激光焊接裝置和激光焊接方法與流程

本專利申請是申請?zhí)枮?01280020041.6、申請日為2012年4月20日、發(fā)明名稱為“激光焊接裝置和激光焊接方法”的專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種關(guān)于激光焊接裝置和激光焊接方法的技術(shù)。

背景技術(shù)：

激光焊接是由激光振蕩器產(chǎn)生的激光通過集光透鏡會聚并照射至疊置的鋼板以便焊接所述板的焊接方法。然而，在激光焊接中，在疊置在一起的鋼板之間的板間隙大的情況下，結(jié)合強度降低。例如，如果存在大于或等于0.3mm的板間間隙，則焊道(焊珠)表面有時下沉，從而導致結(jié)合強度降低。此外，如果板間間隙大于0.5mm，則有時發(fā)生形成穿孔且結(jié)合強度降低。

在例如機動車車身等的三維形狀物體的焊接中，難以將板間間隙恰當?shù)乜刂茷槔?.3mm或更小。同時，在制造機動車車身等的情況下，在實踐中容許約1mm的板間間隙。因此，以約1mm的板間間隙焊接鋼板而不降低結(jié)合強度已變成一個問題。目前，在實踐中采取一些措施來防止板間間隙大的激光焊接的結(jié)合強度降低。

日本專利申請公報no.2004-025219(jp2004-025219a)公開了一種使用墊片輥子焊接板間間隙的方法。然而，在焊接機動車車身等的情況下，有時焊接兩個或三個鋼板。因此，在jp2004-025219a公開的焊接方法中，需要非常頻繁地進行墊片等的更換，且因此生產(chǎn)效率下降。

日本專利申請公報no.2005-131707(jp2005-131707a)公開了一種利用夾具與焊接部位交替地進行激光點固焊的方法。然而，在jp2005-131707a公開的方法中，需要專用的大型夾具來焊接機動車車身等。此外，在jp2005-131707a公開的焊接方法中，當要焊接鍍鋅鋼時，激光點固焊引起由鍍覆蒸氣吹送產(chǎn)生的焊接不良。

在日本專利申請公報no.2010-023047(jp2010-023047a)中，在散焦狀態(tài)下執(zhí)行第一次激光照射以使上板熔融，使得朝下板側(cè)形成突起且因此間隙減小，然后執(zhí)行第二次激光照射以完成穿透焊接。然而，根據(jù)jp2010-023047a中公開的焊接方法，由于第一次激光照射為低能照射，因此第一次激光照射在上板中實現(xiàn)傳熱熔融而非鎖孔熔融。因此，加工時間變長，并且生產(chǎn)率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種即使在存在大的板間間隙的情況下也能夠焊接多個板而不降低結(jié)合強度的激光焊接裝置和激光焊接方法。

本發(fā)明的第一方面是一種用于焊接疊置在一起的多個板的激光焊接裝置，所述激光焊接裝置包括：產(chǎn)生激光的激光振蕩器；和會聚所述激光的集光透鏡，其中所述激光焊接裝置構(gòu)造成通過將所述激光照射至疊置在一起的所述多個板以便在所述多個板中形成熔池并將所述激光照射至所述熔池以使得所述熔池流動，來焊接疊置在一起的所述多個板。

在本發(fā)明的第一方面中，所述激光焊接裝置可構(gòu)造成通過驅(qū)動所述集光透鏡以掃描照射至所述熔池的所述激光，來使所述熔池流動。

在本發(fā)明的第一方面中，所述激光焊接裝置還可包括夾具，所述夾具能在保持所述多個板的狀態(tài)下被驅(qū)動，并且所述激光焊接裝置可構(gòu)造成通過驅(qū)動所述夾具以掃描照射至所述熔池的所述激光，來使所述熔池流動。

在本發(fā)明的第一方面中，所述激光焊接裝置可構(gòu)造成通過繞貫穿所述熔池延伸的預定軸線沿預定轉(zhuǎn)動方向掃描照射至所述熔池的所述激光，來使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動。

