专利名称：用于激光焊接的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及金属件的远程激光束型激光焊接。更具体地讲，本发明涉及提高通过远程激光束型激光焊接方法形成的焊接件的质量的方法和设备。
背景技术：
激光焊接是一种非接触焊接过程，其中激光束的能量熔化并气化工件以形成焊接件。在汽车工业中越来越多地使用激光焊接系统，并且更多地要求，同更为传统的焊接过程(例如，电阻点焊、熔化极气体保护电弧焊(例如，熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG))，钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)等等)相比，提高产品质量、生产效率和灵活性。
在激光器作为传统焊接过程的替代物被最初用于汽车工业时，工作头(用于将激光束从焊接系统传递到工件的部位)被典型地安装在机械臂的端部，并且工作头(以及机械臂)必须在焊接操作中基本上靠近工件。这样的系统目前仍被普遍使用，尽管这种系统因为要在焊接过程中将机械臂重新定位在每个焊点而导致速度受限。
最近，远程激光束型激光焊接系统(remote beam laser weldingsystem)被研制出来以提高激光焊接过程的效率。在一种远程激光束型激光焊接系统中，工作头安置在距工件一段分隔距离处，并且通常在焊接过程中保持固定。连接着工作头的镜系统被用于将激光束引导至工件上的各个需要被焊接的位置(例如，焊点、焊接接头等等)。
在激光焊接操作中采用的两种焊接方法为扩散焊接和穿孔(深熔)焊接。在扩散焊接中，激光束完全穿透第一层材料，只局部穿透第二层材料。在扩散焊接过程中，经常难以确定是否进行了充分的焊接。在穿孔焊接中，激光束完全穿透第一和第二层材料。穿透第二层会留下焊接痕迹(例如，热影响区，热应力痕等等)，这代表着实现了完全穿透。
在远程激光束型激光焊接过程中，与其它激光焊接过程一样，激光束被引导至工件并且形成孔，即所谓的″穿孔″，至少穿通工件的一部分。这里使用的术语″工件″通常描述被焊接在一起的两个或更多个零件(例如，材料等等)。如显示于图1，工件10包括第一材料12和第二材料14，在焊接过程中穿孔18形成于其中。随着激光束56穿透工件10，熔化的金属移动到穿孔周边，以形成熔池20。随着激光束56离开焊点(即，焊接位置)的区域，熔池20重新固化以形成焊接部。
为了使激光束穿透工件，穿孔必须保持打开。除了穿孔保持打开外，穿孔还应当在穿透过程中保持稳定，以使得焊接部的孔隙度降低。
以前，远程激光束型激光焊接系统使用相对较低的功率级别(例如，低于2千瓦(kW))。当远程激光束型激光焊接系统使用功率级别低于2kW的激光束时，所产生的等离子体的构成成分或电子密度不会负面影响穿孔的形成和/或稳定性。因此，相对较低功率的远程激光束型激光焊接系统可以进行操作，而没有因形成激光引发等离子体而产生的显著负面结果。
最近，汽车制造商尝试使用更高功率的激光器(例如，以高于大约2kW的功率级别操作的CO2激光器)，以增加可以实现的激光束穿透材料时的穿透深度、穿透质量和/或穿透速度。然而，使用较高功率的激光器存在限制，这是因为，在穿透时会产生激光引发的等离子体，其吸收和反射入射激光束，并且威胁到穿孔的稳定性(参看，例如，图1，其中显示了在焊接过程中产生的等离子体卷流23)。穿孔在焊接过程中的不稳定或崩塌可能会在焊接质量和工件的整体生产方面产生严重问题。
因此，需要有一种改进的远程激光束型激光焊接方法，其使用功率级别高于大约2kW的激光器，并且在利用这种方法形成的焊接部中增大穿透性和/或降低孔隙度。还需要有这样的远程激光束型激光焊接方法，其能够降低或消除这种方法中可能会形成的激光引发等离子体的影响。需要有一种方法和/或系统包括上述或其它有益特征中的一项或多项，这一点对于阅读了本说明书的人来说是很显然的。
发明内容
本发明的一个代表性实施例涉及一种远程激光束型激光焊接系统，包括一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束以高于大约2kW的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。
本发明的另一代表性实施例涉及一种焊接工件的方法，其包括将保护气体流提供到工件上的焊点，所述气体具有流动方向；以及利用远程激光束型激光焊接系统将激光束引导至焊点。所述方法还包括通过沿着不同于所述流动方向的方向移动激光束而形成焊接部，以降低激光束与靠近焊点形成的等离子体卷流之间的相互作用
