用激光束焊接轻质板材和实心板材的方法

摘要

本发明涉及一种用于焊接轻质板材(1)和实心板材(3)的方法，该轻质板材具有两个板层(5)和在板层之间设置的塑料层(7)，其中通过能量束在焊接点(11)上进行能量输入并且焊接点(11)的轻质板材一侧的位置通过焊接材料(9)与焊接点(11)的实心板材一侧的位置(15)材料配合地连接，并且其中能量输入在空间上这样变化，即焊接点(11)的轻质板材一侧的位置(13)上进行的能量输入比焊接点的实心板材一侧的位置(15)更少。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于接合两个工件的方法，特别是一种将所谓 的轻质板材与实心板板材料配合地连接的方法。

背景技术

在许多工业领域中，例如在汽车制造中，须使用大面积的具有 相应较高重量的板材。代替完全由金属制成的板材(也称作“实心板 材”或“普通板材”)，可以使用所谓的轻质板材。

这种轻质板材由第一板层、第二板层和设置在第一和第二板层 之间的核心层或中间层的层结构组成。中间层具有塑料层或者由塑料 层组成，其中塑料层可以是例如PU层(其中PU代表聚氨酯)。这种 轻质板层(也称作夹心板)因而由两个盖板和一个设置在盖板之间的 核心层组成，核心层具有塑料层或者由塑料层组成。通过轻质板材不 完全由金属制成，而是具有塑料中间层，可以使其形成有比对应相同 尺寸的实心板更轻的重量。

轻质板材的第一和第二板层可以例如实施为由通常厚度为 0.25mm至0.3mm的镀锌板材制成。通常在热接合过程中轻质板一侧 上约为230℃的最高温度短期内是可能的，其中超过该最高温度的温 度导致轻质板材的损坏、特别是板层和塑料层之间的连接的损坏。

例如DE3820848A1,DE3844856C2和DE102005042361 A1中指出的，工件可以通过激光束热接合。

轻质板材与实心板材的热接合(例如通过焊接或钎焊)中由于 热接合时存在的高温，存在轻质板材损坏的危险(例如通过损坏外侧 的板层或者损坏板层和塑料层之间的连接或者损坏中间层本身)。例 如焊接点上存在的温度对于实心板材完全还没有损坏，而轻质板材上 却已经发生损坏。这样在焊接过程中，将轻质板材加热到焊料熔化所 需的温度可能已经导致轻质板材的损坏(例如轻质板材的中间层的损 坏)，特别是因为轻质板材外侧板层的厚度较小而使接合点的散热差。

DE102008060506A1和DE102001009066A1描述了轻质 板材与实心板材的热接合，其中根据该文特别重要的是，将热能在实 心板材方向上散出。为此在焊接点上要么至少加倍实心板材的厚度要 么增加一个额外的板材。该方法的缺点在于，在焊接点上的额外的材 料是不可避免的，而材料通过过高的热输入仍不能有效防止轻质板材 的损坏。

替代热接合，可以通过胶粘进行轻质板材和实心板材的材料配 合连接。然而通常该方法具有过程技术上的困难(较长的硬化时间， 精确的胶粘剂涂覆，额外的重量，处理时构件的移动)。DE102004 016854A1描述了另一个例子,薄板材和夹心板材通过金属夹的夹紧 互相连接。

发明内容

本发明提供一种接合方法，通过该方法实现了在全自动化生产 线上可以以非常短的周期可靠地和无损地连接轻质金属板材和实心 板材。

根据本发明首先准备两个接合件，其中第一接合件(或者第一 工件)是轻质板材并且第二接合件(或第二工件)是实心板材。轻质 板材和实心板材通过光焊接互相连接；也即通过含能量的光束或者能 量束(下面也称作“加热光束”)进行加热焊接点所需的能量输入， 其中含能量的光束可以例如以电磁光束(例如激光、红外线)、粒子 光束(例如电子射线)或者定向的波(例如超声波)的形式存在。轻 质板材和实心板材在焊接点互相焊接，其中轻质板材的一个位置通过 焊接材料与实心板材的一个位置材料配合地连接。焊接点因此具有轻 质板材一侧的位置和实心板材一侧的位置。焊接点的轻质板材一侧的 位置可以理解为焊接点的区域，在该区域中(在施加焊接材料后)焊 接材料接触轻质板材。类似焊接点的实心板材一侧可以理解为焊接点 的另一个区域，在该区域中(在施加焊接材料后)焊接材料接触实心 板材。通过含能量的光束进行加热焊接点所需的能量输入，其中通过 光束既在焊接点的轻质板材一侧的位置又在实心板材一侧的位置进 行能量输入。

