本公开的技术领域大体涉及激光焊接，且更具体地，涉及将两个或更多叠置的铝工件激光点焊在一起的方法。
背景技术：
激光点焊是一种金属接合过程，其中，激光束被引导到金属工件堆叠处以提供集中的能量源，其能够实现在叠置的构成的金属工件之间的焊接接头。大体上，两个或更多金属工件首先相对于彼此对准且堆叠，使得其贴合表面叠置且面对，以在预期焊接部位内建立贴合界面（或者多个贴合界面）。激光束然后被引导到工件堆叠的顶部表面处。由从激光束吸收能量而生成的热引发金属工件的熔化，且在工件堆叠内建立焊接熔池。焊接熔池穿入通过由激光束射在其上的金属工件，且穿入到一个或多个在下面的金属工件中至与已建立的贴合界面中的每一个相交的深度。而且，如果激光束的功率密度足够高，则在激光束的正下方产生锁孔（keyhole，蒸汽孔），且该锁孔被焊接熔池环绕。锁孔是源自工件堆叠内的金属工件的一柱汽化金属，其可包括等离子体。
一旦激光束射在工件堆叠的顶部表面上，激光束就立刻（通常几毫秒）创建焊接熔池。在焊接熔池形成且稳定之后，激光束沿着工件堆叠的顶部表面前进，同时跟踪预定的焊接路径，这照惯例涉及使激光束沿直线或者沿着诸如“C形”路径的略微弯曲的路径运动。激光束的此类前进使焊接熔池沿着对应路线相对于工件堆叠的顶部表面平移，且紧随前进的焊池留下熔融工件材料的尾迹。该穿入的熔融工件材料冷却并凝固，以形成由再凝固的复合工件材料构成的焊接接头。所得的焊接接头将叠置的工件熔焊在一起。
汽车行业对使用激光焊接以制造能够被安装在车辆上的部件感兴趣。在一个示例中，车辆门本体可以由通过多个激光焊焊缝接合在一起的内部门面板和外部门面板制成。内部和外部门面板首先相对于彼此堆叠且通过夹具固定就位。激光束然后根据规划的顺序按照顺序地被引导到围绕堆叠面板的多个焊接部位处，以形成多个激光焊接接头。在其中执行激光焊接的每个焊接部位处，激光束被引导到堆叠面板处且传输短的距离用于以包括例如点焊接头、跳焊接头或者U形焊接头的多种配置中的一种产生焊接接头。激光焊接内部和外部门面板（以及诸如用于制造发动机盖、行李箱盖、承重结构构件等的那些的其他车辆部件组件）的过程通常是能够迅速且有效地执行的自动化过程。
由于铝工件的高强度重量比及其改善车辆的燃料经济性的能力，对于许多汽车组件部件和结构来说，铝工件是有吸引力的候选。然而，使用激光焊接将铝工件接合在一起可能会带来挑战。最主要地，铝工件差不多总是包括保护性覆层，其覆盖在下面的整块铝基板。该保护性覆层可以是耐高温的氧化物覆层，其在新鲜的铝暴露于大气或者一些其他的含氧介质时钝态地形成。在其他情形中，如在美国专利申请号US2014/0360986中公开的，保护性覆层可以是由锌或锡构成的金属覆层，或者其可以是金属氧化物转化覆层，由钛、锆、铬、或硅的氧化物构成，所述文献的全部内容通过引用合并在本文中。取决于覆层的成分，保护性覆层通过多种机理中的任一种抑制在下面的铝基板的腐蚀。但是，保护性抗腐蚀覆层的存在还使得借助于激光焊接将铝工件自熔接地熔焊在一起更具挑战性。
通过有助于在最终的激光焊接接头中形成焊接缺陷，认为保护性抗腐蚀覆层影响激光焊接过程。当例如保护性抗腐蚀覆层是钝化的耐高温的氧化物覆层时，由于其高的熔点和机械韧性，该覆层难以分裂开和分散。因此，在激光焊接接头中常常发现近界面缺陷，诸如残留的氧化物、孔隙和微裂缝。作为另一示例，如果保护性抗腐蚀覆层是锌，则覆层可容易汽化以在铝工件的（多个）贴合界面处产生高压锌蒸汽（锌具有大约906℃的沸点）。除非规定远离焊接部位排出锌蒸汽（这可以涉及使工件堆叠在焊接之前经受额外且不方便的制造步骤），否则这些锌蒸汽可以继而扩散到由激光束创建的熔融铝焊池内且通过其，并且在最终的激光焊接接头中导致夹带的孔隙。上文中提到的可以构成保护性抗腐蚀覆层的其他材料能够存在可以最终影响和降低焊接接头的机械性能的类似问题。
使用激光焊接将铝工件熔接在一起所引起的独特挑战已经导致许多制造商拒绝将激光焊接作为合适的金属接合过程，尽管其可能带来许多益处。代替激光焊接，这些制造商已转向机械紧固件（诸如自冲铆钉或自攻螺钉），以将两个或更多铝工件接合在一起。然而，此类机械紧固件与激光焊接接头相比，就位所花的时间更长且具有高耗材成本。其还增加了制造复杂度且向所制造的部件增加了额外的重量-该重量在借助于自熔接的熔化激光焊接实现接合时被避免-其抵消了起初通过使用铝工件所实现的重量节约。能够使得在即使最苛刻的制造场景中铝激光焊接也是可行的选项的综合激光焊接策略将因此对于本领域而言是受欢迎的增加。
技术实现要素：
公开了一种激光点焊包括叠置的铝工件的工件堆叠的方法。工件堆叠包括两个或更多铝工件，且那些铝工件中的至少一个（以及优选地所有铝工件）包括保护性抗腐蚀覆层。如在本公开中使用的术语“铝工件”广义地指的是包括由至少85wt%的铝构成的基础铝基板的工件。铝工件可以因此包括基础铝基板，其由元素铝或许多种铝合金中的任一种构成。此外，覆盖两个或更多铝工件中的基础铝基板中的至少一个的保护性抗腐蚀覆层优选地是耐高温的氧化物覆层，其在新鲜的铝暴露于大气或一些其他氧气源时钝态地形成。然而，在替代实施例中，保护性抗腐蚀覆层可以是锌覆层、锡覆层、或金属氧化物转化覆层。如果期望的话，在两个或更多铝工件中的任一者或者全部中的基础铝基板还可以经受各种回火步骤，包括退火、应变硬化和固溶热处理。
