CN116348236A - 金属板部件的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在焊接机中对平的金属板(1，2)进行对接焊接的方法，其中两个金属板(1，2)通过送料装置放置在传送装置(37)上，并通过保持装置固定，两个待相互焊接的金属板(1，2)的两个边缘(4，5)以对接的方式相邻放置，形成尽可能小的缝隙并且用焊接激光(6)焊接到一起，其中，缝隙的缝隙宽度(7)被测量并且通过测量值来控制焊接过程。根据本发明，通过反射光法测量缝隙宽度(7)，通过透射光法测量缝隙净宽(9)，这样可以更准确地估计缝隙中的缺失面积(8)和缺失体积。

Description

金属板部件的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种金属板部件的对接焊接的方法，特别是但不限于根据权利要求1的前序部分所述的汽车车身制造中的金属板部件的对接焊接的方法。

背景技术

为了在车身制造中生产金属板零件，采用了现代制造方法，该方法将单个金属板——顶多在金属板边缘处理之后，制成焊接零件，即所谓的定制板件(TWB)。在已知的焊接工艺中，特别是在激光焊接中，金属板被送入固定的焊接工具中并进行焊接。如今，制造商主要利用如下优势，即，金属板可以由不同材料等级或板材厚度组成。这使得后续部件的各个部分能够适应未来局部发生的载荷，否则就需要额外的加固部件。在现在的汽车工业中，门环是由TWB制成的。这种门环由多达八个单独的部件组成，其中，由于这些单独的部件之间的形状和制造公差不同，因而缝隙的形成也不同，而且各个部件的板材厚度也不同。此外，不同的门环之间可能会出现不同类型的缝隙情况，这使得高效生产变得更加复杂。熟练掌握V形焊缝是这里最大的挑战。

焊接质量差意味着在门环碰撞测试中，焊缝会出现不理想的裂缝。出于安全考虑，在门环的生产中不能冒这种风险，因为在真实情况下的碰撞对汽车工业来说是致命的，并会产生相应的严重后果。到目前为止，已知的方法是通过添加填充金属丝来闭合最大为0.3毫米的可变缝隙。根据焊接任务(被焊接部件的材料)，使用附加材料(金属丝)并且以高的焊接质量动态地闭合最大约1毫米的可变缝隙是一个挑战。

在已知的焊接方法，特别是在激光焊接中有两种方法：在第一种方法中，板材被准确定位、夹紧并且由可移动的焊头焊接在一起。在另一种方法中，金属片被送入固定的焊接工具中并焊接在一起。这两种方法都对机械精度具有高要求，以处理目前最大约0.3毫米的缝隙宽度。

在专利文献US5328083中描述了一种执行该过程的方法和设备，然而它没有披露如何相对于当前的焊缝走向对焊接工具进行准确地定位。因此，金属板的不准确和焊缝位置的偏移会导致错误的焊接。

在欧洲专利文献EP 0817698 B1中，描述了一种用于金属板连续对接焊接的方法，其中，金属板的相对位置以及焊缝对接的精度被保持在一个特定的公差范围内。这种方法有意地省略了对待相互焊接的金属板所进行的机械上精确的对准。相反，缝隙宽度和缝隙位置是通过传感器设备来确定的，激光工具沿着两块板材的板对接部被引导。此后，控制回路可以用来持久地调整焊束的功率和焊接过程中所需要的冷却功率(气体、水)。这种***需要大量的维护。

在激光焊接中如下的情况是一种挑战，即，不同部件之间的缝隙情况可能不同，出现A型、V型、平行和零缝隙，或它们的混合形式。确定缝隙尺寸的一个已知方法是反射光法。在这种方法中，光源向缝隙发出光线，该光线被金属表面反射，并由设置在与光源同侧的金属片上的相机进行分析。一个已知的反射光方法是激光线评估，例如。这种方法是基于激光三角测量法。为此，一条激光线被投射到两个金属片的表面。投射的激光线与形成缝隙的金属片的边缘基本垂直。根据距离和缝隙的形状，反射的激光线以一定的角度击中摄像机。然后可以通过评估拍摄的激光线来确定缝隙的宽度。

然而，这种类型的***不能总是提供正确的缝隙尺寸。特别是在无法确保总是金属板的同一面朝上的情况下，这种测量***可能提供不正确的缝隙尺寸。

特别是，这类***通常只提供缝隙上部区域的缝隙宽度，但几乎不能对下部区域的缝隙宽度作出任何结论。

两块待相互焊接的金属板之间的大缝隙宽度会导致缝隙中吸收的激光能量的损失，因为部分激光束会不受阻碍地穿过缝隙。通过对单焦点进行散焦，可以在一定程度上减少这种损失。然而，这也不可避免地降低了激光束的最大强度。另一方面，在技术上的零缝隙的情况下，通焊焊接的能力，即在激光焊接中完全渗透金属蒸汽毛细管的能力会下降。这在一定程度上可以通过降低焊接速度或增加激光功率来弥补。总之，可以说，在应用中，在缝隙弥合能力和通焊能力之间形成对立。为了保证最佳的生产率，激光束源在激光功率的设计极限下运行。由于反应时间的原因，在许多工厂的设计中，在焊接工作中改变焊接速度是不可能的。这通常会导致生产率下降。

