CN102753297B - 使用两个相互错开的焊接机头对带材和/或板材进行连续焊接的装置和方法 - Google Patents

使用两个相互错开的焊接机头对带材和/或板材进行连续焊接的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用至少两个焊接机头（19、25）将对接导引的带材或板材（3、4）于接合边缘上连续焊接的方法和相应的装置，焊接机头特别指激光焊接机头，并且焊接机头在待焊接的带材或板材（3、4）的两侧成对地垂直于在输送方向上设置的张紧辊（5、6），张紧辊在带材或板材（3、4）的对接处（24）区域形成缝隙，通过该缝隙由至少两个焊接机头中的第一焊接机头（19）发出的能量射线作用在待焊接的带材边缘或纵向边缘上，其中，至少两个焊接机头中的第二焊接机头（25）设置在带材或板材（3、4）的相反一侧，第二焊接机头的能量射线在该相反一侧作用在待焊接的带材边缘或纵向边缘上，其中，至少两个焊接机头（19、25）在带材或板材（3、4）输送方向上相互错开地设置，以使能量射线在待焊接的带材边缘或纵向边缘上的作用点（26、27）相互间隔，该相互间隔的距离至少为朝向第一能量射线的张紧辊（6）的外直径的一半。

Description

使用两个相互错开的焊接机头对带材和/或板材进行连续焊接的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种使用至少两个焊接机头将对接导引的带材或板材于接合边缘上连续焊接的装置和方法，焊接机头特别指激光焊接机头，并且在待焊接的带材或板材的两侧，成对地垂直于该带材或板材的输送方向上设置的张紧辊在带材或板材的对接处区域形成缝隙，通过该缝隙由至少两个焊接机头中的第一焊接机头发出的能量射线作用在待焊接的带材边缘或纵向边缘上，其中，至少两个焊接机头中的第二焊接机头设置在带材或板材的相反一侧，该第二焊接机头的能量射线在该相反一侧作用在待焊接的带材边缘或纵向边缘上。
背景技术
文献DE3723611C2公开了这样一种装置。该装置以至少一束激光射线进行工作。该装置的张紧辊由中空轴以及安装在中空轴上的轴向相互间隔设置的辊套构成，其中，每个激光射线焊接机头都设置在至少一个张紧辊的中空轴内部。在此，辊套和中空轴的开孔之间的缝隙用作激光射线的通道。在文献DE3723611C2中公开了，通常情况下，两个相对设置的张紧辊其中之一设有一个单独的焊接机头就足够了。然而当焊接特别厚的板材或带材时，作为适宜的结构方案提出了，在设置于板材或带材两侧上的张紧辊中分别设有至少一个焊接机头，和/或在设置于带材一侧上的张紧辊中于带材输送方向相继错开设有多个焊接机头。
此外，在文献DE10131883B4中公开了一种用于焊接金属零件的方法，其中，使金属零件在两侧的焊缝区域中通过至少各一束焊接射线、特别是激光射线以热传递的形式经由基本上整个焊缝横截面而熔化，其中，产生金属零件和焊接射线之间的相对运动，并且其中，作用在金属零件的相对侧面上的焊接射线的熔池区域借助于焊接射线沿着焊缝方向上适宜地相对定位而形成至少局部重叠。
当通过作用在板材顶侧上的激光射线焊接经涂层的、厚度在0.6mm至3.0mm范围内的车身板材时，特别在与激光焊接机头相背的板材一侧上产生显著的灰尘沉积。灰尘颗粒以高强度向下放射。在DE3723611C2公开的焊接设备中，这样的灰尘通过水冷却的喷射装置或抽气装置来除掉。然而在实际情况下，这样的操作不能够完全达到效果，时不时需要人工清洁，以除去堆积到一起的灰尘。
