在金屬板材件中形成焊接凹口的方法
【專利說明】在金屬板材件中形成焊接四口的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年11月30日提交的第61/731，497號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)和于2013年3月14日提交的第61/784，184號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，這些申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開總體涉及金屬板材件，更具體地，涉及涂覆有一個(gè)或多個(gè)薄材料層并且在焊接過程中使用的金屬板材件。
【背景技術(shù)】
[0004]為了提高對(duì)腐蝕、結(jié)垢和/或其他過程的抵抗力，由高強(qiáng)度鋼合金或可硬化鋼合金制成的金屬板材現(xiàn)在制造成具有一個(gè)或多個(gè)薄涂覆材料層，諸如鋁基層和鋅基層。雖然這些涂覆材料層可賦予金屬板材期望的品質(zhì)，但是它們的存在也會(huì)污染焊接，從而降低焊接強(qiáng)度、完整性等。如果涂覆的金屬板材件對(duì)接焊接或搭接焊接至另一個(gè)金屬板材件，則尤甚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，提供一種在金屬板材件中形成焊接凹口的方法，該方法包括以下步驟:(a)提供具有多個(gè)材料層的金屬板材件；(b)通過沿著消融路徑去除多個(gè)材料層中的至少一部分，沿著金屬板材件形成消融溝槽，以使消融溝槽與金屬板材件的邊緣間隔開；以及(C)沿著消融溝槽切割金屬板材件，以形成焊接凹口。
[0006]根據(jù)另一實(shí)施方式，提供一種在金屬板材件中形成焊接凹口的方法，該方法包括以下步驟:(a)提供具有多個(gè)材料層的金屬板材件；(b)通過沿著消融路徑去除多個(gè)材料層中的至少一部分，沿著金屬板材件形成消融溝槽，其中消融溝槽由在消融溝槽的寬度兩端彼此相對(duì)的表面部分地限定；以及(C)去除金屬板材件的、包括在步驟(b)中形成的相對(duì)表面中的一個(gè)的一部分，以形成焊接凹口，其中焊接凹口由相對(duì)表面中的另一個(gè)部分地限定。
[0007]根據(jù)另一實(shí)施方式，提供一種在金屬板材件中形成焊接凹口的方法，該方法包括以下步驟:(a)提供具有相對(duì)的第一側(cè)和第二側(cè)以及在第一側(cè)和第二側(cè)之間延伸的剪切邊緣的金屬板材件，其中來自涂覆材料層的、沿著第一側(cè)的材料在剪切方向上至少部分地沿著剪切邊緣朝著第二側(cè)延伸；(b)沿著預(yù)定的修剪線位置從金屬板材件去除涂覆材料層的一些；以及(C)沿著修剪線位置將金屬板材件分成第一件和第二件，其中第一件包括新形成的、基本上沒有來自涂覆材料層的材料的、可焊接的邊緣，以及第二件包括剪切邊緣。
【附圖說明】
[0008]下文中將結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選的示例性實(shí)施方式進(jìn)行描述，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件，并且在附圖中:
[0009]圖1A至IC是接合金屬板材件的常規(guī)焊接接頭的剖視圖，其中金屬板材件在焊接之前不具有在其中形成的焊接凹口；
[0010]圖2是示例性金屬板材件的邊緣區(qū)域的立體圖，該示例性金屬板材件包括在其相對(duì)兩側(cè)上的焊接凹口；
[0011]圖3是圖2的金屬板材件的一部分的剖視圖；
[0012]圖4是圖3的金屬板材件的剖視圖的放大視圖，示出了一些薄材料層；
[0013]圖5是在金屬板材件中形成消融溝槽的示例性消融過程的立體圖；
[0014]圖6是圖5的金屬板材件的剖視圖；
[0015]圖7是圖6的金屬板材件的剖視圖，其中邊緣區(qū)域的一部分已被去除以形成焊接凹口 ；
[0016]圖8是圖6的剖視圖，不出了排出的材料從消融點(diǎn)射出；
[0017]圖9是雙束消融過程的剖視圖，該雙束消融過程在金屬板材件中形成具有非均勻深度的消融溝槽；
[0018]圖10是圖9的金屬板材件的剖視圖，其中邊緣區(qū)域的一部分已被去除以形成具有非均勻深度的焊接凹口；
[0019]圖11示出了能夠與圖9的消融過程一同使用的重疊的激光光點(diǎn)以及用于該重疊的激光光點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的能量分布的示例；
[0020]圖12示出了能夠與圖9的消融過程一同使用的重疊的激光光點(diǎn)以及用于該重疊的激光光點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的能量分布的另一示例；
[0021]圖13是通過非零入射角在金屬板材件中形成消融溝槽的偏移消融過程的剖視圖；
[0022]圖14是圖13的金屬板材件的剖視圖，其中邊緣區(qū)域的一部分已被去除以形成焊接凹口 ；
[0023]圖15是具有與邊緣區(qū)域分開地形成的消融溝槽的金屬板材件的立體圖；
