具有焊接凹口的金屬板材件及其形成方法
【專利摘要】金屬板材件(12)包括基礎(chǔ)材料層(14)和一個(gè)或多個(gè)中間材料層和涂覆材料層(16、18)以及沿著該金屬板材件的邊緣區(qū)域(20)形成的焊接凹口(30)。涂覆材料層和中間材料層的至少一部分在焊接凹口處被去除，以使得來自這些層的某些成分在后續(xù)沿著邊緣區(qū)域形成焊接接頭時(shí)不會影響附近焊接接頭(22)的完整性。可使用包括激光燒蝕的多種燒蝕方法來形成焊接凹口。
【專利說明】具有焊接四口的金屬板材件及其形成方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年5月25日提交的第61/651，645號美國臨時(shí)申請、于2012年6月29日提交的第61/666，388號美國臨時(shí)申請、于2012年9月17日提交的第61/701，909號美國臨時(shí)申請、于2012年11月30日提交的第61/731，497號美國臨時(shí)申請、以及于2013年3月14日提交的第61/784，184號美國臨時(shí)申請的權(quán)益，并且它們的整體內(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過程的金屬板材件。
【背景技術(shù)】
[0004]為了提高對腐蝕、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)或多個(gè)實(shí)施方式，焊接過程中使用的金屬板材件包括基礎(chǔ)材料層、涂覆材料層和中間材料層。中間材料層位于基礎(chǔ)材料層與涂覆材料層之間，并且包括具有來自基礎(chǔ)材料層和涂覆材料層中每個(gè)的至少一種成分的金屬間化合物。金屬板材件包括沿著待焊接的金屬板材件的邊緣進(jìn)行定位的邊緣區(qū)域。邊緣區(qū)域包括至少部分地由焊接凹口表面限定的焊接凹口，其中，焊接凹口表面包括來自涂覆材料層和中間材料層二者的材料。
[0006]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其他實(shí)施方式，在金屬板材件中形成焊接凹口的方法包括以下步驟:(a)提供在邊緣區(qū)域處具有多個(gè)材料層的金屬板材件；(b)將激光束指向金屬板材件的邊緣區(qū)域；以及(C)在金屬板材件的邊緣區(qū)域用激光束從多個(gè)材料層中的至少一個(gè)去除材料，以使得在去除的材料不再存在之處形成焊接凹口。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]下文中將結(jié)合附圖對優(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:
[0008]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 ；
[0009]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兩側(cè)上的焊接凹口；
[0010]圖3是圖2的金屬板材件的一部分的剖視圖，示出了位于金屬板材件的相對兩側(cè)上的涂覆層、中間材料層和焊接凹口 ；
[0011]圖4是圖3的一部分的放大視圖，示出了材料層之間的不規(guī)則表面；
[0012]圖5是包括焊接凹口的示例性金屬板材件的剖視圖，其中去除了涂覆材料層和中間材料層；
[0013]圖6是包括焊接凹口的另一個(gè)示例性金屬板材件的剖視圖，其中去除了涂覆材料層、中間材料層和一部分基礎(chǔ)材料層；
[0014]圖7是包括偏軸焊接凹口的另一示例性金屬板材件的剖視圖；
[0015]圖8是包括不同的偏軸焊接凹口的另一示例性金屬板材件的剖視圖；
[0016]圖9是包括具有不均勻深度的焊接凹口的另一示例性金屬板材件的剖視圖；
[0017]圖10是包括具有不均勻深度的不同的焊接凹口的另一示例性金屬板材件的剖視圖；
[0018]圖11是包括具有不均勻深度和多個(gè)相交表面的焊接凹口的另一示例性金屬板材件的剖視圖；
[0019]圖12是用于形成焊接凹口的示例性激光燒蝕過程的立體圖；
[0020]圖13是具有通過激光燒蝕形成的焊接凹口的示例性金屬板材件的放大立體圖；
[0021]圖14是具有由不同的激光通過激光燒蝕形成的焊接凹口的另一示例性金屬板材件的放大立體圖；
[0022]圖15是具有通過機(jī)械燒蝕過程形成的焊接凹口的另一示例性金屬板材件的放大立體圖；
[0023]圖16是示例性雙激光束燒蝕過程的立體圖；
[0024]圖17是圖16的激光燒蝕過程的剖視圖；
[0025]圖18是另一示例性激光燒蝕過程的剖視圖，其中激光光點(diǎn)比期望的焊接凹口的寬度窄；
[0026]圖19是可通過圖18的激光燒蝕過程形成的焊接凹口的放大立體圖；
[0027]圖20是同樣可通過圖18的激光燒蝕過程形成的焊接凹口的放大立體圖；
[0028]圖21是另一示例性激光燒蝕過程的立體圖，其中該過程使用具有非零入射角的激光形成焊接凹口；
[0029]圖22是來自圖21的激光燒蝕過程的剖視圖，其中該過程在金屬板材件的單一側(cè)上形成偏移焊接凹口；
[0030]圖23是來自圖21的金屬板材件的邊緣區(qū)域在形成偏移焊接凹口之前的放大剖視圖；
[0031]圖24是在金屬板材件上執(zhí)行的另一示例性激光燒蝕過程的立體圖，其中該過程使用多個(gè)激光器來形成焊接凹口；
[0032]圖25是來自圖24的激光燒蝕過程的剖視圖，其中該過程用多個(gè)非重疊激光形成焊接凹口 ；
[0033]圖26是來自圖24的激光燒蝕過程的另一剖視圖，其中該過程用多個(gè)重疊激光形成焊接凹口；
[0034]圖27示出了能夠與圖26的激光燒蝕過程一同使用的重疊的激光光點(diǎn)或足跡以及相對應(yīng)的能量分布；
[0035]圖28示出了能夠與圖26的激光燒蝕過程一同使用的重疊的激光光點(diǎn)或足跡以及另一相對應(yīng)的能量分布；以及
[0036]圖29是在脫離金屬卷的金屬板材件上執(zhí)行的另一示例性激光燒蝕過程的立體圖，其中該過程使用多個(gè)激光器以在金屬板材件的相對兩側(cè)上形成焊接凹口。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本文中公開的金屬板材件可制成具有沿著一個(gè)或多個(gè)邊緣進(jìn)行定位的焊接凹口，其中焊接凹口的特征在于，不存在某些材料成分，以使得它們不會不可接受地污染附近的焊接處。例如，金屬板材件可進(jìn)行生產(chǎn)，以使得在沿著金屬板材邊緣進(jìn)行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。這轉(zhuǎn)而可以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，從而在后繼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。
