專利名稱：鍍層鋼板的激光焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用激光焊縫連接兩塊鋼板的方法，其中，至少一塊鋼板有低熔點鍍層。這里所謂低熔點是指熔點明顯低于鋼的熔點。本發(fā)明特別涉及在汽車工業(yè)中用于車身制造的鍍鋅鋼板的激光焊接方法。
本發(fā)明還涉及一種深拉板件的修邊方法，該板件沿其切邊用一道激光束-角焊縫與第二塊板件連接。這樣一種方法用來準(zhǔn)備要焊接的切邊。
此外，本發(fā)明還涉及一種板件特別是至少由兩塊薄板件組成的并用本發(fā)明焊縫連接的車身構(gòu)件。
最后，本發(fā)明還涉及用本發(fā)明激光焊接方法將深拉板件與一塊板件特別是與車身構(gòu)件連接。
用一條激光焊縫連接兩塊鋼板的焊接方法是工業(yè)上特別是汽車工業(yè)最重要的連接方法。在鍍有熔點明顯低于鋼熔點的防腐蝕金屬的鋼板上生產(chǎn)高質(zhì)量的焊縫是困難的。例如鍍鋅鋼板在焊接過程中鋅首先熔化并部分汽化，由此產(chǎn)生的汽泡對焊縫形成過程中不斷形成的鋼熔池造成干擾。這樣，例如就會在焊縫中出現(xiàn)弧坑、噴出物和其他不一致性。鍍層鋼板激光焊接出現(xiàn)的上述問題在文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞叫做“排氣問題”。
已經(jīng)提出了各種不同的方法來解決這個排氣問題。歐洲專利EP-PS0178394B1提出一種方法是，兩塊以搭接接頭形式擺放的要焊接的鋼板通過鋼板的適當(dāng)形狀使焊接區(qū)與外界至少保持一個通氣口。這一先有技術(shù)提出的方法是，激光束對準(zhǔn)搭接接頭的第一塊鋼板的表面，使它首先熔透，在如此多的能量輸入熔液之前，熔池也達(dá)到第二塊鋼板，也可以說下面的一塊鋼板。這種方法的缺點是，鋼板的熔透必須使用大功率的激光束。此外，該方法不可能將兩塊相互要連接的鋼板的一塊直接在它的切邊范圍焊接，因為所提出的用來產(chǎn)生排氣室亦即出氣孔的構(gòu)形在流動方向不可能裝配夾具。但這正是自動化工業(yè)焊縫生產(chǎn)必不可少的。
為了解決上述排氣問題，德國專利DE-PS3812448C1提出將兩塊鍍層薄鋼板的連接范圍加工成使兩塊薄鋼板沿焊縫疊接具有不同的曲率半徑，而且焊縫兩側(cè)相距一定的距離。這種也稱作“吻焊”的技術(shù)同樣也是以使用大功率的激光束為先決條件，因為在形成的熔池達(dá)到下面的鋼板之前，同樣必須熔透上面的鋼板。此外，在自動化生產(chǎn)過程中激光束的定位特別困難，因為，為了可利用兩塊重疊鋼板構(gòu)形的優(yōu)點必須焊接的精確位置是很敏感的。用公知的光學(xué)導(dǎo)向方法也不可能定出激光束的精確理論位置。此外，這種方法必須精確保持曲率半徑，否則就不能達(dá)到所追求的優(yōu)點，這也是不利的。保持要求的曲率半徑所需的工具公差當(dāng)工具的使用壽命到期時由于工具的磨損而超差，所以又會降低工業(yè)生產(chǎn)焊縫的質(zhì)量。
此外，上面最后提及的“吻焊”技術(shù)與前面討論的方法一樣有一個特大的缺點，即焊縫不能直接沿兩塊鋼板的一塊板邊產(chǎn)生，而這正是車身結(jié)構(gòu)所希望的焊縫，特別是出于外觀上的原因。
德國專利DE-OS3515598提出兩塊薄鋼板的連接位置是，用一條激光焊接的角焊縫來連接兩塊重疊放置的鋼板的平行接頭。這種方法也有上述的缺點，即在鍍鋅鋼板時焊縫不令人滿意。
