激光焊接装置和激光焊接方法
【专利摘要】一种激光焊接装置通过激光振荡器产生激光，通过集光透镜会聚激光，并向叠置在一起的上板（101）和下板（102）照射激光以便将上板（101）和下板（102）彼此焊接。根据该装置，通过激光照射，在叠置在一起的上板（101）和下板（102）中形成熔池Y。此外，通过激光照射，使熔池Y流动，并将上板（101）和下板（102）焊接在一起。
【专利说明】激光焊接装置和激光焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种关于激光焊接装置和激光焊接方法的技术。
【背景技术】
[0002]激光焊接是由激光振荡器产生的激光通过集光透镜会聚并照射至叠置的钢板以便焊接所述板的焊接方法。然而，在激光焊接中，在叠置在一起的钢板之间的板间隙大的情况下，结合强度降低。例如，如果存在大于或等于0.3mm的板间间隙，则焊道(焊珠)表面有时下沉，从而导致结合强度降低。此外，如果板间间隙大于0.5_，则有时发生形成穿孔且结合强度降低。
[0003]在例如机动车车身等的三维形状物体的焊接中，难以将板间间隙恰当地控制为例如0.3_或更小。同时，在制造机动车车身等的情况下，在实践中容许约1_的板间间隙。因此，以约Imm的板间间隙焊接钢板而不降低结合强度已变成一个问题。目前，在实践中采取一些措施来防止板间间隙大的激光焊接的结合强度降低。
[0004]日本专利申请公报N0.2004-025219 (JP 2004-025219 A)公开了一种使用垫片辊子焊接板间间隙的方法。然而，在焊接机动车车身等的情况下，有时焊接两个或三个钢板。因此，在JP 2004-025219 A公开的焊接方法中，需要非常频繁地进行垫片等的更换，且因此生产效率下降。
[0005]日本专利申请公报N0.2005-131707 (JP 2005-131707 A)公开了一种利用夹具与焊接部位交替地进行激光点固焊的方法。然而，在JP 2005-131707 A公开的方法中，需要专用的大型夹具来焊接机动车车身等。此外，在JP 2005-131707 A公开的焊接方法中，当要焊接镀锌钢时，激光点固焊引起由镀覆蒸气吹送产生的焊接不良。
[0006]在日本专利申请公报N0.2010-023047 (JP 2010-023047 A)中，在散焦状态下执行第一次激光照射以使上板熔融，使得朝下板侧形成突起且因此间隙减小，然后执行第二次激光照射以完成穿透焊接。然而，根据JP 2010-023047 A中公开的焊接方法，由于第一次激光照射为低能照射，因此第一次激光照射在上板中实现传热熔融而非锁孔熔融。因此，加工时间变长，并且生产率降低。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种即使在存在大的板间间隙的情况下也能够焊接多个板而不降低结合强度的激光焊接装置和激光焊接方法。
[0008]本发明的第一方面是一种用于焊接叠置在一起的多个板的激光焊接装置，所述激光焊接装置包括:产生激光的激光振荡器；和会聚所述激光的集光透镜，其中所述激光焊接装置构造成通过将所述激光照射至叠置在一起的所述多个板以便在所述多个板中形成熔池并将所述激光照射至所述熔池以使得所述熔池流动，来焊接叠置在一起的所述多个板。
[0009]在本发明的第一方面中，所述激光焊接装置可构造成通过驱动所述集光透镜以扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池流动。
[0010]在本发明的第一方面中，所述激光焊接装置还可包括夹具，所述夹具能在保持所述多个板的状态下被驱动，并且所述激光焊接装置可构造成通过驱动所述夹具以扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池流动。
[0011 ] 在本发明的第一方面中，所述激光焊接装置可构造成通过绕贯穿所述熔池延伸的预定轴线沿预定转动方向扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动。
[0012]在本发明的第一方面中，所述激光焊接装置可构造成通过在使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动之后沿着所述熔池的外缘部沿所述预定转动方向扫描所述激光，来使所述熔池流动。