根据本发明，通过加热光束进行的能量输入在空间上这样变化， 即在轻质板材上的或者在焊接点的轻质板材一侧的位置上进行的能 量输入少于在实心板上或者在焊接点的实心板材一侧的位置上进行 的能量输入，其中在轻质板材一侧的位置上进行例如目标的、所需最 低限度的能量输入。通过在轻质板一侧上进行比在实心板一侧上小的 能量输入，能够防止轻质板的损坏。

通过能量束进行的能量输入伴随热量输入并因此导致了照射的 区域(即焊接点)的加热或升温。

通过加热光束进行的能量输入在空间上这样变化，在轻质板材 上进行的能量输入少于在实心板上的能量输入。根据本发明设置，能 量输入在空间上这样变化，即由轻质板材一侧上的能量输入所产生的 温度低于由实心板材一侧的能量输入所产生的温度。例如可以设置， 能量输入在空间上这样变化，轻质板材一侧上所产生的温度保持在预 设定的最高温度(例如轻质板材的中间层材料的熔点温度)之下并且 例如小于轻质板材的塑料层的熔点温度。

特别设置通过加热光束进行的能量输入在空间上这样变化，轻 质板材一侧上所产生的温度低于焊接材料的熔点温度(或者最高等于 焊接材料的熔点温度)并且在实心板一侧上所产生的温度最少等于或 者超过焊接材料的熔点温度。因此例如焊熔化接材料所需的热量输入 可以在实心板一侧进行或者将已经熔化的焊接材料施加到这样预调 温的焊接点上。

通过加热光束进行的能量输入在空间上的变化可以例如这样实 现，通过使用具有沿其光束横截面在空间上变化(并随时间保持恒定) 的强度分布的能量束(例如激光束)作为加热光束，其中例如在对准 于轻质板材的光束区段中能量束比在对准于实心板的光束区段中的 能量束具有更低的强度和/或功率(其中光束区段的功率等于在该光 束区段上或者在其横截面上累积的强度)。因此在相同的停留时间内， 能量输入在空间上的变化通过在接合点上光强度在空间上的变化得 以实现。

光束可以特别地包括具有第一强度/功率的第一区段或第一分 束和具有第二强度/功率的第二区段或第二分束，其中第一强度/功率 小于第二强度/功率，并且其中光束这样形成和实施，即，以其第一 区段或第一分束轰击轻质板材一侧，用其第二分段或第二分束轰击实 心板材一侧。因此能量束优选可以这样形成，能量束或者其横截面具 有在空间上不旋转对称的强度分布，即，其轰击轻质板材的区段具有 的强度/功率低于轰击在实心板材上的区段。

特别可以设置这样形成具有两个分束的能量束，即在轻质板材 一侧的焊接点区域上轰击的第一分束具有第一最大强度并且在实心 板材一侧的焊接点区域上轰击的第二分束具有第二最大强度(其中两 个最大值互相不同并且构成总光束的局部最大强度)，其中第一分束 的功率和最大强度小于第二分束的功率或最大强度。具有这样强度分 布的激光束可以例如通过双焦光学系统(例如具有生成光束的和引导 光束的固定部件的双焦光学系统)产生。例如光束可以由两个以一定 间隔相互平行分布的分束组成，分束分别具有旋转对称的(例如高斯 型)的强度分布，其中(对准于轻质板材的)第一分束具有与(对准 于实心板材的)第二分束相比更小的强度和功率。

另一实施例可以设置这样形成和实施能量束，能量束及其光束 横截面在焊接点上具有在从实心板材到轻质板材方向上单调地(例如 严格单调地)减少的强度，从而在(轰击在轻质板材一侧的焊接点区 域上的)第一光束区段的强度始终小于(轰击在实心板材一侧的焊接 点区域上的)第二光束区段的强度。

在将激光束用作加热光束的情况下，沿光束横截面的强度的空 间变化例如通过使用被动的或者不可动的光学元件(例如衍射的光学 部件)实现，这些元件用于形成激光束空间上的强度分别。

可选择这样实现通过加热光束进行的能量输入空间上的变化， 通过具有预设的(例如随时间保持恒定的)强度和强度分布的(唯一 的)光束这样运动，即，光束在轻质板材一侧上的(积累的)停留时 间少于光束在实心板材一侧上的(积累的)停留时间。例如可以设置， 含能量的光束或者能量束轰击位置在焊接点轻质板材一侧和实心板 材一侧之间的接合点上来回摆动，光束在轻质板材一侧累积的停留时 间(以及累计的能量输入)低于光束在实心板材一侧累积的停留时间 (以及累计的能量输入)。

