专利名称：激光焊接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光焊接方法及装置，其中重叠多个在表面上具有覆膜的平板状工件进行激光焊接。
背景技术：
通常，将镀锌钢板等在表面上具有覆膜的平板状工件重叠并通过激光进行焊接时，由于钢板表面的锌的沸点低于钢板材料的熔点，因此在焊接过程中会蒸发而产生锌蒸气，由于该蒸气残留于焊接部或者吹向熔融的钢板材料，有时会产生气孔(blow hole)或凹坑(pit)等焊接缺陷。因此需要在进行激光焊接时适当地排出钢板表面的锌覆膜的蒸气。
为此，以往，公知有这样的方法对所述工件照射一个激光束进行加热，使工件彼此分离，然后向该分离部照射另一个激光束来进行激光焊接(例如，参照专利文献1)。但是，在使用所述两个激光束的激光焊接方法中，存在这样的问题由于将一个激光器用作工件加热用的热源，因此导致制造成本升高。为了解决所述问题，如图7所示，在重叠镀锌钢板101、102进行激光焊接的激光焊接方法中，通过等离子热源107来对镀锌钢板101、102的重叠部进行预热，然后通过激光束108来进行正式焊接(例如，参照专利文献2)。
根据所述激光焊接方法，通过沿着焊接方向121领先的预热用的等离子热源107，使上侧的镀锌钢板101的上侧的一部分熔融，向剩余的、直至重叠面的、未熔融区域传热，从而对重叠面的锌镀104、105进行加热以使其蒸发。此时，上侧的镀锌钢板101由于等离子热源107的加热而变形，因而在镀锌钢板101、102之间形成有间隙。接下来，从等离子热源107的加热位置隔开预定距离L，使用焊接用激光束108对上侧的镀锌钢板101和下侧的镀锌钢板102进行加热，由此，能够一边使镀锌蒸气从间隙排出，一边进行使镀锌钢板101、102熔融渗透的焊接。
但是，在所述的激光焊接方法中，由于使用等离子热源107，因此为了在镀锌钢板101、102之间形成间隙，并对重叠面的镀锌104、105加热以使其蒸发，需要使上侧的镀锌钢板101的上表面进行大于等于激光束108的照射光束宽度的大面积的熔融，这样损害了在镀锌钢板101表面的放锈性和美观性等，导致钢板101产生表面损伤。另外，由于使用等离子热源107，为了获得稳定的热输入，必须提高输出，导致镀锌钢板101上的热过剩，因而使镀锌钢板101的热变形变大。
专利文献1日本专利公报特开2002-263871号专利文献2日本专利公报特开2003-25082号发明内容本发明目的在于克服上述缺点并提供一种激光焊接方法及装置，能够容易地调节加热量，并且能够实质性地避免工件的热变形和对工件表面的损伤。
为了解决上述问题，本发明的激光焊接方法，是将在表面具有覆膜的多个平板状工件重叠起来进行激光焊接的方法，其特征在于，使电极与最表层的工件抵接并通电，通过使该工件的电极抵接部、或者该工件的电极抵接部与邻接工件的传热部热膨胀、然后收缩，来形成变形部，其中，热从所述电极抵接部传递至所述传热部，使该变形部离开邻接的工件，从而在重叠的工件之间形成间隙，并且，使激光束照射在这样的位置该间隙的间隔的大小能够使由于被加热的覆膜的气化而产生的蒸气挥散的位置。
在本发明的激光焊接方法中，通过电极对重叠的工件中的最表层的工件通电由此使该工件的电极抵接部、或者该工件的电极抵接部与邻接工件的传热部热膨胀、然后收缩，来形成变形部，其中，热从所述电极抵接部传递至所述传热部，使该变形部离开邻接的工件，从而在工件之间形成间隙。并且，使激光束照射在这样的位置该间隙的间隔的大小能够使由于被加热的覆膜的气化而产生的蒸气挥散的位置，从而能够通过该间隙使覆膜因加热而产生的蒸气挥散，能够不使工件产生缺陷地进行焊接。因此，根据本发明的激光焊接方法，可以通过通电加热来形成所述间隙，不需要使工件表面的覆膜熔融，由于不会施加过剩的热，因此能够实质性地避免工件表面的损伤和热变形。
