專利名稱：激光束焊接方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于通過向板的重疊區域施加激光束而將多個板的重疊區域焊接在一起的方法和設備，所述每個板都具有基底金屬，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的金屬。
背景技術：
日本專利申請No.3115456(在下文中稱之為“現有技術1”)披露了一種已知的用于焊接兩個相互重疊的板的激光束焊接工藝，所述每個板都具有基底金屬，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的金屬。
依照所披露的激光束焊接工藝，兩個鍍有鋅的鋼板，即，兩個鍍鋅鋼板彼此重疊，并且用它們不受約束的端部支撐，其中每個板都具有用作基底金屬的鋼板，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的鋅。只有一個激光束施加于其上的鍍鋅鋼板預先被從重疊鋼板的焊接區域中心處朝向其受約束的區域位移了1mm到15mm的位置處的激光束熔化。受激光束照射的鍍鋅鋼板的端部變形，在鍍鋅鋼板之間產生間隙。之后，將重疊的鍍鋅鋼板焊接在一起。
依照現有技術1，為了使得鍍鋅鋼板的端部變形，施加激光束以熔化鍍鋅鋼板，并且依據熔化表面的凝固和收縮，該鍍鋅鋼板與另一個鍍鋅鋼板相隔開。鍍鋅鋼板的端部變形量隨著使得鍍鋅鋼板熔化的方法不同而變化。例如，即使鍍鋅鋼板的熔化量增加，鍍鋅鋼板的端部變形量也可減小。
具體地，如附

圖15中所示的，激光束L被施加到厚度為t的鍍鋅鋼板1上，為不同的樣品檢測以下數據激光束L在鍍鋅鋼板1中所產生的熔池2的深度D、以及在離施加激光束L的位置的10mm的位置處的鍍鋅鋼板1的變形量K。厚度t為0.7mm和2.0mm，激光束L在5m/min和2m/min的速度(加工速度)下移動。在各種激光輸出設定值(w)下，獲得了以下結果表1

從表1中可以看出，僅靠增加激光輸出設定值以增加鍍鋅鋼板的熔化量不能使鍍鋅鋼板1如所期望的那樣變形。因此，當焊接兩個鍍鋅鋼板1時沒有良好地排出汽化的鋅氣，從而導致由于氣孔等所造成的焊縫開裂。
依照現有技術1中所披露的傳統激光束焊接工藝，必須以相互獨立的方式施加第一激光束以使得一個鍍鋅鋼板的端部變形以及施加第二激光束以焊接鍍鋅鋼板的重疊區域。因此，整個激光束焊接工藝是相當復雜的并且生產率低。
為了用一個激光束連接三個或更多重疊板的端部，通常沿所述板相互重疊的方向施加激光束以焊接重疊板的端部。如果所要焊接的重疊板是厚的，那么需要施加大量熱量以熔化所述板，從而產生大的熱應變，所述大的熱應變就不可能執行預期的激光束焊接工藝。
在日本未審定專利公開號No.7-16775(在下文中稱之為“現有技術2”)和日本未審定專利公開號No.9-206969(在下文中稱之為“現有技術3”)中披露了用于焊接重疊板的其他焊接工藝。
依照現有技術2，如附圖16中所示的，在將被焊接的三個重量凸緣1a、2a和3a中，凸緣1a在重疊方向(即，凸緣1a、2a、3a相互重疊的方向)上的一端處與鄰近于凸緣1a的凸緣2a被沿重疊方向所施加的高密度激光束所照射。所施加的高密度激光束使得凸緣1a、2a焊接在一起，其中沿重疊方向形成了橫穿凸緣1a、2a的疊珠焊縫4a。
接著，沿垂直于重疊方向平行于凸緣2a、3a接觸面的方向施加于其邊緣的激光束使得凸緣2a、3a焊接在一起。在凸緣2a、3a中沿其接觸面在垂直于重疊方向上形成了疊珠焊縫5a。
依照現有技術3，如附圖17中所示的，包括外部板6a、內部板6b和加強板6c的三個板具有將被激光束焊接機7a焊接成接縫8a的重疊端部。激光束焊接機7a向接縫8a的邊緣施加激光束同時激光束焊接機7a在接縫8a的邊緣上沿Z形圖案移動，從而加熱接縫8a的邊緣并形成Z形焊縫9a。
對于現有技術2，當三個凸緣1a、2a、3a將被焊接在一起時，沿重疊方向施加第一激光束以將凸緣1a、2a焊接在一起，并且沿垂直于重疊方向的方向施加第二激光束以將凸緣2a、3a焊接在一起。依照現有技術2的焊接工藝包含多個焊接步驟，并且由于三個板必須用沿不同方向施加的兩個激光束照射，因此生產率低。
對于現有技術3，焊接系統在結構方面是復雜的，并且由于必須使得激光束焊接機7a沿Z形圖案移動，因此焊接系統在結構上和控制方面也是復雜的，并且可能無法焊接具有不同厚度和材料的重疊板的接觸面。

發明內容
本發明的總的目的是提供一種用于簡便快捷地執行高質量激光束焊接工藝以提高生產率的方法和設備。
本發明的一個主要目的是提供一種用于通過簡單的工藝和布置快捷容易地焊接三個或多個板的重疊邊緣的方法和設備。
依照本發明，將被焊接的板的焊接區域由保持機構定位和保持，并且將第一激光束施加到靠近保持機構的一個板上以加熱所述板并使得所述板與其他板以指定距離相隔開。將第二激光束施加到與第一激光束隔開的板的區域中，從而將板彼此焊接在一起。
將第一激光束所施加的熱量、第一激光束的移動速度以及第一激光束的焦斑直徑設定得可將所述第一激光束所照射的板保持在未熔化的狀態。與熔化時板不同地變形的傳統工藝不同，本發明防止板的變形量方面的變化。將被焊接的板可被良好地焊接，同時彼此以預期的距離相隔。
當焊接板時汽化的金屬氣，例如鋅氣通過板之間的間隙被良好地排出。因此，在不形成焊縫開裂的情況下通過激光束可精確高效地焊接板，從而提高生產率。
依照本發明，所要焊接的板的焊接區域由保持機構定位和保持，并且將第一激光束施加到靠近于保持機構的一個板上，并且同時使得第一激光束沿焊接方向移動以加熱所述板并使得所述板與其他板以指定距離相隔開。將第二激光束施加到與第一激光束隔開的板的區域中，并使得第二激光束沿焊接方向與第一激光束同步地移動，從而將板彼此焊接在一起。
