通过添加合金元素对涂覆钢板进行激光焊接的方法与流程

本发明总体上涉及用于对诸如在汽车和其它组件中使用的部件之类的金属板部件进行激光焊接的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于通过将合金元素添加到熔池中而对涂覆的金属板进行激光焊接的方法和系统。

背景技术：

汽车工业面临着在提高所生产的汽车的安全性和碰后生还概率的同时提高燃油效率以满足或超出法定最低标准的持续挑战。实现这两个目标的一种方式在于使用具有优异的机械强度和高抗冲击性等的轻质材料。以这种方式，可以减轻车辆的总重量，从而在没有牺牲碰撞情况下吸收冲击能的能力的情况下实现提高的燃料效率。这种策略被广泛用于生产机动车辆的防入侵部件、结构部件或安全部件，比如保险杠、门加强件、B柱加强件和车顶加强件。

通常，必须要将不同的金属板件连结在一起以形成所需的部件。例如，通过优选地经由激光焊接将两个或更多个不同组成成分和/或不同厚度的钢坯件连结在一起而形成“对接焊接的坯件”。在对焊接的坯件进行冷压后，获得了具有在其自身内变化的机械强度特性、可加压特性和冲击吸收特性的部件。因此，可以在部件内的不同位置处提供不同的机械特性，而没有对整个部件产生不必要的或昂贵的代价。例如，可以通过将具有高机械强度的第一钢坯件和具有相对较低的机械强度的第二钢坯件连结在一起来获得B柱。在冲击期间，变形集中在B柱的由第二钢坯件形成的部分内，使得冲击能以期望的方式被安全地吸收。

为了避免对在这种激光焊接坯件的热成型期间提供受控的炉内气氛的需要以及还为了提供改善的耐腐蚀性，通常使用诸如具有铝-硅预涂覆层的硼钢之类的涂覆金属板材料来制造这种坯件。不幸的是，对这种预涂覆的金属板材料进行激光焊接的方法导致预涂覆材料中的一些预涂覆材料被转移到焊接操作期间产生的熔融区域中。焊接坯件的随后的奥氏体化和淬火将使得来自预涂覆材料的金属元素与钢板的铁或其它元素变成合金，从而在焊接接合部中形成脆性的金属间化合物。在随后的机械载荷下，这些金属间化合物往往是静态条件或动态条件下开裂的起始位置。因此，由于因焊接和随后的合金化及奥氏体化而导致的这些金属间化合物的存在，热处理后的焊接接合部的整体可变形性显著降低。焊接金属中的铝污染物导致的另一种不利影响是在随后的热冲压操作中抑制马氏体结构的形成，使得焊接金属强度降低。

在美国专利8,614,008中，Canourgues等人指出期望消除上述金属间化合物的源头，即消除在激光焊接期间熔融的初始表面金属涂覆层。然而，简单地消除未来焊接接合部的两侧上的预涂覆区域将在焊接操作之后导致焊接接合部的两侧上的区域不再具有任何表面金属预涂覆层。发生这种情况的原因在于移除掉预涂覆层的区域的宽度必须至少等于在焊接期间熔融的区域的宽度，以便不会促使金属间区域的随后形成。Canourgues等人指出：在实践中被移除的预涂覆层的宽度必须远大于该最小量，以在组装操作期间允许熔融区域的宽度波动。不幸的是，在进一步的合金化和奥氏体化热处理期间，紧挨着焊接部的未涂覆区域内会产生结垢和脱碳。此外，这些未涂覆的且因此未受保护的区域在部件投入使用时有腐蚀的倾向。

Canourgues等人继续公开了他们惊人的发现，即，仅消除预涂覆层的一部分对解决上述腐蚀问题仍然有效。具体地，他们的解决方案涉及移除整个厚度的金属合金层，而将下面的与钢基体接触的金属间合金层就位保留。Canourgues等人强调，精确地移除金属合金层包括测量在移除过程期间暴露的表面的入射率或反射率，并且在测量值与参照值之间的差超过临界阈值时停止移除。由于在移除金属合金层期间金属间合金层保持不受干扰，因此移除掉金属合金层的区域的宽度可以比焊接部宽度的一半大20％至40％。在焊接过程期间，金属合金层不会熔融到焊池中，并且因此不会沿着焊接接合部形成金属间区域。焊接接合部的两侧上的未受干扰的金属间合金层在部件投入使用时提供了防腐蚀保护，但没有对在焊接接合部中形成金属间化合物做出明显贡献。

