专利名称：激光束焊接方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过向板的重叠区域施加激光束而将多个板的重叠区域焊接在一起的方法和设备，所述每个板都具有基底金属，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的金属。
背景技术：
日本专利申请No.3115456(在下文中称之为“现有技术1”)披露了一种已知的用于焊接两个相互重叠的板的激光束焊接工艺，所述每个板都具有基底金属，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的金属。
依照所披露的激光束焊接工艺，两个镀有锌的钢板，即，两个镀锌钢板彼此重叠，并且用它们不受约束的端部支撑，其中每个板都具有用作基底金属的钢板，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的锌。只有一个激光束施加于其上的镀锌钢板预先被从重叠钢板的焊接区域中心处朝向其受约束的区域位移了1mm到15mm的位置处的激光束熔化。受激光束照射的镀锌钢板的端部变形，在镀锌钢板之间产生间隙。之后，将重叠的镀锌钢板焊接在一起。
依照现有技术1，为了使得镀锌钢板的端部变形，施加激光束以熔化镀锌钢板，并且依据熔化表面的凝固和收缩，该镀锌钢板与另一个镀锌钢板相隔开。镀锌钢板的端部变形量随着使得镀锌钢板熔化的方法不同而变化。例如，即使镀锌钢板的熔化量增加，镀锌钢板的端部变形量也可减小。
具体地，如附
图15中所示的，激光束L被施加到厚度为t的镀锌钢板1上，为不同的样品检测以下数据激光束L在镀锌钢板1中所产生的熔池2的深度D、以及在离施加激光束L的位置的10mm的位置处的镀锌钢板1的变形量K。厚度t为0.7mm和2.0mm，激光束L在5m/min和2m/min的速度(加工速度)下移动。在各种激光输出设定值(w)下，获得了以下结果表1
从表1中可以看出，仅靠增加激光输出设定值以增加镀锌钢板的熔化量不能使镀锌钢板1如所期望的那样变形。因此，当焊接两个镀锌钢板1时没有良好地排出汽化的锌气，从而导致由于气孔等所造成的焊缝开裂。
依照现有技术1中所披露的传统激光束焊接工艺，必须以相互独立的方式施加第一激光束以使得一个镀锌钢板的端部变形以及施加第二激光束以焊接镀锌钢板的重叠区域。因此，整个激光束焊接工艺是相当复杂的并且生产率低。
为了用一个激光束连接三个或更多重叠板的端部，通常沿所述板相互重叠的方向施加激光束以焊接重叠板的端部。如果所要焊接的重叠板是厚的，那么需要施加大量热量以熔化所述板，从而产生大的热应变，所述大的热应变就不可能执行预期的激光束焊接工艺。
在日本未审定专利公开号No.7-16775(在下文中称之为“现有技术2”)和日本未审定专利公开号No.9-206969(在下文中称之为“现有技术3”)中披露了用于焊接重叠板的其他焊接工艺。
依照现有技术2，如附图16中所示的，在将被焊接的三个重量凸缘1a、2a和3a中，凸缘1a在重叠方向(即，凸缘1a、2a、3a相互重叠的方向)上的一端处与邻近于凸缘1a的凸缘2a被沿重叠方向所施加的高密度激光束所照射。所施加的高密度激光束使得凸缘1a、2a焊接在一起，其中沿重叠方向形成了横穿凸缘1a、2a的叠珠焊缝4a。
接着，沿垂直于重叠方向平行于凸缘2a、3a接触面的方向施加于其边缘的激光束使得凸缘2a、3a焊接在一起。在凸缘2a、3a中沿其接触面在垂直于重叠方向上形成了叠珠焊缝5a。
依照现有技术3，如附图17中所示的，包括外部板6a、内部板6b和加强板6c的三个板具有将被激光束焊接机7a焊接成接缝8a的重叠端部。激光束焊接机7a向接缝8a的边缘施加激光束同时激光束焊接机7a在接缝8a的边缘上沿Z形图案移动，从而加热接缝8a的边缘并形成Z形焊缝9a。
对于现有技术2，当三个凸缘1a、2a、3a将被焊接在一起时，沿重叠方向施加第一激光束以将凸缘1a、2a焊接在一起，并且沿垂直于重叠方向的方向施加第二激光束以将凸缘2a、3a焊接在一起。依照现有技术2的焊接工艺包含多个焊接步骤，并且由于三个板必须用沿不同方向施加的两个激光束照射，因此生产率低。
对于现有技术3，焊接系统在结构方面是复杂的，并且由于必须使得激光束焊接机7a沿Z形图案移动，因此焊接系统在结构上和控制方面也是复杂的，并且可能无法焊接具有不同厚度和材料的重叠板的接触面。
发明内容
本发明的总的目的是提供一种用于简便快捷地执行高质量激光束焊接工艺以提高生产率的方法和设备。
本发明的一个主要目的是提供一种用于通过简单的工艺和布置快捷容易地焊接三个或多个板的重叠边缘的方法和设备。
依照本发明，将被焊接的板的焊接区域由保持机构定位和保持，并且将第一激光束施加到靠近保持机构的一个板上以加热所述板并使得所述板与其他板以指定距离相隔开。将第二激光束施加到与第一激光束隔开的板的区域中，从而将板彼此焊接在一起。
将第一激光束所施加的热量、第一激光束的移动速度以及第一激光束的焦斑直径设定得可将所述第一激光束所照射的板保持在未熔化的状态。与熔化时板不同地变形的传统工艺不同，本发明防止板的变形量方面的变化。将被焊接的板可被良好地焊接，同时彼此以预期的距离相隔。
当焊接板时汽化的金属气，例如锌气通过板之间的间隙被良好地排出。因此，在不形成焊缝开裂的情况下通过激光束可精确高效地焊接板，从而提高生产率。
依照本发明，所要焊接的板的焊接区域由保持机构定位和保持，并且将第一激光束施加到靠近于保持机构的一个板上，并且同时使得第一激光束沿焊接方向移动以加热所述板并使得所述板与其他板以指定距离相隔开。将第二激光束施加到与第一激光束隔开的板的区域中，并使得第二激光束沿焊接方向与第一激光束同步地移动，从而将板彼此焊接在一起。