开始，激光点焊方法涉及提供包括两个或更多叠置的铝工件（例如，两个或三个叠置的铝工件）的工件堆叠。铝工件被叠加在彼此上，使得在每对邻近的叠置铝工件的贴合表面之间建立贴合界面。例如，在一个实施例中，工件堆叠包括第一和第二铝工件，其分别具有第一和第二贴合表面，其叠置并彼此面对以建立单个贴合界面。在另一实施例中，工件堆叠包括额外的第三铝工件，其位于第一和第二铝工件之间。以这种方式，第一和第二铝工件分别具有第一和第二贴合表面，其与第三铝工件的相对的贴合表面叠置并面对，以建立两个贴合界面。当存在第三铝工件时，第一和第二铝工件可以是分离且不同的部件，或者替代地，其可以是同一部件的不同部分，诸如当一个部件的边缘自身往回折叠且在另一部件的自由边缘上卷边时。
在提供工件堆叠之后，激光束被引导到工件堆叠的顶部表面处且射在其上以创建熔融铝焊池，所述熔融铝焊池从顶部表面朝底部表面穿入到工件堆叠中。选定激光束的功率密度以便至少在部分时间以锁孔焊接模式执行激光焊接方法。在锁孔焊接模式中，激光束的功率密度足够高以使铝工件汽化且在熔融铝焊池内在激光束的正下方产生锁孔。锁孔提供用于能量在更深处吸收到工件堆叠中的通道，这继而有助于熔融铝焊池的更深且更窄的穿入。因此，在锁孔焊接模式期间创建的熔融铝焊池在工件堆叠的顶部表面处通常具有小于焊池的穿入深度的宽度。锁孔优选地在所公开的激光点焊方法期间仅部分地穿入工件堆叠；即，锁孔从顶部表面延伸到工件堆叠中，但是不一直延伸通过堆叠至底部表面。
激光束相对于工件堆叠的顶部表面沿着点焊行进图案前进，随后形成熔融铝焊池和部分穿入的锁孔。使激光束沿着点焊行进图案前进使熔融铝焊池沿着对应于激光束相对于工件堆叠的顶部表面的图案化运动的路线平移。因此，激光束沿着点焊行进图案的前进紧随激光束的行进路径和焊池的对应路线留下熔融铝工件材料的尾迹。熔融铝工件材料的该尾迹迅速冷却且凝固成再凝固的复合铝工件材料，其由来自通过熔融铝焊池穿入的每一个铝工件的铝材料构成。从使激光束沿着点焊行进图案前进获得的集体再凝固的复合铝工件材料提供点焊接头，其将铝工件自熔接地熔焊在一起。一旦激光束已经完成其沿着点焊行进图案的前进，通常通过停止激光束的传输，从工件堆叠的顶部表面移除激光束。
通过激光束跟踪的点焊行进图案包括在投射到工件堆叠的顶部表面的平面（x-y平面）上时通过外部周边焊接路径包围的一个或多个非线性内部焊接路径。一个或多个非线性内部焊接路径可以相对于顶部表面采取各种各样的轮廓中的任一种。例如，一个或多个非线性内部焊接路径可以包括多个径向间隔开且不连接的圆形焊接路径（诸如一系列同心的圆形焊接路径）。在这种情况下，激光束在多个离散的圆形内部焊接路径之间跳跃并沿着其前进，以便使熔融铝焊池和关联的锁孔在点焊接头的形成期间沿着对应系列的圆形路线平移。作为另一示例，一个或多个非线性内部焊接路径可以包括螺旋焊接路径，其围绕固定的内部点旋转且从固定的内部点径向朝外扩展。在这种情况下，激光束沿着径向扩展的旋转朝向或远离固定的内部点前进，以使熔融铝焊池和关联的锁孔在点焊接头的形成期间沿着对应的螺旋路线平移。除了圆和螺线之外，一个或多个非线性内部焊接路径当然可以采取各种各样的其他空间轮廓。
外部周边焊接路径环绕一个或多个非线性内部焊接路径，且大体限定点焊行进图案的外部边界。除了其他选项之外，外部周边焊接路径可以是圆、椭圆、外摆线、长短辐圆外旋轮线、或圆内旋轮线，且其优选地具有在外部周边焊接路径上的两个点之间测量的从4 mm至15 mm范围内的直径，所述两个点彼此分开与外部周边焊接路径的中点相交的最大距离。虽然外部周边焊接路径优选地完全闭合，但是其并不一定必须这样。例如，外部周边焊接路径可包括断断续续的中断，或者可以恰好在短于完全封闭处停止。更进一步，外部周边焊接路径可以与一个或多个非线性内部焊接路径互连，或者其可以是与一个或多个非线性内部焊接路径间隔开且不同的离散的焊接路径。螺旋内部焊接路径，例如，可以无缝地过渡到外部周边焊接路径中，而作为另一示例，除了其他可能性之外，多个径向间隔开的内部圆形焊接路径可以是不连接的且因此与外部周边焊接路径不同。
可以通过激光束以任何期望的顺序跟踪一个或多个非线性内部焊接路径和外部周边焊接路径。可以首先跟踪一个或多个非线性内部焊接路径，之后是外部周边焊接路径。或者，替代地，可以首先跟踪外部周边焊接路径，之后是一个或多个非线性内部焊接路径。另外，可以通过激光束以各种各样的方式跟踪一个或多个非线性焊接路径本身。例如，如果点焊行进图案包括通过圆形外部周边焊接路径环绕的多个径向间隔开且不连接的圆形内部焊接路径，则激光束可以通过跟踪最里面的圆形内部焊接路径（非线性内部焊接路径中的一个）开始，且然后依次继续跟踪更大的圆形路径（其余的非线性内部焊接路径），直到其跟踪最外面的圆形焊接路径（外部周边焊接路径）为止。替代地，激光束可以从最外面的圆形路径继续进行至最里面的圆形路径，或者其可以以一些其他顺序通过跟踪若干离散的圆形路径继续进行。类似地，如果点焊行进图案包括与圆形外部周边焊接路径连接的螺旋内部焊接路径，则激光束可以在螺旋内部焊接路径的固定的内部点处开始，且围绕并远离该点旋转，直到其过渡到圆形外部周边焊接路径中为止，或者其可以以圆形外部周边焊接路径开始，且围绕并朝向螺线的固定的内部点旋转，直到其完成跟踪螺旋内部焊接路径为止。