在本發(fā)明的第一方面中，所述激光焊接裝置可構(gòu)造成通過在使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動之后沿著所述熔池的外緣部沿所述預定轉(zhuǎn)動方向掃描所述激光，來使所述熔池流動。

在本發(fā)明的第一方面中，所述激光焊接裝置可構(gòu)造成通過繞貫穿所述熔池延伸的所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向掃描所述激光以使得掃描向所述預定軸線會聚，來使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動并朝所述預定軸線會聚。

本發(fā)明的第二方面是一種焊接疊置在一起的多個板的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括：通過激光振蕩器來產(chǎn)生激光；通過集光透鏡來會聚所述激光；通過將所述激光照射至疊置在一起的所述多個板而在所述多個板中形成熔池；以及通過將所述激光照射至所述熔池來使所述熔池流動。

在本發(fā)明的第二方面中，當使所述熔池流動時，可通過驅(qū)動所述集光透鏡來掃描照射至所述熔池的所述激光。

在本發(fā)明的第二方面中，當使所述熔池流動時，可通過驅(qū)動保持所述多個板的夾具來掃描照射至所述熔池的所述激光。

在本發(fā)明的第二方面中，當使所述熔池流動時，可通過繞貫穿所述熔池延伸的預定軸線沿預定轉(zhuǎn)動方向掃描照射至所述熔池的所述激光，來使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動。

在本發(fā)明的第二方面中，當使所述熔池流動時，可通過在使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動之后沿著所述熔池的外緣部沿所述預定轉(zhuǎn)動方向掃描所述激光，來使所述熔池流動并擴大。

在本發(fā)明的第二方面中，當使所述熔池流動時，可通過繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向掃描所述激光以使得掃描向所述預定軸線會聚，來使所述熔池繞所述預定軸線沿所述預定轉(zhuǎn)動方向流動成朝所述預定軸線會聚。

本發(fā)明的另一方面是一種用于焊接疊置在一起的多個板的激光焊接裝置(10)，其特征在于包括：產(chǎn)生激光的激光振蕩器(11)；和會聚所述激光的集光透鏡(14)，其中所述激光焊接裝置(10)構(gòu)造成通過將所述激光照射至疊置在一起的所述多個板(101，102)并進行掃描以便形成熔池(y)，并對所形成的熔池掃描所述激光以使得所述熔池流動且在所述熔池中引起起伏、由此使所述熔池由于所述熔池中產(chǎn)生的表面張力而聚集，來焊接疊置在一起的所述多個板。

本發(fā)明的又一方面是一種焊接疊置在一起的多個板的激光焊接方法，其特征在于包括：通過激光振蕩器(11)來產(chǎn)生激光；通過集光透鏡(14)來會聚所述激光；通過將所述激光照射至疊置在一起的所述多個板(101，102)并進行掃描而形成熔池；以及對所形成的熔池掃描所述激光以使得所述熔池流動且在所述熔池中引起起伏，由此使所述熔池由于所述熔池中產(chǎn)生的表面張力而聚集。

按照根據(jù)本發(fā)明的激光焊接裝置和激光焊接方法，即使板間間隙大，也能在結(jié)合強度不降低的情況下焊接多個板。

附圖說明

下面將參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施例的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)意義，在附圖中相似的附圖標記表示相似的要素，并且其中：

圖1是示出按照本發(fā)明一實施例的激光焊接裝置的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是示出按照第一實施例的焊接方法的流程的流程圖；

圖3a和3b分別示出均沿著線b-b截取的示意性透視圖和它們對應的剖視圖，示出第一實施例的焊接方法的操作；

圖4是示出按照第二實施例的焊接方法的流程的流程圖；

圖5a和5b分別示出均沿著線b-b截取的示意性透視圖和它們對應的剖視圖，示出第二實施例的焊接方法的操作；

圖6是示出按照第三實施例的焊接方法的流程的流程圖；

圖7a和7b分別示出均沿著線b-b截取的示意性透視圖和它們對應的剖視圖，示出第三實施例的焊接方法的操作；

圖8是示出按照第四實施例的焊接方法的流程的流程圖；以及

圖9a和9b分別示出均沿著線b-b截取的示意性透視圖和它們對應的剖視圖，示出第四實施例的焊接方法的操作。

具體實施方式

參照圖1，將描述激光焊接裝置10。激光焊接裝置10是本發(fā)明的激光焊接裝置的一實施例。激光焊接裝置10是執(zhí)行激光焊接的裝置。激光焊接是使激光作為熱源在金屬件上聚焦的狀態(tài)下照射至金屬件以使得金屬件局部地熔融并凝固以結(jié)合在一起的焊接方法。