由于第一与第二激光束沿焊接方向相互同步地移动，因此所述板在激光束的一次移动行程中被彼此焊接在一起。因此，与单独地施加两次激光束的传统激光束焊接工艺不同，本发明可简便快捷地执行该激光束焊接工艺以有效地提高生产率。
而且，依照本发明，当所要焊接的板由保持机构定位和保持时，和板的接触表面所提供的两个或多个接触面的数量一样多的激光束被基本同时地施加于接触面。因此，可达到期望强度的板之间的两个或多个接触面可通过一次性施加激光束被同步地熔化。因此用简单的工艺和布置可高效快捷地焊接所述板，并且还避免了在板中产生热应变。
从以下结合附图所作出的描述中，将更明白本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中在附图中通过例证性示例的方法示出了本发明的优选实施例。
附图的简要说明图1是本发明第一实施例所涉及的执行激光束焊接方法的激光束焊接设备的侧视图，其中部分是截面图和部分是框图；图2是激光束焊接设备的线性移动装置和旋转装置的透视图；图3是局部透视图，示出了激光束焊接设备操作的方式；图4是图表，示出了在400W的激光输出和5m/min的移动速度下焊接0.7mm厚的钢板的焦斑直径与角度之间的关系；图5是图表，示出了在900W的激光输出和2m/min的移动速度下焊接2.0mm厚的钢板的焦斑直径与角度之间的关系；图6是图表，示出了焊接1.4mm厚的钢板的激光输出、移动速度与角度之间的关系；图7是本发明第二实施例所涉及的激光束焊接设备的侧视图，其中部分是框图；图8是本发明第三实施例所涉及的激光束焊接设备的侧视图；图9是本发明第四实施例所涉及的激光束焊接设备的侧视图，其中部分是截面图，部分是框图；图10是第四实施例所涉及的激光束焊接设备的线性移动装置和旋转装置的透视图；图11示出用第四实施例所涉及的激光束焊接设备改变光束比的工艺的视图；图12示出用第四实施例所涉及的激光束焊接设备旋转激光束的工艺的视图；图13是本发明第五实施例所涉及的激光束焊接设备的局部横截面的侧视图；图14是本发明第六实施例所涉及的激光束焊接设备的侧视图，其中部分是框图；图15示出现有技术1所涉及的激光束焊接工艺的视图；图16示出现有技术2所涉及的激光束焊接工艺的视图；图17示出现有技术3所涉及的激光束焊接工艺的视图。
实现本发明的最佳模式图1以侧视图、部分截面图和框图的形式示出了本发明第一实施例所涉及的执行激光束焊接方法的激光束焊接设备10。
激光束焊接设备10不局限于一种特定用法，而是可用于焊接镀锌钢板W1、W2(诸如机动车顶板)。
激光束焊接设备10包括保持机构12、激光束施加机构14、机械臂(移动机构)16以及控制机构18，其中所述保持机构12用于定位和保持钢板W1、W2的焊接区域，所述激光束施加机构14用于将第一激光束L1施加到保持机构12附近的钢板W1的加热区域P1以加热加热区域P1以及将第二激光束L2施加到与第一激光束L1相隔给定距离的焊接区域P2，从而将钢板W1、W2焊接在一起，所述机械臂16用于使得第一和第二激光束L1、L2沿焊接方向彼此同步地移动，所述控制机构18用于控制由第一和第二激光束L1、L2所施加的热量。
工件位置校准机构20的托架22被固定于机械臂16上。机构20运转以校准工件的位置以及使机械臂16返回到原始位置中。托架22具有上部水平板24和侧部竖直板26，所述侧部竖直板26从上部水平板24处以基本与之垂直的方式向下伸出。第一驱动器28(诸如空气汽缸等)被安装于上部水平板24的上表面上。以可滑动的方式支撑移动元件32的导向构件30被附于侧部竖直板26的内侧表面26a上。
移动元件32的一侧被导向构件30以可滑动的方式支撑。移动元件32具有通过螺母36紧固于第一驱动器28的杆34的上端和包含朝向机械臂16突出的整体弯曲部分38的下端。第一驱动器28可使得移动元件32沿侧部竖直板26的纵向方向(即，图1中的竖直方向)往复移动，同时移动元件32由导向构件30引导。
通过螺母40旋拧于弯曲部分38上表面中的螺钉42以调节激光束施加机构14的行程长度。可通过增加或减小螺钉42旋拧于弯曲部分38上表面中的距离而调节激光束施加机构14的行程长度。弹性元件44以与螺钉42竖直对齐的方式被安装于侧部竖直板26的下表面上。当螺钉42碰到弹性元件44时，弹性元件44用作止动器和减震器。
基板46被固定地安装于移动元件32远离机械臂16的一侧上。用于施加第一和第二激光束L1、L2的激光束施加机构14被附于基板46。
激光束施加机构14具有固定于基板46的壳体48。用于从激光振荡器50中将激光束L引入到壳体48中的光导纤维52与壳体48的上端相连接。壳体48中容纳有准直透镜54和聚光透镜56，所述准直透镜54和聚光透镜56被布置于从光导纤维52的下端发射出的激光束L的光轴O上。准直透镜54沿箭头A所指示的方向在上方与聚光透镜56相隔。棱镜58以可移动的方式被布置于准直透镜54和聚光透镜56之间，并且线性移动装置60可使得棱镜58线形移动以及旋转装置62可使得棱镜58旋转。
如图1和图2中所示的，线性移动装置60包括固定于旋转元件64的第二驱动器66(诸如汽缸等)。第二驱动器66具有朝向光轴O水平地突出的杆68。棱镜58被固定于杆68的尖端。轴承69将旋转元件64以可旋转的方式支撑在壳体48上。棱镜58用于将激光束L分成第一和第二激光束L1、L2。线性移动装置60用于调节第一和第二激光束L1、L2的输出比。
旋转装置62包括第三驱动器70(诸如旋转式驱动器等)，所述第三驱动器70具有主动齿轮74安装于其上的可旋转轴72。主动齿轮74被控制得与安装于旋转元件64上的环形从动齿轮76相啮合。旋转装置62用于调节第一激光束L1所照射的位置，以便因此调节第一和第二激光束L1、L2的相对位置(角位置)。