Canourgues等人公开的解决方案是优异的，并且产生了防腐蚀的强焊接接合部，但这在实践中也是很难实施的。具体地，非常难以在使下面的金属间合金未受干扰的情况下通过机械刷涂或激光烧蚀来实现对金属合金层的精确移除。此外，该方法耗时且劳动强度大，这是由于焊接坯件的每个部件都必须单独处理，放置在第一工作站中来进行金属合金层的移除，移动至第二工作站并相对于焊接坯件的另一部件定位，并且最终在第二工作站中将分离的部件焊接在一起。当然，操作用于移除金属合金层和用于焊接处理的分离的工作站增大了占地要求，并且需要成倍的激光源和激光光学组件等。这种情况是必须的，原因在于要使用脉冲波式激光器来移除金属合金层并且要使用连续波式激光器来执行激光焊接。特别地，Canourgues等人描述了使用高能量密度的光束来使预涂覆层的表面蒸发并驱除。

克服上述现有技术的限制和缺点中的至少一些限制和缺点将是有益的。

技术实现要素：

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于将金属板激光焊接在一起的方法，金属板预涂覆有含铝-硅层，该方法包括：将预涂覆的金属板相对于彼此布置成使得板中的一个板的边缘与板中的另一个板的边缘相邻并接触；在没有沿着预涂覆的金属板的相邻的边缘移除含铝-硅层的情况下，沿着所述相邻的边缘形成激光焊接接合部，使得来自含铝-硅层的铝进入在形成激光焊接接合部期间形成的熔池；以及在形成激光焊接接合部期间将合金材料引入到熔池中，其中，合金材料在熔池中与从铝-硅层进入熔池的铝中的至少一些铝形成化合物。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于将金属板激光焊接在一起的方法，金属板具有预涂覆有含铝-硅层的基体，该方法包括：将预涂覆的第一金属板相对于预涂覆的第二金属板布置成使得第一板的边缘和第二板的边缘彼此相邻地设置并且在第一板与第二板之间限定接合面；将散焦的激光束沿着第一板与第二板之间的接合面进行扫描，从而照射第一板和第二板的相邻的边缘；在将所述散焦的激光束进行扫描期间，朝向第一板的和第二板的被照射的边缘引导粉末合金材料，从而在含铝-硅的预涂覆层上形成粉末合金材料的熔覆层；以及在形成熔覆层之后，将聚焦的激光束沿着第一板与第二板之间的接合面进行扫描，以在第一板与第二板之间形成激光焊接接合部，其中，聚焦的激光束产生熔池，熔池包括来自第一板的和第二板的基体材料、来自含铝-硅的预涂覆层的铝和来自熔覆层的合金材料；以及其中，合金材料在熔池中与铝中的至少一些铝形成化合物。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于将金属板激光焊接在一起的方法，金属板预涂覆有含铝-硅层，该方法包括：将预涂覆的第一金属板相对于预涂覆的第二金属板布置成使得第一板的边缘和第二板的边缘彼此相邻并且在第一板与第二板之间限定接合面；在单次扫描中用聚焦的激光束照射板中的每个板的与接合面相邻的区域，以在每个板的被照射的区域内形成包括来自含铝-硅层的铝的熔池；并且在照射期间，将合金材料引入到熔池中，其中，合金材料在熔池中与铝中的至少一些铝形成化合物。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于将预涂覆的金属板激光焊接在一起的系统，该系统包括：支承件，支承件用于将预涂覆的第一金属板相对于预涂覆的第二金属板以预定取向保持成使得第一板的边缘和第二板的边缘彼此相邻地设置并且限定接合面；至少一个激光光学组件，所述至少一个激光光学组件与激光源光连通；至少一个致动器，所述至少一个致动器用于使所述至少一个激光光学组件相对于支承件相对地移动；以及粉末输送导管，粉末输送导管与粉末合金材料源连通并且具有沿着扫描方向设置在所述至少一个激光光学组件的前方的输出端部，粉末输送导管的输出端部的位置相对于所述至少一个激光光学组件是固定的，以在使所述至少一个激光光学组件相对于支承件相对地移动期间朝向沿着接合面的预定点导引粉末合金材料流。

