混合電弧/雷射焊接工藝,特別用來焊接管子或汽車構件的製作方法

2023-06-09 15:07:01

專利名稱：混合電弧/雷射焊接工藝,特別用來焊接管子或汽車構件的製作方法
技術領域：
本發明涉及混合焊接工藝並涉及把雷射束和電弧，特別是等離子弧，組合起來的混合焊接設備，並涉及它們在用於汽車工業的剪裁毛坯的焊接中的應用。
雷射技術已經公知並以多年廣泛用來焊接各種金屬材料，例如由合金鋼或非合金鋼、鍍層鋼、不鏽鋼、以及鋁和鋁合金製成的工件。一般來說，一臺雷射焊接設備包括一個產生固有單色高能光束的固態或氣體雷射振蕩器，一個帶有偏向鏡的光路或者允許把雷射束傳輸到位於待焊接板材對面的焊頭的光纖。常規上，焊頭包括一個透鏡或一個或多個聚焦反射鏡，以便把雷射束聚焦在待焊接材料的厚度中並且在通過把待焊接起來的工件的部分邊對邊地結合起來而形成的接頭平面中的一個或多個焦點，從而局部地集中足夠的功率密度去熔化待焊接材料。通常，焊頭包括一個用來藉助於與雷射束同軸布置的排氣噴嘴供給焊接氣體，也稱輔助氣體，的供氣裝置。此一供氣裝置也可以在實際雷射焊頭的外部。
用來把一個或多個待連接起來的工件，例如形成管子的金屬板的縱向邊緣，或者邊對邊湊在一起的兩個金屬工件的縱向邊緣焊接起來的另一個解決方案在於藉助於一個或多個電弧使待連接起來的邊緣熔化。
廣泛地用於工業的某些這種工藝使用氣體作為保護氣體或者作為活性氣體。在此一方面，可能提到TIG(鎢極惰性氣體)、MIG(金屬極惰性氣體)、MAG(金屬極活性氣體)工藝或等離子弧工藝。
相反，其他工藝通常在管子的焊接期間不使用氣體，例如埋弧焊接工藝。
然而，雷射焊接工藝或電弧焊接工藝各有其特有的缺點。
因此，已經開發了把一個或多個雷射束與一個或多個電弧組合的組合或混合工藝，特別是把一個雷射束與一個電弧等離子焰流組合的焊接工藝，也稱為等離子-雷射焊接工藝。
各種混合電弧/雷射焊接工藝已經例如在文件EP-A-793558；EP-A-782489；EP-A-800434；US-A-5006688；US-A-5700989；EP-A-844042；T.P.Diebold和C.E.Albright的「鋁合金5052的雷射GTA焊接」，1984,18～24頁；SU-A-1815085和US-A-4689466；R.P.Walduck和J.Biffin的「等離子弧增強雷射焊接」，172～176頁，1994；或J.Matsuda等的「厚中碳鋼板的TIG或MIG電弧增強雷射焊接」，31～34頁，1988中描述。
一般來說，等離子/雷射或者更廣義的電弧/雷射焊接工藝是組合或混合焊接工藝，它把電弧焊接與雷射束組合起來。
電弧/雷射工藝在於在可能是或可能不是自耗的電極與待焊接工件之間產生電弧，並在電弧區也就是接近或在通過把待焊接在一起的零件邊對邊地接合起來而得到的接頭面上聚焦強有力的雷射束，特別是YAG型或CO2型雷射束。
這樣一種混合工藝使得與單獨的雷射焊接或與單獨的電弧焊接相比有可能顯著提高焊接速度。
此外，這樣一種混合工藝進而使得有可能相當可觀地加大焊接前工件的定位公差，因為單獨的雷射焊接由於雷射束的聚焦點尺寸很小而需要待焊接零件的高定位精度。
