激光焊接方法和激光焊接系统的制作方法

专利名称：激光焊接方法和激光焊接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种激光焊接方法和 一 种激光焊接系统。
技术背景通常，使用移动装置进行某些类型的焊接。近几年来，也 使用移动装置进行激光焊接。使用具有被构造和布置成将激光 束聚焦到工件的表面上的透镜或反射镜的激光加工头进行该激 光焊接。该加工头一皮构造和布置成在通过移动装置移动的同时 将激光束照射到工件的表面上。激光束通过向工件施加指定的 热量来焊接工件。日本特开2003-251481号7〉报公开了该传统的 激光焊接系统，在该传统的激光焊接系统中，为了相对于焊接 位置定位激光加工头(即定位激光束)，移动装置被暂时停止在 焊接开始点和焊接结束点，并且响应来自移动装置的同步信号 开始激光振荡器的激光输出。当开始激光输出时，移动装置从 停止状态加速，且未到达焊接所需的速度。从而，如果在激光 焊接开始时以与已经到达所需速度时相同的方式进行焊接，则 由于剧烈的高输出激光束照射到小的表面积上导致焊接状态变 得不稳定。因此，在传统的激光焊接系统中，例如，控制激光 输出的波形，以试图稳定焊缝端部的焊接质量。考虑到上述问题，对本领域技术人员来说，从该公开内容中明显的是存在改进激光焊接方法和激光焊接系统的需要。 本发明致力于现有技术中的该需要和其它需要，对本领域技术 人员来说，从该公开内容中，这些需要将变得明显。发明内容对于上述引用中公开的传统激光焊接系统，为了在使移动 装置加速的同时控制焊接质量，与移动装置同步地控制激光输 出。由于加速的激光加工头的移动速度根据移动装置的路径和 速度而变化，因此必须根据激光加工头的移动速度的变化控制 激光输出。因此，在传统的激光焊接系统中，焊接的边缘部(焊 接开始点和焊接结束点)的最终的质量不稳定。而且，在传统 的激光焊接系统中，由于激光振荡器响应来自移动装置的信号 (激光输出信号)输出激光束，所以，由于在发出信号与接收 信号之间出现时间延迟，因此必须设置等待时间直到激光输出 稳定。然而，如果为了试图解决上述问题而在未停止用于定位的 移动装置的情况下输出激光，则因为来自移动装置的激光输出 信号的输出定时根据移动装置的移动速度和路径而变化，且在 将激光输出信号传递到激光振荡器之后产生激光束，因此激光 射出相对于移动装置的移动速度和移动路径会延迟和/或不一 致。考虑到这些问题，本发明的一个目的是提供一种激光焊接 方法和一种激光焊接系统，利用该激光焊接方法和激光焊接系 统产生的焊接质量不会取决于对激光振荡器的输出的控制，并 且可以以高质量加工焊接开始位置和结束位置。为了实现上述目的，提供一种激光焊接方法，该激光焊接方法基本上包括控制从激光振荡器输出的激光束的焦点，以将所述激光束选择性地聚焦在工件的焊接表面上；移动所述激光束在所述工件的所述焊接表面上的激光照射位置；以及通过 如下方式逐渐改变施加到所述工件的所述焊接表面上的热量从 而在焊接状态与非焊接状态之间选择性地切换在所述焊接状 态与所述非焊接状态之间的所述切换之前和之后，在从所述激 光振荡器连续输出所述激光束的同时，进行控制所述焦点和移 动所述激光照射位置至少之一 。对本领域技术人员来说，从下面结合附图对本发明的优选 实施例的详细i兌明中，本发明的这些和其它目的、特征、方面 和优点将变得明显。


现在参照形成该原始公开内容的 一 部分的附图图1是使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接方法的激 光焊接系统的简化示意图；图2是激光焊接系统的激光加工头的示意性立体图，图解布 置在根据本发明的第 一 实施例的激光加工头中的部件；图3是在使用激光焊接方法的比较例的情况下，在焊接开始 点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动速度、激光 束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间的一组图；图4是在使用激光焊接方法的比较例的情况下，在焊接结束 点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动速度、激光 束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间的组图；图5是在使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接方法的 情况下，在焊接开始点处激光振荡器的输出功率、激光照射位 置的移动速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间的组图；图6是在使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接方法的 情况下，在焊接结束点处激光振荡器的输出功率、激光照射位 置的移动速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相 对于时间的组图；图7是通过根据本发明的第 一 实施例的激光焊接系统的控 制单元执行的激光焊接方法的控制处理的流程图；图8是使用根据本发明的第二实施例的激光焊接方法的激 光焊接系统的示意性立体图；图9是激光焊接系统的激光加工头相对于多个焊接部的示 意图，图解了在根据第二实施例的激光焊接系统中如何改变激 光束的射出方向；图10是在使用根据第三实施例的激光焊接方法的情况下， 在焊接开始点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动 速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间 的组图；图11是在使用根据第三实施例的激光焊接方法的情况下， 在焊接结束点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动 速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间 的组图。