[0013]在本发明的第一方面中，所述激光焊接装置可构造成通过绕贯穿所述熔池延伸的所述预定轴线沿所述预定转动方向扫描所述激光以使得扫描向所述预定轴线会聚，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动并朝所述预定轴线会聚。
[0014]本发明的第二方面是一种焊接叠置在一起的多个板的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括:通过激光振荡器来产生激光；通过集光透镜来会聚所述激光；通过将所述激光照射至叠置在一起的所述多个板而在所述多个板中形成熔池；以及通过将所述激光照射至所述熔池来使所述熔池流动。
[0015]在本发明的第二方面中，当使所述熔池流动时，可通过驱动所述集光透镜来扫描照射至所述熔池的所述激光。
[0016]在本发明的第二方面中，当使所述熔池流动时，可通过驱动保持所述多个板的夹具来扫描照射至所述熔池的所述激光。
[0017]在本发明的第二方面中，当使所述熔池流动时，可通过绕贯穿所述熔池延伸的预定轴线沿预定转动方向扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动。
[0018]在本发明的第二方面中，当使所述熔池流动时，可通过在使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动之后沿着所述熔池的外缘部沿所述预定转动方向扫描所述激光，来使所述熔池流动并扩大。
[0019]在本发明的第二方面中，当使所述熔池流动时，可通过绕所述预定轴线沿所述预定转动方向扫描所述激光以使得扫描向所述预定轴线会聚，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动成朝所述预定轴线会聚。
[0020]按照根据本发明的激光焊接装置和激光焊接方法，即使板间间隙大，也能在结合强度不降低的情况下焊接多个板。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中:
[0022]图1是示出按照本发明一实施例的激光焊接装置的结构的结构图；
[0023]图2是示出按照第一实施例的焊接方法的流程的流程图；
[0024]图3A和3B分别示出均沿着线B-B截取的示意性透视图和它们对应的剖视图，示出第一实施例的焊接方法的操作；
[0025]图4是示出按照第二实施例的焊接方法的流程的流程图；
[0026]图5A和5B分别示出均沿着线B-B截取的示意性透视图和它们对应的剖视图，示出第二实施例的焊接方法的操作；
[0027]图6是示出按照第三实施例的焊接方法的流程的流程图；
[0028]图7A和7B分别示出均沿着线B-B截取的示意性透视图和它们对应的剖视图，示出第三实施例的焊接方法的操作；
[0029]图8是示出按照第四实施例的焊接方法的流程的流程图；以及
[0030]图9A和9B分别示出均沿着线B-B截取的示意性透视图和它们对应的剖视图，示出第四实施例的焊接方法的操作。
【具体实施方式】
[0031]参照图1，将描述激光焊接装置10。激光焊接装置10是本发明的激光焊接装置的一实施例。激光焊接装置10是执行激光焊接的装置。激光焊接是使激光作为热源在金属件上聚焦的状态下照射至金属件以使得金属件局部地熔融并凝固以结合在一起的焊接方法。
[0032]在下述实施例中，假设为了构成机动车车身，通过使用激光焊接装置10进行的激光焊接将两个叠置的钢板——也就是，上板101和下板102——焊接在一起。还假设叠置的上板101和下板102具有Imm的板间间隙。
[0033]将描述激光焊接装置10的结构。激光焊接装置10包括激光振荡器11、光路12、激光照射头13和集光透镜14。激光振荡器11产生作为焊接热源的CO2激光或YAG激光。光路12将振荡器产生的激光引导到激光照射头13。光路12通过经由镜子使激光弯曲来传送激光，或者通过使激光经光纤自由弯曲来传送激光。
[0034]激光照射头13从上板101的上方将经光路12传送的激光照射至上板101和下板102。激光照射头13通过自动操作装置(未示出)移动至上板101上方的位置。集光透镜14将经光路12传送的激光集聚至适当的大小以用于照射，并在待焊接的物体上扫描该激光。集光透镜14收纳在激光照射头13内。
[0035]将描述激光焊接装置10的操作。激光焊接装置10通过激光振荡器11产生激光，并通过使用集光透镜14而会聚激光振荡器11产生的激光，并将由集光透镜14会聚的激光照射至叠置在一起的上板101和下板102，并由此将上板101和下板102焊接在一起。
