A是根据本公开的焊接方法的一示例的示意性局部截面图；
图3B是根据本公开的焊接方法的另一示例的示意性局部截面图；
图4是根据本公开的喷嘴的一示例的示意性局部截面图；
图5是描绘出根据本公开的带有冷却的焊接方法的一示例的示意图，该图图示出快速冷却系统的局部透视图以及接收从快速冷却系统喷出的冷却气体的两块板的剖开截面图；
图6是根据本公开的带有冷却的焊接方法的另一示例的示意性剖开截面图；
图7是可在带有冷却的焊接方法的一示例中被利用的一示例的涡旋管的示意图；
图8是可在带有冷却的焊接方法的一示例中利用的水快速冷却系统的一示例的示意性透视图；
图9是表示本文所公开的焊接方法的一示例的流程图； 图10是表示本文所公开的带有冷却的焊接方法的一示例的流程图；
图1lA是凭借传统的激光焊接过程所形成的比较试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片；
图1lB是凭借根据本公开的方法所形成的第一示例试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片；以及
图1lC是通过根据本公开的带有冷却的焊接方法所形成的第二示例试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片。
【具体实施方式】
[0018]焊接一直被用来在两个或更多个工件之间产生各种不同的接头构造。接头构造的示例包含搭接接头构造，诸如无间隙搭接接头构造。然而，已经发现，至少部分地归因于存在于(一个或多个)工件中的一个或两个表面上的表面涂层或归因于存在于(一个或多个)工件中的一个或两个上的低沸点元素/成分，在一些搭接接头的形成期间，可能会碰到各种问题。具体地，已经发现，例如:i)当(一个或多个)工件的(一个或多个)表面涂有具有比该(一个或多个)工件的基础材料的熔点低的沸点的涂层时，或ii)当(一个或多个)工件包含具有比该(一个或多个)工件的主要元素的熔点低的沸点的元素/成分时，在搭接接头中常常导致缺陷。该类型的涂层的示例是可被用来改进钢的耐腐蚀性的镀锌层。例如，镀锌的薄钢板可以通过在搭接接头构造中进行焊接而被形成到汽车的主体面板中。在焊接期间，这些钢板中的每一个的钢基底在焊接部处被熔化。由于镀锌层在比钢基底的熔点低的温度下沸腾/汽化，所以锌蒸汽可能与钢水混合。在熔池中的蒸汽可能成为高度加压的并且可能例如通过从焊接材料的熔池向外转移液体金属而产生焊缝间断，这可能会导致飞溅物、气孔、孔隙、落砂、咬边等的形成。
[0019]本文所公开的焊接方法的一些示例使得能够快速释放在该焊接方法期间所产生的不期望的蒸汽。在这些示例中，通过使高压(例如，大于I个大气压)空气流通过特定的喷嘴而直接在熔池上方产生负压区。这种方法(使用空气流)扩大键槽，该键槽为蒸汽从熔池逃逸提供通道。本文所公开的焊接方法的其它示例利用冷却来降低(一个或多个)工件的温度，从而降低在该焊接方法期间所产生的不期望的蒸汽的压力级。在这些示例中，蒸汽压力级被降低并且因此可由来自液体金属的表面张力平衡。在这些条件下，键槽被保持稳定并且因此为蒸汽从(一个或多个)工件逃逸提供通道。
[0020]此外，本文所公开的(一种或多种)方法产生搭接接头，而在搭接接头的各层之间不产生间隙。虽然这些间隙可允许不期望的蒸汽在焊接期间从熔融材料排放离开，但是间隙的产生可能增加生产周期时间和成本。此外，在这些层之间的间隙的存在可能导致较高的腐蚀潜在性。本文所公开的示例有利地避免了间隙形成(即，搭接接头是无间隙的)，并且因此避免了这些潜在的问题。