具体实施方式
现在将参照

本发明的选定实施例。对本领域技术 人员来说，从该公开内容中明显的是下面对本发明的实施例 的说明仅是为了例证而提供，而不是为了限制由所附权利要求 书及其等同限定的本发明。首先参照图1至图7 ，图解了使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接方法的激光焊接系统l。图l是根据本发明的第一实施例的激光焊接系统1的简化示意图。图2是激光焊接系统1的激 光加工头3的示意性立体图，图解布置在根据本发明的第一实施 例的激光加工头3中的部件。与焊接夹具与工件直接接触的传统的点焊和其它类型的焊 接不同，利用远离工件W的加工头3射出的激光束来完成使用根 据第 一 实施例的激光焊接系统l进行的焊接。图l所示的激光焊接系统l包括激光振荡器2，其用作激光 光源；加工头3，其被构造和布置成向工件W射出激光束100; 移动装置4，其被构造和布置成支撑加工头3以使加工头3沿多个 轴向移动；以及控制单元5，其被构造成控制激光振荡器2的输 出、移动装置4的移动、以及加工头3的操作。如在图l中看到的那样，移动装置4具有多个致动器6(在本 例中设置两个致动器6)和多个移动轴(axes) 7 (在本例中设 置2个移动轴7)，使得移动装置4可以沿多个轴向移动加工头3。 尽管图1所示的激光焊接系统1被构造成可以沿两个轴向移动加 工头3， ^旦该系统也可以,皮构造成沿三个轴向移动加工头3。移 动装置4被构造成根据通过进行示教操作获得的移动路径数据 移动加工头3。尽管第一实施例的移动装置4被图解为多轴线移 动装置，但使用例如具有臂构造(参见图8)的装置也是可接受 的。如图2所示，通过光缆8将激光束100传送到加工头3。加工 头3具有透镜9，激光束100通过该透镜9;反射镜IO，其被构 造和布置成反射透过透镜9的激光束100;透镜组ll,其具有多 个透镜11A至11C;以及两个转动反射镜12A和12B。透镜组ll 用作被构造和布置成改变从反射镜10反射的激光束100的焦距 的焦点控制部。转动反射镜12A和12B被构造和布置成转动反射镜12A和12B可以转动，以使射出透镜组11的激光束100对准目 标方向。更具体地，转动反射镜12A和12B相对于彼此布置成可 绕不同的轴自由地、独立地转动，由此自由地改变激光束100 的射出方向。因此，在加工头3内设置两个电动机13A和13B， 分别用于使转动反射镜12A和12B转动。通过来自控制单元5的 信号控制电动才凡13A和13B的移动。类似地，没置电动才几14,以 改变由透镜组ll确定的焦点位置。在本实施例中，电动机1W皮 构造和布置成根据来自控制单元5的控制命令移动例如透镜组 11的可动透镜11A。激光振荡器2优选是YAG激光振荡器。使用YAG激光器，使 得可以通过光缆8传送激光束100。对于远程激光焊接，也可以 使用二氧化碳气体激光器作为激光振荡器2，但是不能通过光缆 8传送来自二氧化碳气体激光器的激光束。而是使用反射镜或棱 镜将二氧化碳气体激光束从激光振荡器2引入到加工头3。在本 发明中可以使用可以用于激光焊接的任何其它激光器。根据用 作激光振荡器2的激光器的类型适当地选择向加工头3输送激光 束的方法，例如使用光缆8或反射镜。现在将更详细地说明控制单元5。如在图l中看到的那样， 控制单元S具有移动装置控制部5A和加工头控制部5B。通过来 自移动装置控制部5 A的移动量命令信号S1控制移动装置4的移 动(即致动器6的操作)。从而，移动装置控制单元5A被构造成 通过控制移动装置4的移动来控制激光束照到工件W的照射位 置。除了移动装置4之外，还使用转动反射镜12A和12B控制激 光束照到工件W的照射位置。加工头控制部5B被构造成基于从移动装置控制单元5A接 收的信号S2计算加工头命令信号S3，并且通过将加工头命令信 号S3发送到加工头3来控制可动透镜11A的移动(即控制电动机ii14的操作)以及转动反射镜12A和12B的运动(即控制电动机 13A和13B的操作)。从而，可动透镜11A以及转动反射镜12A和 12B的运动可以被控制成与移动装置4的移动(即致动器6的操 作)同步。控制单元5优选包括具有激光焊接控制程序的微型计算机， 该微型计算机如下文所述地控制激光振荡器2、加工头3和移动 装置4。控制单元5还可以包括如输入4妻口电^各、输出4妻口电蹈^ 以及如ROM (只读存储器)装置和RAM (随机存储器)装置等 存储装置等其它传统部件。存储电路存储处理结果和由处理器 电路运行的控制程序。控制单元5以传统的方式与激光振荡器2、 加工头3和移动装置4可操作地联接。控制单元5的内部RAM存 储操作标记(operational flags )的状态和各种控制数据。控制 单元5的内部ROM存储各种操作的控制数据。控制单元5能够根 据控制程序选择性地控制该控制系统的任何部件。对本领域技 术人员来说，从该公开内容中明显的是控制单元5的精确结构 和算法可以是实现本发明的功能的硬件和软件的任何组合。换 句话说，如在说明书和权利要求书中利用的"装置加功能"条款 应该包括可以用来实现"装置加功能，，条款的功能的任何结构或 硬件及/或算法或软件。