在下述實施例中，假設為了構(gòu)成機動車車身，通過使用激光焊接裝置10進行的激光焊接將兩個疊置的鋼板——也就是，上板101和下板102——焊接在一起。還假設疊置的上板101和下板102具有1mm的板間間隙。

將描述激光焊接裝置10的結(jié)構(gòu)。激光焊接裝置10包括激光振蕩器11、光路12、激光照射頭13和集光透鏡14。激光振蕩器11產(chǎn)生作為焊接熱源的co2激光或yag激光。光路12將振蕩器產(chǎn)生的激光引導到激光照射頭13。光路12通過經(jīng)由鏡子使激光彎曲來傳送激光，或者通過使激光經(jīng)光纖自由彎曲來傳送激光。

激光照射頭13從上板101的上方將經(jīng)光路12傳送的激光照射至上板101和下板102。激光照射頭13通過自動操作裝置(未示出)移動至上板101上方的位置。集光透鏡14將經(jīng)光路12傳送的激光集聚至適當?shù)拇笮∫杂糜谡丈洌⒃诖附拥奈矬w上掃描該激光。集光透鏡14收納在激光照射頭13內(nèi)。

將描述激光焊接裝置10的操作。激光焊接裝置10通過激光振蕩器11產(chǎn)生激光，并通過使用集光透鏡14而會聚激光振蕩器11產(chǎn)生的激光，并將由集光透鏡14會聚的激光照射至疊置在一起的上板101和下板102，并由此將上板101和下板102焊接在一起。

參照圖2和圖3，將描述激光焊接方法s100。激光焊接方法s100是使用本發(fā)明的激光焊接裝置進行的激光焊接方法的第一實施例。順便說一下，圖2中的步驟對應于圖3a和3b中的步驟。此外，圖3b示出均沿著圖3a中的線b-b截取的剖視圖。

參照圖2，將描述激光焊接方法s100的流程。在步驟s110中，激光焊接裝置10從上板101的上方將激光束照射至疊置在一起的上板101和下板102。此時，激光焊接裝置10掃描所照射的激光束以使得由激光束的照射軌跡占據(jù)的區(qū)域在俯視圖中形成矩形，藉此在疊置在一起的上板101和下板102中形成熔池y。順便說一下，盡管在該實施例中，激光的照射軌跡形成矩形，但照射軌跡的形狀也可以是不同形狀，例如圓形、橢圓形等。

在步驟s120中，激光焊接裝置10將激光束照射至如上所述形成的熔池y，并掃描激光束以使得激光束的照射軌跡變成線道(線珠，linebead)，藉此使形成在上板101與下板102之間的熔池y的內(nèi)部流動。盡管激光照射軌跡在此情形中為線道，但激光照射的任意其它軌跡也是適當?shù)?，只要它是使熔池y流動的激光照射軌跡即可。

參照圖3，將描述激光焊接方法s100的操作。在步驟s110中，激光焊接裝置10從上方向疊置在一起的上板101和下板102照射激光束，以使得在疊置在一起的上板101和下板102中形成熔池y。這種情況下，所形成的熔池y中形成了穿孔或分離的焊珠無關(guān)緊要。

在步驟s120中，激光焊接裝置10進行的激光照射的掃描使如上所述形成的熔池y流動。此時，流動的熔池y中出現(xiàn)起伏。出現(xiàn)起伏的熔池y由于表面張力而聚集，并形成既沒有穿孔又沒有分離的焊珠的結(jié)合部。

