用于使激光焊接接头表面平滑的方法与流程

本公开的技术领域大体上涉及一种用于将金属工件连接在一起的方法，更具体地，涉及一种用于通过使用激光束熔融包括顶部表面的激光焊接接头的上部部分来使激光焊接接头的顶部表面平滑的方法。

背景技术：

激光焊接是一种金属连接工艺，其中激光束被导向堆叠的金属工件的组件，以提供能够实现组成金属工件之间的焊接接头的集中热源。通常，两个或更多个金属工件的互补凸缘或其他结合区域首先相对于彼此对齐、配合和堆叠，使得它们的接合表面重叠并面对以建立一个或多个接合界面。激光束然后被导向由工件的重叠部分跨越的焊接区域内的工件叠层的可接近的顶部表面。从吸收来自激光束的能量产生的热量引发金属工件的熔融，并在工件叠层内建立熔融金属焊接熔池。熔融金属焊接熔池渗入叠层中，并与已建立的接合界面中的至少一个(通常是所有)相交。并且，如果激光束的功率密度足够高，则在熔融金属焊接熔池内在激光束的束斑下方产生钥匙孔。钥匙孔是由金属工件产生的汽化金属的柱，其可能包括等离子体。钥匙孔是来自激光束的能量的有效吸收器，因此允许熔融工件金属深而窄地穿透到叠层中。

一旦激光束照射到工件叠层的顶部表面，就非常迅速地产生熔融金属焊接熔池和钥匙孔(如果存在的话)。在金属工件最初熔融后，激光束的束斑可以相对于工件叠层的顶部表面前进，这通常涉及沿着投射到叠层的顶部表面上的相对简单或复杂的几何轮廓的束行进图案移动激光束。随着激光束沿着叠层的顶部表面前进，来自焊接熔池的熔融工件金属在工件叠层内前进的束斑周围和后面流动。这种穿透的熔融工件金属紧随前进的激光束迅速地冷却并凝固成再凝固的金属工件材料。一旦激光束完成对束行进图案的跟踪，激光束在工件叠层的顶部表面的传输最终停止，此时钥匙孔塌陷(如果存在的话)，并且仍然留在叠层内的任何熔融工件金属凝固。通过激光束的操作获得的集体再凝固的复合工件材料构成激光焊接接头，其将重叠的金属工件自动熔焊在一起。

许多行业使用激光焊接作为其制造实践的一部分，包括汽车、航空、海事、铁路和建筑构造等行业。激光焊接是一种有吸引力的连接工艺，因为它只需要单侧接近，可以以减小的凸缘宽度进行，并且在叠层组件中产生相对较小的热影响区，从而最小化金属工件中的热变形。例如，在汽车工业中，激光焊接可以用于将在白车身(biw)制造期间的金属工件以及在喷漆前安装在biw上的成品悬挂部件连接在一起。可以使用激光焊接的一些具体情况包括在biw内承重主体结构的建造和附接，例如轨道结构、摇杆、a柱、b柱和c柱以及车身底部横梁。也可以使用激光焊接的其他具体情况包括biw内的非承重附接，例如车顶到侧面板的附接，以及门、机罩和行李箱的建造中遇到的重叠凸缘的连接。

激光焊接的实践可能对某些类型的金属工件提出挑战。例如，当包括在工件叠层中的金属工件是钢工件、铝工件或镁工件时，在激光焊接过程中在熔融金属焊接熔池中产生的湍流和气体被截留在焊接熔池中的趋势(这种趋势在熔融工件材料冷却和凝固时导致多孔性缺陷)会在最终形成的激光焊接接头中造成扰动和粗糙的顶部表面。激光焊接接头的粗糙顶部表面不仅赋予了低质量焊接接头的外观，即使在焊接接头结构良好并具有令人满意的机械性能的情况下，而且它还会产生残余应力集中点，当接头在腐蚀环境中承受拉伸载荷时，这些点容易开裂，特别是应力腐蚀开裂。当接头位于车门上或沿着biw的车门或车窗开口时，激光焊接接头的粗糙顶部表面也可能损坏可能施加在接头上的密封条。

技术实现要素：

将金属工件连接在一起的方法的实施例可以包括几个步骤。在第一步骤中，在工件叠层中形成激光焊接接头，该焊接接头将两个或更多个重叠的金属工件熔焊在一起。激光焊接接头从叠层的顶部表面朝向叠层的底部表面延伸到工件叠层中，并且与工件叠层的顶部表面和底部表面之间建立的至少一个接合界面相交。最初形成的激光焊接接头具有邻近工件叠层的顶部表面的初始顶部表面。在第二步骤中，激光焊接接头被激光束照射，并且激光束沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动，以熔融激光焊接接头的上部部分。激光焊接接头的熔融上部部分包括初始顶部表面。在第三步骤中，激光束从激光焊接接头被移除，以允许接头的上部部分再凝固，并为激光焊接接头提供改进的顶部表面。激光焊接接头的改进的顶部表面比初始顶部表面更平滑。

该特定实施例的方法的工件叠层可以包括两个或三个重叠的金属工件。在该方法的一个实施方式中，两个或三个重叠的金属工件中的每一个都是钢工件。在该方法的另一个实施方式中，每个重叠的金属工件都是铝工件。并且在该方法的又一个实施方式中，每个重叠的金属工件都是镁工件。此外，在工件叠层中最初形成的激光焊接接头可以是激光点焊接头或激光缝焊接头，而不管叠层中包括的重叠金属工件的数量和这些金属工件的组成如何。激光焊接接头的初始顶部表面，无论是点焊接头还是缝焊接头，或者一些其他结构，可以具有5μm到10μm的表面粗糙度(ra)，并且激光焊接接头的随后得到的改进的顶部表面(其低于初始顶部表面的表面粗糙度(ra))可以具有0.5μm到3μm的表面粗糙度(ra)。