如在图l中看到的那样，激光振荡器2包括激光振荡器控制 部2A和激光产生部2B。激光振荡器控制部2A被构造成接收来 自控制单元5的移动装置控制部5 A的激光接通/切断命令信号 S4，并将激光产生命令信号S5发送到激光产生部2B。激光产生 部2 B被构造成响应激光产生命令信号S 5输出激光束。由于激光 产生部2B的激光输出对激光产生命令信号S5的响应较慢，因 此，激光产生部2B通常被操作成恒定地输出指定的低功率激光 束，且当接收到激光产生命令信号S5时功率提高到焊接所需的水平。现在将说明利用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接系统 l进行的激光焊接方法。首先，为了更好地说明本发明，将讨论激光焊接方法的比 较例。图3是在使用激光焊接方法的比较例的情况下，在焊接开 始点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动速度、激 光束的焦点位置、以及向工件W施加的热量相对于时间的组图。图4是在使用激光焊接方法的比较例的情况下，在焊接结束点处 激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动速度、激光束的 焦点位置、以及向工件W施加的热量相对于时间的组图。在图3 和图4的顶部以简化的形式描绘了加工头3 ，以便易于说明并说 明激光振荡器的输出功率、移动速度、焦点位置、以及施加的 能量相对于加工头3的位置和从加工头3射出到工件W上的激光 束100的焦距的变化。更具体地，在图3和图4中，以如下方式绘 制激光振荡器的输出功率、移动速度、焦点位置、以及施加的 能量的变化在图3和图4的底部的工件W的俯视图中，沿工件 W上的焊接部指示出对应的位置。如图3所示，对于比较例的激光焊接方法，激光束100的焦 点位置101与工件W的焊接表面恒定地对准，且当激光束10 0的 激光照射位置到达焊接部Y的焊接开始点Y i时，激光振荡器2的 输出功率从低功率水平Po增大到水平P,。当激光输出功率水平 增大时，由于控制系统的固有延迟以及激光振荡器2的输出的不 好的控制响应特性，导致激光振荡器2的输出功率需要时间来稳 定。因此，在图3所示的比较例中，在激光束100到达焊接开始 点Yi之前，暂时停止激光束100照到工件W的表面的照射位置的 移动(参见图3的移动速度图)。然后，在增大激光振荡器2的输 出功率的同时增大移动速度。由于移动速度处于增大的过程中(即未到达用于焊接的速度VJ,因此，向焊接开始点Yi的区 域中的焊接部Y施加超过所需的热量，且所施加的热量J不能平 滑地变化(参见图3中的施加的热量图)。因此，在图3所示的比 较例中，焊接状态变得不稳定，并且有时产生如在焊缝端部形 成孔以及焊缝宽度变得太大等问题。激光振荡器2从切断状态切换到接通状态所需的时间通常 比在激光振荡器2已经处于接通状态时增大激光器输出的输出 功率所需的时间更多。更具体地，当激光振荡器2从切断状态切 换到接通状态时，向激光振荡器2供给所需量的电能、将电能转 换成光能、以及将光能的量增强需要时间。因此，在焊接开始 前，输出基本上不会焊接工件的低功率水平P。的激光束。然而， 在图3所示的比4交例中，由于激光束100的焦点4立置101与工件W 的表面对准，因此，在工件W的表面上残留激光输出痕W"如图4所示，对于比较例的激光焊接方法，当激光束100到 达焊接部Y的焊接结束点Y2时，激光振荡器2的输出水平从功率 水平P,降低到低功率水平P。。当输出的激光功率水平降低时， 由于控制系统的固有延迟以及激光振荡器2的输出的不好的控 制响应特性，导致稳定激光振荡器2的输出功率需要时间。因此， 在图4所示的比较例中，当激光束10 0移动到焊接结束点Y 2时， 激光束10 0照到工件W的表面的照射位置的移动速度降低且激 光振荡器2的输出功率降低。在该阶段，移动速度处于降低的过 程中，且如果移动速度降低的太多，则超过所需的热量将被施 加到焊接结束点Y2的区域中的焊接部Y,并且所施加的热量J不 能平滑地变化(参见图4中的施加的热量图)。因此，在比较例 的激光焊接方法中，有时会产生与图3所示的焊接开始点Y,说 明的问题类似的问题。对于图3和图4所示的比较例的激光焊接方法，当激光照射位置的移动速度改变时，通过与激光照射位置的移动同步地控 制激光束100的输出功率来控制焊接质量。因此，在比较例的激 光焊接方法中，必须根据激光照射位置的路径和移动速度控制激光束100的输出功率，并且在焊接开始点Yi和焊接结束点Y2处质量变得不稳定。另外，由于利用来自控制单元5的信号控制激光振荡器2的 输出功率，因此，信号的固有时间延迟和信号输出与信号接收 之间的时间的变化量使激光输出定时改变。因此，当使用比较 例的激光焊接方法时，必须允许激光输出有时间稳定，并且包 括作为牺牲品的余量焊缝。此外，在比较例的激光焊接方法中，如果在不暂时停止照 射位置的移动的情况下进行激光焊接，则激光输出的延迟和变 化将使得不可能在指定位置中形成指定形状的焊接。现在将参照图5和图6说明根据第 一 实施例的激光焊接方 法。图5是在使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊接方法的情 况下，在焊接开始点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置 的移动速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对 于时间的组图。