图1是示意图，显示了激光焊接过程的基本元件。
图2是一种根据代表性实施例的远程激光束型激光焊接系统焊接工件时的示意图。
图3是车辆座椅框架的透视图，其被构造成通过远程激光束型激光焊接方法而被焊接。
图4是多夹具系统的透视图，其被构造成在根据代表性实施例的远程激光束型激光焊接方法中夹持工件并且供应保护气体。
图5是图4中的根据代表性实施例的夹具系统的放大图。
图6是根据第一代表性实施例的夹具系统的透视图。
图7是根据第二代表性实施例的夹具系统的透视图。
图8是根据第三代表性实施例的夹具系统的透视图。
图9至17是限定了焊点的夹具系统的示意性俯视截面图，其中各种焊接方案被示出。
图18是限定一段焊接方案的分量的示意图。
图19是一段焊接方案的切线的分量的示意图。
图20是根据代表性实施例的夹具系统的示意性俯视截面图。
具体实施例方式
根据代表性实施例，一种用于远程激光束型激光焊接的系统和方法被提供，其能够提高所获得的焊接部的质量，并且克服与使用相对高功率(例如，高于大约2kW)的激光器相关的难题。根据该代表性实施例，穿透过程中产生的等离子体被抑制或重新引导，以维持穿孔，这使得能够更完全地穿透工件，并且提高在焊接过程中形成的穿孔的稳定性。
参看图2，一种用于增进穿透性和/或降低通过远程激光束型激光焊接过程形成的焊接部的孔隙度的方法包括以下步骤在焊接过程中，将保护气体(在图2中以箭头42表示)供应(例如，传送、分配、释放、提供等等)至工件10的焊点16。在本说明书中，措词″至(到)焊点″被用于表示靠近和/或位于焊点。该措词在整个本说明书中指的是供应保护气体，以及如后文所述指的是施加夹持力。该措词总体上描述充分接近于能够有效地传送保护气体和/或传递夹持力的位置。
仍请参看图2，一种远程激光束型激光焊接系统50(使用，例如，CO2激光器)大体上包括工作头52，其安置在距工件10一段分隔距离54处。工件10大体上包括被焊接在一起的两块材料，即第一层12和第二层14。工作头52包括镜装置(未示出)，其能够选择性地变换激光束56在工件10上的定位。激光束56沿着图2中的箭头60所示的方向相对于工件10移动。根据代表性实施例，激光束56具有高于大约2kW的功率级别，优选为大约4kW，并且安置在分隔距离54为大约一米处。保护气体从保护气体源58供应。远程激光束型激光焊接系统50形成穿通工件10的穿孔18，从而形成金属熔池20，其冷却和重新固化后形成焊接部22。
如上所述，当远程激光束型激光焊接系统使用的激光束的功率级别为大约2kW或以上时，在穿透过程中产生的激光引发等离子体(例如，存在于穿孔内的穿孔等离子体21和/或存在于穿孔外的等离子体卷流23，如显示于图1)会成为进一步穿透的阻碍。等离子体通过反射和/或吸收激光束能量而阻碍激光束的穿透，从而威胁穿孔的稳定性。穿孔不稳定将导致所产生的焊接部中孔隙度增大和/或穿透不恒定，并且因此而导致非均匀焊接部。另外，严重的穿孔不稳定可能会引起穿孔崩塌，从而阻塞进一步穿透以及各层之间没有焊接部。保护气体42，通过与激光引发的等离子体相互作用，并且抑制会导致激光束能量降低(例如，散焦激光束)的等离子体，从而增进穿透性和/或降低孔隙度。
穿透时所达到的程度和/或速度会影响远程激光束型激光焊接方法的整体效率，因此应当被最优化，并且不论出现什么实际可能性都保持恒定。通过抑制激光引发的等离子体，改进的远程激光束型激光焊接方法被实现，也就是说，远程激光束型激光焊接方法提供了向工件10中更高程度和/或速度的穿透，更恒定的穿透，以及孔隙度降低的改进最终焊接件。
这里描述的方法可以被用于各种远程激光束型激光焊接应用，并且大致上可以应用于任何远程激光束型激光焊接应用，其中所用激光器的功率级别足以产生这样的等离子体，即阻碍穿透工件(例如，反射激光束从而降低激光束能量的等离子体，等等)。在一个实施例中，这里公开的方法被用于焊接车辆座椅框架，例如座椅靠背框架。尽管所公开的实施例可以被描述和显示为用于焊接车辆座椅框架的方法，所公开的实施例的各项特征可以同样地应用于激光束功率产生等离子体的其它远程激光束型激光焊接方法。
图3是车辆座椅框架系统200的透视图，其被设计成通过远程激光束型激光焊接方法被焊接在一起。座椅框架系统200包括一对相隔的侧支撑件210、212，上侧横支撑件214，以及下侧横支撑件216，它们被构造成在多个焊点16被焊接在一起。焊接车辆座椅框架系统200的方法包括以下步骤在激光束56被从工作头52指向特定焊点之前和/或过程中，将保护气体供应到每个焊点16。