德國專利DE-PS3909471C1討論了激光焊接鍍層鋼板時的排氣問題，該文提出在搭接焊接鍍層鋼板特別是鍍鋅鋼板時在焊縫范圍內(nèi)的工件上滾花。且不說該文沒有向技術(shù)人員指出如何沿鋼板的一塊板邊的施焊問題，單是提出的在要焊接鋼板上的滾花工序本身是費用很高的，特別是在工業(yè)大批生產(chǎn)范圍內(nèi)，這種費用高到不可接受。
前述歐洲專利EP-PS0178394B1也在圖4中提出兩塊鋼板的搭接接頭用激光束熔透并進(jìn)行一段鋸齒形滾花，從而形成平行于焊縫方向延伸的槽。這種槽或鋸齒形或由此構(gòu)成的滾花顯然不適用于解決在一塊鋼板沿著它的切邊與第二塊鋼板連接時出現(xiàn)的排氣問題。
所以，本發(fā)明的任務(wù)在于，改進(jìn)上述連接兩塊鋼板的方法，其中，至少一塊鋼板具有低熔點的鍍層，例如為鍍鋅鋼板，這種方法使激光焊縫可沿一塊鋼板的切邊形成，而且形成的焊縫具有最好的質(zhì)量。
本發(fā)明的另一個任務(wù)是，提出一種用于深拉板件特別是車身構(gòu)件的修邊方法，板件沿切邊用一條激光束-角焊縫與第二板件連接，并用兩個相互剪切運動的切刀進(jìn)行修邊，而且把一塊板件的切邊構(gòu)成使它放到第二塊板件上時能夠生產(chǎn)第一流的激光焊縫，或者進(jìn)一步改進(jìn)本發(fā)明第一任務(wù)提出的方法。
本發(fā)明第一任務(wù)的技術(shù)解決方案的特征是相互要連接的鋼板在焊接前將焊縫范圍按一銳角疊接擺放，并使焊縫構(gòu)成角焊縫。其中兩塊鋼板之間焊縫范圍的夾角最好介于7°和15°之間。所述的方法特別適用于汽車工業(yè)用深拉板件生產(chǎn)車身坯件，按本發(fā)明方法用一條激光焊縫將板件與車身構(gòu)件相互連接，在板件設(shè)計時，沿端面要焊接的板件在與焊接鄰接的焊縫區(qū)內(nèi)的成型剛度是在考慮到另一塊沿表面要焊接的鋼板的情況下這樣設(shè)計的，即在用一個夾緊裝置夾住兩塊板件時，在將來的焊縫范圍內(nèi)板件之間形成一個介于7°和15°之間的銳角。
沿端面要焊接的板件在下面不論它的實際位置如何，統(tǒng)稱為“上面”或“第一”板件，而配合件，即在其表面上要焊接的板件在下面不論它的實際位置如何，則統(tǒng)稱為“下面”或“第二”板件。
換言之，例如由深拉壓力機加工的第一板件的邊緣范圍按上述銳角進(jìn)行大約1至11/2厘米寬的卷邊，以便在放到第二板件的表面上時和在用夾緊裝置夾緊時總是保持介于7°和15°之間的要求銳角。這個角度起排氣區(qū)的作用，并保證鍍鋅層以氣體的形式排出，而不對要形成的角焊縫的熔池造成干擾。
用本發(fā)明方法可直接在第一板件的切邊上形成第一流質(zhì)量的激光焊縫而具有各種優(yōu)點。特別是車身結(jié)構(gòu)由于美觀的原因要求這樣的焊縫。另外，焊縫位置直接在第一板件的切邊上而可實現(xiàn)焊接過程的完全自動化。即激光束可用直接位于第一板件切邊上的光學(xué)導(dǎo)向裝置找正，例如可設(shè)置一個光學(xué)樣板投影到切邊上，例如五條相互平行設(shè)置的矩形帶。由于通過切邊在投影方面內(nèi)構(gòu)成的偏移使投影的樣板產(chǎn)生特殊的畸變，這表示一個信息，它可用來對產(chǎn)生角焊縫的激光束導(dǎo)向。
所述的夾緊裝置可與焊縫量規(guī)集成一體。這種焊縫量規(guī)例如在汽車車身毛坯生產(chǎn)中在生產(chǎn)汽車車身的門或蓋時使用。