在DE3723611C2的焊接设备中进行板材连续焊接的另一问题在于，待焊接的板材存在明显的缝隙。缝隙宽度例如为约0.2mm。虽然缝隙非常狭窄，但是在焊接过程中仍有较大一部分激光射线穿过缝隙而射透。因此，相对设置的第二焊接机头在焊接过程中将遭受持续的激光射线轰击，所以必须通过适宜的方式进行保护。而且该问题仍然通过这样的情况而恶化，即，在生产设备中由于控制过程的反应时间以及板材和焊接机中的公差而导致不能精确地在板材的开始和结束处打开或关闭激光照射。这表明，可能会分别在焊接过程的开始和结束时，在待焊接板材上的全激光功率导致向下击穿该板材。因此，将两个焊接点或激光焊接机头的相对的设置方案应用在DE3723611C2的连续焊接设备中于技术上几乎不能实现。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于连续焊接对接导引的带材的装置以及方法，该装置和方法即使在较薄的带材或板材的条件下也能够制造出均匀且相对平滑的焊缝，并且相对于传统的焊接设备，本发明能够具有明显较高的焊接速度。
根据本发明，上述目的通过具有权利要求1的技术特征的装置以及具有权利要求8的技术特征的方法来实现。
本发明的装置具有至少两个焊接机头，这些焊接机头在待焊接的带材或板材的两侧并且沿着带材或板材的输送方向相互错开设置，从而使焊接射线在待焊接的带材边缘或纵向边缘上的作用点相互间隔，该相互间隔的距离至少为朝向第一能量射线的张紧辊的外直径的一半。
在此，两侧的焊接点的距离以这样的尺寸确定，即，使至少两个焊接机头中的第二焊接机头既不设置在围住第一焊接机头的张紧辊中，也不设置在同样相对设置的张紧辊中。
适宜地，本发明的方法的特征在于，至少两个焊接机头在带材或板材输送方向上相互错开地设置，以使能量射线在待焊接的带材边缘或纵向边缘上的作用点相互间隔，该相互间隔的距离至少为朝向第一能量射线的张紧辊的外直径的一半；对至少两个焊接机头的能量射线功率这样进行调整，即，使由各束能量射线产生的熔池侵入深度不延伸超过待焊接的带材或板材的部分厚度，或者在带材或板材具有不同厚度的条件下不延伸超过待焊接的带材或板材之中较薄的一块的部分厚度。
本发明的装置和相应的连续的焊接方法实现了，对接导引的带材或板材在对接边缘上以较高的焊接速度进行连续焊接。对此，即使在较薄的带材或板材的条件下也能够实现均匀且相对平滑的焊缝。在对厚度约0.8mm至1.5mm的钢板进行相应的焊接试验中，相对于传统的单侧加工工艺，本发明能够以相同的激光射线功率提高焊接速度，甚至几乎使焊接速度加倍，而且使速度大于15m/min。由此形成的焊缝具有均匀且平滑的表面。
本发明的设计方案使焊接点相互间隔的距离至少为朝向第一能量射线的张紧辊的外直径的一半，该设计方案的另一优势在于，通过这样的空间分离实际上开始两个相互独立的焊接过程，而不会在一个点（区域）上产生两个过程的重叠。由此明显简化了过程参数的调整或优化。
根据本发明装置的另一结构方案，这些焊接机头这样设置，即，使各个焊接机头的能量射线在待焊接的带材边缘或纵向边缘上的作用点相互间隔的距离在15cm至200cm的范围内，优选在50cm至120cm的范围内。
本发明装置的又一优选结构方案的特征在于，作用在带材或板材底侧上的张紧辊例如形成为辐条轮结构并且具有在轴向上相互间隔设置的辊套。对于拼接板的焊接，或由不同材料性能和/或厚度的金属带构成的相应带材的焊接，在所提到的垂直边缘错置方面需要具有较高的精确度。在DE3723611C2的设备中进行连续焊接的条件下，特别是下方的张紧辊（基础辊）要承受较大的热载荷。通过采用形成为辐条轮结构的张紧辊显著改善了张紧辊的结构稳定性，从而使热载荷不会造成张紧辊的扭转或由此导致边缘错置的误差。同样可以考虑张紧辊的其它实施形式。