如图1中所示的，激光束施加机构14用具有较小输出的第一激光束L1和具有足以大得可穿透钢板W1的输出的第二激光束L2照射钢板W1。第一激光束L1用于加热钢板W1的表面。如图3中所示的，当钢板W1的一个区域被第一激光束L1加热时，加热区域向上塑性变形，在钢板W1、W2之间形成间隙H。
第二激光束L2被施加到已加热的钢板W1的焊接区域P2上以便于将钢板W1、W2之间所形成的间隙H保持在焊接区域P2中，并且第二激光束L2还用于将钢板W1、W2焊接在一起。当钢板W1、W2被焊接在一起时，从钢板W1、W2中汽化的镀锌气体通过间隙H被排出到大气中。
导向构件86具有斜向下延伸的整体板状支架84。导向构件86的一端被固定于移动元件32的弯曲部分38的下表面82上。用于保持钢板W1、W2的保持机构12被支撑于导向构件86的另一端上。
保持机构12包括安装于附于导向构件86的另一端的基板88上的托架90和以可旋转的方式由轴92a支撑于托架90的辊92。保持机构12可使用保持夹具而不是辊92来沿焊接方向固定钢板W1、W2。
控制机构18具有驱动器控制器94和自动装置控制器96。驱动器控制器94控制第一、第二和第三驱动器28、66、70，自动装置控制器96控制具有机械臂16的自动装置(未示出)。控制机构18还控制激光振荡器50。
下面将描述如此构成的激光束焊接设备10的操作。
首先，确定由第一激光束L1作为成型激光束从激光束施加机构14向钢板W1所施加的热量、第一激光束L1的移动速度、以及第一激光束L1的焦斑半径。如图3中所示的，为了将第一激光束L1所照射的钢板W1的加热区域P1保持在未熔化状态，并且将焊接区域P2与钢板W1的加热区域P1隔开例如3mm的距离而选择这些状态，并且当向钢板W1施加第一激光束L1时，将钢板W1、W2之间的间隙H设定为60μm(即，1°的角度)。
进行这样一个试验，其中钢板W1具有0.7mm的厚度、第一激光束L1具有400W的输出、并且第一激光束L1在5m/min的速度下移动，并且检测第一激光束L1的焦斑半径和钢板W1变形的角度。图4示出了该试验的结果。用于获得期望间隙H和保持钢板W1未熔化的第一激光束L1的焦斑半径为1.6mm和2.0mm。
进行另一个试验，其中钢板W1具有2.0mm的厚度、第一激光束L1具有900W的输出、并且第一激光束L1在2m/min的速度下移动，并且检测第一激光束L1的焦斑半径。图5示出了该试验的结果。当第一激光束L1的焦斑半径为3.6mm时获得了期望间隙H并且保持钢板W1不熔化。
图6示出了这样的角度，即为了使得钢板W1的变形最大化，在焦斑直径(具有该焦斑直径的钢板W1的表面保持未熔化)下钢板W1相对于激光束输出和移动速度的变形角度，所述钢板W1的厚度为1.4mm。
当在3m/min的加工速度(移动速度)下焊接每个厚度都为1.4mm的钢板W1、W2时，第一激光束L1所照射的焊接区域P2中的期望间隙H(60μm)可靠地将钢板W1、W2彼此隔开，其中第一激光束L1的焦斑直径约为2mm。因此，第二激光束L2可焊接钢板W1、W2以产生高质量接缝。
如果增加了加工速度，那么就要求作为成型激光束的第一激光束L1具有与加工速度成比例的更高的输出。例如，如果将在例如5m/min的加工速度下焊接钢板W1、W2的话，那么第一激光束L1的输出可设定为约700W。
如果被焊接的每个钢板W1、W2都具有未镀锌的一侧的话，由于钢板W1的变形量减小了，因此作为成型激光束的第一激光束L1可具有减小的输出。钢板W1的厚度与作为成型激光束的第一激光束L1的输出彼此成比例。例如，如果钢板W1的厚度为0.7mm的话，那么用输出为600W的激光束所实现的厚度为1.4mm的钢板W1的变形量就可通过施加输出为300W的激光束L1而获得。
下面将描述用已如上述确定了其状态的激光束焊接设备10焊接钢板W1、W2的工艺。
如图1中所示的，细长形状的镀锌钢板W1、W2被保持机构12定位和保持，同时镀锌钢板W1、W2各自具有相互重叠的部分。具体地，操作第一驱动器28以降低移动元件32，使得保持机构12的辊92挤压钢板W1、W2。
驱动机械臂16以便于沿图3中的箭头X所指示的方向向前移动保持机构12。此时，控制机构18激励激光振荡器50以发射激光束L，所述激光束L通过光导纤维52被引入到激光束施加机构14中。
在激光束施加机构14中，当激光束L穿过准直透镜54到达聚光透镜56时，被棱镜58分成第一和第二激光束L1、L2(见图1)。第一激光束L1被施加到上部钢板W1的加热区域P1，辊92将所述上部钢板W1保持在下部钢板W2上。
由第一激光束L1照射的钢板W1的加热区域P1被加热，并且沿第一激光束L1的移动方向(即，沿箭头X所指示的方向)在未熔化状态中向上地弹性变形。因此，在钢板W1、W2之间形成间隙H(见图3)。
第二激光束L2被施加到钢板W1的沿与箭头X所指示的方向相反的方向上与加热区域P1相隔距离S1并且沿远离辊92的方向(即，沿箭头Y所指示的方向)与加热区域P1相隔距离S2的位置(焊接区域P2)处。将每个距离S1、S2都设定为0.5mm到20mm范围内的数值。
沿焊接区域P2将钢板W1、W2焊接在一起，并且镀在钢板W1、W2上的金属(锌)被汽化为通过间隙H被排出到大气中的气态。从而，将钢板W1、W2可靠牢固地焊接在一起。
在将钢板W1、W2焊接在一起后，操纵第一驱动器28以提升移动元件32。钢板W1、W2从保持机构12中被解除出来并被输送到将其加工为最终产品的下一工序。
在上述第一实施例中，将第一激光束L1所施加的热量、其移动速度以及焦斑直径选择为可将所述第一激光束所照射的钢板W1保持在未熔化的状态以形成钢板W1。
与其中钢板W1的加热区域P1熔化的传统焊接工艺不同，本发明的钢板W1不会随着熔化它的方法而不同地变形，而总是通过期望的角度成型或变形以保持钢板W1、W2之间的期望间隙H。钢板W1没有诸如不期望的(如果熔化的话将强加于其上的)应力的缺点。