考虑到远程激光束型激光焊接系统50可以焊接车辆座椅框架系统200的速度(例如，对于具有大约20个焊点的车辆座椅框架系统，焊接过程耗用的时间可以短至5秒)，保护气体可以在整个焊接过程中被供应，或者可以被间歇式供应，以与当前被激光束56焊接的焊点16重合。
参看图4-8，根据一些代表性实施例显示的采用夹具系统100形式的装置或结构被构造成将保护气体供应到焊点16。夹具系统100适合于焊接具有层12和14(显示于图2)的工件10。根据代表性实施例，夹具系统100被显示和描述为夹具系统，适合于焊接车辆座椅框架或类似结构。
夹具系统100被设计成供应保护气体(各图中以箭头42表示)至焊点16，以及传递夹持力至焊点。提供单一的夹具系统，其同时用作将保护气体供应到焊点的夹具和将夹持力提供至焊点的夹具，有利地减少了焊点周围所需的工具。然而，可以具有分设的夹具或部件来提供保护气体和提供夹持力。这种分设的部件可以被设置尺寸以最小化焊点周围的工具。最小化焊点周围的工具可以提高激光束56的可用″瞄准线″(即，在工作头52和焊点16之间延伸的直线)的灵活性。可以理解，为了由激光束实现可被接受的焊接，瞄准线必须保持无阻碍。
所述方法中所使用的保护气体可以是任何适宜的气体，或是适宜的气体的混合物，足以抑制或重新引导(例如，移除、降低、消散等等)通过相对高功率的激光束(例如，激光束具有高于大约2kW的功率级别)产生的等离子体。根据任何代表性实施例，保护气体为惰性气体，或是由惰性气体组成或包含惰性气体的混合物。根据代表性实施例，保护气体为氦气。根据另一代表性实施例，氮气被用作保护气体。根据另一代表性实施例，空气被用作保护气体。可以理解，所采用的保护气体的类型可以基于将被焊接的特定材料以及所涉及的成本而改变。
夹具系统100包括基座，所示为本体部分120，具有第一开孔(例如，开口、孔眼、孔洞等等)，其被显示为保护气体入口122，和第二开孔，其被显示为保护气体出口124。入口122流体连接着保护气体供应源58(显示于图2)，并且，根据代表性实施例，通过导管123或任何其它适宜的装置(例如，管件、管道、通道等等)流体连接着保护气体供应源58。出口124流体连接着入口122，并且朝向焊点16敞开以将保护气体供应(例如，传送、分配、提供等等)至焊点16。
夹具系统100还包括连接部分160，其可操作地连接着夹持系统180。夹持系统180向夹具系统100提供夹持力(在图6至8中以箭头161表示)，然后又被传递至焊点16。夹持力161具有足以将第一层12和第二层14牵拉到一起的量值，即达到并维持两层之间预定间隙宽度所需的值。根据代表性实施例，夹持系统180为相对快速作动的气缸。其它夹持系统可以被使用，包括，但不局限于，缓慢作动的液压缸、机械致动器、电机或类似物。
夹具系统100还包括夹持表面(例如，底表面等等)，被显示为界面130，其被构造成传递夹持力161到第一层12和/或第二层14。界面130被构造成与第一层12匹配，并且因此可以具有对应于第一层的表面轮廓。根据代表性实施例，界面130为相对平坦表面，其被构造成与车辆座椅框架系统200的侧支撑件210、212和/或上下侧支撑件214、216(显示于图3-5)之一相互作用/接触。
可以理解，为了获得可接受的焊接件，第一层12和第二层14之间的间隙尺寸(例如，宽度)需要被最小化。根据代表性实施例，层12、14之间的间隙尺寸小于大约0.3mm(和/或间隙尺寸为工件最薄材料的厚度的大约2％)并且优选为大约0.1mm。可以理解，随着焊接技术特别是激光焊接技术的改进，更大的间隙尺寸可以被接受。
根据代表性实施例，力测量系统(未示出)被用于远程激光束型激光焊接方法，以测量作用于夹具系统100的夹持系统180施加到工件10的力的值。通过得知施加到工件10的力的量值，工件10的材料之间的间隙尺寸可被确定。因此，远程激光束型激光焊接方法可以被构造和/或控制(例如，被编程、操作等等)为阻止对焊点进行焊接，直至预期的间隙尺寸被达到。力测量系统可以被提供为应变仪或负载传感器。根据代表性实施例，力测量系统连接着一个被构造成在焊接过程中支撑工件10的结构或基座。根据代表性实施例，力测量系统可操作地连接着显示器和/或处理单元(未示出)，以提供代表力量值的视觉输出。可以理解，任何数量的各种力测量系统可以被使用，和/或其它系统被构造成提供在通过夹持系统180施加力时焊接工件10的材料之间存在的间隙尺寸的指示值。
