專利名稱：采用雙點法的激光釬焊改進的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光釬焊的方法，其采用后熱處理減少或消除釬焊接 頭缺陷的存在。
背景技術：
釬焊是一種用于連接兩個緊貼表面的常用技術。其包括將諸如金屬或 金屬合金的填料置于兩表面間的接合處，并加熱以使填料熔化。然后填料 至少部分地流動到接合處中并凝固，形成釬焊接頭，從而將兩表面牢固地 結合在一起。填料和表面材料通常在界面上部分互溶，引起分子水平的強 力結合。
在激光釬焊中，填料用可以提供精準、可控加熱的激光進行加熱。然 而，目前激光釬焊工藝存在的一個問題是，在冷卻和凝固時，填料形成小
L，有些小孔會使釬焊接頭斷裂。在傳統(tǒng)的激光釬焊工藝中，據(jù)估計有2% 至4%之間的釬焊接頭包含表面斷裂孔。據(jù)信多孔性是由填料中少量雜質、 待連接的表面上的雜質或缺陷以及激光釬焊工藝自身所引起。通過降低填 料中的雜質和表面的污物，可以將表面斷裂孔的百分比降低到大約2%。 表面斷裂孔可以通過機械加工釬焊接頭(例如拋光、打磨或填充)消除， 但是這種技術費時費力。釬焊接頭中的小孔會對接頭物理特性(例如強度) 具有負面影響，表面斷裂孔在需要光面精整的應用中是一個特定的問題。 此外，在傳統(tǒng)的激光釬焊中，填料冷卻時，其表面會形成環(huán)狀或人字形焊 紋。
JP 7211424號專利文件公開了一種錫焊技術，其中一個激光束被分 開，使具有高熱容的工件在用第二激光束焊接之前先以第一激光束預熱。 這就避免了工件局部急劇預熱所帶來的問題。JP 63168272號專利文件公開了一種采用激光熱源使有缺陷的熔化區(qū) 再熔化，以去除釬焊部分的針孔的方法。
US 2004/009964號專利文件公開了一種用于激光束焊接的系統(tǒng)，其包 含一個激光束焊頭和一個TIG焊頭，其中TIG焊頭用于使得自激光焊頭 的焊接泡的一部分再熔化。
然而，仍然需要一種用于激光釬焊的有效方法，在其中釬焊接頭中的 小孔形成和不期望的表面圖案可以減少，具體說，在其中表面斷裂孔的出 現(xiàn)可以減少或完全消除。這由其與將要油漆的釬焊接頭關系緊密，因為油 漆后表面的不規(guī)則或表面斷裂孔同樣明顯。該方法應該提供簡單、經(jīng)濟的 解決方案，而且應該很容易與現(xiàn)有的，特別是用于大量生產(chǎn)的貨物的高速 工藝兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用激光釬焊頭將第一組件激光釬焊到第二組件的 方法。該激光釬焊頭具有用于提供第一激光束的第一裝置和用于提供第二 激光束的第二裝置。該方法包含以下步驟
a. 安排第一組件與第二組件接觸，從而在其間形成接合處；
b. 在鄰近所述接合處提供填料，以及
c. 使所述激光釬焊頭沿所述接合處通過，以使所述第一激光束熔化所 述填料，以至少部分地填充所述接合處，形成釬焊連接，所述第二激光束 向所述釬焊連接進行后熱處理。
適宜地，第一激光束提供的每單位面積的能量(=強度)大于或等于 第二激光束提供的每單位面積的能量。例如，第一激光束提供的每單位面 積的能量可以二倍、五倍或十倍于第二激光束提供的每單位面積的能量。
一方面，使填料在第一激光束將其熔化之后、第二激光束對其后熱處 理之前凝固。
用于提供第一和第二激光束的第一裝置和第二裝置可以與各自的激 光源相連接?？蛇x擇地，第一和第二裝置都連接到一個單獨的激光源上。在一個實施例中，填料選自包含銀、錫、銅、鋅、鋁，以及其合金的群組。
激光釬焊頭以適宜地在0.2至8米/分鐘之間、最好為1至3.5米/分鐘 之間的速度沿接合處通過。打到接合處的第一和第二激光束的中心到中心 之間在激光釬焊頭行進方向上的距離A在1至50毫米之間，最好在3至 15毫米之間。
在鄰近所述接合處還可以提供焊劑。在一個特定的實施例中，釬焊頭 還包含在鄰近接合處提供填料的裝置。
術語"釬焊"指一種連接兩種材料的方法。填料導至兩材料之間的接合 處，然后熔化形成釬焊連接。釬焊和錫焊的區(qū)別是，用于錫焊的填料(焊 錫)具有低熔點；然而，在本發(fā)明中，術語"釬焊"的含義涵蓋了錫焊和釬
焊工藝。


圖la-lc表示本發(fā)明的方法。
圖2為沿圖ic中的n-n線的截面圖。