在将激光束用作加热光束的情况下，能量输入在空间上的变化 例如在使用主动的或者可移动的光学元件的条件下通过(聚焦的)激 光束在接合点上的振动来实现。激光束可以例如通过为此设置的光束 偏转装置(例如通过检流或者压电驱动的扫描镜)偏转或运动。

可选择或者额外地这样进行(或者促使)能量输入空间上的变 化，通过在焊接点上的能量束或者能量束的轰击位置在焊接点的轻质 板材一侧和实心板材一侧位置之间来回运动并且能量束具有用于能 量束轰击位置的摆动的同步功率调制器，其中能量束的功率或者强度 这样在时间上变化，即与能量束轰击位置在焊接点的实心板材一侧的 位置上定位时相比，在能量束轰击位置在焊接点的轻质板材一侧的位 置上定位时的能量束具有更小的功率或强度。特别可以设置，将这种 功率调制用于额外支持上述停留时间-调制，其中在焊接点的轻质板 材一侧的位置上存在的停留时间和光束功率/光束强度都小于焊接点 的实心板材一侧的位置上存在的停留时间和光束功率/光束强度。

下面用单位时间内和单位面积内的光束能量来表示的强度。对 于具有随时间保持恒定的强度和规定的光束横截面的预设光束，能量 输入因此按比例地随停留时间增加。功率表示单位时间内的能量输 入，其中光束区段的功率等于通过该光束区段的横截面积累计的强 度。

通过该方法可以形成分隔的或者间隔的焊接点。还可以设置， 通过焊接点位置沿着预设的焊缝分布的持续推进而形成连续的焊缝。

在施加焊接材料的施加前和/或期间可以通过加热光束在焊接 点上进行能量输入。可以将融化状态的焊接材料输入到在通过加热光 束加热的板材区域。还可以设置，使固体状态的焊接材料与通过加热 光束加热的板材区域接触，其中焊接材料通过由加热光束进行的能量 输入熔化。这里焊接材料可以通过电阻加热(技术上称作电热丝应用) 预调温。可以这样设置，焊接材料从固相到熔融相的转变只需要最小 的能量输入。

根据实施方式这样产生焊接连接，首先通过上述在空间上变化 的能量输入预热轻质板材和实心板材，接着将(例如熔化的)焊接材 料施加到已预热的焊接点上。因此在焊接材料施加前通过以能量束进 行的能量输入对焊接点预调温并且随后将焊接材料(优选熔化的焊接 材料)施加到预调温的焊接点上。

可以这样设置，将熔融形式的焊接材料施加到焊接点上，其中 将焊接点上的熔融状态下的焊接材料施加到轻质板材和/或实心板材 上。特别可以设置，以液滴的形式施加焊接材料，其中将例如以熔融 状态的焊接材料以由单个的液滴组成的材料形式施加到焊接点上。

例如可以这样设置，轻质板材和实心板材间的焊缝这样产生， 即通过首先沿着预设的焊缝分布通过上述空间中变化的能量输入预 热轻质板材和实心板材并且这样预热后的焊缝分布补充有焊条，其中 通过用于熔化焊条的焊接材料而设置的激光或者激光束或其他含能 量的光束(下面也称作“熔化光束”)将焊条的焊接材料熔化并将熔 化的焊接材料施加到通过加热光束预热的焊缝分布上。焊接材料的熔 化可以例如通过脉冲的激光进行，其中焊接材料逐个通过脉冲激光熔 化。这里可以通过焊接材料的电阻加热使熔化必需的能量输入最小 化。

熔化光束通过空间上的变化既可以用于焊接材料的熔化又可以 用于产生的焊缝的后续处理(也即，通过由能量束进行的能量输入加 热)，所产生的焊缝仍处于凝固前沿熔融相中。由此产生了优异的焊 缝质量。同样有利的是，熔池区域的保护层具有合适的保护气体。

根据实施方式可以设置，在焊接在预设的焊接点位置上之前使 轻质板材和/或实心板材具有结构或微结构(也即，由具有小于1000 μm范围内的尺寸的结构元素构成的结构)。这样的微结构可以例如 这样产生，通过将脉冲激光束或者其他含能量的光束(下面也称作“结 构化光束”)引到轻质板材和/或实心板材上，其中通过每个光束脉 冲将板材表面局部熔化并形成熔融凹口，从而由这些熔融凹口形成微 结构。因此在焊接材料施加前，这样在焊接点上通过局部的熔化使轻 质板材和/或实心板材具有表面结构，在焊接点区域的轻质板材和实 心板材的表面粗糙度增加(由此焊接材料和各个板材之间的连接面或 者接触面增大)。

