激光束局部化涂覆的方法與流程

本發(fā)明總體上涉及在金屬片材組件(例如汽車組件)的制造中的激光焊接。更具體地，本發(fā)明涉及用于在將具有防腐蝕表面層預(yù)涂層的金屬片材板(sheetmetalplate)激光焊接在一起之后沿著激光焊接接合部(joint)(焊道)形成局部化防腐蝕表面層的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

汽車是沿著裝配線批量生產(chǎn)的，其中制成汽車的多種系統(tǒng)和組件使用人工控制工具和/或機(jī)器人控制工具而接合在一起。通常，不同的金屬片材件接合在一起以形成所需組件。例如，通過(guò)將例如兩個(gè)或更多個(gè)不同組成和/或不同厚度的鋼胚通過(guò)激光焊接接合在一起而形成“拼接焊接坯料(tailor-weldedblanks)”。在焊接坯已經(jīng)被冷壓之后，獲得具有在組件自身內(nèi)變化的機(jī)械強(qiáng)度、可壓性(pressability)以及沖擊吸收的特性的部件。

為了提供改進(jìn)的耐腐蝕性，常見的是使用涂覆的金屬片材材料例如具有鋁硅或鋅預(yù)涂表面層的硼鋼制造坯。遺憾的是，將預(yù)涂覆的金屬片材板激光焊接在一起的工藝會(huì)導(dǎo)致形成的焊接接合部缺乏防腐蝕保護(hù)。隨著時(shí)間推移，暴露于水、道路防冰凍用鹽等導(dǎo)致沿著焊接接合部的腐蝕以及伴隨的焊接完整性的喪失。焊接完整性的喪失可導(dǎo)致金屬片材板沿著焊接接合部分離，從而導(dǎo)致整個(gè)組件的失效。

此外，對(duì)于由硼鋼(例如usibor材料)制造的熱沖壓組件而言，在隨后的熱沖壓過(guò)程中，alsi層沿著焊接接合部的中斷導(dǎo)致沿著焊接接合部的剝落。

現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于該問(wèn)題的解決方案包括施用底涂層來(lái)覆蓋焊接接合部，然后給組件上涂料以提供對(duì)周圍環(huán)境的物理屏障。遺憾的是，由于涂料層與基礎(chǔ)金屬的接合弱，因此由涂料層提供的防腐蝕性劣于原始涂層。此外，隨著時(shí)間推移涂料層可能被破壞，使得水、道路防冰凍用鹽等變得與下面的焊接接合部接觸。這可能發(fā)生在以下情況下：例如如果涂料被刮或剝落、或如果涂料起初未被適當(dāng)?shù)厥┯貌⑶乙蚨茨芨街料旅娴牟牧?。另外，僅給多個(gè)部件的外部表面上涂料，因此腐蝕可能沿著焊接接合部的面向內(nèi)的表面發(fā)生。

因此，有益的是提供克服至少一些現(xiàn)有技術(shù)的上述限制和缺點(diǎn)的方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了一種用于將金屬片材板激光焊接在一起的方法，所述金屬片材板各自具有防腐蝕表面層預(yù)涂層，所述方法包括：將金屬片材板中一者相對(duì)另一者布置成使得板中的一個(gè)板的邊緣與板中的另一板的邊緣相鄰并接觸；使用具有第一束斑尺寸的激光束沿著金屬片材板的相鄰的邊緣形成激光焊接接合部；并且在形成激光焊接接合部之后，至少在激光焊接接合部上形成局部化防腐蝕表面層，包括：沿著激光焊接接合部掃描具有第二束斑尺寸的激光束，第二束斑尺寸大于第一束斑尺寸；以及在掃描期間，朝向激光焊接接合部的正被激光束照射的部分提供粉末防腐蝕表面層材料的流，其中，粉末防腐蝕表面層材料被激光束熔融，并且形成附著至激光焊接接合部的層。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了一種用于將金屬部件接合在一起的方法，包括：將第一金屬部件和第二金屬部件在接合區(qū)域處接合在一起，第一金屬部和第二金屬部中的至少一者具有防腐蝕表面層預(yù)涂層，并且其中，在所述接合期間在接合區(qū)域內(nèi)的表面層預(yù)涂層被破壞；以及在目標(biāo)區(qū)域(目標(biāo)區(qū)域?yàn)榻雍蠀^(qū)域內(nèi)和相鄰于接合區(qū)域中的至少一者)內(nèi)形成局部化防腐蝕表面層，包括：在整個(gè)目標(biāo)區(qū)域掃描具有預(yù)定的束斑尺寸的激光束；以及在所述掃描期間，朝向目標(biāo)區(qū)域的正被激光束照射的部分提供粉末防腐蝕表面層材料的流，其中，粉末防腐蝕表面層材料被激光束熔融，并且形成附著至接合區(qū)域內(nèi)的表面的層。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了用于汽車的組合式(multi-part)側(cè)面板，具有：兩個(gè)金屬片材板，所述兩個(gè)金屬片材板各自具有防腐蝕表面層預(yù)涂層并且沿著激光焊接接合部被接合在一起；以及至少形成在激光焊接接合部上的局部化防腐蝕表面層，由此局部化防腐蝕表面層形成激光焊接接合部與環(huán)境氣氛之間的屏障。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了用于汽車的門框(doorring)，具有：兩個(gè)金屬片材板，所述兩個(gè)金屬片材板各自具有防腐蝕表面層預(yù)涂層并且沿著激光焊接接合部被接合在一起；以及至少沿著激光焊接接合部形成的局部化防腐蝕表面層，由此局部化防腐蝕表面層形成激光焊接接合部與環(huán)境氣氛之間的屏障。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了用于汽車的組合式(multi-piece)部件，具有：兩個(gè)金屬片材板，所述兩個(gè)金屬片材板各自具有防腐蝕表面層預(yù)涂層并且沿著激光敢接接合部被接合在一起；并且至少在激光焊接接合部上形成的局部化防腐蝕表面層，由此局部化防腐蝕表面層形成激光焊接接合部與環(huán)境氣氛之間的屏障。