部分穿入的锁孔的穿入深度沿着一个或多个非线性内部焊接路径和周围的外部周边焊接路径可以不同。尤其，当沿着一个或多个非线性内部焊接路径输送时，锁孔（且因此周围的熔融铝焊池）朝向底部表面穿入到工件堆叠中足够深，以与在顶部和底部表面之间在堆叠内建立的贴合界面中的每一个相交。锁孔穿入的该程度产生再凝固的复合铝工件材料，其跨贴合界面中的每一个延伸，以赋予焊接接头其将叠置的铝工件熔焊在一起的能力。至于外部周边焊接路径，锁孔可以与在顶部和底部表面之间在堆叠内建立的贴合界面中的每一个相交，但是其不一定必须这样。如果期望的话，更浅的锁孔可以沿着外部周边焊接路径平移，以在焊接接头和工件堆叠的顶部表面的焊接接头外侧的周围部分之间创建更平滑的过渡。更平滑的过渡可以帮助避免围绕焊接接头的边缘在堆叠的顶部表面上形成应力点。
相信使激光束沿着点焊行进图案前进为所得到的焊接接头提供令人满意的强度。具体地，在不受理论束缚的情况下，与常规的激光焊接实践相比较，相信在局部限制的区域中，使激光束沿着（多个）非线性内部焊接路径和外部周边焊接路径前进促进保护性抗腐蚀覆层的更大扰动（例如，破裂和分解、汽化、或以其他方式）。这继而帮助最小化在焊接接头内夹带的气体孔隙和其他的焊接缺陷的普遍存在，所述焊接缺陷倾向于减损焊接接头的强度，尤其是剥离强度。除了沿着点焊行进图案前进，在一些情形中可以以两种方式中的一种增强焊接接头的强度：(1)在内部焊接路径布置成允许激光束的此类前进时（例如，同心圆或螺线），首先使激光束沿着周边外部焊接路径前进，且然后沿从最外面的非线性内部焊接路径或焊接路径部分至最里面的非线性内部焊接路径或焊接路径部分的方向前进；或者(2)在激光束沿着点焊行进图案前进之后，利用激光束再熔化和再凝固焊接接头的周边部分。这些实践二者当然能够彼此结合实施。
附图说明
图1是用于在包括两个或更多叠置的铝工件的工件堆叠内产生点焊接头的远程激光焊接装置的实施例的透视图；
图2是在图1中描绘的工件堆叠连同通过直射工件堆叠的顶部表面的激光束形成的熔融铝焊池和锁孔的横截面侧视图（沿着线2-2截取）；
图3是从与在图2中所示相同的视角截取的工件堆叠的横截面侧视图，但是与如在图2中描绘的建立单个贴合界面的两个铝工件相对，此处工件堆叠包括建立两个贴合界面的三个铝工件；
图4描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时点焊行进图案的实施例，在工件堆叠中包括的两个或更多叠置的铝工件之间形成点焊接头期间，其可以被激光束跟踪，且因此被锁孔和周围的熔融铝焊池跟随；
图4A至图4D描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时类似于在图4中示出的点焊行进图案的各种各样的示例性点焊行进图案；
图5描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时点焊行进图案的另一实施例，在工件堆叠中包括的两个或更多叠置的铝工件之间形成点焊接头期间，其可以被激光束跟踪，且因此被锁孔和周围的熔融铝焊池跟随；
图5A至图5F描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时类似于在图5中示出的点焊行进图案的各种各样的示例性点焊行进图案；
图6描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时点焊行进图案的又另一实施例，在工件堆叠中包括的两个或更多叠置的铝工件之间形成点焊接头期间，其可以被激光束跟踪，且因此被锁孔和周围的熔融铝焊池跟随；
图7描绘了在投射到工件堆叠的顶部表面上时点焊行进图案的再另一实施例，在工件堆叠中包括的两个或更多叠置的铝工件之间形成点焊接头期间，其可以被激光束跟踪，且因此被锁孔和周围的熔融铝焊池跟随。
图8是根据本公开的实施例通过使激光束沿着点焊行进图案前进产生的激光点焊接头的平面视图，且进一步描绘了可以再熔化和再凝固的焊接接头的周边部分。
具体实施方式
激光焊接由两个或更多叠置的铝工件构成的工件堆叠的所公开的方法要求使激光束相对于工件堆叠的顶部表面的平面沿着点焊行进图案前进。所公开的点焊行进图案包括通过周边外部焊接路径环绕的一个或多个非线性内部焊接路径。可以采用包括远程和常规激光焊接装置的任何类型的激光焊接装置，以使激光束相对于工件堆叠的顶部表面前进。取决于待接合的铝工件的特性和所使用的激光焊接装置，激光束可以是固态激光束或气体激光束。可以使用的一些显著的固态激光器是光纤激光器、盘形激光器和Nd:YAG激光器，且可以使用的显著的气体激光器是CO2激光器，但是当然可以使用其他类型的激光器，只要其能够创建锁孔和周围的熔融铝焊池。在所公开的方法的优选实施方式（其在下文中更详细地描述）中，远程激光焊接装置将固态激光束引导到工件堆叠的顶部表面处，且使其沿着工件堆叠的顶部表面前进。
现在参考图1-图3，示出激光焊接工件堆叠10的方法，其中，工件堆叠10包括至少第一铝工件12和第二铝工件14，其在焊接部位16处叠置，使用远程激光焊接装置18在所述焊接部位16处实践激光焊接。第一和第二铝工件12、14分别提供工件堆叠10的顶部表面20和底部表面22。使工件堆叠10的顶部表面20对于远程激光焊接装置18可用，且从远程激光焊接装置18发出的激光束24能够接近该顶部表面20。且因为仅需要单侧接近来执行远程激光焊接，所以工件堆叠10的底部表面22不需要以与顶部表面20相同的方式使其对于远程激光焊接装置18可用。此外，虽然出于简单的目的，在附图中描绘了仅一个焊接部位16，但是熟练的技工将理解，能够在遍及同一工件堆叠10散布的多个不同焊接部位处实践根据所公开的方法的激光焊接。
