用於對兩塊塗層板材進行雷射遠程焊接的方法和設備的製作方法

2023-07-05 08:29:06

用於對兩塊塗層板材進行雷射遠程焊接的方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於對兩塊塗層板材(10，20)進行雷射遠程焊接的方法，其中，將雷射射束(L)藉助掃描設備(110)轉向待相互連接的板材(10，20)並在所述板材(10，20)上導引。在此規定：使所述板材(10，20)通過在搭接接頭處形成正面角焊縫而相互連接，其中，連續進行的焊縫形成由照相裝置(140)記錄，以及根據對所拍攝圖像的自動分析處理在必要時修正雷射射束(L)的軌跡並使其適配於額定焊縫走向。另外，本發明還涉及一種用於實施該方法的設備(100)。
【專利說明】用於對兩塊塗層板材進行雷射遠程焊接的方法和設備

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於對至少兩塊塗層板材進行雷射遠程焊接的方法，其中，將雷射射束藉助掃描裝置轉向待相互連接的板材並在其上導引。
[0002]另外，本發明還涉及一種用於實施該方法的設備。

【背景技術】
[0003]由DE 103 09 157 B4已知一種文首所述類型的方法。在先前已知的該方法中，待接合的塗層板材被儘可能彼此無間隙地定位。在第一方法步驟期間，首先將朝向雷射射束的板材藉助該雷射射束進行加熱，其中，兩塊板材的在其彼此相對的側面上的塗層被蒸發並分布於所述板材之間，而板材基本材料不熔化。在第二方法步驟期間，將兩塊板材在除去塗層的區域內藉助雷射射束進行熔接並使其以這種方式材料接合地相互連接。
[0004]關於現有技術還補充地參引JP 11047967 A。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是，提供一種文首所述類型的方法，該方法不存在那些隨現有技術所出現的缺點或者至少是僅在很小程度上具有那些隨現有技術所出現的缺點。
[0006]此目的通過按照本發明的具有權利要求1所述特徵的方法得以實現。包括並列的權利要求在內，此目的的解決方案還延及一種用於實施按照本發明的方法的設備。對於本發明的兩項主題內容，可類似地由從屬權利要求以及下文的說明得知一些優選的發展和設計方案。
[0007]在按照本發明的方法中，使塗層板材通過在搭接接頭處形成正面角焊縫而相互連接，其中，連續進行的焊縫形成由(至少)一個照相裝置記錄，以及根據對所拍攝圖像(或者所拍攝視頻序列之類)的自動分析處理在必要時修正雷射射束(在待接合的板材上)的軌跡並使其適配於額定焊縫走向，這一點特別是在運行中的焊接過程之中進行。
[0008]所說雷射遠程焊接特別是應理解為使用掃描技術或者掃描裝置的焊接方法。在這種情況下，雷射射束通過至少一個可運動的旋轉鏡或者掃描鏡被轉向並且在待接合的板材上被定位或導引，以此方式可以實現非常高的加工處理速度。此外，掃描裝置還可以具有用於使雷射射束聚焦的透鏡系統。典型的是，在無焊接添加料的情況下實施熔接。
[0009]所說在搭接接頭處的正面角焊縫特別是應理解為在至少兩塊板材之間的焊接連接，其中，上部板材至少部分重疊地平放在下部板材上以及焊縫是構成在所述上部板材的至少一個邊緣面或者說側面與所述下部板材的鄰接的接觸面之間。這樣的焊縫也可稱為側面角焊縫。正面角焊縫可以構造為連續的焊縫或者成點焊縫的方式(也就是說帶有焊縫中斷)。
[0010]對於欲要相互接合的板材，可以是平的板材(平板件)或者立體成形的板材(板材成形件)。優選規定:它涉及的是鋅塗層鋼板。另外，它也可以涉及鋁塗層鋼板。所說鋅塗層或者鋁塗層特別是應理解為鋅基或鋁基的防腐保護層。
[0011]正面角焊縫按照本發明的設置方式對於塗層材料(特別是鋅)造成了很好的除氣條件，從而，過程幹擾/故障相對於文首所述的現有技術而言明顯減少。此外，在按照本發明的方法中只需要一個作業步驟；在DE 103 09 157 B4中所描述的利用雷射射束進行加溫(用以蒸發塗層)則不再必要。
