0存在 于周围的且刚刚被激光束18加热过的区域中，其中焊接材料仍处于其熔融温度之上并且 因此是液态的。洞眼32是熔池30的最热部分，其实际上一直由激光束18所加热。等离子 体和蒸汽烟柱34出现在熔池30和洞眼32上方的空间中。在镀锌钢正被焊接的情况下，等 离子体和蒸汽烟柱34包含锌蒸汽，其可与熔池30中的液体焊接材料反应。
[0034] 镀锌钢薄板被广泛使用在汽车车身面板应用中，这是因为由锌镀层提供的腐蚀保 护。因为期望使用镀锌薄板但最小化或消除上面描述的吹孔22、飞溅24和多孔性26。一 种消除这些问题的方式是将金属薄板铜焊在一起而不是对它们进行焊接。但是，铜焊比焊 接更贵，这是由于铜焊焊丝和其它因素所导致的额外的成本。减少这些问题的严重性的另 一方式是使用单侧锌镀层作为顶部薄板(第二工件14)以最小化包含在熔池30中的锌的 量。但是，单侧锌镀层仅对电镀锌薄板钢来说是可能的，并且这带来了溢价，从而使其不令 人满意。对钢薄板进行点焊是另一可选方式，但是点焊很慢，并且其要求在薄板金属中的更 大的凸缘宽度，因此减少了设计灵活性并增加了重量。
[0035] 为了焊接传统的镀锌薄板并且避免吹孔、飞溅和多孔性问题，必须通过抑制激光 引起的等离子体和蒸汽烟柱34来稳定洞眼32和熔池30。这种稳定可通过使用喷嘴来实 现，该喷嘴与激光系统集成在一起以传递相对高速的保护气体流。与其它已知的使用昂贵 的气体来建立焊缝区域20周围的惰性环境的系统不同，本文描述的保护气体用于在锌蒸 汽可能与熔池30反应并引起上面描述的吹孔、飞溅和多孔性问题之前将等离子体和蒸汽 烟柱34从焊缝区域20移走。
[0036] 图4是焊接系统100的侧视图，其克服了上面描述的镀锌钢的激光焊接的问题。 系统100包括喷嘴102,其被设计成消散等离子体和蒸汽烟柱34。系统100包括将正被焊 接的薄板压在一起的辊104、和激光束106,如前面针对系统10所描述的。喷嘴102、辊104 和激光束106都被附接到固定装置108,其在焊接操作期间在固定的工件上移动，如下面将 进一步讨论的。在图4中示出的细节的其余部分对本发明的讨论来说都是不重要的。这些 细节被简单地示出，因为图4是根据已经被建立并测试的系统的设计绘制的，并且被证明 能在激光焊接镀锌薄板时有效地改善焊缝质量。
[0037] 喷嘴102在焊接操作期间排出了连续的保护气体110流。如上所述，保护气体110 不是用来建立熔池30周围的惰性环境。相反，来自喷嘴102的保护气体110被设计用于实 际上消散或吹走等离子体和蒸汽烟柱34并且防止与熔池30反应，这引起上面描述的吹孔、 飞溅和多孔性问题。为了实现熔池30的稳定，喷嘴102必须被设计成建立在保护气体110 流中的某些参数。建立有效的保护气体110流所要求的喷嘴102的构造在下面的附图中被 示出并在下文中被讨论。
[0038] 图5、6和7分别是是图4的焊接系统100的简化的侧视图、端视图和俯视图。在 图5-7被包括的是图4中示出的喷嘴102、辊104和激光束106。还包括第一工件112 (下 薄板)和第二工件114 (上薄板)。在图6中，工件112和114被示出为是汽车应用的车身侧 面板（112)和车顶面板（114)，其中喷嘴102、辊104和激光束106全能向下到达在工件112 和114之间形成的通道内。焊接系统100可被有效地用在具有基本上任何工件形成的边缘 焊接应用中，工件形状如图6中所示从平坦的薄板到有高度起伏的工件形状。
[0039] 在图5和7中，箭头116示出了固定装置108-包括喷嘴102、辊104和激光束 106-相对于静止的工件112和114的运动方向。在图5和7中，喷嘴102被示出为定位 在靠前位置，其中喷嘴102在激光束106前面并且正"向后"吹保护气体110。喷嘴102还 可被定位在靠后位置(未示出），其中喷嘴102跟着激光束106并正"向前"吹保护气体110。 系统100已经被建立、测试和示出为在这两种构造中都有效地改善了焊缝质量。
[0040] 喷嘴102相对于被示出为点118的激光冲击工件112和114处的点的定位和取向 是重要的。前/后距离120 (在图5和7中示出）是从喷嘴102的尖端到焊接点118的距 离。前/后距离120应该在0_20mm的范围内以最有效地消散等离子体和蒸汽烟柱34,优选 范围是8-12mm。如上所述,喷嘴102可以相对于激光束106位于靠前位置或靠后位置。前 /后距离120因此可被建立在焊接点118的前面或后面，并在如上所述的范围内。
[0041] 垂直距离122 (在图6中示出)是喷嘴102位于焊接点118上面的距离。垂直距离 122应该在2-20mm的范围内以最有效地消散等离子体和蒸汽烟柱34,优选范围是6-12mm。 侧向错位124 (在图7中示出）是喷嘴102的中心线相对于焊接点118的一侧到一侧的距 离。侧向错位124应该在+/-6 mm的范围内以最有效地消散等离子体和蒸汽烟柱34,优选 范围是+/-1mm。即，对于喷嘴102来说优选的构造是被定位在焊缝的正上方。