照射并沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动以最终熔融焊接接头的上部部分的激光束可以是固态激光束。这种激光束可以被远程激光焊接设备导向激光焊接接头的初始顶部表面并沿着该顶部表面移动。这样，例如，激光束可以以在50m/min至130m/min的范围内的行进速度沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动。并且，在激光束沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动期间，激光束的功率水平可以在1kw至3kw的范围内，并且激光束的焦点位置可以在0mm至-50mm的范围内。激光焊接接头的熔融的上部部分当然可以用其他类型的激光焊接设备和不同的激光束特性来实现。在任何情况下，在某些实施例中，被激光束熔融的激光焊接接头的上部部分可以构成激光焊接接头的10体积%至30体积%。

最初形成在工件叠层内并且将两个或更多个金属工件熔焊在一起的激光焊接接头可以通过使用来自相同或不同激光焊接设备的激光束来获得。更具体地，激光焊接接头可以通过首先将激光束导向工件叠层的顶部表面，从而产生熔融金属焊接熔池来形成，该熔融金属焊接熔池穿透到工件叠层中并与叠层的顶部表面和底部表面之间建立的至少一个接合界面相交。一旦产生熔融金属焊接熔池，激光束的束斑沿着束行进图案相对于工件叠层的顶部表面前进，以沿着工件叠层内的相应路线平移熔融金属焊接熔池，从而形成激光焊接接头。以这种方式，激光焊接接头包括再凝固的复合工件材料，该复合工件材料源自被熔融金属焊接熔池穿透的每个金属工件。此外，激光焊接接头的形成可以在钥匙孔焊接模式下进行。这涉及在激光束的束斑下方产生钥匙孔。钥匙孔被熔融金属焊接熔池包围。这样，在激光束的束斑沿着束行进图案前进的过程中，钥匙孔与熔融金属焊接熔池一起在工件叠层内平移。

将金属工件连接在一起的方法的另一个实施例可以包括几个步骤。在第一步骤中，提供工件叠层，该工件叠层包括重叠以限定焊接区域的两个或更多个金属工件。工件叠层的焊接区域具有顶部表面和底部表面，并进一步在叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面。工件叠层中的两个或更多个金属工件全部都是钢工件、铝工件或镁工件。在第二步骤中，第一激光束被导向工件叠层的顶部表面，以产生熔融金属焊接熔池，该熔融金属焊接熔池穿透到工件叠层中，并与叠层的顶部表面和底部表面之间建立的至少一个接合界面相交。在第三步骤中，第一激光束的束斑沿着束行进图案相对于工件叠层的顶部表面前进，以沿着工件叠层内的相应路径平移熔融金属焊接熔池，从而形成激光焊接接头，该激光焊接接头包括再凝固的复合工件材料，该复合工件材料源自被熔融金属焊接熔池穿透的每个金属工件。最初形成的激光焊接接头具有邻近工件叠层的顶部表面的初始顶部表面。在第四步骤中，激光焊接接头被第二激光束照射，并且第二激光束沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动，以熔融包括初始顶部表面的焊接接头的上部部分。在第五步骤中，第二激光束从激光焊接接头被移除，以允许接头的上部部分再凝固，并为激光焊接接头提供改进的顶部表面。激光焊接接头的改进的顶部表面比初始顶部表面更平滑。

可以进一步限定将金属工件连接在一起的方法的前述实施例。工件叠层可以例如包括两个或三个重叠的金属工件，所有这些工件都是钢工件、铝工件或镁工件。在另一个实施方式中，激光焊接接头的初始顶部表面可以具有5μm至10μm的表面粗糙度(ra)，并且激光焊接接头的随后得到的改进的顶部表面（低于初始顶部表面的表面粗糙度）可以具有0.5μm至3μm的表面粗糙度(ra)，尽管当然可能存在其中激光焊接接头的初始顶部表面和改进的顶部表面的表面粗糙度测量值分别落在这些范围中的一个或两个之外的情况。此外，用于熔融激光焊接接头的上部部分的第二激光束可以是固态激光束，其被远程激光焊接设备导向激光焊接接头的初始顶部表面并沿着该初始顶部表面移动。这样，第二激光束可以以在50m/min至130m/min的范围内的行进速度沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动。并且，在第二激光束沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动期间，第二激光束的功率水平可以在1kw至3kw的范围内，并且第二激光束的焦点位置可以在0mm至-50mm的范围内。

将金属工件连接在一起的方法的又一个实施例可以包括几个步骤。在第一步骤中，提供工件叠层，该工件叠层包括重叠以限定焊接区域的两个或三个金属工件。工件叠层的焊接区域具有顶部表面和底部表面，并进一步在叠层中包括的每对相邻金属工件之间建立接合界面。工件叠层中的两个或更多个金属工件全部都是钢工件、铝工件或镁工件。在第二步骤中，操作远程激光焊接设备的扫描光学激光头，以将第一激光束导向工件叠层的顶部表面，并且另外，在焊接区域内沿着束行进图案相对于叠层的顶部表面移动第一激光束的束斑，以沿着工件叠层内的相应路径平移钥匙孔和周围的熔融金属焊接熔池。钥匙孔和周围熔融金属焊接熔池的这种平移形成激光焊接接头，该激光焊接接头延伸到工件叠层中，并与工件叠层的顶部表面和底部表面之间建立的每个接合界面相交，以将两个或三个金属工件熔焊在一起。最初形成的激光焊接接头具有邻近工件叠层的顶部表面的初始顶部表面。在第三步骤中，再次操作远程激光焊接设备的扫描光学激光头，以用第二激光束照射激光焊接接头的初始顶部表面，并且此外，沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动第二激光束，以便熔融包括焊接接头的初始顶部表面的激光焊接接头的上部部分。被第二激光束熔融的上部部分可以构成激光焊接接头的10体积%至30体积%。在第四步骤中，第二激光束从激光焊接接头被移除，以允许接头的上部部分再凝固，并为激光焊接接头提供改进的顶部表面。激光焊接接头的改进的顶部表面比初始顶部表面更平滑。

