CN106583926A - 利用具有第一阶连续性的螺旋形焊接路径的激光束焊接 - Google Patents

利用具有第一阶连续性的螺旋形焊接路径的激光束焊接 Download PDF

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Abstract

一种将第一部件激光焊接到第二部件的方法包括通过控制器沿焊接路径移动激光束和部件中的至少一者，该焊接路径的至少一部分是具有第一阶连续性的螺旋，从而将第一部件焊接到第二部件。在一个实施例中，该螺旋是阿基米德螺旋。

Description

利用具有第一阶连续性的螺旋形焊接路径的激光束焊接
技术领域
本教导总体包括激光焊接的方法。
背景技术
部件的激光束焊接所考虑的因素包括排气、热输入、光束速度、焊透深度以及焊缝表面平滑处理，这些因素中的每一个都可影响所得到的焊缝强度和视觉效果。
发明内容
一种激光束焊接的方法包括控制激光束沿着焊接路径的移动，并且可包括控制其他操作参数(如，光束功率、散焦和速度)，以提供具有足够焊透深度的期望热分布，从而实现具有平滑焊接表面的足够强固的焊缝。所述方法维持焊接期间焊接池中稳定的小孔和恒定的气孔排气。
一种将第一部件激光焊接到第二部件的方法包括：通过控制器沿焊接路径移动激光束和部件中的至少一者，所述焊接路径的至少一部分是具有第一阶连续性的螺旋，从而将第一部件焊接到第二部件上。移动是通过控制器进行。在一个实施例中，螺旋是阿基米德螺旋。移动可以从螺旋的内端到螺旋的外端，特别是用于裸钢(即未涂覆钢)或锌涂覆钢部件的焊接。任选地，焊接路径可包括从螺旋的外端延续的封闭曲线，例如圆形。作为替代，移动可以从螺旋的外端到螺旋的内端，特别是用于铝合金的焊接。移动可包括使光束沿着焊接路径振荡。所述方法可以包括控制所述移动期间的激光束的散焦距离、激光束的速度或者激光束的功率级中的至少一者，以使其连续增加、连续减小或保持恒定。
结合附图，通过以下对用于实施本教导的最佳方式的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其他特征和优点显而易见。
附图说明
图1是以局部侧视图示出了激光束沿着焊接路径将三个部件彼此焊接的激光焊接组件的示意图。
图2是在本教导的范围内的第一螺旋形焊接路径的示意图。
图3是图1的部件的焊接的示意性横截面图。
图4是示出了当光束沿着焊接路径移动时的小孔和焊接池的图1的部件的焊接的示意性横截面图。
图5是在本教导的范围内的沿着图2的焊接路径的激光束的振荡的示意图。
图6是在本教导的范围内的第二螺旋形焊接路径的示意图。
图7是沿着图6的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束功率(以瓦特计)的曲线图。
图8是沿着图6的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束散焦距离(以毫米计)的曲线图。
图9是沿着图6的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束速度(以米/分钟计)的曲线图。
图10是在本教导的范围内的第三螺旋形焊接路径的示意图。
图11是使用图10的焊接路径的两个部件的焊接的示意性横截面图。
图12是示出了当激光束沿着焊接路径移动时的小孔和焊接池的根据图10的焊接路径的所述图11的两个部件的焊接的示意性横截面图。
图13是沿着图10的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束功率(以瓦特计)的曲线图。
图14是沿着图10的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束散焦距离(以毫米计)的曲线图。
图15是沿着图10的焊接路径在纵轴上对距离(以毫米计)的激光束速度(以米/分钟计)的曲线图。
具体实施方式