根据本发明装置的再一优选结构方案，邻近张紧辊设有辊子架，辊子架设有用以输送待焊接的带材或板材的驱动辊。该结构方案实现了对于带材或板材相对于焊接机头进给的非常精确的控制。在本文中，本发明还提供了，辊子架可移动地设置并且设有至少一个驱动机构，通过该驱动机构使辊子架能够平行于张紧辊的转动轴运行。由此实现了，相对于张紧辊或能量射线轴对待焊接的带材边缘或纵向边缘的位置进行校准。这样的校准可以通过适宜地控制对应于可运行的辊子架的驱动机构来实现。该结构方案的优选扩展方案是，设置连接有控制单元的、用以获取待焊接的带材边缘或纵向边缘的位置的传感器，其中，根据由该传感器获取的带材边缘或纵向边缘的位置，控制单元对辊子架的驱动机构进行控制。由此实现相对于能量射线轴而对待焊接的带材边缘或纵向边缘的位置进行自动校准。
作为替代方案，为了输送待焊接的带材或板材，还可以采用例如具有从动销的链条。此外，在本发明的装置中还可以采用这样的输送带，即，该输送带利用夹紧件或张紧件将待焊接的带材或板材运输到能量射线的作用点。
对于本发明的焊接方法，还根据一个优选的结构方案，根据待焊接的带材或板材的材料、厚度和/或进给速度，使至少两个焊接机头以不同的能量射线功率运行，以在待焊接的带材或板材的两侧实现熔池区域的不同侵入深度。能量射线功率或熔池区域的侵入深度可以这样选择，即，例如在焊接经涂层的金属板时尽可能抑制住焊接颗粒（灰尘颗粒）的射出。首要的是，在此可以这样选择能量射线功率或熔池区域的侵入深度，即，通过至少两束能量射线中的第一束已经产生充分坚固的焊接连接，该焊接连接能够防止在接下来产生不希望的垂直边缘错位。
在本文中，本发明的方法特别提供了，通过第一焊接机头以及至少一个第二焊接机头产生熔池侵入深度，熔池侵入深度重叠至少10％、优选至少20％，其中，优选在能量射线的两个作用点上产生相等的能量。根据待焊接的带材或板材的厚度和/或材料结构，通过本发明方法的设计方案，可以使焊接速度几乎翻倍。
附图说明
接下来，结合示出多个实施例的附图对本发明进行详细说明。
图中示意性示出了：
图1为本发明焊接装置的侧视图，该焊接装置具有第一张紧辊位以及沿着带材输送方向在后设置的第二张紧辊位；
图2为图1的焊接装置的第一张紧辊位的垂直截面图，其中，上方的张紧辊设有一个激光焊接装置；
图3为图1的焊接装置的第二张紧辊位的垂直截面图，其中，下方的张紧辊设有第二激光焊接装置；
图4为两块通过从上方进行的第一步焊接在对接边缘上相互焊接的带材或板材的垂直截面图；以及
图5为图4的带材或板材从下方进行第二步焊接的又一垂直截面图。
具体实施方式
图1所示的装置（设备）包括导引件1、2，导引件由辊道构成并且携带两个待相互焊接在一起的板材或带材3、4、呈锐角地如此导引在一起，从而使板材或带材在两个张紧辊5、6之间的区域中以各自相对的边缘进行对接。上方的张紧辊5借助于位于机架8上的摇杆7可以摆动，由此在高度方面相对于下方的张紧辊6可调整地进行设置。为了调整张紧辊5的高度，采用可液压操纵的调整气缸9，该调整气缸同样也安装在机架8上。
上方的张紧辊5可灵活转动地设置在摇杆7上，而下方的、设置在轴承体10中的张紧辊6则优选通过一个图中未示出的驱动装置来驱动。摇杆7具有两个相互独立可摆动的臂部，这两个臂部分别承载各一半的张紧辊5（5.1、5.2），参见图2。这样就实现了适用于不同厚度的板材或带材3、4的调整。
上方的张紧辊5.1、5.2各具有一个中空轴（未示出），在中空轴上分别具有一个以球轴承定位的辊套11、12。这两个辊套11、12在轴向上彼此间隔设置，并且在这两个辊套之间形成一道缝隙13。上方的中空轴在缝隙13的区域中被分开，以形成相对应的缝隙，而下方的张紧辊（基础辊）6则形成为辐条轮结构，并且该下方的张紧辊具有相互间隔设置的辊套14、15。下方的张紧辊6的未详细示出的辐条轮结构可转动地设置在一个大体上连续的中空轴（未示出）上。在上方的区域中，该大体上连续的中空轴具有开孔，该开孔朝向位于下方的辊套14、15之间的缝隙16，在开孔中设有排放装置（未示出），用以排放焊接蒸汽和/或喷射的焊接颗粒（污染颗粒）。另外，在下方的张紧辊6中于辐条轮结构之间还设有惰性气体的导入装置（未示出）。经由该导入装置和缝隙16，将惰性气体输送至焊接点。
