用激光束焊接輕質(zhì)板材和實(shí)心板材的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于接合兩個工件的方法，特別是一種將所謂的輕質(zhì)板材與實(shí)心板板材料配合地連接的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多工業(yè)領(lǐng)域中，例如在汽車制造中，須使用大面積的具有相應(yīng)較高重量的板材。代替完全由金屬制成的板材(也稱作“實(shí)心板材”或“普通板材”)，可以使用所謂的輕質(zhì)板材。
[0003]這種輕質(zhì)板材由第一板層、第二板層和設(shè)置在第一和第二板層之間的核心層或中間層的層結(jié)構(gòu)組成。中間層具有塑料層或者由塑料層組成，其中塑料層可以是例如PU層(其中PU代表聚氨酯)。這種輕質(zhì)板層(也稱作夾心板)因而由兩個蓋板和一個設(shè)置在蓋板之間的核心層組成，核心層具有塑料層或者由塑料層組成。通過輕質(zhì)板材不完全由金屬制成，而是具有塑料中間層，可以使其形成有比對應(yīng)相同尺寸的實(shí)心板更輕的重量。
[0004]輕質(zhì)板材的第一和第二板層可以例如實(shí)施為由通常厚度為0.25mm至0.3mm的鍍鋅板材制成。通常在熱接合過程中輕質(zhì)板一側(cè)上約為230°C的最高溫度短期內(nèi)是可能的，其中超過該最高溫度的溫度導(dǎo)致輕質(zhì)板材的損壞、特別是板層和塑料層之間的連接的損壞。
[0005]例如DE 38 20 848 Al, DE 38 44 856 C2 和 DE 10 2005 042 361 A1 中指出的，工件可以通過激光束熱接合。
[0006]輕質(zhì)板材與實(shí)心板材的熱接合(例如通過焊接或釬焊)中由于熱接合時存在的高溫，存在輕質(zhì)板材損壞的危險(例如通過損壞外側(cè)的板層或者損壞板層和塑料層之間的連接或者損壞中間層本身)。例如焊接點(diǎn)上存在的溫度對于實(shí)心板材完全還沒有損壞，而輕質(zhì)板材上卻已經(jīng)發(fā)生損壞。這樣在焊接過程中，將輕質(zhì)板材加熱到焊料熔化所需的溫度可能已經(jīng)導(dǎo)致輕質(zhì)板材的損壞(例如輕質(zhì)板材的中間層的損壞)，特別是因?yàn)檩p質(zhì)板材外側(cè)板層的厚度較小而使接合點(diǎn)的散熱差。
[0007]DE 10 2008 060 506 A1 和 DE 10 2001 009 066 A1 描述了輕質(zhì)板材與實(shí)心板材的熱接合，其中根據(jù)該文特別重要的是，將熱能在實(shí)心板材方向上散出。為此在焊接點(diǎn)上要么至少加倍實(shí)心板材的厚度要么增加一個額外的板材。該方法的缺點(diǎn)在于，在焊接點(diǎn)上的額外的材料是不可避免的，而材料通過過高的熱輸入仍不能有效防止輕質(zhì)板材的損壞。
[0008]替代熱接合，可以通過膠粘進(jìn)行輕質(zhì)板材和實(shí)心板材的材料配合連接。然而通常該方法具有過程技術(shù)上的困難(較長的硬化時間，精確的膠粘劑涂覆，額外的重量，處理時構(gòu)件的移動)。DE 10 2004 016 854 A1描述了另一個例子，薄板材和夾心板材通過金屬夾的夾緊互相連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種接合方法，通過該方法實(shí)現(xiàn)了在全自動化生產(chǎn)線上可以以非常短的周期可靠地和無損地連接輕質(zhì)金屬板材和實(shí)心板材。