参照附图，其中在整个附图中相同的参考标号表示相同的部件，图1示出了用于第一部件12、第二部件14和第三部件16的远程激光焊接的***10的一部分。在所示的实施例中，部件12、14、16为三个堆叠的锌涂覆片材。任选地，部件12、14、16可以为裸钢(即未涂覆钢)。应当认识到的是，本文所描述的***10和焊接方法可以用于其他类型的部件。例如，部件可以为其他材料，可能只有两个或多于三个的部件，或者部件可以彼此邻接或相邻，但是不堆叠。
在图1中，部件12、14、16可以在预定位置中堆叠在基体(未示出)上并且通过如本领域的技术人员所理解的夹具(未示出)被保持到其上。***10包括机械臂18，在该机械臂18上安装有激光焊枪20，该激光焊枪20可操作以提供用于部件12、14、16的远程激光焊接的激光束B。机械臂18和焊枪20可操作地连接到电子控制器C并且可由电子控制器C控制，该电子控制器C具有处理器P和有形的非瞬时存储器，在有形的非瞬时存储器上记录有可由处理器P执行以控制机械臂18的移动和焊枪20的操作的指令。例如，控制器C控制激光束B的功率和焦点，以及焊枪20的速度。激光束B可以是连续的或脉冲的，并且可以如本文所描述的进行振荡。可选地或另外，控制器C可以控制部件12、14、16(或图12中的部件112、114)所定位于的基体或夹具的移动，从而使得部件相对于激光束B移动以形成本文所描述的焊接路径中的任何一种。
任选地，控制器C使用任何适当的定位***(例如具有至少一个摄像机24的视觉***22)确定部件12、14、16的位置。视觉***22的各种配置中的任何一个或一些可被用于为控制器C提供视觉信息。任选地，可移动镜***26可被包括在焊枪20中并且可由控制器C控制以根据需要使激光束B偏转。在这样一种实施例中，控制器C由此通过镜***26远程地操纵激光束B。
图1示出了被控制以沿着第一焊接路径WP1形成焊接W的激光束B。图2中更加详细地示出了焊接路径WP1。更具体地，焊接路径WP1具有第一阶参数连续性C1，即在焊接路径WP1的任何两个连续部分的交叉处参数的第一导数相等。特别地，焊接路径WP1为阿基米德螺旋，其被定义为与随着时间沿着以恒定角速度旋转的线以恒定速度移动离开固定点的点的位置相对应的各点的轨迹。沿着阿基米德路径旋转的点具有与其线速度υ成反比的角速度ω。同样地，在极坐标(r，θ)中，阿基米德螺旋可由以下等式描述：
r＝a+bθ；其中a被选作使螺旋回转的参数且b控制连续回转之间的距离。对于给定的b，回转曲线之间的距离d是恒定的。图2中示出了示例性距离d。因为距离d是恒定的，阿基米德螺旋的焊接路径的一个优点是通过所焊接的材料的热传导等间隔分布。
在笛卡尔坐标中，阿基米德螺旋的等式为：
x＝(a+bθ)×cos(θ)；以及
y＝(a+bθ)×sin(θ)。
出于说明目的，图2中x轴和y轴所示的坐标可以被认为是以毫米为单位，但可以是任何距离的单位。如沿焊接路径WP1的箭头指示的那样，图2中沿焊接路径WP1移动激光束B的方向是从焊接路径WP1的螺旋部分的内端IE到焊接路径WP1的螺旋部分的外端OE。沿焊接路径WP1的焊接示出为按顺时针方向进行，但是焊接也可以按逆时针方向沿阿基米德性螺旋从内端到外端进行。在图2中，焊接路径WP1的螺旋部分是整个焊接路径WP1。可选地，激光束B能够被控制沿着焊接路径WP1振荡(如图5所示)从而建立振荡焊接路径WP11。振荡激光束B提供升高的散热。
如本文所述，由于螺旋圈之间在径向上的相等的距离，阿基米德焊接路径保证在螺旋圈之间的相等的激光热量覆盖密度。另外，为所述螺旋编程的是单条曲线。相比而言，公知的、包括同心圆的激光路径并不是连续路径，因此控制激光枪的移动可能更加困难。由于各半圆的不同的中心点，公知的、包括非同心半圆以形成螺旋的激光路径在曲线之间具有主观的和不相等的距离。如图3中所示，第三部件16定位在邻近第一和第二部件12和14的位置，从而使得第二部件14处于第一部件12和第三部件16之间。第一部件、第二部件和第三部件12、14和16每个都可具有相同的厚度或一个或超过一个可以具有不同的厚度。在所示的实施例中，第一部件12的厚度T1小于第二部件的厚度T2，并且也小于第三部件的厚度T3。在所示的实施例中，第一部件、第二部件和第三部件12、14和16均为锌涂覆钢，但是可在本发明的范围内使用其他材料。第一部件、第二部件和第三部件12、14和16的各外部表面上的锌涂覆层30在图3中示出。如图3所示，焊接W将部件12、14和16彼此固定并穿透所述三个部件。激光束B沿着第一部件12的外表面32形成焊接W。图3是垂直于沿焊接路径WP1的任意点移动的方向的焊接W的截面图。