[0021]相信根据本公开的方法的示例改进了焊接质量，降低了成本，并且缩短了各种工件材料的周期时间，所述材料包含具有比制成工件的基础材料/松散材料的熔点低的沸点的组分材料。组分材料可以被沉积作为在基础/松散材料上的涂层，或被包含作为在基础/松散材料中的次要或次要成分。这些工件材料的示例包括:锌镀层钢(其中，钢是基础/松散材料，并且锌是组分材料)、铝合金(其中，铝是基础/松散材料，并且合金材料，例如Zn、Mg等，是组分材料)、铜合金(其中，铜是基础/松散材料，并且合金材料，例如，Zn，是组分材料)、镁合金(其中镁是基础/松散材料，并且合金材料，Zn，是组分材料)、锌合金(其中锌是基础/松散材料，并且合金材料，例如，Al、Cu等，是组分材料);涂有或包含组分材料的聚合物、叠层钢、以及挤压硬化钢。
[0022]虽然两个工件12和14在这些图中的一些中被示出，但应理解的是，多于两个工件12、14可以通过本文所公开的焊接方法连接在一起。因此，可以使用多于两个工件被连接在一起的多层堆叠构造。此外，工件12和14可以是以板材料的形式。
[0023]现在参照图1A和1B，焊接接头的一示例大体上以10描绘。在该示例中，第一工件12和第二工件14被以无间隙搭接接头构造示出。在该构造中的工件12、14是搭接的并且彼此直接接触(即，工件12、14是无间隙构造或在工件12、14之间不存在间隙)。在一示例中，以无间隙构造的工件12、14可以在固定设备(未不出)中被夹紧在一起以将工件12、14保持在用于焊接的期望的构造中。
[0024]工件12、14中的一个或两个可以包含组分材料22 (参见图1B)，该组分材料22被布置在工件12、14之间的接头中(S卩，在界面I)。在其它示例中，两个工件12、14中的一个或两个可以包含组分材料22作为在与在工件12、14之间的界面I处的表面相对的表面上的涂层。在另一些示例中，两个工件12、14中的一个或两个可包含组分材料22，作为在界面I处的表面以及与该界面I相对的表面两者上的涂层。在又一些示例中，工件12、14中的一个或两个可以在工件12、14的基础/松散材料内包含组分材料22。如先前所提及的，组分材料22通常具有比形成工件12、14的基础/松散材料的熔点低的沸点。
[0025]如图1A和IB中所示，在焊接过程期间，能量16被聚焦在焊接位置18处的无间隙搭接接头上。需理解的是，可以从激光束(来自，例如，Nd:YAG、掺钕的钇铝石榴石或Nd:Y3Al5O12、激光器、CO2激光器、纤维激光器、盘形激光器、二极管激光器等)、电子束、以及电弧(例如，气体保护钨极弧焊、等离子电弧焊接等)的任何一种施加能量16。
[0026]热量也可以被施加到焊接位置18。热量可以来自能量16，或热量可以除能量16之外另外被施加。适当的热源可以是上面列出的任何能源。
[0027]在焊接操作中，能量16的源和/或搭接工件12、14相对于彼此沿焊接方向移动(该方向的示例由图1A和图1B中以19指定的箭头指明)。因此，在焊接期间，焊接位置18沿焊接方向19前进通过工件12、14，以便于产生焊接的无间隙搭接接头。在一示例中，在保持工件12、14静止的同时，通过沿着焊接方向19调节(例如，重新定位)能量16的源，可以使能量16沿焊接方向19移动通过工件12、14。在另一示例中，通过在沿着焊接方向19移动工件12、14的同时维持能量16的源的位置，可以将能量16沿焊接方向19移动通过工件
12、14。在另一示例中，通过以协调的方式同时移动能量16的源和工件12、14两者，可以使能量16沿焊接方向移动通过工件12、14。例如，可以将能量16的源沿焊接方向19移动，而将工件12、14同时沿着与焊接方向19相对的方向移动。
[0028]如图1B中所示，由于能量16可以在焊接位置18形成熔融材料的池28。在熔融材料的池28中的开口限定由池28的自由表面界定的键槽26。随着能量16使工件12和14熔化，键槽26从最靠近能量16的工件12的表面朝工件12和14的分界面下降并且通过这些分界面。当能量16是激光束时，激光感应的等离子体30可以通过在接头中的(一个或多种)材料的电离而形成在键槽26中。:程的一个示例期间，组分材料22沸腾/汽的，由于组分材料22具有比形成(一个或多每点，形成汽化的材料24。
流20施加到熔融材料的池28。气体喷射流匕可以被说成在焊接过程期间执行半切割。