等離子/雷射工藝，以及更廣義地電弧/雷射工藝的採用，需要採用一種焊頭，該焊頭使得有可能在一個小空間裡把雷射束及其聚焦裝置與一個合適的焊接電極組合起來。在上述文件中描述了幾種焊頭配置，而且可以概括地指出，雷射束和電弧或等離子焰流可以由一個和同一個焊頭排出，也就是說它們經由同一個噴嘴離開，要不然經由兩個分開的焊頭，一個排出雷射束而另一個排出電弧或等離子焰流，兩者在焊接區中組合起來。
電弧/雷射混合工藝特別適合於焊接用於汽車工業的剪裁毛坯，因為除了上述優點之外，它們使得有可能得到良好「潤溼」並沒有咬邊的焊縫，正如在文件EP-A-782489和「雷射加電弧等於強有力」，工業雷射解決方案，1999年2月，28～30頁中憶及的那樣。
這種焊接在於把一般由具有不同厚度和/或不同牌號鋼，鍍鋅鋼，或者由鋁製成的兩個板材或工件接合在一起。根據所用的焊接方法或焊前準備的不同，待焊接接頭常規上特徵在於每個待焊接工件的上平面之間的高度不同，於是造成產生「臺階」，如

圖1中所示。
也可能遇到相反的情況，也就是剪裁毛坯型接頭，其中上平面取齊但是它們的下平面不在同一高度，而且其中因而「臺階」位於該待焊接接頭的相反側，如圖2中可見。
這類焊接(圖1或圖2)往往在汽車工業中看到，在汽車工業中這樣焊接的工件然後進行壓制以便給出其最終形狀，例如在車身和例如車門、頂篷、機罩或行李箱的製造中所用的各種工件。它們也可以在乘坐室的構件中看到。
進而，還存在著待焊接在一起的工件具有相同的厚度但是具有彼此不同的牌號的情況。
此一混合工藝還適合於許多類型的接頭，例如圖3中示意地示出的角焊和圖4中示出的搭焊的焊接。
從工業觀點來說，此一混合工藝的使用需要機器或機器人，該機器或機器人具有用來把待焊接工件輸送或移動到等離子雷射焊頭之下的機構或者用來把焊頭本身移動到待焊接工件之上的機構。
根據每個工件上待焊接接頭數並根據待焊接工件數，這些機器或機器人要求不僅將要相對於所要產生的焊接接頭精確定位，而且頭等重要的是能夠間歇地停止焊接工序。
這是因為，如上所述，每個待焊接工件可能有幾個待焊接接頭，例如位於所討論的工件上的不同點處的接頭，因而重要的是在機器或機器人把焊頭定位在下一個接頭時停止焊接工序，反之亦然。
同樣，當更換新的工件時，也就是在焊接一個工件之後和焊接下一個工件之前，必須進行相同的操作。
這意味著，在這種焊接停止操作期間，無論雷射束還是等離子弧都不能繼續衝擊在工件上。
在等離子弧的場合，防止電弧停留在該(諸)待焊接工件上實際上很容易實現-或者通過熄滅電弧，也就是說通過把焊接電流設定為零；-或者通過防止電弧傳到待焊接工件上，也就是說通過從焊接電弧工步切換到引導弧工步，在該引導弧工步期間在電極與例如等離子/雷射焊頭的內表面之間建立電弧，因而在電弧與該(諸)待焊接工件之間沒有任何接觸。一般來說，這通過大大減小電弧電流(強度)並通過同時把等離子/雷射焊頭設定成待焊接工件的電位來實現。
隨意地，還有可能暫時減小氣體流量和/或改變氣體性質。
例如，可能提到文件EP-A-793558，該文件建議幾乎同時中斷電弧和雷射束，辦法是首先減小電流直到等離子弧停止然後在停止等離子弧之後的一個選定的時刻把雷射器退激。