夹具系统100还包括至少一个辅助夹持表面(例如，延伸部、突起部等等)，其被设计成增大可被传递至焊点16的夹持力，同时维持一种能够使得激光束56的瞄准线所受到的任何干涉最小化的形态。根据所示出的特定实施例，辅助夹持表面由一对相隔的腿部132、134的底表面133、135提供，所述腿部从本体部分120向外延伸。腿部132、134与本体部分120一起围绕着焊点16限定出大致U形的窗口(激光束可到达的区域)。
腿部132和134与本体部分120一体形成，但在其它代表性实施例中，可以是分开的部件，通过任何适宜的紧固件连接着本体部分120。添加腿部132和134是为了更均匀地将工件10的至少两个部件牵拉到一起，以在被焊接的两个部件之间实现并维持预期的间隙尺寸。可以理解，夹具系统100不局限于使用两个腿部，而是可以包括被设计成维持所需间隙尺寸同时不干涉激光束的瞄准线的任何结构。
根据所示出的特定实施例，腿部132和134分别包括角形或倾斜表面136和138。倾斜表面136和138用于为从工作头52发出的激光束56提供附加空隙。尽管图4至8示出了位于两个腿部132和134上的倾斜表面，但根据其它代表性实施例，可以只有一个腿部包括倾斜表面，这取决于工作头52和本体部分120的位置。
在焊接之前和/或之中，保护气体被从保护气体源58供应到夹具系统100。保护气体通过入口122进入本体部分120。一旦保护气体进入本体部分120，保护气体移过导管、通道或沟槽(歧管的代表性实施例显示于图9至17)，然后通过出口130排出。根据代表性实施例，内腔(未示出)设置在入口122和出口124之间，并且被构造成接收和保存保护气体。在这种结构中，内腔可以在保护气体被供应至焊点16之前至少部分地用于调节保护气体的压力和/或所述气体的流速。
夹具系统100可选地包括阀或阀系统(未示出)，用于选择性地控制保护气体的释放。例如，阀可以用于防止保护气体从进入本体部分120，直至马上就要进行焊接。在另一实施例中，阀可以用于将保护气体保持在本体部分120中，直至马上就要进行焊接。此外，控制系统(未示出)可以被用于控制保护气体被提供的时间。在一些特定应用中，可能希望具有能够协调保护气体释放与特定焊点16的焊接过程的控制系统。根据其它代表性实施例，可能希望贯穿整个焊接过程、并且可能是在焊接过程之间提供保护气体。
参看图6至8，出口124被选择性地定位成提供保护气体至焊点16。根据代表性实施例，出口124被设置尺寸以允许保护气体进入(例如，涌入等等)焊点16的整个区域。出口124可以具有各种结构，包括，但不局限于，单一的开孔，其基本上为矩形形状，如显示于图6；单一的开孔，其基本上为圆拱或圆形形状，如显示于图7；或是多个开孔，如显示于图8。可以理解，出口124可以设置为任何数量的结构和形状。
夹具系统100中的部件和/或元件的材料可从本领域中公知的材料中选择，包括钢，各种其它合金，或高强度金属例如SAEJ2340340XF钢和钢合金。根据代表性实施例，夹具系统10的部件和/或元件由硬化钢制成。
根据代表性实施例(未示出)，夹具系统100可以被设计成在远程激光束型激光焊接过程中简单地供应保护气体42至焊点16，而不是用作保护气体供应部和夹持装置。对于这种结构，夹具系统100可以包括喷嘴，其具有入口，用于从保护气体供应源接收保护气体，以及出口，用于将保护气体分配至焊点。支架机构或其它安装结构可以被提供，以支撑喷嘴和引导喷嘴至焊点。
为了实现完全有效地施加保护气体至焊点16，激光束相对于工件表面在每个焊点16处经过的路径(这里称作焊接方案或模式)应当受到保护气体被供应到焊点的方向(即，保护气体流动方向)的制约。已经发现，当沿特定方向(即，流动方向)施加保护气体时，焊接方案和激光器实现的穿透质量(例如，程度等等)和/或所产生的焊接部中的孔隙度的质量级别存在关系。更具体地讲，已经发现，当激光束沿着基本上离开保护气体源的方向相对于工件移动时(即，激光器沿着基本上与所述气体的流动方向相同的方向移动)，焊接部呈现为减小的穿透性和/或增加的孔隙度。还已发现，当激光束逆着或是沿着与保护气体的流动方向相反的方向移动时(即，激光束朝向保护气体源移动)，焊接部呈现为相对高质量的穿透和降低的孔隙度。
图9至17示出了焊接方案的各种实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯(即，垂直于)保护气体流动方向42的方向，要么基本上进入(例如，迎面、朝向、对立、相反等等)保护气体流动方向42的方向。在图9至17中，箭头42表示保护气体和保护气体流动方向。在这样的焊接方案中，通过使得保护气体更好地与激光引发的等离子体相互作用，从而抑制等离子体和提高激光束的穿透性和/或降低所产生的焊接部中的孔隙度，由此使得保护气体的效用达到最佳。对于每个焊接方案，激光束随从于焊接方案的流动方向由箭头35表示。可以理解，如果保护气体流动方向相对于激光束方向改变，焊接方案也会改变。