0I，并且也操纵在池28中的熔融材料以扩28稳定(如先前参照图2所描述的如以电喷射流20通过将熔融材料的一部分从池远端来操纵池28。池28的远端是池28的的端部。换言之，熔融材料被从键槽26的的键槽26为已汽化的材料24提供从工件
乾20的施加也可以转移激光感应的等离子大键槽26。需理解的是，激光感应的等离-到工件12、14中，这也有助于扩大键槽26。`喷嘴32沿着喷嘴轴线34 (以及因此流动轴线)以根据平行于能量16的方向的线所限定的角度α (也在图1B中示出，并且在本文被称为喷嘴角)输送气体喷射流20。喷嘴角α的范围可以从约O度至约90度。喷嘴轴线34可以与键槽26的引导轴线17重合。例如，在图1B中，键槽26的引导轴线17近似与气体喷射流20和喷嘴轴线34的主轴线对齐成一直线。类似地在图3Α中，键槽26前边缘近似与喷嘴轴线34对齐成一直线。
[0037]当喷嘴32相对地长且包含相对小的进口孔口和出口孔口时，可以实现气体流的期望的输送和压力级的期望的维持。现在将参照图4描述该喷嘴32的一示例。
[0038]进口孔口和出口孔口 40、42中的每一个具有范围从约0.1 mm至约200 mm的各自的等效直径，这可以取决于能量16的功率、焊接速度、以及工件12、14的厚度变化。在上下文中，“等效直径”是产生与不同的形状相同的压力损失的形状的直径。例如，用于具体的圆形进口孔40的直径X对应于用于具体的矩形出口孔42的直径Y，其中进口孔40具有与出口孔42相同的压力损失。在本文所公开的示例中，只要气体以与气体流经具有直径范围从约0.1 mm至约200 mm的环形喷嘴相同的方式流经喷嘴32，喷嘴32的孔口 40、42就可以具有任何形状和/或直径。因此，在一些实例中，从一个孔口 40到另一孔口 42的喷嘴的形状和直径是相同的(例如，喷嘴32不是渐缩喷嘴或渐扩喷嘴)。在其它实例中，孔口 40、42的形状和/或直径是不同的(例如，进口是圆形的，而出口是矩形的)。其它适当的形状包括椭圆形、正方形等。
[0039]在图4中所示的示例中，进口孔口和出口孔口 40、42具有相同的形状和直径。更具体地，进口孔口和出口孔口 40、42是圆形的并且被限定在由喷嘴壁38形成的圆柱形导管36的相对的端部中。喷嘴壁38可以是例如铜合金。在该示例中，孔口 40、42中的每一个的直径与圆柱形导管26的直径相同，该直径在整个圆柱形导管36的轴向长度L上是一致的。在该具体示例中，喷嘴32的直径范围从约0.2 _至约6 mm，并且轴向长度L的范围从约I mm至约200 mm。作为一特定不例，直径为约1.2 mm,并且轴向长度L为约26 mm。
[0040]如所描绘的，喷嘴32可以附接到(一个或多个)其它部件(例如，部件41 )，这可以使喷嘴32能够被连接到气体源。部件41可以包括中空部H，该中空部H与孔口 40流体(例如，气体)连通。该中空部H可以由实心部S限定。根据需要，部件41的形状和尺寸可以是不同的。在一个示例中，部件41是圆柱形的，其中实心部的直径为约15 mm，并且中空部H的直径为约8 mm。
[0041]气体喷射流20被从隔开距离(stand-off distance)施加到熔融材料的池28。隔开距离被定义为从喷嘴32的端部(S卩，在孔口 42处，气体喷射流20被从其喷射)到焊接位置18的距离。隔开距离的范围可以从约I _至约100 _。在一示例中，隔开距离为约6mm。该隔开距离以及更大的隔开距离(例如，与传统的激光切割过程相比)是相对大的，并且适合于本文所公开的方法，至少部分地因为被用来施加气体喷射流20的长的小喷嘴32。喷嘴32可以被轴向地安装。当喷嘴32被轴向地安装时，该隔开距离可以大于I mm，并且喷嘴直径可以大于2 mm。该隔开距离可以影响气体喷射流20的流动模型以及有助于控制被施加在熔池28和键槽26上的外部压力。作为一个示例，该隔开距离可以有助于如下外力:该外力大到足以使熔池28稳定，而不会引起熔融材料从池28的移除。