到目前为止，已经研究了几种方法来解决宽焊接缝隙的可加工性、效率损失和工艺可靠性问题。例如，单焦点的扫描***的构思遵循如下方式，即具有小焦点直径(0.2毫米至0.3毫米)和高强度的激光束横向于焊接给料(Schweiβaufgabe)振荡。振幅和激光功率的变化取决于测量的缝隙宽度。然而，用市场上现有的用于焊接金属板的***技术进行的试验表明，由于可实现的频率，振荡运动的周期长度不能保证在大约10米/分钟的高焊接速度下完全覆盖周围熔化的材料。为了产生可接受的焊缝，焊接速度必须大幅降低，这将导致生产力的损失，无论是否存在缝隙或零缝隙。

激光焊接中的双点光学技术，即在工件上使用两个空间上分离的焦点，是一种已经从实验室跃升到生产线上的技术。专利文献DE 101 13 471B4规定，激光束在焊接点或在在空间上离焊接点很短的距离内至少有两个焦点。在这里，根据对焊接过程中各个参数、特别是焊接速度和焊接质量的测量，焦点之间的间距是不断变化的。专利文献CN203124961提到了激光加工设备，并涉及一个旋转的双点光学激光加工头，包括激光发射器、用于输送激光束的光引导管和用于聚焦激光束的聚焦镜。光束分离器与驱动装置相连，该驱动装置能够旋转光束分离器。

EP 3 572 178 A1中也描述了一种带有双点光学***的焊接装置。

通过双点光学***，可以灵活地改善激光能量在焊缝两侧的分布，从而避免了单个焦点能量传递不足的问题。此外，光束分离器与驱动装置相连，并且可以相应旋转。双焦点的旋转可以通过旋转整个工艺光学***或旋转双点光学模块来实现。该方法的主要优点是，功率分布可以适应所分配的任务，并根据工艺条件进行控制，例如，在缝隙的宽度被改变的情况下。这实现了高度的灵活性，最重要的是实现了高度的工艺稳定性和焊接质量。然而，研究显示，在相同的功率水平下，使用双点光学技术的焊接比只使用一束激光的焊接的焊入深度要小。然而，从制造的角度来看，生产所需焊缝的最佳参数问题与整个过程的经济因素有着非常密切的联系。因此，工艺的效率和焊缝的质量是焊接方法的核心特征。

在焊接定制板件的过程中，重要的标准一方面是整个工厂的生产能力，即在可接受的废品率下每小时能生产多少零件，另一方面是为在合理的技术努力和填充金属的情况下确保整个加工过程的质量以及焊接金属板的预期质量所需的额外材料。

上述解决方案和方法的缺点是，通常只测量缝隙宽度和缝隙位置，而不考虑缝隙的几何形状。图3显示了在这方面不同的缝隙几何形状，这些缝隙主要是由切割过程产生的。即使两个金属板在断面上有一点接触并且由此此处存在零缝隙，但也有一些区域的金属板没有接触。理想情况下，这些区域的缺失体积应在焊接过程中用材料填充，以获得最佳的焊接效果。然而，为此，不仅有必要确定或至少估计在一个位置处的缝隙宽度，而且要确定或至少估计缝隙的几何形状。在已知的方法中，情况并非如此，缝隙宽度只在一个位置处，通常是在金属板的表面附近的区域中被确定。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种可以消除上述缺点的方法。

该技术问题是由权利要求1中所述的特征实现的。在从属权利要求中提供了有利的实施方案的变型。

因此，根据本发明，用反射光法测量缝隙宽度，用透射光法测量缝隙净宽，从而更准确地估计缝隙中的缺失面积和缺失体积。缝隙净宽可以理解为两块金属板边缘之间的最小距离，即金属板之间的内部净宽区域。

反射光法优选是激光线法，即一种激光三角测量法，在这种方法中，激光线垂直于缝隙走向投射到金属片的表面上，并对该线的形状进行评估。

在透射光法中，光线穿过缝隙并且通过相机在对置的金属板上进行测量。通过对图像进行相应的评估可以确定两块金属板之间的内部净宽宽度(净缝隙)。

因此，本发明除了用反射光法测量缝隙宽度外，还可以直观地测量待相互焊接的金属板之间的净缝隙。因此，可以估计出缺失的体积并以最佳的方式控制焊接过程。

优选在焊接过程中也加入填充金属丝。通过改进的缝隙测量装置，可以更有效地确定附加材料(填充金属丝)的最佳需求，通过控制附加金属丝的进给速度，可以送入最佳数量的金属丝，因而可以减少所需的填充金属丝数量。