[0038]首先參照圖1A至圖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、油和其他抗氧化物質(zhì)、來自制造或金屬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’中的板材金屬中的一些，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焊接接頭的整體強(qiáng)度和品質(zhì)帶來不良影響。
[0039]參照圖2，示出了示例性金屬板材件12，示例性金屬板材件12可以沿著邊緣區(qū)域20焊接至相鄰件。金屬板材件12包括相對的第一側(cè)24和第二側(cè)26以及沿著待焊接的金屬板材件的邊緣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’，其中兩個(gè)焊接凹口沿著金屬板材件12的相對兩側(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)的、直線邊緣區(qū)域20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，焊接凹口可以包括一個(gè)或多個(gè)偏軸凹口表面，具有不同于同一金屬板材件的另一焊接凹口的尺寸，形成為不同于另一焊接凹口的邊緣區(qū)域的一部分，和/或形成為沿著金屬板材件的輪廓邊緣進(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。
[0040]圖3是圖2的金屬板材件12的邊緣區(qū)域20的剖視圖。所示的金屬板材件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。基礎(chǔ)材料層14構(gòu)成金屬板材件12的大部分厚度T，并且由此可以顯著有助于提高金屬板材件的機(jī)械性能。涂覆材料層18位于基礎(chǔ)材料層14的相對表面上方，并且是金屬板材件12的最外層。每個(gè)涂覆材料層18都相對于基礎(chǔ)材料層14相對薄，并且可以進(jìn)行選擇以增強(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。
[0041]在本實(shí)施方式中，每個(gè)中間層16都位于基礎(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中的一個(gè)相接觸。在一個(gè)實(shí)施方式中，中間材料層16包括與緊鄰層14、18中每個(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，浸涂過程可以在基礎(chǔ)材料層與涂覆層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)物為中間層16，其中，在浸涂過程中基礎(chǔ)材料層浸泡在涂覆層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由高強(qiáng)度鋼合金或可硬化鋼合金制成，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-招金屬間化合物(FexAly),諸如Fe2Al5。中間層可以在較靠近基礎(chǔ)材料層14處具有較高含量的基礎(chǔ)材料層成分(例如，鐵)，并且在較靠近涂覆材料層18處具有較高含量的涂覆材料層成分(例如，鋁)。
[0042]雖然在圖3中示為具有恒定厚度的完美平坦層，但是如圖4的放大視圖中所示，中間材料層16沿著其相對表面可以是不規(guī)則的。還應(yīng)理解的是，中間材料層16在整個(gè)構(gòu)成中未必是均勻的，也未必是基礎(chǔ)材料層與涂覆材料層的反應(yīng)產(chǎn)物。中間材料層16自身可以包括多于一個(gè)的材料層，可以是不同材料的不均勻混合物、或者可以在其整個(gè)厚度中具有成分梯度，此處僅舉幾個(gè)例子。在另一示例中，中間層包括連續(xù)或不連續(xù)的氧化層，如能夠?qū)⒒A(chǔ)材料層暴露在環(huán)境中形成的基礎(chǔ)材料層14的氧化物(例如，鋁氧化物、鐵氧化物等)。金屬板材件12還可以包括其他附加材料層。
[0043]如圖3中所示的、在汽車和其他行業(yè)中形成主體或結(jié)構(gòu)組件的有用的多層金屬板材件的一個(gè)具體示例為涂覆的鋼產(chǎn)物，其中，在涂覆的鋼產(chǎn)物中，基礎(chǔ)材料層14由鋼以其多種可能的組成中的任一組成制成。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，基礎(chǔ)材料層14是高強(qiáng)度鋼合金或可硬化鋼合金，諸如硼鋼合金、雙相鋼、壓力硬化鋼(PHS)或高強(qiáng)度低合金(HLSA)鋼。對于這種材料，雖然就其重量而言強(qiáng)度高，但是經(jīng)常要求熱處理過程來獲得高強(qiáng)度性質(zhì)和/或僅能夠在高溫下形成。涂覆材料層18可以進(jìn)行選擇以幫助防止熱處理期間的氧化，以比基礎(chǔ)材料14層的重量輕，和/或以在后續(xù)的熱處理期間與金屬板材件12的其他層互相擴(kuò)散。在一個(gè)實(shí)施方式中，涂覆材料層18是鋁(Al)合金，諸如鋁-硅(Al-Si)合金。用于涂覆材料層18的其他可能的組成包括純鋁或鋅以及其合金或化合物(例如，在底層材料進(jìn)行鍍鋅的情況下)。在基礎(chǔ)材料層14是鋼并且涂覆材料層18包括鋁的情況下，中間材料層16可以包括金屬間化合物形式的鐵和鋁，諸如FeAl、FeAl2、Fe3Al, Fe2Al5或者其各種組合物。中間材料層16還可以包括來自相鄰層的成分的合金。
[0044]對于基礎(chǔ)材料層14,示例性材料層厚度范圍為約0.5mm至約2.0mm,對于中間層16，示例性材料層厚度范圍為約I μ m至約15 μ m，對于涂覆材料層18，示例性材料層厚度范圍為約5 μ m至約100 μ m。對于基礎(chǔ)材料層14,優(yōu)選的材料層厚度范圍為0.5mm至約1.0mm,對于中間層16，優(yōu)選的材料層厚度范圍為約5μπι至約10 μ m，對于涂覆材料層18，優(yōu)選的材料層厚度范圍為約15 μ m至約50 μ m。在一個(gè)實(shí)施方式中，中間材料層16和涂覆材料層18的組合厚度處于約15 μ m至約25 μ m的范圍，并且中間材料層為該組合厚度的約20至30%。例如，層16、18的組合厚度可以為約20μπι，其中中間材料層為約4-6μπι厚度，涂覆材料層構(gòu)成組合厚度的剩余部分。當(dāng)然，這些范圍是非限制性的，因?yàn)楦鱾€(gè)層厚度取決于特定于應(yīng)用和/或所采用的材料類型的若干因素。例如，基礎(chǔ)材料層14可以是除了鋼以外的材料，諸如鋁合金、鎂合金、鈦合金或者其他適當(dāng)?shù)牟牧?。本文中描述的焊接凹口可以與比圖中所示更多或更少的材料層一同使用。技術(shù)人員還應(yīng)理解的是，附圖未必按比例，并且層14-18的厚度可以不同于附圖中所示的那些厚度。