虽然本文提供了示例隔开距离，但需理解的是，对于给定的激光功率，该隔开距离可以变化以调整焊接速度和质量。[0042]键槽26的引导轴线17的变化可以对焊接速度具有依赖性。作为一个示例，键槽26的引导轴线17可以随着焊接速度的增加而增加。在一些示例中，焊接速度可以针对给定的喷嘴角α (以及因此引导轴线17的角度)和给定的激光功率来选择。可能期望喷嘴角α与键槽26的引导轴线17的角度一致(例如，这些角度具有相同的度数，并且沿着相同的方向(X或-X)延伸或从平行于能量16的方向的线沿着相反的方向(X，-X)延伸)，以便于以扩大键槽26且不有害地影响熔融材料池28的方式导引气体喷射流20。键槽26的引导轴线17的角度可以由X射线摄像确定或可以由焊接区的横截面确定(例如，沿着焊接方向穿过工件12、14截取的横截面)。在一示例中,对于大于2 kW的激光功率，大于I m/min的焊接速度，以及大于0.5 mm的工件厚度，喷嘴角α的范围从约30°至约90°。
[0043]焊接速度被定义为焊接位置18沿着工件12、14在焊接方向19上前进的速率。示例焊接速度的范围可以从约0.5 m/min至约60 m/min。在特定示例中,焊接速度的范围可以从约I m/min至约8 m/min或从约6 m/min至约7 m/min。在另一特定示例中,在使用4 kW功率的激光和约0.6 mm的激光点的同时，在各自具有约2 mm的各自厚度的工件12、14上的焊接速度的范围可以从约I m/min至约8 m/min。在这些示例中,激光功率的范围可以从约IkW至约10kW。在一个示例中，当工件12、14各自具有约1.6 mm的厚度时，在约3 m/min的焊接速度下使用3.2 kW功率的激光。
[0044]气体喷射流20在例如范围从约0.01 L/min至约100 L/min的流率下被应用。在其它示例中，流率的范围可以从约0.01 L/min至约3 L/min。响应于线性能量、气体喷射流(即，喷嘴)角度α、焊接速度、隔开距离、和/或能量角度(即，能量16朝工件12、14被引导的角度)，可以确定该流率。需理解的是，本文的流率在STP (标准温度和压力)下被描述。在一示例中，激光功率大于lkW，焊接速度大于I m/min，并且流率范围从约3 SCFH至约60SCFH(即，从约 1.42 L/min 至约 28.32 L/min)。
[0045]如在该背景下所使用的最大线性能量被定义为近似能量级限制或阈值，在该阈值处或该阈值以下，所产生的已汽化的材料24的量可以使用本文参照图1至图4所描述的方法来平衡。在该阈值以上，认为在高压下已汽化的材料24的量无法由熔融材料的池28来平衡。该最大线性能量可以随着不同的工件厚度而变化。在这些示例中，对于1.5 _至1.5mm焊件，最大线性能量是1000 W/m/min,并且对于0.7 mm至0.7 mm焊件,最大线性能量是600 W/m/min。
[0046]如先前所提及的，气体喷射流20产生外部压力，该外部压力平衡已汽化的材料24的压力并且使熔融材料池28稳定。所产生的外部压力的范围可以从约I atm至约60 atm(表压力)。
[0047]如图3B中所示，需理解的是，在该方法的另一示例中，喷嘴轴线34和气体喷射流20可以被构造，使得气体喷射流20被施加到键槽26的引导轴线17。需理解的是，在该示例中，喷嘴轴线34可以与键槽26的尾轴线17’成一直线，该尾轴线17’位于大体上沿着键槽26的与引导轴线17相反的表面。在该示例中，气体喷射流20使熔融材料以期望的方式在池28中移动以便扩大键槽26。在该示例中，也可以将附加的气体流21导引至工件12、14的已经被焊接好的部分。通过在焊接位置后面将气体流21施加到工件12、14，可以实现冷却效应。需理解的是，气体流21可以由例如圆形、矩形的任何形状的喷嘴施加，并且该喷嘴的末端可以小于该喷嘴的其余部分。对于气体喷射流20对气体流21，喷嘴的相对大小可以是不同的，例如，用于施加气体流21的喷嘴可以具有比用于施加气体喷射流20的喷嘴更大的孔口。对于气体流21的轴线位置以及冷却流至少部分地取决于所使用的焊接速度和激光功率。
