用于镀锌钢的激光边缘焊接的抑制激光引起的烟柱的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总的来说涉及改善激光焊接操作中的焊缝质量，并且更具体地涉及用于通 过抑制在镀锌钢被激光焊接时出现的激光引起的烟柱而稳定熔池的系统和方法，其中通过 将来自喷嘴的气体应用到焊缝区域来实现所述稳定并且该气体被以足够的速度和质量流 率应用以消散所述烟柱。
【背景技术】
[0002] 镀锌钢被广泛应用于汽车工业中和抗锈蚀是重要的其它工业中。例如，汽车通常 使用镀锌钢作为车顶、车身侧面板、车门框架、底板和其它部件。
[0003] 大多数小汽车和卡车由数个结构面板和车身面板组成，它们被铜焊或焊接在一 起。焊接比铜焊更优，因为焊接通常能被更快且更廉价地执行。同时，现代的车辆的组装操 作使得激光焊接被广泛使用，这是由于激光焊接设备的速度、经济性和可重复性。不过，当 激光焊接镀锌钢时，出现了影响最终产品的质量的问题。这个问题就是在钢板上的锌镀层 会在焊接过程中汽化，并且锌蒸汽干扰了焊缝区域中的熔融金属池。具体来说，锌蒸汽会引 起焊缝本身中的吹孔和多孔性，以及在焊缝周围区域中的飞溅。
[0004] 已知的解决焊缝质量问题的方案都具有其自身的缺点。例如，用铜焊镀锌钢来代 替焊接镀锌钢会增加操作成本并减少了产量。类似地，在焊缝区域中建立惰性气体环境也 会增加成本。需要一种没有这些缺点的方案。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的教导，公开了一种系统和方法，其通过抑制在激光焊接镀锌钢时出 现的激光引起的烟柱来稳定激光焊接操作中的熔池。该烟柱是锌汽化的结果，并且该烟柱 中的锌蒸汽干扰了熔池并引起了吹孔、飞溅和多孔性。借助通过喷嘴将例如空气的气体应 用到焊缝区域来实现所述稳定，其中所述气体具有足够的速度和流率以将锌蒸汽从熔池吹 走。这被证明显著地改善了焊缝质量结果。公开了产生最优结果的构造参数一包括气体流 率和速度、以及喷嘴相对于激光在钢板上的冲击位置的位置和取向。
[0006] 通过结合附图理解下面的描述和所附的权利要求能够容易理解本发明的另外的 特征。
[0007] 本申请还提供了如下方案： 方案1. 一种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的装置，所述装 置包括： 固定装置，所述装置的其它部件被安装到该固定装置上，所述固定装置沿着运动方向 运动并且正被焊接的所述薄板静止不动； 焊接激光，其被安装到所述固定装置并且并定向为朝着焊接点，所述焊接点是所述激 光冲击正被焊接的所述薄板处的点；以及 保护气体提供系统，其被安装到所述固定装置，所述保护气体提供系统包括喷嘴，所述 喷嘴提供保护气体流，并且所述保护气体流具有至少10米/秒的速度和至少10克/秒的 质量流率，并且在焊接期间所述保护气体流消散等离子体和蒸汽烟柱并且防止该烟柱不利 地影响焊缝质量。
[0008] 方案2.如方案1所述的装置，其中所述保护气体流具有在30-120米/秒范围内 的速度。
[0009] 方案3.如方案2所述的装置，其中所述保护气体流具有在10-660克/秒范围内 的质量流率。
[0010] 方案4.如方案1所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述焊 接激光前面。
[0011] 方案5.如方案4所述的装置，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光前面的8-12mm 范围内并且在所述焊接点上方的6-12mm范围内，并且所述喷嘴被取向为将所述保护气体 流直接引导到所述焊接点。
[0012] 方案6.如方案1所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述焊 接激光后面。
[0013] 方案7.如方案6所述的装置，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光后面的8-12mm 的范围内并被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并且所述喷嘴被取向为将所述 保护气体流引导到所述焊接点前面的〇_3mm范围内的目标点处。
[0014] 方案8.如方案1所述的装置，其中所述喷嘴具有带有8-12mm范围内的直径的圆 形横截面。
[0015] 方案9.如方案1所述的装置，其中所述保护气体是空气。
[0016] 方案10. -种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的装置，所 述装置包括： 固定装置，所述装置的其它部件被安装到该固定装置上，所述固定装置沿着运动方向 运动并且正被焊接的所述薄板静止不动； 焊接激光，其被安装到所述固定装置并且并定向为朝着焊接点，所述焊接点是所述激 光冲击正被焊接的所述薄板处的点；以及 保护气体提供系统，其被安装到所述固定装置，所述保护气体提供系统包括喷嘴，所述 喷嘴提供空气流，并且所述空气流具有在30-120米/秒范围内的速度和至少10克/秒的 质量流率，并且在焊接期间所述空气流消散等离子体和蒸汽烟柱并防止所述烟柱不利地影 响焊缝质量。
[0017] 方案11.如方案10所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所 述焊接激光前面的8-12mm的范围内并被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并且 所述喷嘴被取向为将所述空气流直接引导到所述焊接点。