激光束焊接设备10能够容易地焊接具有不同厚度的钢板W1。当焊接钢板W1、W2时汽化的锌气通过间隙H可靠地被排出到大气中，从而，使得钢板W1、W2更好地牢固地焊接在一起。因此激光束焊接设备10能够简便可靠地执行高质量的激光束焊接工艺以有效地提高生产率。
在第一实施例中，较小输出的第一激光束L1沿箭头X所指示的方向移动同时被施加到上部钢板W1的加热区域P1，并使得上部钢板W1的加热区域P1塑性变形以在钢板W1、W2之间产生间隙H。第二激光束L2被施加到与第一激光束L1相隔给定距离的焊接区域P2，并且沿箭头X所指示的方向与第一激光束L1同步地移动，从而沿加热区域P2将钢板W1、W2焊接在一起。
如上所述，第一和第二激光束L1、L2是从激光束施加机构14中发射出来的，并且机械臂16使得激光束施加机构14沿着箭头X所指示的方向移动以便于使得第一和第二激光束L1、L2相互同步地沿着箭头X所指示的方向移动。因此，当使得激光束施加机构14沿着箭头X所指示的方向移动时，在钢板W1、W2之间就产生了间隙H，并且锌气通过该间隙H排出，从而使得钢板W1、W2被可靠地焊接在一起。
因此与先用第一激光束L1然后再用第二激光束L2单独照射钢板W1、W2的传统激光束焊接工艺不同，激光束焊接设备10能够在一个移动中执行激光束焊接工艺。因此，在第一实施例中，能够简便快捷地焊接钢板W1、W2以有效地增加生产力。
如图3中所示的，第二激光束L2与第一激光束L1在下游沿焊接方向(与箭头X所指示的方向相反)相隔距离S1并且沿远离保持机构12的方向(即，沿箭头Y所指示的方向)相隔距离S2。将每个距离S1、S2都设定为0.5mm到20mm范围内的数值。在将间隙H精确地保持在钢板W1、W2之间时，将钢板W1、W2焊接在一起，并且来自于钢板W1、W2中的锌气被可靠地排出，使得钢板W1、W2被更好地牢固地焊接在一起。
保持机构12具有用于将钢板W1压在钢板W2上的辊92。钢板W1、W2可为平板或各种其他的成型板(诸如压制板材)，它们可由保持机构12牢固地保持在位置中。由于无需保持所述成型板的端部，因此激光束焊接设备10具有广泛的应用范围。
保持机构12的辊92旋转同时挤压钢板W1。保持机构12能够通过简单的布置可靠地定位和保持钢板W1、W2。当将钢板W1、W2焊接在一起时，辊92经受焊接钢板W1、W2时所产生的热量。因此，应最好用冷却机构(未示出)不断地冷却辊92。
在第一实施例中，第一和第二激光束L1、L2的输出比，即，所施加的热量可由控制机构18控制，并且可容易地改变第一和第二激光束L1、L2的相对位置。
具体地，操纵线性移动装置60的第二驱动器66以沿图1中箭头B所指示的方向在位置上调节棱镜58，从而改变由激光束L所分成的第一和第二激光束L1、L2的输出比，以便于容易地调节第一和第二激光束L1、L2所施加的热量。
当操纵旋转装置62的第三驱动器70以旋转主动齿轮74时，与主动齿轮74啮合的从动齿轮76旋转，从而使得旋转元件64调节棱镜58的角位置(见图2)。因此，改变了第一和第二激光束L1、L2的相对位置以便于将第一和第二激光束L1、L2施加到各自期望的位置。
图7以侧视图、部分框图的形式示出了本发明第二实施例所涉及的激光束焊接设备100。与第一实施例的激光束焊接设备10的零件相同的激光束焊接设备100的那些零件用相同的附图标记表示，并且下面将不再对其进行详细的描述。
激光束焊接设备100具有用于分别独立地施加第一和第二激光束L1、L2的第一和第二激光束头(激光束施加机构)102、104。第一和第二激光束头102、104以整体的方式被固定于基板46。
每个第一和第二激光束头102、104都具有容纳于其壳体中的准直透镜和聚光透镜(未示出)。第一和第二激光束头102、104使得通过各个光导纤维106、108输送的各个第一和第二激光束L1、L2在给定的焦距长度处聚焦并将聚焦的第一和第二激光束L1、L2施加到钢板W1、W2。沿焊接方向将第二激光束头104偏斜地布置于第一激光束头102的后面。因此第一和第二激光束头102、104被布置为双射束施加结构。
在第二实施例中，当钢板W1、W2被保持机构12保持时，第一激光束头102将第一激光束L1施加到钢板W1的加热区域P1，将钢板W1加热为未熔化状态并使得钢板W1塑性变形，从而在钢板W1、W2之间产生间隙H。
第二激光束头104向钢板W1、W2的焊接区域P2发射并施加第二激光束L2。机械臂16沿焊接方向以相互一致的方式移动第一和第二激光束头102、104。汽化的锌气通过钢板W1、W2之间的间隙H被排出，所述钢板W1、W2在焊接区域P2处被可靠地牢固地焊接在一起。
因此在第二实施例中，激光束焊接设备100能够简便快捷地执行激光束焊接工艺以有效地提高生产率，并具有与第一实施例的激光束焊接设备10相同的优点。
图8以侧视图的方式示出了本发明第三实施例所涉及的激光束焊接设备120a、120b。与第二实施例的激光束焊接设备100的零件相同的激光束焊接设备120a、120b的那些零件用相同的附图标记表示，并且下面将不再对其进行详细的描述。
激光束焊接设备120a具有安装于第一机械臂16a上的第一激光束头102，而激光束焊接设备120b具有安装于第二机械臂16b上的第二激光束头104。
激光束焊接设备120a被布置于钢板W1的侧部上，并将第一激光束L1施加到钢板W1的加热区域P1以将加热区域P1加热为未熔化状态。激光束焊接设备120b被布置于钢板W2的侧部上，并从钢板W2的侧部将第二激光束L2施加到焊接区域P2从而将钢板W1、W2焊接在一起。
因此，在第三实施例中，当控制第一和第二机械臂16a、16b以使它们同步操作时，激光束焊接设备120a、120b具有与第一和第二实施例的激光束焊接设备10、100相同的优点。
图9以侧视图、部分截面图和框图的方式示出了本发明第四实施例所涉及的激光束焊接设备210。