图6是在使用根据本发明的第 一 实施例的激光焊 接方法的情况下，在焊接结束点处激光振荡器的输出功率、激 光照射位置的移动速度、激光束的焦点位置、以及向工件W施 加的热量相对于时间的组图。在图5和图6的顶部以简化的形式 描绘了加工头3，以易于说明并说明激光振荡器的输出功率、移 动速度、焦点位置、以及施加的能量相对于加工头3的位置和从 加工头3射出到工件W上的激光束IOO的焦距的变化。更具体地， 在图5和图6中，以如下方式绘制激光振荡器的输出功率、移动 速度、焦点位置、以及施加的能量的变化在图5和图6的底部 的工件W的俯视图中，沿工件W上的焊接部指示出对应的位置。第 一 实施例的激光焊接方法被布置成利用移动装置4移动 加工头3，并且连续焊接设置在工件W上的多个焊接部Y。然而， 在图5和图6中，将说明仅对焊接部Y中的 一 个进行焊接的过程。对于根据第一实施例的激光焊接方法，如图5所示，在激光 照射位置到达焊接开始点Y,之前，激光束100的焦点位置101被 布置在距工件W的表面例如大约3mm处(例如，移动到工件W 的表面下方)。控制单元5被构造成在激光照射位置到达焊接开 始点Y!之前的指定量的时间tl (例如0.1至0.2秒)时开始增大激 光振荡器2的输出功率。该指定量的时间tl优选被设定成当激光 照射位置到达焊接开始点Y,时激光输出功率到达并稳定在所 需水平。然后，在激光照射位置正要到达焊接开始点Y,之前， 控制单元5被构造成开始通过控制透镜组11 (在本实施例中通过 控制透镜11A的移动)将激光束100的焦点位置IOI与工件W的 表面对准(即开始移位到对准位置)。与激光输出功率不同的是，可以通过控制透#:组iH吏焦点位置ioi以良好的控制响应特性移动，因此，可以在正确的位置(即焊接开始位置Yt )精确开 始焊接，而无需暂时减小移动速度以及相对于焊接开始位置Y, 定位加工头3。换句话说，如在图5中看到的那样，激光照射位 置的移动速度优选保持在恒定速度V,。此外，当激光照射位置到达焊接开始点Y!时，只要激光振 荡器2的输出功率到达焊接所需的水平，激光振荡器2的输出功 率就不成问题。从而，焊接开始点Yi的位置取决于具有良好的 控制响应特性的焦点位置101的移动。结果，如图5所示，可以 以高精度定位焊接开始点Yi,并且可以正确地形成焊接部Y的 焊缝。 一旦激光振荡器2的输出功率开始增大，将焦点位置101 移到工件的表面所需的时间是例如大约0.2秒到大约0.3秒。由于在激光振荡器2的输出功率增大的同时，焦点位置101与工件W的表面在焊接部Y的焊接开始点Y处逐渐对准，因此， 施加到工件W的表面的所施加的热量J不会突然增大，可以实现 稳定的焊接状态。结果，可以在不执行不必要的额外焊接的情 况下，获得平整的焊缝。即使在开始焊接之前激光振荡器2以低功率水平P。射出激 光束，但是因为焦点位置101不与工件W的表面对准，因此不会 形成激光输出痕。结果，焊接之后可以得到漂亮的外观。如图6所示，可以在焊接部Y的焊接结束点Y2处类似地控制 激光束，以在不暂时减小激光照射位置的移动速度的情况下结束激光焊接。为了完成当照射位置到达焊接结束点Y2时焦点位置101远离工件W的表面的移位，控制单元5被构造成在到达焊 接结束点Y2之前的指定量的时间t2时开始移动焦点位置101。然 后，控制单元5被构造成开始降低激光振荡器2的输出功率，并 且当焊接部Y的焊接结束点Y2处完成焦点位置101的移位时完 成激光焊接。在完成激光焊接之后，控制单元5被构造成向下一 焊接部(即，工件W上的将要进行焊接的位置)移动激光束IOO。 将参照图7的流程图说明在激光焊接系统1的控制单元5中 执行的控制处理。当开始图7的控制处理时，如图5所示，激光 束100的焦点位置101被设定成偏离工件W的表面(设定在偏离 位置)。在步骤S10中，控制单元5被构造成向焊接部Y移动激光 照射位置。在步骤S11中，控制单元5被构造成在激光照射位置 到达焊接开始点Y，之前的指定量的时间tl时开始将激光振荡器 2的激光输出功率从低功率水平P 。增大到焊接所需的功率水平 P"在步骤S12中，控制单元5被构造成判断指定量的时间tl是 否已过去。如果在步骤S12中控制单元5判断指定量的时间tl已 过去，则在步骤S13中，控制单元5被构造成将激光束100的焦 点位置101与工件W的表面对准，以开始焊接。在步骤S14中，控制单元5被构造成判断指定量的时间是否已过去。基于焊接部 Y的尺寸和其它因素确定步骤S14中使用的指定量的时间。在步骤S15中，控制单元5被构造成在激光照射位置到达焊接结束点 Y2之前的指定量的时间t2时开始移动焦点位置101,以使其从工 件W的表面偏离。然后，在步骤S16中，控制单元5被构造成开 始降低激光振荡器2的激光输出功率。在步骤S17中，控制单元S17中判断所有的焊接部还未全被焊接，则在步骤S18中，控制 单元5被构造成向下一焊接部移动激光照射点，并重复步骤Sll 至S17中的处理。当在步骤S17中判断已完成所有的焊接部的激 光焊接时，控制单元5被构造成结束图7所述的控制处理。对于第 一 实施例的激光焊接方法，可以通过移动激光束100 的焦点位置101来加工焊接部Y的焊接开始点Y,和焊接结束点 Y2，由此消除了执行操作以专门用来补偿激光振荡器2的不好 的控制响应特性的需要。另外，可以以良好的控制响应特性通 过透镜组ll (焦点控制部)控制焦点位置101。由于可以通过移 动焦点位置101而以良好的控制响应特性加工焊接部Y的焊接 开始点Y,和焊接结束点Y2，因此可以高质量地加工焊接部Y的 边缘。此外，由于使加工头3的移动与激光振荡器2精确同步所 需的时间可以省略，因此可以提高焊接加工的速度(即，可以 减少焊接时间)。