由此，通过所提出的方法可以降低总体生产成本。

总而言之，与其它已知的方法相比，所提出的方法能带来更好的生产率和更好的工艺质量。

在焊接过程中，优选使用成像技术对测量结果进行评估，以确定两个边缘之间的缺失体积。

有意义的是，使用另一个光源和相应地配设的相机来检测所产生的焊缝中的孔。

反射光法优选使用单色光的光源。

有利的是，连续测量和评估缝隙宽度和缝隙净宽。

如果用反射光法来测量缝隙宽度，必要时也用透射光法来测量金属板(1，2)上侧与下侧的净缝隙，甚至可以得到更好的结果。

根据本发明的方法特别适用于生产车身制造中的定制板件。

附图说明

下面将利用实施例并参照附图进一步解释本发明以及目前测量方法存在的问题。在附图中：

图1以侧视图示出了根据本发明的激光焊接工艺的示例；

图2以横截面示出了切割过程后的金属板边缘；

图3以横截面示出了切割边缘的可能形状；

图4以横截面示出了两个相互接触(没有净缝隙)的金属板之间的缝隙；

图5以横截面示出了根据现有技术的两个不相接触的、具有净缝隙的金属板以及缝隙照明装置；

图6以横截面示出了通过透射光进行的缝隙测量；

图7以横截面示出了两个互不接触的金属板之间的缝隙。

各图中相同的附图标记在各种情况下指的是相同的特征。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的激光焊接工艺35的一个实施例，其用于加工金属板1、2，这些金属板例如但不限于被放置在一个可沿运输方向TR移动的传送装置37上。在第一个工艺步骤中，金属板1、2通过进料装置(未示出)被放置在传送装置37上，并通过保持装置(未示出)保持。在这之后，缝隙位置和缝隙宽度被确定。这是在顶部摄像机20的帮助下实现的，也可以任选地使用底部摄像机21。此外，两个摄像机20、21以对置的方式相应地设置有一个下方照明装置18和一个上方照明装置19。

两个金属板1、2之间的空间D取决于要焊接的金属板的布局，如果金属板1、2具有矩形布局，则D可以保持较小，如果金属板1、2具有菱形布局，则可以选择为较大。在第二个工艺步骤中，在填充金属丝单元24加入填充金属丝10的情况下，通过焊接激光6将金属板1、2连接为焊接的金属板36。在第三个工艺步骤中，焊缝的质量由固定的第二质量***从上方检查，该***包括顶部摄像机22和下方照明装置31，并且任选地还可以从下方用另外一个固定的质量***(底部摄像机23和上方照明装置32)检查。随后，在固定装置(未示出)脱离后，将焊接好的金属板36从传送带上移开。

图2在示意图中示意性地示出了切割后的金属板1的边缘5的示例，该金属板1的板材厚度为T1。作为切割过程的结果，边缘5具有塑性变形后的翻卷区R、未变形切割区S、断裂区B和毛刺G。S与B的比例可以有很大变化。

图3在示意图中示出了切割边缘的可能形状和不同的缝隙几何形状。如果左边的金属板1和右边的金属板2相互推挤，由于切割过程中塑性变形的边缘走向，两个金属板1、2之间的缝隙几何形状在不同金属板情况下改变。此外，缝隙的几何形状取决于两个金属板的板材厚度T1、T2是否相同。这里还清楚地表明，缝隙的几何形状会因金属板1、2的位置而发生很大的变化。金属板1、2的在切割过程中朝上的两侧在焊接过程中也朝上的情况与在切割过程中朝上的两侧中的一侧或两侧在焊接过程中朝下的情况相比，得到完全不同的缝隙几何形状。

图4以横截面的方式在示意图中示出了板材厚度为T1并且具有上侧25、下侧26的左边的金属板1以及板材厚度为T2并且具有上侧25、下侧26的右边的金属板2。两个金属板1、2在左侧27的翻卷区和右侧28的翻卷区的底部相接触。因此，在这个区域没有缝隙(没有净缝隙)。根据现有技术，缝隙宽度7是通过用反射光法进行的缝隙测量确定的。这个被确定的缝隙宽度7通常反映了缝隙上部的缝隙宽度。阴影区域描述了两个金属板1、2之间的缺失面积8。由于缝隙在下部闭合，因此只能通过所测量的缝隙宽度7来非常粗略地估计缺失面积8。