附图说明

现将仅通过示例并且参照附图来描述本发明，其中在整个若干幅视图中，相似的附图标记表示相似的元件。应当理解，附图不一定是按比例的。在某些情况下，省略了对理解本公开不必要的或致使其它细节难以被观察的细节。

图1A是示出根据本发明的实施方式的两步骤式方法的激光熔覆步骤的立体图，其中合金材料的熔覆层沿着预涂覆的金属板的相邻的边缘之间的未来焊接接合部形成。

图1B是示出在两步骤式方法的激光包覆步骤期间图1A的预涂覆的金属板中的一个金属板的边缘的侧视图。

图2A是根据本发明的实施方式的两步骤式方法的激光焊接步骤的立体图，其中来自熔覆层的合金材料被混合到熔池中。

图2B是示出在两步骤式方法的激光焊接步骤期间图2A的预涂覆的金属板中的一个金属板的边缘的侧视图。

图3A是示出根据本发明的实施方式的一步骤式方法的立体图，其中粉末形式的合金材料被引导到在将预涂覆的金属板激光焊接在一起时形成的熔池中。

图3B是示出在一步骤式方法期间图3A的预涂覆的金属板中的一个金属板的边缘的侧视图。

图4A是示出使用一步骤式方法形成搭接焊接部的端视图。

图4B是沿着图4A的搭接焊接部的截面侧视图。

具体实施方式

提供以下描述以使得本领域技术人员能够制造及使用本发明，并且以下描述是在特定应用及其要求的情况下提供的。所公开的实施方式的各种修改对于本领域技术人员而言将是明显的，并且在不背离本发明的范围的情况下，本文限定的一般原理可以被应用于其它实施方式和其它应用。因此，本发明不旨在限于所公开的实施方式，而是符合与本文公开的原理和特征相一致的最宽范围。

图1A和图1B描绘了根据本发明的实施方式的两步骤式激光焊接方法的第一步骤。图2A和图2B描绘了两步骤式激光焊接方法的第二步骤。更具体地，图1A是示出第一步骤的简化立体图，其中粉末形式的合金材料100沿着预涂覆的钢板102和钢板104的相邻的边缘之间的接缝106被激光熔覆到板102和104上。图1B描绘了板102的沿着接缝106的边缘，其中，图1B也处于第一步骤期间。通过具体的而非限制性的示例，粉末形式的合金材料100包括镍和铬中的至少一者，并且经由诸如与未示出的合金材料源连通的侧导管108之类的粉末输送导管提供。可选地，侧导管108在其输出端部处包括用于控制粉末合金材料的输送的未示出的喷嘴。板102包括基体112，基体112具有设置在板112的一个侧部上的第一预涂覆层114和设置在板112的与第一侧部相反的第二侧部上的第二预涂覆层116。类似地，板104包括基体118，基体118具有设置在基体118的一个侧部上的第一预涂覆层120和设置在基体118的与第一侧部相反的第二侧部上的第二预涂覆层122。在图1A中所示的示例中，基体118相对于基体112较厚，但是可选地，基体具有相同的厚度。通过具体而非限制性的示例，基体112和118由硼钢制造，并且可以是不类似的，例如具有不同的机械特性和/或不同的合金组成成分。预涂覆层114、116、120和122以已知的方式形成，比如通过将基体112和118浸涂到熔融铝或熔融铝合金的池子中。在图1A中，板102和104被示出为布置成使得待焊接在一起的板边缘对接抵靠彼此以限定接缝106。可选地，板102和104相对于彼此布置成形成不同类型的焊接接合部，比如搭接焊接接合部。

应当理解，为了简化起见，预涂覆层114、116、120和122在图1A和图1B中(以及在图2A、图2B、图3A和图3B中)被描绘为单层。然而，在实践中，预涂覆层包括与钢基体102或104接触的金属间合金层以及与金属间合金层接触的金属合金层。通常，预涂覆层114、116、120和122的材料具有比其下面的钢基体102或104的熔融温度低得多的熔融温度。例如，与对应钢基体的约1500℃的熔融温度相比，铝-硅合金涂覆层具有低于600℃的熔融温度。