另外，在本发明的激光焊接方法中，由于使电极与工件表面抵接，因此即使提高焊接速度也能够可靠地进行加热。即，由于仅通过设定电流值就能够容易地控制加热量，因此能够根据焊接速度来控制电流值，从而能够可靠地形成间隙，能够进行稳定的激光焊接。
另外，在本发明的激光焊接方法中，所述电极也可以由抵接于工件表面的一个抵接电极和接地的接地固定电极构成，也可以是这样的结构所述电极是一对电极，使一个电极与所述最表层的工件抵接，并且使另一个电极与该工件压力接触，并在两电极之间通电。另外，在所述电极为一对电极的情况下，可以使任一个电极与邻接的工件压力接触或抵接。
本发明的激光焊接方法可通过以下的装置有利地实施，所述装置为激光焊接装置，其在使表面上具有覆膜的多个平板状工件重叠的状态下进行激光焊接，该激光焊接装置的特征在于，包括一对电极，其向最表层的工件通电，使该工件的电极抵接部、或者该工件的电极抵接部和邻接工件的传热部热膨胀和热收缩，由此使它们变形，使工件的变形部离开邻接的工件，从而在重叠的工件之间形成间隙，其中，热从所述电极抵接部传递至所述传热部；以及激光头，其通过向这样的位置照射激光束来进行焊接所述间隙的间隔的大小能够使由于被加热的覆膜的气化而产生的蒸气挥散的位置，所述一对电极构成为包括固定电极，其以可与所述最表层的工件压力接触的方式设置于从该激光头隔开预定间隔的位置；以及可动电极，其设置成可与所述最表层的工件自由抵接。
根据本发明的激光焊接装置，一个电极的顶端位置仅通过与所述最表层工件的抵接而相对于激光头可动，因此在工件的表面形状存在偏差的情况下，能够跟随该偏差使该电极与该工件可靠地接触，从而能够形成所述间隙。并且，由于另一个电极与所述最表层的工件压力接触，因此在工件之间由于所述表面形状的偏差而分离的情况下，能够修正该偏差使工件之间紧密接触。
图1是表示用于实施本实施方式的激光焊接方法的激光焊接装置的说明图。
图2是表示本实施方式的钢板W1上的位置关系的示意图。
图3(a)～(c)是图2中的钢板W1与钢板W2之间的剖面图。
图4是表示本实施方式的其他形式的、钢板W1上的位置关系的示意图。
图5(a)～(c)是图4中的钢板W1与钢板W2之间的剖面图。
图6是表示本实施方式的另一形式的示意图。
图7是表示用于实施现有的激光焊接方法的激光焊接装置的说明图。
标号说明1激光焊接装置；2可动电极；3固定电极；10激光头；H间隙；L激光束；Q变形部；W1最表层的钢板；W2、W3钢板。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
图1是表示用于实施本实施方式的激光焊接方法的激光焊接装置的说明图，图2是表示本实施方式的钢板W1上的位置关系的示意图，图3(a)～(c)是图2中的钢板W1与钢板W2之间的剖面图，图4是表示本实施方式的其他形式的、钢板W1上的位置关系的示意图，图5(a)～(c)是图4中的钢板W1与钢板W2之间的剖面图，图6是表示本实施方式的另一形式的示意图。
如图1所示，本实施方式的激光焊接方法用于对镀锌钢板W1、W2进行焊接，用于实施该焊接方法的激光焊接装置1包括抵接于钢板W1的可动电极2；与钢板W1压力接触的固定电极3；激光照射机构4，其向钢板W1上的位置P4照射激光束L，来焊接钢板W1、W2之间，该位置P4与固定电极3的压力接触位置P3隔开一定距离；以及控制装置5，其用于对可动电极2与固定电极3的相对位置以及所施加电流值进行控制。
可动电极2与控制装置5连接，并且通过旋转机构7可旋转地设置在臂6上，所述臂6与激光头10形成为一体，所述可动电极2在臂6上设置于从垂直方向朝焊接方向D倾斜了预定角度的位置。旋转机构7与控制装置5连接，并根据控制装置5的控制信号，通过未图示的电动机和驱动机构使可动电极2旋转。另一方面，固定电极3与控制装置5连接，并且在臂6上固定于从垂直方向朝焊接方向D倾斜了预定角度的位置，并使压力接触位置P3与激光束L的照射位置P4具有一定间隔。另外，通过激光头10和臂6而设置为一体的可动电极2与固定电极3设置成能够通过未图示的电动机和进给机构朝焊接方向D移动。这里，可动电极2和固定电极3设置成从垂直方向朝焊接方向D倾斜了预定角度，因此在使可动电极2和固定电极3与钢板W1压力接触或抵接地移动时，能够减小电极与钢板W1之间的摩擦。