由于第一與第二激光束沿焊接方向相互同步地移動，因此所述板在激光束的一次移動行程中被彼此焊接在一起。因此，與單獨地施加兩次激光束的傳統激光束焊接工藝不同，本發明可簡便快捷地執行該激光束焊接工藝以有效地提高生產率。
而且，依照本發明，當所要焊接的板由保持機構定位和保持時，和板的接觸表面所提供的兩個或多個接觸面的數量一樣多的激光束被基本同時地施加于接觸面。因此，可達到期望強度的板之間的兩個或多個接觸面可通過一次性施加激光束被同步地熔化。因此用簡單的工藝和布置可高效快捷地焊接所述板，并且還避免了在板中產生熱應變。
從以下結合附圖所作出的描述中，將更明白本發明的上述和其他目的、特征和優點，其中在附圖中通過例證性示例的方法示出了本發明的優選實施例。
附圖的簡要說明圖1是本發明第一實施例所涉及的執行激光束焊接方法的激光束焊接設備的側視圖，其中部分是截面圖和部分是框圖；圖2是激光束焊接設備的線性移動裝置和旋轉裝置的透視圖；圖3是局部透視圖，示出了激光束焊接設備操作的方式；圖4是圖表，示出了在400W的激光輸出和5m/min的移動速度下焊接0.7mm厚的鋼板的焦斑直徑與角度之間的關系；圖5是圖表，示出了在900W的激光輸出和2m/min的移動速度下焊接2.0mm厚的鋼板的焦斑直徑與角度之間的關系；圖6是圖表，示出了焊接1.4mm厚的鋼板的激光輸出、移動速度與角度之間的關系；圖7是本發明第二實施例所涉及的激光束焊接設備的側視圖，其中部分是框圖；圖8是本發明第三實施例所涉及的激光束焊接設備的側視圖；圖9是本發明第四實施例所涉及的激光束焊接設備的側視圖，其中部分是截面圖，部分是框圖；圖10是第四實施例所涉及的激光束焊接設備的線性移動裝置和旋轉裝置的透視圖；圖11示出用第四實施例所涉及的激光束焊接設備改變光束比的工藝的視圖；圖12示出用第四實施例所涉及的激光束焊接設備旋轉激光束的工藝的視圖；圖13是本發明第五實施例所涉及的激光束焊接設備的局部橫截面的側視圖；圖14是本發明第六實施例所涉及的激光束焊接設備的側視圖，其中部分是框圖；圖15示出現有技術1所涉及的激光束焊接工藝的視圖；圖16示出現有技術2所涉及的激光束焊接工藝的視圖；圖17示出現有技術3所涉及的激光束焊接工藝的視圖。
實現本發明的最佳模式圖1以側視圖、部分截面圖和框圖的形式示出了本發明第一實施例所涉及的執行激光束焊接方法的激光束焊接設備10。
激光束焊接設備10不局限于一種特定用法，而是可用于焊接鍍鋅鋼板W1、W2(諸如機動車頂板)。
激光束焊接設備10包括保持機構12、激光束施加機構14、機械臂(移動機構)16以及控制機構18，其中所述保持機構12用于定位和保持鋼板W1、W2的焊接區域，所述激光束施加機構14用于將第一激光束L1施加到保持機構12附近的鋼板W1的加熱區域P1以加熱加熱區域P1以及將第二激光束L2施加到與第一激光束L1相隔給定距離的焊接區域P2，從而將鋼板W1、W2焊接在一起，所述機械臂16用于使得第一和第二激光束L1、L2沿焊接方向彼此同步地移動，所述控制機構18用于控制由第一和第二激光束L1、L2所施加的熱量。
工件位置校準機構20的托架22被固定于機械臂16上。機構20運轉以校準工件的位置以及使機械臂16返回到原始位置中。托架22具有上部水平板24和側部豎直板26，所述側部豎直板26從上部水平板24處以基本與之垂直的方式向下伸出。第一驅動器28(諸如空氣汽缸等)被安裝于上部水平板24的上表面上。以可滑動的方式支撐移動元件32的導向構件30被附于側部豎直板26的內側表面26a上。
移動元件32的一側被導向構件30以可滑動的方式支撐。移動元件32具有通過螺母36緊固于第一驅動器28的桿34的上端和包含朝向機械臂16突出的整體彎曲部分38的下端。第一驅動器28可使得移動元件32沿側部豎直板26的縱向方向(即，圖1中的豎直方向)往復移動，同時移動元件32由導向構件30引導。
通過螺母40旋擰于彎曲部分38上表面中的螺釘42以調節激光束施加機構14的行程長度。可通過增加或減小螺釘42旋擰于彎曲部分38上表面中的距離而調節激光束施加機構14的行程長度。彈性元件44以與螺釘42豎直對齊的方式被安裝于側部豎直板26的下表面上。當螺釘42碰到彈性元件44時，彈性元件44用作止動器和減震器。
基板46被固定地安裝于移動元件32遠離機械臂16的一側上。用于施加第一和第二激光束L1、L2的激光束施加機構14被附于基板46。
激光束施加機構14具有固定于基板46的殼體48。用于從激光振蕩器50中將激光束L引入到殼體48中的光導纖維52與殼體48的上端相連接。殼體48中容納有準直透鏡54和聚光透鏡56，所述準直透鏡54和聚光透鏡56被布置于從光導纖維52的下端發射出的激光束L的光軸O上。準直透鏡54沿箭頭A所指示的方向在上方與聚光透鏡56相隔。棱鏡58以可移動的方式被布置于準直透鏡54和聚光透鏡56之間，并且線性移動裝置60可使得棱鏡58線形移動以及旋轉裝置62可使得棱鏡58旋轉。
如圖1和圖2中所示的，線性移動裝置60包括固定于旋轉元件64的第二驅動器66(諸如汽缸等)。第二驅動器66具有朝向光軸O水平地突出的桿68。棱鏡58被固定于桿68的尖端。軸承69將旋轉元件64以可旋轉的方式支撐在殼體48上。棱鏡58用于將激光束L分成第一和第二激光束L1、L2。線性移動裝置60用于調節第一和第二激光束L1、L2的輸出比。
旋轉裝置62包括第三驅動器70(諸如旋轉式驅動器等)，所述第三驅動器70具有主動齒輪74安裝于其上的可旋轉軸72。主動齒輪74被控制得與安裝于旋轉元件64上的環形從動齒輪76相嚙合。旋轉裝置62用于調節第一激光束L1所照射的位置，以便因此調節第一和第二激光束L1、L2的相對位置(角位置)。
如圖1中所示的，激光束施加機構14用具有較小輸出的第一激光束L1和具有足以大得可穿透鋼板W1的輸出的第二激光束L2照射鋼板W1。第一激光束L1用于加熱鋼板W1的表面。如圖3中所示的，當鋼板W1的一個區域被第一激光束L1加熱時，加熱區域向上塑性變形，在鋼板W1、W2之間形成間隙H。