在将金属工件连接在一起的方法的前述实施例中使用的第一激光束和第二激光束可以各自是固态激光束。此外，第一激光束可以以从2m/min至50m/min的范围内的行进速度沿着其束行进图案相对于工件叠层的顶部表面移动，而第一激光束的功率水平在从2kw至6kw的范围内，并且第一激光束的焦点位置在从+10mm至-10mm的范围内。另一方面，第二激光束可以以50m/min至130m/min的范围内的行进速度沿着激光焊接接头的初始顶部表面移动，而第二激光束的功率水平在1kw至3kw的范围内，并且焦点位置在0mm至-50mm的范围内。然而，在某些情况下，第一激光束或第二激光束之一或两个激光束可能落在刚刚叙述的一个或多个激光束特性之外。

附图说明

图1是工件叠层的总体图示，该工件叠层包括重叠的金属工件以及远程激光焊接设备，该远程激光焊接设备可以执行将重叠的金属工件连接在一起的所公开的方法；

图1a是图1中描绘的激光束的放大图，示出了代表所公开方法的实施例中采用的第一和第二激光束两者的通用激光束的焦点和纵向轴线；

图2是根据本公开的一个方面的激光焊接接头形成过程中工件叠层的剖视图，其中第一激光束被导向工件叠层，并由远程激光焊接设备的扫描光学激光头相对于叠层的顶部表面操纵，并且其中工件叠层组件包括两个重叠的金属工件；

图3是根据本公开的另一个方面的激光焊接接头形成过程中工件叠层的剖视图，其中第一激光束被导向工件叠层，并由远程激光焊接设备的扫描光学激光头相对于叠层的顶部表面操纵，并且其中工件叠层包括三个重叠的金属工件，而不是图2所示的两个；

图4是工件叠层的高架透视图，其示出了激光点焊接头，该激光点焊接头将重叠的工件沿着束行进图案熔焊在一起，根据本公开的一个方面，该束行进图案可以由第二激光束追踪，以便熔融包括激光焊接接头的初始顶部表面的激光点焊接头的上部部分，并且其中这里示出的束行进图案由单个螺旋焊接路径构成；

图5是工件叠层的高架透视图，其示出了激光缝焊接头，该激光缝焊接头将重叠的工件沿着束行进图案熔焊在一起，根据本公开的一个方面，该束行进图案可以由第二激光束追踪，以便熔融包括激光焊接接头的初始顶部表面的激光缝焊接头的上部部分，并且其中这里示出的束行进图案由单个连续正弦焊接路径构成；

图6是根据本公开的一个方面的由第一激光束产生的激光焊接接头的一般性剖视图，该焊接接头代表图4-5所示的点焊和缝焊激光焊接接头，其中激光焊接接头具有初始顶部表面；

图7是激光焊接接头的一般性剖视图，该激光焊接接头先前由根据本公开的一个方面的第一激光束以及第二激光束产生，该第二激光束照射激光焊接接头的初始顶部表面并相对于初始顶部表面移动以熔融包括初始顶部表面的激光焊接接头的上部部分；和

图8是在焊接接头的熔融的上部部分已经被允许再凝固以提供具有比最初形成的激光焊接接头的初始顶部表面更平滑的改进的顶部表面的激光焊接接头之后激光焊接接头的一般性剖视图。

具体实施方式

将两个或更多个堆叠的金属工件连接在一起的所公开的方法涉及用激光束熔融已经形成的激光焊接接头的上部部分。熔融的上部部分包括激光焊接接头的初始顶部表面，由于平移熔融金属焊接熔池通过工件叠层和所得熔融工件材料的凝固中涉及的动力学，该初始顶部表面可能有些粗糙。当允许凝固时，激光焊接接头的熔融的上部部分下沉，并且瞬间存在的熔融金属的表面张力导致激光焊接接头的改进的顶部表面比初始顶部表面更平滑。通过为激光焊接接头提供更平滑的改进的顶部表面(该顶部表面基本上是位于工件叠层的顶部表面附近的激光接头的暴露表面)，可以去除可能易于引发和传播裂纹的残余应力集中点，并且激光焊接接头不太容易损坏可能施加在紧邻接头处的密封条。更平滑的改进的顶部表面也赋予激光焊接接头更美观的外观。

激光焊接接头的形成和焊接接头的上部部分(包括其顶部表面)的随后熔融可以由任何类型的激光焊接设备单独执行，例如远程激光焊接设备或常规激光焊接设备。根据被连接的金属工件的特性和希望实现的激光焊接模式(传导、钥匙孔等)，用于形成激光焊接接头的激光束和用于为接头提供更平滑的改进的顶部表面的激光束可以各自是固态激光束或气体激光束。可以使用的一些著名的固态激光器是光纤激光器、圆盘激光器、直接二极管激光器和nd:yag激光器，并且可以使用的著名的气体激光器是co2激光器，尽管当然可以使用其他类型的激光器。在下面将更详细地描述的所公开方法的优选实施方式中，远程激光焊接设备被用于形成激光焊接接头，并且还被用于此后直接熔融激光焊接接头的上部部分。在这点上，术语“第一激光束”和“第二激光束”在此分别用于识别(1)形成原始激光焊接接头的激光束和(2)熔融先前形成的激光焊接接头的上部部分的激光束，尽管事实上是相同的焊接设备正在发送这些激光束中的每一个。