然而，這種進行方法是不理想的，因為它不適合於焊接部件的大量生產，特別是因為它帶來時間浪費和生產率損失。
在雷射束的情況下產生一個問題，因為不像能夠用於電弧的程序那樣，不可能像電弧那樣簡單地停止或關斷雷射束然後重新起動它或恢復接通它，因為當在下一個焊接工步開始時重新起動它時這造成大的功率不穩定性，並造成時間浪費從而造成生產率損失，因為在下一個接頭的焊接開始時重新起動雷射需要比較長的時間，期間不能發生任何事情，也就是說不能進行焊接，這段時間是雷射振蕩器的熱穩定所必須的。
於是，本發明的目的在於解決此一問題，提供一種改進的混合電弧/雷射焊接工藝，該工藝使得有可能在產生一個焊接接頭的結束與焊接下一個接頭開始之間經過的時間段期間，也就是在焊接一個或多個工件之後和在焊接該(諸)下一個工件之前，避免關斷雷射束，特別是為了允許機器或機器人把焊頭與待產生接頭平面的起點彼此相對定位和/或允許待焊接在一起的新工件的更換，而且這樣做而在它們被焊接時沒有雷射在該(諸)待焊接工件或支撐工件的支撐架上的衝擊，以便防止對工件或對裝置本身的損壞。
因而由本發明提供的解決方案是一種混合焊接工藝和混合焊接裝置，以及此一工藝或此一裝置特別是用於汽車工業的剪裁毛坯之類工件的焊接。
更確切地說，本發明涉及一種用來通過使用至少一個雷射束和至少一個電弧，特別是一個等離子弧，把一個或多個待焊接金屬工件焊接在一起的工藝，在該工藝中，在至少一個焊接接頭已經在所述(諸)工件上產生之後，該雷射束被發送和/或偏轉到輻射吸收機構中使所述雷射束的至少某些輻射被吸收。
根據情況，本發明的焊接工藝可以包括一個或多個以下特徵-在一個焊接接頭焊接結束與下一個焊接接頭焊接開始之間經過的焊接停止時間的至少一部分期間，最好是在整個焊接停止時間，該雷射束被發送和/或偏轉到輻射吸收機構中；-該輻射吸收機構包括至少一個吸收腔，雷射束被偏轉和/或發送到其中以便它的輻射在其內被吸收，該雷射束最好是被一個或多個偏向鏡偏轉和/或發送到所述吸收腔中；-該雷射束由一個YAG-或CO2-型雷射器發射和/或該電弧是一個等離子弧，該雷射束和所述電弧最好是由一個單個的焊頭排出；-在一個焊接接頭焊接結束與下一個焊接接頭焊接開始之間經過的焊接停止時間的至少一部分期間，特別是在此一焊接停止工步剛開始時或在該焊接工步剛結束時，電弧電流被中斷、衰減或減小，該電弧電流最好是與該雷射束向使所述雷射束的輻射的至少某些能夠被吸收的輻射吸收機構的發送和/或偏轉幾乎同步地被中斷、衰減或減小；
-該待焊接工件或諸待焊接工件由從鍍層或非鍍層鋼、特別是裝配鋼、HYS鋼、碳鋼、在表面上帶有鋅合金鍍層的鋼、不鏽鋼、鋁和鋁合金、以及高屈服強度鋼中選出的金屬或金屬合金來製成，所述待焊接工件或諸待焊接工件最好是裁剪毛坯，特別是能夠用來製造車輛的車身部件的那些剪裁毛坯；-從氬、氦、氮或它們的混合物中選出的氣體用作雷射束的輔助氣體和/或從氬、氦、氮、氫或它們的混合物中選出的氣體用作等離子氣體；-待焊接在一起的工件具有相同的厚度或不同的厚度和/或具有相同的材料牌號或具有不同的牌號，例如5000和6000系列的牌號；-待焊接在一起的工件由鍍層或非鍍層鋼、鋁或鋁合金製成；-待焊接在一起的工件由不同的金屬或合金製成，例如一個工件由不鏽鋼製成，另一個工件由非不鏽鋼製成；-待焊接在一起的諸工件是下坡焊縫或平焊縫，也就是說對焊、搭焊或角焊。