图6示出了在本发明范围内可以使用的一个替代焊接路径WP2。焊接路径WP2包括带有阿基米德螺旋的焊接路径WP1，还包括环绕该螺旋的、从该螺旋的外端OE连续的闭合曲线CC。闭合曲线是个圆。换言之，所述WP2包括具有一半径的圆，该半径的距离是从阿基米德螺旋的笛卡尔坐标***的原点到外端OE。控制器C控制焊枪20沿着路径WP2从螺旋的内端IE处开始焊接，并且按顺时针进行到该螺旋的外端OE，然后在螺旋之后，绕着原点按顺时针的圆从外端OE到外端OE移动。可选地，带有阿基米德螺旋和闭合的圆的焊接路径可以如描述的那样从内端到外端继续，但是该螺旋和该闭合的圆都以逆时针方向焊接。
图4是沿着沿焊接路径WP1、WP11或WP2的任意点移动的激光束B的方向D的焊接W的截面图。换言之，方向D是激光束B经由机械臂18和焊枪20从焊接路径WP1、WP11或WP2上的一点到焊接路径WP1、WP11或WP2的下一点移动的方向。控制器C控制机械臂18的移动并且控制焊枪20的参数，从而焊接光束B建立一个基本上无孔的、足够牢固的且美观的焊接W。例如，沿焊接路径WP1、WP11或WP2的施加到焊枪20的功率、激光束B的散焦距离和激光束B的移动速度(即机械臂18的速度)都被控制。在各种实施例中，在焊接路径WP1、WP11或WP2的一个或多个部分上，施加到焊枪20的一个或多个功率、激光束B的散焦距离或激光束B的移动速度可以连续地增加、持续地减少或保持在恒定水平。由于这些参数，提供了深度穿透焊接80，小孔K保持持续地打开，并且锌排气可以经由持续打开的小孔K发生(如箭头ZF所示)或通过部件12、14和16的间隙G发生(如箭头Z所示)。当小孔K在熔融流MF的表面MS处打开时，小孔K保持持续地打开。本文中所用的“稳定”(“stable”)小孔是持续打开的小孔。深度穿透焊接80确保部件12、14和16的接合接口F1处足量的熔合区。由于小孔K保持持续地打开，所以避免了整体垮塌，并且增强了气体排放。此外，为了实现焊接表面WS的预定的低表面粗糙度，在焊接W的固化之前，被控制的焊接参数保证非湍流熔融流MF。
图7-9示出实现焊接路径WP2的控制的焊接参数。在图7-9中的每个中，x轴是以毫米计的、沿图6的焊接路径WP2的距离WPD。图7-9示出焊接参数在两个不同的阶段被控制，第一阶段是在焊接路径WP2的螺旋部分的焊接期间，如螺旋距离SD所示的从内端IE(焊接路径WP2的开始处，0mm处)到外端OE(仅用于示例用途，在长度上沿焊接路径WP2的31mm处)。第二阶段是沿闭合曲线CC焊接期间，其从螺旋距离SD到焊接完成处的末端距离ED。从螺旋距离SD到末端距离ED的长度是沿闭合曲线CC的距离，在所示实施例中，其是圆的圆周。
更具体地，图7示出y轴上的激光束B的以瓦特计的功率PL和x轴上的以毫米计的沿焊接路径WP2的行进长度WPD。在激光束B沿螺旋从0mm处的内端IE(如点102所示)移动到31mm处的外端OE(如点104所示)期间，激光束B的功率PL保持在第一预定功率级P1。然后，当激光束B被控制沿着图6中的闭合曲线CC移动时，激光束B的功率PL被控制从点104处的功率级P1到最后功率级106的一个连续的、线性降低的功率级P2。仅用于示例的目的，第一预定功率级P1是4000瓦特且最后功率级106是3500瓦特。
图8是纵轴上激光束散焦距离Z(以毫米计)对沿图6的焊接路径WP2的距离WPD的曲线图。如本领域的技术人员所了解的，其中使用了散焦透镜，Z是从虚焦到透镜的距离，并且增大的Z增加在焊接路径WP2上的光束B的宽度BW，从而减小光束B的强度。图8示出在焊接的第一阶段期间，激光束B的第一预定散焦距离Z1从0mm处的WPD(如点108所示)到31mm处的外端OE(如在SD处的点110所示的WPD)保持(即激光束B沿螺旋移动期间)，还示出沿闭合曲线CC提供了激光束B的连续增加的散焦距离Z2(即从SD到ED的焊接的第二阶段)。在第二阶段连续增加的散焦距离Z2从第一预定散焦距离Z1到最后散焦距离113增加。