[0042] 侧视角度126 (在图5中示出)是喷嘴102相对于水平方向的角度。侧视角度126 应该在3-86度的范围内以最有效地消散等离子体和蒸汽烟柱34,优选的范围是30-60度。 侧视角度126、垂直距离122和前/后距离120是相互依赖的，因为保护气体110的目标位 置是重要的。在喷嘴102位于靠前位置的构造中，优选的是喷嘴102将保护气体110直接 对准焊接点118,既不在焊接点118之前也不在其后。在这种构造中，在侧视角度126、垂直 距离122和前/后距离120之间的关系使得侧视角度126的正切等于垂直距离122和前/ 后距离120的商。即：
【主权项】
1. 一种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的装置，所述装置包 括： 固定装置，所述装置的其它部件被安装到该固定装置上，所述固定装置沿着运动方向 运动并且正被焊接的所述薄板静止不动； 焊接激光，其被安装到所述固定装置并且并定向为朝着焊接点，所述焊接点是所述激 光冲击正被焊接的所述薄板处的点；以及 保护气体提供系统，其被安装到所述固定装置，所述保护气体提供系统包括喷嘴，所述 喷嘴提供保护气体流，并且所述保护气体流具有至少10米/秒的速度和至少10克/秒的 质量流率，并且在焊接期间所述保护气体流消散等离子体和蒸汽烟柱并且防止该烟柱不利 地影响焊缝质量。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述保护气体流具有在30-120米/秒范围内的速 度。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述保护气体流具有在10-660克/秒范围内的质量 流率。
4. 如权利要求1所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述焊接激 光前面。
5. 如权利要求4所述的装置，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光前面的8-12mm范围 内并且在所述焊接点上方的6-12mm范围内，并且所述喷嘴被取向为将所述保护气体流直 接引导到所述焊接点。
6. 如权利要求1所述的装置，其中所述喷嘴相对于所述运动方向被定位在所述焊接激 光后面。
7. 如权利要求6所述的装置，其中所述喷嘴被定位在所述焊接激光后面的8-12mm的范 围内并被定位在所述焊接点上方的6-12mm的范围内，并且所述喷嘴被取向为将所述保护 气体流引导到所述焊接点前面的〇_3mm范围内的目标点处。
8. 如权利要求1所述的装置，其中所述喷嘴具有带有8-12mm范围内的直径的圆形横截 面。
9. 一种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的装置，所述装置包 括： 固定装置，所述装置的其它部件被安装到该固定装置上，所述固定装置沿着运动方向 运动并且正被焊接的所述薄板静止不动； 焊接激光，其被安装到所述固定装置并且并定向为朝着焊接点，所述焊接点是所述激 光冲击正被焊接的所述薄板处的点；以及 保护气体提供系统，其被安装到所述固定装置，所述保护气体提供系统包括喷嘴，所述 喷嘴提供空气流，并且所述空气流具有在30-120米/秒范围内的速度和至少10克/秒的 质量流率，并且在焊接期间所述空气流消散等离子体和蒸汽烟柱并防止所述烟柱不利地影 响焊缝质量。
10. -种用于抑制在激光焊接镀锌薄板时的等离子体和蒸汽烟柱的方法，所述方法包 括： 提供焊接装置，所述装置包括焊接激光和保护气体提供系统，所述保护气体提供系统 包括喷嘴，所述焊接装置沿着运动方向运动并且正被焊接的薄板静止不动； 从所述喷嘴向焊接点提供保护气体流，所述焊接点是激光冲击正被焊接的薄板处的 点，并且所述保护气体流具有至少10米/秒的速度和至少10克/秒的质量流率；以及 激光焊接所述薄板，在所述焊接期间所述保护气体流消散所述烟柱并防止所述烟柱不 利地影响焊缝质量。
【专利摘要】本发明涉及用于镀锌钢的激光边缘焊接的抑制激光引起的烟柱。一种用于通过抑制在激光焊接镀锌钢时出现的激光引起的烟柱来稳定激光焊接操作中的熔池的系统和方法。该烟柱是锌汽化的结果，并且该烟柱中的锌蒸汽干扰了熔池并引起了吹孔、飞溅和多孔性。借助通过喷嘴将例如空气的气体应用到焊缝区域来实现所述稳定，其中所述气体具有足够的速度和流率以将锌蒸汽从熔池吹走。这被证明显著地改善了焊缝质量结果。公开了产生最优结果的构造参数－包括气体流率和速度、以及喷嘴相对于激光在钢板上的冲击位置的位置和取向。
【IPC分类】B23K26-24, B23K26-12, B23K101-18
【公开号】CN104801854
【申请号】CN201510036910
【发明人】D.杨, D.A.加特尼, B.E.卡尔森, J.王
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年1月23日
【公告号】DE102015100565A1, US20150202718