進而，本發明還涉及一種混合電弧/雷射焊接工藝，特別是一種等離子/雷射焊接工藝，包括(a)至少一個焊接步驟，該焊接步驟把一個電弧，特別是一個等離子弧與一個雷射束組合起來；以及(b)至少一個焊接停止步驟，至少在其開始時相對同時包括以下子步驟(ⅰ)和(ⅱ)(ⅰ)熄滅電弧或把等離子弧切換到引導弧，以及(ⅱ)把雷射束髮送和/或偏轉到一個用來吸收雷射功率的腔。
根據另一個方面，本發明涉及一種混合電弧/雷射焊接裝置，包括-至少一個雷射束髮生器，用以排出至少一個雷射束，以及-至少一個電極，由至少一個電流源供電，以便產生至少一個電弧，
其特徵在於，它還包括雷射輻射吸收機構，使得有可能至少暫時地吸收所述雷射束的至少某些輻射。
根據情況，本發明的焊接裝置可以包括一個或多個以下特徵-該雷射輻射吸收機構包括一個吸收腔，該雷射束被偏轉和/或發送到其中以便它的輻射在其內被吸收，最好是該雷射束藉助於偏轉機構偏轉和/或發送到所述吸收腔中；-它還包括用來支持工件，使得有可能在焊接期間支持和/或夾持待焊接工件的機構；用來自動進給待焊接工件，使得有可能把該(諸)待焊接工件自動地進給和/或定位在所述支持機構上的機構；用來夾持待焊接工件，使得有可能在焊接工序期間把待焊接工件夾持在所述支持機構上的位置的機構；和/或用來自動地取下焊接工件，使得有可能在焊接之後從所述支持機構取下工件的機構；-它包括使得有可能自動地控制用來進給待焊接工件的機構；用來取下焊接工件的機構；用來偏轉雷射束的機構；焊接的停止和/或結束；和/或排出電弧的頭和排出雷射束的頭對待焊接工件的相對運動的控制機構；-該雷射束由一個YAG-或CO2-型雷射器發送和/或該電弧由一個等離子弧焊炬排出，該雷射束和所述電弧最好是由一個單個的焊頭排出；-該雷射束偏轉機構包括一個或多個可動的偏向鏡，同步機構最好是使得有可能使焊接工步或焊接停止工步的該偏向鏡或諸偏向鏡的運動與待焊接工件或該等離子/雷射焊頭的運動同步。
根據又一個方面，本發明涉及一種用來製造用於汽車工業的焊接部件或結構的工藝，在該工藝中對所述部件的至少一個焊接工序通過使用根據本發明的混合電弧/雷射焊接工藝或焊接裝置來進行。
換句話說，本發明還涉及使用根據本發明的焊接裝置來焊接用來形成至少一個車身部件的至少一個裁剪毛坯，以及使用根據本發明的混合焊接工藝，通過焊接來裝配具有不同厚度的金屬工件，特別是裁剪毛坯。
進而，本發明涉及一種用來製造車身部件的工藝，其中用於所述車身部件的結構的金屬工件通過使用根據本發明的混合電弧/雷射焊接工藝來焊接，金屬工件最好是由鋁或鋁合金來製成。
換句話說，根據本發明，在分隔兩個相繼接頭的產生或相繼工件的焊接的焊接停止工步期間，無需停止該雷射束。
這是因為，根據本發明，該雷射束只是偏轉到一個吸收腔，在那裡該雷射輻射被吸收。
此一偏轉可以例如通過移動與雷射束相交的偏向鏡，把雷射束髮送到所述腔中，在那裡雷射功率被耗散。這意味著在偏向鏡的運動根據情況與焊接工步的開始、焊接工步的停止、待焊接工件或等離子/雷射焊頭的運動同步。
