对端面法兰连接进行缝焊的方法

摘要

本发明涉及一种借助激光焊接在若干金属板的端面上(优选在若干凸缘上)制造若干断续焊缝(5)的方法。为了产生所述断续焊缝，循环重复以下步骤：在所述待产生的断续焊缝前方的区域内对所述待接合部件(1，2)进行预热，以相对较低的总焊接速度产生较短的断续焊缝区段(7)，以及，产生无焊缝的区段从而在相邻的断续焊缝区段(7)之间分别构成一个间隙(9)。以某种方式选择间隙(9)与断续焊缝区段(7)的长度(6，8)的比例，使得排气效果达到能确保所述断续焊缝的高质量的程度。所述方法特别适用于在通常用于汽车工程/车身构造领域的、经过热处理的镀锌钢板之间建立焊接连接。

权利要求

1.一种借助激光焊接利用激光束对包含至少两个待接合部件(1，2)的端面法兰连接进行缝焊的方法，其中在焊接过程中利用焊接装置设定加工光学系统的沿主进给方向的持续进给速度，所述方法包含在产生一断续焊缝期间循环重复的若干步骤，在所述待产生的断续焊缝的前方区域内对所述待接合部件(1，2)进行预热，具体方案是，在所述激光束运动的情形下，利用射束调节设备为所述焊接装置的沿主进给方向的持续进给速度暂时叠加一个所述激光束的、沿所述待产生的断续焊缝的方向的运动速度，所述射束调节设备用于独立于所述焊接装置的进给使所述激光束运动；

以降低的总焊接速度产生较短的断续焊缝区段(7)，其中，所述总焊接速度为所述焊接装置的持续进给速度与由所述射束调节设备设定的所述激光束的运动速度的叠加值；

沿主进给方向以不构建焊缝的方式越过一个区段，从而在相邻的断续焊缝区段(7)之间分别构成一个间隙(9)，其中，产生若干长度(6)小于30mm的断续焊缝区段(7)，以及，在所述断续焊缝区段(7)之间产生若干长度大于1mm的间隙(9)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述构成每一断续焊缝区段(7)的步骤后，利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度暂时叠加一个所述激光束在反向于所述待产生的断续焊缝(5)的方向上的运动速度，从而在产生的所述断续焊缝区段(7)的区域内对所述待接合部件(1，2)进行第二次加工。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，产生若干长度小于10mm的断续焊缝区段(7)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以焊缝深度(10)与长度的比例大于一比五的方式产生所述断续焊缝区段(7)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在产生至少一个断续焊缝区段(7)的至少一部分期间，利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度叠加一个所述激光束的在朝向和反向于待产生的断续焊缝(5)的两个方向之间切换的运动速度，从而实现对所述相关断续焊缝区段(7)部分的多次覆盖。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度至少暂时地叠加一个所述激光束的沿侧向的运动速度，所述沿侧向的速度一方面垂直于所述待产生的断续焊缝(5)的方向，另一方面在由构成凸缘(3)的所述待接合元件(1，2)的端面所定义的对接面(11)中延伸。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述射束调节设备修改所述激光束的焦点平面。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述射束调节设备改变所述激光束的功率。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，借助周期功能来将所述激光束的沿侧向的运动速度叠加。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，以正弦形、矩形或锯齿形将所述激光束的沿侧向的运动速度叠加。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述对至少两个待接合部件(1，2)进行的预热均与所述待接合部件的冶金属性相匹配。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用用于检查产生的所述断续焊缝(5)的质量的传感机构来测定是否已执行了焊接。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用用于检查产生的所述断续焊缝(5)的质量的传感机构，在已知的进给条件下，以一定的时间跨度通过三角测量法或通过分析过程指示灯来检验所述断续焊缝区段(7)或所述整个断续焊缝(5)的长度。

说明书

对端面法兰连接进行缝焊的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种借助激光焊接在若干金属板的端面上，优选在由至少两个金属板(待接合部件)构成的凸缘(即叠接部分，其将至少两个金属板连接在一起)上制造若干断续焊缝的方法。所述方法特别适用于在通常用于车身构造领域的、经过热处理的镀锌钢板之间建立焊接连接。