将两个或更多个金属工件连接在一起的所公开的方法可以在各种工件叠层构型上执行。例如，所公开的方法可以与包括两个重叠金属工件的“2t”工件叠层(图1-2)结合使用，或者可以与包括三个重叠金属工件的“3t”工件叠层(图3)结合使用。此外，在一些情况下，所公开的方法可以与包括四个重叠金属工件的“4t”工件叠层(未示出)结合使用。工件叠层中包括的两个或更多个金属工件可以都是钢工件、铝工件或镁工件，并且它们不必与叠层中的其他工件具有相同的组成或具有相同的厚度。无论工件叠层包括两个重叠的金属工件还是多于两个重叠的金属工件，所公开的方法都以基本相同的方式执行以获得相同的结果。通过调整所用激光束的特性，可以容易地适应工件叠层构型的任何差异。

现在总体参考图1，示出了工件叠层10，其中叠层10包括重叠以限定焊接区域16的至少第一金属工件12和第二金属工件14。还示出了可以执行所公开的工件接合方法的远程激光焊接设备18。在焊接区域16的范围内，第一金属工件12和第二金属工件14分别提供工件叠层10的顶部表面20和底部表面22。工件叠层10的顶部表面20可供远程激光焊接设备18使用，并且可被从远程激光焊接设备18发出的激光束24接近。并且因为进行激光焊接只需要单侧接近，所以不需要工件叠层10的底部表面22以相同的方式变得可接近。本文使用的术语“顶部表面”和“底部表面”是相对的名称，其标识更接近并面向远程激光焊接设备18的叠层10的表面(顶部表面)和面向相反方向的叠层10的表面(底部表面)。

工件叠层10可以仅包括第一金属工件12和第二金属工件14，如图1-2所示。在这些情况下，并且如图2最佳所示，第一金属工件12包括外部外表面26和第一接合表面28，并且第二金属工件14包括外部外表面30和第二接合表面32。第一金属工件12的外部外表面26提供工件叠层10的顶部表面20，并且第二金属工件14的外部外表面30提供叠层10的相背对的底部表面22。并且，因为两个金属工件12、14是工件叠层10中存在的仅有工件，所以第一金属工件12的第一接合表面28和第二金属工件14的第二接合表面32在焊接区域16内重叠并面对以建立接合界面34。在其它实施例(其中一个在下面结合图3进行描述)中，工件叠层10可以包括设置在第一金属工件12和第二金属工件14之间的附加的第三金属工件，以为叠层10提供三个而不是两个金属工件。

术语“接合界面”在本公开中广泛使用，并且旨在涵盖可以适应激光焊接的实践的第一金属工件12和第二金属工件14的相面对的第一接合表面28和第二接合表面32之间的宽范围的重叠关系。例如，接合表面28、32可以通过直接或间接接触来建立接合界面34。当接合表面28、32物理邻接，并且没有被落在正常组装公差范围之外的分立的居间材料层或间隙分开时，接合表面28、32彼此直接接触。当接合表面28、32被诸如密封剂或粘合剂的分立的居间材料层分开(因此不会经历作为直接接触的典型的界面邻接类型)，但是它们足够接近从而可以进行激光焊接时，接合表面28、32间接接触。作为另一示例，接合表面28、32可以通过被施加的间隙分开来建立接合界面34。这种间隙可以通过激光刻划、机械造窝或其他方式在接合表面28、32中的一个或两个上产生突出特征而施加在接合表面28、32之间。突出特征保持接合表面28、32之间的间歇接触点，间歇接触点保持表面28、32在接触点之外和周围间隔开高达1.0mm。

仍然参考图3，第一金属工件12包括第一基体金属基底36，并且第二金属工件14包括第二基体金属基底38。第一基体金属基底36和第二基体金属基底38都可以由钢、铝或镁构成；也就是说，第一基体金属基底36和第二基体金属基底38都由钢构成，都由铝构成，或者都由镁构成。第一基体金属基底36或第二基体金属基底38中的至少一个可以包括表面涂层40。出于各种原因，包括腐蚀保护、强度增强和/或改善加工，以及其他原因，表面涂层40可以应用在基体金属基底36、38中的一个或两个上，并且涂层40的组成主要基于下面的基体金属基底36、38的组成。考虑到基体金属基底36、38及其可选表面涂层40的厚度，至少在焊接区域16内，第一金属工件12的厚度121和第二金属工件14的厚度141中的每一个优选地在0.4mm至6.0mm的范围内。第一金属工件12的厚度121和第二金属工件14的厚度141可以彼此相同或不同。

如这里图2中所示，第一基体金属基底36和第二基体金属基底38中的每一个都可以涂覆有表面涂层40。表面涂层40又为金属工件12、14提供它们各自的外部外表面26、30和它们各自的接合表面28、32。在另一个实施例中，只有第一基体金属基底36包括表面涂层40，而第二金属基底36未涂覆或裸露。在这些情况下，覆盖第一基体金属基底36的表面涂层40为第一金属工件12提供其外部外表面26和接合表面28，而第二基体金属基底38为第二金属工件14提供其外部外表面30和接合表面32。在又一个实施例中，只有第二基体金属基底38包括表面涂层40，而第一基体金属基底36未涂覆或裸露。因此，在这种情况下，第一基体金属基底36为第一金属工件12提供其外部外表面26和接合表面28，而覆盖第二基体金属基底38的表面涂层40为第二金属工件14提供其外部外表面30和接合表面32。

基体金属基底36、38可以采用落入广泛引用的钢、铝和镁的基体金属组中的多种金属形式和组成中的任何一种。例如，如果由钢构成，基体金属基底36、38(目前称为第一基体钢基底36和第二基体钢基底38)中的每一个可以分别由多种钢中的任何一种构成，包括低碳(软)钢、无间隙(if)钢、烘烤硬化钢、高强度低合金(hsla)钢、双相(dp)钢、复相(cp)钢、马氏体(mart)钢、相变诱发塑性(trip)钢、孪晶诱发塑性(twip)钢和硼钢(例如当工件12、14包括压力硬化钢(phs)时)。此外，第一基体钢基底36和第二基体钢基底38中的每一个都可能已经被处理以获得特定的一组机械性能，包括经受热处理工艺，例如退火、淬火和/或回火。第一基体钢基底36和第二基体钢基底38可以被热轧或冷轧至它们的最终厚度，并且可以被预制成具有适合组装到工件叠层10中的特定轮廓。