將描述激光焊接方法s100的效果。在諸如機動車車身等的三維形狀物體的焊接領(lǐng)域中，難以適當?shù)毓芸匕彘g間隙以使得板間間隙小于或等于例如0.3mm。另一方面，在制造機動車車身等時，在實踐中已容許約1mm的板間間隙。因此，以約1mm的板間間隙執(zhí)行焊接而不降低結(jié)合強度已變成一個問題。根據(jù)激光焊接方法s100，能夠?qū)⒕哂?mm的板間間隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低結(jié)合強度。

參照圖4、5a和5b，將描述激光焊接方法s200。激光焊接方法s200是使用本發(fā)明的激光焊接裝置進行的激光焊接方法的第二實施例。順便說一下，圖4中的步驟對應于圖5a和5b中的步驟。此外，圖5b示出均沿圖5a中的線b-b截取的剖視圖。

參照圖4，將描述激光焊接方法s200的流程。在步驟s210中，激光焊接裝置10使用激光照射頭13從上方向疊置在一起的上板101和下板102照射激光束。此時，激光焊接裝置10掃描所照射的激光束以使得由激光照射的軌跡占據(jù)的區(qū)域在俯視圖中形成圓形，藉此在疊置在一起的上板101和下板102中形成熔池y。順便說一下，盡管在該實施例中，激光照射的軌跡形成圓形，但激光照射的軌跡的形狀為諸如橢圓形等的同心形狀即可。

在步驟s220中，激光焊接裝置10使激光照射掃描以便在上板101和下板102中形成的熔池y中產(chǎn)生流動。這里，將在俯視圖中沿豎直方向延伸通過熔池y中心的軸線定義為軸線p。在步驟s220中，將激光照射掃描成繞軸線p沿預定方向(圖5a和5b中的箭頭r的方向)轉(zhuǎn)動。

參照圖5a和5b，將描述激光焊接方法s200的操作。在步驟s210中，激光焊接裝置10從上方向疊置在一起的上板101和下板102照射激光束，以使得在疊置在一起的上板101和下板102之間形成在俯視圖中呈圓形的熔池y。這種情況下，在如上所述形成的熔池y中形成了穿孔或分離的焊珠無關(guān)緊要。

在步驟s220中，激光焊接裝置10進行的激光照射的掃描使如上所述形成的熔池y轉(zhuǎn)動。具體而言，激光焊接裝置10進行的激光照射的掃描使所形成的熔池y沿周向流動并被攪混。此時，轉(zhuǎn)動的熔池y沿周向流動成形成為碗形或缽形。同時，在流動的熔池y中出現(xiàn)起伏。出現(xiàn)起伏的熔池y由于表面張力而聚集，并形成沒有穿孔或分離的焊珠的結(jié)合部。

將描述激光焊接方法s200的效果。根據(jù)激光焊接方法s200，能夠?qū)⑵溟g具有1mm的板間間隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低結(jié)合強度。

參照圖6、7a和7b，將描述激光焊接方法s300。激光焊接方法s300是使用本發(fā)明的激光焊接裝置進行的激光焊接方法的第三實施例。順便說一下，圖6中的步驟對應于圖7a和7b中的步驟。此外，圖7b示出均沿圖7a中的線b-b截取的剖視圖。

參照圖6，將描述激光焊接方法s300的流程。從步驟s310到步驟s320的流程與第二實施例中從步驟s210到步驟s220的流程基本相同，且因此不進行描述。

在步驟s330中，激光焊接裝置10沿著在步驟s320中形成為缽形的熔池y的外緣部掃描激光束。此時，與在步驟s320中一樣，激光照射的掃描被執(zhí)行成繞軸線p沿預定方向(圖7a和7b中的箭頭r1的方向)轉(zhuǎn)動。

參照圖7a和7b，將描述激光焊接方法s300的操作。步驟s310至步驟s320的處理以與第二實施例中的步驟s210至s220的處理大致相同的方式操作，且因此不再次描述。