[0045]再次參照圖3，對金屬板材件的第一側(cè)24上的焊接凹口 30進(jìn)行描述。在本示例中，該描述也適用于相對的第二側(cè)26上的焊接凹口 30’。焊接凹口 30是金屬板材件12的邊緣區(qū)域20的一部分，其中一些材料已從在其他情況下均勻的疊層結(jié)構(gòu)去除或省略。在將金屬板材件焊接至另一件時(shí)，焊接凹口 30沿著邊緣28促進(jìn)高品質(zhì)焊接接頭，并且可以通過減少或消除成為后續(xù)的焊接接頭的一部分的、一定量的涂覆材料層18和/或中間材料層16的配置來如此進(jìn)行。在涂覆材料層18包括如下的一個(gè)或多個(gè)成分的情況下，焊接凹口是特別有用的，即，該一個(gè)或多個(gè)成分若被包括在涂覆材料層18中，則在所產(chǎn)生的焊接接頭中形成不連續(xù)性或者將以其他方式削弱所產(chǎn)生的焊接接頭。在本【具體實(shí)施方式】中，焊接凹口30具有特性凹口寬度W和凹口深度D，凹口寬度W和凹口深度D中每個(gè)沿著邊緣28的長度都是恒定的。凹口寬度W是從邊緣28至第一凹口表面32的距離，凹口深度D是從涂覆材料層18的外表面至第二凹口表面34的距離。如本具體示例所示，在焊接凹口 30與金屬板材件相符的情況下，凹口寬度W等于第二凹口表面34的寬度，凹口深度D等于第一凹口表面32的寬度。
[0046]焊接凹口 30的尺寸可以與金屬板材件的厚度T相關(guān)，與待在邊緣28處進(jìn)行形成的焊接接頭的預(yù)期大小相關(guān)，和/或與一個(gè)或多個(gè)材料層厚度相關(guān)。在一個(gè)實(shí)施方式中，凹口寬度W處于厚度T的約0.5倍至約1.5倍的范圍內(nèi)。在另一實(shí)施方式中，凹口寬度W處于約0.5mm至約4mm的范圍內(nèi)。凹口寬度W還可以至少為預(yù)期的焊接接頭的寬度的二分之一。在圖3所示的示例中，凹口深度D大于涂覆材料層18的厚度且小于中間材料層16和涂覆材料層18的組合厚度。但是這在一些其他示例性實(shí)施方式中有所不同。
[0047]焊接凹口 30還可以結(jié)合凹口表面32、34的某些特性進(jìn)行描述。例如，在圖3的實(shí)施方式中，第一凹口表面32包括來自中間材料層16和涂覆材料層18 二者的材料。第二凹口表面34僅包括來自中間材料層16的材料，并且第一凹口表面與第二凹口表面沿著定位或位于中間材料層中的邊緣相交。因而，在本具體示例中，通過沿邊緣區(qū)域20去除整個(gè)涂覆材料層18和一部分中間材料層16在金屬板材件12中形成焊接凹口 30。凹口表面32、34中每個(gè)均還可以包括條紋、界線、或其他類型的用于在焊接凹口位置處去除材料的過程指示物。諸如激光燒蝕或機(jī)械燒蝕的燒蝕過程可以形成具有不同表面特性的凹口表面，并且下文中將對其進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0048]圖5示出了焊接凹口 30的另一示例，其中第一凹口表面32與第二凹口表面34沿著位于基礎(chǔ)材料層14與中間材料層16之間的界面處的邊緣相交。第一凹口表面32包括來自中間材料層16和涂覆材料層18 二者的材料，第二凹口表面34僅包括來自基礎(chǔ)材料層14的材料。在本示例中，焊接凹口 30通過在邊緣區(qū)域20去除涂覆材料層18和中間材料層16在金屬板材件12中形成。
[0049]圖6不出了具有沿著位于基礎(chǔ)材料層14中的邊緣彼此相交的第一凹口表面32和第二凹口表面34的焊接凹口 30。第一凹口表面32包括來自基礎(chǔ)材料層14、中間材料層16和涂覆材料層18的材料，而第二凹口表面34僅包括來自基礎(chǔ)材料層14的材料。在本示例中，焊接凹口 30通過在邊緣區(qū)域20處去除涂覆材料層18、中間材料層16和一部分厚度的基礎(chǔ)材料層14在金屬板材件12中形成。
[0050]圖7示出了金屬板材件12的另一實(shí)施方式，其中焊接凹口 30是偏軸的。換言之，至少一個(gè)凹口表面(在該情況下為凹口表面32、34 二者)既不垂直于、也不平行于涂覆材料層18的最外表面。如圖所示，凹口表面32、34可以彼此垂直，并且與涂覆材料層18的最外表面形成相應(yīng)的角度α和β。角度β小于90°，在本示例中為(90° - α)，但是可以大于或等于90°。在圖7的示例中，第一凹口表面32包括來自中間材料層16和涂覆材料層18的材料，而第二凹口表面34包括來自基礎(chǔ)材料層14和中間材料層16的材料。凹口表面32、34沿著中間材料層16中的邊緣36彼此相交。該焊接凹口 30可以通過在邊緣區(qū)域20處去除涂覆材料層18、一部分厚度的中間材料層16以及一部分厚度的基礎(chǔ)材料層14在金屬板材件12中形成。
[0051]圖8示出了根據(jù)另一實(shí)施方式的金屬板材件，其中焊接凹口 30為倒角或成角度的表面的形式并且由凹口表面32進(jìn)行限定。凹口表面32是平坦的(即，總體平坦，并不一定是完美平坦)，并且包括來自所有基礎(chǔ)材料層、中間材料層和涂覆材料層14-18的材料，并且沿著位于基礎(chǔ)材料層14中的邊緣與金屬板材件12的邊緣28相交。在另一實(shí)施方式中，倒角狀焊接凹口 30僅包括來自中間材料層16和涂覆材料層18的材料，但不包括來自基礎(chǔ)材料層14的材料，從而在中間層16中或者在基礎(chǔ)材料層14與中間層16之間的界面處與邊緣28相交。
[0052]圖9示出了根據(jù)另一實(shí)施方式的金屬板材件，其中焊接凹口 30由彎曲的或波紋狀凹口表面32進(jìn)行限定。此處所示的凹口表面32包括來自所有基礎(chǔ)材料層、中間材料層和涂覆材料層14-18的材料，并且沿著位于基礎(chǔ)材料層14中的邊緣與金屬板材件12的邊緣28相交。焊接凹口 30的深度D可變，并且在本具體示例中示出為在其最大值處進(jìn)行測量，其中其最大值位于金屬板材件12的邊緣28處。在另一實(shí)施方式中，波紋狀焊接凹口 30僅包括來自中間材料層16和涂覆材料層18的材料，而不包括來自基礎(chǔ)材料層14的材料，從而在中間層16中或者在基礎(chǔ)材料層14與中間層16之間的界面處與邊緣28相交。
[0053]圖10示出了根據(jù)另一實(shí)施方式的金屬板材件，其中焊接凹口 30由與圖9中不同的波紋狀凹口表面32進(jìn)行限定。此處所示的凹口表面32包括來自所有基礎(chǔ)材料層、中間材料層和涂覆材料層14-18的材料，并且沿著位于基礎(chǔ)材料層14中的邊緣與金屬板材件12的邊緣28相交。焊接凹口 30的深度D可變，并且在本具體示例中示出為在其最大值處進(jìn)行測量，其中在本具體示例中其最大值位于基礎(chǔ)材料層14中并且與金屬板材件12的邊緣28間隔開。