背景技术

[0002] 在汽车工程/车身构造领域中，通常借助I型焊缝或角焊缝来焊接例如出现在车门开口上、车门上或沿部件边缘的凸缘(镀锌钢板)。

[0003] 若采用车身构造领域中常用的镀锌金属板，由于焊接锌板时会出现锌蒸汽释放，凸缘(叠接部分)中的I型焊缝的质量通常不能满足较高的要求。连接横截面受到限制，焊入深度的可重复性不佳(特别是对多金属板连接)，且存在诸如焊穿、融化金属喷出或连接深度不足这些焊缝缺陷。必须采用附加的措施以对锌排气提供协助，只会提高成本。另一缺点是，实际应用中无法以无损方式实现对(焊缝的)连接缺陷的检测，因为表面外观完美的焊缝仍可能存在缺陷。

[0004] 由于(锌蒸汽)排气得到改进，在凸缘上制造角焊缝时可实现更高的质量；此时同样能对(待接合部件的)焊缝连接进行光学检验。但是，多数情形下激光光点相对(部件的)叠接部分的定位精度不足，因此必须采用复杂的焊缝导引系统。此外，连接横截面的增大不会超出上金属板的材料厚度，因此，在许多应用中需要借助附加材料来增大连接横截面。另一个缺点是，为使加工激光器能够到达焊制角焊缝的位置，需要采用相对较大的凸缘尺寸，这与车辆构造中一般追求的减重(节省燃料)目标相违背。

[0005] 现有技术所揭示的解决方案对用于金属板(由若干金属板构成的凸缘/叠接部分)的端面焊接的方法或装置进行了描述。

[0006] 例如，WO 2011/147891 A1描述了一种用于在(由若干车身板件构成的)叠接部分上制造端面焊缝的装置，该装置具有光学焊缝导引设备和回转夹紧系统。该案未描述用于对待接合部件进行针对性热处理和过程技术处理的设备，因此该装置既无法实现最佳的排气效果，也无法在不将金属板的焊缝区域软化的情况下焊接经过热处理(硬化)的金属板。

[0007] DE 10 2006 030 060 A1描述了一种对金属板，特别是对包含高强度材料金属板的凸缘进行端面焊接的方法，该案对凸缘的整个端面进行再熔。连接横截面大体上以凸缘的端面为边界。该方法无法用来对任意凸缘进行端面焊接，因为只有通过规定的凸缘凸出长度才能实现期望的熔池量。此外，金属板凸出长度的差值的公差范围非常狭小，因为熔化量直接取决于该差值。此时须借助切割和定位工具进行非常复杂的操作。

[0008] US 2004/01188181 A1描述了一种将两个钢板焊接在一起的方法，其中利用第一激光器在待产生焊缝的区域内将金属板加热至一定程度，使得其中一个金属板发生塑性变形而不熔化。第二激光器执行真正意义上的焊接过程。采用此方法的目的是，使两个金属板在焊接过程中具有定义的排气间隙。该案还描述了利用多焦点光学系统来端面焊入若干多金属板连接件，借此可同时产生两个或两个以上焊缝。该方法的缺点在于，可用激光器功率被分割为多个光点。其中，光学元件上的被照射表面非常小，因此这些光学元件上的强度非常高，这会加剧焦点偏移。

[0009] JP 2005199827 A描述了一种产生角接焊缝和对接焊缝的焊接方法，其中沿待产生的焊缝对一个YAG(钇铝石榴石)激光器进行导引，一个对焦强度低于该YAG激光器的半导体激光器以定义的空间距离跟随在后。该方案的目的在于产生具有钥匙孔状横截面的焊缝。从设备可用性的角度和投资成本的角度来看，使用两个激光源和两个激光光学系统是不利的。

发明内容

[0010] 本发明的目的是，找到一种能够在任意形状的凸缘(叠接部分)的端面上借助激光焊接施加断续焊缝的方法。所述方法的目的是以最佳的结构组成实现较高的焊缝强度，其中，在焊接经过热处理的金属板时还期望将断续焊缝的热影响区域内金属板受到的热软化降低至最小程度。

[0011] 本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1所述特征：

[0012] 采用借助激光焊接对具有至少两个待接合部件的端面凸缘连接进行缝焊的方法时，焊接过程中由焊接装置设定加工激光器的沿主进给方向(大致沿待焊焊缝的方向)的持续进给速度。

[0013] 为了执行所述方法，本发明采用射束调节设备，其能使得激光束以独立于焊接装置的持续进给的方式(动态地)进行运动，修改所述激光束的焦点，以及/或者改变所述激光束的功率(执行叠加且同步的功率调制)。