[0048]简单地参照图9，先前参照图1至图4所描述的焊接方法的示例方法由流程图100描绘。框102表示将能量16聚焦到无间隙搭接接头(即，搭接工件12、14)以焊接该接头的方法步骤。如先前所提及的，能量16和/或工件12、14相对彼此于移动以焊接整个无间隙搭接接头。在框104处，该方法进一步包括从通过焊接所产生的键槽26转移已汽化的材料24。已汽化的材料24借助能量16汽化。如在框106处所示，在一些实例中，该方法还包含从键槽26转移激光感应的等离子体30。在框108处，该方法还进一步包含操纵熔融材料的池28，如先前所描述。该方法涉及利用相对小量的相对高压力和集中的气体来扩大键槽26。
[0049]在本公开的其它示例中(在本文中被称为冷却示例或(一种或多种)带有冷却的焊接方法)，当焊接接头时，冷却可以或可以不结合气体喷射流20使用。在(一种或多种)带有冷却的焊接方法中，冷却降低接头的温度并且也降低由组分材料22的汽化所形成的已汽化的材料24的温度和体积。具体地，通过修改汽化组分材料24的温度和体积，可以控制已汽化的材料24的压力级。需理解的是，根据本公开的冷却示例可以排除对在传统的焊接过程中经常使用的保护气体、预热处理、吸入装置、和/或间隙的需要。
[0050]图10描绘出以附图标记200的带有冷却的焊接方法的示例的流程图。在框202处，该方法包括:焊接在第一板12 (S卩，工件12)与第二板14 (即，工件14)之间的无间隙搭接接头。板12、14的(一个或多个)搭接部形成将被焊接的无间隙搭接接头。焊接涉及将能量16聚焦到搭接板12、14 (即，无间隙搭接接头)以焊接该接头。第一和第二板12、14中的至少一个包含组分材料22作为在板12、14的基础/松散材料上的涂层或作为板12、14的基础/松散材料内的成分，该组分材料22具有比形成第一板12或第二板14的松散/基础材料的熔点低的沸点。在框204处，该方法进一步包括:冷却相邻于熔池28的第一板12或第二板14，以降低无间隙搭接接头的温度。以这种方式，降低了所形成的组分材料22的任何已汽化的材料24的温度、体积以及压力。
[0051]图5至图8图示出用于实施在图10中阐明的方法的不同的示例。在这些示例中的一些(图5至图7)中，使用不同的快速冷却系统将冷却气体喷射流50施加到(一块或多块)板12、14。在这些示例的其它示例(图8)中，热交换器或散热器被用来冷却板12、14。
[0052]在使用冷却气体喷射流50的示例中，冷却气体喷射流50可以是冷却的压缩空气、氩、氦、二氧化碳、氮等，及其混合物。冷却气体喷射流50可以具有范围从约-100°C至约25 °C的温度。
[0053]在涉及冷却气体喷射流50的这些示例中，冷却气体喷射流50的流率可以取决于焊接速度、线性能量、隔开距离、和/或工件12、14的厚度。一般而言，工件12、14的焊接速度、线性能量、隔开距离、和/或厚度越高/越大，冷却气体喷射流50的流率就越高。在焊接的工件12、14各自为1.4 mm厚的示例中，激光功率可以是3200 W，焊接速度可以是2.4m/min，并且冷却气体流率可以是60 SCFH (标准立方英尺每小时)。
[0054]需理解的是，在这些示例中，用于焊接的能量16可以是先前描述的相同的能量16，并且可以以与先前参照图1A和IB所描述的类似的方式将该能量16聚焦到期望的焊接点18上。例如，能量16的源和/或板12、14可相对于彼此沿着焊接方向19移动以焊接接头。然而，在这些示例中，需理解的是，当能量16的源被移动时，涉及气体冷却的任何系统也可以被移动，使得期望的冷却效应被实现。当使用热交换器(例如，如图8中所示)时，可以固定或移动热交换器。