[0012]然而，在形成正面角焊縫時，例如作為由構件公差造成的結果，會出現與預先給定之額定焊縫走向的臨界偏差。為了避免這樣的偏差，本發明另外還建議一種對焊縫走向的光學監視(通過圖像的拍攝和分析處理而識別焊縫)和一種可能由此產生的對雷射射束的修正運動，其中，該修正運動特別是通過掃描裝置或者構建在其內的掃描鏡得以實現，藉此雷射射束便能夠精確地依循預先給定的額定焊縫走向。這也可稱為對焊縫走向的在線調節(或者說在線焊縫跟蹤調節)。因此，本發明的方法能夠實現對至少兩塊塗層板材的穩健可靠的(robust)雷射遠程焊接，其特別是還適合於機動車車身製造中的批量應用。
[0013]本發明方法的另一個優點在於:使兩塊待接合的塗層板材藉助至少一條角焊縫無間隙地或者無間距地(也就是說以所謂的零間隙)熔接。熔接的板材之間的間隙是不希望有的，因為汙物和/或腐蝕性介質(特別是溼氣)可能會侵入，毛細作用加劇了這一點。在由DE 103 09157 B4先前已知的方法中，塗層蒸汽在板材之間發生冷凝，這樣必然導致這些板材的間隔。在JP 11047967 A所描述的方法中，板材一開始就(通過熔化火口)具有間隔，其中，引入用於間隙調定的熔化火口需要單獨的和複雜的作業步驟。
[0014]對於所說藉助至少一個照相裝置形成的和繼後藉助控制裝置加以分析處理的圖像或者視頻序列，特別是涉及灰度圖錄製影像(Graubildaufnahme)。優選規定:由照相裝置進行記錄的區域由至少一個人造光源附加地照明，這一點例如鑑於煙塵和蒸汽或者較大的相機距離來說是有益的。所述人造光源例如可以安裝在掃描裝置內或者從外部固定在掃描裝置上。同樣，所述照相裝置也可以安裝在掃描裝置內或者從外部固定在掃描裝置上。
[0015]可以對所拍攝圖像在焊縫走向方面針對板材之間因搭接而不可避免地存在的梯級錯位進行分析處理。所形成的角焊縫的方位可以在所拍攝圖像上通過梯級錯位輕易地辨識並與該梯級錯位關聯起來。這樣於是便允許確定雷射射束的實際位置和計算出修正運動，該修正運動然後經過相應的轉換通過掃描裝置或者構建在其內的掃描鏡得以實現。
[0016]作為選擇，可以規定:在第一方法步驟中在欲要施加的正面角焊縫的區域內首先只是利用雷射射束使(板材的)塗層蒸發掉(也就是說通過蒸發將其除去)，然後在第二方法步驟中將局部除去塗層的板材利用同一雷射射束加以熔接。在各個方法步驟中所需的不同能量導入例如可以通過雷射射束的移行速度(和/或在必要時也可以通過駛過的次數)進行調定。另外，優選規定:在第一方法步驟中使雷射射束通過散焦或者振動實際上被加寬，從而塗層可以在一條比較寬的帶上被蒸發掉(而此外不會導致板材基本材料的熔化)。
[0017]或者作為可選方案，可以規定:在欲要施加的正面角焊縫的區域內利用獨立分開的(第二)雷射射束使(板材的)塗層蒸發，其中，該獨立分開的雷射射束先於用於焊接的(第一)雷射射束。據此，在這種情況下需要兩個雷射射束，然而只需一個作業步驟。例如可以通過兩個掃描裝置或者通過一種所謂的雙聚焦技術來實現兩個雷射射束。
[0018]也可以針對於所形成的正面角焊縫的質量檢驗自動地分析處理由照相裝置拍攝的圖像或視頻序列，例如針對於廢渣、微孔、裂紋等。所述自動化的分析處理可以由控制裝置來承擔。通過這種方式無需顯著提高費用和成本就能夠實現通過自動化的外觀檢查對所形成的正面角焊縫進行在線質量檢驗。在現有技術中已知有各種不同的用於進行焊縫質量外觀檢查的可能方案。
[0019]優選規定:在形成一條正面角焊縫或者多條正面角焊縫之前首先可以求出或者確定出額定焊縫走向，對此還包括焊縫走向的平整和縮短、速度的優化、可接近性檢驗和碰撞檢驗、多個正面角焊縫的生產節拍優化和/或順序規劃。優選以CAD為基礎來實施這一點。這也可以稱為離線軌跡規劃(Offline-Bahnplanung)。
[0020]按照本發明的用於對兩塊塗層板材進行雷射遠程焊接的設備包括:
[0021]-一個掃描裝置，利用該掃描裝置，能將(至少)一個雷射射束轉向待相互連接或待接合的板材並進行導引；
[0022]_(至少)一個照相裝置，藉助該照相裝置，利用雷射射束連續進行的(正面角焊縫的)焊縫形成能夠被(光學地)記錄；和