[0010]根據(jù)本發(fā)明首先準(zhǔn)備兩個接合件，其中第一接合件(或者第一工件)是輕質(zhì)板材并且第二接合件(或第二工件)是實(shí)心板材。輕質(zhì)板材和實(shí)心板材通過光焊接互相連接；也即通過含能量的光束或者能量束(下面也稱作“加熱光束”)進(jìn)行加熱焊接點(diǎn)所需的能量輸入，其中含能量的光束可以例如以電磁光束(例如激光、紅外線)、粒子光束(例如電子射線)或者定向的波(例如超聲波)的形式存在。輕質(zhì)板材和實(shí)心板材在焊接點(diǎn)互相焊接，其中輕質(zhì)板材的一個位置通過焊接材料與實(shí)心板材的一個位置材料配合地連接。焊接點(diǎn)因此具有輕質(zhì)板材一側(cè)的位置和實(shí)心板材一側(cè)的位置。焊接點(diǎn)的輕質(zhì)板材一側(cè)的位置可以理解為焊接點(diǎn)的區(qū)域，在該區(qū)域中(在施加焊接材料后)焊接材料接觸輕質(zhì)板材。類似焊接點(diǎn)的實(shí)心板材一側(cè)可以理解為焊接點(diǎn)的另一個區(qū)域，在該區(qū)域中(在施加焊接材料后)焊接材料接觸實(shí)心板材。通過含能量的光束進(jìn)行加熱焊接點(diǎn)所需的能量輸入，其中通過光束既在焊接點(diǎn)的輕質(zhì)板材一側(cè)的位置又在實(shí)心板材一側(cè)的位置進(jìn)行能量輸入。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，通過加熱光束進(jìn)行的能量輸入在空間上這樣變化，即在輕質(zhì)板材上的或者在焊接點(diǎn)的輕質(zhì)板材一側(cè)的位置上進(jìn)行的能量輸入少于在實(shí)心板上或者在焊接點(diǎn)的實(shí)心板材一側(cè)的位置上進(jìn)行的能量輸入，其中在輕質(zhì)板材一側(cè)的位置上進(jìn)行例如目標(biāo)的、所需最低限度的能量輸入。通過在輕質(zhì)板一側(cè)上進(jìn)行比在實(shí)心板一側(cè)上小的能量輸入，能夠防止輕質(zhì)板的損壞。
[0012]通過能量束進(jìn)行的能量輸入伴隨熱量輸入并因此導(dǎo)致了照射的區(qū)域(即焊接點(diǎn))的加熱或升溫。
[0013]通過加熱光束進(jìn)行的能量輸入在空間上這樣變化，在輕質(zhì)板材上進(jìn)行的能量輸入少于在實(shí)心板上的能量輸入。根據(jù)本發(fā)明設(shè)置，能量輸入在空間上這樣變化，即由輕質(zhì)板材一側(cè)上的能量輸入所產(chǎn)生的溫度低于由實(shí)心板材一側(cè)的能量輸入所產(chǎn)生的溫度。例如可以設(shè)置，能量輸入在空間上這樣變化，輕質(zhì)板材一側(cè)上所產(chǎn)生的溫度保持在預(yù)設(shè)定的最高溫度(例如輕質(zhì)板材的中間層材料的熔點(diǎn)溫度)之下并且例如小于輕質(zhì)板材的塑料層的熔點(diǎn)溫度。
[0014]特別設(shè)置通過加熱光束進(jìn)行的能量輸入在空間上這樣變化，輕質(zhì)板材一側(cè)上所產(chǎn)生的溫度低于焊接材料的熔點(diǎn)溫度(或者最高等于焊接材料的熔點(diǎn)溫度)并且在實(shí)心板一側(cè)上所產(chǎn)生的溫度最少等于或者超過焊接材料的熔點(diǎn)溫度。因此例如焊熔化接材料所需的熱量輸入可以在實(shí)心板一側(cè)進(jìn)行或者將已經(jīng)熔化的焊接材料施加到這樣預(yù)調(diào)溫的焊接點(diǎn)上。
[0015]通過加熱光束進(jìn)行的能量輸入在空間上的變化可以例如這樣實(shí)現(xiàn)，通過使用具有沿其光束橫截面在空間上變化(并隨時間保持恒定)的強(qiáng)度分布的能量束(例如激光束)作為加熱光束，其中例如在對準(zhǔn)于輕質(zhì)板材的光束區(qū)段中能量束比在對準(zhǔn)于實(shí)心板的光束區(qū)段中的能量束具有更低的強(qiáng)度和/或功率(其中光束區(qū)段的功率等于在該光束區(qū)段上或者在其橫截面上累積的強(qiáng)度)。因此在相同的停留時間內(nèi)，能量輸入在空間上的變化通過在接合點(diǎn)上光強(qiáng)度在空間上的變化得以實(shí)現(xiàn)。