[0055]现在参照图5，在焊接过程期间的冷却可以用快速冷却系统49来完成，该系统通过中央孔51输送能量16并且通过围绕中央孔51的区域53输送冷却气体喷射流50。在该示例中，区域53被限定在外壁55与内导流板52之间。区域53具有进口 57和出口 59，并且冷却气体喷射流50从某冷却气体源(未示出)引入进口 57、通过区域53并从出口 59出来朝着板12、14被导引。在图5中所示的示例中，快速冷却系统49被构造为使得冷却气体喷射流50最初被与能量16的能量方向同轴地对准，但然后被重新定向以基本上避免冷却气体喷射流50进入到键槽26中(能量16被聚焦于该处)。如所描绘的，快速冷却系统49被设计用以圆周地围绕焊接位置18输送冷却气体喷射流50，使得冷却气体喷射流50被施加到板/工件12、14而非到键槽26。例如，包含区域53的快速冷却系统49可以具有截头圆锥形状以导引环绕键槽26的冷却气体喷射流。
[0056]使用图5中所示的系统49，冷却气体喷射流50环绕键槽26被施加到板12、14以冷却板12、14内的组分材料22。如以上所指出的，组分材料22也可以作为在板12、14的一个或两个表面上的涂层而存在。虽然由于焊接形成了 一些已汽化的材料24，但是通过熔池28中的液体金属的温度的相应降低，该冷却降低了已汽化的材料24的压力。这种温度下降有助于增加池28中的在焊接期间形成的熔融材料的粘度以及使熔融材料池28稳定。
[0057]在另一冷却示例中，可以将冷却气体喷射流50施加到相对于焊接方向19在熔池28前面的第一板12或第二板14。在该示例中，快速冷却系统49’(参见图6)能够输送冷却气体喷射流50，使得冷却气体喷射流50的方向平行于能量16的方向，并且使得冷却气体喷射流50被导引至在熔池28前面的板12、14。在图6中，使焊接从左至右跨过页面完成，从而将冷却气体喷射流50施加到熔池28的前面。该冷却气体喷射流50可以被单独使用，或与另一冷却气体喷射流50’结合使用。
[0058]图6图示出对相对于焊接方向19在熔融材料池28的前面和后面都冷却板12、14。具体地，可以将冷却气体喷射流50’相对于焊接方向19在熔池28后面施加到第一板12或第二板14，同时可以将另一冷却气体喷射流50相对于焊接方向19在熔池28前面施加到第一板12或第二板14。在该示例中，两个不同的快速冷却系统49’、49’’被利用以将各自的冷却气体喷射流50、50’输送到板12、14的相应的区域。
[0059]除了上面提及的用于在熔池28的前面冷却的优势外，在熔池28后面冷却的引入进一步提供缩短用于固化先前焊接的熔融金属的时间的优势。这可以带来较好的质量焊接。需理解的是，可以使用快速冷却系统49’、49’’和冷却气体喷射流50、50’的各种其它位置和构造来降低无间隙搭接接头的温度，从而降低组分材料22的温度和形成的已汽化的材料24的压力。
[0060]图7图示出快速冷却系统49和49’的一个示例。该系统49、49’包含涡旋管58。一般地，涡旋管58包含特别设计的室(涡流室62)和锥形喷嘴64。压缩气体60被以正切于涡流室62的表面的角度喷射到涡流室62中，并且被加速到高的旋转速率。涡流室62的压力和内部形状的组合将气体60加速到高的旋转速率，该高的旋转速率可以是例如超过1，000，OOO rpm。气体60被分成两股流，其中一股对另一股提供动能。这将气体60分离成热气体/空气流66的外涡流和冷气体/空气流68的内涡流。在管58的一端处的锥形喷嘴64允许压缩气体的外涡流(即，热气体/空气流66)独自从管58的该端离开。在内涡流中冷却空气流68被迫返回到管58的另一端70，内涡流在热气体/空气流66的外涡流之内。冷却气体/空气流68在与锥形喷嘴64相对的那端70处离开涡旋管58。，系统49’、49’ ’可以在策略上被定位以实现如上所讨论的(一块或多块)板12、14以及组分材料22的冷却。
[0061]在图7中所示的示例中，冷气体/空气流66的温度可以至少部分地取决于压缩空气的压力。一般地，压力越高，温度越低。