[0018] 方案12.如方案10所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所 述焊接激光后面的8-12mm的范围内并且被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并 且所述喷嘴被取向为将所述空气流引导到所述焊接点前面的〇-3_范围内的目的点处。
[0019] 方案13. -种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的方法，所 述方法包括： 提供焊接装置，所述装置包括焊接激光和保护气体提供系统，所述保护气体提供系统 包括喷嘴，所述焊接装置沿着运动方向运动并且正被焊接的薄板静止不动； 从所述喷嘴向焊接点提供保护气体流，所述焊接点是激光冲击正被焊接的薄板处的 点，并且所述保护气体流具有至少10米/秒的速度和至少10克/秒的质量流率；以及 激光焊接所述薄板，在所述焊接期间所述保护气体流消散所述烟柱并防止所述烟柱不 利地影响焊缝质量。
[0020] 方案14.如方案13所述的方法，其中所述保护气体流具有在30-120米/秒范围 内的速度。
[0021] 方案15.如方案14所述的方法，其中所述保护气体流具有在10-660克/秒范围 内的质量流率。
[0022] 方案16.如方案13所述的方法，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述 焊接激光前面。
[0023] 方案17.如方案16所述的方法，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光前面的 8-12mm的范围内并且被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并且所述喷嘴被取向 为将所述保护气体流直接引导到所述焊接点。
[0024] 方案18.如方案13所述的方法，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述 焊接激光后面。
[0025] 方案19.如方案18所述的方法，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光后面的 8-12mm的范围内并且被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并且所述喷嘴被取向 为将所述保护气体流引导到所述焊接点前面的〇_3mm范围内的目标点。
[0026] 方案20.如方案13所述的方法，其中所述保护气体是空气。
【附图说明】
[0027] 图1是典型的激光焊接系统的图示； 图2A是焊缝区域的俯视图，其示出了包括吹孔和飞溅的焊缝的问题； 图2B是示出了多孔性的焊缝区域的截面图，其是焊缝的另外一个问题； 图3是在发展中的焊缝的侧视图，示出了在焊缝的熔池的上方的锌蒸汽的烟柱； 图4是焊接系统的侧视图，该焊接系统包括供应抑制激光引起的烟柱并稳定熔池的气 体的喷嘴； 图5是图4的焊接系统的简化侧视图； 图6是图4的焊接系统的简化端视图； 图7是图4的焊接系统的简化俯视图；以及 图8是用于焊接镀锌钢的方法的流程图，其包括应用气体流到焊缝区域以抑制烟气并 稳定熔池。
【具体实施方式】
[0028] 下面对涉及抑制镀锌钢的激光边缘焊接的激光引起的烟柱的系统和方法的发明 的实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且绝不是用于限制本发明或其应用或使用。
[0029] 图1是典型的激光焊接系统10的图示，其中第一工件12和第二工件14被焊接在 一起。系统10包括辊16,其在激光束18将工件12和14焊接在一起时将第二工件14向 下压到第一工件12上。辊16和激光束18相对于静止的工件12和14的移动速度、以及激 光束18的能量水平，都被确定为提供了满足将工件12和14连接在一起的要求的焊缝区域 20 〇
[0030] 激光焊接系统10对许多目的来说都工作良好。不过，在一些应用中，例如当焊接 镀锌钢时，出现了例如系统10的简单焊接系统的问题。图2A是焊缝区域20的俯视图，其 示出了包括吹孔22和飞溅24的焊缝质量问题。吹孔22字面上讲就是焊缝区域20中的洞 或凹穴，在那里熔融的焊接材料由于气体在熔融焊接材料中的膨胀而被吹开。吹孔22会减 损焊缝区域20的结构整体性和强度，并因此要尽一切可能予以避免。吹孔22还导致了表 面美学质量问题，并且可能要求再整理处理，例如修补焊接和额外的研磨和砂纸打磨。
[0031] 飞溅24是在焊缝区域20上的或旁边的变硬的焊接材料滴，这由从吹孔22中的其 中一个喷出的焊接材料组成。飞溅24也导致了表面美学质量问题，并且要求再整理处理， 例如额外的研磨和砂纸打磨。
[0032] 图2B是焊缝区域20的横截面，其示出了多孔性26,其是会在焊接镀锌钢时从系统 10出现的另外一个焊缝质量问题。多孔性26出现在熔融焊接材料内的气泡在固化时变成 焊缝区域20中的洞或空洞的情况下。多孔性26会减损焊缝区域20的结构整体性和强度， 并因此也要尽一切可能予以避免。
[0033] 图3是在传统焊接操作中的，例如在图1的系统10上进行的焊接操作中的处于发 展中的焊缝的侧视图。第一工件12、第二工件14和焊缝区域20如上面所述。熔池3