[0014] 产生所述断续焊缝期间，多次连续(循环重复)执行以下步骤：

[0015] 第一步骤中，(在所述待产生的焊缝前方的区域内)对所述待接合部件进行预热。为此，借助所述射束调节设备为所述焊接装置(沿主进给方向的)持续进给速度暂时叠加一个沿所述待产生的焊缝的方向的(激光束的)运动速度，所述射束调节设备用于独立于所述焊接装置的进给使所述激光束运动。所述待接合部件的预热通常以与其冶金(热)属性(例如其热容及导热性)相匹配的方式进行。

[0016] 下一步骤(焊入)中，以相对较低的总焊接速度制造相对较短的断续焊缝(下文称作焊缝段)，其中，所述总焊接速度为所述焊接装置的持续进给速度与由所述射束调节设备设定的所述激光束的运动速度的叠加值。为了降低总焊接速度，通常利用所述射束调节设备为由该射束调节设备设定的持续速度叠加一个沿反方向(在反向于所述待产生的断续焊缝的方向上)的速度。通过降低总进给速度，可增大焊制单个焊缝段时单位长度的输入能量，所述单位长度的输入能量的定义为:激光器功率与进给速度之商。

[0017] 产生焊缝段后的下一步骤中，沿主进给方向以不构建焊缝的方式越过一个区段，在所述相邻的焊缝段之间构成间隙(产生无焊缝的区段)。以某种方式选择间隙长度与焊缝段长度的比例，从而为各焊缝段实现良好的(至少为足够的)焊缝排气效果，以及相应实现良好的(至少为足够的)焊缝连接。在采用车身构造领域中常用的镀锌钢板时，排气尤为重要，因为焊接过程中锌层会汽化，且(在排气不足的情形下)其造成的所谓“锌蒸汽释放”通常会使焊缝的焊缝质量降低(连接缺陷)。

[0018] 在所述产生断续焊缝这一步骤之后，可选地利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度暂时叠加一个在反向于待产生断续焊缝的方向上的速度，借此在产生的断续焊缝的区域内对所述待接合部件进行第二次加工(后处理)。

[0019] 可以以如下方式对产生的断续焊缝进行后处理：对所述断续焊缝进行重焊(第二次焊接)，从而一方面使得所述焊缝的熔体更深地透入凸缘。另一方面，第二次输入热量并对马氏体结构组成和冷却特性产生积极影响。在焊接经过热处理的(高强度)钢材时，上述方案尤其具有优势，因为在无附加热输入的情况下焊接这些钢材时，可能会产生脆性且易碎的焊缝。

[0020] 作为替代方案，也可以以如下方式对产生的断续焊缝进行后处理：在气体释放/间隙产生之后，利用加工激光器将热量送入一围绕新产生的焊缝段的区域，从而只对待接合部件以及/或者所产生的焊缝段进行焊后加热(而不进行重焊)。焊后加热用于降低材料张力，以及完全或部分取消焊接过程对由经过热处理的钢材所构成的待接合部件造成的热变化。

[0021] 在产生所述断续焊缝区段时，将至少两个待接合部件(基本上)对齐布置，不过这并非强制要求。

[0022] 所述激光束优选平行于凸缘平面及凸缘走向，但由于实际工件应具有一定可及性，因此会显著偏离垂直焊接位置。YZ平面内+-10°和XZ平面内+-30°这些常见偏离度均处于公差范围内。

[0023] 采用本发明的方法时，产生长度小于30mm(优选小于10mm)的若干焊缝段，以及，在所述断续焊缝区段之间产生大于1mm的间隙，其中所述断续焊缝区段的焊缝深度与焊缝长度的比例至少为一比五(优选至少为一比三)。

[0024] 在一种有利方案中，在产生(至少一个)所述焊缝区段的至少一部分期间，可利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度叠加一个速度，该速度在朝向以及反向于待产生断续焊缝的两个方向之间振荡。通过这种方式(利用激光束)实现对相关焊缝段的多次覆盖。

[0025] 在焊制焊缝段期间以及预热和焊后加热期间，还可利用所述射束调节设备为所述焊接装置的持续进给速度至少暂时地叠加一个在横向于所述进给方向的方向上沿侧向的速度。这样便能在两个扫描器同步运动时产生有利的光点运动。所述沿侧向的速度一方面垂直于所述待产生的断续焊缝的方向，另一方面在由构成凸缘的所述待接合元件的端面所定义的对接面中延伸。此外，通过利用所述射束调节设备改变加工激光器的焦点平面能获得更大的自由度，借此可增大对接平面中激光束的光点大小以及/或者调整所述加工激光器的功率。