[0036]参照图2和图3，将描述激光焊接方法S100。激光焊接方法SlOO是使用本发明的激光焊接装置进行的激光焊接方法的第一实施例。顺便说一下，图2中的步骤对应于图3A和3B中的步骤。此外，图3B示出均沿着图3A中的线B-B截取的剖视图。
[0037]参照图2，将描述激光焊接方法SlOO的流程。在步骤SllO中，激光焊接装置10从上板101的上方将激光束照射至叠置在一起的上板101和下板102。此时，激光焊接装置10扫描所照射的激光束以使得由激光束的照射轨迹占据的区域在俯视图中形成矩形，藉此在叠置在一起的上板101和下板102中形成熔池Y。顺便说一下，尽管在该实施例中，激光的照射轨迹形成矩形，但照射轨迹的形状也可以是不同形状，例如圆形、椭圆形等。
[0038]在步骤S120中，激光焊接装置10将激光束照射至如上所述形成的熔池Y，并扫描激光束以使得激光束的照射轨迹变成线道(线珠，line bead)，藉此使形成在上板101与下板102之间的熔池Y的内部流动。尽管激光照射轨迹在此情形中为线道，但激光照射的任意其它轨迹也是适当的，只要它是使熔池Y流动的激光照射轨迹即可。
[0039]参照图3，将描述激光焊接方法SlOO的操作。在步骤SllO中，激光焊接装置10从上方向叠置在一起的上板101和下板102照射激光束，以使得在叠置在一起的上板101和下板102中形成熔池Y。这种情况下，所形成的熔池Y中形成了穿孔或分离的焊珠无关紧要。
[0040]在步骤S120中，激光焊接装置10进行的激光照射的扫描使如上所述形成的熔池Y流动。此时，流动的熔池Y中出现起伏。出现起伏的熔池Y由于表面张力而聚集，并形成既没有穿孔又没有分离的焊珠的结合部。
[0041]将描述激光焊接方法SlOO的效果。在诸如机动车车身等的三维形状物体的焊接领域中，难以适当地管控板间间隙以使得板间间隙小于或等于例如0.3mm。另一方面，在制造机动车车身等时，在实践中已容许约1_的板间间隙。因此，以约1_的板间间隙执行焊接而不降低结合强度已变成一个问题。根据激光焊接方法S100，能够将具有Imm的板间间隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低结合强度。
[0042]参照图4、5A和5B，将描述激光焊接方法S200。激光焊接方法S200是使用本发明的激光焊接装置进行的激光焊接方法的第二实施例。顺便说一下，图4中的步骤对应于图5A和5B中的步骤。此外，图5B示出均沿图5A中的线B-B截取的剖视图。
[0043]参照图4，将描述激光焊接方法S200的流程。在步骤S210中，激光焊接装置10使用激光照射头13从上方向叠置在一起的上板101和下板102照射激光束。此时，激光焊接装置10扫描所照射的激光束以使得由激光照射的轨迹占据的区域在俯视图中形成圆形，藉此在叠置在一起的上板101和下板102中形成熔池Y。顺便说一下，尽管在该实施例中，激光照射的轨迹形成圆形，但激光照射的轨迹的形状为诸如椭圆形等的同心形状即可。
[0044]在步骤S220中，激光焊接装置10使激光照射扫描以便在上板101和下板102中形成的熔池Y中产生流动。这里，将在俯视图中沿竖直方向延伸通过熔池Y中心的轴线定义为轴线P。在步骤S220中，将激光照射扫描成绕轴线P沿预定方向(图5A和5B中的箭头R的方向)转动。
[0045]参照图5A和5B，将描述激光焊接方法S200的操作。在步骤S210中，激光焊接装置10从上方向叠置在一起的上板101和下板102照射激光束，以使得在叠置在一起的上板101和下板102之间形成在俯视图中呈圆形的熔池Y。这种情况下，在如上所述形成的熔池Y中形成了穿孔或分离的焊珠无关紧要。
[0046]在步骤S220中，激光焊接装置10进行的激光照射的扫描使如上所述形成的熔池Y转动。具体而言，激光焊接装置10进行的激光照射的扫描使所形成的熔池Y沿周向流动并被搅混。此时，转动的熔池Y沿周向流动成形成为碗形或钵形。同时，在流动的熔池Y中出现起伏。出现起伏的熔池Y由于表面张力而聚集，并形成没有穿孔或分离的焊珠的结合部。
[0047]将描述激光焊接方法S200的效果。根据激光焊接方法S200，能够将其间具有Imm的板间间隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低结合强度。