激光束焊接设备210包括保持机构212、激光束施加机构218、热量控制机构220，以及施加位置控制机构222，其中所述保持机构212用于定位和保持三个工件(诸如金属板)W1a、W2a、W3a的焊接区域，所述激光束施加机构218用于基本同步地将与工件W1a、W2a、W3a的接触表面所提供的接触面214、216的数量一样多的第一和第二激光束L1a、L2a施加于接触面214、216，所述热量控制机构220用于根据工件W1a、W2a、W3a的材料和/或厚度控制由第一和第二激光束L1a、L2a所施加的热量，所述施加位置控制机构222用于根据工件W1a、W2a、W3a的材料和/或厚度控制第一和第二激光束L1a、L2a所施加的位置(在下文中称之为“施加位置”)。
激光束焊接设备210被安装于机械臂224上，其中平衡机构226的托架228固定于机械臂224上。基本为L形的托架228将第一基底230支撑于其上表面上。导杆232被固定于第一基底230并在第一基底230的相对端之间水平地延伸。导杆232将可移动框架234的管236支撑于其上，并且导杆232周围布置的弹簧238a、238b被保持得对着管236的各个相对端以将管236保持在导杆232上的指定位置中。
保持机构212具有被支撑于可移动框架234上的固定辊240和沿箭头X所指示的方向可朝向及远离可移动框架234移动的可移动辊242。固定辊240被可旋转地安装于从可移动框架234的远端向下弯曲的附加装置244上，并且与工件W1a(可为机动车体外部板)接合。
可移动辊242由附加装置250固定于杆248，所述杆248从第一驱动器246(诸如汽缸等等)沿箭头X所指示的方向延伸。第一驱动器246被安装于可移动框架234上。可移动辊242被可旋转地安装于附加装置250上并且与工件W3a相接合，所述工件W3a与固定辊240呈相面对的关系。
第二基底252被固定地安装于可移动框架234上。施加位置控制机构222包括安装于第二基底252一端上的第二驱动器254(诸如马达等等)。第二驱动器254具有同轴地连接于滚珠螺杆256的主动轴，所述滚珠螺杆256被可旋转地支撑于第二基底252上并穿过移动元件258。激光束施加机构218具有牢固地安装于移动元件258上的壳体260。
用于从激光振荡器262中将激光束La引入到壳体260中的光导纤维264与壳体260的一端相连接。壳体260中容纳有准直透镜266、弯曲镜268和聚光透镜270，所述准直透镜266、弯曲镜268和聚光透镜270被布置于从光导纤维264的端部发射出的激光束La的光轴O上。棱镜272以可移动的方式被布置于准直透镜266和弯曲镜268之间，并且热量控制机构220和施加位置控制机构222可使得棱镜272线性移动和有角度地移动。
如图9和图10中所示的，热量控制机构220具有固定于旋转元件274的第三驱动器276。棱镜272被固定于从第三驱动器276处朝向光轴0突出的杆278的远端。轴承279将旋转元件274以可旋转的方式支撑在壳体260上。棱镜272用于将激光束L分成第一和第二激光束L1a、L2a。热量控制机构220用于调节第一和第二激光束L1a、L2a的输出比。
施加位置控制机构222具有第四驱动器280(诸如马达等)，所述第四驱动器280具有主动齿轮284安装于其上的可旋转轴282。主动齿轮284被控制得与安装于旋转元件274上的环形从动齿轮286相啮合。施加位置控制机构222用于用第四驱动器280调节第一和第二激光束L1a、L2a的相对位置(角位置)，并还适用于用第二驱动器254改变工件W1a的厚度。
如图9中所示的，激光束焊接设备210由具有驱动器控制器292和自动装置控制器294的控制机构290控制。驱动器控制器292控制第一、第二、第三和第四驱动器246、254、276、280，自动装置控制器294控制具有机械臂224的自动装置(未示出)。控制机构290还控制激光振荡器262。
下面将描述如此构成的激光束焊接设备210的操作。
首先，如图1中所示的，工件W1a、W2a、W3a被保持机构212定位和保持，同时工件W1a、W2a、W3a各自具有相互重叠的部分。具体地，自动装置控制器294使得机械臂224移动，使得保持机构212的固定辊240抵靠在工件W1a上。
接着，操纵第一驱动器246以沿箭头X所指示的方向使杆248移动。可移动辊242沿箭头X1所指示的方向与固定于杆248上的附加装置250一致地移动，与工件W3a相接合。现在工件W1a、W2a、W3a的重叠端部被固定辊240和可移动辊242定位和保持。
控制机构290激励激光振荡器262以发射激光束La，所述激光束La通过光导纤维264被引入到激光束施加机构218中。
在激光束施加机构218中，当激光束La穿过准直透镜266到达聚光透镜270时，被棱镜272分成第一和第二激光束L1a、L2a。
弯曲镜268将第一和第二激光束L1a、L2a反射并向下弯曲约90°。接着，第一和第二激光束L1a、L2a通过聚光透镜270被施加到工件W1a、W2a、W3a的重叠端部。第一激光束L1a用作核心射束，被施加到工件W1a、W2a之间的接触面214以焊接该接触面214。第二激光束L2a用作旋转射束，被施加到工件W2a、W3a之间的接触面216以焊接该接触面216。
接着，使机械臂224沿焊接方向在工件W1a、W2a、W3a上移动。当固定辊240和可移动辊242定位和保持工件W1a、W2a、W3a的重叠端部时，激光束施加机构218将第一和第二激光束L1a、L2a施加到接触面214、216以焊接该接触面214、216。
在第四实施例中，在工件W1a、W2a、W3a的重叠端部中存在两个接触面214、216，并且与接触面214、216的数量一样多的第一和第二激光束L1a、L2a被基本同步地施加于接触面214、216以便于将工件W1a、W2a、W3a焊接在一起。