特别参看图9，根据一个代表性实施例的焊接方案300被示出。激光束在起始点30开始焊接，在结束点40停止焊接。所示出的焊接方案300基本上为Z形焊接方案，具有第一段31(例如，部分，分部等等)，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，第二段32，其沿着部分地横贯(例如，呈对角线)保护气体流动方向42的方向延伸，以及第三段33，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸。对角线方向的第二段32可被定义为具有第一分量37，其沿着基本上平行于保护气体流动方向的方向延伸，和第二分量39，其沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸。图18示出了第一分量37和第二分量39。第一分量37的量值优选小于第二分量39的量值。激光束沿着第一段31和第三段33在进入保护气体流动方向42的方向上移动。
图10示出了焊接方案300的第二代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42的方向，要么基本上进入保护气体流动方向42。激光束在起始点30开始，在结束点40停止。所示出的焊接方案300包括第一段31，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，和第二段32，其沿着部分地横贯保护气体流动方向42的方向延伸。再请参看图18，第二段32可被定义为具有第一分量37，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，和第二分量39，其沿着基本上横贯保护气体42的方向延伸。第一分量37的量值优选小于第二分量39的量值。
图11示出了焊接方案300的第三代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。激光束在起始点30开始，在结束点40停止。所示出的焊接方案包括第一段31，其沿着部分地横贯保护气体流动方向42的方向延伸，和第二段32，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸。再请参看图18，第一段31可被定义为具有第一分量37，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，和第二分量39，其沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸。第一分量37的量值优选小于第二分量39的量值。
图12示出了焊接方案300的第四代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。激光束在起始点30开始，在结束点40停止。所示出的焊接方案300包括第一段31，其基本上平行于保护气体流动方向42延伸，第二段32，其为曲线段，第三段33，其基本上平行于保护气体流动方向42延伸。参看图19，在第二段32移离保护气体流动方向42(即，不进入或基本上横贯保护气体流动方向42)的任何位置处，第二段不包括下述弯曲边缘即此处画出的切线41的平行于保护气体流动方向42延伸的第一分量43在量值上大于基本上横贯保护气体流动方向42延伸的第二分量45。激光束沿着第一段31和第三段33在进入保护气体流动方向42上移动。
图13示出了焊接方案300的第五代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。所示出的焊接方案包括第一段31，其为曲线段，开始于起始点30并且延伸至结束点40。再请参看图19，在第一段31移离保护气体流动方向42的任何位置，第一段不包括下述弯曲边缘即此处画出的切线41的平行于保护气体流动方向42延伸的第一分量43在量值上大于基本上横贯保护气体流动方向42延伸的第二分量45。
图14示出了焊接方案300的第六代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。激光束在起始点30开始焊接并且在结束点40停止焊接。所示出的焊接方案300包括第一段31，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，和第二段32，其沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸。