上方的辊套11、12的底边17、18环绕式倾斜。这样的结构便于焊接机头19尽可能地靠近焊接点。在上方的张紧辊5的轴向断开的中空轴中设有调整驱动装置，该调整驱动装置能够使激光焊接设备的焊接机头19在三个相互垂直的轴线上进行运动。激光射线20经由一个具有多个转向镜21、22、23的光学***而导入焊接机头20，该焊接机头具有未示出的聚焦构件、例如聚焦透镜。可替换地，特别是为了减少零件，可以采用一条光缆用以耦合连接能量输出端，该光缆还与Nd-YAG激光器相连。为了控制调整驱动装置，可以设置一个测量设备用以监控焊缝，该测量设备例如可以由一个发射源、特别指激光器和一个传感器、特别指二极管摄像机组成。将传感器的信号发送至一个分析设备，该分析设备获取到焊缝（坡口对接处）的相对于设定位置和/或设定宽度的尺寸和/或位置，根据设定值/实际值偏移量向调整驱动装置发送控制脉冲，该调整驱动装置相应地跟踪焊接机头19。上方的辊套11、12的内部周长朝向相对的、限定出缝隙13的一侧的同心扩宽实现了，激光射线20在坡口对接处上的倾斜导向，而不会使激光射线20受到任一辊套11、12的妨碍。在不同厚度带材的焊接工艺中，激光射线20的倾斜导向是常见的。与此相对，在相同厚度的板材或带材的焊接工艺中，激光射线20通常垂直于坡口对接处24导向。
图1所示的焊接装置还设有第二焊接机头25，该第二焊接机头在带材3、4的底侧上、于带材3、4的输送方向上、相对于第一焊接机头19错开地设置。这两个焊接机头19、25如此相对设置，即，使各自激光射线20、28在待焊接的带材边缘或纵向边缘上的作用点26、27例如间隔约800mm至1200mm，优选900mm至1000mm。
第二焊接机头25在带材3、4的输送方向上后置有一个张紧辊30，该张紧辊可灵活转动地设置在位置固定的轴承体31中。张紧辊30也具有中空轴，在该中空轴上具有一个以球轴承定位的辊套32。辊套32的与激光射线28相对的一侧同样具有同心结构，从而，当在待焊接在一起的带材3、4或板材的底侧上产生分级跳跃（厚度跳跃）时，使激光射线28能够在免受辊套妨碍的条件下倾斜地朝向坡口对接处24。而在图3中，待焊接的带材3、4的底侧位于一个平面内，以使激光射线28垂直朝向坡口对接处24或带材3、4。由未示出的共振器产生的激光射线28经由转向镜33、34、35以及未示出的聚焦设备、例如聚焦透镜而传导至坡口对接处24。可替换地，还可以采用光缆，用以减少零件数量。
与张紧辊30相对应地设置一个上方的张紧辊36，该上方的张紧辊的外直径明显小于张紧辊30的外直径并且可灵活转动地设置在可液压操纵的调整气缸37上，该调整气缸安装在支架38上，该支架又装配到机架8上。因此，该上方的张紧辊36的高度可以根据待夹紧的带材3的厚度而进行调整。
邻近张紧辊5、6设有驱动辊39，用以输送待焊接的带材3、4。该驱动辊39设置在至少一个桥梁形的辊子架（未示出）中。该辊子架可移动地设置，并且设有一个未示出的驱动机构，通过该驱动机构使辊子架能够平行于张紧辊5、6、30、36的转动轴运行。与该辊子架相对应地设置有一个（未示出的）传感器，用以获取待焊接的带材边缘或纵向边缘的位置。将传感器信号传递至一个（未示出的）分析单元或控制单元，根据所获取的带材边缘或纵向边缘的位置，该分析单元或控制单元控制对辊子架的驱动。如果采用本发明的装置焊接厚度不同的带材3、4，那么优选使用一个触觉传感器作为后置传感器。可替换地，可以利用后置传感器的信号来调节激光射线28。该实施方案可以应用在这样的情况下，即，在焊接机头19、25之间或能量射线20、28的作用点26、27之间的空间需求较少的情况下。然而在较大间距的情况下也可以采用适宜的实施方案。