[0062]现在参照图8，快速冷却系统49’ ’ ’的另一示例被描绘。该快速冷却系统49’ ’ ’是热交换器或散热器并且不涉及冷却气体喷射流50、50’的施加。相反，该热交换器/散热器快速冷却系统49’ ’ ’具有在其中流动的冷却剂。该冷却剂在进口(如箭头72所示)处被引入并且通过出口(如以箭头74所示)离开。在一示例中，该冷却剂是液态水,但需理解的是，也可以使用各种其它冷却剂。例如，具有受控的温度和压力的冷却空气可以被用作冷却剂。
[0063]热交换器/散热器快速冷却系统49’ ’ ’环绕焊接点18被直接定位在板/工件12或14上。需理解的是，热交换器/散热器快速冷却系统49’ ’’可以被定位在工件12、14的任一侧上(即，在工件12、14的顶部上或底部上)。这些定位构造使得能量16能够被聚焦到焊接点18，从而允许熔融材料池28和键槽26被形成。随着冷却剂流经热交换器快速冷却系统49’ ’ ’，它冷却相邻的工件12或14，包括位于其中的或其(一个或多个)表面上的组分材料22。虽然作为焊接的结果形成了一些已汽化的材料24，但是冷却降低了已汽化的材料24的压力。这种压力降低有助于增加在池28中的熔融材料的粘度，从而使熔融材料池28稳定并且减少飞溅物等。
[0064]在另一示例中，散热器可以是被放置在工件12、14下面或环绕焊接点18的顶部的金属板。金属板被选择为具有比工件12、14 (例如，镀锌的钢板)高的热量(即，热)传导性。例如，该金属板可以是铜板。
[0065]为了进一步说明出本公开，本文给出一些示例。需理解的是，提供这些示例用于说明的目的并且不应被解释为限制本公开的范围。
[0066]示例 比较示例I
图1lA描绘出经传统的激光焊接过程形成的比较试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片。在该比较示例中，均由DP 980钢制的1.2 mm厚的板和1.5 mm厚的板被用作工件。板彼此搭接，它们之间基本上没有间隙。激光功率在0.6 mm聚焦点处是3500 W。焊接速度是2.4 m/min。纯净的氩保护气体在30 SCFH (标准立方英尺每小时)的流率下被使用。用来施加保护气体的喷嘴的内径是10 mm并且具有圆柱形状。焊接过程的结果表明，在工件的表面上有飞溅物，并且在焊线中有许多气孔。
[0067]示例2
图1lB描绘出第一示例试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片。第一示例试验焊缝经根据本公开的焊接方法形成。在该示例中所使用的焊接方法代表参照以上图1-4所描述的方法。DP 980钢制的两块1.6 mm厚的板被用作工件，并且这些工件被构造成在它们之间基本上没有间隙。使用具有3200 W的功率和0.6 mm的聚焦点的激光。焊接速度是3 m/min。纯净的氩气在30 SCFH (标准立方英尺每小时)的流率下被用于气体喷射流20。用来施加氩气的喷嘴的内径小于在比较示例I中所使用的喷嘴并且具有圆柱形状。结果表明，在工件的表面上基本上没有飞溅，并且在焊线中有基本上没有气孔。此外，虽然未示出，但结果表明，在焊接完成之后，在工件的背面上的涂层保持完好。
[0068]与比较示例I不同，该方法提供扩大的键槽以排出锌蒸汽。使用比较示例I的方法，激光功率到工件12、14中的耦合比采用该方法低。此外，与使用该方法相比，键槽在使用比较示例I的方法的情况下在更大范围上波动。至少由于这些原因，与比较示例I的结果相比，第一示例试验焊缝(即，示例2)的结果表明有所提高。此外，示例2的方法提供了焊接的全熔透，而比较示例I的方法仅提供了部分熔透。如图1lA和IlB中所描绘的，在比较示例I中观察到大量的飞溅物和气孔，而在示例2中则未观察到飞溅物或气孔。
[0069]示例3