因此，当激光振荡器262发射激光束La时，所发射的激光束La被分成第一和第二激光束L1a、L2a以同步地熔化工件W1a、W2a、W3a之间的接触面214、216，这有助于达到期望强度。因此，与单独地向接触面214、216施加第一和第二激光束L1a、L2a的传统焊接工艺不同，本发明可高效快捷地用更简单的工艺和设备焊接工件W1a、W2a、W3a。
在重叠方向上没有向工件W1a、W2a、W3a施加激光束，而是在垂直于重叠方向的方向上将第一和第二激光束L1a、L2a施加到工件W1a、W2a、W3a之间的接触面214、216。因此，由于不需要大量的热量(可能在沿重叠方向焊接重叠的厚度板时需要)，从而可防止在工件W1a、W2a、W3a中出现热应变。
由平衡机构226将激光束施加机构218支撑在机械臂224上。使得固定辊240沿焊接方向移动以允许通过平衡机构226使得工件W1a定位。因此，固定辊240的位置相对于接触面214保持恒定，这允许作为核心射束的第一激光束L1a总是被准确地施加到接触面214以可靠地执行焊接工艺。
在第四实施例中，当改变工件W1a、W2a、W3a的厚度和材料时，操纵热量控制机构220和/或施加位置控制机构222以适应所述变化。下面将描述改变工件W1a、W2a、W3a的厚度时热量控制机构220和施加位置控制机构222的操作。工件W1a、W2a、W3a材料方面的变化可通过调节第一和第二激光束L1a、L2a的输出比而处理，下面将不再对其详细描述。
如图11中所示的，如果工件W2a、W3a比工件W1a厚的话，那么用于较厚工件的第二激光束L2a的光束比必须高于用于较薄工件的第一激光束L1a的光束比。
操纵热量控制机构220的第三驱动器276以沿图9中箭头Y所指示的方向在位置上调节棱镜272。改变由激光束La分成的第一和第二激光束L1a、L2a的输出比以容易可靠地连接工件W1a、W2a、W3a，从而获得期望的强度。
如图12中所示的，如果中间工件W2a较薄的话，那么可减小第一和第二激光束L1a、L2a之间的距离。然而，第一和第二激光束L1a、L2a所产生的熔化区域可能彼此连接，从而可能无法如所期望的那样熔化接触面214、216。
依照本发明，当操纵施加位置控制机构222的第四驱动器280以旋转主动齿轮284时，引起与主动齿轮284啮合的从动齿轮286旋转，从而使得旋转元件274旋转以调节棱镜272的角位置(见图10)。
因此，如图12中所示的，第二激光束L2a沿围绕第一激光束L1a的箭头所指示的方向旋转，并且被可靠地施加于接触面216。由于第二激光束L2a旋转同时第一和第二激光束L1a、L2a之间的距离保持恒定，第一和第二激光束L1a、L2a所产生的熔化区域彼此独立，从而可如所期望的那样熔化接触面214、216。因此可牢固地焊接接触面214、216。
当外部工件W1a的厚度改变时，操纵施加位置控制机构222的第二驱动器254以旋转滚珠螺杆256，从而沿箭头X所指示的方向移动移动元件258。调节固定辊240与光轴O之间的距离以便于准确可靠地将第一激光束L1a施加到工件W1a、W2a之间的接触面214。
在激光束施加机构218中，棱镜272与光轴O相隔从而将一个激光束La施加到两个工件(未示出)之间的接触面。因此，施加到工件接触面的一个激光束La可将两个工件光滑地焊接在一起。
在第四实施例中，第二驱动器254用于沿箭头X所指示的方向在位置上调整第一和第二激光束L1a、L2a。然而，可不使用第二驱动器254，而是将弯曲镜268布置得可有角度地调整。
图13以侧视图、部分截面图的方式示出了本发明第五实施例所涉及的激光束焊接设备300。与第四实施例的激光束焊接设备210的零件相同的激光束焊接设备300的那些零件用相同的附图标记表示，并且下面将不再对其进行详细的描述。
激光束焊接设备300具有激光束施加机构308，所述激光束施加机构308用于基本同步地将与四个工件W1a、W2a、W3a、W4a的接触表面所提供的接触面302、304、306的数量一样多的第一到第三激光束L1a、L2a、L3a施加于接触面302、304、306。
激光束焊接设备300具有其中容纳有布置于准直透镜266与聚光透镜270之间的一对棱镜272a、272b的壳体310。各个热量控制机构220a、220b可使得棱镜272a、272b朝向和远离激光束La的光轴O移动，施加位置控制机构222可使得棱镜272a、272b有角度地移动。
热量控制机构220a、220b具有各自的第三驱动器276a、276b，所述第三驱动器276a、276b具有棱镜272a、272b分别固定于其上的各个杆278a、278b。激光束施加机构308为直头形状的。
在激光束施加机构308中，当激光束La穿过准直透镜266到达聚光透镜270时，被棱镜272a、272b分成第一、第二和第三激光束L1a、L2a、L3a。第一激光束L1a用作核心射束，并被施加到工件W2a、W3a之间的接触面304。第二和第三激光束L2a、L3a用作旋转射束，并被施加到工件W1a、W2a之间的接触面302与工件W3a、W4a之间的接触面306。
由于第一、第二和第三激光束L1a、L2a、L3a被基本同步地施加于三个接触面302、304、306，因此激光束焊接设备300能够简便快捷地焊接工件W1a到W4a，并具有与第四实施例的激光束焊接设备210相同的优点。
虽然在第五实施例中使用了直头形状的激光束施加机构308，但是可将激光束施加机构308布置为与第四实施例的激光束施加机构218一样的具有弯曲镜268的弯曲头的激光束施加机构。与之相反，第四实施例所涉及的激光束施加机构218也可为不使用弯曲镜268的直头形状的。