图4和5示出了本发明的连续的焊接工艺的基本原理。通过第一焊接机头19、在坡口对接处24、从上方形成第一熔池区域或焊缝区域40。该熔池区域40的侵入深度约板材或带材3、4厚度的60％，其中，在焊接厚度不同的板材或带材3、4的情况下，根据较薄的板/带的厚度按比例分配侵入深度。在时间上与带材或板材3、4的第一焊接处理错开，接下来在带材或板材3、4的底侧进行第二焊接处理。第二或底部的熔池区域41的侵入深度这样选择，即，使该侵入深度进入到第一熔池区域40中。通过这样的双侧焊接处理，不再需要对坡口对接处24进行贯通焊接处理。由此能够使激光效率损耗减少。特别是，本发明的时间错开的焊接处理还实现了耗能的降低。耗能的降低对于待连接的带材或板材3、4产生有利影响，因为由此能够限定热影响区。这样又进一步对经焊接的带材或板材3、4的力学性能产生有利影响。
为了实现本发明，可以采用已有的焊接设备、例如对应于DE3723611C2所公开的焊接设备，再采用一个第二焊接机头25连同组件（张紧辊30、36、调整气缸37、支架38）作为加装设备进行补充。

Claims (12)

1.一种使用至少两个焊接机头(19、25)将对接导引的带材或板材(3、4)于接合边缘上连续焊接的装置，所述焊接机头指激光焊接机头，并且在待焊接的带材或板材的两侧，成对地、垂直于该带材或板材的输送方向上设置的张紧辊(5、6)在所述带材或板材的对接处(24)区域形成缝隙(13)，通过该缝隙由所述至少两个焊接机头中的第一焊接机头(19)发出的第一能量射线(20)作用在待焊接的带材或板材的边缘上，其中，所述至少两个焊接机头中的第二焊接机头(25)设置在所述带材或板材(3、4)的相反一侧，所述第二焊接机头的第二能量射线(28)在该相反一侧作用在待焊接的带材或板材的边缘上，其中，所述至少两个焊接机头中的第一焊接机头(19)位于设置在所述带材或板材(3、4)的两侧的张紧辊之一(5)中，其特征在于，所述至少两个焊接机头(19、25)在所述带材或板材(3、4)的输送方向上相互错开地设置，以使所述第一、第二能量射线(20、28)在待焊接的带材或板材的边缘上的作用点(26、27)相互间隔，该相互间隔的距离至少为朝向第一能量射线(20)的张紧辊(6)的外直径的一半，所述至少两个焊接机头中的第二焊接机头(25)位于在所述带材或板材(3、4)的输送方向上后置的张紧辊(30)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少两个焊接机头(19、25)这样设置，即，各个焊接机头的所述第一、第二激光射线(20、28)在待焊接的带材或板材的边缘上的作用点(26、27)相互间隔的距离在15cm至200cm的范围内。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少两个焊接机头(19、25)这样设置，即，各个焊接机头的所述第一、第二激光射线(20、28)在待焊接的带材或板材的边缘上的作用点(26、27)相互间隔的距离在50cm至120cm的范围内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，作用在所述带材或板材(3、4)底侧上的张紧辊(6)形成为辐条轮结构并且具有在轴向上相互间隔设置的辊套(14、15)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，邻近所述张紧辊(5、6)设有辊子架，所述辊子架设有用以输送待焊接的带材或板材(3、4)的驱动辊(39)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述辊子架可移动地设置并且设有至少一个驱动机构，通过该驱动机构使辊子架能够平行于所述张紧辊(5、6)的转动轴运行。