图15示出了焊接方案300的第七代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。所示出的焊接方案包括第一段31，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，第二段32，其沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸，和第三段33，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸。激光束沿着第一段31在进入保护气体流动方向42的方向上移动。
图16示出了焊接方案300的第八代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。所示出的焊接方案300包括第一段31，其在起始点30和结束点40之间沿着部分地横贯保护气体流动方向42的方向延伸。再请参看图18，第一段31可被定义为具有第一分量37，其沿着基本上平行于保护气体流动方向42的方向延伸，和第二分量39，其沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸。第一分量37的量值优选小于第二分量39的量值。
图17示出了焊接方案300的第九代表性实施例，其中激光束的移动方向总是要么基本上横贯保护气体流动方向42，要么基本上进入保护气体流动方向42的方向。所示出的焊接方案300包括第一段31，其在起始点30和结束点40之间沿着基本上横贯保护气体流动方向42的方向延伸。
虽然这里示出的各个代表性实施例中的夹具系统(例如，夹具系统100)被显示为具有特定形状和设计，应当指出，根据其它代表性实施例，其它结构可以被用于这种夹具系统。例如，图20是根据另一代表性实施例的夹具系统300的示意性俯视截面图。如显示于图20，夹具系统300包括本体部分331，其朝向夹具系统300的后侧，两个腿部332和334，以及前向部分或桥部336，其延伸在两个腿部332和324之间(在图20被显示为具有圆拱形结构，尽管根据其它代表性实施例可以有不同的特定结构)。所述本体部分331、腿部332、334以及前向部分或桥部336一起限定出用于提供焊接方案的区域，所述焊接方案由夹具系统300的各个部分界定(例如，如显示于图20，焊接方案形成在夹具系统300的这些元件限定的开口中)。通过提供连接着腿部332和334的桥部336，可以预期，更均匀的夹持力可以施加到工件，以保持工件的各层彼此紧密接触。
还是如图20所示，尽管在图9-17中显示的夹具系统100从提供于夹具后表面的开口接收保护气体，但根据代表性实施例，这样的气体可以从形成在夹具300侧面中的入口接收。如显示于图20，管件或软管340可以连接着夹具300侧面中的开口，并且通过螺纹连接件342(例如，螺栓等等)而紧固就位。内腔或沟槽333提供于夹具300中，以用作歧管将保护气体(以箭头42表示)导送至需要进行焊接的区域。如显示于图20，六个开口形成在夹具中，用于传送保护气体至焊点，尽管根据其它代表性实施例可以提供不同数量的开口。
阅读了本说明书的人可以理解，各种代表性实施例被描述于此，并且相对于一个实施例描述的特征也可以结合其它代表性实施例被使用。根据一个这样的实施例，增加穿透性和/或降低通过远程激光束型激光焊接系统形成的焊接部的孔隙度的方法包括以下步骤在激光束被供应至焊点之前和/或过程中供应保护气体至焊点。根据代表性实施例，保护气体为惰性气体，和/或由惰性气体组成或包含惰性气体的混合物，例如氦气或氩气。在另一实施例中，保护气体可以包括氮气和/或空气。保护气体与激光引发的等离子体相互作用并且抑制等离子体。
根据另一代表性实施例，一种利用具有高于大约2kW功率级别的远程激光束型激光焊接系统焊接工件的方法包括以下步骤向工件施加夹持力，以在工件的各个部件之间实现和维持预期的间隙宽度，将激光束引导至工件上的焊点，以及将保护气体供应到焊点。所述方法可选地包括以下步骤采用力测量系统测量施加到工件的夹持力，并且确定是否达到了预期的间隙尺寸。根据代表性实施例，力测量系统为应变仪/负载传感器，其输出被校准而与预期的间隙尺寸相关。
根据另一代表性实施例，一种利用具有高于大约2kW功率级别的远程激光束型激光焊接系统焊接工件的方法包括以下步骤提供焊接方案，其中激光束不沿着基本上背离保护气体流动方向的方向移动。这样的焊接方案被构造成最优化保护气体的效用，从而增加穿透性和/或降低孔隙度。