激光照射机构4包括设置于外部的激光振荡器8、光纤9、激光头10和聚光透镜11。激光振荡器8和激光头10通过光纤9连接，从激光振荡器8导出的激光束L经光纤9传输至激光头10，并从激光头10以这样的方式进行照射通过聚光透镜11以所希望的直径聚光在钢板W1上。
控制装置5具有可动位置控制部12和电流控制部13。可动位置控制部12与旋转机构7连接，并指示可动电极2在臂6上的旋转。电流控制部13与可动电极2和固定电极3连接。
下面对上述构成的激光焊接装置1的操作进行以下说明。首先，如图1所示，使镀锌的平板状的钢板W1、W2在彼此重叠的状态下定位。另外，重叠的钢板W1、W2基本上紧密接触，但是由于表面形状的偏差也存在相互分离的部分。
在激光焊接装置1中，可动电极2和固定电极3配置在与焊接方向D平行的直线上，并且配置成使可动电极2领先于固定电极3，激光头10配置在固定电极3的后方，并且配置在与连接可动电极2和固定电极3的直线隔开一定间隔的位置上。另外，激光头10的上下位置相对于固定电极3固定，从而使当固定电极3在压力接触位置P3与钢板W1压力接触时，从激光头10照射的激光束L在钢板W1上为所希望的聚光直径。
使用图2对此时钢板W1上的位置关系进行具体说明。首先，可动电极2与钢板W1抵接的位置即抵接位置P2，以及固定电极3与钢板W1压力接触的位置即压接位置P3配置成使连接抵接位置P2与压力接触位置P3的电极线α为与焊接方向D平行的直线。另一方面，激光束L照射在钢板W1上的位置即照射位置P4设置成使照射位置P4的轨迹即焊接线β为与焊接方向D平行、并且与电极线α隔开一定间隔的直线。
在该状态下，控制装置5的可动位置控制部12对旋转机构7发出旋转的指示信号，旋转机构7对未图示的电动机施加微弱的抵接电动势，使可动电极2的顶端向朝向钢板W1的方向旋转。抵接电动势在进行焊接的过程中被施加在电动机上，因此可动电极2的顶端保持与钢板W1以一定的力抵接的状态，所述一定的力是足以使可动电极2的顶端跟随钢板W1的形状和实现稳定的发热的微弱的力。
当可动电极2与钢板W1抵接时，电流控制部13根据可动电极2与固定电极3之间的间隔、钢板W1的材质以及板厚，来计算使焊接线β上的间隙H成为预定间隔的电流，并将该电流施加到可动电极2与固定电极3之间。作为间隙H的预定间隔，优选间隔大约为0.05～0.5mm的范围，该间隔范围是使作为在钢板W1、W2的表面上形成的覆膜的金属成分(锌)气化、成为气体并从间隙H排向大气所必需的范围。另外，因此而施加于可动电极2与固定电极3的电流值例如是大约50～1000安培。
当在可动电极2与固定电极3之间施加电流时，首先，钢板W1与可动电极2的抵接位置P2，以及钢板W1与固定电极3的压力接触位置P3被加热而产生热膨胀。这里，由于通过激光头10和臂6而设置成一体的可动电极2与固定电极3，通过未图示的电动机和进给机构而朝焊接方向D前进，因此钢板W1从电极线α朝左右方向产生热膨胀，从而形成具有一定宽度的变形部Q。接下来，被加热的钢板W1从与大气接触的表面开始冷却而收缩，其结果，钢板W1的变形部Q的一部分，即相对于电极线α在钢板W1、W2的端部侧的部分发生塑性变形而上翘，从而在钢板W1和钢板W2之间形成图3所示的预定间隙H。即，与可动电极2通过前的图3(a)相对照，如图3(b)所示，由于可动电极2的通过而在电极线α上产生第一翘曲。另外，如图3(c)所示，由于固定电极3的通过而在电极线α上在第一翘曲的基础上产生第二翘曲。这里，如前所述，由于领先的可动电极2与钢板W1以一定的力抵接，因此，即使是钢板W1的表面形状存在偏差的情况下，也能够跟随该表面形状而保持与该钢板W1的可靠接触。另一方面，由于固定电极3在可动电极2的通过位置上使钢板W1与钢板W2压力接触，因此能够修正由于钢板W1、W2的表面形状偏差而产生的钢板W1、W2之间的分离，从而能够使钢板W1、W2紧密接触。另外，通过固定电极3的压力接触使钢板W1、W2在压力接触位置P3无间隔地紧密接触，通过调整电流值来控制在抵接位置P2压力接触位置P3的翘曲程度，从而也能够对照射位置P4的间隙H进行管理。
