激光焊接镀锌钢材的接头设计 技术领域 本发明涉及一种将多层钢材混合式激光焊接在一起的方法。本发明特别涉及一种利用单独的熔透型搭接头设计将冲压钢板和液压成形件连接在一起的激光束焊接方法。
背景技术 传统来说，激光器不仅可以用于沿着给定的切割线切割平板或者其它拉制成的金属板，而且还可以用于将钢板点焊或缝焊在一起。钢板可以是冲压钢板或者液压成形件，其表面上可被镀上一层保护层，例如锌，也可以不镀保护层。
在激光焊接过程中，激光束发出的能量从钢板的第一层穿透到第二层，将这两层钢板的一部分加热到足够高的温度以使之熔化并结合在一起以形成搭接头。然而，当钢板的第一、二层相邻的表面上被镀上一层保护层时，例如锌，保护层就会蒸发成气态并在焊缝的上部和下部之间形成压力。蒸汽压力扩展出去，穿透激光束产生的熔化的母材，导致焊缝气孔、过度飞溅以及诸如切割不足、未填满和孔穴等不良焊接表面情况。这些情况能引起在焊缝的激光焊点处随后就要进行的焊接失败。
如果用焊接光板时使用的相同技术将两层用锌或类似材料保护的金属板焊接在一起，那么得到的焊缝总是表现为不平整以及带有凹坑，及一些为去除它们而进行高成本后续加工的缺陷。
根据一般经验，两块钢板在激光焊接时使用夹具使它们沿着整个焊缝区域尽可能地互相紧密地接合在一起，以保证板之间及其它物件之间最大程度的热传导。接着对板进行激光束加工，通过激光束扫过将焊缝区域的金属熔化从而将板焊接在一起。
虽然已经证明不管使用或者不使用添加在两层钢板之间大约位于接头区域以形成焊缝的额外填充金属，前面所述的方法对光板进行焊接都特别有效，但是对于镀有上面提到的一些保护层的板材却不是很有效。
在将用一层低汽化温度材料镀层保护起来以免和外界介质接触的金属板焊接在一起时，这种方法已被证明不太理想。“低汽化温度材料”意思是指例如锌等熔化和汽化温度比钢铁要低得多的材料。
在金属的类型为可以因在焊接中激光产生的热而产生趋于在焊缝区域聚集并扩散的伴生气比如汽化锌地情况下，此外还有一些方法可以消除在焊接两层金属板的过程中的这些不足。一种方法是在标准的激光束周围增加可以有效地在焊缝区域表面形成足以将两层板的熔化金属保持在一起、足以将扩展的伴生气在远离激光束的方向从焊缝区域中挤出的具有一定压力的压缩保护气体，由此形成无孔隙焊接。
焊接镀锌材料的另一种方法公开了低汽压的低碳钢核心和高汽压的富含锌的镀层，并包括在搭接头并列地布置这种镀锌材料的各组件以及沿着搭接头以横向摆动方式施加高密度激光能束的步骤。横向摆动方式具有的宽度足以将搭接头和横向摆动频率连接在一起从而在组件之间形成一个预定焊接熔池。在此，搭接头和横向摆动方式结合在一起限定了一个蒸汽汽压放泄通道以使对镀锌部件应用高密度激光能束时焊接熔池不被破坏。
在另外一种方法中，两层金属板件很接近地放置在一起，其中一块板放在另一块的顶部以使第一块板的顶面朝向背离另一块金属板。对朝向背离第二块金属板表面的顶面施加激光束，并在激光束和应用激光束表面的交叉处提供由填充金属和活性介质组成的填充焊丝。活性介质和钢板保护层中的锌发生反应以防止至少一部分的锌汽化，补充焊丝作为使焊接达到必要范围的填充物。可以通过金属板件和激光束之间的相对运动以达到这两块金属板件的高质量激光焊接。
还有一种公知的竖直放置的带有一薄层防腐蚀镀锌层的钢板的激光焊接方法。垂直板放置的激光束施加到板上以熔化板材形成焊缝。在焊接中板和激光束相对彼此垂直地进行运动以使激光加热材料形成腔体。从而液体或熔化的材料由于重力的作用竖直地向下流动而使腔体延伸，因此就方便了锌蒸汽从腔体中的逸出。
类似地，在对带有一层薄防腐蚀镀锌层的钢板进行激光焊接以使板材熔化形成焊缝时，使用脉冲激光束也是公知的。在焊接中，激光束在ON和OFF之间跳动，板和脉冲激光束相对彼此垂直地进行运动以至激光加热材料以形成腔体。再次，液体或熔化的材料由于重力的作用竖直地向下流动而使腔体延伸，因此就方便了锌蒸汽从腔体中逸出。
同样公知的还有改变板的形状、夹具的位置和焊缝的位置以允许在焊缝区域附近保护层和板之间的外界交流。
因此，现有技术不能充分揭示出相对于板不同的物理性质板形状和焊缝位置之间的关系。
针对上述的缺点，就需要得到两块镀锌材料和激光焊缝位置之间的几何关系以及板的几何形状。
发明内容 本发明提供一种用熔透型搭接头设计来连接冲压钢板和液压成形件的单侧焊方法。冲压钢板可镀上一层保护层，例如镀锌层，也可不镀。