现参照图1A和图1B。在第一步骤期间，激光光学组件124经由统称为激光源126的光纤接收来自连续波式激光源的激光，并且朝向板102和104的相邻的表面区域在接缝106的两侧上发射散焦的且相对低功率的激光束128。通过示例的方式，激光光学组件124包括至少一个透镜，并且激光源126的光纤是单芯光纤或多芯光纤束。在粉末合金材料100经由导管108被供给时，散焦的低功率的激光束128将粉末合金材料100熔融，并且熔融的合金材料随后凝固并固化，从而在预涂覆层114和120的顶部上形成合金材料的熔覆层110。散焦的低功率的激光束128沿由图1A和图1B中的框箭头150指示的方向相对于基体102和104进行扫描，使得熔覆层110沿着接缝106的长度延伸。

现参照图2A，示出了激光焊接方法的第二步骤的简化立体图，其中在板102与板104之间形成激光焊接部132期间，来自熔覆层110的合金材料被混合到熔池136中。图2B描绘了板102的沿着接缝106设置的边缘，其中，图2B也处于形成激光焊接部132期间。如图2A和图2B中所示，聚焦的高功率的激光束134沿由框箭头150指示的方向相对于板102和104进行扫描。聚焦的高功率的激光束134具有足够的功率和强度以将基体112和118的材料熔融，从而形成熔池136。在激光焊接期间，合金材料的熔覆层110以及预涂覆层114和120的与接缝106相邻的材料也被熔融并变得混合到熔池136中。来自熔覆层110的合金材料例如是富含镍的材料，并且能够与从预涂覆层114和120进入熔池136的铝形成化合物。例如在熔池136中形成Ni₃Al和NiAl中的至少一者并且至少一者在熔池136中保持稳定。有利地，合金材料中的镍是马氏体促进剂，并且因此熔池136中的镍的存在至少部分地补偿了在激光焊接期间从预涂覆层114和120引入的铝的不利影响。可选地，合金材料还包括铬，其与镍的组合可以改善焊接接合部的特性，并实现更大的淬透性、更高的冲击强度和抗疲劳性、以及更高的切口韧性。有利地，由于在熔池136中形成的稳定化合物，还可以改善耐腐蚀性。

上述两步骤式激光焊接方法可以在单个工作站处进行，并且可以控制同一激光光学组件124和同一激光源126而在第一步骤期间扫描散焦的低功率的激光束128并在第二步骤期间扫描聚焦的高功率的激光束134。有利地，这两个步骤可以在同一工作站处执行，使得劳动力成本降低并且地面空间利用更好。更有利地，在将板102和104激光焊接在一起之前，不需要部分地或完全地移除与焊缝106相邻的预涂覆层的材料。使用两步骤式方法生产的焊接部具有改善的耐腐蚀性，并且可以改变或调整激光焊接部的机械特性以更好地匹配所连结的材料。当然，由于未使用的粉末可能会沉积在工件上和当前的工作环境中，粉末合金材料的使用需要足够安全的设备和额外的清洁。

现参照图3A和图3B，示出了根据本发明的实施方式的一步骤式激光焊接方法。具体地，图3A是示出一步骤式激光焊接方法的简化立体图，其中粉末形式的合金材料100被熔融并直接引入到在预涂覆钢板102和104沿着接缝106被激光焊接在一起时形成的熔池136中。图3B描绘了板102的沿着接缝106布置的边缘，其中，图3B也处于一步骤式激光焊接方法期间。在该一步骤式激光焊接方法期间，聚焦的高功率的激光束134将基体112和118的材料熔融，从而形成熔池136。此外，聚焦的高功率的激光束134将与接缝106相邻的预涂覆层114和120熔融，从而使得来自预涂覆层114和120的铝进入熔池136。聚焦的高功率的激光束134还将经由诸如侧导管108之类的粉末输送导管提供的粉末合金材料100熔融，并且熔融的粉末合金材料100变得混合到熔池136中。可选地，侧导管108在其输出端部处包括用于控制粉末合金材料的输送的未示出的喷嘴。合金材料例如是能够与从预涂覆层114和120进入熔池136的铝形成化合物的富含镍的材料。熔池中形成了例如Ni₃Al和NiAl中的至少一者，Ni₃Al和NiAl中的所述至少一者在熔池中保持稳定并且在冷却完成之后存在于焊接金属中。有利地，合金材料中的镍是马氏体促进剂，并且因此熔池136中的镍的存在至少部分地补偿了从预涂覆层114和120引入的铝的不利影响。可选地，合金材料还包括铬，其与镍的组合可以改善焊接接合部的性能，并实现更大的淬透性、更高的冲击强度和抗疲劳性、以及更高的切口韧性。有利地，由于在熔池136中形成的稳定化合物，还可以改善耐腐蚀性。