第二激光束L2被施加到已加熱的鋼板W1的焊接區域P2上以便于將鋼板W1、W2之間所形成的間隙H保持在焊接區域P2中，并且第二激光束L2還用于將鋼板W1、W2焊接在一起。當鋼板W1、W2被焊接在一起時，從鋼板W1、W2中汽化的鍍鋅氣體通過間隙H被排出到大氣中。
導向構件86具有斜向下延伸的整體板狀支架84。導向構件86的一端被固定于移動元件32的彎曲部分38的下表面82上。用于保持鋼板W1、W2的保持機構12被支撐于導向構件86的另一端上。
保持機構12包括安裝于附于導向構件86的另一端的基板88上的托架90和以可旋轉的方式由軸92a支撐于托架90的輥92。保持機構12可使用保持夾具而不是輥92來沿焊接方向固定鋼板W1、W2。
控制機構18具有驅動器控制器94和自動裝置控制器96。驅動器控制器94控制第一、第二和第三驅動器28、66、70，自動裝置控制器96控制具有機械臂16的自動裝置(未示出)。控制機構18還控制激光振蕩器50。
下面將描述如此構成的激光束焊接設備10的操作。
首先，確定由第一激光束L1作為成型激光束從激光束施加機構14向鋼板W1所施加的熱量、第一激光束L1的移動速度、以及第一激光束L1的焦斑半徑。如圖3中所示的，為了將第一激光束L1所照射的鋼板W1的加熱區域P1保持在未熔化狀態，并且將焊接區域P2與鋼板W1的加熱區域P1隔開例如3mm的距離而選擇這些狀態，并且當向鋼板W1施加第一激光束L1時，將鋼板W1、W2之間的間隙H設定為60μm(即，1°的角度)。
進行這樣一個試驗，其中鋼板W1具有0.7mm的厚度、第一激光束L1具有400W的輸出、并且第一激光束L1在5m/min的速度下移動，并且檢測第一激光束L1的焦斑半徑和鋼板W1變形的角度。圖4示出了該試驗的結果。用于獲得期望間隙H和保持鋼板W1未熔化的第一激光束L1的焦斑半徑為1.6mm和2.0mm。
進行另一個試驗，其中鋼板W1具有2.0mm的厚度、第一激光束L1具有900W的輸出、并且第一激光束L1在2m/min的速度下移動，并且檢測第一激光束L1的焦斑半徑。圖5示出了該試驗的結果。當第一激光束L1的焦斑半徑為3.6mm時獲得了期望間隙H并且保持鋼板W1不熔化。
圖6示出了這樣的角度，即為了使得鋼板W1的變形最大化，在焦斑直徑(具有該焦斑直徑的鋼板W1的表面保持未熔化)下鋼板W1相對于激光束輸出和移動速度的變形角度，所述鋼板W1的厚度為1.4mm。
當在3m/min的加工速度(移動速度)下焊接每個厚度都為1.4mm的鋼板W1、W2時，第一激光束L1所照射的焊接區域P2中的期望間隙H(60μm)可靠地將鋼板W1、W2彼此隔開，其中第一激光束L1的焦斑直徑約為2mm。因此，第二激光束L2可焊接鋼板W1、W2以產生高質量接縫。
如果增加了加工速度，那么就要求作為成型激光束的第一激光束L1具有與加工速度成比例的更高的輸出。例如，如果將在例如5m/min的加工速度下焊接鋼板W1、W2的話，那么第一激光束L1的輸出可設定為約700W。
如果被焊接的每個鋼板W1、W2都具有未鍍鋅的一側的話，由于鋼板W1的變形量減小了，因此作為成型激光束的第一激光束L1可具有減小的輸出。鋼板W1的厚度與作為成型激光束的第一激光束L1的輸出彼此成比例。例如，如果鋼板W1的厚度為0.7mm的話，那么用輸出為600W的激光束所實現的厚度為1.4mm的鋼板W1的變形量就可通過施加輸出為300W的激光束L1而獲得。
下面將描述用已如上述確定了其狀態的激光束焊接設備10焊接鋼板W1、W2的工藝。
如圖1中所示的，細長形狀的鍍鋅鋼板W1、W2被保持機構12定位和保持，同時鍍鋅鋼板W1、W2各自具有相互重疊的部分。具體地，操作第一驅動器28以降低移動元件32，使得保持機構12的輥92擠壓鋼板W1、W2。
驅動機械臂16以便于沿圖3中的箭頭X所指示的方向向前移動保持機構12。此時，控制機構18激勵激光振蕩器50以發射激光束L，所述激光束L通過光導纖維52被引入到激光束施加機構14中。
在激光束施加機構14中，當激光束L穿過準直透鏡54到達聚光透鏡56時，被棱鏡58分成第一和第二激光束L1、L2(見圖1)。第一激光束L1被施加到上部鋼板W1的加熱區域P1，輥92將所述上部鋼板W1保持在下部鋼板W2上。
由第一激光束L1照射的鋼板W1的加熱區域P1被加熱，并且沿第一激光束L1的移動方向(即，沿箭頭X所指示的方向)在未熔化狀態中向上地彈性變形。因此，在鋼板W1、W2之間形成間隙H(見圖3)。
第二激光束L2被施加到鋼板W1的沿與箭頭X所指示的方向相反的方向上與加熱區域P1相隔距離S1并且沿遠離輥92的方向(即，沿箭頭Y所指示的方向)與加熱區域P1相隔距離S2的位置(焊接區域P2)處。將每個距離S1、S2都設定為0.5mm到20mm范圍內的數值。
沿焊接區域P2將鋼板W1、W2焊接在一起，并且鍍在鋼板W1、W2上的金屬(鋅)被汽化為通過間隙H被排出到大氣中的氣態。從而，將鋼板W1、W2可靠牢固地焊接在一起。
在將鋼板W1、W2焊接在一起后，操縱第一驅動器28以提升移動元件32。鋼板W1、W2從保持機構12中被解除出來并被輸送到將其加工為最終產品的下一工序。
在上述第一實施例中，將第一激光束L1所施加的熱量、其移動速度以及焦斑直徑選擇為可將所述第一激光束所照射的鋼板W1保持在未熔化的狀態以形成鋼板W1。
與其中鋼板W1的加熱區域P1熔化的傳統焊接工藝不同，本發明的鋼板W1不會隨著熔化它的方法而不同地變形，而總是通過期望的角度成型或變形以保持鋼板W1、W2之間的期望間隙H。鋼板W1沒有諸如不期望的(如果熔化的話將強加于其上的)應力的缺點。