前述方法包括：提供彼此之间搭接的第一层和第二层金属材料；提供一个焊头，该焊头包括彼此之间间隔分开的一台激光设备和一台GMAW焊接或MIG焊设备；相对第一层和第二层金属材料移动焊头以使激光完全切割穿过第一层，并至少部分切割第二层以形成一通道或者槽从而让汽化了的保护层逸出；然后将GMAW焊接或MIG焊材料填充进形成的通道或槽内以将两层金属材料焊接在一起。
另一可选择的方法是，激光完全切割穿过第一层金属材料，并且部分切割第二层金属材料以形成在长度方向延伸的键槽从而允许任何汽化了的保护层材料逸出，并允许将GMAW焊接或MIG焊材料填充进形成的通道或槽内以将两层金属材料焊接在一起。
参考下面说明了本发明基本原理的具体实施方式和相关附图，可以很明显地得到这些和其它的益处。
图1为两层金属板接合在一起的透视图；
图2为本发明的槽或通道完全切割穿过两层金属板的可选实施例的透视图。
如图1所示，第一金属板10将和第二金属板20接合。第一金属板10被放置在第二金属板20之上。第一金属板10和第二金属板20都包括了由低汽化温度材料制成的保护层12，22。这种材料的一个例子是锌。
虽然图1所示金属板10和20是分开的板，根据本发明的目的可以知道这两块金属板也可以包括弯曲或卷绕形成类似U形形式的一块单独的板。
此外，附图中单独的保护层12，22位于两金属板10，20的上表面。金属板的镀锌保护层的标准厚度范围是从零至大约7.5微米。
如图1和2中所示的保护层12和22的具体位置并不是对本发明的限定；在实际操作中通常如此：金属板10和20分别有两个相对的保护层(图中未示出)。最后，尽管在所有的附图中如图1和图2所示第二金属板20的单个保护层22位于板10和20之间，但是如果两板10和22的保护层12，22在两金属板之间相互面对放置，很明显这也不会影响随后的描述。类似地，保护层12，22可以同位于每一板的上表面和下表面，虽然未在图中描述。
从图1中可见，第一金属板10位于第二金属板20的上面。第一金属板10的重叠部分一般和其上放置有第一板10的第二金属板20的对应部位具有相同的形状和/或轮廓。
很容易想到，第一和第二金属板的形状或轮廓不相互对准。这种情况并不对本发明的应用产生任何限制。第一和第二金属板之间相对细微的缝隙不会影响用这种方法得到的焊缝。然而，两金属板之间的缝隙越小，得到的焊缝越好。
第一金属板10和第二金属板20适当放置之后，将它们夹持在合适的位置，并在焊机上相对焊头30进行放置。焊机的焊头30朝向第一金属板10的自由表面。虽然图1所示中焊头30朝着第一金属板10的自由表面，但是也可以从下侧定位焊头30朝向第二金属板20底部自由表面。
焊机的焊头30为混合式的，包括有激光设备34，以及带有熔化极气体保护电弧焊机(此处往后写作“GMAW”)36，以使两金属板10和20在焊缝区域40附近接合在一起。在焊头中定位激光34使得在制出焊道来连接两金属板10和20时激光34处在GMAW36之前。
在优选实施例中，焊机的焊头30如上述那样朝向第一金属板10的上表面放置。当焊机的焊头30经过第一和第二板10和20时，激光34首先接触到焊缝区域。
激光34发出的能束足以穿透第一板10全部厚度和至少部分进入第二板20厚度。当激光34发出的能束穿过第一板10时，两金属板10和20在焊缝区域40附近被加热。激光带来的热和/或能量会引起焊缝区域40附近温度升高，并引起焊缝区域40附近保护层12和22的汽化。然后从保护层12和22中汽化出的气体散入环境之中。一旦激光34穿过之后，最终结果就是形成一通道或槽42。
一旦激光34已经穿过第一金属板10和至少部分进入第二金属板20而切割出通道或槽42，GMAW36通过惰性气体保护焊(MIG)材料填充所述通道或槽42以便直接跟随在激光34之后，其中该MIG焊材料来自于安装在焊头30上的GMAW36或传统焊接设备。
在图2中最佳示出的另一实施例中，第一和第二金属板10和20稳定固定以防止其移动。当焊机的焊头30移过金属板10和20时，激光34切割出一完全穿过第一和第二金属板10和20的缝隙44。然后GMAW36跟随着激光34的迹线，并用MIG焊材料填充缝隙44以在焊缝区域42形成一可靠的焊缝。
从上述描述中，本领域的熟练技术人员很容易发现本发明的实质特点，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出各种改变或者修改以使之适应不同的用途和条件。例如，镀层可以是锌之外的其它材料。