存在于基体钢基底36、38中的一个或两个上的表面涂层40优选地由锌基材料或铝基材料组成。锌基材料的一些示例包括锌或锌合金，例如锌镍合金或锌铁合金。可以使用的一种特别优选的锌铁合金具有包括8重量%至12重量%的铁和0.5重量%至4重量%的铝的总体平均组成，余量(重量%)是锌。锌基材料的涂层可以通过热浸镀锌(热浸镀锌锌涂层)、电镀锌(电镀锌锌涂层)或镀针退火(镀针退火锌铁合金)来施加，通常厚度在2μm至50μm之间，尽管可以采用其它程序和所获得涂层的厚度。合适的铝基材料的一些示例包括铝、铝硅合金、铝锌合金和铝镁合金。铝基材料的涂层可以通过浸涂来施加，通常厚度为2μm至30μm，尽管可以采用其它涂覆程序和所获得涂层的厚度。考虑到基体钢基底36、38及其表面涂层40(如果存在的话)的厚度，至少通过焊接区域16，第一钢工件12和第二钢工件14中的每一个的总厚度优选地在0.4mm至4.0mm的范围内，或者更窄地在0.5mm至2.0mm的范围内。

如果第一基体金属基底36和第二基体金属基底38由铝构成，则基体金属基底36、38(目前称为第一基体铝基底36和第二基体铝基底38)中的每一个可以分别由非合金铝或包含至少85重量%铝的铝合金构成。可以构成第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38的一些著名的铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金。另外，基体铝基底36、38中的每一个可以以锻造或铸造的形式单独提供。例如，基体铝基底36、38中的每一个可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻造铝合金薄板层、挤出件、锻件或其他加工制品或者由4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件构成。可用作第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38的一些更具体种类的铝合金包括aa5182和aa5754铝镁合金、aa6011和aa6022铝镁硅合金、aa7003和aa7055铝锌合金以及al-10si-mg铝压铸合金。第一基体铝基底36和/或第二基体铝基底38可以在各种回火（temper）下使用，包括退火(o)、应变硬化(h)和固溶热处理(t)。

存在于基体铝基底36、38中的一个或两个上的表面涂层40可以是由氧化铝化合物组成的天然难熔氧化物涂层，当来自基体铝基底36、38的新鲜铝暴露于大气或一些其它含氧介质时，该涂层被动形成。表面涂层40也可以是由锌或锡构成的金属涂层，或者它可以是由钛、锆、铬或硅的氧化物构成的金属氧化物转化涂层，如美国专利申请no.us2014/0360986中所公开的。根据涂层40的组成和涂层40产生的方式，表面涂层40(如果存在的话)的典型厚度在1nm至10μm之间，尽管也可以采用其它厚度。例如，当下面的铝材料是铝合金时，被动形成的难熔氧化物涂层通常具有从2nm至10nm的范围内的厚度。考虑到基体铝基底36、38及其表面涂层40(如果存在的话)的厚度，至少通过焊接区域16，第一铝工件12和第二铝工件14中的每一个的总厚度优选地在0.4mm至6.0mm的范围内，或者更窄地在0.5mm至3.0mm的范围内。

如果第一基体金属基底36和第二基体金属基底38由镁构成，则基体金属基底36、38(目前称为第一基体镁基底36和第二基体镁基底38)中的每一个可以分别由非合金镁或包含至少85重量%镁的镁合金构成。可以构成第一基体镁基底36和/或第二基体镁基底38的一些著名的镁合金是镁锌合金、镁铝合金、镁铝锌合金、镁铝硅合金和镁稀土合金。另外，基体镁基底36、38中的每一个可以以锻造(薄板、挤出件、锻件或其他加工制品)或铸造形式单独提供。可用作第一基体镁基底36和/或第二基体镁基底38的镁合金的一些具体示例包括但不限于az91d压铸或锻造(挤出或薄板)镁合金、az3lb压铸或挤出(挤出或薄板)镁合金以及am60b压铸镁合金。第一基体镁基底36和/或第二基体镁基底38可以在各种回火下使用，包括退火(o)、应变硬化(h)和固溶热处理(w)。

存在于基体镁基底36、38中的一个或两个上的表面涂层40可以是由氧化镁化合物(和可能的氢氧化镁化合物)组成的天然难熔氧化物涂层，当来自基体镁基底36、38的新鲜镁暴露于大气或一些其它含氧介质时，该涂层被动形成。表面涂层40也可以是由金属氧化物、金属磷酸盐或金属铬酸盐组成的金属转化涂层。根据涂层40的组成和涂层40产生的方式，表面涂层40(如果存在的话)的典型厚度在1nm至10μm之间，尽管也可以采用其它厚度。例如，当下面的镁材料是镁合金时，被动形成的难熔氧化物涂层通常具有从2nm至10nm的范围内的厚度。考虑到基体镁基底36、38及其表面涂层40(如果存在的话)的厚度，至少通过焊接区域16，第一镁工件12和第二镁工件14中的每一个的总厚度优选地在0.4mm至6.0mm的范围内，或者更窄地在0.5mm至3.0mm的范围内。