由于在激光振荡器2的输出功率降低的同时，焦点位置101 逐渐移动远离工件的焊接部Y的焊接结束点Y2处的表面，因此 施加到工件W的表面的所施加的热量J不会突然变化，并且可以 得到稳定的焊接状态。结果，可以在不执行不必要的额外焊接 的情况下获得平整的焊缝。另外，由于焊接结束加工不依赖于激光振荡器2的输出功率，因此即使在激光焊接期间如紧急停止情况等突然停止系统 的情况下也可以防止在焊接结束处产生孔和其它的质量不稳 定。对于第 一 实施例的激光焊接方法，所施加的热量J的变化取决于激光束100的焦点位置101。所施加的热量J与工件w的激光照射部的表面积成比例，乂人而，与照射部的半径的平方成比例。因此，所施加的热量J对焦点位置101的变化非常敏感，并且可以以较高的速度控制所施加的热量J。由于第 一 实施例的激光焊接方法不需要对激光照射位置的移动速度进行复杂控制，因此可以在不对转动反射镜12A和12B 进行复杂控制的情况下，保持良好的焊接质量。在图5和图6所示的例子中，焦点位置101开始移位(上升) 以与工件W的表面对准的点以及焦点位置101完成移位(下降) 以从工件W的表面偏离的点分别与焊接开始点Y i和焊接结束点 Y2匹配(同步)。然而，焊接开始点Y、和焊接结束点Y2基于所 施加的热量J而 一皮确定，而不必与焦点卩立置101开始上升的点以 及焦点位置101完成下降的点一致。第二实施例现在将参照图8和图9说明根据第二实施例的激光焊接系统 l'。考虑到第一实施例与第二实施例之间的相似性，与第一实 施例的零件相同的第二实施例的零件将使用与第 一 实施例的零件相同的附图标记。而且，为简略起见，可省略与第一实施例 的零件相同的第二实施例的零件的说明。图8是使用根据第二实施例的激光焊接方法的激光焊接系统r的示意性立体图，而图9是图解当采用根据第二实施例的激光焊接方法时如何改变激光束10 0的射出方向的示意图。在图9 中使用简单的基本的例子以便易于理解。第二实施例的激光焊接系统l'与第 一 实施例的激光焊接系统i的不同之处在于第二实施例的激光焊接系统r包括臂结构21来代替第一实施例的移动装置4，如在图8中看到的那样，臂 结构21具有构成多轴运动装置的多个运动轴。如图8所示，加工 头3与臂结构21的顶端联接。其它方面的构成特征和激光焊接方 法与第一实施例的相同，所以省略其说明。与第一实施例类似，转动反射镜12A和12B (图9中集中表 示为12) i殳置在加工头3内。转动反射镜12A和12B^皮构造和布 置成根据臂结构21的运动而转动，以改变激光束100的射出方 向。在第二实施例中，因为具有多轴的臂结构21能够改变加工 头3的位置和角度，使得可以通过单一的转动反射镜将激光束 100的方向改变到目标位置，因此在加工头3中仅包4舌一个转动 反射镜来代替两个转动反射镜也是可接受的。在第二实施例中，如图9所示，当存在多个焊接部22A至22F 时，甚至在正在向当前的目标焊^接部(例如，部位22A)射出 激光束100的同时，加工头3以指定的速度向下一焊接部(例如， 部位22B)移动。即使加工头3正在移动，也将转动反射镜12A 和12B控制成激光束100不会远离当前正焊4妻的焊4妻点(例如， 部位22A)移动，直到完成该焊接点(例如，部位22A)的焊接。通过使臂结构21运动来完成加工头3的位置移动。如在第一 实施例中那样，通过控制单元5的运动装置控制部5A来控制臂 结构21的运动，并且将臂结构21运动成使得从当前焊接点向下 一焊接点以恒定速度移动加工头3的位置。从而，在图9所示的 例子中，从位置A向位置J以恒定速度移动加工头3。在正在焊接一个焊接点的同时，将转动反射镜12A和12B 转动成使得激光束100的激光照射位置以几乎等于加工头3的移 动速度的指定焊接移动速度沿与加工头3的移动方向相反的方向移动。由于激光焦点位置以与加工头3几乎相同的速度但沿与加工头3的移动方向相反的方向移动，因此在正在焊接一个焊接部位的同时，激光焦点位置大致保持固定在该焊接部位处。以与加工头3 "几乎"相同的速度移动激光照射位置的原因在于根 据焊接点的焊缝形成长度(焊缝尺寸)，可能需要相对于单一的 焊接部位移动激光照射位置。换句话说，基于焊缝形成长度， 激光照射位置的移动速度被调整成比加工头3的移动速度稍慢， 使得沿加工头3的移动方向形成焊缝。加工头3的移动速度必须比焊接速度快，使得在完成焊接当 前焊接部位(例如，部位22A)之后激光束100可以立即到达下 一焊4妄部位(例如，部位22B)。第三实施例现在将参照图IO和图ll说明根据第三实施例的激光焊接系 统。考虑到第一实施例与第三实施例之间的相似性，与第一实 施例的零件相同的第三实施例的零件将使用与第 一 实施例的零 件相同的附图标记。而且，为简略起见，可省略与第一实施例 的零件相同的第三实施例的零件的说明。在第三实施例中，激光焊接系统的构成特征与图l和图2所 示的第 一 实施例的激光焊接系统1的构成特征相同。第三实施例 的激光焊接方法与第 一 实施例的激光焊接方法的不同之处在 于在第三实施例中，在焊接部Y的焊接开始点Y!和焊接结束 点丫2的区域中控制激光照射位置的移动速度，来代替如在第一 实施例中那样控制激光束10 0的焦点位置101 。图IO是在使用根据第三实施例的激光焊接方法的情况下， 在焊接开始点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的移动 速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于时间 的组图。图ll是在使用根据第三实施例的激光焊接方法的情况下，在焊接结束点处激光振荡器的输出功率、激光照射位置的 移动速度、激光束的焦点位置、以及向工件施加的热量相对于 时间的组图。