圖3表示本發(fā)明方法的一個具體實施例。
圖4和5表示接頭的可選安置。
圖6表示接合處表面上的兩個激光束的相對位置。
具體實施例方式
圖la-lc表示根據(jù)本發(fā)明的總體方法。該方法的第一步是將第一組件 10與第二組件12接觸安置，從而在其間形成接合處16。
圖la表示了一種簡單的構造，其中第一組件10和第二組件12在其 末端(射束收集縫(beam trap seam))相互對接。然而，兩個組件10、 12的準確安置并不重要，他們可以安置成其中一個的末端與另一個組件的 更大表面相對接(角焊縫(filletseam)—見圖4)，或者安置成疊放的方式(邊焊縫(edgeseam) —見圖5)。為了獲得最堅固的釬焊接頭24，第 一和第二組件IO、 12的表面應該潔凈，而且實質上無氧化物。
第一和第二組件10、 12可以由任何適合釬焊工藝的材料制成。兩組 件最好由鐵或其合金制成，其特別適合釬焊。鋁、銅和鋅，以及它們的合 金，也可以通過該技術釬焊。第一和第二組件不一定是相同的材料一例如 第一組件可以由鋼制成，而第二組件由鋁制成。
如圖lb所示，在第一和第二組件10、 12之間的接合處16鄰近提供 填料14。填料14可以根據(jù)任何公知方法鋪設。較佳地，填料14以焊絲的 形式在接合處16鄰近提供。填料14不必沿接合處16連續(xù)提供；然而填 料14沿接合處16連續(xù)提供時可能會獲得更好的結果。
如圖3所示，在一種選擇中，釬焊頭18還包含用于在接合處16鄰近 提供填料14的裝置30。這樣就可以在釬焊頭18的一次橫移中提供填料 14并焊接好接頭?？梢圆捎迷诤方泳€側提供填料14的方法。
本發(fā)明可以使用多種填料14。填料14的選擇通常依賴于待釬焊的材 料。銀、錫、銅、鋅、鋁及其它們的合金都特別適合填料14。這些金屬相 互組成的合金也很適合。銅合金特別適合作為填料14。
在某些情況下，需要在用于提供填料14的裝置30和第一和第二組件 10、 12之間施加低電壓。這就在填料14中引起電流，其因而加熱。填料 14從而被預熱。這提高了其柔性，并有助于填料14的鋪設。同時，隨后 的激光釬焊也得以改進，可以減少因填料14快速局部加熱而引起的缺陷。
一旦將填料14提供到接合處16附近，激光釬焊頭18即沿接合處16 通過(見圖lc)。激光釬焊頭18具有用于提供第一激光束20'的第一裝置 20和用于提供第二激光束22，的第二裝置22。
用于提供第一和第二激光束20' 、 22'的第一裝置20和第二裝置22 可以與各自的激光源21、 23 (圖中未表示)相連接。這些激光源不一定非 要位于激光釬焊頭18自身上，盡管這也是可能的。為了節(jié)省激光釬焊頭 的重量，分離的激光源21、 23最好位于不在激光釬焊頭上的其它地方， 通過光纖或其它光學系統(tǒng)連接到第一和第二裝置20、 22上?？蛇x擇地，用于提供第一和第二激光束20' 、 22'的第一和第二裝置 20、 22都連接到一個單獨的激光源上。也就是說，使用合適的光學元件將 單獨的激光源分離，并將輸出連接至第一和第二裝置20、 22。光束分離可 以通過使用所屬技術領域的技術人員可以很好理解的標準光學元件實現(xiàn)。 此外，該單獨激光源不必位于激光釬焊頭自身上，為了節(jié)省激光釬焊頭的 重量，可以位于其它地方，通過光纖或其它光學系統(tǒng)連接到第一和第二裝 置20、 22上。該實施例具有僅需一個激光源的優(yōu)點，其在釬焊工藝中節(jié) 省了能量。此外，采用本實施例，具有單獨激光源的傳統(tǒng)激光釬焊頭可以 通過提供相關光學元件很容易地加以改造，以提供根據(jù)本發(fā)明的激光釬焊 頭18。
激光釬焊頭18沿接合處16通過，這樣，第一激光束20'熔化填料14， 以至少部分地填充接合處16，形成釬焊接頭24。然后第二激光束22對所 述釬焊接頭24進行后熱處理(見圖lc)。圖2為沿圖lc中的II-II線的
截面圖。
通過這樣的后熱處理，可以生成具有總體上很少小孔、很少或無表面 斷裂孔的釬焊接頭。激光釬焊頭18單次通過接合處16就足以提供釬焊接 頭質量的明顯改善。此外，單獨激光釬焊頭18可以用于提供高質量釬焊 接頭的事實意味著不需要諸如拋光或打磨的額外步驟。本發(fā)明的工藝與現(xiàn) 有包含釬焊步驟的制造工藝高度兼容。