并且，在对可动电极2与固定电极3之间施加电流的同时，通过未图示的电动机和进给机构，通过臂6一体地设置在激光头10上的可动电极2和固定电极3以一定速度朝焊接方向D前进。
这样，在激光照射机构4中，激光振荡器8被驱动，从激光振荡器8导出的激光束L被传送至激光头10。然后，激光束L经聚光透镜11照射到最表层的钢板W1的照射位置P4，使钢板W1和钢板W2焊接在一起。
此时，沿着激光束L的照射位置P4，钢板W1、W2的重叠面的覆膜被加热，该覆膜的金属成分(锌)气化，但气化了的锌蒸气从间隙H排出到大气中，因此能够可靠、牢固地焊接钢板W1、W2。并且，调整电流值，使在抵接位置P2与压力接触位置P3的热输入量为足以形成间隙且不会使钢板W1的表面熔融的值，由此能够实质性地避免钢板W1的表面损伤。
另外，在本发明实施方式中，也可以构成为设置与钢板W1或邻接的钢板W2连接的接地电极以代替可动电极2，并只使固定电极3与钢板W1压力接触，在该情况下，通过钢板W1的电极仅为固定电极3，因此装置结构被简化。另外，也可以构成为可动电极2或固定电极3中的任一个与另一钢板W2从与在钢板W1上的抵接方向相反的方向抵接或压力接触。在该情况下，钢板W、W2在电极的抵接和压力接触位置被加热而产生热膨胀后，该加热部从钢板W1、W2的表面开始冷却收缩，钢板W1、W2的端部产生向彼此相反的方向离开的塑性变形。因此，能够减小施加在可动电极2与固定电极3之间的电流值。
另外，作为本实施方式的其他形式，可以使钢板W1上的可动电极2的抵接位置P2、固定电极3的压力接触位置P3以及激光束的照射位置P4的位置关系为图4所示那样。即，可以是领先的压力接触位置P3的轨迹即固定电极线α’为与焊接方向D平行的直线，后续的抵接位置P2的轨迹即可动电极线β’为与焊接方向D平行、且与固定电极线α’隔开一定间隔的直线，最后的照射位置P4的轨迹即焊接线γ’为与焊接方向D平行、且与可动电极线β’隔开一定间隔的直线。
在该情况下，与固定电极3通过前的图5(a)相对照，如图5(b)所示，首先，由于固定电极3的通过而在固定电极线α’上产生第一翘曲。另外，此时由于钢板W1与固定电极3压力接触，因此钢板W1与钢板W2在压力接触位置P3紧密接触。然后，如图5(c)所示，由于可动电极2的通过而在可动电极线β’上产生第二翘曲。因此，与前述的将可动电极2和固定电极3全部设置在平行于焊接方向的直线α上的情况相比，能够减小在固定电极线α’和可动电极线β’处的热输入量，从而能够进一步抑制钢板W1的损伤。
此外，作为本实施方式的另一形式，如图6所示，能够对3块钢板W1～W3进行激光焊接。在该情况下，使可动电极2与最表层的钢板W1抵接，并使固定电极3与最表层的钢板W1压力接触，对钢板W1的抵接位置P2和压力接触位置P3进行加热，使产生的热从钢板W1传递至钢板W2。此时，钢板W1由于在钢板W1的抵接位置P2和压力接触位置P3所产生的热而大幅度地上翘，与此相对，钢板W2则由于仅被传递了在钢板W1的抵接位置P2和压力接触位置P3所产生的热的一部分，因而上翘幅度较小。因此，在钢板W1与钢板W2之间以及钢板W2与钢板W3之间分别形成有所述间隙H，从而能够在该间隙H为预定间隔的位置照射激光束L。此时，钢板W1～W3沿着激光束L的照射位置P4被加热，覆膜的金属成分(锌)气化，但由于气化了的锌蒸气能够从间隙H排出到大气中，因此能够可靠且牢固地焊接钢板W1～W3。并且，调整电流值，使在抵接位置P2和压力接触位置P3的热输入量为足以形成间隙、且不会使钢板W1的表面熔融的值，由此能够实质性地避免钢板W1的表面损伤。