在步驟s330中，激光焊接裝置10進行的激光照射的掃描擴大所形成的熔池y的直徑。此時，使用在步驟s320整體上成一團流動的熔池y作為基礎來執(zhí)行熔池y的徑向擴大，且因此熔池y中不形成穿孔。在試圖從一開始就形成徑向擴大的熔池y的情況下，從一開始就會形成具有大直徑的熔池y，且因此形成穿孔的可能性高。然而，在步驟s330中，通過使用整體上成一團流動的熔池y作為基礎來增大熔池y的直徑，因此形成穿孔的可能性低。

將描述激光焊接方法s300的效果。根據(jù)激光焊接方法s300，能夠?qū)⒕哂?mm的板間間隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低結(jié)合強度。

參照圖8、9a和9b，將描述激光焊接方法s400。激光焊接方法s400是使用本發(fā)明的激光焊接裝置進行的激光焊接方法的第四實施例。順便說一下，圖8中的步驟對應于圖9a和9b中的步驟。此外，圖9b示出均沿圖9a中的線b-b截取的剖視圖。

參照圖8，將描述激光焊接方法s400的流程。從步驟s410到步驟s420的流程與第二實施例中從步驟s210到步驟s220的流程基本相同，且因此不進行描述。

在步驟s430中，激光焊接裝置10掃描激光束，以使得掃描朝在步驟s320中形成為缽形的熔池y的中心會聚。也就是說，激光照射被掃描成朝軸線p會聚。此時，與在步驟s320中一樣，激光照射的掃描被執(zhí)行成繞軸線p沿預定方向(圖9a和9b中的箭頭r2的方向)轉(zhuǎn)動。換言之，激光繞軸線p螺旋地掃描。

參照圖9a和9b，將描述激光焊接方法s400的操作。步驟s410至步驟s420的處理以與第二實施例中的步驟s210至s220的處理大致相同的方式操作，且因此下文不進行描述。

在步驟s430中，激光焊接裝置10進行的激光照射的掃描使所形成的熔池y的中心部向下延伸。此時，在步驟s420中整體上成一團流動的熔池y向下延伸，以使得以較高強度焊接下板102。

將描述激光焊接方法s400的效果。根據(jù)激光焊接方法s400，能夠?qū)⒕哂?mm的板間間隙的上板101和下板102焊接在一起而不降低結(jié)合強度。

盡管在前述第一至第四實施例中，從疊置在一起的上板101和下板102(兩個鋼板)的上方照射激光，但本發(fā)明并不限于該結(jié)構(gòu)。即使在從疊置在一起的三個或更多鋼板的上方照射激光的結(jié)構(gòu)中，也能夠?qū)崿F(xiàn)基本相同的效果。

盡管在第一至第四實施例中，待焊接的物體為鋼板，但這并不限制本發(fā)明。例如，在待焊接的物體為鋁板的結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)基本相同的效果。

盡管在第一至第四實施例中，激光從疊置在一起的上板101和下板102的上方照射，但本發(fā)明并不限于此。即使在激光照射至疊置在一起的上板101和下板102的側(cè)面(端面)的結(jié)構(gòu)中，也能夠?qū)崿F(xiàn)基本相同的效果。

順便說一下，激光的掃描可通過例如與前述實施例中那樣驅(qū)動集光透鏡以改變激光的聚焦位置來執(zhí)行，或者也可通過驅(qū)動保持多個板的夾具(未示出)以使所述多個板相對于激光移動來執(zhí)行。也就是說，激光和多個板相對于彼此移動而使得使熔池流動即可。然而，在待焊接的多個板大到難以使板移動的情況下，優(yōu)選通過例如驅(qū)動集光透鏡以改變激光的聚焦位置來掃描激光。

此外，用于本發(fā)明中的夾具的示例包括夾持多個板以使得所述板相對于彼此不可移動地固定的夾具、供多個板放置的臺面、這些夾具的組合等。

已僅僅出于說明的目的參考示例性實施例描述了本發(fā)明。應理解，該描述并非意圖是窮盡的或者限制本發(fā)明的形式，本發(fā)明可適用于其它系統(tǒng)和應用中。本發(fā)明的范圍包含本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到的各種變型和等同布置。