图1-2示出了工件叠层10的一个实施例，其包括建立单个接合界面34的两个重叠的金属工件12、14。当然，如图3所示，工件叠层10可以包括位于第一金属工件12和第二金属工件14之间的具有厚度151的附加第三金属工件150。第三金属工件150(如果存在的话)包括第三基体金属基底152，其可以是裸露的或者涂覆有表面涂层40(如图所示)。第三金属工件150在许多一般方面类似于第一金属工件12和第二金属工件14，因此，上述第一金属工件12和第二金属工件14的描述(特别是基体金属基底的组成、它们可能的表面涂层和工件厚度)完全适用于第三金属工件150。在该实施例中，工件叠层10的焊接区域16现在由所有第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150的公共重叠程度来限定。

作为以重叠方式堆叠第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150以提供工件叠层10的结果，第三金属工件40具有两个接合表面：第三接合表面156和第四接合表面158。第三接合表面156与第一金属工件12的第一接合表面28重叠并面对，并且第四接合表面158与第二金属工件14的第二接合表面32重叠并面对。在焊接区域16内，第一金属工件12和第三金属工件150的面对的第一接合表面28和第三接合表面156建立第一接合界面160，第二金属工件14和第三金属工件150的面对的第二接合表面32和第四接合表面158建立第二接合界面162。这些接合界面160、162与上面参照图1-2描述的接合界面34是相同类型并包含相同属性。因此，在该实施例中，侧翼的第一金属工件12和第二金属工件14的外部外表面26、30仍然在相反方向上彼此背离，并且构成工件叠层10的顶部表面20和底部表面22。

重新参考图1，远程激光焊接设备18包括扫描光学激光头42。一般来说，扫描光学激光头42将激光束24的传输导向工件叠层10的顶部表面20(也是第一金属工件12的外部外表面26)。导向的激光束24具有束斑44，如图1a所示，束斑44是激光束24在沿着叠层10的顶部表面20定向的平面上的截面区域。扫描光学激光头42优选地安装到机械臂(未示出)，机械臂可以以快速程序化演替的方式来快速且准确地将激光头42运送到焊接区域16内的许多不同预选位置。与扫描光学激光头42结合使用的激光束24优选地为固态激光束，其以在电磁波谱的近红外范围内(通常被认为是700nm至1400nm)的波长操作。另外，激光束24具有功率水平能力，如果需要，在激光焊接接头形成期间，该功率水平能力可以获得足以在工件叠层10内产生钥匙孔的功率密度。在重叠的金属工件12、14(以及可能的150)内产生钥匙孔所需的功率密度通常在0.5-1.5mw/cm²的范围内。

可以与远程激光焊接设备18结合使用的合适的固态激光束的一些示例包括光纤激光束、圆盘激光束和直接二极管激光束。优选的光纤激光束是二极管泵浦激光束，其中激光增益介质是掺杂有稀土元素(例如铒、镱、钕、镝、镨、铥等)的光纤。优选的圆盘激光束是二极管泵浦激光束，其中增益介质是掺杂有稀土元素(例如，涂覆有反射表面的掺镱钇铝石榴石(yb:yag)晶体)并安装到散热器的薄激光晶体圆盘。并且优选的直接二极管激光束是从多个二极管获得的组合激光束(例如，波长组合)，其中增益介质是多个半导体，例如基于铝砷化镓(algaas)或铟砷化镓(ingaas)的半导体。可以产生这些类型的激光中的每一种以及其他变型的激光发生器是可商购获得的。当然可以使用这里没有具体提到的其他固态激光束。

扫描光学激光头42包括反射镜46的布置，反射镜46可以操纵激光束24，从而在至少部分地跨越焊接区域16的操作包络48内沿着工件叠层10的顶部表面20传送束斑44。这里，如图1所示，由于激光束24在平面内的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标来标识，所以由操作包络48跨越的顶部表面20的部分被标记为x-y平面。除了反射镜46的布置之外，扫描光学激光头42还包括z轴聚焦透镜50，其可以沿着激光束24的纵向轴线54移动激光束24的焦点52(图1a)，从而在垂直于图1中建立的三维坐标系中的x-y平面定向的z方向上改变焦点52的位置。此外，为了防止灰尘和碎屑不利地影响光学系统部件和激光束24的完整性，盖滑动件56可以位于扫描光学激光头42下方。盖滑动件56保护反射镜46的布置和z轴聚焦透镜50免受周围环境的影响，同时允许激光束24在没有显著中断的情况下从扫描光学激光头42射出。

反射镜46的布置和z轴聚焦透镜50在远程激光焊接设备18的操作期间协作，以决定激光束24及其束斑44在操作包络48内的期望移动以及焦点52沿着光束24的纵向轴线54的位置。更具体地，反射镜46的布置包括一对可倾斜的扫描反射镜58。每个可倾斜的扫描反射镜58安装在检流计60上。两个可倾斜的扫描反射镜58可以通过由检流计60执行的精确协调的倾斜运动，将束斑44的位置移动到操作包络48的x-y平面中的任何位置，从而改变激光束24照射工件叠层10的顶部表面20的点。同时，z轴聚焦透镜50控制激光束24的焦点52的位置，以便有助于以正确的功率密度管理激光束24，并在瞬时和随时间推移都获得期望的热输入。所有这些光学部件50、58可以在几毫秒或更短的时间内快速转位，以便在控制焦点52的位置的同时，沿着简单或复杂几何形状的束行进图案相对于工件叠层10的顶部表面20的x-y平面推进激光束24的束斑44。

远程激光焊接区别于其他传统形式激光焊接的特征是激光束24的焦点长度。这里，如图1中最佳所示，激光束24具有焦点长度62，该焦点长度62被测量为焦点52和最后的可倾斜扫描反射镜58之间的距离，该最后的可倾斜扫描反射镜在激光束24离开扫描光学激光头42之前拦截并反射激光束24。激光束24的焦点长度62优选地在0.4米至2.0米的范围内，焦点52的直径通常在100μm至700μm的范围内任何位置。焦点长度以及焦距64可以容易地调节。本文所用术语“焦距”是指激光束24的焦点52和工件叠层10的顶部表面20之间沿着束24的纵向轴线54的距离，如图1a最佳所示。因此，当焦点52定位在叠层10的顶部表面20时，激光束24的焦距64为零。同样，当焦点52定位在顶部表面20上方时，焦距为正距离值(+)，而当焦点52定位在顶部表面20下方时，焦距为负距离值(-)。