图14以侧视图、部分截面图的方式示出了本发明第六实施例所涉及的激光束焊接设备320。与第四实施例的激光束焊接设备210的零件相同的激光束焊接设备320的那些零件用相同的附图标记表示，并且下面将不再对其进行详细的描述。
激光束焊接设备320具有分别用于独立地施加第一和第二激光束L1a、L2a的第一和第二激光束头(激光束施加机构)322、324。第一和第二激光束头(激光束施加机构)322、324被整体地固定于移动元件258。
每个第一和第二激光束头322、324都具有容纳于其壳体中的准直透镜和聚光透镜(未示出)。第一和第二激光束头322、324使得通过各个光导纤维326、328输送的各个第一和第二激光束L1a、L2a在给定的焦距处聚焦并将聚焦的第一和第二激光束L1a、L2a施加到工件W1a、W2a、W3a之间的接触面214、216。
第六实施例中的激光束焊接设备320能够简便快捷地执行激光束焊接工艺以便有效地提高生产率，并具有与第四和第五实施例的激光束焊接设备210、300相同的优点。
工业实用性根据本发明，将第一激光束所施加的热量、第一激光束的移动速度以及第一激光束的焦斑直径设定为可将待焊接的板相互隔开给定距离，并且将所述第一激光束所照射的板保持在未熔化的状态。与其中当熔化时板不同地变形的传统工艺不同，本发明防止板的变形量方面的变化。被焊接的板可被良好地焊接同时彼此以预期的距离相隔。变形板没有诸如不期望的(如果熔化的话将强加于其上的)应力的缺点。
当焊接板时汽化的金属气(例如锌气)通过板之间的间隙被良好地排出。因此，在不形成焊缝开裂的情况下通过激光束可精确高效地焊接板以提高生产率。
依照本发明，由于用于以给定距离将板相互隔开的第一激光束与用于将板焊接在一起的第二激光束沿焊接方向相互同步地移动，因此所述板在激光束的一次移动行程中被焊接在一起。因此，与其中单独地施加两次激光束的传统激光束焊接工艺不同，本发明可简便快捷地执行该激光束焊接工艺以有效地提高生产率。
而且，依照本发明，和板的接触表面所提供的两个或多个接触面的数量一样多的激光束被基本同步地施加于接触面。因此，达到期望强度的板之间的两个或多个接触面可被同步地熔化。因此用简单的工艺和布置可高效快捷地焊接所述板，并且还避免了在板中产生热应变。
根据板的材料和/或厚度而改变两个或多个激光束所施加的热量。因此，可根据其材料和/或厚度以平衡的方式熔化所述板，因此可将板可靠地焊接在一起。
根据板的材料和/或厚度而改变两个或多个激光束所施加的位置。因此，激光束焊接设备能够容易地处理板的材料和/或厚度方面的变化，并且能够可靠地将各种不同的板焊接在一起。
尽管已示出并详细地描述了本发明的某些优选实施例，但是应该理解的是，在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下可进行各种改变和修正。
权利要求
1.一种用于通过向板(W1、W2)的重叠区域施加激光束而将多个板的重叠区域彼此焊接在一起的方法，所述每个板都具有基底金属，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的金属，所述方法包括以下步骤用保持机构(12)定位和保持板(W1、W2)的焊接区域(P2)，并且将第一激光束(L1)施加到保持机构(12)附近的板(W1、W2)以加热板(W1、W2)，从而使得板(W1、W2)彼此相隔给定距离；将第二激光束(L2)施加到与所述第一激光束(L1)相隔给定距离的板(W1、W2)的一个区域，从而将板(W1、W2)焊接在一起；以及将第一激光束(L1)所施加的热量、第一激光束(L1)的移动速度以及第一激光束(L1)的焦斑直径设定为可将所述第一激光束(L1)所照射的板(W1)保持在未熔化的状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持机构(12)挤压板(W1、W2)的重叠区域，从而定位板(W1、W2)的焊接区域(P2)。
3.一种用于通过向板(W1、W2)的重叠区域施加激光束而将多个板的重叠区域彼此焊接在一起的方法，所述每个板都具有基底金属，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的金属，所述方法包括以下步骤用保持机构(12)定位和保持板(W1、W2)的焊接区域(P2)，并且将第一激光束(L1)施加到保持机构(12)附近的板(W1、W2)以加热板(W1、W2)，并且同时沿焊接方向移动第一激光束(L1)，从而使得板(W1、W2)彼此相隔给定距离；以及将第二激光束(L2)施加到与所述第一激光束(L1)相隔给定距离的板(W1、W2)的一个区域，并且同时以与第一激光束(L1)同步的方式沿所述焊接方向移动所述第二激光束(L2)，从而将板(W1、W2)彼此焊接在一起。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二激光束(L2)沿所述焊接方向至少在下游与第一激光束(L1)相隔所述指定距离，所述指定距离为0.5mm到20mm的范围内。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保持机构(12)挤压靠近其焊接区域的板(W1、W2)，从而定位板(W1、W2)的焊接区域(P2)。
6.一种通过向其施加激光束而焊接至少三个板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部的方法，所述方法包括以下步骤用保持机构(12)定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)，并且将与板(W1a、W2a、W3a)接触表面所提供的至少两个接触面(214、216)的数量一样的激光束(L1a、L2a)基本同时地施加到接触面(214、216)，从而将板(W1a、W2a、W3a)焊接在一起。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度而改变所述激光束(L1a、L2a)所施加的热量。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度而改变所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