根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的一方面，公開了一種用于將預(yù)涂覆的金屬片材板激光焊接在一起的系統(tǒng)，包括：支承件，該支承件用于保持第一預(yù)涂覆的金屬片材板相對(duì)于第二預(yù)涂覆的金屬片材板成預(yù)定取向，使得第一板的邊緣和第二板的邊緣彼此相鄰地設(shè)置并且在其間限定界面；激光光學(xué)組合件，該激光光學(xué)組合件與激光源光學(xué)連通，并且該激光光學(xué)組合件能夠以第一模式操作用于沿著界面掃描具有第一束斑尺寸的激光束，并且能夠以第二模式操作用于沿著界面掃描具有大于第一束斑尺寸的第二束斑尺寸的激光束；粉末遞送導(dǎo)管與粉末防腐蝕表面層材料源連通并且粉末遞送導(dǎo)管具有設(shè)置用于將粉末防腐蝕表面層材料的流朝向界面引導(dǎo)的出口端；以及至少一個(gè)致動(dòng)器，用于使激光光學(xué)組件和粉末遞送導(dǎo)管的出口端相對(duì)于支承件移動(dòng)，其中，沿著界面以第一路徑掃描具有第一束斑尺寸的激光束以在第一板與第二板之間形成激光焊接接合部，并且其中，沿著激光焊接接合部掃描具有第二束斑尺寸的激光束，并且同時(shí)粉末防腐蝕表面層材料經(jīng)由粉末遞送導(dǎo)管被朝向激光焊接接合部的當(dāng)前照射的部分給送，以至少在激光焊接接合部上形成局部化防腐蝕表面層。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將僅以示例的方式并且參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中，貫穿若干視圖相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。應(yīng)理解的是，附圖未必是按比例的。在某些情況下，已經(jīng)省略了對(duì)于理解公開內(nèi)容不是必須的細(xì)節(jié)或者導(dǎo)致其他細(xì)節(jié)難以理解的細(xì)節(jié)。

圖1是示出了在將兩個(gè)預(yù)涂覆的金屬片材板激光焊接在一起之后并且沿著激光焊接接合部形成局部化防腐蝕表面層期間的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化透視圖。