[0054]圖11示出了金屬板材件12的另一實(shí)施方式，其中焊接凹口 30由第一凹口表面32、第二凹口表面34和第三凹口表面38進(jìn)行限定。如上所述以及如圖3所示，本實(shí)施方式具有沿著位于中間材料層16中的邊緣相交的第一凹口表面32和第二凹口表面34。第三凹口表面38為波紋狀凹口表面，其一個(gè)端部沿著位于中間材料層16中的邊緣40與第二凹口表面34相交,并且另一端部與金屬板材件12的邊緣28相交。在本不例中，第三凹口表面38包括來自基礎(chǔ)材料層14和中間材料層16的材料。第二凹口表面34和/或第三凹口表面38的寬度可以與圖11中所示有所不同，焊接凹口 30沿著第二凹口表面34和/或第三凹口表面38的深度也可以與圖11中所示不同。技術(shù)人員應(yīng)理解的是，凹口表面形狀、寬度和深度的多種多樣的組合是可能的。
[0055]圖7至圖11共同示出了具有焊接凹口 30的金屬板材件的多種實(shí)施方式，其中，每個(gè)焊接凹口 30都具有不均勻深度。換言之，在這些示例中，根據(jù)測量深度處距離金屬板材件的邊緣28的距離，每個(gè)焊接凹口 30的深度都在整個(gè)一個(gè)或多個(gè)焊接凹口表面變化。在大多數(shù)這些實(shí)施方式中，除了圖10中所示的以外，焊接凹口的平均深度朝著金屬板材的邊緣最大。這些類型的焊接凹口可以通過燒蝕過程形成，在燒蝕過程中燒蝕工具沿著邊緣區(qū)域20的不同部分經(jīng)過多次，或者其中燒蝕工具被配置成作為與邊緣28的距離的函數(shù)從金屬板材件去除不同量的材料。
[0056]以下參照圖12，示出了用于在金屬板材件中形成焊接凹口的示例性過程。在附圖中示意性地示出的特定過程為激光燒蝕過程，在激光燒蝕過程中，激光源100發(fā)出指向金屬板材件12的邊緣區(qū)域20的激光束102。通過激光束102提供的能量在燒蝕點(diǎn)104處以熱能形式轉(zhuǎn)移至金屬板材件12，從而在焦點(diǎn)處熔融和/或蒸發(fā)材料以從金屬板材件12去除該材料。無論是激光束還是諸如刮刀或絲刷的機(jī)械工具的燒蝕工具都跟隨沿著邊緣區(qū)域20的路徑106以形成具有期望配置的焊接凹口 30。如圖所示，路徑106的一些部分可以是直線的，并且其他部分可以是波紋狀或曲線狀的。例如，圖12中所示的焊接凹口 130是波紋狀的，以依照邊緣128的形狀。焊接凹口 30不一定跟隨直線路徑106，因?yàn)榉炊筛S具有其他配置的路徑。對于包括基礎(chǔ)材料層14、中間材料層16和涂覆材料層18的金屬板材件，諸如圖3中所示的金屬板材件，可以通過沿著邊緣區(qū)域20去除一些或所有涂覆材料層18、一些或所有中間材料層16、和/或一些基礎(chǔ)材料層14形成焊接凹口 30。
[0057]在采用激光燒蝕的本實(shí)施方式和其他實(shí)施方式中，金屬板材件12可以保持靜止，同時(shí)激光源100沿著如圖12中的箭頭所指示的路徑106移動激光束102。在不同的實(shí)施方式中，在激光源100保持靜止的同時(shí)，金屬板材件12被移動或索引。還可以采用如移動激光源和金屬板材件二者的其他技術(shù)。任何適當(dāng)?shù)募す饣蚱渌杀容^的發(fā)光裝置100可以用于形成焊接凹口，并且可以使用多種操作或設(shè)備參數(shù)來如此進(jìn)行。在一個(gè)示例中，激光源100是Q開關(guān)激光器，但是也可以使用諸如各種納秒、飛秒和皮秒脈沖激光的其他連續(xù)波和脈沖激光器類型。激光光點(diǎn)或足跡104可以是圓形、方形、矩形、橢圓形或任何其他適當(dāng)?shù)男螤?，隨后將對這些形狀中的一些示例進(jìn)行描述。用于激光源100的可選擇或可調(diào)節(jié)操作參數(shù)的非限制性示例包括:激光功率、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖能量、脈沖功率、占空比、光點(diǎn)面積、連續(xù)的激光脈沖之間的重疊以及激光源100相對于金屬板材件12的速度，此處僅舉幾個(gè)可能性。這些操作參數(shù)的任何組合可以基于應(yīng)用的特定需求通過本方法進(jìn)行選擇和控制。下文中將對激光燒蝕過程的多種示例進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0058]圖13至圖15示出了具有包括用于形成焊接凹口 30的具體過程的過程標(biāo)記或界線特性的表面的示例性金屬板材件12。圖13是當(dāng)通過激光燒蝕過程形成焊接凹口 30時(shí)焊接凹口表面32、34和/或邊緣28的一種可能的外觀的示例。所示的焊接凹口表面32、34每個(gè)都包括可視線或標(biāo)記42。標(biāo)記42與y方向大致平行并且沿著x方向彼此均勻間隔開。每個(gè)獨(dú)立標(biāo)記都在過程期間指示激光束邊緣的位置，其中激光束形狀為方形或矩形，并且激光束被提供為脈沖束，而非連續(xù)束。例如，激光束可以在X方向上和y方向上分別具有為L和W的尺寸，并且被指到邊緣區(qū)域處燒蝕點(diǎn)104處以用一定數(shù)量的激光脈沖去除材料。然后，如圖所示，光源可以用1/2L進(jìn)行索引以去除更多材料，以使得標(biāo)記42沿著X方向在每1/2L處明顯。圖13的示例沿著邊緣28包括類似燒蝕標(biāo)記。
[0059]激光束可以以其他方式確定形狀(例如，圓形、橢圓形等)，并且連續(xù)的燒蝕點(diǎn)可以具有更多或更少的重疊。例如，圖14示出了圓狀標(biāo)記44，每個(gè)圓狀標(biāo)記都具有與圓形激光束的直徑相等的長度L。在本示例中，連續(xù)的標(biāo)記44以光束直徑的1/2重疊，并且第一凹口表面32具有扇形形狀。
[0060]圖15是當(dāng)通過機(jī)械燒蝕過程形成焊接凹口 30時(shí)焊接凹口表面32、34和/或邊緣28的一種可能的外觀的示例。所示的焊接凹口表面32、34每個(gè)都包括可視線或標(biāo)記46。在本實(shí)施方式中，標(biāo)記46與X方向大致平行并且在I方向上彼此隨機(jī)間隔開。這些標(biāo)記可以由刮削工具中的不規(guī)則性產(chǎn)生或者通過研磨表面的絲刷的獨(dú)立絲產(chǎn)生。如圖所示的定向，標(biāo)記46可以產(chǎn)生自在X方向上刮削的刮削工具，或者產(chǎn)生自在y方向上繞軸線轉(zhuǎn)動的絲刷。然而，標(biāo)記46也可以在其他定向上，諸如在y方向上、χ-y平面上的對角方向上、或在任意方向上。
[0061]下文參照圖16，示出了用于使用激光燒蝕過程在金屬板材件12中形成焊接凹口30的另一示例性方法。在該方法中，第一激光束102和第二激光束102’從位于金屬板材件的相對側(cè)24、26上的第一激光源100和第二激光源100’指向邊緣區(qū)域20處，以形成焊接凹口 30、30’。這種類型的多激光器布置允許本方法從邊緣區(qū)域20的相對兩側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)材料層同時(shí)去除材料，這與使用單個(gè)激光源相比較能夠縮短過程時(shí)間。此外，因?yàn)槟軌驅(qū)γ恳粋?cè)量身定制用不同的操作參數(shù)編程的兩種不同類型的激光源或相同類型的激光源，所以多激光器布置可以為金屬板材件12的每一側(cè)提供操作參數(shù)的改善選擇和/或控制。例如，在金屬板材件12的一側(cè)上的材料層的組成或者厚度不同于金屬板材的另一側(cè)上的材料層的情況下，這是很有用的。雖然圖16中示出了激光源100、100’彼此直接面對，但是激光源100、100’可以對于彼此偏移或成角度，以避免一個(gè)激光源無意間撞擊或損壞另一激光源。在另一示例中，激光源100、100’位于金屬板材件12的同一側(cè)或相對側(cè)，但彼此間隔開，以使得激光源100、100’將其相應(yīng)的激光束指向同一金屬板材件12的不同邊緣區(qū)域。例如，一個(gè)激光束可以指向頂部邊緣區(qū)域20處，而另一激光束指向側(cè)邊緣區(qū)域120。