图9是纵轴上激光束B的速度v(以米/分钟计)对以毫米计、沿图6的焊接路径WP2的WSD的曲线图。图9示出在焊接的第一阶段期间，激光束B的持续非线性增长速度V1从0mm处的WPD(如点115所示)到31mm处的外端OE(如在SD处的点116所示)保持(即激光束B沿螺旋移动的期间)，还示出沿闭合曲线CC提供了激光束B的预定恒定速度V2(即从SD到ED的焊接的第二阶段)，按从点116到点118的6.0米每分钟的恒定速度所示。
图7-9中所示的预定焊接参数提供了图4的深度穿透焊接80，从而使得熔融流MF与每个部件12、14、16相互接合，且锌排气Z在间隙G中发生。还提供了非湍流熔融流MF和为锌排气ZF打开的小孔K。更具体地说，在沿螺旋焊接期间，为了小孔K保持稳定打开和持续的锌排气ZF，激光热输入(功率PL)在持续散焦距离Z1保持持续。在第一阶段，激光束速度V1以非线性方式持续增长，从而使得为保持恒定的热输入，热传导外曲线上的累积效应被焊接光束B的增长速度所平衡，热传导为沿螺旋内曲线的焊接产生，保持了深度穿透但避免了通过焊接W的完全燃烧(即防止焊接W到达图4中第三部件16的底部)。在焊接路径WP2的外部封闭曲线部分期间，通过减少功率级P2、增加聚焦距离Z2，热输入从通过浅度穿透和减少的底切的表面平滑减少了(例如，相对于第一部件12的外表面32，接近焊接W外缘的深度)。举个例子，减少的底切对于焊接3个部件与具有焊接表面且相对较薄的部件(比如，第一部件12)有益。即使在导电模式，激光束B的速度也在速度V2处保持恒定。图9所示的示例性速度实现了焊接的效率，比如焊接W，能在大约0.6秒内完成，然而焊接的传统电阻点焊除了需要在点焊之间移动焊枪20的时间，还需要大约0.8秒。
总之，产生的焊接W将避免锌造成的多孔隙，将减少飞溅(由于排气)，并且将具有光滑的焊接表面(由于电子束散焦和功率级控制)。
此外，具有第一阶连续性且没有不连续性的焊接路径，比如焊接路径WP1、WP11、或WP2，对于编程进入控制器C的存储器及由处理器P实行相对容易。阿基米德路径还确保了激光热量覆盖的稳定密度，而且作为高阶光滑度，实现了稳定的融合工艺。
图10示出了在本发明范围内的具有第一阶连续性的替代焊接路径WP3。焊接路径WP3是阿基米德螺旋，沿着焊接路径WP3的激光束B的移动方向从外端OE开始到内端IE结束。如图10所示，激光束B的移动方向是按逆时针方向。然而，在本发明的范围内，移动可以按照顺时针方向沿着阿基米德螺旋从外端OE行进到内端IE。另外类似于图5，激光束B可以沿着焊接路径WP3受振荡。焊接路径WP3可以施加在各种部件上。出于示例的目的，为产生图11中堆叠的第一、第二部件112、114的焊接W2(可以是铝合金片)，施加焊接路径WP3。
图12是沿着在焊接路径WP3上的任意点的激光束B移动的方向D1的焊接W2的截面图。换言之，方向D1是当激光束B经由机械臂18和焊枪20从焊接路径WP3上的一点到焊接路径WP3的下一点移动时激光束B的方向。控制器C控制机械臂18的移动并且控制焊枪20的参数，从而焊接光束B建立一个基本上无孔的、足够牢固(即基本无裂纹)的且美观的焊接W2。例如，沿焊接路径WP3的施加到焊枪20的功率、激光束B的聚焦和激光束B的移动速度(即机械臂18的速度)都被控制。由于这些参数，提供了深度穿透焊接80，小孔K保持持续地打开，并且氢气和镁蒸汽排气可以经由持续打开的小孔K发生或通过部件112、114之间的间隙G发生。排气如箭头GF所示。此外，为了实现焊接表面WS的预定的低表面粗糙度，在焊接W2的固化之前，被控制的焊接参数保证非湍流熔融流MF。
图13-15示出实现焊接路径WP3的控制的焊接参数。在图13-15的每个图中，x轴是以毫米计的、沿图10的焊接路径WP3的距离WPD。焊接路径WP3开始于0mm处的外端OE，然后沿阿基米德螺旋行进(或沿阿基米德螺旋振荡)，到达如螺旋距离SD所示的内端IE(仅用于示例用途，在长度上沿焊接路径WP3的40.83mm处)。