接合處16上的激光束20' 22，每單位面積的能量(=強度)具有高斯 分布(Gaussian distribution)。激光束從一個邊緣經(jīng)過中心到達另一邊緣 的強度，在通過中心下降之前一直增加，到中心增至最大值。因此，在比 較激光束的強度時，同樣點的類比就很重要(也就是說，在第一激光束20 中給定點上的測定結果必須和第二激光束22'相應點上的測定結果進行比 較)。
第一激光束20，提供給接合處16上的每單位面積的能量(=強度)應 該大于或等于第二激光束22'提供的每單位面積的能量。例如，第一激光 束20，提供的每單位面積的能量可以二倍、五倍或十倍于第二激光束22'提供的每單位面積的能量。這樣的安排確保第二激光束22'僅提供后熱處 理，而不會將填料14完全熔化。圖6表示接合處16表面上的兩個激光束20' 22，的相對位置。在該圖 示中，激光釬焊頭18行進的方向以箭頭表示。接合處16表面上的兩個激 光束中心到中心間的距離(在激光釬焊頭18行進的方向上)給定為距離 A。在某些情況下一如下所述一需要將兩個激光束的中心點在與激光釬焊 頭18行進方向垂直的方向上相互相對偏移。該偏移以d表示。第一和第 二激光束的直徑分別給定為x/和x么在接合處16上通常在2-3毫米之間。激光釬焊頭18的速度、打到接合處16的第一和第二激光束20'、 22' 之間的時間差，以及接合處16激光束20'、 22，之間的距離A相互關聯(lián)。 激光釬焊頭18在接合處16上方的快速移動會導致兩個激光束打到給定間 距的兩光束上之間的時間變短。激光釬焊頭18以適宜地在0.2至8米/分鐘之間、最好為1至3.5米/ 分鐘之間的速度沿接合處16通過。打到接合處16的第一和第二激光束 20，、 22'之間的距離較佳在1至50毫米之間，最好在3至15毫米之間。以上條件對于第一激光束20'和第二激光束22'之間的填料14的最終 結果有影響。使釬焊頭18在接合處16上方快速通過，或者對兩激光束20'、 22'提供相對較小的間距A，都會使填料14在其接受第二激光束22'后熱 處理之前難以完全凝固。使填料14在第一激光束20，將其熔化之后、第二 激光束22，對其后熱處理之前凝固時，會得到最好的結果。這可以通過使 激光釬焊頭在接合處16上方相對較慢地通過(例如2-5米/分鐘)、或者 在兩激光束20'、 22，間提供相對較大的間距A (例如10-30毫米)而得以 實現(xiàn)。當激光釬焊頭18以1至3.5米/分鐘之間的速度移動，激光束20'、 22' 分開3至15毫米的距離時，得到最佳結果。第一和第二組件10、 12的不同安置可能需要第一和第二激光束20'、 22'的不同調整。例如，當釬焊例如圖5中的邊焊縫時，可以將第一激光 束20，導向為使第一和第二組件10、 12的上面比下面加熱更甚。這樣，填料14最好向下，而非向上流入接合處16中。然后將第二激光束22'導向 釬焊接頭24本身，以使釬焊接頭24直接在其表面上接受后熱處理。兩激 光束之間的偏移d(圖6)可以變化，以提供所需的效果。釬焊往往在焊劑的存在下進行，焊劑阻止釬焊過程中氧化物的形成。 因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例中，在鄰近接合處16還提供焊 劑。最好的用作焊劑的材料為硼砂基焊劑。然而，標準的激光釬焊技術很 快，通常不需要焊劑。本發(fā)明的激光釬焊工藝可以在惰性氣氛中進行，以減小燃燒的風險。 氬、氮或氦可以用作惰性氣氛。激光釬焊過程中，可以將第一和第二組件10、 12夾在一起?？蛇x擇 地，激光釬焊頭18裝配有至少一個裝置來向第一或第二組件10、 12施加 壓力(例如輪子(wheel)或指狀物(finger))。其安置成至少在第一激 光束20'之前接觸第一或第二組件。這些壓力輪或指狀物向第一和第二組 件10、 12施加一個連貫的力，以使它們在釬焊時緊密接觸。它們還有助 于激光釬焊頭18維持在一個與第一和第二組件10、 12設定的距離上。激光釬焊頭18還可以包含用于跟隨接合處16的裝置，以確保激光釬 焊頭18與接合處16保持對準。最簡單的方式是，其包含一個指針，其設 置成在釬焊過程中可以沿接合處16運行，和留聲機上的唱針的方式類似。 更復雜的接合處跟隨裝置可以使用光學元件，使激光釬焊頭18與接合處 16保持對準。實例典型地，將兩種材料激光釬焊到一起的組成包括兩個鋼板材料和銅合 金填絲CuSi3 。用夾具輪或者通過可移動的/分度夾具將兩個材料夾到一起， 形成沒有空隙的連接。兩點光束通常通過標準激光光學元件中的楔形透鏡 改變部分光束的(典型地為20%)光路、生成第二點而產(chǎn)生。兩點之間的 距離需要根據(jù)釬焊速度調整，以得到最佳效果。在釬焊速度為2米/分鐘時， 為了取得較好的結果，兩點之間的典型距離為8-10毫米，同時第二光束 點追隨接縫的中心。本發(fā)明不應認為受此處所述的實施例和附圖的限制。而是，本發(fā)明的 整個范圍應參照說明書由權利要求來確定。