圖2a示出了形成在激光焊接接合部的第一側(cè)上的局部化防腐蝕表面層。

圖2b是圖2a的一部分的放大視圖。

圖3a示出了形成在激光焊接接合部的與圖2a中示出的第一側(cè)相反的第二側(cè)上的局部化防腐蝕表面層。

圖3b是圖3a的一部分的放大視圖。

圖4是沿著圖1中的線a-a取的截面圖，并且示出了激光焊接接合部上的局部化防腐蝕表面層。

具體實(shí)施方式

提出以下描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明，并且以下描述在具體應(yīng)用的上下文及其要求中提供。對(duì)公開的實(shí)施方案的各種修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的，并且本文中限定的一般原理可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下應(yīng)用于其他實(shí)施方案和應(yīng)用。因此，本發(fā)明無(wú)意局限于所公開的實(shí)施方案，而是符合與本文中公開的原理和特征一致的最寬范圍。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化透視圖。更具體地，示出了在將兩個(gè)預(yù)涂覆的金屬片材板8和9激光焊接在一起之后以及在沿著激光焊接接合部6形成局部化防腐蝕表面層7期間的系統(tǒng)100。板8包括基材1，該基材1具有設(shè)置在其兩側(cè)上的預(yù)涂層3。類似地，板9包括基材2，該基材2具有設(shè)置在其兩側(cè)上的預(yù)涂層3。在圖1中示出的示例中，基材2比基材1相對(duì)更厚，但任選地，基材具有相同的厚度。通過(guò)具體且非限制性示例的方式，基材1和基材2由硼鋼制造，并且其可以不同，例如具有不同的機(jī)械特性和/或不同的合金組成。預(yù)涂層3以已知的方式形成，例如通過(guò)將基材1和基材2在熔融鋅或熔融鋁合金的浴中浸漬涂敷而形成。應(yīng)了解的是，為簡(jiǎn)單起見，預(yù)涂層3在圖1中描繪為單個(gè)層。然而，實(shí)際上預(yù)涂層3包括與鋼基材1或2接觸的金屬間合金層以及與金屬間合金層接觸的金屬合金層。通常，預(yù)涂層3的材料的熔融溫度遠(yuǎn)低于下面的鋼基材8或9的熔融溫度。例如，鋁硅(alsi)合金涂層具有低于600℃的熔融溫度，與之相比鋼基材的熔融溫度為大約1500℃。

系統(tǒng)100包括激光光學(xué)組合件4，該激光光學(xué)組合件從激光源經(jīng)由光纖(統(tǒng)一被稱作激光源10)接收激光。激光光學(xué)組合件4能夠以第一模式操作用于沿著板8和板9的相鄰的邊緣之間的界面掃描具有第一束斑尺寸的激光束，并且還可以以第二模式操作用于沿著形成在界面處的所產(chǎn)生的焊接接合部掃描具有第二束斑尺寸的激光束，第二束斑尺寸大于第一束斑尺寸。作為示例，激光光學(xué)組合件4至少包括透鏡，并且激光源10的光纖是單芯光纖或多芯光纖束。

系統(tǒng)100還包括導(dǎo)管5，該導(dǎo)管5與未示出的粉末防腐蝕表面層材料源連通，并且具有布置成用于將粉末防腐蝕表面層材料的流11朝向激光焊接接合部6引導(dǎo)的出口端。任選地，導(dǎo)管5包括在其出口端處的未示出的噴嘴，該噴嘴用于控制粉末防腐蝕表面層材料的遞送。未示出的支承件設(shè)置用于相對(duì)于板9保持板8從而使他們沿著其相鄰的邊緣被焊接在一起。系統(tǒng)100還包括用于使激光光學(xué)組合件4相對(duì)于支承件相對(duì)移動(dòng)的至少一個(gè)未示出的致動(dòng)器。任選地，至少一個(gè)致動(dòng)器支承該支承件和/或激光光學(xué)組合件4和/或?qū)Ч?的平移運(yùn)動(dòng)。替代性地，至少一個(gè)致動(dòng)器支承激光光學(xué)組合件4的至少一部分(例如未示出的鏡元件)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的方法以兩個(gè)步驟進(jìn)行，包括：用于將板8和板9接合在一起的激光焊接步驟以及用于至少在板8與板9之間的焊接接合部上形成防腐蝕層的保護(hù)層形成步驟。激光焊接步驟包括使用激光光學(xué)組合件4以產(chǎn)生具有第一束斑尺寸的激光束。第一束斑尺寸選擇成使得激光束沿著板8和板9的相鄰邊緣產(chǎn)生足以使基材1和基材2的材料熔融的加熱，從而形成焊池。當(dāng)將激光束沿著板8與板9之間的界面掃描時(shí)，形成連續(xù)的焊接接合部6。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，焊接接合部6缺乏保護(hù)性的防腐蝕層。另外，激光焊接步驟破壞了鄰近于激光焊接接合部6的預(yù)涂層3，從而露出了下面的基材1、2?；?、2的露出區(qū)域和激光焊接接合部6在汽車的常規(guī)運(yùn)行條件下容易受到腐蝕，并且在將來(lái)某一時(shí)刻可能是組件失效的位置。