激光束焊接設備10能夠容易地焊接具有不同厚度的鋼板W1。當焊接鋼板W1、W2時汽化的鋅氣通過間隙H可靠地被排出到大氣中，從而，使得鋼板W1、W2更好地牢固地焊接在一起。因此激光束焊接設備10能夠簡便可靠地執行高質量的激光束焊接工藝以有效地提高生產率。
在第一實施例中，較小輸出的第一激光束L1沿箭頭X所指示的方向移動同時被施加到上部鋼板W1的加熱區域P1，并使得上部鋼板W1的加熱區域P1塑性變形以在鋼板W1、W2之間產生間隙H。第二激光束L2被施加到與第一激光束L1相隔給定距離的焊接區域P2，并且沿箭頭X所指示的方向與第一激光束L1同步地移動，從而沿加熱區域P2將鋼板W1、W2焊接在一起。
如上所述，第一和第二激光束L1、L2是從激光束施加機構14中發射出來的，并且機械臂16使得激光束施加機構14沿著箭頭X所指示的方向移動以便于使得第一和第二激光束L1、L2相互同步地沿著箭頭X所指示的方向移動。因此，當使得激光束施加機構14沿著箭頭X所指示的方向移動時，在鋼板W1、W2之間就產生了間隙H，并且鋅氣通過該間隙H排出，從而使得鋼板W1、W2被可靠地焊接在一起。
因此與先用第一激光束L1然后再用第二激光束L2單獨照射鋼板W1、W2的傳統激光束焊接工藝不同，激光束焊接設備10能夠在一個移動中執行激光束焊接工藝。因此，在第一實施例中，能夠簡便快捷地焊接鋼板W1、W2以有效地增加生產力。
如圖3中所示的，第二激光束L2與第一激光束L1在下游沿焊接方向(與箭頭X所指示的方向相反)相隔距離S1并且沿遠離保持機構12的方向(即，沿箭頭Y所指示的方向)相隔距離S2。將每個距離S1、S2都設定為0.5mm到20mm范圍內的數值。在將間隙H精確地保持在鋼板W1、W2之間時，將鋼板W1、W2焊接在一起，并且來自于鋼板W1、W2中的鋅氣被可靠地排出，使得鋼板W1、W2被更好地牢固地焊接在一起。
保持機構12具有用于將鋼板W1壓在鋼板W2上的輥92。鋼板W1、W2可為平板或各種其他的成型板(諸如壓制板材)，它們可由保持機構12牢固地保持在位置中。由于無需保持所述成型板的端部，因此激光束焊接設備10具有廣泛的應用范圍。
保持機構12的輥92旋轉同時擠壓鋼板W1。保持機構12能夠通過簡單的布置可靠地定位和保持鋼板W1、W2。當將鋼板W1、W2焊接在一起時，輥92經受焊接鋼板W1、W2時所產生的熱量。因此，應最好用冷卻機構(未示出)不斷地冷卻輥92。
在第一實施例中，第一和第二激光束L1、L2的輸出比，即，所施加的熱量可由控制機構18控制，并且可容易地改變第一和第二激光束L1、L2的相對位置。
具體地，操縱線性移動裝置60的第二驅動器66以沿圖1中箭頭B所指示的方向在位置上調節棱鏡58，從而改變由激光束L所分成的第一和第二激光束L1、L2的輸出比，以便于容易地調節第一和第二激光束L1、L2所施加的熱量。
當操縱旋轉裝置62的第三驅動器70以旋轉主動齒輪74時，與主動齒輪74嚙合的從動齒輪76旋轉，從而使得旋轉元件64調節棱鏡58的角位置(見圖2)。因此，改變了第一和第二激光束L1、L2的相對位置以便于將第一和第二激光束L1、L2施加到各自期望的位置。
圖7以側視圖、部分框圖的形式示出了本發明第二實施例所涉及的激光束焊接設備100。與第一實施例的激光束焊接設備10的零件相同的激光束焊接設備100的那些零件用相同的附圖標記表示，并且下面將不再對其進行詳細的描述。
激光束焊接設備100具有用于分別獨立地施加第一和第二激光束L1、L2的第一和第二激光束頭(激光束施加機構)102、104。第一和第二激光束頭102、104以整體的方式被固定于基板46。
每個第一和第二激光束頭102、104都具有容納于其殼體中的準直透鏡和聚光透鏡(未示出)。第一和第二激光束頭102、104使得通過各個光導纖維106、108輸送的各個第一和第二激光束L1、L2在給定的焦距長度處聚焦并將聚焦的第一和第二激光束L1、L2施加到鋼板W1、W2。沿焊接方向將第二激光束頭104偏斜地布置于第一激光束頭102的后面。因此第一和第二激光束頭102、104被布置為雙射束施加結構。
在第二實施例中，當鋼板W1、W2被保持機構12保持時，第一激光束頭102將第一激光束L1施加到鋼板W1的加熱區域P1，將鋼板W1加熱為未熔化狀態并使得鋼板W1塑性變形，從而在鋼板W1、W2之間產生間隙H。
第二激光束頭104向鋼板W1、W2的焊接區域P2發射并施加第二激光束L2。機械臂16沿焊接方向以相互一致的方式移動第一和第二激光束頭102、104。汽化的鋅氣通過鋼板W1、W2之間的間隙H被排出，所述鋼板W1、W2在焊接區域P2處被可靠地牢固地焊接在一起。
因此在第二實施例中，激光束焊接設備100能夠簡便快捷地執行激光束焊接工藝以有效地提高生產率，并具有與第一實施例的激光束焊接設備10相同的優點。
圖8以側視圖的方式示出了本發明第三實施例所涉及的激光束焊接設備120a、120b。與第二實施例的激光束焊接設備100的零件相同的激光束焊接設備120a、120b的那些零件用相同的附圖標記表示，并且下面將不再對其進行詳細的描述。
激光束焊接設備120a具有安裝于第一機械臂16a上的第一激光束頭102，而激光束焊接設備120b具有安裝于第二機械臂16b上的第二激光束頭104。
激光束焊接設備120a被布置于鋼板W1的側部上，并將第一激光束L1施加到鋼板W1的加熱區域P1以將加熱區域P1加熱為未熔化狀態。激光束焊接設備120b被布置于鋼板W2的側部上，并從鋼板W2的側部將第二激光束L2施加到焊接區域P2從而將鋼板W1、W2焊接在一起。
因此，在第三實施例中，當控制第一和第二機械臂16a、16b以使它們同步操作時，激光束焊接設備120a、120b具有與第一和第二實施例的激光束焊接設備10、100相同的優點。
圖9以側視圖、部分截面圖和框圖的方式示出了本發明第四實施例所涉及的激光束焊接設備210。