圖5示意地示出根據本發明的一個實施例。一個等離子/雷射焊頭4通常包括兩個反射鏡，一個平面反射鏡6和一個球面或拋物線反射鏡5，以及一個小孔，電極7經由該小孔插入焊頭。於是雷射束3能夠聚焦在待焊接工件上。當打算停止焊接時，偏向鏡1插入雷射束的光路，致使所述雷射束被偏轉到一個光井2中，在那裡雷射束被吸收。同樣，當打算重新開始焊接時，進行相反的操作，也就是說偏向鏡1被從雷射束的光路移出。
本發明的該工藝和該裝置特別適合於用於汽車工業的工件的批量生產，諸如可以用來製造例如汽車車門或車輛的其他部件的裁剪毛坯之類。
權利要求
1．一種用來通過使用至少一個雷射束和至少一個電弧，特別是一個等離子弧，把一個或多個待焊接金屬工件焊接在一起的工藝，在該工藝中，在至少一個焊接接頭已經在所述(諸)工件上產生之後，該雷射束被發送和/或偏轉到輻射吸收機構中使所述雷射束的至少某些輻射被吸收。
2．根據權利要求1的焊接工藝，其特徵在於，其中在一個焊接接頭焊接結束與下一個焊接接頭焊接開始之間經過的焊接停止時間的至少一部分期間，最好是在整個焊接停止時間，該雷射束被發送和/或偏轉到輻射吸收機構中。
3．根據權利要求1和2中的某一項的焊接工藝，其特徵在於，其中該輻射吸收機構包括至少一個吸收腔，雷射束被偏轉和/或發送到其中以便它的輻射在其內被吸收，該雷射束最好是被一個或多個偏向鏡偏轉和/或發送到所述吸收腔中。
4．根據權利要求1至3之一的焊接工藝，其特徵在於，該雷射束由一個YAG-或CO2-型雷射器發射和/或在於，該電弧是一個等離子弧，該雷射束和所述電弧最好是由一個單個的焊頭排出。
5．根據權利要求1至4之一的焊接工藝，其特徵在於，其中在一個焊接接頭焊接結束與下一個焊接接頭焊接開始之間經過的焊接停止時間的至少一部分期間，特別是在此一焊接停止工步剛開始時或在該焊接工步剛結束時，電弧電流被中斷、衰減或減小，該電弧電流最好是與該雷射束向使所述雷射束的輻射的至少某些能夠被吸收的輻射吸收機構的發送和/或偏轉幾乎同步地被中斷、衰減或減小。
6．根據權利要求1至5之一的焊接工藝，其特徵在於，其中該待焊接工件或諸待焊接工件由從鍍層或非鍍層鋼、特別是裝配鋼、HYS鋼、碳鋼、在表面上帶有鋅合金鍍層的鋼、不鏽鋼、鋁和鋁合金、以及高屈服強度鋼中選出的金屬或金屬合金來製成，所述待焊接工件或諸待焊接工件最好是裁剪毛坯，特別是能夠用來製造車輛的車身部件的那些剪裁毛坯。
7．一種電弧/雷射焊接工藝，特別是一種等離子/雷射焊接工藝，包括(a)至少一個焊接步驟，該焊接步驟把一個電弧，特別是一個等離子弧與一個雷射束組合起來；以及(b)至少一個焊接停止步驟，至少在其開始時相對同時包括以下子步驟(ⅰ)和(ⅱ)(ⅰ)熄滅電弧或把等離子弧切換到引導弧，以及(ⅱ)把雷射束髮送和/或偏轉到一個用來吸收雷射功率的腔。
8．一種混合電弧/雷射焊接裝置，包括-至少一個雷射束髮生器，用以排出至少一個雷射束，以及-至少一個電極，由至少一個電流源供電，以便產生至少一個電弧，其特徵在於，它還包括雷射輻射吸收機構，使得有可能至少暫時地吸收所述雷射束的至少某些輻射。
9．根據權利要求8的焊接裝置，其特徵在於，其中該雷射輻射吸收機構包括一個吸收腔，該雷射束被偏轉和/或發送到其中以便它的輻射在其內被吸收，該雷射束最好是藉助於偏轉機構偏轉和/或發送到所述吸收腔中。