[0062]圖17是圖16的多激光器布置的一部分的剖視圖，其中兩個(gè)激光束102、102’從金屬板材件12的相對側(cè)指向邊緣區(qū)域20處以形成具有深度D和寬度W的焊接凹口 30、30’。雖然此處示出了在通過金屬板材件的厚度彼此大致相對的金屬板材件12的相對兩側(cè)上具有相同尺寸的激光束、光點(diǎn)和焊接凹口，但是它們的相應(yīng)大小、形狀等可以是獨(dú)立的。例如，激光束102能夠產(chǎn)生在大小、深度、圖案等方面不同于通過激光束102’形成的焊接凹口 30’的焊接凹口 30。根據(jù)應(yīng)用的具體需要，金屬板材件12的相對側(cè)上的相對的燒蝕位置可以是彼此的鏡像或者它們可以變化。在圖17中所示的具體示例中，激光束102生成具有與期望的焊接凹口 30相同寬度W的激光光點(diǎn)或足跡104。因此，該方法能夠沿著邊緣區(qū)域20的長度以激光束102的單次通過創(chuàng)建焊接凹口 30。這與圖18中所示的示例不同，在圖18所示的示例中激光束102生成具有比期望的焊接凹口寬度W小或窄的寬度的激光光點(diǎn)104。在這種情況下，激光束102必需多次通過以適應(yīng)焊接凹口的較寬寬度W，并且可根據(jù)若干個(gè)不同的技術(shù)來進(jìn)行。
[0063]根據(jù)一個(gè)潛在的技術(shù)，激光束102沿著邊緣區(qū)域20的總長度多次通過(在X軸方向上多次通過)，其中每次通過都被索引至新的y軸位置以適應(yīng)窄激光光點(diǎn)104。如圖19所示，這種技術(shù)可以產(chǎn)生具有燒蝕圖案108的焊接凹口。如上面的一些示例中的描述，這種技術(shù)在期望形成具有不恒定或不均勻深度的焊接凹口的情況下也可有用。例如，激光束102可以在沿著金屬板材件的邊緣28行進(jìn)的第一次經(jīng)過期間去除比在坐落于更內(nèi)側(cè)或更遠(yuǎn)離邊緣28的第二次經(jīng)過期間從邊緣區(qū)域20去除更多的材料(即，創(chuàng)建較大深度D)。激光源102的操作參數(shù)可以進(jìn)行控制或操縱來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。不同的技術(shù)涉及激光束102，該激光束102在沿著邊緣區(qū)域的長度(X軸方向)前進(jìn)至下一個(gè)位置之前沿著邊緣區(qū)域20的寬度(在y軸方向上)移動。這種類型的前后來回技術(shù)可以創(chuàng)建具有如圖20中所示那樣的燒蝕圖案110，并且導(dǎo)致沿著邊緣區(qū)域20的長度(X軸方向)的僅單次通過。
[0064]以下參照圖21至圖23，示出了示例性激光燒蝕過程，其中，激光束102根據(jù)非零入射角α指向邊緣區(qū)域20處。如本文所使用的入射角α是指形成在激光束的中心軸線A與垂直于金屬板材件的主表面的線B之間的角度。入射角α可以是正或負(fù)的。在圖12和圖16的實(shí)施方式中，入射角α為零，并且在圖21和圖22中所示的示例性實(shí)施方式中，入射角α在大約15°與75°之間(例如，約25° )。當(dāng)然，根據(jù)具體應(yīng)用，其他角度也是可能的。非零入射角α可以用于形成相對于金屬板材件12的不同的材料層偏置的焊接凹口30，諸如如圖22所示，其中，焊接凹口彎曲或傾斜。圖7和圖8中示出了能夠使用處于非零入射角的激光束形成的偏軸焊接凹口的其他示例。非零入射角α還可以用于通過單個(gè)激光從金屬板材件12的多于一個(gè)的表面(如同時(shí)從邊緣表面28和從側(cè)或主表面24)同時(shí)去除材料。換言之，激光束102根據(jù)入射角α指向邊緣區(qū)域20處，以使得激光束102同時(shí)照射金屬板材件12的多于一個(gè)的表面。
[0065]當(dāng)與已在涂覆過程后進(jìn)行切割或剪切的涂覆的金屬板材件一同使用時(shí)，諸如當(dāng)涂覆的金屬板材卷材被切割成獨(dú)立的坯件或狹縫對寬度件時(shí)，多表面激光裝置可以很有用。參照圖23的放大視圖，當(dāng)金屬板材被切割成獨(dú)立的坯件時(shí)，中間材料層16和/或涂覆材料層18可以變得污染或拉至邊緣28上，以使得來自層16、18的材料至少部分地纏繞拐角或邊緣112。如果在切割或剪切設(shè)備遲鈍或以其他方式磨損時(shí)則尤為如此。在圖23中，輪廓箭頭指示剪切方向。因?yàn)閮蓚€(gè)表面會潛在地污染周圍的焊接處，所以從邊緣表面28和側(cè)表面24 二者去除被污染的材料層可以進(jìn)一步改善邊緣區(qū)域處的后續(xù)焊接接頭。如上所述根據(jù)非零入射角α對準(zhǔn)的單個(gè)激光或者如下所述指向同一邊緣區(qū)域的多個(gè)激光器可以用于從已變得污染或者以其他方式拉至邊緣表面28的中間材料層16和/或涂覆材料層18去除材料。該方法能夠通過對準(zhǔn)激光束102將金屬板材件12的縱向邊緣或拐角112用作引導(dǎo)特征，以使得激光束102的中心軸線A在離縱向邊緣112 —定距離處或該距離內(nèi)(例如，在激光光點(diǎn)寬度的二分之一內(nèi))撞擊金屬板材件。也可以使用其他對準(zhǔn)和引導(dǎo)技術(shù)。
[0066]圖24和圖25示出了另一示例性激光燒蝕過程。在本實(shí)施方式中，第一激光束102和第二激光束102’根據(jù)不同的入射角指向邊緣區(qū)域20。此處示出了激光束102以大約為零(垂直于側(cè)表面)的入射角照射邊緣區(qū)域20，而激光束102’根據(jù)在大約15°至75°之間(例如，約45° )的非零入射角α照射邊緣區(qū)域。激光束102、102’能夠瞄準(zhǔn)或指向同一激光光點(diǎn)或燒蝕位置，或者如圖所示，激光束102、102’可以指向沿著X軸彼此間隔開的分離的燒蝕位置104、104’。對于使激光束間隔開的一個(gè)潛在的理由是為了允許通過第一激光束102濺出或排除的材料有時(shí)間在被第二激光束102’照射和蒸發(fā)之前至少部分地固化或反應(yīng)。在圖24和圖25所示的實(shí)施方式中，第一激光束102沿著邊緣區(qū)域20 (x軸方向)移動并且主要從金屬板材件的側(cè)表面24去除材料，而第二激光束102’緊隨其后并且從邊緣表面28去除材料。由此產(chǎn)生的構(gòu)造(即，通過激光102、102’ 二者形成的凹口區(qū)域)構(gòu)成焊接凹口 30，并且通過在潛在的焊接接頭的未來位置處從一個(gè)或多個(gè)材料層去除材料來改善金屬板材件12的可焊接性。