就所存在的铝工件的数目而言，工件堆叠10可以如在图1-2中所示包括仅第一和第二铝工件12、14。在这种情况下，第一铝工件12包括外表面26和第一贴合表面28，且第二铝工件14包括外表面30和第二贴合表面32。第一铝工件12的外表面26提供工件堆叠10的顶部表面20，且第二铝工件14的外表面30提供工件堆叠10的相对面向的底部表面22。相反地，因为两个铝工件12、14是在工件堆叠10中仅存在的两个工件，所以第一和第二铝工件12、14的第一和第二贴合表面28、32叠置且彼此面对，以建立延伸通过焊接部位16的贴合界面34。在其他实施例中，其中一个在下文中结合图3描述，工件堆叠10可包括额外的铝工件，使得代替如在图1-图2中所示的仅两个，工件堆叠10包括三个铝工件。
术语“贴合界面”在本公开中广义地使用，且预期涵盖在面对的第一和第二贴合表面28、32之间能够适应激光焊接的实践的大范围的叠置关系。举例来说，通过直接或间接接触，贴合表面28、32可以建立贴合界面34。当贴合表面28、32物理上邻接且不通过离散的中间材料层或落在正常组装公差范围外的间隙分离时，贴合表面28、32彼此直接接触。当贴合表面28、32通过离散的中间材料层分离时，贴合表面28、32间接接触-且因此不经历作为直接接触的典型的大量界面邻接的类型-但是仍然足够近，使得能够实践激光焊接。作为另一示例，通过由故意施加的间隙分离，贴合表面28、32可以建立贴合界面34。由通过激光刻痕、机械磨坑或者以其他方式在贴合表面28、32中的一个或两个上创建突伸特征，可以在贴合表面28、32之间施加此类间隙。突伸特征维持在贴合表面28、32之间的断断续续的接触点，其保持贴合表面28、32在接触点外侧和围绕接触点间隔开多达1.0 mm和优选地在0.2 mm和0.8 mm之间。
如在图2中最佳可见，第一铝工件12包括第一基础铝基板36，且第二铝工件14包括第二基础铝基板38。基础铝基板36、38中的每一个可以单独地由元素铝或包括至少85 wt%的铝的铝合金组成。可以构成第一和/或第二基础铝基板36、38的一些显著的铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、或铝锌合金。另外，可以以锻造或者铸件形式分离地提供基础铝基板36、38中的每一个。例如，基础铝基板36、38中的每一个可以由4xxx、5xxx、6xxx、或7xxx系列锻造铝合金板材层、挤制件、锻件、或其他方式处理过的物品组成。或者，作为另一示例，基础铝基板36、38中的每一个可以由4xx.x、5xx.x、或7xx.x系列铝合金铸件组成。可用作第一和/或第二基础铝基板36、38的一些更具体的类型的铝合金包括但不限于，AA5754铝镁合金、AA6022铝镁硅合金、AA7003铝锌合金和A1-10Si-Mg铝模铸合金。取决于工件12、14的期望性能，可以对第一和/或第二基础铝基板36、38采用包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)的各种各样的回火。
第一或第二铝工件12、14中的至少一个-和优选地两者-包括覆在基础铝基板36、38上的保护性抗腐蚀覆层40。事实上，如在图2中所示，第一和第二基础铝基板36、38中的每一个均覆盖有保护性抗腐蚀覆层40，且继而，为工件12、14提供其相应的外部表面26、30及其相应的贴合表面28、32。保护性抗腐蚀覆层40可以是耐高温的氧化物覆层，其在来自基础铝基板36、38的新鲜的铝暴露于大气或一些其他包含氧气的介质时钝态地形成。保护性抗腐蚀覆层40还可以是由锌或锡构成的金属覆层，或者其可以是由钛、锆、铬、或硅的氧化物构成的金属氧化物转化覆层。如果存在的话，保护性抗腐蚀覆层38的典型厚度取决于其成分位于在从1 nm至10 μm之间的任何位置。考虑到基础铝基板36、38和保护性抗腐蚀覆层40的厚度，第一和第二铝工件12、14可以至少在焊接部位16处具有在0.3 mm至6.0 mm范围中的厚度，且更具体地在0.5 mm至3.0 mm的范围中的厚度。第一和第二铝工件12、14的厚度可以彼此相同或不同。
图1-图2示出远程激光焊接方法的实施例，其中，工件堆叠10包括两个叠置的铝工件12、14，其具有单个贴合界面34。当然，如在图3中所示，工件堆叠10可包括位于第一和第二铝工件12、14之间的额外的第三铝工件42。如果存在的话，第三铝工件42包括第三基础铝基板44，其可以是裸露的或者覆盖有上文中描述的相同保护性抗腐蚀覆层40（如图所示）。事实上，当工件堆叠10包括第一、第二和第三叠置的铝工件12、14、42时，工件12、14、42中的至少一个，以及优选地它们全部，的基础铝基板36、38、44包括保护性抗腐蚀覆层40。至于第三基础铝基板44的特性，上文中关于第一和第二基础铝基板36、38的描述也同样适用于该基板44。
由于以叠置方式堆叠第一、第二和第三铝工件12、14、42以提供工件堆叠10，所以第三铝工件42具有两个贴合表面46、48。贴合表面46中的一个与第一铝工件12的贴合表面28叠置且面对，且另一个贴合表面48与第二铝工件14的贴合表面32叠置且面对，因此在工件堆叠10内建立延伸通过焊接部位16的两个贴合界面50、52。这些贴合界面50、52与已经相对于图1-图2描述的贴合界面34是相同的类型且包含相同的属性。因此，在本文中所述的该实施例中，两侧的第一和第二铝工件12、14的外部表面26、30仍然大体上沿相反方向彼此背离，且构成工件堆叠10的顶部表面和底部表面20、22。熟练的技工将知道并理解，远程激光焊接方法，包括涉及包括两个铝工件的工件堆叠的如下公开，能够被容易地调整且在没有过分的困难的情况下，应用到包括三个叠置的铝工件的工件堆叠。