更具体地，图13示出y轴上的激光束B的以瓦特计的功率PL和x轴上的以毫米计的沿焊接路径WP3的行进长度WPD。在激光束B沿螺旋从0mm处的外端OE(如点202所示)移动到40.83mm处的内端IE(如点204所示)期间，激光束B的功率保持在第一预定功率级PL1。仅用于示例用途，第一预定功率级PL1为4500瓦特。
图14是纵轴上的激光束散焦距离z(以毫米计)对沿着图6的焊接路径WP3的距离WPD(以毫米计)的曲线图。图14示出在焊接从0mm处的外端OE(如点208所示)到40.83mm处的内端IE(如在SD的点210WPD所示)期间(即在激光束B沿螺旋移动的期间)，激光束B的第一预定散焦距离Z11保持为0mm。
图15是纵轴上激光束B的速度v(以米/分钟计)对以毫米计、沿图10的焊接路径WP3的WSD的曲线图。图15示出在焊接从0mm处的外端OE(如点214所示)到内端IE(如在SD的点216WPD所示)期间(即在激光束B沿螺旋移动的期间)，激光束B保持为连续速度V11。
恒定的激光热输入(比如，恒定的功率级PL1和具有恒定速度V11的恒定z散焦水平Z11)适合于稳定的小孔K和铝合金材料中的排气，铝合金材料比锌涂覆钢导电性更好。反向扫描路径驱使气孔和锌蒸气远离路径W2***承载区并进入焊接中心，而且将气孔和锌蒸气驱出熔融流MF。
尽管详细描述了实施本发明多个方面的最佳模式，但是本领域的技术人员将会认识到在所附权利要求范围内的用于实施本发明的各种替代性。

Claims (10)

1.一种将第一部件激光焊接到第二部件的方法，其包括：
通过控制器沿焊接路径移动激光束和所述部件中的至少一者，所述焊接路径的至少一部分是具有第一阶连续性的螺旋，从而将所述第一部件焊接到所述第二部件；且其中所述移动是通过控制器进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述移动的方向是从所述螺旋的内端到所述螺旋的外端。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述焊接路径还包括围绕所述螺旋的闭合曲线，且所述焊接路径从所述螺旋的外端是连续的；且
其中所述移动在所述螺旋之后是沿着所述闭合曲线的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法包括：
在沿着所述螺旋移动期间，保持所述激光束的第一预定散焦距离；以及
沿着所述闭合曲线持续增加所述激光束的所述散焦距离；其中所述持续增加的散焦距离自所述第一预定散焦距离开始增加。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在邻近所述第一部件和所述第二部件的地方定位第三部件，使得所述第二部件处于所述第一部件和所述第三部件之间；且
其中所述激光束将所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件相互焊接，且所述焊接路径在所述第一部件的暴露表面上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一部件、所述第二部件和所述第三部件是未涂覆钢或锌涂覆钢。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述移动包括振荡所述激光束。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述移动的方向是从所述螺旋的外端到所述螺旋的内端。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述移动期间，控制所述激光束的散焦距离、所述激光束移动的速度或者所述激光束的功率级中的至少一者持续增加、持续减小或者保持恒定。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述螺旋是阿基米德螺旋。
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