上述一步骤式激光焊接方法可以在单个工作站处执行，并且有利地，在将板102和104激光焊接在一起之前不需要部分地或完全地移除与焊缝106相邻的预涂覆层的材料。使用一步骤式方法产生的焊接部具有改善的耐腐蚀性，并且可以改变或调整激光焊接部的机械特性以更好地匹配所连结的材料。当然，由于未使用的粉末可能会沉积在工件上并且沉积在当前的工作环境中，粉末合金材料的使用需要足够安全的设备和额外的清洁。

参照图1至图3描述的焊接接合部为对接焊接部，其中一个板102的边缘对接抵靠另一个板104的边缘，并且两个板位于同一平面中。当然，上述两步骤式方法和一步骤式方法也可用于形成诸如搭接焊接部之类的不同类型的焊接部。图4A是示出使用一步骤式方法形成搭接焊接部的端视图，并且图4B是沿着图4A的搭接焊接部的截面侧视图。在图4A和图4B中，板102和104设置在不同的平面中，一个板在另一个板之上，使得沿着板102和104的边缘存在重叠部400。聚焦的高功率的激光束134沿由如图4A中的箭头150指示的离开页面的方向进行扫描，从而将板104的基体118、预涂覆层120和122的材料以及板102的预涂覆层114和基体112中的至少一些部分的材料熔融，从而形成熔池136。同时，粉末形式的合金材料100经由诸如侧导管108之类的粉末输送导管直接供给到熔池136中。可选地，侧导管108在其输出端部处包括用于控制粉末合金材料的输送的未示出的喷嘴。如图4B中所示，当聚焦的高功率的激光束134沿由箭头150指示的方向进行扫描时，随着在聚焦的高功率的激光束134向前移动之后熔池136的金属冷却而形成了焊接部132。

仍参照图4A和图4B，合金材料例如是能够与从预涂覆层120、122和114进入熔池136的铝形成化合物的富含镍的材料。熔池中形成了例如Ni₃Al和NiAl中的至少一者，Ni₃Al和NiAl中的所述至少一者在熔池中保持稳定并且在完成冷却之后存在于焊接金属中。有利地，合金材料中的镍是马氏体促进剂，并且因此熔池136中的镍的存在至少部分地补偿了从预涂覆层引入的铝的不利影响。可选地，合金材料还包括铬，其与镍的组合可以改善焊接接合部的性能，并实现更大的淬透性、更高的冲击强度和抗疲劳性、以及更高的切口韧性。有利地，由于在熔池136中形成的稳定化合物，还可以改善耐腐蚀性。

当然，两步骤式方法可以进行类似的改变从而用于在预涂覆的金属板之间形成搭接接合部。例如，可以沿着板中的顶部板比如图4A和图4B中所示的板104上的未来焊接接合部形成合金材料的熔覆层。在形成合金材料的熔覆层之后，聚焦的高功率的激光束沿着熔覆层进行扫描，从而将合金材料熔融并混合到熔池中。存在于合金材料的熔覆层中的镍和/或铬与已经从金属板的预涂覆层进入熔池的铝形成化合物，如参照图1至图4所讨论的。

尽管以上描述构成了本发明的多个实施方式，但是应当理解，在不背离所附权利要求的真实含义的情况下，本发明可以进一步修改及改变。