与第 一 实施例类似，根据第三实施例的激光焊接方法被构造成利用移动装置4 (图1 )移动加工头3，并且连续焊接设置在 工件W上的多个焊接部Y。在图10和图11中，将说明仅焊接焊 接部Y中的一个的过程。如图IO所示，第三实施例的激光焊4妻方法:帔构造和布置成激光束100的焦点位置101从开始到结束始终保持在工件W的焊 接表面上，并且当激光照射位置位于焊接开始点YJ付近时不移 位。相反地，在激光照射位置到达焊接开始点Y,之前(即，当 激光照射位置在从 一 个焊接部到另 一 焊接部的过渡区域中移动 时)，以指定速度V2 (过渡移动速度)移动激光照射位置，对 于激光束100来"i兌，该速度V2太快而不能施加焊4妻工件的表面 所需的热量J。在第三实施例中，转动反射4免12A和12B以及移 动装置4构成本发明的激光照射位置移动部。为了改变激光照射 位置的移动速度，控制单元5被构造成控制激光照射位置移动 部。控制单元5被构造成在激光照射位置到达焊接开始点Y,之 前的例如0.1至0.2秒时开始增大激光振荡器2的输出功率，使得 当激光照射位置到达焊接开始点Yi时，激光输出功率到达并稳 定在所需水平。然后，在激光照射位置正要到达焊接开始点Y, 之前，激光照射位置相对于工件W的表面的移动速度从指定速 度V2减小到指定速度V,(焊接移动速度)，在该指定速度Vi向 工件W施加焊接工件所需的热量。换句话说，移动速度减小到 指定速度Vn使得通过激光束100施加到工件W的表面的所施加 的热量J增大并开始焊接。与激光输出功率(具有不好的控制响应特性)不同，可以通过控制转动反射镜12A和12B以及移动装 置4以良好的控制响应特性改变激光照射位置的移动。因此，可 以在不暂时减小移动速度以及不定位激光束的情况下，在正确的位置精确地开始焊接。此外，只要当激光照射位置到达焊接开始点Y,时激光振荡 器2的输出功率到达焊接所需的水平，激光振荡器2的输出功率 就不成问题，从而，焊接开始点Y1的位置取决于具有良好的控 制响应特性的激光照射位置的移动速度。结果，可以以高精度 定位焊接开始点Y t,并且可以适当地形成焊接部Y的焊缝。如图10所示，在焊接部Y的焊接开始点Y,处，由于在激光 振荡器2的输出功率增大的同时激光照射位置的移动速度逐渐 减小，因此施加到工件W的表面的所施加的热量J不会突然增 大，并且可以实现稳定的焊接状态。结果，可以在不执行不必 要的额外焊接的情况下，获得平整的焊缝。即使在开始焊接之前激光振荡器2以低功率水平P。射出激 光束，但是因为激光照射位置相对于工件W的表面以高的速度 V2移动，因此不会形成激光输出痕。结果，焊接之后可以得到 漂亮的外观。如图ll所示，可以通过改变激光照射位置的移动速度在焊 接部Y的焊接结束点Y 2处类似地控制焊接。此外，在第三实施例中，激光束100的焦点位置101从开始 到结束始终保持在工件W的表面，并且当激光照射位置位于焊 接结束点Y2附近时焦点位置101不改变。相反地，在激光照射 位置到达焊接结束点Y 2之前，激光照射位置以指定速度V1移 动，对于激光束100来说，该指定速度V1适于施加焊接工件的表面所需的热量。当激光照射位置接近焊接结束点Y2时，控制单元5被构造成开始增大激光照射位置的移动速度直到速度V2,对于激光束100来说，该速度V2太快而不能施加焊接工件的表面所需的热量J。然后，控制单元5被构造成开始降低激光 振荡器2的输出功率，并且当在焊接部Y的焊接结束点Y2处完成 照射位置移动速度的增大时结束焊接。焊接结束后，控制单元5 被构造成连续降低激光输出功率直到低功率水平P。，并且在将 激光输出功率保持在低功率水平P()的同时，向下一焊接点移动 激光束100。这样，第三实施例的激光焊接方法能够通过控制激光照射 位置的移动速度来加工焊接部Y的焊接开始点Y,和焊接结束点 Y2,由此消除了执行操作以专门用来补偿激光振荡器2的不好 的控制响应特性的需要。另外，可以以良好的控制响应特性通 过激光照射位置移动部(转动反射镜12A和12B以及移动装置4 ) 控制激光照射位置。由于可以通过控制激光照射位置的移动速 度以良好的控制响应特性加工焊接部Y的焊接开始点Y i和焊接 结束点Y2，因此可以高质量地加工焊^接部Y的边》彖。此外，由 于可以省略与激光振荡器2同步所需的时间，因此可以增大焊接 加工的速度(即，可以减少焊接时间)。在焊接结束点￥2处，由于在激光振荡器2的输出功率降低 的同时激光照射位置的移动速度逐渐增大，因此施加到工件W 的表面的热量不会突然停止。因此，可以得到稳定的焊接状态。 结果，可以在不执行不必要的额外焊接的情况下获得平整的焊 缝。另外，由于焊接结束加工不依赖于激光振荡器2的输出功 率，因此即使在激光焊接期间如紧急停止情况等突然停止系统 的情况下也可以防止在焊接结束处产生孔和其它的质量不稳 定。对于第三实施例的激光焊接方法，由于在焊接期间焦点位置101保持恒定，因此可以用简单的光学系统实现焊接，并且可 以减少系统的成本。对于第三实施例的激光焊接方法，因为通过控制单元5直接控制激光照射位置移动部(转动反射镜12A和12B以及移动装置 4 ),因此可以容易地控制激光照射位置及其移动速度。对于第三实施例的激光焊接方法，用于激光照射位置移动 部(转动反射镜12A和12B以及移动装置4)的驱动系统可以3皮 构造成重量轻的且紧凑的，从而可以以高的速度和高水平的性 能移动激光照射位置。结果，可以稳定焊接质量，并且可以缩 短增大和减小激光照射位置的移动速度所需的时间。在图IO和图ll所示的例子中，照射位置的移动速度开始增 大的点以及照射位置的移动速度完成下降的点分别与焊接开始 点Y1和焊接结束点Y2匹配(同步)。然而，焊接开始点Y1和焊 接结束点Y 2根据所施加的热量J被确定，而不必与照射位置的 移动速度开始增大的点以及照射位置的移动速度完成下降的点 一致。