隨后進(jìn)行保護(hù)層形成步驟，以改進(jìn)沿著激光焊接接合部6以及在基材1、2的露出區(qū)域內(nèi)的耐腐蝕性。保護(hù)層形成步驟包括使用激光光學(xué)組合件4以產(chǎn)生具有第二束斑尺寸的激光束，其中，第二束斑尺寸大于第一束斑尺寸。當(dāng)將激光束沿著由箭頭12指示的方向掃描時(shí)，粉末防腐蝕表面材料的流11被引導(dǎo)朝向激光焊接接合部6的當(dāng)前被激光束照射的位置。第二束斑尺寸選擇成使得激光束產(chǎn)生足以使粉末防腐蝕表面層材料熔融，而不使基材1和基材2的材料或焊接接合部6的材料熔融的加熱。例如，當(dāng)粉末防腐蝕表面層材料是粉末鋅時(shí)所述加熱達(dá)到約400℃的溫度，并且當(dāng)粉末防腐蝕表面層材料是粉末alsi時(shí)所述加熱達(dá)到大約600℃的溫度。在激光束經(jīng)過(guò)之后，沉積的熔融的防腐蝕表面層材料結(jié)合并固化，形成防腐蝕表面層7。

可以設(shè)想掃描激光束以及遞送粉末防腐蝕表面層材料的流的多種方式，包括使激光束傾斜以產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的束斑以優(yōu)化粉末防腐蝕表面層材料的熔融。在一個(gè)方案中，激光光學(xué)組合件4和導(dǎo)管5是靜止的，并且板8和板9與支承件一起沿與黑色箭頭12指示的方向相反的方向移動(dòng)。在替代性方案中，支承件是靜止的并且激光光學(xué)組合件4和導(dǎo)管5沿與黑色箭頭12指示的方向移動(dòng)。任選地，激光光學(xué)組合件4不進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，而是使用鏡元件或其他束引導(dǎo)元件沿由黑色箭頭12指示的方向掃描激光束斑，并且導(dǎo)管5的出口端跟隨束斑的位置。替代性地，使用支承件使板8和板9沿與由箭頭12指示的方向相反的方向移動(dòng)，而激光光學(xué)組合件4和導(dǎo)管沿由箭頭12指示的方向移動(dòng)。

應(yīng)理解，以上描述的方法提供了沿著焊接接合部6的一側(cè)的防腐蝕表面層。由于激光焊接工藝導(dǎo)致在板8和板9的兩側(cè)上均形成焊道，因此期望沿著焊接接合部6的相反側(cè)也提供防腐蝕表面層。因此，應(yīng)該重復(fù)保護(hù)層形成步驟以沿著焊接接合部6的相反側(cè)提供防腐蝕表面層?；蛘呒す夤鈱W(xué)組合件4和導(dǎo)管5沿著焊接接合部6的相反側(cè)重新設(shè)置，或者焊接在一起的板8和板9被“翻轉(zhuǎn)”使得焊接接合部6的相反側(cè)面向激光光學(xué)組合件4和導(dǎo)管5。

以上描述的兩步方法可以在單個(gè)工作站進(jìn)行，并且同一激光光學(xué)組合件4和激光源10可以被控制以進(jìn)行激光焊接步驟和保護(hù)層形成步驟兩者。有利地，兩個(gè)步驟可以在同一工作站進(jìn)行，從而降低人工成本以及更好的占地面積的使用率。使用以上描述的兩步方法產(chǎn)生的焊縫具有改進(jìn)的耐腐蝕性，并且能夠改變或調(diào)整激光焊縫的機(jī)械特性以更好的匹配被接合的材料。當(dāng)然，粉末防腐蝕表面層材料的使用由于未使用的粉末可能沉積在工件上和接近的工作環(huán)境中因此需要適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)備和額外的清理。

以上描述的兩步法可以與先前已經(jīng)描述的其他激光焊接方法組合來(lái)執(zhí)行。例如，當(dāng)使用alsi涂覆的板時(shí)激光焊接步驟可以與合金元素(例如鈦或鎳)的添加一起進(jìn)行，以在熔融池中與從alsi層進(jìn)入熔融池的至少一些鋁形成化合物。在于2014年9月17日提交的標(biāo)題為“methodsoflaserweldingcoatedsteelsheetswithadditionofalloyingelements”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/051,573中描述了合金元素的添加，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。任選地或替代性地，根據(jù)于2014年6月19日提交的標(biāo)題為“processandsystemforformingbutt-weldedblanks”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/047,915中描述的方法，在進(jìn)行激光焊接步驟之前，可以從板8與板9之間的目標(biāo)焊接區(qū)域移除預(yù)涂層3，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