返回参考图1-图3，远程激光焊接装置18包括扫描光学激光头54。扫描光学激光头54使激光束24聚焦且将其引导到工件堆叠10的顶部表面20处，顶部表面20在此由第一铝工件12的外表面26提供。扫描光学激光头54优选地安装到机器人臂（未示出），其能够以快速编程的顺序迅速地且准确地将激光头54携带至在工件堆叠10上的许多不同的预选定的焊接部位。结合扫描光学激光头54使用的激光束24优选地是固态激光束，且尤其是光纤激光束或盘形激光束，其以在电磁光谱的近红外范围（通常认为是700 nm至1400 nm）中的波长操作。优选的光纤激光束是任何激光束，其中，激光增益介质是掺杂稀土元素（例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等）的光纤，或者是与光纤谐振器关联的半导体。优选的盘形激光束是任何激光束，其中，增益介质是掺杂镱的钇铝石榴石水晶的薄盘，其覆盖有反射性表面且被安装到散热器。
扫描光学激光头54包括反射镜56的布置，其能够在包含焊接部位16的操作封线58内相对于沿着工件堆叠10的顶部表面20定向的平面操纵激光束24。此处，如在图1中所示，由操作封线58跨度的顶部表面20的平面被标记为x-y平面，因为激光束24在平面内的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标标识。作为对反射镜56的布置的补充，激光头54还包括z-轴聚焦透镜60，其能够沿垂直于在图1中建立的三维坐标系中的x-y平面定向的z-方向移动激光束24的焦点62（图2-图3）。此外，为了使污垢和碎屑不负面地影响光学系统和激光束24的完整性，盖玻片64可以位于扫描光学激光头54下方。盖玻片64保护反射镜56的布置和z-轴聚焦透镜60不受周围环境的影响还允许激光束24在不大量中断的情况下传递离开激光头54。
在远程激光焊接期间，反射镜56的布置和z-轴聚焦透镜60协作以指导激光束24在焊接部位16处的操作封线58内的期望运动，以及焦点62沿着z-轴的位置。更具体地，反射镜58的布置包括一对能倾斜的扫描反射镜66。每一个能倾斜的扫描反射镜66均被安装在检流计（galvanometer）68上。通过由检流计68执行的精确调整的倾斜运动，两个能倾斜的扫描反射镜66能够将激光束24射在工件堆叠10的顶部表面20上的位置移动至在操作封线58的x-y平面中的任何地方。同时，z-轴聚焦透镜60控制激光束24的焦点62的位置，以便帮助以正确的功率密度给予激光束24。所有这些光学组件60、66能够在毫秒左右或者更短时间迅速转位，以使激光束24相对于工件堆叠10的顶部表面20沿着包括一个或多个非线性内部焊接路径和周围的周边外部焊接路径的点焊行进图案前进。在下文中更详细地描述此类点焊行进图案的示例。
使远程激光焊接（有时也称为“飞行中的焊接”）与其他常规形式的激光焊接区分开的特性是激光束24的焦距。此处，如在图1中最佳所示，激光束24具有焦距70，其被测量为在焦点62和最后一个能倾斜的扫描反射镜66之间的距离，所述最后一个能倾斜的扫描反射镜66在激光束24射在工件堆叠10的顶部表面20（以及第一铝工件12的外表面26）上之前截断并反射激光束24。激光束24的焦距70优选地在0.4米至1.5米的范围中，其中，焦点62的直径通常范围为从350 μm至700 μm的任何地方。大体在图1中示出且在上文中描述的扫描光学激光头54，以及可以稍微不同地构造的其他激光头可从各种各样的来源商购。用于与远程激光焊接装置18一起使用的扫描光学激光头和激光器的一些著名的供应商包括HIGHYAG（德国，小马赫诺）和通快股份有限公司（美国康乃狄格州，法明顿）。
在目前所公开的方法中，如大体上在附图中所示，通过使激光束24沿着特定点焊行进图案74（图4-图7）相对于工件堆叠10的顶部表面20前进，在第一和第二铝工件12、14之间（或在如在图3中所示的第一、第二和第三铝工件12、14、42之间）形成激光点焊接头72（图1和图8）。如在图2-图3中最佳所示，激光束24最初被引导到并射在焊接部位16内的工件堆叠10的顶部表面20上。从吸收激光束24的聚集能量生成的热引发第一和第二铝工件12、14（以及第三铝工件42，如果存在的话）的熔化，以创建熔融铝焊池76，其从顶部表面20朝底部表面22穿入到工件堆叠10中。激光束24还具有足以使在其射在堆叠10的顶部表面20上的地方的正下方处的工件堆叠10汽化的功率密度。该汽化作用产生锁孔78，其是通常包含等离子体的一柱汽化铝。锁孔78在熔融铝焊池76内形成，且施加朝外引导的蒸汽压，其足以防止周围的熔融铝焊池76朝内塌缩。