9.一种用于通过向板(W1、W2)的重叠区域施加激光束而将多个板的重叠区域焊接在一起的设备，所述每个板都具有基底金属，所述基底金属覆有一层其熔点低于所述基底金属熔点的金属，所述设备包括保持机构(12)，用于定位和保持板(W1、W2)彼此的焊接区域(P2)；激光束施加机构(14)，用于将第一激光束(L1)施加到保持机构(12)附近的板(W1、W2)以加热所述板(W1、W2)，以及将第二激光束(L2)施加到与第一激光束(L1)相隔给定距离的所述板(W1、W2)的一个区域，从而将所述板(W1、W2)彼此焊接在一起；移动机构(16)，用于使得第一和第二激光束(L1、L2)沿焊接方向彼此同步地移动；以及控制机构(18)，用于控制由第一和第二激光束(L1、L2)所施加的热量。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第二激光束(L2)沿所述焊接方向至少在下游与第一激光束(L1)相隔所述指定距离，所述指定距离为从0.5mm到20mm的范围内。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述保持机构(12)包括用于挤压其焊接区域附近的板(W1、W2)的可旋转辊(92)。
12.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述激光束施加机构(14)包括棱镜(58)，用于将引入到壳体(48)中的激光束(L)分成所述第一和第二激光束(L1、L2)；线性移动装置(60)，用于使得棱镜(58)朝向和远离所述激光束(L)的光轴(0)移动，从而调节所述第一和第二激光束(L1、L2)的输出比；以及旋转装置(62)，用于使得棱镜(58)相对于所述壳体(48)旋转，从而调节所述第一和第二激光束(L1、L2)的相对位置。
13.一种用于通过向其施加激光束而焊接至少三个板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部的设备，所述设备包括保持机构(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部；激光束施加机构(218)，用于基本同时地将与板(W1a、W2a、W3a)的接触表面所提供的至少两个接触面(214、216)的数量一样多的激光束(L1a、L2a)施加于接触面(214、216)，以及热量控制机构(220)，用于根据所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制由所述激光束(L1a、L2a)所施加的热量。
14.一种用于通过向其施加激光束而焊接至少三个板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部的设备，所述设备包括保持机构(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部；激光束施加机构(218)，用于基本同时地将与板(W1a、W2a、W3a)的接触表面所提供的至少两个接触面(214、216)的数量一样多的激光束(L1a、L2a)施加于接触面(214、216)，以及施加位置控制机构(222)，用于根据板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
15.一种用于通过向其施加激光束而焊接至少三个板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部的设备，所述设备包括保持机构(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重叠端部；激光束施加机构(218)，用于基本同时地将与板(W1a、W2a、W3a)的接触表面所提供的至少两个接触面(214、216)的数量一样多的激光束(L1a、L2a)施加于接触面(214、216)；热量控制机构(220)，用于根据所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制由所述激光束(L1a、L2a)所施加的热量，以及施加位置控制机构(222)，用于根据板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
全文摘要
当彼此重叠的钢板(W1、W2)被保持机构(12)定位和保持时，将第一激光束(L1)施加到钢板(W1)的加热区域(P1)以将钢板(W1)与其他钢板(W2)隔开给定距离，将第二激光束(L2)施加到焊接区域(P2)以焊接钢板(W1、W2)，并且沿焊接方向使第二激光束(L2)与第一激光束(L1)同时移动。将第一激光束(L1)所施加的热量、第一激光束(L1)的移动速度以及第一激光束(L1)的焦斑直径设定为可将所述第一激光束(L1)所照射的板(W1)保持在未熔化的状态并使得所述板(W1)塑性变形。
文档编号B23K26/067GK1505553SQ0280884
公开日2004年6月16日 申请日期2002年4月24日 优先权日2001年4月27日
发明者小田幸治, 深井直树, 北川纯, 田边顺也, 大塚启示, 也, 树, 示 申请人:本田技研工业株式会社