激光束焊接設備210包括保持機構212、激光束施加機構218、熱量控制機構220，以及施加位置控制機構222，其中所述保持機構212用于定位和保持三個工件(諸如金屬板)W1a、W2a、W3a的焊接區域，所述激光束施加機構218用于基本同步地將與工件W1a、W2a、W3a的接觸表面所提供的接觸面214、216的數量一樣多的第一和第二激光束L1a、L2a施加于接觸面214、216，所述熱量控制機構220用于根據工件W1a、W2a、W3a的材料和/或厚度控制由第一和第二激光束L1a、L2a所施加的熱量，所述施加位置控制機構222用于根據工件W1a、W2a、W3a的材料和/或厚度控制第一和第二激光束L1a、L2a所施加的位置(在下文中稱之為“施加位置”)。
激光束焊接設備210被安裝于機械臂224上，其中平衡機構226的托架228固定于機械臂224上。基本為L形的托架228將第一基底230支撐于其上表面上。導桿232被固定于第一基底230并在第一基底230的相對端之間水平地延伸。導桿232將可移動框架234的管236支撐于其上，并且導桿232周圍布置的彈簧238a、238b被保持得對著管236的各個相對端以將管236保持在導桿232上的指定位置中。
保持機構212具有被支撐于可移動框架234上的固定輥240和沿箭頭X所指示的方向可朝向及遠離可移動框架234移動的可移動輥242。固定輥240被可旋轉地安裝于從可移動框架234的遠端向下彎曲的附加裝置244上，并且與工件W1a(可為機動車體外部板)接合。
可移動輥242由附加裝置250固定于桿248，所述桿248從第一驅動器246(諸如汽缸等等)沿箭頭X所指示的方向延伸。第一驅動器246被安裝于可移動框架234上。可移動輥242被可旋轉地安裝于附加裝置250上并且與工件W3a相接合，所述工件W3a與固定輥240呈相面對的關系。
第二基底252被固定地安裝于可移動框架234上。施加位置控制機構222包括安裝于第二基底252一端上的第二驅動器254(諸如馬達等等)。第二驅動器254具有同軸地連接于滾珠螺桿256的主動軸，所述滾珠螺桿256被可旋轉地支撐于第二基底252上并穿過移動元件258。激光束施加機構218具有牢固地安裝于移動元件258上的殼體260。
用于從激光振蕩器262中將激光束La引入到殼體260中的光導纖維264與殼體260的一端相連接。殼體260中容納有準直透鏡266、彎曲鏡268和聚光透鏡270，所述準直透鏡266、彎曲鏡268和聚光透鏡270被布置于從光導纖維264的端部發射出的激光束La的光軸O上。棱鏡272以可移動的方式被布置于準直透鏡266和彎曲鏡268之間，并且熱量控制機構220和施加位置控制機構222可使得棱鏡272線性移動和有角度地移動。
如圖9和圖10中所示的，熱量控制機構220具有固定于旋轉元件274的第三驅動器276。棱鏡272被固定于從第三驅動器276處朝向光軸0突出的桿278的遠端。軸承279將旋轉元件274以可旋轉的方式支撐在殼體260上。棱鏡272用于將激光束L分成第一和第二激光束L1a、L2a。熱量控制機構220用于調節第一和第二激光束L1a、L2a的輸出比。
施加位置控制機構222具有第四驅動器280(諸如馬達等)，所述第四驅動器280具有主動齒輪284安裝于其上的可旋轉軸282。主動齒輪284被控制得與安裝于旋轉元件274上的環形從動齒輪286相嚙合。施加位置控制機構222用于用第四驅動器280調節第一和第二激光束L1a、L2a的相對位置(角位置)，并還適用于用第二驅動器254改變工件W1a的厚度。
如圖9中所示的，激光束焊接設備210由具有驅動器控制器292和自動裝置控制器294的控制機構290控制。驅動器控制器292控制第一、第二、第三和第四驅動器246、254、276、280，自動裝置控制器294控制具有機械臂224的自動裝置(未示出)。控制機構290還控制激光振蕩器262。
下面將描述如此構成的激光束焊接設備210的操作。
首先，如圖1中所示的，工件W1a、W2a、W3a被保持機構212定位和保持，同時工件W1a、W2a、W3a各自具有相互重疊的部分。具體地，自動裝置控制器294使得機械臂224移動，使得保持機構212的固定輥240抵靠在工件W1a上。
接著，操縱第一驅動器246以沿箭頭X所指示的方向使桿248移動。可移動輥242沿箭頭X1所指示的方向與固定于桿248上的附加裝置250一致地移動，與工件W3a相接合。現在工件W1a、W2a、W3a的重疊端部被固定輥240和可移動輥242定位和保持。
控制機構290激勵激光振蕩器262以發射激光束La，所述激光束La通過光導纖維264被引入到激光束施加機構218中。
在激光束施加機構218中，當激光束La穿過準直透鏡266到達聚光透鏡270時，被棱鏡272分成第一和第二激光束L1a、L2a。
彎曲鏡268將第一和第二激光束L1a、L2a反射并向下彎曲約90°。接著，第一和第二激光束L1a、L2a通過聚光透鏡270被施加到工件W1a、W2a、W3a的重疊端部。第一激光束L1a用作核心射束，被施加到工件W1a、W2a之間的接觸面214以焊接該接觸面214。第二激光束L2a用作旋轉射束，被施加到工件W2a、W3a之間的接觸面216以焊接該接觸面216。
接著，使機械臂224沿焊接方向在工件W1a、W2a、W3a上移動。當固定輥240和可移動輥242定位和保持工件W1a、W2a、W3a的重疊端部時，激光束施加機構218將第一和第二激光束L1a、L2a施加到接觸面214、216以焊接該接觸面214、216。
在第四實施例中，在工件W1a、W2a、W3a的重疊端部中存在兩個接觸面214、216，并且與接觸面214、216的數量一樣多的第一和第二激光束L1a、L2a被基本同步地施加于接觸面214、216以便于將工件W1a、W2a、W3a焊接在一起。