本發(fā)明的第二方面，提出一種作為上面的或第一板件的深拉板件的修邊方法，這第一板件沿切邊用一條激光束-角焊縫與第二板件連接，其中，修邊用兩個相互作前切運動的切刀進(jìn)行，并在至少一把切刀的刀刃上設(shè)置有本發(fā)明的切口，所以沿修邊的板件的切邊上形成許多齒。根據(jù)本發(fā)明的方法，還在切割過程中也即在一道必須的加工工序中就在鋼板的切邊上形成了在把它放到第二板件的表面上時構(gòu)成垂直于焊接方向延伸的排氣槽，而不需要單獨的加工工序。試驗表明，通過這樣處理的切邊，即使在把兩塊鋼板按搭接接頭的形式相互平行擺放時，也能在兩塊鋼板上生產(chǎn)質(zhì)量一流的角焊縫。
但把提出的措施與本發(fā)明第一任務(wù)的技術(shù)解決方案結(jié)合起來則特別有利，也即相互焊接的鋼板在焊接范圍內(nèi)按銳角疊接擺放，并附加考慮到使貼到第二板件表面上的第一板件的切邊成段構(gòu)成排氣槽，即按本發(fā)明修邊方法在第一或上面板件的切邊上制造許多齒。
在一個優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形式中，要焊接的板件即第一或上面的板件的端面上修邊形成的齒高介于5/100和5/10毫米之間。結(jié)果表明了分段存在的間隙亦即垂直于焊接方向延伸的排氣槽只具有5/100毫米的高度就足能解決上述的排氣問題，特別是在朝焊縫板端方向設(shè)置有例如本發(fā)明提出的銳角構(gòu)成的排氣空間時。
在本發(fā)明另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式中，通過對下面的、即要焊接的切邊上光學(xué)導(dǎo)向的激光束、即通過對傾斜接頭產(chǎn)生角焊縫的激光束同步跟蹤的第二激光束對準(zhǔn)上面的、即要焊接的鋼板端面的自由邊，從而使該自由邊倒圓。如果相互焊接的鋼板象在汽車車身時那樣需要噴漆，這樣的倒圓則具有極大的優(yōu)越性。亦即沒有這樣的倒圓就會導(dǎo)致所謂的“噴漆流走”，亦即噴漆由于它的表面張力或其他內(nèi)分子的力從尖銳的邊緣拉回，這就會導(dǎo)致只有了微米的極薄漆層。這樣薄的漆層沒有足夠的防腐蝕作用，特別是在汽車制造中是不希望出現(xiàn)這種情況的。
用摻釹釔鋁石榴石激光器來產(chǎn)生激光束是特別有利的。這種激光器結(jié)構(gòu)具有這樣的優(yōu)點，即產(chǎn)生一微米的波長可通過玻璃纖維光纜傳導(dǎo)，并可通過玻璃透鏡或別的透射物質(zhì)作成的透鏡聚焦。這樣用于產(chǎn)生角焊縫就特別簡單，因為這種焊縫往往必須在位置受限的條件下進(jìn)行焊接。
下面結(jié)合附圖所示的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖是

圖1表示本發(fā)明兩塊按銳角疊接擺放的鋼板；圖2表示按先有技術(shù)搭接接頭擺放的兩塊鋼板；圖3表示通過汽車車身的車頂通風(fēng)孔道的一段橫截面；圖4表示按本發(fā)明方法作焊縫準(zhǔn)備對鋼板修邊用的一個切刀；圖5表示圖4帶有切口的切刀的另一種結(jié)構(gòu)形式；圖6表示附加切邊倒圓的本發(fā)明焊縫；圖7表示沒有倒圓的本發(fā)明焊縫的截面圖8表示噴漆后的圖6焊縫；圖9表示噴漆后的圖7焊縫；圖10表示本發(fā)明方法另一種結(jié)構(gòu)形式的示意圖。