[0023]-一個控制裝置，比如特別是計算機裝置，利用該控制裝置，對由照相裝置拍攝的圖像自動地進行分析處理以及基於此在必要時修正雷射射束的軌跡並使其適配於額定焊縫走向。
[0024]優選規定:掃描裝置安裝在一個可動機構上。可動機構例如是機器人、門架等等。通過掃描裝置藉助所述可動機構到不同位置的運動，作業空間便能夠得到擴大。如果掃描裝置的移行運動與焊接同時進行的話，就稱為「on the fly (即時)」焊接，由此，加工時間能夠明顯縮短。「on the fly (即時焊接要求各運動(即:雷射射束藉助掃描裝置的運動和掃描裝置藉助所述機構的運動)同步，這一點不管是在離線軌跡規劃中還是在在線焊縫跟蹤調節中都能夠得到考慮。控制裝置則為此而相應地設計或構造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下文將參照附圖示例性地並且非限制性地進一步詳細闡述本發明。在附圖中示出的和/或在下文中闡述的各特徵可以獨立於具體的特徵組合方式作為本發明的一般性特徵。
[0026]圖1示出了兩塊通過一條正面角焊縫相互連接的板材的俯視圖；
[0027]圖2示出了圖1所示正面角焊縫的剖視圖；
[0028]圖3示出了按照本發明的用於雷射遠程焊接的設備的示意圖。

【具體實施方式】
[0029]圖1示出了兩塊平的塗層板材10和20，它們相互疊置地或者按搭接頭方式布置並且通過一條直的正面角焊縫30材料接合地相互連接。根據在圖1中示出的圖示，板材10可以被稱為下部板材，板材20被稱為上部板材。上部板材20可以完全平放在下部板材10上並且用環繞的正面角焊縫或者側面角焊縫與下部板材10連接在一起。正面角焊縫30也可以具有一種在平面內彎曲的以及在必要時立體彎曲的延伸走向。
[0030]圖2示出了角焊縫30的剖視圖。在這個圖示中可以非常清楚地看到構成在上部板材20的邊緣面或者說側面與下部板材10的鄰接的接觸面之間的焊縫的構造。
[0031]在熔接之前，上部板材20被定位在下部板材10上並被定向調準。接著利用雷射射束將塗層板材10和20焊接或者說熔接，這可以在下文結合圖3所闡述的設備上實施。
[0032]圖3示出了總體上以100標註的用於雷射遠程焊接的設備。該設備100包括一個本身在現有技術中已知的掃描裝置110，該掃描裝置通過一個法蘭125固定在一個機器人的機械手臂120上。掃描裝置110可以藉助機器人在空間中運動，這一點利用雙箭頭圖解示出。通過這種方式如上面提到的那樣可以實現「on the fly(即時)」焊接。另外，該設備100還包括一個固定在掃描裝置110上的照明裝置130和一個同樣固定在掃描裝置110上的照相裝置140。另外，一個控制裝置150也屬於設備100，該控制裝置通過未示出的接口與掃描裝置110、照明裝置130、照相裝置140和機器人相連。
[0033]為了對兩塊塗層板材10和20進行焊接，使這些板材相對彼此定位。接著，將雷射射束L藉助掃描裝置110轉向設置在掃描裝置110下方的板材10和20並且沿著預先給定的軌跡(額定焊縫走向)在板材10和20上面導引(參照圖3中的箭頭)，隨此構成一條正面角焊縫30，如上所述。正面角焊縫的這種構造為由於雷射射束帶入的熱量而蒸發的塗層材料造成了很好的除氣條件(如上面詳細闡述的那樣)。在上面已經對除去板材20和30塗層的其他可能性進行了說明。另外，該正面角焊縫還允許板材10和20的無間隙的接合(如同樣在上面詳細闡述的那樣)。
[0034]在掃描裝置110與板材10/20之間的距離例如為0.5m或者更大，這樣會強烈地導致定位誤差。在焊縫形成期間所產生的正面角焊縫30連續地通過照相裝置140記錄，其中，進行記錄的區域(這典型地直接是作業加工區和緊鄰的作業加工尾隨區(Prozessnachlaufzone)可以附加地利用照明裝置130被照明。根據由照相裝置140記錄的圖像或者視頻序列，實際的焊縫走向被控制裝置150自動分析處理，例如通過與在板材10和20之間的梯級錯位進行比較。在與額定焊縫走向有偏差的情況下，對雷射射束L的軌跡加以修正並使其適配於額定焊縫走向，這一點同樣通過控制裝置150發令實施，該控制裝置為此相應地操控掃描裝置110和/或機器人。軌跡適配調整能夠以+/-100 μ m的精度予以實現。