应该注意的是，图1所示的激光束24和上面描述激光束24的随附文本在帮助描述远程激光焊接设备18的努力中旨在为大体代表性的。在所公开的连接金属工件的方法的实践中，如下文将更详细描述的，激光束24按时间顺序操作为最初形成激光焊接接头的第一激光束(图2-3中的标记24′)以及随后作为熔融激光焊接接头的上部部分以为接头提供更平滑的改进的顶部表面的第二激光束(图7中的标记24″)。为此，以下将激光束指定为“第一”和“第二”并不一定旨在指示激光束类型的不同——尽管在其中第一和第二激光束从不同设备传输的其他替代实施例中不排除这种区别——而是意在指定激光束传输的顺序并区分它们的预期功能(即形成激光焊接接头或熔融先前形成的接头的上部部分)。因此，由附图标记24标识的激光束指示远程激光焊接设备18如何传送和操纵第一和第二激光束中的每一个。

在当前公开的连接方法中，现在参考图2-3，通过用第一激光束24’瞬时熔融金属工件12、14的部分，在工件叠层10中形成激光焊接接头66。为了形成激光焊接接头66，第一激光束24′由扫描光学激光头42导向工件叠层的顶部表面20位于焊接区域16内的预定焊接位置。第一激光束24’对叠层10的顶部表面20的最终照射在叠层10内产生熔融金属焊接熔池68，该焊接熔池68从顶部表面20朝向底部表面22穿透到叠层10中，并与至少一个接合界面相交。例如，在图2所示的2t叠层中，熔融金属焊接熔池68与金属工件12、14之间的接合界面34相交，并且可以完全或部分穿透工件叠层10。类似地，在图3所示的3t叠层中，熔融金属焊接熔池68至少与第一接合界面160相交，并且在许多情况下与两个接合界面162相交，并且可以完全或部分穿透工件叠层10。如图所示，完全穿透的熔融金属焊接熔池68完全穿透工件叠层10并突破底部表面22，而部分穿透的熔融金属焊接熔池68穿透到某个中间深度，因此不突破工件叠层10的底部表面22。

此外，第一激光束24′优选地具有足以汽化束斑44正下方的工件叠层10的功率密度。这种汽化作用产生钥匙孔70(也在图2-3中描绘)，钥匙孔70是汽化工件金属的柱，其经常包含等离子体。钥匙孔70形成在熔融金属焊接熔池68内，并施加足以防止周围的熔融金属焊接熔池68向内塌陷的指向外的蒸气压力。并且，像熔融金属焊接熔池68一样，钥匙孔70也从顶部表面20朝向底部表面22穿透到工件叠层10中，并且与建立在第一金属工件12和第二金属工件14(或者第一金属工件12、第二金属工件14和第三金属工件150)之间的接合界面34(或者第一接合界面160和/或第二接合界面162)相交。钥匙孔70为第一激光束24’提供了将能量向下传送到工件叠层10中的管道，从而有助于熔融金属焊接熔池68相对较深而窄地穿透到工件叠层10中和相对较小的周围热影响区。钥匙孔70可以与熔融金属焊接熔池68一起完全(如图所示)或部分穿透工件叠层10。

在形成熔融金属焊接熔池68和优选地钥匙孔70时，第一激光束24’的束斑44沿着束行进图案在操作包络48的x-y平面中相对于工件叠层10的顶部表面20在向前方向72上前进。束行进图案可以包括投射到顶部表面20上的一个或多个焊接路径，例如，在pct/cn2016/106914、pct/cn2016/102669、pct/cn2016/083112、pct/cn2015/094003、pct/cn2015/088569和pct/cn2015/088563中示出的任何图案，仅列出几种可能。通过精确控制扫描光学激光头42内可倾斜的扫描反射镜58的协调移动来管理第一激光束24’的束斑44沿着束行进图案的前进。随着第一激光束24’的束斑44沿着束行进图案前进，熔融金属焊接熔池68(连同钥匙孔70，如果存在的话)沿着工件叠层10内的相应路线平移。这造成穿透的熔融金属焊接熔池68在工件叠层10内的束斑44周围和后面流动，从而导致熔融金属焊接熔池70跟随第一激光束24’的前进进程而伸长。

一旦第一激光束24’的束斑44已经完成对束行进图案66的追踪，第一激光束24’的传输停止，并且由第一激光束24’产生的熔融工件材料冷却并凝固成再凝固的复合工件材料74。再凝固的复合工件材料74源自被熔融金属焊接熔池68穿透的金属工件12、14(或12、150、14)中的每一个，并且其组成(以及先前产生的熔融金属焊接熔池68的组成)取决于穿透的金属工件的组成。从第一激光束24’获得的集体再凝固的复合工件材料74构成激光焊接接头66，根据熔融金属焊接熔池68是完全还是部分地穿透叠层10，激光焊接接头66可以完全延伸穿过或部分延伸到工件叠层10中，并且可以被热影响区(haz)包围。激光焊接接头66因此从叠层10的顶部表面20朝向底部表面22延伸到工件叠层10中，同时与接合界面34(或第一接合界面162和/或第二接合界面164)相交，以便将受影响的金属工件12、14(或12、150、14)自动熔焊在一起。