[0048]参照图6、7A和7B，将描述激光焊接方法S300。激光焊接方法S300是使用本发明的激光焊接装置进行的激光焊接方法的第三实施例。顺便说一下，图6中的步骤对应于图7A和7B中的步骤。此外，图7B示出均沿图7A中的线B-B截取的剖视图。
[0049]参照图6，将描述激光焊接方法S300的流程。从步骤S310到步骤S320的流程与第二实施例中从步骤S210到步骤S220的流程基本相同，且因此不进行描述。
[0050]在步骤S330中，激光焊接装置10沿着在步骤S320中形成为钵形的熔池Y的外缘部扫描激光束。此时，与在步骤S320中一样，激光照射的扫描被执行成绕轴线P沿预定方向(图7A和7B中的箭头Rl的方向)转动。
[0051]参照图7A和7B，将描述激光焊接方法S300的操作。步骤S310至步骤S320的处理以与第二实施例中的步骤S210至S220的处理大致相同的方式操作，且因此不再次描述。
[0052]在步骤S330中，激光焊接装置10进行的激光照射的扫描扩大所形成的熔池Y的直径。此时，使用在步骤S320整体上成一团流动的熔池Y作为基础来执行熔池Y的径向扩大，且因此熔池Y中不形成穿孔。在试图从一开始就形成径向扩大的熔池Y的情况下，从一开始就会形成具有大直径的熔池Y，且因此形成穿孔的可能性高。然而，在步骤S330中，通过使用整体上成一团流动的熔池Y作为基础来增大熔池Y的直径，因此形成穿孔的可能性低。
[0053]将描述激光焊接方法S300的效果。根据激光焊接方法S300，能够将具有Imm的板间间隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低结合强度。
[0054]参照图8、9A和9B，将描述激光焊接方法S400。激光焊接方法S400是使用本发明的激光焊接装置进行的激光焊接方法的第四实施例。顺便说一下，图8中的步骤对应于图9A和9B中的步骤。此外，图9B示出均沿图9A中的线B-B截取的剖视图。
[0055]参照图8，将描述激光焊接方法S400的流程。从步骤S410到步骤S420的流程与第二实施例中从步骤S210到步骤S220的流程基本相同，且因此不进行描述。
[0056]在步骤S430中，激光焊接装置10扫描激光束，以使得扫描朝在步骤S320中形成为钵形的熔池Y的中心会聚。也就是说，激光照射被扫描成朝轴线P会聚。此时，与在步骤S320中一样，激光照射的扫描被执行成绕轴线P沿预定方向(图9A和9B中的箭头R2的方向)转动。换言之，激光绕轴线P螺旋地扫描。
[0057]参照图9A和9B，将描述激光焊接方法S400的操作。步骤S410至步骤S420的处理以与第二实施例中的步骤S210至S220的处理大致相同的方式操作，且因此下文不进行描述。
[0058]在步骤S430中，激光焊接装置10进行的激光照射的扫描使所形成的熔池Y的中心部向下延伸。此时，在步骤S420中整体上成一团流动的熔池Y向下延伸，以使得以较高强度焊接下板102。
[0059]将描述激光焊接方法S400的效果。根据激光焊接方法S400，能够将具有Imm的板间间隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低结合强度。
[0060]尽管在前述第一至第四实施例中，从叠置在一起的上板101和下板102 (两个钢板)的上方照射激光，但本发明并不限于该结构。即使在从叠置在一起的三个或更多钢板的上方照射激光的结构中，也能够实现基本相同的效果。
[0061]尽管在第一至第四实施例中，待焊接的物体为钢板，但这并不限制本发明。例如，在待焊接的物体为铝板的结构中，能够实现基本相同的效果。
[0062]尽管在第一至第四实施例中，激光从叠置在一起的上板101和下板102的上方照射，但本发明并不限于此。即使在激光照射至叠置在一起的上板101和下板102的侧面(端面)的结构中，也能够实现基本相同的效果。
[0063]顺便说一下，激光的扫描可通过例如与前述实施例中那样驱动集光透镜以改变激光的聚焦位置来执行，或者也可通过驱动保持多个板的夹具(未示出)以使所述多个板相对于激光移动来执行。也就是说，激光和多个板相对于彼此移动而使得使熔池流动即可。然而，在待焊接的多个板大到难以使板移动的情况下，优选通过例如驱动集光透镜以改变激光的聚焦位置来扫描激光。
[0064]此外，用于本发明中的夹具的示例包括夹持多个板以使得所述板相对于彼此不可移动地固定的夹具、供多个板放置的台面、这些夹具的组合等。