通过轻质板材和/或实心板材在焊接点位置上设置具有微结构， 板材上熔化的焊接材料的表面张力或者界面张力降低，从而可以以各 个板层和焊接材料之间的较小的接触角实施焊接并且焊缝相应地可 以保持平坦。由此可以省略例如焊接点的后续加工或者使对此的费用 最小化。

加热光束、熔化光束和结构化光束可以分别是不同的含能量的 光束，例如通过单独的发光装置(例如激光器)产生的光束。还可以 设置，至少两个或所有这些光束都作为一个同样的光束，其中该光束 在时间上依次发挥加热光束、熔化光束和结构光束的功能并且因此例 如在第一时间段或者方法-步骤中发挥加热光束的功能，第二时间段 或者方法-步骤中发挥熔化光束的功能和/或第三时间段或者方法-步 骤中发挥结构化光束的功能。

附图说明

接下来借助实施例与附图详细阐明本发明，其中相同的或相似 的特征用同样的附图标记表示，附图中示意性地示出了：

附图1示出了轻质板材和实心板材之间的焊接连接；

附图2示出了通过具有沿着其光束横截面变化的强度的能量束 产生的焊接连接；

附图3示出了用于阐明附图2的的强度分布表；

附图4示出了用摆动的能量束产生的焊接连接。

具体实施方式

附图1以横截面图示出了轻质板材1和实心板材3之间的焊接 连接的几何形状。轻质板材1具有两个盖板5和一个设置在盖板之间 的夹层形状中、以塑料层7形式的核心层。例如各个盖板5由镀锌的 钢板制成，核心层7由聚合材料制成。实心板材3是镀锌钢板。轻质 板材1和实心板材3设置为卷边接合的形式。

通过焊接材料9，轻质板材1和实心板材3以形成材料配合的连 接的方式在焊接点11上互相连接。例如通过沿着附图中示出的xyz 坐标系统的x方向持续地推进焊接点位置11产生了沿x方向延伸的 焊缝。

如附图1中所示的，焊接材料9在焊接点11的轻质板材一侧的 区域13中与轻质板材1接触连接并且在焊接点11的实心板材一侧的 区域15中与实心板材3接触连接，从而焊接点11具有轻质板材一侧 的位置13和实心板材一侧的位置15，其中焊接点11的轻质板材一 侧的位置13通过焊接材料9与焊接点11的实心板材一侧的位置15 连接。焊接点11的轻质板材一侧的位置13(横向于焊缝的纵向)从 横坐标y₁延伸到横坐标y₂，而相反地焊接点11的实心板材一侧的位 置15从横坐标y₂延伸到横坐标y₃(类似地也适用于其他附图)。

附图2示出了通过根据实施方式的方法形成焊缝，其中在各个 焊接点11上通过以激光束17形式的能量束进行能量输入。激光束 17具有沿其光束横截面在空间上变化的强度，其中激光束17在附图 2中通过同样相对于Y方向上限定的边缘光束示出。激光束17在焊 接点11上的强度分布(也即在轰击焊接点时)相对于横向方向(y 方向)在附图3中示出。

根据附图3，激光束17的强度分布不是旋转对称的。激光束17 具有两个分束17’,17”，其中第一分束17’具有最大强度I₁并且 第二分束17”具有最大强度I₂，其中两个最大强度构成了激光束17 的局部最大强度并且沿着横向于焊缝的纵向分布的横向方向(也即， 沿着y方向)互相间隔。第一分束17’的最大强度I₁和光功率小于 第二分束17”的最大强度I₂和光功率。这样的具有两个局部最大强 度的激光束17可以例如通过双焦点光学或者通过两个单独的激光束 的光学集合而产生唯一的总光束。

激光束17这样形成并且对准焊接点11，功率弱的第一分束17’ 以最大强度I1作用在焊接点11的轻质板材一侧的位置13上并且功 率强的第二分束17”作用在焊接点11的实心板材一侧的位置15上。 因此在焊接点11的轻质板材一侧的位置13上的能量输入低于在焊接 点11的实心板材一侧的位置15上的能量输入。