[0067]圖25的放大剖視圖示出了第一激光束102已從側(cè)表面24去除材料后且第二激光束102’已從邊緣表面28去除材料前的邊緣區(qū)域20。在這個(gè)階段，由第一激光束102撞擊的熔融材料可以因燒蝕位置處的快速熱膨脹而從焊接凹口 30流走或?yàn)R出。該熔融材料可以沉積在附近并且形成再固化或部分再固化的凸起114。如果凸起114包括來自材料層16、18的材料，則任何沿著邊緣區(qū)域20后續(xù)形成的焊接接頭可能受到污染或破壞。第二激光束102’可以以任何適當(dāng)?shù)娜肷浣铅?(零或非零)指向凸起114處，以從邊緣區(qū)域20去除凸起114。在另一實(shí)施方式中，第二激光束102’被用于沿著邊緣表面28去除凸起或者其他材料的、諸如刮刀或絲刷的機(jī)械燒蝕工具替代。機(jī)械燒蝕工具可以跟在所示的相同設(shè)置中的第一激光束102后面，或者其可以用于完全獨(dú)立的操作中。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械燒蝕工具的非限制性示例為Prasad等人的美國專利第7，971，303中公開的刮削工具，該專利的整體內(nèi)容通過引用并入本文。
[0068]以下參照圖26至圖28，示出了多激光器或雙束燒蝕過程的另一示例，其中第一激光束102與第二激光束102’在復(fù)合激光光點(diǎn)116處重疊，在復(fù)合激光光點(diǎn)116處激光的組合能量最大。在所示的示例中，復(fù)合激光光點(diǎn)116指向金屬板材件12的邊緣區(qū)域20，以使得復(fù)合激光光點(diǎn)至少部分地覆蓋縱向邊緣或拐角112，并且使得大部分材料去除發(fā)生在該大致區(qū)域中。這由具有不均勻深度的焊接凹口 30的形狀表示，其中不均勻深度與早前在圖11中示出的焊接凹口的配置相似,在邊緣28附近的區(qū)域中更大。
[0069]如圖27和圖28所示，重疊的激光光點(diǎn)104、104’可以用于調(diào)整或操縱燒蝕位置處的激光能量分布。例如，在圖27的頂部示出的圓形激光光點(diǎn)104、104’重疊以形成復(fù)合激光光點(diǎn)116，并且在圖27的底部的圖表中示出了整個(gè)重疊的激光光點(diǎn)104、104’的示例性相應(yīng)能量分布200。能量分布200在兩個(gè)激光束都存在的復(fù)合激光光點(diǎn)116的區(qū)域中包括峰值或最大值202。能量分布的實(shí)際形狀可以根據(jù)若干因素與此處顯示的不同，其中，若干因素包括激光光點(diǎn)的各自能量分布、焦平面離每個(gè)激光光點(diǎn)的距離及其他因素。激光束102、102’可以從彼此共位的激光源發(fā)出，并且可以以大致平行的方式朝著燒蝕位置延伸(即，兩個(gè)激光束可以具有彼此處于10°以內(nèi)的入射角α)。這與圖24中所示的實(shí)施方式有些不同，在圖24中所示的實(shí)施方式中激光束從在X軸方向間隔開的(未共位)激光源產(chǎn)生并且以大致不平行的方式朝著燒蝕位置延伸。如前面所提及，當(dāng)激光束沿著邊緣區(qū)域20的長度(在X軸方向上)移動時(shí)，該方法可利用金屬板材件的縱向邊緣112作為引導(dǎo)特征。
[0070]在期望形成在整個(gè)寬度W上具有不恒定或不均勻深度D的焊接凹口 30 (如圖9至圖11和圖26中所示的焊接凹口)的情況下，這種類型的多激光器或雙束過程可以很有用。例如，該過程可以在復(fù)合激光光點(diǎn)116處從涂覆材料層18、中間材料層16和基礎(chǔ)材料層14去除材料，而在激光光點(diǎn)104、104’的非重疊部分處僅從涂覆材料層18和/或中間材料層16去除材料。重疊的激光光點(diǎn)也可以與其他上述的實(shí)施方式結(jié)合使用。例如，第二激光束102’可以根據(jù)非零入射角指向金屬板材件12處。不同于獨(dú)立的激光光點(diǎn)104、104’為圓形的前面的例子，圖28描繪了獨(dú)立的激光光點(diǎn)104、104’為矩形形狀的復(fù)合激光光點(diǎn)116。除了本文中所公開的，可使用具有不同大小、形狀配置等的激光光點(diǎn)或足跡或者用于替代本文中所公開的激光光點(diǎn)或足跡。
[0071]圖29示出了激光燒蝕過程的另一實(shí)施方式，其中金屬板材件12從卷或卷材提供并且在機(jī)器方向(由未編號的輪廓箭頭指示)上進(jìn)給以通過多個(gè)激光源100、100’。激光源100、100’中每個(gè)都朝著邊緣區(qū)域20上的不同位置發(fā)射激光束，并且可以由與其他激光器不同的側(cè)和/或不同的入射角α發(fā)射激光束。在本具體示例中，隨著金屬板材件在機(jī)器方向上移動而遇到的第一兩個(gè)激光束可以主要從金屬板材件的兩側(cè)表面24、26去除材料，而接下來兩個(gè)傾斜的激光束可以從邊緣28去除再固化的凸起(例如，圖25的部分114)或其他材料構(gòu)造部。邊緣區(qū)域20處所產(chǎn)生的燒蝕部共同構(gòu)成焊接凹口 30、30’。所示的過程可以有助于將完成焊接凹口 30、30’的金屬板材12直接進(jìn)給至下游過程，在下游過程中，金屬板材12可以沿著邊緣區(qū)域20切割、剪切和/或與其他金屬板材件接合。
[0072]可以與前述的實(shí)施方式中的任一個(gè)一同使用的一個(gè)潛在的特征涉及監(jiān)測過程條件和響應(yīng)于過程條件改變操作參數(shù)。本發(fā)明可以采用自動調(diào)節(jié)某些操作參數(shù)的閉環(huán)反饋特征，以負(fù)責(zé)監(jiān)測的過程條件中的變化或改變，或者可以利用某些操作參數(shù)以增量或其他方式改變的迭代過程，僅舉兩個(gè)可能性。例如，激光燒蝕過程可以被配置成監(jiān)測金屬板材件12的特征，諸如材料在燒蝕位置或激光光點(diǎn)104處的吸收率或反射率。當(dāng)吸收率或反射率以給定量改變或者偏離時(shí)，例如，當(dāng)激光束遇見新的材料層時(shí)，該方法可以調(diào)節(jié)激光器的操作參數(shù)，諸如脈沖頻率和/或脈沖寬度。在金屬板材件12的多種材料層每個(gè)都具有能夠由本方法調(diào)整的不同的最佳操作參數(shù)的情況下，這種動態(tài)方法可以很有用。例如，一定脈沖頻率和/或脈沖寬度可以比其用于去除中間材料層16或基礎(chǔ)材料層14更有效地去除涂覆材料層18。通過監(jiān)測過程條件和相應(yīng)地改變操作參數(shù)，本方法可能能夠檢測激光束12何時(shí)到達(dá)新的材料層，并且響應(yīng)于此實(shí)施用于該層的最佳操作參數(shù)。