10．根據權利要求8和9中的某一項的焊接裝置，其特徵在於，它包括-用來支持工件，使得有可能在焊接期間支持和/或夾持待焊接工件的機構；-用來自動進給待焊接工件，使得有可能把該(諸)待焊接工件自動地進給和/或定位在所述支持機構上的機構；-用來夾持待焊接工件，使得有可能在焊接工序期間把待焊接工件夾持在所述支持機構上的位置的機構；和/或-用來自動地取下焊接工件，使得有可能在焊接之後從所述支持機構取下工件的機構。
11．根據權利要求8至10之一的焊接裝置，其特徵在於，它包括控制機構，使得有可能自動地控制-用來進給待焊接工件的機構；-用來取下焊接工件的機構；-用來偏轉雷射束的機構；-焊接的停止和/或結束；和/或-排出電弧的頭和排出雷射束的頭與待焊接工件的相對運動。
12．根據權利要求8至11之一的焊接裝置，其特徵在於，該雷射束由一個YAG-或CO2-型雷射器發送和/或在於，該電弧由一個等離子弧焊炬排出，該雷射束和所述電弧最好是由一個單個的焊頭排出。
13．根據權利要求8至12之一的焊接裝置，其特徵在於，其中該雷射束偏轉機構包括一個或多個可動的偏向鏡，同步機構最好是使得有可能使焊接工步或焊接停止工步的該偏向鏡或諸偏向鏡的運動與待焊接工件或該等離子/雷射焊頭的運動同步。
14．一種用來製造用於汽車工業的焊接部件或結構的工藝，在該工藝中對所述部件的至少一個焊接工序通過使用根據權利要求1至7之一的混合電弧/雷射工藝或根據權利要求8至13之一的焊接裝置來進行。
15．使用根據權利要求1至8之一的焊接裝置來焊接至少一個用來形成一個車身部件的至少一部分的裁剪毛坯。
16．使用根據權利要求1至7之一的混合焊接工藝，通過焊接來裝配具有不同厚度的金屬工件，特別是裁剪毛坯。
17．一種用來製造車身部件的工藝，其中用於所述車身部件的結構的金屬工件通過使用根據權利要求1至7之一的混合電弧/雷射焊接工藝來焊接，金屬工件最好是由鋁或鋁合金來製成。
18．根據權利要求1至7之一的焊接工藝，其中從氬、氦、氮或它們的混合物中選出的氣體用作雷射束的輔助氣體和/或從氬、氦、氮、氫或它們的混合物中選出的氣體用作等離子氣體。
全文摘要
用來通過使用一個雷射束和一個電弧,最好是一個等離子弧,焊接金屬工件,例如裁剪毛坯,的混合焊接工藝和裝置,在該工藝中,在焊接接頭已經產生之後,該雷射束被發送和/或偏轉到輻射吸收機構,例如一個吸收腔中,使所述雷射束的輻射被吸收。在產生一個焊接接頭之後和開始焊接第2個焊接接頭之前的焊接停止工步期間,該雷射束持續被偏轉。本發明的該工藝和該裝置特別適合於用於汽車工業的工件的批量生產,諸如可以用來製造例如汽車車身部件之類的裁剪毛坯的批量生產,或者用於管子的批量生產。
文檔編號B23K26/06GK1325778SQ01121318
公開日2001年12月12日 申請日期2001年5月31日 優先權日2000年5月31日
發明者弗朗西斯·布賴德, 克裡斯蒂·貝奈特 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司, 法國氣焊公司