權利要求
1.一種利用激光釬焊頭(18)將第一組件(10)激光釬焊到第二組件(12)的方法，該激光釬焊頭具有用于提供第一激光束(20’)的第一裝置(20)和用于提供第二激光束(22’)的第二裝置(22)，該方法包含以下步驟a.安置所述第一組件(10)與所述第二組件(12)接觸，從而在其間形成接合處(16)；b.在鄰近所述接合處(16)提供填料(14)，以及c.使所述激光釬焊頭(18)沿所述接合處(16)通過，以使所述第一激光束(20’)熔化所述填料(14)，以至少部分地填充所述接合處(16)，形成釬焊連接(24)，所述第二激光束(22’)對所述釬焊連接(24)進行后熱處理。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束(20')提供的 每單位面積的能量大于或等于，例如，二倍、五倍或十倍于第二激光束(22') 提供的每單位面積的能量。
3. 根據(jù)權利要求1至2中任一項所述的方法，其特征在于，使填料(14) 在第一激光束(20')將其熔化之后、第二激光束(22')對其后熱處理之前凝固。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，用于提供 第一和第二激光束(20', 22，)的第一裝置(20)和第二裝置(22)與各自的激光 源(21,23)相連接。
5. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，第一和第 二裝置(20， 22)都連接到一個單獨的激光源上。
6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，填料(14) 選自包含銀、錫、銅、鋅、鋁，及其合金的群組。
7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，激光釬焊 頭(18)以0.2至8米/分鐘之間、最好為1至3.5米/分鐘之間的速度沿接合 處C16)通過。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，打到接合 處(16)的第一和第二激光束(20'， 22')的中心到中心之間在激光釬焊頭行進 方向上的距離在1至50毫米之間，最好在3至15毫米之間。
9. 根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，在鄰近所 述接合處(16)還提供焊劑(30)。
10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，釬焊頭 (18)還包含在鄰近接合處(16)提供填料(14)的裝置(30)。
全文摘要
本發(fā)明提供采用雙點法的激光釬焊改進，具體說，提供一種利用激光釬焊頭將第一組件激光釬焊到第二組件的方法。該激光釬焊頭具有用于產(chǎn)生第一激光束和第二激光束的裝置。該方法包含以下步驟安置第一組件與第二組件接觸，從而在其間形成接合處；在鄰近所述接合處提供填料，以及使激光釬焊頭沿接合處通過，以使第一激光束熔化填料，以至少部分地填充所述接合處，形成釬焊連接。第二激光束然后向釬焊連接進行后熱處理。
文檔編號B23K1/005GK101254562SQ20071015461
公開日2008年9月3日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權日2006年11月13日
發(fā)明者伊薩·P·勞里拉, 厄本·道達爾, 尼克拉斯·帕姆奎斯特, 格倫·彼得·霍普金斯, 泊爾·林達爾, 馬丁·斯特勞布萊德 申請人:沃爾沃汽車公司