因此，當激光振蕩器262發射激光束La時，所發射的激光束La被分成第一和第二激光束L1a、L2a以同步地熔化工件W1a、W2a、W3a之間的接觸面214、216，這有助于達到期望強度。因此，與單獨地向接觸面214、216施加第一和第二激光束L1a、L2a的傳統焊接工藝不同，本發明可高效快捷地用更簡單的工藝和設備焊接工件W1a、W2a、W3a。
在重疊方向上沒有向工件W1a、W2a、W3a施加激光束，而是在垂直于重疊方向的方向上將第一和第二激光束L1a、L2a施加到工件W1a、W2a、W3a之間的接觸面214、216。因此，由于不需要大量的熱量(可能在沿重疊方向焊接重疊的厚度板時需要)，從而可防止在工件W1a、W2a、W3a中出現熱應變。
由平衡機構226將激光束施加機構218支撐在機械臂224上。使得固定輥240沿焊接方向移動以允許通過平衡機構226使得工件W1a定位。因此，固定輥240的位置相對于接觸面214保持恒定，這允許作為核心射束的第一激光束L1a總是被準確地施加到接觸面214以可靠地執行焊接工藝。
在第四實施例中，當改變工件W1a、W2a、W3a的厚度和材料時，操縱熱量控制機構220和/或施加位置控制機構222以適應所述變化。下面將描述改變工件W1a、W2a、W3a的厚度時熱量控制機構220和施加位置控制機構222的操作。工件W1a、W2a、W3a材料方面的變化可通過調節第一和第二激光束L1a、L2a的輸出比而處理，下面將不再對其詳細描述。
如圖11中所示的，如果工件W2a、W3a比工件W1a厚的話，那么用于較厚工件的第二激光束L2a的光束比必須高于用于較薄工件的第一激光束L1a的光束比。
操縱熱量控制機構220的第三驅動器276以沿圖9中箭頭Y所指示的方向在位置上調節棱鏡272。改變由激光束La分成的第一和第二激光束L1a、L2a的輸出比以容易可靠地連接工件W1a、W2a、W3a，從而獲得期望的強度。
如圖12中所示的，如果中間工件W2a較薄的話，那么可減小第一和第二激光束L1a、L2a之間的距離。然而，第一和第二激光束L1a、L2a所產生的熔化區域可能彼此連接，從而可能無法如所期望的那樣熔化接觸面214、216。
依照本發明，當操縱施加位置控制機構222的第四驅動器280以旋轉主動齒輪284時，引起與主動齒輪284嚙合的從動齒輪286旋轉，從而使得旋轉元件274旋轉以調節棱鏡272的角位置(見圖10)。
因此，如圖12中所示的，第二激光束L2a沿圍繞第一激光束L1a的箭頭所指示的方向旋轉，并且被可靠地施加于接觸面216。由于第二激光束L2a旋轉同時第一和第二激光束L1a、L2a之間的距離保持恒定，第一和第二激光束L1a、L2a所產生的熔化區域彼此獨立，從而可如所期望的那樣熔化接觸面214、216。因此可牢固地焊接接觸面214、216。
當外部工件W1a的厚度改變時，操縱施加位置控制機構222的第二驅動器254以旋轉滾珠螺桿256，從而沿箭頭X所指示的方向移動移動元件258。調節固定輥240與光軸O之間的距離以便于準確可靠地將第一激光束L1a施加到工件W1a、W2a之間的接觸面214。
在激光束施加機構218中，棱鏡272與光軸O相隔從而將一個激光束La施加到兩個工件(未示出)之間的接觸面。因此，施加到工件接觸面的一個激光束La可將兩個工件光滑地焊接在一起。
在第四實施例中，第二驅動器254用于沿箭頭X所指示的方向在位置上調整第一和第二激光束L1a、L2a。然而，可不使用第二驅動器254，而是將彎曲鏡268布置得可有角度地調整。
圖13以側視圖、部分截面圖的方式示出了本發明第五實施例所涉及的激光束焊接設備300。與第四實施例的激光束焊接設備210的零件相同的激光束焊接設備300的那些零件用相同的附圖標記表示，并且下面將不再對其進行詳細的描述。
激光束焊接設備300具有激光束施加機構308，所述激光束施加機構308用于基本同步地將與四個工件W1a、W2a、W3a、W4a的接觸表面所提供的接觸面302、304、306的數量一樣多的第一到第三激光束L1a、L2a、L3a施加于接觸面302、304、306。
激光束焊接設備300具有其中容納有布置于準直透鏡266與聚光透鏡270之間的一對棱鏡272a、272b的殼體310。各個熱量控制機構220a、220b可使得棱鏡272a、272b朝向和遠離激光束La的光軸O移動，施加位置控制機構222可使得棱鏡272a、272b有角度地移動。
熱量控制機構220a、220b具有各自的第三驅動器276a、276b，所述第三驅動器276a、276b具有棱鏡272a、272b分別固定于其上的各個桿278a、278b。激光束施加機構308為直頭形狀的。
在激光束施加機構308中，當激光束La穿過準直透鏡266到達聚光透鏡270時，被棱鏡272a、272b分成第一、第二和第三激光束L1a、L2a、L3a。第一激光束L1a用作核心射束，并被施加到工件W2a、W3a之間的接觸面304。第二和第三激光束L2a、L3a用作旋轉射束，并被施加到工件W1a、W2a之間的接觸面302與工件W3a、W4a之間的接觸面306。
由于第一、第二和第三激光束L1a、L2a、L3a被基本同步地施加于三個接觸面302、304、306，因此激光束焊接設備300能夠簡便快捷地焊接工件W1a到W4a，并具有與第四實施例的激光束焊接設備210相同的優點。
雖然在第五實施例中使用了直頭形狀的激光束施加機構308，但是可將激光束施加機構308布置為與第四實施例的激光束施加機構218一樣的具有彎曲鏡268的彎曲頭的激光束施加機構。與之相反，第四實施例所涉及的激光束施加機構218也可為不使用彎曲鏡268的直頭形狀的。
圖14以側視圖、部分截面圖的方式示出了本發明第六實施例所涉及的激光束焊接設備320。與第四實施例的激光束焊接設備210的零件相同的激光束焊接設備320的那些零件用相同的附圖標記表示，并且下面將不再對其進行詳細的描述。