[0026] 借助上述措施，可在产生所述焊缝段的过程中设置单位长度的总输入能量，以及在预热和焊后加热过程中设置局部热输入。

[0027] 借助周期功能来将所述激光束的沿侧向的运动速度叠加。为所述持续进给速度侧向叠加的叠加的曲线形状优选呈周期性延伸，即呈正弦形、矩形或锯齿形。对至少两个待接合部件进行的预热均与所述待接合部件的冶金属性相匹配。

[0028] 本发明的方法通过提供充分的排气效果来实现较高的过程可靠性，亦即，制造具有能够重复的较高焊缝质量(焊缝连接)的焊缝。

[0029] 借助对单位长度的输入能量进行特定设置，能够在各焊缝段内产生匹配的连接深度/匹配的横截面。

[0030] 通过对预热、焊入(焊制断续焊缝区段)与必要时采用的焊后加热这些步骤进行协调，能够提高加工速度。

[0031] 在对由经过热处理的钢材所构成的待结合部件进行激光焊接时，可通过循环改变单位长度的输入能量以及通过重焊/焊后加热来施加特定的热影响，从而很大程度地避免在热影响区域内发生硬度增高，以及在焊接区域内实现可靠的结构组成。

[0032] 将所述方法应用于车身构造领域时，所述断续焊缝的有利构建方案能提高碰撞特性(增大撕裂能量，避免拉链状开裂)。

[0033] 检验所产生的焊缝的质量时，优选采用配设有传感机构的装置，该传感机构用于检查所产生的焊缝的质量，或直接将该传感机构的数据用于控制焊接过程。

[0034] 根据上述方案，例如可借助在后验阶段进行的几何测量来测定究竟是否存在焊缝。可借助发热记录、通过分析过程指示灯或者通过钥匙孔观测来检查是否已实施了焊接。

[0035] 可在已知的进给条件下以一定的时间跨度通过三角测量法或通过分析过程指示灯来检验焊缝长度。

[0036] 最后，可通过分析过程排放来检测焊缝的质量，以及利用传感机构通过分析热图来评估焊接过程对所述至少两个待接合部件的热影响，所述传感机构的数据被用于实现对所述焊接过程的进一步控制。

[0037] 下面借助两个实施例对本发明进行更加详细地描述。

附图说明

[0038] 图1为具有两个作为待接合部件的金属板以及一个端面断续焊缝的凸缘的3D视图；

[0039] 图2为具有三个作为待接合部件的金属板以及两个端面断续焊缝的凸缘的侧向剖视图；以及

[0040] 图3为具有三个作为待接合部件的金属板以及两个端面断续焊缝的凸缘的俯视图。

具体实施方式

[0041] 图1示出第一金属板1和第二金属板2，这些金属板弯曲而成一个凸缘3，并通过夹紧设备(未示出)压在一起，从而将凸缘区域内两个面之间构成的缝隙4保持得较小。两个金属板1、2(待接合部件)借助断续焊缝5相连。沿所述待产生的断续焊缝的方向(所述断续焊缝的延伸方向：X向)延伸的焊缝段7的长度6约为7mm，相邻的焊缝段7之间的间隙9的长度8为1mm。焊缝长度6与焊缝深度10间的纵横比为一比三。

[0042] 在制造断续焊缝5的过程中，必要时(借助射束调节设备，未示出)通过朝侧向(Y向：垂直于X向，并在由金属板1、2构成的对接平面11中延伸)以振荡方式偏转加工激光束，以及/或者通过修改Z向(既垂直于X向，又垂直于Y向延伸)上的对焦平面来修改激光器的光点大小，以及/或者通过修改激光器功率，来调整单位长度的输入能量。

[0043] 图2所示凸缘的两个金属板1、2之间布置有第三金属板12，该凸缘上设有端面断续焊缝5。将焊缝段交替焊到由此形成的两个缝隙4上(图3)。

[0044] 附图标记表

[0045] 1 第一金属板/第一待接合部件

[0046] 2 第二金属板/第二待接合部件

[0047] 3 凸缘

[0048] 4 缝隙

[0049] 5 断续焊缝

[0050] 6 焊缝段的长度

[0051] 7 断续焊缝区段，焊缝段

[0052] 8 间隙的长度

[0053] 9 间隙

[0054] 10 焊缝深度

[0055] 11 对接平面

[0056] 12 第三金属板/第三待接合部件