[0035]正如已經闡述的那樣，藉助由照相裝置140拍攝的圖像還能夠實現對所形成的正面角焊縫30進行質量控制或者質量檢驗。
[0036]代替在圖3中所示的照明裝置130和照相裝置140的示例性設置方式，這些裝置也可以耦合到光路中掃描裝置110的內部，例如可藉助於反光鏡實現這一點。
[0037]附圖標記列表
[0038]10 塗層板材(下部板材)
[0039]20 塗層板材(上部板材)
[0040]30 正面角焊縫(焊縫)
[0041]100 設備
[0042]110掃描裝置
[0043]120機械手臂
[0044]125固定法蘭
[0045]130照明裝置
[0046]140照相裝置
[0047]150控制裝置(控制器模塊)
[0048]L 雷射射束
【權利要求】
1.用於對兩塊塗層板材(10，20)進行雷射遠程焊接的方法，其中，將雷射射束(L)藉助掃描裝置(110)轉向待相互連接的板材(10，20)並在所述板材(10，20)上導引， 其特徵在於: 使所述板材(10，20)通過在搭接接頭處形成正面角焊縫(30)而相互連接，其中，連續進行的焊縫形成由照相裝置(140)記錄，以及根據對所拍攝圖像的自動分析處理在必要時修正雷射射束(L)的軌跡並使其適配於額定焊縫走向。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於:對所拍攝圖像鑑於焊縫走向針對所述板材(10,20)之間的梯級錯位進行分析處理。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於:在第一方法步驟中在欲要施加正面角焊縫(30)的區域內首先利用雷射射束(L)使塗層蒸發，然後在第二方法步驟中將除去塗層的板材(10，20)利用同一雷射射束(L)加以熔接。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於:在欲要施加正面角焊縫(30)的區域內利用獨立分開的雷射射束使塗層蒸發，其中，該獨立分開的雷射射束先於用於焊接的雷射射束(L)。
5.如前述權利要求之任一項所述的方法，其特徵在於:針對於所形成的正面角焊縫(130)的質量檢驗，自動地分析處理由所述照相裝置(140)拍攝的圖像。
6.如前述權利要求之任一項所述的方法，其特徵在於:由人造光源(130)附加地照明由所述照相裝置(140)進行記錄的區域。
7.如前述權利要求之任一項所述的方法，其特徵在於:在形成正面角焊縫(30)之前首先確定出額定焊縫走向，對此還包括焊縫走向的平整和縮短、速度優化、可接近性檢驗和碰撞檢驗、多個正面角焊縫的生產節拍優化和/或順序規劃。
8.如前述權利要求之任一項所述的方法，其特徵在於:所述塗層板材(10，20)分別為鋅塗層鋼板。
9.用於利用如前述權利要求之任一項所述的方法對兩塊塗層板材(10，20)進行雷射遠程焊接的設備(100)，其包括: -掃描裝置(110)，利用該掃描裝置，能將雷射射束(L)轉向待相互連接的板材(10，20)並在其上導引； -照相裝置(140)，利用該照相裝置，藉助雷射射束(L)連續進行的焊縫形成能夠被記錄；和 -控制裝置(150)，利用該控制裝置，對由照相裝置(140)拍攝的圖像自動地進行分析處理以及基於此在必要時修正雷射射束(L)的軌跡並使其適配於額定焊縫走向。
10.如權利要求9所述的設備(100)，其特徵在於:所述掃描裝置(110)安裝在可動機構(120)上。
【文檔編號】B23K26/32GK104169039SQ201380013093
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年6月12日 優先權日:2012年6月14日
【發明者】F·厄費勒, C·羅斯 申請人:寶馬股份公司