根据另一代表性实施例，远程激光束激光器产生的焊接方案基本上为Z形，其中具有三段。第一段和第三段被排列成沿着基本上平行于保护气体流动方向的方向延伸。第二段基本上沿对角线方向延伸于第一段和第二段之间。对角线方向的第二段包括第一分量，基本上平行于保护气体延伸，和第二分量，其基本上垂直于保护气体延伸。在一个代表性实施例中，第一分量的量值不大于第二分量的量值。激光束沿着第一和第三段在进入(例如，迎面、朝向等等)保护气体流动方向的方向上移动。
根据另一代表性实施例，一种用于远程激光束型激光焊接系统的夹具系统在焊接过程中供应保护气体至焊点。夹具系统包括本体部分，其具有第一或入口开孔，用于从保护气体源接收保护气体，和第二或出口开孔，用于提供保护气体至焊点。导管流体连接着第一开孔和第二开孔。所述本体部分可选地包括内腔，其布置在第一开孔和第二开孔之间，并被构造成接收和保存保护气体，直至在焊接过程中需要使用。
根据另一代表性实施例，一种用于远程激光束型激光焊接系统的夹具系统进一步被构造成用作夹持装置和包括夹持机构，其大致平坦表面被构造成从靠近焊点的夹持系统传递夹持力，以将工件的需要被焊接的至少两块材料牵拉到一起。
根据另一代表性实施例，在远程激光束型激光焊接过程中抑制等离子体产生的方法包括以下步骤接近或靠近(充分接近，以便有效传送保护气体和有效抑制激光引发的等离子体)焊点定位夹具系统，以及传送保护气体至夹具系统。夹具系统包括保护气体入口和保护气体出口。所述方法还包括以下步骤从夹具系统供应保护气体至焊点，从而保护气体抑止在穿透过程中产生的激光引发等离子体。保护气体可以在激光束穿透焊点之前被供应和/或保护气体可以在激光束穿透焊点时被供应。
根据另一代表性实施例，利用远程激光束激光器系统将至少两块材料焊接在一起的方法包括以下步骤施加夹持力至焊点，直至达到和维持小于0.3mm的间隙尺寸，将从工作头发出的激光束施加到焊点。所述方法还包括以下步骤在激光束被供应至焊点之前和/或过程中提供保护气体至焊点。所述方法还包括以下步骤提供单一的夹具系统，以施加夹持力并且供应保护气体。所述方法可选地包括以下步骤采用力测量系统测量施加到焊点的夹持力，以确定小于0.3mm的间隙尺寸是否被达到。根据代表性实施例，力测量系统为应变仪/负载传感器。
阅读了本说明书的人还可以理解，这里的方法和系统为远程激光束型激光焊接方法提供了各种有益特征。例如，这种方法和系统提供了激光束更大程度和/或速度的穿透以及在采用具有高于大约2kW功率级别的激光器进行远程激光束型激光焊接过程中形成的焊接部的减小的孔隙度。这种方法和系统还预期通过抑制反射和/或吸收远程激光束型激光焊接系统的激光束能量的激光引发等离子体而在远程激光束型激光焊接过程中维持穿孔稳定性。夹具系统用于在远程激光束型激光焊接过程中供应保护气体至焊点，并且还用作夹持装置。
可以理解，本发明不局限于这里详细描述以及图中显示的结构和方法细节。本发明可以具有其它实施例，或是以不同方式实施或执行。还可以理解，这里采用的措词或术语是为了针对所示的实施例进行描述，而不应认为是限制性的。
重要的是，需要指出，显示于各代表性实施例中的夹具系统的元件的结构和配置只是解释性的。另外，重要的是，需要指出，显示于各代表性实施例中的焊接方案也是解释性的。尽管本发明的一些实施例被详细描述于本说明书中，阅读了本说明书的本领域技术人员容易理解，各种修改是可行的(例如，各个元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数值，安装配置，材料，颜色，定向等等，可以变化)，而不会实质上脱离权利要求中限定的对象的新颖技术和优点。例如，所有图中显示的焊接方案的规模仅仅用于解释的目的。因此，所有这样的修改均被认为包括在这里公开的发明对范围内。根据其它代表性实施例，任何过程或方法中的步骤的顺序或次序可以改变或重新编排。在各代表性实施例的设计、操作条件和布置中，可以进行其它替换、改型、更换和/或省略，而不脱离本说明书中表达出来的本发明的精神。
权利要求
1.一种远程激光束型激光焊接系统，包括一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束以高于大约2kW的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。
2.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置还被构造成靠近焊点提供夹持力。