类似熔融铝焊池76，锁孔78也从顶部表面20朝底部表面22穿入到工件堆叠10中。锁孔78提供用于激光束24的通道，以将能量向下输送到工件堆叠10中，因此便于熔融铝焊池76到工件堆叠10中的相对深且窄的穿入以及相对小的周围的热影响区。在优选实施例中，锁孔78和周围的熔融铝焊池76部分地穿入工件堆叠10。换言之，锁孔78和熔融铝焊池从顶部表面20延伸到堆叠10中，但是不一直延伸至并突破通过工件堆叠10的底部表面22。在激光焊接过程期间可以控制激光束24的功率水平、行进速度和/或焦点位置，以便锁孔78和熔融铝焊池76穿入工件堆叠10至适当的部分穿入的深度，所述深度可以随着激光束24沿着点焊行进图案74的特定部分前进而变化，如将在下文中进一步解释的。
在熔融铝焊池76和锁孔78被创建和稳定之后，激光束24相对于工件堆叠的顶部表面20沿着点焊行进图案74前进。由激光束24跟踪的点焊行进图案74的几何学配置使焊接接头72能够成功地将第一和第二铝工件12、14（以及额外的中间铝工件42，如果存在的话）在焊接部位16处融合在一起，而不管工件12、14（以及可选地42）中的至少一个包括倾向于是焊接缺陷的源的保护性抗腐蚀覆层40的事实。点焊行进图案74可以采取各种各样的不同的配置。然而，一般而言，使用图4和图5作为代表性示例，点焊行进图案74包括一个或多个非线性内部焊接路径80和环绕一个或多个非线性内部焊接路径80的外部周边焊接路径82。如上所述，相对于沿着在焊接部位16处的工件堆叠10的顶部表面20定向的平面由激光束24跟踪点焊行进图案74。因此，在图4、图4A-4D、图5、图5A-5F和图6-7中呈现的例图是投射到工件堆叠10的顶部表面20上的各种示例性点焊行进图案的从上方看到的平面图。这些视图提供在焊接接头72的形成期间，激光束24如何相对于工件堆叠10的顶部表面20前进的视觉理解。
一个或多个非线性内部焊接路径80包括单个焊接路径或多个焊接路径，其包括一些弯曲或从线性的偏离。此类焊接路径可以连续弯曲，或者其可以由彼此成一定角度（即，在连接的线段之间的角度≠180°）端对端连接的多个直线段构成。外部周边焊接路径82大体限定点焊行进图案74的外部周边，且优选地具有在外部周边焊接路径82上的两个点之间测量的从4 mm至15 mm范围内的直径，所述两个点彼此分离与外部周边焊接路径82的中点相交的最大距离。虽然外部周边焊接路径82优选地是闭合的圆或闭合的椭圆，但是其不必然必须是那些几何形状中的一种，其也不必须在每个实例中都是闭合的。此外，外部周边焊接路径82可以与一个或多个非线性内部焊接路径80互连（图4、图4A-4D和图6），或者，其可以与一个或多个非线性内部焊接路径80（图5、图5A-5F和图7）间隔开且不同。
现在大体上参考图4-图7，其是在投射到工件堆叠10的顶部表面20上时点焊行进图案74的若干示例的平面图，点焊行进图案74可以包括闭合曲线图案、螺旋图案、或一些其他图案。闭合曲线图案可以是包括多个径向间隔开且不连接的圆形焊接路径、椭圆形焊接路径、或具有类似闭合曲线的焊接路径的任何图案，其中，此类闭合曲线的优选数目范围是从二至十个。螺旋图案可以是具有从固定的内部点发射且随着焊接路径围绕该点旋转而从固定的内部点径向朝外扩展的单个焊接路径的任何图案，其中，螺旋回转部（turning）的优选数目范围是从二至十个。固定的内部点能够定位在点焊行进图案74的中心处或其附近，或者可以从焊接图案74的中心偏移。图4-图7示出这些类型的焊接图案的各种示例，包括其被标识的（多个）非线性内部焊接路径80和外部周边焊接路径82。在所公开的激光焊接方法中，也可以采用这些具体地示出的点焊行进图案的变型。
图4-图4D示出点焊行进图案74的若干实施例，其包括由外部周边焊接路径82环绕且与其互连的单个非线性内部焊接路径80。具体地，焊接图案实施例中的每一个包括螺旋内部焊接路径800和圆形外部周边焊接路径820。螺旋内部焊接路径800围绕点焊行进图案74的固定的内部点830旋转并从其径向朝外扩展，直到其过渡到圆形外部周边焊接路径820中为止。螺旋内部焊接路径800可以连续弯曲，如在图4和图4A-4B中所示，且还可是阿基米德螺线，其中，螺旋内部焊接路径800的回转部彼此等距间隔开，如在图4和图4A中所示。阿基米德螺线的一般方程在极坐标中是r（θ）=a+b（θ），其中，“a”和“b”是实数，且“b”确定在回转部之间的间隔。螺旋内部焊接路径800还可以构成其他类型的螺线，其包括例如等角螺线，其中，螺旋内部焊接路径的回转部逐渐变得分开更远。等角螺线的一般方程在极坐标中是r（θ）=aeb（θ），其中，“a”和“b”是实数，且“b”确定螺旋内部焊接路径800如何紧密地包绕固定的内部点830。另外，在其他实施例中，螺旋内部焊接路径800可以由直线段构成，所述直线段在一起构成螺线，如在图4C-图4D中所示，其中，回转部等距地或不等距地间隔开。
图5-图5F示出点焊行进图案74的若干实施例，其包括与外部周边焊接路径82不同的多个非线性内部焊接路径80。在图5-图5B和图5D-图5F中示出的焊接图案中的每一个例如包括多个径向间隔开且不连接的圆形内部焊接路径802以及圆形外部周边焊接路径822。圆形内部焊接路径802围绕中心点840同心布置。这些离散的圆形焊接路径802可以在径向上均匀间隔开（图5-图5A），或者其可以间隔开不同的距离（图5B和图5D-图5F）。另外，如图所示，圆形外部周边焊接路径822可以连同圆形内部焊接路径802围绕中心点840同心布置，尽管在圆形内部焊接路径802和圆形外部周边焊接路径822之间的这种关系不是强制性的。当然，在图5-5B和图5D-5F中示出的实施例的若干变型是可能的。举例来说，如在图5C中所示，代替多个圆形内部焊接路径802，点焊行进图案74可以包括多个径向间隔开且不连接的椭圆形内部焊接路径804，且还可由椭圆形外部周边焊接路径824环绕。在图5-5F中示出的点焊行进图案74的实施例优选地包括从二个至十个内部焊接路径802、804的任一者，或者范围更窄地，从三个至八个内部焊接路径802、804中的任一者。