激光束焊接設備320具有分別用于獨立地施加第一和第二激光束L1a、L2a的第一和第二激光束頭(激光束施加機構)322、324。第一和第二激光束頭(激光束施加機構)322、324被整體地固定于移動元件258。
每個第一和第二激光束頭322、324都具有容納于其殼體中的準直透鏡和聚光透鏡(未示出)。第一和第二激光束頭322、324使得通過各個光導纖維326、328輸送的各個第一和第二激光束L1a、L2a在給定的焦距處聚焦并將聚焦的第一和第二激光束L1a、L2a施加到工件W1a、W2a、W3a之間的接觸面214、216。
第六實施例中的激光束焊接設備320能夠簡便快捷地執行激光束焊接工藝以便有效地提高生產率，并具有與第四和第五實施例的激光束焊接設備210、300相同的優點。
工業實用性根據本發明，將第一激光束所施加的熱量、第一激光束的移動速度以及第一激光束的焦斑直徑設定為可將待焊接的板相互隔開給定距離，并且將所述第一激光束所照射的板保持在未熔化的狀態。與其中當熔化時板不同地變形的傳統工藝不同，本發明防止板的變形量方面的變化。被焊接的板可被良好地焊接同時彼此以預期的距離相隔。變形板沒有諸如不期望的(如果熔化的話將強加于其上的)應力的缺點。
當焊接板時汽化的金屬氣(例如鋅氣)通過板之間的間隙被良好地排出。因此，在不形成焊縫開裂的情況下通過激光束可精確高效地焊接板以提高生產率。
依照本發明，由于用于以給定距離將板相互隔開的第一激光束與用于將板焊接在一起的第二激光束沿焊接方向相互同步地移動，因此所述板在激光束的一次移動行程中被焊接在一起。因此，與其中單獨地施加兩次激光束的傳統激光束焊接工藝不同，本發明可簡便快捷地執行該激光束焊接工藝以有效地提高生產率。
而且，依照本發明，和板的接觸表面所提供的兩個或多個接觸面的數量一樣多的激光束被基本同步地施加于接觸面。因此，達到期望強度的板之間的兩個或多個接觸面可被同步地熔化。因此用簡單的工藝和布置可高效快捷地焊接所述板，并且還避免了在板中產生熱應變。
根據板的材料和/或厚度而改變兩個或多個激光束所施加的熱量。因此，可根據其材料和/或厚度以平衡的方式熔化所述板，因此可將板可靠地焊接在一起。
根據板的材料和/或厚度而改變兩個或多個激光束所施加的位置。因此，激光束焊接設備能夠容易地處理板的材料和/或厚度方面的變化，并且能夠可靠地將各種不同的板焊接在一起。
盡管已示出并詳細地描述了本發明的某些優選實施例，但是應該理解的是，在不脫離所附權利要求的保護范圍的情況下可進行各種改變和修正。
權利要求
1.一種用于通過向板(W1、W2)的重疊區域施加激光束而將多個板的重疊區域彼此焊接在一起的方法，所述每個板都具有基底金屬，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的金屬，所述方法包括以下步驟用保持機構(12)定位和保持板(W1、W2)的焊接區域(P2)，并且將第一激光束(L1)施加到保持機構(12)附近的板(W1、W2)以加熱板(W1、W2)，從而使得板(W1、W2)彼此相隔給定距離；將第二激光束(L2)施加到與所述第一激光束(L1)相隔給定距離的板(W1、W2)的一個區域，從而將板(W1、W2)焊接在一起；以及將第一激光束(L1)所施加的熱量、第一激光束(L1)的移動速度以及第一激光束(L1)的焦斑直徑設定為可將所述第一激光束(L1)所照射的板(W1)保持在未熔化的狀態。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持機構(12)擠壓板(W1、W2)的重疊區域，從而定位板(W1、W2)的焊接區域(P2)。
3.一種用于通過向板(W1、W2)的重疊區域施加激光束而將多個板的重疊區域彼此焊接在一起的方法，所述每個板都具有基底金屬，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的金屬，所述方法包括以下步驟用保持機構(12)定位和保持板(W1、W2)的焊接區域(P2)，并且將第一激光束(L1)施加到保持機構(12)附近的板(W1、W2)以加熱板(W1、W2)，并且同時沿焊接方向移動第一激光束(L1)，從而使得板(W1、W2)彼此相隔給定距離；以及將第二激光束(L2)施加到與所述第一激光束(L1)相隔給定距離的板(W1、W2)的一個區域，并且同時以與第一激光束(L1)同步的方式沿所述焊接方向移動所述第二激光束(L2)，從而將板(W1、W2)彼此焊接在一起。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二激光束(L2)沿所述焊接方向至少在下游與第一激光束(L1)相隔所述指定距離，所述指定距離為0.5mm到20mm的范圍內。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述保持機構(12)擠壓靠近其焊接區域的板(W1、W2)，從而定位板(W1、W2)的焊接區域(P2)。
6.一種通過向其施加激光束而焊接至少三個板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部的方法，所述方法包括以下步驟用保持機構(12)定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)，并且將與板(W1a、W2a、W3a)接觸表面所提供的至少兩個接觸面(214、216)的數量一樣的激光束(L1a、L2a)基本同時地施加到接觸面(214、216)，從而將板(W1a、W2a、W3a)焊接在一起。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，根據所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度而改變所述激光束(L1a、L2a)所施加的熱量。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，根據所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度而改變所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