圖2表示按先有技術(shù)以搭接接頭的形式擺放的兩塊鋼板1和2。第一塊鋼板在本說明中也叫做上面的鋼板，不管它的重力位置是否在上。鋼板1用一條角焊縫與下面的鋼板2焊接，而且鋼板1沿它的端面焊接，而鋼板2則沿它的表面焊接。激光束3沿貼角照射，以便生產(chǎn)激光束-角焊縫。由于鋼板1和2有鍍鋅層4，所以鍍鋅層首先蒸發(fā)并沿圖4箭頭5方向排出。由于只有一條排氣通道暢通，所以通過激光束3產(chǎn)生的鋼熔液受到干擾，因而產(chǎn)生焊口。
圖1表示按本發(fā)明大約7°到15°的銳角α擺放的兩塊鋼板1和2，在這里，當(dāng)通過一條激光束3產(chǎn)生一條角焊縫時，便附加地產(chǎn)生一條如箭頭6所示的排氣通路。也就是說，產(chǎn)生的鋅蒸汽也可沿鋼板側(cè)的方向排出，從而保證了激光束-角焊縫的一流質(zhì)量。
圖3表示汽車車身所謂車頂通風(fēng)孔道的橫截面，這是本發(fā)明激光焊接法優(yōu)先使用的場合。車頂構(gòu)件10與構(gòu)成車頂板的構(gòu)件12焊接。本發(fā)明將構(gòu)件10和12的橫截面形狀設(shè)計成相互配合，使這兩個構(gòu)件可按一個銳角α擺放。而且在設(shè)計時，特別是車項件10要焊接的前端14的角度位置設(shè)計成在用焊縫量規(guī)上的夾緊工具16將兩個構(gòu)件相互夾緊時，使彈性構(gòu)件產(chǎn)生變形正好符合要求的銳角α，即為7°和15°之間。這里焊縫量規(guī)為一個連續(xù)運動的滾子。在通過激光束3產(chǎn)生角焊縫時，產(chǎn)生的鋅蒸汽可附加地沿銳角α的方向排出，從而保證了第一流的激光焊縫。
車頂構(gòu)件10的輪廓即橫截面形狀用深拉壓力機成形。板坯在深拉壓力機上加工時，其尺寸稍大于車預(yù)構(gòu)件10的尺寸。所以有必要對深拉板件即車頂板構(gòu)件10的端面18進(jìn)行修邊處理，為此，使用相互剪切的切刀。
圖4表示所用的一把切刀21，該切刀的切刃上設(shè)置有小的切口23，所以在板件即車頂件10切邊上進(jìn)行修邊的過程中便產(chǎn)生許多小齒19，如圖10所示，切邊借助這些小齒19貼在第二板件12的表面20上，這樣就在垂直于焊接方向形成許多排氣槽22。焊接方向如箭頭24所示，而且不論是產(chǎn)生角焊縫26的激光束沿傾斜接頭上方定向移動，還是要加工的工件相對于固定的激光束運動，都是無關(guān)緊要的。
圖5表示切刀21切刃上設(shè)置另一種切口23a、23b和23c的結(jié)構(gòu)形式。
如果按本發(fā)明只生產(chǎn)圖10所示的角焊縫26，則上板件即車頂件10的自由邊28可以保留。
圖7表示激光產(chǎn)生的圖10所示角焊縫26的一個截面，上板件即車頂件10的自由邊28如不加處理，則在噴漆時會導(dǎo)致漆層32如圖9所示那樣流走，于是在尖銳邊緣28的范圍內(nèi)出現(xiàn)所謂漆流走，而導(dǎo)致在這個范圍內(nèi)的漆層明顯薄于防腐蝕所需的漆層厚度。
如圖10所示，這一缺陷可通過第二束激光束照射到自由邊28上并使自由邊熔化而獲得補救。這樣就形成一條附加的焊縫34以取代尖銳邊緣28，這條附加焊縫構(gòu)成的整個焊縫的橫截面形狀如圖6所示。當(dāng)圖6所示的焊縫噴漆時，就會形成圖8所示的均勻厚度的漆層。
本發(fā)明提出的措施可單獨地但也能綜合地用來生產(chǎn)工業(yè)加工領(lǐng)域中特別是鍍鋅鋼板的第一流的激光焊縫。
權(quán)利要求