[0024]圖16是通過沿著消融溝槽切割圖15的金屬板材件形成的兩個(gè)金屬板材件的立體圖，其中這兩個(gè)金屬板材件中的每個(gè)包括沿著新形成的邊緣區(qū)域的焊接凹口。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本文公開的金屬板材件可制造成具有沿著一個(gè)或多個(gè)邊緣定位的焊接凹口，其中焊接凹口的特征在于，不存在某些材料成分，以使得它們不會(huì)不可接受地污染附近的焊接處。例如，金屬板材件可被制造為使得在沿著金屬板材邊緣定位的焊接凹口處減少或去除來自一個(gè)或多個(gè)涂覆材料層的材料。這進(jìn)而可防止由沿著金屬板材邊緣形成的附近焊接接頭的涂覆材料層導(dǎo)致的污染，從而在后續(xù)過程或者在焊接接頭的使用壽命期間保持焊接接頭的強(qiáng)度和/或耐久性。溝槽消融過程可用于以對(duì)金屬板材邊緣的狀況相對(duì)不敏感這樣的方式形成高品質(zhì)的焊接凹口。
[0026]首先參照?qǐng)D1A至1C，示出了與制造常規(guī)的拼焊坯件10相關(guān)的一些步驟，其中常規(guī)的拼焊坯件10包括以邊緣對(duì)邊緣的方式激光焊接在一起的厚金屬板材件12和薄金屬板材件12’。根據(jù)本示例，金屬板材件12、12’中的每個(gè)都具有基礎(chǔ)材料層14和覆蓋基礎(chǔ)材料層的相對(duì)表面的多個(gè)薄材料層16、18。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，可發(fā)現(xiàn)在金屬板材坯料上存在許多材料層，包括多種類型的表面處理，諸如鋁基材料層和鋅基材料層(例如鋁化合物)的涂覆材料層、油和其他抗氧化物質(zhì)、來自制造或材料處理過程的污染物以及氧化層，此處僅舉幾個(gè)例子。兩個(gè)金屬板材件一旦緊靠在一起，則使用激光束或其他焊接工具來熔融位于邊緣區(qū)域20、20’中的金屬板材中的一些，以使得一定量的薄材料層16、18變?yōu)榍度胨a(chǎn)生的焊接接頭22內(nèi)。除非首先進(jìn)行去除，否則這些不期望的成分可能對(duì)焊接接頭的整體強(qiáng)度和品質(zhì)帶來不良影響。
[0027]參照?qǐng)D2，示出了示例性金屬板材件12，示例性金屬板材件12可通過本方法形成且隨后沿著邊緣區(qū)域20焊接至相鄰件。金屬板材件12包括相對(duì)的第一側(cè)24和第二側(cè)26以及沿著待焊接的邊緣28進(jìn)行定位的邊緣區(qū)域20。圖2中示出的具體邊緣區(qū)域20包括兩個(gè)焊接凹口 30、30’，其中這兩個(gè)焊接凹口沿著金屬板材件12的相對(duì)兩側(cè)24、26上的邊緣區(qū)域延伸。每個(gè)焊接凹口 30、30’都由彼此交叉或接合的第一凹口表面32和第二凹口表面34限定。雖然示出了沿著單個(gè)直線邊緣區(qū)域20的、大體垂直的第一凹口表面32和第二凹口表面34，但是焊接凹口可以以多種方式配置。例如，焊接凹口可:包括一個(gè)或多個(gè)偏軸或偏移凹口表面，具有均勻的或非均勻的深度和/或?qū)挾?，在尺寸、形狀、?gòu)造等方面不同于定位在同一金屬板材件上的其他焊接凹口，或者作為沿著金屬板材件的直線邊緣、彎曲邊緣、多個(gè)直線或彎曲邊緣、或一些其他部分進(jìn)行定位的邊緣區(qū)域的一部分，僅舉幾個(gè)可能性。在附圖中示出了這些不同的實(shí)施方式中的一些。
[0028]圖3是圖2中示出的金屬板材件12的邊緣區(qū)域20的剖視圖。示出的金屬板材件12包括多個(gè)材料層，該多個(gè)材料層包括基礎(chǔ)材料層14、中間材料層16和涂覆材料層18。在本實(shí)施方式中，基礎(chǔ)材料層14是中央或核心材料層(例如鋼芯)，并且被夾在中間材料層16和涂覆材料層18之間?；A(chǔ)材料層14構(gòu)成金屬板材件12的厚度T的大部分，并且由此可顯著有助于提高金屬板材件的機(jī)械性能。涂覆材料層18定位在基礎(chǔ)材料層14的相對(duì)表面上方，并且是金屬板材件12的最外層。每個(gè)涂覆材料層18都相對(duì)于基礎(chǔ)材料層14相對(duì)薄，并且可被選擇為增強(qiáng)金屬板材件的一個(gè)或多個(gè)特性(例如耐腐蝕性、硬度、重量、成型性、外觀等)。還可以為使用或與后續(xù)過程(諸如熱處理或互擴(kuò)散過程)的兼容性選擇涂覆材料層18。
[0029]在本實(shí)施方式中，每個(gè)中間材料層16都定位在基礎(chǔ)材料層14與多個(gè)涂覆材料層18中的一個(gè)之間，并且與基礎(chǔ)材料層14和多個(gè)涂覆材料層18中的每個(gè)相接觸。中間材料層16包括與緊鄰層14、18中的每個(gè)一樣的至少一種成分，諸如原子元素或化學(xué)化合物。中間材料層16可以是基礎(chǔ)材料層14與涂覆材料層18的反應(yīng)產(chǎn)物。例如，浸涂過程可在基礎(chǔ)材料層與涂覆材料的熔池的界面處產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并且反應(yīng)產(chǎn)物為中間材料層16，其中在浸涂過程中基礎(chǔ)材料層浸泡在涂覆材料的熔池中或通過該熔池。在這種浸涂過程的一個(gè)具體示例中，基礎(chǔ)材料層14是鋼，并且涂覆材料層18為鋁合金。鋁合金的熔池在基礎(chǔ)材料層的表面與基礎(chǔ)材料層反應(yīng)以形成中間材料層16，中間材料層16包括鐵-鋁金屬間化合物(FexAly)，諸如Fe2Al50中間材料