额外于在图4-4D和图5-5F中示出的那些，确实可设想点焊行进图案74的许多其他实施例。在一个这样的实施例中，在图6中示出的点焊行进图案74类似于在图4-4D中示出的点焊行进图案74，因为其包括由外部周边焊接路径82环绕且与其互连的单个非线性内部焊接路径80。然而，此处，在图6中，焊接图案实施例包括蜿蜒的内部焊接路径806和椭圆形外部周边焊接路径826。蜿蜒的内部焊接路径806从椭圆形外部周边焊接路径826的一侧延伸至另一侧，且由弯曲段和直线段两者构成。作为另一替代，在图7中示出的点焊行进图案74类似于在图5-5F中示出的焊接图案，因为其包括与周围的外部周边焊接路径82不同的一个或多个非线性内部焊接路径80。然而，点焊行进图案74的该实施例包括多个圆形内部焊接路径806，其中，圆形内部焊接路径808中的每一个均与其他圆形内部焊接路径808中的至少一个和优选地至少两个相交。在该特定实例中，通过圆形外部周边焊接路径828环绕多个圆形内部焊接路径808。
激光束24可以以任何顺序沿着点焊行进图案74的（多个）非线性内部焊接路径80和外部周边焊接路径82前进。激光束24可以例如首先沿着一个或多个非线性内部焊接路径80且然后沿着外部周边焊接路径82输送。在另一示例中，激光束24可以首先沿着外部周边焊接路径82且然后沿着一个或多个非线性内部焊接路径80输送。另外，在其中点焊行进图案74包括多个非线性内部焊接路径80的一些实施例中，激光束24可以沿着内部焊接路径80以任何次序输送，包括从内部焊接路径80的最里面至内部焊接路径80的最外面，从内部焊接路径80的最外面至内部焊接路径80的最里面，或者以一些其他次序。更进一步，在其他实施例中，激光束24可以沿着一个或多个非线性内部焊接路径80中的一些输送，然后可以沿着外部周边焊接路径82输送，且最终可以沿着一个或多个非线性内部焊接路径80的剩余部分输送，以完成点焊行进图案74。当一个或多个非线性内部焊接路径80由螺线或同心圆/椭圆构成时，其可以优选地使激光束24沿径向朝内方向从内部焊接路径80的最外面前进至内部焊接路径80的最里面，如将在下文中更详细地解释的。
随着激光束24相对于工件堆叠10的顶部表面20沿着点焊行进图案74前进，锁孔78和熔融铝焊池76因此沿着对应路线相对于顶部表面20平移，因为其跟踪激光束24的运动。以这种方式，熔融铝焊池76紧随激光束24的行进路径和焊池76的对应路线立刻留下熔融铝工件材料的尾迹。熔融铝工件材料最终冷却并凝固成再凝固的复合铝工件材料84（图2-图3），其由来自通过熔融铝焊池76穿入的铝工件12、14（以及42，如果存在的话）中的每一个的铝材料构成。从使激光束24沿着点焊行进图案74前进获得的集体再凝固的复合铝工件材料84构成焊接接头72，且将铝工件12、14（以及42，如果存在的话）自熔接地熔焊在一起。一旦激光束24完成跟踪点焊行进路径74，激光束24的传输停止，以便激光束24不再射在工件堆叠10的顶部表面20上。这时，锁孔78塌陷，且熔融铝焊池76凝固。
在激光束24沿着点焊行进图案74前进期间，控制部分穿入的锁孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度，以确保铝工件12、14（以及可选地42）通过焊接接头72熔焊在一起。尤其，如在图2-图3中最佳所示，在激光束24沿着一个或多个非线性内部焊接路径82前进期间，锁孔78和熔融铝焊池76与在工件堆叠10内在堆叠10的顶部和底部表面20、22之间存在的每一个贴合界面34（或50、52）相交。这意味着，锁孔78和熔融铝焊池76完全横过第一铝工件12的厚度（以及第三铝工件42的厚度，如果存在的话），但是另外仅部分地横过第二铝工件14的厚度。通过使锁孔78和熔融铝焊池76穿入到工件堆叠10中足够远，使得其与每一个贴合界面34（50、52）相交，但是不完全至底部表面22，沿着非线性内部焊接路径80得到的再凝固的复合铝工件材料84用于将铝工件12、14（以及可选地42）在焊接接头72内自熔接地熔焊在一起。
当激光束24沿着点焊行进图案74的外部周边焊接路径82前进时，部分穿入的锁孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度能够与一个或多个非线性内部焊接路径80所采用的相同，但是其不一定必须这样。当然，锁孔78和周围的熔融铝焊池76可以与每一个贴合界面34（50、52）以与（多个）非线性内部焊接路径80几乎相同的方式相交，且因此有助于铝工件12、14（以及可能地42）在焊接接头72内的熔焊。然而，在替代实施例中，部分穿入的锁孔78以及周围的熔融铝焊池76可以穿入到工件堆叠10中更小的程度，并且与贴合界面34（50、52）中的少于所有相交，包括根本不与贴合界面34（50、52）相交。当激光束24沿着外部周边焊接路径82前进以尝试并产生在工件堆叠10的焊接接头72和周围区域之间提供更平滑的过渡的再凝固的复合铝工件材料84时，可以实施更浅的穿入深度。创建更平滑的过渡帮助避免形成能够容易产生应力的尖峰，帮助防止烧穿，以及改善焊接接头72的可见外观。