图1ic描绘出第二示例试验焊缝的最初的彩色照片的黑白显微照片。第二示例试验焊缝通过根据本公开的带有冷却的焊接方法而形成。所使用的带有冷却的焊接方法代表以上参照图5-8所描述的方法。DP 590钢制的两个1.4 mm厚板被用作工件，并且这些工件构造成在它们之间基本上没有间隙。使用具有3200 W的功率和0.6 mm的聚焦点的激光。焊接速度是2.4 m/min。未使用任何保护气体，但通过将冷却气体在熔池和键槽的前面施加到工件12、14上来完成冷却。结果表明，在工件的表面上基本上没有飞溅，并且在焊线中基本上没有气孔。
[0070]需要理解的是，在本说明书和权利要求中，对词语“a (—个)”和“an (—个)”以及其它单数所指事物的使用也可以包括多个，除上下文清楚地另外指示之外。
[0071 ] 需理解的是，本文所提供的范围包含所陈述的范围以及在所陈述的范围内的任何值或子范围。例如，从约-100°c至约25°C的范围应被解释为不仅包含明确列举的从约-100°C至约25°C的界限，而且还包含诸如-80°C、0°C、4°C等的单独的值及诸如从约-100°C至约0°C、从约10°C至约15°C等的子范围。而且，当“约”被利用以描述一个值时，这意味着包含从所陈述的值的小变动(高达+/_10%)。
[0072]虽然已经详细地描述了几个示例，但是对于本领域的技术人员来说明显的是，可以修改所公开的示例。因此，前面的描述将被视为非限制性的。
【权利要求】
1.一种焊接在两个工件之间的接头的方法，所述方法包括: 将能量聚焦到所述接头以焊接所述接头，所述能量的焦点相对于所述接头移动； 从通过所述焊接产生的键槽转移已汽化的材料，所述已汽化的材料被所述能量汽化；以及 通过如下方式操纵在所述能量在所述接头处的作用期间所形成的与所述键槽相邻的一池熔融材料:将所述熔融材料的一部分从所述池的近端以及从所述池的横向侧转移到所述池的远端，所述远端是所述近端的远侧。
2.如权利要求1中所限定的方法，其中所述能量是激光束，并且所述方法进一步包括:施加气体喷射流以从所述键槽转移激光感应的等离子体，所述激光感应的等离子体通过用所述激光束电离在所述接头中的材料而形成。
3.如权利要求1中所限定的方法，其中所述两个工件中的任一个包含具有比形成所述两个工件中的任一个的基础材料的熔点低的沸点的组分材料，并且所述已汽化的材料包含处于蒸汽状态的所述组分材料。
4.如权利要求1中所限定的方法，其中从所述键槽转移所述已汽化的材料以及操纵所述一池熔融材料均通过对所述一池熔融材料施加气体喷射流而完成。
5.如权利要求4中所限定的方法，其中所述气体喷射流沿着喷嘴轴线以根据平行于所述能量的方向的线所限定的角度被施加到所述一池熔融材料，所述角度的范围从约O度至约90度。
6.如权利要求4中所限定的方法，其中所述气体喷射流由具有喷嘴壁的喷嘴形成，所述喷嘴壁限定了从所述喷嘴的进口孔到所述喷嘴的出口孔具有约26 mm的轴向长度的圆柱形导管。
7.如权利要求4中所限定的方法，其中所述气体喷射流由具有进口孔和出口孔的喷嘴形成，所述进口孔和出口孔各自具有范围从约0.1 mm到约200 mm的各自的等效直径。
8.一种焊接在第一板与第二板之间的接头的方法，所述方法包括: 将能量聚焦到所述接头以焊接所述接头，所述第一和第二板中的至少一个具有比形成所述第一板或第二板的基础材料的熔点低的沸点的组分材料，所述第一板搭接所述第二板的至少一部分；以及 冷却相邻于熔池的所述第一或第二板以降低所述接头的温度，从而降低所述组分材料的已汽化的形式的温度和体积。
9.如权利要求8中所限定的方法，其中冷却包括应用具有冷却剂在其中流动的热交换器，或应用具有比所述第一和第二板高的热传导性的散热器。
10.如权利要求8中所限定的方法，其中冷却包括应用冷却气体喷射流。
【文档编号】B23K26/14GK103831531SQ201210480850
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】D.杨 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司