图5显示了一个使用反射光法的缝隙测量装置。两块金属板1和2在这里没有接触，因此有一个净缝隙。净缝隙可以理解为，当从横截面看时，缝隙宽度等于金属板的两个边缘4和5之间的最小距离。两个光源11、12照亮了净缝隙，其中，多次反射的光线13被相机20接收。光线14在左侧边缘4的上部区域被反射，以至于不能被顶部的摄像机20检测。光线15和光线16在左侧边缘4和右侧边缘5的区域被多次反射，也不能被摄像机20检测到。通过这个过程，在金属板1、2的上部区域确定了缝隙宽度7，然而，这通常与缝隙净宽不一样。

图6现在示出了借助透射光法对具有净缝隙的两个金属板1、2处进行缝隙测量。因此，板材厚度为T1并且具有上侧25、下侧26和边缘4的左边的金属板1以及板材厚度为T2并且具有上侧25、下侧26和边缘5的右边的金属板2没有接触。下方照明装置18从下面通过缝隙发出光线17，这个光线被顶部的摄像机20检测到。这种使用透射光法的缝隙测量测量出缝隙净宽9，也就是两个边缘4和5之间的最小距离。

图7现在示出了根据本发明的缝隙测量装置。在这里，同时使用反射光(如图5所示)和透射光方法(如图6所示)测量缝隙。在本例中，两个金属板1、2没有接触。缝隙宽度7是用反射光法在金属板1和2的上部区域测量的。缝隙净宽9是用透射光法确定的。在本例中，反射光法的光线和透射光法的光线是由一个共用的摄像机20检测的。如果从所测量的缝隙宽度7中减去缝隙净宽9，就得到了假缝隙宽度3。假缝隙面积29是假缝隙宽度3下的缝隙面积。假缝隙面积29可以用假缝隙宽度3和金属板厚度T1、T2来估计。缝隙净面积30可以用测量的缝隙净宽9和已知的金属板厚度T1、T2来确定。所估计的假缝隙面积29和所确定的缝隙净面积30的总和给出缺失面积8，可用于估计缺失体积。

在图1中，反射光法不仅用于金属板1、2的上侧，也用于下侧。为此，有两个光源38和39位于金属板的下方。来自光源38、39的光线从金属板和缝隙中反射出来，被底部的摄像机21检测。同样地，这个摄像机21也检测到了来自上方照明装置19的透射光线。

附图标记列表

1 左侧的金属板

2 右侧的金属板

3 假的缝隙宽度

4 金属板边缘

5 金属板边缘

6 焊接激光

7用反射光法测量的缝隙宽度

8 缺失面积

9 缝隙净宽

10 填充金属丝

11、12 光源

13 光线

14 光线

15 光线

16 光线

17 光

18 下方照明装置

19 上方照明装置

20 顶部摄像机

21 底部摄像机

22 顶部摄像机

23 底部摄像机

24 填充金属丝单元

25 金属板的上侧

26 金属板的下侧

27 左侧翻卷

28 右侧翻卷

29 假的缝隙面积

30 净缝隙面积

31 下方照明装置

32 上方照明装置

35 激光焊接过程

36 焊接的金属板

37 传送装置

38、39 光源

TR 运输方向

R 翻卷区

S 切割区

B 断裂区

G 毛刺

D 金属板间距

T1 左侧金属板的板厚度

T2 右侧金属板的板厚度

Claims (12)

1.一种在焊接机中对平的金属板(1，2)进行对接焊接的方法，其中，两个金属板(1，2)通过送料装置放置在传送装置(37)上，并通过保持装置固定，其中，两个待相互焊接的金属板(1，2)的两个边缘(4，5)以对接的方式相邻放置，形成尽可能小的缝隙，并且用焊接激光(6)焊接到一起，其中，缝隙宽度(7)被测量并且通过测量值对焊接过程进行控制，其特征在于，同时通过反射光法对所述缝隙宽度(7)并且通过透射光法对缝隙净宽(9)进行测量，并且由此来评估缝隙中的缺失面积(8)或缺失体积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射光法是一种激光线法，即，一种激光三角测量法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，填充金属丝(10)被提供给激光焊接过程(35)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所评估出的缺失体积控制填充金属丝的供给。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在焊接过程中使用成像技术对测量结果进行分析，以确定两个边缘(4，5)之间的缺失体积。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在焊接过程后，通过带有相应的摄像机(22，23)的照明装置(31，31)能够检测到所产生的焊缝中的孔。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述反射光法使用单色光的光源(11，12)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述缝隙宽度(7)和缝隙净宽(9)被连续测量和分析。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，一个共用的摄像机(20)被用于反射光法和透射光法。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述反射光法用于在金属板(1，2)的上侧和下侧测量所述缝隙宽度(7)。

11.根据权利要求1至8或10中任一项所述的方法，其特征在于，所述透射光法用于在金属板(1，2)上侧和下侧测量所述缝隙净宽(9)。

12.一种根据权利要求1至11中任一项所述的方法在汽车车身制造中生产定制板件的应用。

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