[0073]如圖12、圖16、圖21和圖24所示，可以與前述的實(shí)施方式中的任一個(gè)一同使用的另一種潛在的技術(shù)涉及在激光燒蝕過程期間將金屬板材件布置在大致豎直定向上。因?yàn)樨Q直定向，重力能夠使燒蝕位置附近的任何熔融材料以期望的方向流動。例如，如果期望使熔融材料流動遠(yuǎn)離金屬板材件的邊緣28，則可以使用與參照附圖中相似的豎直取向，其中，金屬板材件的邊緣28是后續(xù)形成的焊接接頭可能進(jìn)行定位的位置。這減小了熔融涂覆材料朝著邊緣28流動并固化邊緣28的可能性，其中，這可能給沿著該邊緣的后續(xù)焊接過程帶來問題。然而，金屬板材件無需完美豎直。在一些情況下，可能足夠的是，將金屬板材件進(jìn)行定向，以使得從中去除材料的邊緣區(qū)域20被定位為比金屬板材件的剩余部分高。在焊接凹口一次僅在金屬板材件的一側(cè)上形成的情況下，金屬板材件12可進(jìn)行定向，以使得材料被去除的一側(cè)在激光燒蝕過程期間面朝下，以使得任何多余的熔融材料都從邊緣區(qū)域滴落或吹離。
[0074]有助于幫助防止熔融材料沿著待焊接的金屬板材件的邊緣28固化的另一種技術(shù)是在激光光點(diǎn)的位置或者燒蝕位置104處提供空氣或其他流體(例如，氮?dú)饣蚨栊詺怏w)的高速射流118 (參見圖16)，從而將熔融材料吹離該邊緣。在圖16中，空氣的射流118被定位為遠(yuǎn)離金屬板材件表面，以使得空氣在朝著邊緣28的方向上(在向下的y方向上)流動，以將熔融材料吹向金屬板材件的仍被涂覆的部分?？諝獾纳淞?18可以在激光運(yùn)動的方向上(在圖16的水平X方向上)沿著焊接凹口可選地或附加地進(jìn)行引導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)射流118沿著邊緣區(qū)域進(jìn)行指向以幫助防止熔融材料沿著金屬板材件的邊緣固化。獨(dú)立的射流可都在相同的方向或相對于彼此不同的方向上進(jìn)行指向。前述的技術(shù)中的一些也可以與布置在水平定向上的金屬板材件一同使用。
[0075]在使用激光束沿著金屬板材件的邊緣區(qū)域從金屬板材件去除一個(gè)或多個(gè)層的涂覆材料的另一示例性過程中，還包括金屬板材件的激光切割。激光切割采用通常為連續(xù)模式而非脈沖能量模式的相對高功率的激光來將一件金屬板材分離成兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立件。在激光切割過程中，激光束將足夠的能量傳遞至金屬板材件的期望的分離位置處以熔融和/或蒸發(fā)基礎(chǔ)材料層?？諝饣蚱渌黧w的高速射流可以跟隨激光束以將熔融材料從金屬板材件吹離，并且有效地將金屬板材件分離成具有新形成的邊緣和邊緣區(qū)域的兩個(gè)獨(dú)立金屬板材件。已發(fā)現(xiàn)該過程產(chǎn)生基本上沒有來自涂覆材料層和/或中間材料層的任何材料的邊緣(附圖中為元件28)和/或縱向拐角(例如，圖22和圖23中位于附圖標(biāo)記112處)。沿著在激光切割過程中產(chǎn)生的邊緣后續(xù)形成的焊接接頭有時(shí)表現(xiàn)出比沿著機(jī)械剪切邊緣形成的焊接接頭顯著改善的強(qiáng)度。由此，可將激光切割視為有助于防止不期望的成分包含在后續(xù)形成的附近焊接接頭的一種激光燒蝕過程形式，并且是在去除涂覆材料的一個(gè)或多個(gè)層的同時(shí)同步地將金屬板材切割成獨(dú)立的坯件或其他件的過程。
[0076]應(yīng)理解的是，以上描述不是對本發(fā)明的限定，而是對本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選的示例性實(shí)施方式的描述。本發(fā)明并不限于本文中公開的【具體實(shí)施方式】，而是僅由所附的權(quán)利要求書限定。此外，包含在前面的描述中的陳述涉及【具體實(shí)施方式】，并且除了在上面明確定義了術(shù)語或措辭的情況以外，不應(yīng)被解釋成對本發(fā)明的范圍或者權(quán)利要求中所使用的術(shù)語的限定上的約束。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，所公開的實(shí)施方式的各種其他實(shí)施方式和各種變型和修改將變得顯而易見。所有這種其他實(shí)施方式、變化和修改都旨在落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
[0077]如本說明書和權(quán)利要求書中所使用，術(shù)語“例如(for example) ”、“例如(e.g.，) ”、“例如(for instance) ”、“如(such as)”和“像(like) ” 以及動詞“包括(comprising)”、“具有(having) ”、“包含(including)”及它們的其他動詞形式中每個(gè)在與一個(gè)或多個(gè)部件或其他項(xiàng)目的列表結(jié)合使用時(shí)均應(yīng)被解釋為開放的，即，意味著該列表并不應(yīng)被視為排出其他、附加的部件或項(xiàng)目。其他術(shù)語應(yīng)被解釋成使用它們最寬泛的合理含義，除非它們用在要求不同解釋的上下文中。
【權(quán)利要求】
1.一種在焊接過程中使用的金屬板材件(12)，包括: 基礎(chǔ)材料層(14)； 涂覆材料層(18)； 中間材料層(16)，位于所述基礎(chǔ)材料層與所述涂覆材料層之間，并且包括具有來自所述基礎(chǔ)材料層和所述涂覆材料層中每個(gè)的至少一種成分的金屬間化合物；以及 邊緣區(qū)域(20)，沿著待焊接的所述金屬板材件的邊緣(28)進(jìn)行定位，并且包括至少部分地由焊接凹口表面(32、34)限定的焊接凹口(30)，其中所述焊接凹口表面包括來自所述涂覆材料層和所述中間材料層二者的材料。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬板材件,其中，所述焊接凹口(30)由彼此相交的第一凹口表面和第二凹口表面(32、34)限定，所述第一凹口表面(32)包括來自所述涂覆材料層(18)和所述中間材料層(16) 二者的材料，所述第二凹口表面(34)包括來自所述中間材料層(16)或所述基礎(chǔ)材料層(14)中的至少一個(gè)的材料，并且所述第一凹口表面和所述第二凹口表面沿著位于所述中間材料層或所述基礎(chǔ)材料層中的至少一個(gè)中的邊緣(36)彼此相交。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口(30)進(jìn)一步由第三焊接凹口表面(38)進(jìn)行限定，所述第三焊接凹口表面與所述第二焊接凹口表面(34)和所述金屬板材件(12)的所述邊緣(28) 二者相交，并且所述第三焊接凹口表面被布置在所述焊接凹口內(nèi)，以去除已向下污染所述金屬板材件的所述邊緣的、來自所述涂覆材料層(18)或所述中間材料層(16)中的至少一個(gè)的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口表面(32、34)與所述金屬板材件(12)的所述邊緣(28)相交，其中所述焊接凹口表面(32、34)包括來自所述涂覆材料層(18)和所述中間材料層(16) 二者的材料。