本发明不限于上述实施例。可以在权利要求书的范围内进 行各种变形和改进。例如，代替在第一实施例中通过移动可动 透镜11A移动焦点位置101,可以通过移动具有移动装置4 (或 臂结构21 )的加工头3、改变反射镜12的出射角、或通过使用这 些方式的组合来移动焦点位置101。此外，可以使用多个可动透 镜代替一个透镜。另外，本发明的焦点控制部可以被构造和布置成改变在照 射位置处的激光束100的光点直径，来代替移动焦点位置101。 换句话说，代替通过移动焦点位置101来调整所施加的热量J， 可以通过改变工件W的被激光束照射的部分的表面积、即通过 改变激光束的光点直径来调整所施加的热量J。组合第一实施例和第三实施例，使得使用焦点控制部和激 光照射位置移动部二者来加工各焊接部Y的焊接开始点Y!和焊 接结束点Y2也是可接受的。因此，根据本发明的激光焊接方法被布置成通过控制激光束100的焦点位置101和/或控制激光束100的照射位置的移动速 度从一个焊接部切换到另一焊接部。换句话说，根据本发明的 激光焊接系统设置有焦点控制部和激光照射位置移动部。从而， 可以通过都具有良好的控制命令响应特性的控制焦点控制部或 激光照射位置移动部高质量地加工焊接部Y的边缘。 术语的一般解释在理解本发明的范围时，如在本文中使用的那样，术语"包 括"及其派生词是可扩展术语，其确定存在所述特征、元件、部 件、组、整体和/或步骤，但不排除存在其它未陈述的特征、元 件、部件、组、整体和/或步骤。上述情况也适用于如术语"包 含"、"具有"及其派生词等具有类似意义的词汇。此外，术语"部 件"、"部"、"部分"、"构件"或"元件"当以单数使用时，可以具 有单个部件或多个部件的双重意义。此外，如在本文中使用的用来说明上述实施例那样，以下方向术语"向前、向后、上方、 向下、垂直、水平、下方和横向"以及任何其它类似的方向术语 指的是配备有本发明的车辆的那些方向。因此，用来说明本发 明的这些术语应该相对于配备有本发明的车辆来解释。如在本文中使用的用来说明通过部件、部、装置等执行的 操作或功能的术语"检测"包括不需要物理检测的部件、部、装 置等，但还包括判断、测量、建模、预测或计算等以执行操作 或功能。如在本文中使用的用来说明装置的部件、部或零件等 的术语"被构造"包括被构造成和/或被编程为执行期望功能的 硬件和/或软件。而且，在权利要求书中表述为"装置加功能，，的术语应该包括可以用来执行本发明的该部的功能的任何结构。 如在本文中使用的"大致"、"约"和"大约"等程度术语指的是被 修饰术语的合理偏离量，从而不会显著改变最终结果。尽管仅选择被选定的实施例图解本发明，但通过所公开的 内容，对本领域技术人员来说明显的是，在不背离由所附权利 要求书限定的本发明的范围的前提下，可以进行各种修改和变 形。例如，可以根据需要和/或期望改变各部件的尺寸、形状、 位置或方向。可以在示出的彼此直接连接或接触的部件之间布 置中间结构。可以由两个元件执行一个元件的功能，反之亦然。 可以在 一 个实施例中采用另 一 个实施例的结构和功能。在 一 个特定的实施例中不必同时存在所有的优点。相对于现有技术独 特的每一个特征本身或与其它特征的组合也应该被认为是本申请人的进一步发明的单独说明，该特征包括由该特征具体化的 结构和/或功能概念。从而，根据本发明的实施例的上述说明仅 是为了图解而提供，而不是为了限制由所附权利要求书及其等 同限定的本发明。
权利要求
1.一种激光焊接方法，其包括控制从激光振荡器输出的激光束的焦点，以将所述激光束选择性地聚焦在工件的焊接表面上；移动所述激光束在所述工件的所述焊接表面上的激光照射位置；以及通过如下方式逐渐改变施加到所述工件的所述焊接表面上的热量从而在焊接状态与非焊接状态之间选择性地切换在所述焊接状态与所述非焊接状态之间的所述切换之前和之后，在从所述激光振荡器连续输出所述激光束的同时，进行控制所述焦点和移动所述激光照射位置至少之一。
2. 根据权利要求l所述的激光焊接方法，其特征在于， 控制所述焦点和移动所述激光照射位置中的所述至少之一包括对光学系统进行控制，以对所述激光振荡器输出的所述激 光束重襟斤定向。
3. 根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于， 控制所述焦点包括对所述光学系统的透镜的位置进行控制，以改变所述激光束的所述焦点。
4. 根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于，移动所述激光照射位置包括对所述光学系统的反射镜的动 作进行控制，以改变所述激光照射位置的移动速度。
5. 根据权利要求l所述的激光焊接方法，其特征在于，该 激光焊接方法还包括使控制所述焦,泉和移动所述激光照射位置中的所述至少之 一与所述激光照射位置到达所述工件的所述焊接表面上的焊接 开始点同步，以从所述非焊接状态切换到所述焊接状态。
6. 根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于，控制所述焦点包括将所述焦点的位置^v所述焦点偏离所述工件的所述焊接表面的偏离位置改变到所述焦点与所述工件的 所述焊接表面对准的对准位置，以从所述非焊接状态切换至'J所 述焊接状态。
7. 根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于， 移动所述激光照射位置包括将所述激光照射位置的移动速度从过渡移动速度减小到所述激光束施加热量以焊接所述工件 的所述焊接表面所需的焊接移动速度，以从所述非焊接状态转 换到所述焊接状态。