根据由第一激光束24’沿着工件叠层10的顶部表面20追踪的束行进图案的几何形状，激光焊接接头66可以呈现多种形状和结构。例如，如图4所示，激光焊接接头66可以被构造为激光点焊接头，该接头是再凝固复合工件材料74的固结熔核，该熔核可以通过沿着由螺旋焊接路径或一系列同心圆形或椭圆形焊接路径构成的束行进图案操纵第一激光束24’来形成，使得熔融金属焊接熔池68基本上生长成更大的熔坑（meltpuddle）。在另一个示例中，如图5所示，激光焊接接头66可以被构造为激光缝焊接头，该接头是由第一激光束24’在线性焊接路径(如图所示)或非线性焊接路径中的单个焊道形成的再凝固复合工件材料74的轨迹，非线性焊接路径为例如c形“钉”路径或单个圆形或椭圆形焊接路径，其具有足够大的直径，使得再凝固复合工件材料74的圆形或椭圆形轨迹中存在中心非焊接部分。无论其形状和结构如何，激光焊接接头66都具有与工件叠层10的顶部表面20相邻的初始顶部表面76，如图6中描绘的激光焊接接头66的一般性和代表性剖视图所示。

激光焊接接头66的初始顶部表面76具有一定程度上粗糙的趋势，这至少部分是由于激光焊接过程中熔融金属焊接熔池68中产生的湍流；以及气体被截留在焊接熔池68中的趋势。初始顶部表面具有表面粗糙度，该表面粗糙度被测量为平均或算术平均粗糙度(ra)，在许多情况下，但不一定是所有情况下，该表面粗糙度在从5μm到10μm的范围内。过度粗糙化或受干扰的初始顶部表面76可能对激光焊接接头66的视觉外观和/或结构完整性具有若干不利影响。激光焊接接头66的粗糙的初始顶部表面76可以赋予劣质接头的感觉，即使焊接接头66实际上在结构和功能上是可靠的。此外，粗糙的初始顶部表面76可以产生残余应力集中点，当接头66在腐蚀环境中受到拉伸载荷时，这些点容易开裂，特别是应力腐蚀开裂。此外，激光焊接接头66的粗糙初始顶部表面76可能损坏在后续制造操作中施加在接头66上的密封条。

为了解决与激光焊接接头66的粗糙初始顶部表面76相关联的潜在不利影响，所公开的方法要求用也被扫描光学激光头42导向叠层10的第二激光束24”照射激光焊接接头66的初始顶部表面76，然后沿着初始顶部表面76移动第二激光束24″，特别是其束斑44，熔融激光焊接接头66的上部部分78。图7中描绘了第二激光束24”对激光焊接接头66的上部部分78的熔融。激光焊接接头66的熔融的上部部分78部分地延伸到焊接接头66中，并消耗焊接接头66的初始顶部表面76；也就是说，初始顶部表面76的至少85%被熔融，并且优选地，所有的初始顶部表面76都被熔融，初始顶部表面76的可接受的未熔融部分(如果有的话)通常被限制在焊接接头66和周围工件叠层10之间的界面旁边的外围边界区域。激光焊接接头66的熔融的上部部分78相对于接头66的其余部分的尺寸和比例可以根据最初形成的接头66的尺寸、形状和结构而变化。然而，在许多情况下，被第二激光束24”熔融的激光焊接接头66的上部部分78构成激光焊接接头66的10体积%至30体积%。

第二激光束24″可以沿着激光焊接接头66的初始顶部表面76在至少覆盖初始顶部表面76的区域的束行进图案80中移动。例如，当激光焊接接头66是激光点焊接头时，第二激光束24”的束斑44可以沿着投射到初始顶部表面76上的束行进图案80前进，该束行进图案由螺旋焊接路径组成，如图4所示，尽管也可以使用其他束行进图案，例如包括一系列同心圆形或椭圆形焊接路径的那些图案。作为另一示例，当激光焊接接头66是激光缝焊接头时，第二激光束24”的束斑44可以沿着投射到初始顶部表面76上的束行进图案80前进，该束行进图案由单个连续正弦焊接路径组成，如图5所示，尽管也可以使用其他束行进图案，例如包括之字形焊接路径或环形焊接路径的那些图案。至于第二激光束24”的特性，它们可以不同于第一激光束24”的特性，因为第二激光束24”仅旨在部分熔融激光焊接接头66。可以肯定的是，在许多典型应用中，第一激光束24”在以2m/min至50m/min的行进速度沿着其束行进图案前进时可以具有2kw至6kw的功率水平和+10mm至-10mm的焦点位置，而第二激光束24”在以50m/min至130m/min的行进速度沿着其束行进图案80前进时可以具有1kw至3kw的功率水平和0mm至-50mm的焦点位置。

在激光焊接接头66的上部部分78已经熔融之后，从激光焊接接头66移除第二激光束24”，以允许熔融的上部部分78再凝固成光滑的帽82，如图8所示。从激光焊接接头66移除第二激光束24”可以涉及停止第二激光束24的传输或者简单地将第二激光束24”从激光焊接接头66上移开并远离。当允许从瞬时熔融状态再凝固成光滑帽82时，激光焊接接头66的上部部分78下沉，并且瞬时存在的熔融金属的表面张力导致比初始顶部表面76更平滑的激光焊接接头66的改进的顶部表面84，如图8中大体所示。改进的顶部表面84具有表面粗糙度，该表面粗糙度像之前一样被测量为平均或算术平均粗糙度(ra)，在许多情况下，但不一定是所有情况下，该表面粗糙度在从0.5μm到3μm的范围内。更平滑的改进顶部表面84不仅具有比激光焊接接头66的初始顶部表面76更美观的外观，而且它还去除了可能易于引发和传播裂纹的残余应力集中点，并且使得接头66不太容易损坏可能被施加的密封条。

优选示例性实施例和具体示例的上述描述本质上仅仅是描述性的；它们并非意图限制所附权利要求的范围。除非说明书中另外具体而无歧义地说明，否则所附权利要求中使用的每一个术语都应被赋予其普通和习惯的含义。