[0016]光束可以特別地包括具有第一強(qiáng)度/功率的第一區(qū)段或第一分束和具有第二強(qiáng)度/功率的第二區(qū)段或第二分束，其中第一強(qiáng)度/功率小于第二強(qiáng)度/功率，并且其中光束這樣形成和實(shí)施，即，以其第一區(qū)段或第一分束轟擊輕質(zhì)板材一側(cè)，用其第二分段或第二分束轟擊實(shí)心板材一側(cè)。因此能量束優(yōu)選可以這樣形成，能量束或者其橫截面具有在空間上不旋轉(zhuǎn)對稱的強(qiáng)度分布，即，其轟擊輕質(zhì)板材的區(qū)段具有的強(qiáng)度/功率低于轟擊在實(shí)心板材上的區(qū)段。
[0017]特別可以設(shè)置這樣形成具有兩個分束的能量束，即在輕質(zhì)板材一側(cè)的焊接點(diǎn)區(qū)域上轟擊的第一分束具有第一最大強(qiáng)度并且在實(shí)心板材一側(cè)的焊接點(diǎn)區(qū)域上轟擊的第二分束具有第二最大強(qiáng)度(其中兩個最大值互相不同并且構(gòu)成總光束的局部最大強(qiáng)度)，其中第一分束的功率和最大強(qiáng)度小于第二分束的功率或最大強(qiáng)度。具有這樣強(qiáng)度分布的激光束可以例如通過雙焦光學(xué)系統(tǒng)(例如具有生成光束的和引導(dǎo)光束的固定部件的雙焦光學(xué)系統(tǒng))產(chǎn)生。例如光束可以由兩個以一定間隔相互平行分布的分束組成，分束分別具有旋轉(zhuǎn)對稱的(例如高斯型)的強(qiáng)度分布，其中(對準(zhǔn)于輕質(zhì)板材的)第一分束具有與(對準(zhǔn)于實(shí)心板材的)第二分束相比更小的強(qiáng)度和功率。
[0018]另一實(shí)施例可以設(shè)置這樣形成和實(shí)施能量束，能量束及其光束橫截面在焊接點(diǎn)上具有在從實(shí)心板材到輕質(zhì)板材方向上單調(diào)地(例如嚴(yán)格單調(diào)地)減少的強(qiáng)度，從而在(轟擊在輕質(zhì)板材一側(cè)的焊接點(diǎn)區(qū)域上的)第一光束區(qū)段的強(qiáng)度始終小于(轟擊在實(shí)心板材一側(cè)的焊接點(diǎn)區(qū)域上的)第二光束區(qū)段的強(qiáng)度。
[0019]在將激光束用作加熱光束的情況下，沿光束橫截面的強(qiáng)度的空間變化例如通過使用被動的或者不可動的光學(xué)元件(例如衍射的光學(xué)部件)實(shí)現(xiàn)，這些元件用于形成激光束空間上的強(qiáng)度分別。
[0020]可選擇這樣實(shí)現(xiàn)通過加熱光束進(jìn)行的能量輸入空間上的變化，通過具有預(yù)設(shè)的(例如隨時間保持恒定的)強(qiáng)度和強(qiáng)度分布的(唯一的)光束這樣運(yùn)動，即，光束在輕質(zhì)板材一側(cè)上的(積累的)停留時間少于光束在實(shí)心板材一側(cè)上的(積累的)停留時間。例如可以設(shè)置，含能量的光束或者能量束轟擊位置在焊接點(diǎn)輕質(zhì)板材一側(cè)和實(shí)心板材一側(cè)之間的接合點(diǎn)上來回擺動，光束在輕質(zhì)板材一側(cè)累積的停留時間(以及累計的能量輸入)低于光束在實(shí)心板材一側(cè)累積的停留時間(以及累計的能量輸入)。
[0021 ] 在將激光束用作加熱光束的情況下，能量輸入在空間上的變化例如在使用主動的或者可移動的光學(xué)元件的條件下通過(聚焦的)激光束在接合點(diǎn)上的振動來實(shí)現(xiàn)。激光束可以例如通過為此設(shè)置的光束偏轉(zhuǎn)裝置(例如通過檢流或者壓電驅(qū)動的掃描鏡)偏轉(zhuǎn)或運(yùn)動。
[0022]