另外，在本实施方式中，可动电极2通过旋转机构7可自由旋转地进行设置，但是只要可动电极2是这样的机构即可可动电极2的顶端的位置相对于激光头10可变，并且可动电极2能够跟随钢板W1的表面形状，因此，也可以在臂6上设置轨道，使可动电极2在该轨道上滑动，从而设置成可自由移动。另外，也可以使用橡胶衬套或弹簧来代替旋转机构7。
另外，在本实施方式中，激光束L照射在最表层钢板W1上，但是通过从钢板W1和钢板W2的端部方向朝向形成于钢板W1与钢板W2之间的间隙H照射激光束L的角焊，也能够获得与本发明同样的效果。
在本实施方式中，钢板W1～W3为镀锌钢板，但是也可以使用其他的铁合金、铝合金等金属材料作为母材，钢板W1～W3的表面覆膜也不限于镀锌，也可以是沸点低于钢板材料的镀镍或镀铬。
权利要求
1.一种激光焊接方法，对多个平板状工件进行激光焊接，所述多个平板状工件中的至少一个在表面上具有覆膜，其中，通过与最表层的工件抵接的电极对最表层的工件通电，通过在最表层的工件上形成变形部、并使该变形部离开邻接的工件，来在工件之间形成间隙，向形成有该间隙的位置照射激光束。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，通过使该工件的电极抵接部、或者该工件的电极抵接部与邻接工件的传热部热膨胀、然后收缩，来形成所述变形部，其中热从所述电极抵接部传递至所述传热部。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述电极为一对电极，使一个电极与所述最表层的工件抵接，并且使另一个电极与该工件压力接触，并向两电极之间通电。
4.一种激光焊接装置，对多个平板状工件进行激光焊接，所述多个平板状工件中的至少一个在表面上具有覆膜，所述激光焊接装置包括一对电极，其使最表层的工件通电，以在工件之间形成间隙；以及激光头，其向形成有所述间隙的位置照射激光束。
5.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中，所述一对电极包括固定电极，其设置成可以与所述最表层的工件压力接触；以及可动电极，其设置成可以与所述最表层的工件自由抵接。
6.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中，所述最表层的工件被通电，以使该工件的电极抵接部、或者该工件的电极抵接部与邻接工件的传热部热膨胀，从而在所述电极抵接部、或者所述电极抵接部和所述传热部形成变形部，并且，形成所述间隙，其中，热从所述电极抵接部传递至所述传热部。
7.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中，向这样的位置照射激光束所述间隙的间隔的大小能够使由于被加热的覆膜的气化而产生的蒸气挥散的位置。
8.根据权利要求5所述的激光焊接装置，其中，所述固定电极配置于从所述激光头离开预定距离的位置，所述可动电极配置于从所述激光头离开预定距离的位置。
全文摘要
一种激光焊接方法及装置，将在表面上具有覆膜的多个平板状工件重叠起来进行激光焊接，能够容易地调节热输入量，并且能够实质性地避免工件表面的损伤。使电极(2、3)与最表层的工件(W1)抵接并通电，通过使该工件(W1)的电极抵接部、或者该工件(W1)的电极抵接部与邻接工件(W2)的传热部热膨胀、然后收缩，来形成变形部(Q)，其中，热从所述电极抵接部传递至所述传热部，使该变形部(Q)离开邻接的工件(W1、W2)，从而在重叠的工件(W1、W2)之间形成间隙(H)，并使激光束(L)照射在这样的位置该间隙(H)的间隔的大小能够使由于被加热的覆膜的气化而产生的蒸气挥散的位置。
文档编号B23K26/42GK1907632SQ200610110650
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月5日
发明者小田幸治 申请人:本田技研工业株式会社