锁孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度能够通过各种激光焊接过程参数控制，所述过程参数包括激光束24的功率水平、沿着z轴激光束24的焦点62相对于工件堆叠10的位置（即，焦点位置），以及激光束24相对于工件堆叠10的行进速度。大体上，通过增加激光束24的功率水平、通过朝工件堆叠10的底部表面22（即，沿图1标记的-Z方向）移动焦点62、降低激光束24的行进速度、或其组合，能够增加锁孔78以及熔融铝焊池76的穿入。相反地，通过降低激光束24的功率水平、通过远离工件堆叠10的底部表面22移动焦点62（即，沿图1标记的+Z方向）使激光束24离焦、增加激光束24的行进速度、或其组合，能够降低锁孔78以及熔融铝焊池76的穿入深度。通过这些过程参数以及能够调整其的许多方式，当激光束24沿着点焊行进图案74前进时，锁孔78以及熔融铝焊池76的深度能够被容易控制到期望的程度。
用于指导锁孔78和周围的熔融铝焊池76的穿入深度的各种过程参数能够被编程到焊接控制器中，在激光束24沿着点焊行进图案74前进时，所述焊接控制器能够精准执行指令。相同焊接控制器或不同控制器可以同步控制检流计68，以便使激光束24相对于工件堆叠10的顶部表面20沿着点焊行进图案74的焊接路径80、82以期望的顺序前进。当激光束24的各种过程参数能够结合彼此瞬间变化以在点焊行进图案74的任何特定部分处获得锁孔78以及熔融铝焊池76的穿入深度时，在许多实例种，无论点焊行进图案72的轮廓如何，激光束24的功率水平可以被设置在0.2 kW和50.0 kW之间，或者范围更窄地在1.0 kW和10 kW之间，激光束24的行进速度可以被设置成在1.0米每分钟和50.0米每分钟之间，或者范围更窄地在2.0米每分钟和15.0米每分钟之间，且激光束24的焦点62优选地设置在工件堆叠10的底部表面22（以及第二铝工件14的外表面30）处。
通过最小化可从在铝工件12、14（以及可选地42）中的一个或多个上存在的保护性抗腐蚀覆层40得到的焊接缺陷的普遍存在，相信激光束24沿着点焊行进图案74的前进赋予焊接接头72良好且可重复的强度，尤其是剥离强度。在不受理论束缚的情况下，与更常规的激光焊接技术相比较，相信使激光束24沿着一个或多个非线性内部焊接路径80前进诱导在熔融金属流体速度场中的恒定改变，这继而导致在焊接部位16内（多个）保护性抗腐蚀覆层40的更多扰动（例如，耐高温氧化物覆层的破裂以及分解，或者锌覆层等的沸腾以及氧化锌的形成等）。通过强迫（多个）保护性抗腐蚀覆层40的更大扰动，气体孔隙以及其他常见的焊接接头差异更不可能削弱焊接接头72。
在一些情况下，在激光焊接方法期间，除了使激光束24沿着点焊行进图案74前进外，通过采取下述动作中的一个或两个，可以进一步增强焊接接头72的强度。第一，如果点焊行进图案74的一个或多个非线性内部焊接路径80包括径向间隔开的焊接路径或焊接路径部分，诸如在图4-4D中的螺线，或者在图5-5F中的同心圆/椭圆，那么激光束24可以首先沿着外部周边焊接路径82以及然后在径向朝内方向上沿着一个或多个非线性内部焊接路径80前进。举例来说，现在参考图4以及图5，使激光束24在径向朝内方向上沿着（多个）非线性内部焊接路径80前进涉及首先跟踪最外面的内部焊接路径802a（图5）或最外面的内部焊接路径部分或回转部800a（图4）。激光束24然后继续径向朝内运动以继续跟踪内部焊接路径802b、802c或者焊接路径部分或回转部800b，直到其最终跟踪最里面的内部焊接路径802d或最里面的焊接路径部分或回转部800c为止。通过朝其处焊接缺陷更不易负面地影响接头强度的焊接接头72的中间推动或者扫除可能发展的任何焊接缺陷，使激光束24沿着点焊行进图案74以径向朝内方式前进能够帮助增强焊接接头72的强度。
第二，在激光束24已经完成跟踪点焊行进图案74之后，焊接接头72的周边部分86可以利用激光束24再熔化，且然后被允许再凝固，如在图8中所示。激光束24可以围绕焊接接头72在环形边缘区域88内输送，以再熔化在该区域88中的焊接接头72的再凝固的复合铝工件材料84。环形边缘区域88从焊接接头72的周向边缘90径向朝内延伸至具有焊接接头72的半径R的百分之七十或0.7R的半径的内部周向边界92。当激光束24围绕焊接接头72在环形边缘区域88内输送以再熔化接头72的指定周边部分86时，激光束24优选地产生锁孔（此处未示出），其穿入到其遇到的再凝固的复合铝工件材料84中但是不贯通其。周边部分86可以绕焊接接头72的圆周的至少60%设置，以及优选地，绕焊接接头72的圆周的90%和100%之间的某处设置。通过移除或至少改善可能已在焊接接头72的周向边缘90附近产生的任何焊接缺陷，再熔化以及再凝固焊接接头72的周边部分86能够帮助增强接头72的强度。此类结果能够正面影响焊接接头72的强度，因为相比定位在焊接接头72的中间中的焊接缺陷，定位在焊接接头72的周向边缘90附近的焊接缺陷对接头72的强度和完整性更有害。
优选示例性实施例和特定示例的上述描述本质上仅仅是描述性的；其不意图限制随附的权利要求的范围。在所附权利要求中所使用的术语中的每一个应当给予其普通且惯例意思，除非在说明书中以其他方式具体地且明白地陈述。