根据附图2和3，激光束17具有沿着光束横截面这样变化的强 度，即，光束17具有两个局部的最大强度。可选择设置，激光束17 不具有局部最大强度，而是取而代之地这样形成和实施激光束17， 即，使其在焊接点11上具有一个在从轻质板一侧的位置13到实心板 一侧的位置15的方向上、即在从横坐标y₁到横坐标y₃的方向上单调 (例如严格单调)地增加的强度。

根据附图2和3，在焊接点11上通过激光束17进行的能量输入 在空间上这样变化，通过激光束17具有沿着其光束横截面在空间上 变化的强度，使在轻质板材一侧的位置13上的能量输入小于实心板 材一侧的位置15。

附图4示出了通过根据另一实施方式的方法形成焊接连接，其 中使用以激光束19的形式的振荡聚焦能量束。通过以可旋转驱动的 镜子21形式的偏转装置21，激光束19沿着y方向在轻质板材一侧 的位置13和实心板材一侧的位置15之间这样来回摆动运动，即，激 光束19在焊接点11的轻质板材一侧的位置13上的轰击位置的累计 停留时间小于焊接点11的实心板材一侧的位置15上。通过镜子21 在轻质板材1(实线示出的激光束分布19)和实心板材3(虚线示出 的激光束分布19)之间的转动而使激光束19的焦点摆动，其中与附 图2和3中所述的实施例相比，激光束19明显聚焦更强(也即，具 有更小的焦点尺寸)。

在摆动期间，激光束19的光功率在随时间保持恒定。可选择设 置，激光束19的功率同步于其摆动运动这样随时间变化，即，当激 光束19的轰击位置(或者焦点)定位到焊接点11的轻质板材一侧的 位置13上时，激光束19具有更小的功率，而当激光束19的轰击位 置(或者焦点)定位到焊接点11的实心板材一侧的位置15上时，激 光束相反地具有更高的功率。

通过激光束19轰击到轻质板材一侧的位置13上时具有比轰击 到实心板材一侧的位置15上时更短的停留时间(和可选择地具有更 小的功率)，通过激光束19进行的能量输入在空间上这样变化，在 轻质板材一侧的位置13上进行比在实心板材一侧的位置15上更小的 能量输入。

根据附图2和3或4所述的实施方式，通过激光束17或19进 行的能量输入在空间上这样变化，即，在轻质板一侧的焊接点位置 13或者轻质板一侧的焊接点区域13上进行的能量输入小于在实心板 一侧的焊接点位置15或者实心板一侧的焊接点区域15上的能量输 入。

因此还可以这样设置能量输入，由焊接点11的轻质板材一侧的 区域13中的能量输入而产生的温度低于由焊接点11的实心板材一侧 的区域15中的能量输入而产生的温度。此外，例如这样设置能量输 入，在轻质板材一侧的焊接点区域13中所产生的温度低于焊接材料 9的熔点并且在实心板材一侧的焊接点区域15中所产生的温度高于 焊接材料9的熔点；其中特别是额外地这样设置能量输入，轻质板材 一侧的焊接点区域13中所产生的温度低于核心层7的材料的熔点。

实施该焊接方法时，第一步中轻质板材1和/或实心板材3通过 激光束17或19在焊接点11区域这样设有表面结构，即通过轻质板 材1和实心板材3通过激光束17或19在焊接点11区域上在多个点 形成熔融凹口的条件下局部熔化，这样由熔融凹口形成表面结构。

第二步中，这样表面结构化的焊接点11通过上述能量输入进行 调温，其中通过之前阐述的能量输入方法使在轻质板材一侧的焊接点 位置13上的能量输入小于实心板材一侧的焊接点位置15上的能量输 入。

第三步中，在形成焊接连接的条件下将熔化状态下的焊接材料9 施加到已调温的焊接点11上，通过电阻加热预热的、固体的焊接材 料线的规定的焊接材料的量通过激光束17或19分别熔化并施加到预 热的焊接点11上。附图1，2和4示出了包括施加在其上的焊接材料 9的焊接点11。

第四步中，通过激光束17或19这样后续处理所产生的焊接连 接，即在焊接材料的熔融相区域中的激光束经过焊接连接而引入到凝 固前沿之前，焊接连接因此在该区域中暴露于再次的能量输入。

附图标记说明

1轻质板材

3实心板材

5盖板

7中间层/塑料层

9焊接材料

11焊接点

13焊接点的轻质板材一侧的位置

15焊接点的实心板材一侧的位置

17具有两个局部最大强度的激光束/能量束

17’第一分束

17”第二分束

19摆动的能量束/激光束

21偏转装置/可旋转的镜子

I激光束的强度

I₁激光束的第一分束的最大强度

I₂激光束的第二分束的最大强度