用激光束焊接轻质板材和实心板材的方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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°C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。
[0005]例如DE 38 20 848 Al, DE 38 44 856 C2 和 DE 10 2005 042 361 A1 中指出的，工件可以通过激光束热接合。
[0006]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。
[0007]DE 10 2008 060 506 A1 和 DE 10 2001 009 066 A1 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。
[0008]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)。DE 10 2004 016 854 A1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】
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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)。
[0021 ] 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。
[0022]