1.用一條激光焊縫連接兩塊鋼板(1、2；10、12)的方法，其中至少一塊鋼板具有低熔點的鍍層(4)，其特征是，鋼板在焊接前在焊縫區(qū)按銳角(α)疊放，焊縫構(gòu)成角焊縫(26)。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征是，焊縫區(qū)兩塊鋼板之間的夾角(α)介于7°和15°之間。
3.按權(quán)利要求1或2任一項用于深拉板件(10、12)、特別是鍍鋅的車身構(gòu)件的連接方法，其特征是，兩個要連接板件(10、12)的橫截面形狀特別是在焊縫區(qū)是這樣設(shè)計的，即在用一個夾緊裝置(16)施加一個夾緊力后在兩塊鋼板之間形成一個銳角(α)。
4.深拉板件、特別是車身構(gòu)件的修邊方法，該板件用一條激光束-角焊縫沿切邊與第二鋼板連接，其中，采用兩塊相互剪切運動的切刀(21)進(jìn)行修邊，其特征是，至少一塊切刀的刀刃上設(shè)置有切口(23)，所以沿修邊的板件(10)的切邊(18)形成許多小齒(19)。
5.按權(quán)利要求4的方法，其特征是，切口呈棱柱形。
6.按權(quán)利要求1至3任一項的方法，其特征是，要焊接板件(10)沿其端面(18)的切邊具有小齒(19)，這些小齒按權(quán)利要求4或5的方法制造。
7.按權(quán)利要求4至6任一項的方法，其特征是，在要焊接板件(10)端面(18)的修邊(18)上形成的齒(19)具有的高度介于5/100和5/10毫米之間。
8.按權(quán)利要求1至3任一項的方法，其中，第一激光束(3)在傾斜接頭上方移動，產(chǎn)生角焊縫(26)，其特征在于，第二激光束則對準(zhǔn)焊接鋼板端面的自由邊(28)，使該自由邊倒圓。
9.按權(quán)利要求8的方法，其特征是，第二激光束以等距離同步跟蹤第一激光束(3)。
10.按權(quán)利要求1至3或8至9任一項的方法，其特征是，激光束通過摻釹釔鋁石榴石激光器產(chǎn)生。
11.板件、特別是車身構(gòu)件，其特征是，至少兩個由薄鋼板深拉的構(gòu)件(10、12)用一條按權(quán)利要求1至10中之一或多項的方法生產(chǎn)的焊縫連接。
12.深拉板件(10、12)，用權(quán)利要求1至10中之一或多項所述的一條激光焊縫相互連接成一個車身構(gòu)件，其特征是，沿端面(18)要焊接的板件(10)在與焊接邊鄰接的焊縫區(qū)內(nèi)的成型剛度是在考慮沿表面要焊接的另一板件(12)的情況下這樣設(shè)計的，即兩塊板件在用一個夾緊裝置夾緊時，在將來的焊縫區(qū)內(nèi)板件之間形成一個介于7°和15°之間的銳角(α)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連接兩塊鋼板的方法，其中至少一塊鋼板具有低熔點的鍍層，特別是鍍鋅層。為了給形成的鋅蒸氣提供一個排氣區(qū)，本發(fā)明提出在焊接前將鋼板的焊縫區(qū)按一個銳角(α)疊接擺放，而且焊縫為角焊縫(26)。此外，本發(fā)明對板件要焊接的端面進(jìn)行修邊，以便在沿修邊的鋼板切邊上形成許多齒。這些齒構(gòu)成垂直于焊接方向延伸的排氣槽，有利于鋅蒸氣的排出。最后，本發(fā)明提出用第二激光束對上面的板件的自由邊倒圓而形成第二道焊縫，從而有利于均勻的噴漆層。
文檔編號B23D35/00GK1156075SQ9611450
公開日1997年8月6日 申請日期1996年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月4日
發(fā)明者T·哈默, F·赫佐, R·西科拉, M·安德斯, H·G·約霍 申請人:大眾汽車有限公司