3.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置包括本体以及从所述本体延伸的多个腿部。
4.如权利要求3所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，每个腿部具有倾斜表面。
5.如权利要求4所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置包括延伸在两个腿部之间的桥部，所述本体部分、腿部和桥部限定出一个区域，工件可以在该区域中被焊接。
6.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置包括至少一个出口，其靠近焊点设置，用于引导保护气体。
7.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置包括多个出口，它们靠近焊点设置，用于引导保护气体。
8.如权利要求7所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，所述装置包括内腔，用于将保护气体导送至所述多个出口。
9.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，保护气体包括选自下述一组的至少一种气体氦气，氮气，空气。
10.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，激光束以高于大约4kW的功率级别提供。
11.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，激光束是利用CO2激光器提供的。
12.如权利要求1所述的远程激光束型激光焊接系统，还包括至少一个附加装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。
13.一种焊接工件的方法，包括将保护气体流提供至工件上的焊点，所述气体具有流动方向；利用远程激光束型激光焊接系统将激光束引导至焊点；以及通过沿着不同于所述流动方向的方向移动激光束而形成焊接部，以降低激光束与靠近焊点形成的等离子体卷流之间的相互作用。
14.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，移动激光束的步骤包括沿着基本上垂直于所述流动方向的方向移动激光束。
15.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，移动激光束的步骤包括以大致圆形方案移动激光束。
16.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，移动激光束的步骤包括以大致Z形方案移动激光束。
17.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，移动激光束的步骤包括沿着基本上与所述流动方向相反的方向移动激光束。
18.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，移动激光束的步骤包括沿着与所述流动方向明显不在同一方向的方向移动激光束。
19.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，激光束以高于大约2kW的功率级别提供。
20.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，激光束是利用CO2激光器提供的。
21.如权利要求13所述的远程激光束型激光焊接系统，其特征在于，保护气体包括选自下述一组的至少一种气体氦气，氮气，空气，它们的混合物。
全文摘要
一种远程激光束型激光焊接系统(50)包括一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束(56)以高于大约2kW的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。
文档编号B23K26/14GK101076428SQ200580037141
公开日2007年11月21日 申请日期2005年10月27日 优先权日2004年10月29日
发明者卡尔·F.·克莱因, 理查德·B.·麦考恩, 约瑟夫·W.·麦克尔罗伊, 马克·S.·威廉森 申请人:约翰逊控制技术公司