8. 根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于，该 激光焊接方法还包括在从所述非焊接状态切换到所述焊接状态之前，开始增大 从所述激光振荡器的所述输出。
9. 根据权利要求l所述的激光焊接方法，其特征在于，使控制所述焦,泉和移动所述激光照射位置中的所述至少之 一与所述激光照射位置到达所述工件的所述焊接表面上的焊接 结束点同步，以从所述焊接状态切换到所述非焊接状态。
10. 根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，控制所述焦点包括将所述焦,泉的位置乂人所述焦点与所述工 件的所述焊接表面对准的对准位置改变到所述焦点偏离所述工 件的所述焊接表面的偏离位置，以从所述焊接状态切换到所述 非焊接状态。
11. 根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，移动所述激光照射位置包括将所述激光照射位置的移动速 度从所述激光束施加热量以焊接所述工件的所述焊接表面所需 的焊接移动速度增加到过渡移动速度，以从所述焊接状态转换 到所述非焊接状态。
12. 根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，还包括在从所述焊接状态切换到所述非焊接状态之前，开始减小 从所述激光振荡器的所述输出。
13. —种激光焊接系统，其包括激光振荡器，其被构造和布置成输出激光束，以选择性地 焊接工件的焊接表面；焦点控制部，其被构造和布置成控制从所述激光振荡器输 出的所述激光束的焦点，以将所述激光束选择性地聚焦在所述 工件的所述焊接表面上；激光照射位置移动部，其被构造和布置成移动所述激光束 在所述工件的所述焊接表面上的激光照射位置；以及控制单元，其,皮构造成通过如下方式逐渐改变由所述激光 束施加到所述工件的所述焊接表面上的热量，以在焊接状态与 非焊接状态之间选择性地切换在所述焊接状态与所述非焊接 状态之间的所述切换之前和之后，在控制所述激光振荡器以连 续输出所述激光束的同时，控制所述焦点控制部和所述激光照 射位置移动部中的至少一个。
14. 根据权利要求13所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述焦,泉控制部和所述激光照射位置移动部中的所述至少一个被构造和布置成控制光学系统，该光学系统被构造和布置 成对从所述激光振荡器输出的所述激光束重新定向。
15. 根据权利要求14所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述焦点控制部被构造和布置成控制所述光学系统的透镜的位置，以改变所述激光束的所述焦点。
16. 根据权利要求14所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述激光照射位置移动部被构造和布置成控制所述光学系统的反射镜的动作，以改变所述激光照射位置的移动速度。
17. 根据权利要求13所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述焦点控制部被构造和布置成当所述控制单元从所述非焊接状态切换到所述焊接状态时，所述焦,泉控制部将所述焦,泉 的位置从所述焦点偏离所述工件的所述焊接表面的偏离位置改 变到所述焦点与所述工件的所述焊接表面对准的对准位置。
18. 根据权利要求13所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述激光照射位置移动部被构造和布置成当所述控制单元从所述非焊接状态切换到所述焊接状态时，所述激光照射位置 移动部将所述激光照射位置的移动速度从过渡移动速度减小到 所述激光束施加热量以焊接所述工件的所述焊接表面所需的焊 接移动速度。
19. 根据权利要求13所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述焦点控制部被构造和布置成当所述控制单元从所述焊接状态切换到所述非焊接状态时，所述焦,泉控制部将所述焦,泉 的位置从所述焦点与所述工件的所述焊接表面对准的对准位置 改变到所述焦点偏离所述工件的所述焊接表面的偏离位置。
20. 根据权利要求13所述的激光焊接系统，其特征在于， 所述激光照射位置移动部被构造和布置成当所述控制单元从所述焊接状态切换到所述非焊接状态时，所述激光照射位置 移动部将所述激光照射位置的移动速度从所述激光束施加热量 以焊接所述工件的所述焊接表面所需的焊接移动速度增加到过 渡移动速度。
全文摘要
一种焦点控制部(11)，其被构造和布置成控制从激光振荡器(2)输出的激光束(100)的焦点(101)，以在工件(W)的表面上选择性地聚焦激光束(100)，一种激光照射位置移动部(4、21、12A、12B)，其被构造成移动激光照射位置，激光束(100)在该激光照射位置照到工件(W)的表面上。一种控制单元(5)，其被构造成在焊接状态与非焊接状态之间切换前后，在控制激光振荡器(2)以连续输出激光束(100)的状态下，通过控制焦点控制部(11)和激光照射位置移动部(4、21、12A、12B)中的至少一个改变施加到工件(W)的表面上的热量，以在焊接状态与非焊接状态之间切换。
文档编号B23K26/04GK101247920SQ200680030719
公开日2008年8月20日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年9月30日
发明者吉川畅广 申请人:日产自动车株式会社