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，设有至少一个连接有控制单元的、用以获取待焊接的带材或板材的边缘的位置的传感器，其中，根据由所述至少一个传感器获取的带材或板材的边缘的位置，所述控制单元对所述辊子架的至少一个驱动机构进行控制或对所述第二激光射线(28)进行调节。
8.一种使用至少两个焊接机头(19、25)将对接导引的带材或板材(3、4)于接合边缘上连续焊接的方法，所述焊接机头特别指激光焊接机头，并且在待焊接的带材或板材的两侧，成对地垂直于该带材或板材的输送方向上设置的张紧辊(5、6)在所述带材或板材的对接处(24)区域形成缝隙(13)，通过该缝隙由所述至少两个焊接机头中的第一焊接机头(19)发出的第一能量射线(20)作用在待焊接的带材或板材的边缘上，其中，所述至少两个焊接机头中的第二焊接机头(25)设置在所述带材或板材(3、4)的相反一侧，所述第二焊接机头的第二能量射线(28)在该相反一侧作用在待焊接的带材或板材的边缘上，其中，所述至少两个焊接机头中的第一焊接机头(19)位于设置在所述带材或板材(3、4)的两侧的张紧辊之一(5)中，其特征在于，所述至少两个焊接机头(19、25)在所述带材或板材(3、4)的输送方向上相互错开地设置，以使所述第一、第二能量射线(20、28)在待焊接的带材或板材的边缘上的作用点(26、27)相互间隔，该相互间隔的距离至少为朝向所述第一能量射线(20)的张紧辊(6)的外直径的一半；对至少两个焊接机头(19、25)的能量射线功率这样进行调整，即，使由各束能量射线产生的熔池侵入深度不延伸超过待焊接的带材或板材(3、4)的部分厚度，或者在带材或板材(3、4)具有不同厚度的条件下不延伸超过待焊接的带材或板材之中较薄的一块(4)的部分厚度，所述至少两个焊接机头中的第二焊接机头(25)位于在所述带材或板材(3、4)的输送方向上后置的张紧辊(30)中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述焊接机头(19、25)的能量射线功率这样进行调整，即，使由第二焊接机头(25)产生的熔池区域(41)进入到由第一焊接机头(19)产生的焊缝区域(40)中。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据待焊接的带材或板材(3、4)的材料、厚度和/或进给速度，使所述至少两个焊接机头(19、25)以不同的能量射线功率运行，以在待焊接的带材或板材(3、4)的两侧实现熔池区域(40、41)的不同侵入深度。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过第一焊接机头(19)以及至少一个第二焊接机头(25)产生的熔池深度重叠至少10％，其中，在能量射线的两个作用点(26、27)上产生相同的能量功率。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过第一焊接机头(19)以及至少一个第二焊接机头(25)产生的熔池深度重叠至少20％。
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