5.如權(quán)利要求4所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口(30)至少部分地由彎曲的、波紋狀焊接凹口表面(32)進(jìn)行限定，并且所述波紋狀焊接凹口表面包括來自所述涂覆材料層(18)和所述中間材料層(16) 二者的材料，并且與所述金屬板材件(12)的所述邊緣(28)相交。
6.如權(quán)利要求4所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口(30)至少部分地由平坦的、倒角狀焊接凹口表面(32、34)進(jìn)行限定，并且所述倒角狀焊接凹口表面包括來自所述涂覆材料層(18)和所述中間材料層(16) 二者的材料，并且與所述金屬板材件(12)的所述邊緣(28)相交。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口(30)具有深度(D)和寬度(W)，并且所述焊接凹口的所述深度在所述焊接凹口的整個(gè)所述寬度上變化，以使得所述焊接凹口的平均深度在朝著所述金屬板材件(12)的所述邊緣(28)最大。
8.如權(quán)利要求1所述的金屬板材件，其中，所述焊接凹口(30)沿著所述金屬板材件(12)的一側(cè)(24)進(jìn)行定位，并且所述邊緣區(qū)域(20)還包括沿著所述金屬板材件的相對側(cè)(26)進(jìn)行定位的附加的焊接凹口(30’)，以使得所述焊接凹口(30)和所述附加的焊接凹口(30’ )通過所述金屬板材件的厚度(T)總體上彼此相對。
9.一種在金屬板材件(12)中形成焊接凹口(30)的方法，包括以下步驟: (a)提供在邊緣區(qū)域(20)處具有多個(gè)材料層(14、16、18)的金屬板材件，并且所述多個(gè)材料層包括基礎(chǔ)材料層(14)、覆蓋所述基礎(chǔ)材料層的至少一部分的中間材料層(16)以及覆蓋所述中間材料層的至少一部分的涂覆材料層(18)； (b)將激光束(102)指向所述金屬板材件的所述邊緣區(qū)域；以及 (c)在所述金屬板材件的所述邊緣區(qū)域處用所述激光束從所述多個(gè)材料層中的至少一個(gè)去除材料以形成焊接凹口，其中，所述焊接凹口包括具有來自所述涂覆材料層和所述中間材料層二者的材料的焊接凹口表面(32、34)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中: 步驟(b)還包括根據(jù)非零入射角α將所述激光束(102)指向所述金屬板材件(12)的所述邊緣區(qū)域(20)，以使得所述激光束(102)照射所述金屬板材件的側(cè)表面(24)和邊緣表面(28)，以及 步驟(C)還包括使用單個(gè)激光束同時(shí)在所述金屬板材件的所述側(cè)表面和所述邊緣表面二者上從所述多個(gè)材料層(14、16、18)中的至少一個(gè)去除材料。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中: 步驟(b)還包括將第一激光束和第二激光束(102、102’)指向所述金屬板材件(12)的所述邊緣區(qū)域(20);以及 步驟(C)還包括在所述金屬板材件的所述邊緣區(qū)域處用所述第一激光束和所述第二激光束從所述多個(gè)材料層(14、16、18)中的至少一個(gè)去除材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)處于所述金屬板材件(12)的相對兩側(cè)(24、26)上，并且所述第一激光束和所述第二激光束分別在所述金屬板材件的相對兩側(cè)上形成第一焊接凹口和第二焊接凹口(30、30’)，以使得所述第一焊接凹口和所述第二焊接凹口通過所述金屬板材件的厚度(T)大致上彼此相對。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)處于所述金屬板材件(12)的同一側(cè)(24)上，并且在大致相同的位置處照射所述邊緣區(qū)域(20)，并且所述第一激光束和所述第二激光束彼此協(xié)作以形成公共的焊接凹口(30)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束(102)在所述金屬板材件(12)的所述邊緣區(qū)域(20)處從所述多個(gè)材料層(14、16、18)中的至少一個(gè)去除材料，并且同時(shí)形成凸起(114)，并且一旦所述凸起再固化或者部分再固化，所述第二激光束(102’ )則從所述凸起去除材料。
15.如權(quán)利要求11所述的方法,其中,所述第一激光束(102)在所述金屬板材件(12)的側(cè)表面(24)上從所述多個(gè)材料層(14、16、18)中的至少一個(gè)去除材料，并且所述第二激光束(102’)在所述金屬板材件的邊緣表面(28)上從所述多個(gè)材料層中的至少一個(gè)去除材料。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束(102)根據(jù)第一入射角α指向所述邊緣區(qū)域(20)，所述第二激光束(102’)根據(jù)第二入射角α ’指向所述邊緣區(qū)域，并且所述第一入射角α和所述第二入射角α ’彼此不同并且布置成從所述邊緣區(qū)域的不同部分去除材料。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一激光束和所述第二激光束(102、102’)照射所述金屬板材件(12)的所述邊緣區(qū)域(20)，并且在組合能量最大的復(fù)合激光光點(diǎn)(116)處至少部分地重疊，并且控制所述復(fù)合激光光點(diǎn)的位置來操縱所述邊緣區(qū)域處的激光能量分布。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，對所述復(fù)合激光光點(diǎn)(116)的所述位置進(jìn)行控制，以使得所述復(fù)合激光光點(diǎn)(116)的所述位置至少部分地覆蓋所述金屬板材件(12)的側(cè)表面(24)與邊緣表面(28)之間的縱向邊緣或拐角。
19.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括以下步驟: 在所述激光束(102)從所述多個(gè)材料層(14、16、18)中的至少一個(gè)去除材料的位置處提供空氣或其他流體的高速射流(118)，以使得熔融材料被吹離所述邊緣區(qū)域(20)。
【文檔編號】B23K26/40GK104334349SQ201380027064
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月25日
【發(fā)明者】詹姆士·J·伊萬蓋麗斯塔, 邁克爾·泰恩克, 詹森·E·哈夫特, 杰克·A·埃特克斯, 詹姆士·W·沃爾瑟, 安東尼·M·帕潤特 申請人:夏伊洛工業(yè)公司