圖2a示出了形成在激光焊接接合部的第一側(cè)上的局部化防腐蝕表面層，并且圖2b示出了圖2a的一部分的放大視圖。由于第二激光束斑尺寸大于第一激光束斑尺寸，因此粉末防腐蝕表面層材料在焊接接合部(圖2a和圖2b中未示出)上形成防腐蝕表面層7，并且該防腐蝕表面層7與板8和板9上的預(yù)涂層3相重疊。因此，防腐蝕表面層7不僅沿著焊接接合部而且在鄰近焊接接合部的預(yù)涂層3已被破壞的區(qū)域內(nèi)都提供防腐蝕保護(hù)。由于在激光焊接之后形成防腐蝕表面層7，因此層7覆蓋鄰近焊接接合部的其中預(yù)涂材料已經(jīng)由于下述原因而被破壞的區(qū)域：直接由于激光焊接步驟、或者由于在激光焊接之前進(jìn)行的預(yù)激光焊接準(zhǔn)備步驟，例如在上述討論的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/047,915中描述的。

圖3a示出了形成在激光焊接接合部的與圖2a中所示的第一側(cè)相反的第二側(cè)上的局部化防腐蝕表面層，并且圖3b示出了圖3a的一部分的放大視圖。圖3a和圖3b中示出的防腐蝕表面層7'與圖2a和圖2b中示出的防腐蝕表面層7基本相同。

圖4是沿著圖1中的線a-a取的截面圖，并且示出了激光焊接接合部6上的局部化防腐蝕表面層7。如圖4中所示，層7的厚度大于板8和板9中的每一者上的原始預(yù)涂層3的厚度。例如，層7的厚度高達(dá)大約0.1mm，而原始預(yù)涂層3的厚度為大約20μm。層7的厚度可以可控地改變，例如以滿足不同應(yīng)用的具體要求。通過(guò)若干具體的且非限制性示例，層7的厚度可以通過(guò)改變粉末沉積的速率(即經(jīng)由導(dǎo)管5提供的粉末防腐蝕表面層材料的流量)和粉末防腐蝕表面層材料的粒徑中的一者或兩者而改變。局部化防腐蝕表面層7可以在其開始形成之后修改。例如，隨后將焊接在一起的板8和板9加熱(可以作為單獨(dú)的成型操作的一部分，或者作為上述保護(hù)層形成步驟的延伸)至高于防腐蝕表面層材料的熔融溫度但是低于基材1和2的熔融溫度的溫度，使得防腐蝕表面層材料熔融和重新分布。以此方式，可以使得層7的厚度更均勻。另外，熔融的防腐蝕表面層材料可流入無(wú)保護(hù)的區(qū)域，從而形成更完整的防腐蝕層。

當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案描述的方法可以修改以與除了激光焊接之外的接合技術(shù)一起使用。特別地，鉚接是用于將金屬片材板接合在一起的機(jī)械緊固方法，該方法導(dǎo)致金屬片材板上的保護(hù)層的損壞發(fā)生。以上描述的方法可以適于在第一步驟中通過(guò)鉚接將金屬片材板接合在一起，隨后進(jìn)行保護(hù)層形成步驟。在該替代性實(shí)施方案中，僅在保護(hù)層形成步驟期間使用激光光學(xué)組合件4。例如，激光光學(xué)組合件4在待用防腐蝕表面層保護(hù)的目標(biāo)區(qū)域上方掃描激光束，同時(shí)經(jīng)由導(dǎo)管5提供防腐蝕表面層材料的流。激光束的光斑尺寸被選擇成使防腐蝕表面層材料熔融而不使鉚釘?shù)牟牧匣蚧?和2熔融。

類似地，以上描述的方法可以適于使一個(gè)件圍繞具有防腐蝕表面層的另一個(gè)件鑄造。該鑄造方法會(huì)損壞另一個(gè)件上的防腐蝕層，使得部件容易受到腐蝕。因此，可以在鑄造之后進(jìn)行如上所述的保護(hù)層形成步驟。同樣，僅在保護(hù)層形成步驟期間使用激光光學(xué)組合件4。例如，激光光學(xué)組合件4在待用防腐蝕表面層保護(hù)的目標(biāo)區(qū)域上方掃描激光束，同時(shí)經(jīng)由導(dǎo)管5提供防腐蝕表面層材料的流。激光束的光斑尺寸被選擇成使防腐蝕表面層材料熔融而不使鑄件的材料或另一個(gè)件的基材熔融。

還應(yīng)理解的是，在圖1中，板8和板9以形成對(duì)接焊接接合部(buttweldjoint)的布置示出。任選地，板8和板9中相對(duì)于彼此布置以形成不同類型的焊接接合部，例如搭焊接合部(lapweldjoint)。

雖然以上描述中包括本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案，但是應(yīng)理解的是在不脫離所附權(quán)利要求的真實(shí)含義的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步修改和改變。