9.一種用于通過向板(W1、W2)的重疊區域施加激光束而將多個板的重疊區域焊接在一起的設備，所述每個板都具有基底金屬，所述基底金屬覆有一層其熔點低于所述基底金屬熔點的金屬，所述設備包括保持機構(12)，用于定位和保持板(W1、W2)彼此的焊接區域(P2)；激光束施加機構(14)，用于將第一激光束(L1)施加到保持機構(12)附近的板(W1、W2)以加熱所述板(W1、W2)，以及將第二激光束(L2)施加到與第一激光束(L1)相隔給定距離的所述板(W1、W2)的一個區域，從而將所述板(W1、W2)彼此焊接在一起；移動機構(16)，用于使得第一和第二激光束(L1、L2)沿焊接方向彼此同步地移動；以及控制機構(18)，用于控制由第一和第二激光束(L1、L2)所施加的熱量。
10.如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述第二激光束(L2)沿所述焊接方向至少在下游與第一激光束(L1)相隔所述指定距離，所述指定距離為從0.5mm到20mm的范圍內。
11.如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述保持機構(12)包括用于擠壓其焊接區域附近的板(W1、W2)的可旋轉輥(92)。
12.如權利要求9所述的設備，其特征在于，所述激光束施加機構(14)包括棱鏡(58)，用于將引入到殼體(48)中的激光束(L)分成所述第一和第二激光束(L1、L2)；線性移動裝置(60)，用于使得棱鏡(58)朝向和遠離所述激光束(L)的光軸(0)移動，從而調節所述第一和第二激光束(L1、L2)的輸出比；以及旋轉裝置(62)，用于使得棱鏡(58)相對于所述殼體(48)旋轉，從而調節所述第一和第二激光束(L1、L2)的相對位置。
13.一種用于通過向其施加激光束而焊接至少三個板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部的設備，所述設備包括保持機構(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部；激光束施加機構(218)，用于基本同時地將與板(W1a、W2a、W3a)的接觸表面所提供的至少兩個接觸面(214、216)的數量一樣多的激光束(L1a、L2a)施加于接觸面(214、216)，以及熱量控制機構(220)，用于根據所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制由所述激光束(L1a、L2a)所施加的熱量。
14.一種用于通過向其施加激光束而焊接至少三個板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部的設備，所述設備包括保持機構(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部；激光束施加機構(218)，用于基本同時地將與板(W1a、W2a、W3a)的接觸表面所提供的至少兩個接觸面(214、216)的數量一樣多的激光束(L1a、L2a)施加于接觸面(214、216)，以及施加位置控制機構(222)，用于根據板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
15.一種用于通過向其施加激光束而焊接至少三個板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部的設備，所述設備包括保持機構(212)，用于定位和保持所述板(W1a、W2a、W3a)的重疊端部；激光束施加機構(218)，用于基本同時地將與板(W1a、W2a、W3a)的接觸表面所提供的至少兩個接觸面(214、216)的數量一樣多的激光束(L1a、L2a)施加于接觸面(214、216)；熱量控制機構(220)，用于根據所述板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制由所述激光束(L1a、L2a)所施加的熱量，以及施加位置控制機構(222)，用于根據板(W1a、W2a、W3a)的材料和/或厚度控制所述激光束(L1a、L2a)所施加的位置。
全文摘要
當彼此重疊的鋼板(W1、W2)被保持機構(12)定位和保持時，將第一激光束(L1)施加到鋼板(W1)的加熱區域(P1)以將鋼板(W1)與其他鋼板(W2)隔開給定距離，將第二激光束(L2)施加到焊接區域(P2)以焊接鋼板(W1、W2)，并且沿焊接方向使第二激光束(L2)與第一激光束(L1)同時移動。將第一激光束(L1)所施加的熱量、第一激光束(L1)的移動速度以及第一激光束(L1)的焦斑直徑設定為可將所述第一激光束(L1)所照射的板(W1)保持在未熔化的狀態并使得所述板(W1)塑性變形。
文檔編號B23K26/067GK1505553SQ0280884
公開日2004年6月16日 申請日期2002年4月24日 優先權日2001年4月27日
發明者小田幸治, 深井直樹, 北川純, 田邊順也, 大塚啟示, 也, 樹, 示 申請人:本田技研工業株式會社