[0065]已仅仅出于说明的目的参考示例性实施例描述了本发明。应理解，该描述并非意图是穷尽的或者限制本发明的形式，本发明可适用于其它系统和应用中。本发明的范围包含本领域技术人员可想到的各种变型和等同布置。
【权利要求】
1.一种用于焊接叠置在一起的多个板的激光焊接装置，其特征在于包括: 产生激光的激光振荡器；和 会聚所述激光的集光透镜，其中 所述激光焊接装置构造成通过将所述激光照射至叠置在一起的所述多个板以便在所述多个板中形成熔池并将所述激光照射至所述熔池以使得所述熔池流动，来焊接叠置在一起的所述多个板。
2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中 所述激光焊接装置构造成通过驱动所述集光透镜以扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池流动。
3.根据权利要求1或2所述的激光焊接装置，还包括 夹具，所述夹具能在保持所述多个板的状态下被驱动，其中 所述激光焊接装置构造成通过驱动所述夹具以扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池流动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光焊接装置，其中 所述激光焊接装置构造成通过绕贯穿所述熔池延伸的预定轴线沿预定转动方向扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动。
5.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中 所述激光焊接装置构造成通过在使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动之后沿着所述熔池的外缘部沿所述预定转动方向扫描所述激光，来使所述熔池流动并扩大。
6.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中 所述激光焊接装置构造成通过绕贯穿所述熔池延伸的所述预定轴线沿所述预定转动方向扫描所述激光以使得扫描向所述预定轴线会聚，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动并朝所述预定轴线会聚。
7.一种焊接叠置在一起的多个板的激光焊接方法，其特征在于包括: 通过激光振荡器来产生激光； 通过集光透镜来会聚所述激光； 通过将所述激光照射至叠置在一起的所述多个板而在所述多个板中形成熔池；以及 通过将所述激光照射至所述熔池来使所述熔池流动。
8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其中 当使所述熔池流动时，通过驱动所述集光透镜来扫描照射至所述熔池的所述激光。
9.根据权利要求7或8所述的激光焊接方法，其中 当使所述熔池流动时，通过驱动保持所述多个板的夹具来扫描照射至所述熔池的所述激光。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的激光焊接方法，其中 当使所述熔池流动时，通过绕贯穿所述熔池延伸的预定轴线沿预定转动方向扫描照射至所述熔池的所述激光，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动。
11.根据权利要求10所述的激光焊接方法，其中 当使所述熔池流动时，通过在使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动之后沿着所述熔池的外缘部沿所述预定转动方向扫描所述激光，来使所述熔池流动并扩大。
12.根据权利要求10所述的激光焊接方法，其中 当使所述熔池流动时， 通过绕所述预定轴线沿所述预定转动方向扫描所述激光以使得扫描向所述预定轴线会聚，来使所述熔池绕所述预定轴线沿所述预定转动方向流动成朝所述预定轴线会聚。
【文档编号】B23K26/082GK103492117SQ201280020041
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月20日 优先权日:2011年4月26日
【发明者】小仓修平, 川喜田笃史, 油井俊树 申请人:丰田自动车株式会社