CN103228397A - 焊接方法、焊接装置及连接件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于连接一个第一工件（10）与一个第二工件（11）的焊接方法、尤其激光焊接方法，其中在一个第一方法步骤（1）中使所述第一与第二工件（10，11）相互形成接触，其中在一个第二方法步骤（2）中求得一个所需的焊接畸变，其中在一个第三方法步骤（3）中与该焊接畸变相关地将所述第一及第二工件（10，11）相互焊接起来，和/或在第三方法步骤（3）中使所述第一及第二工件（10，11）以一个旋转速度绕旋转轴线（16）转动，其中，在该第三方法步骤中与该旋转速度相关地将所述第一及第二工件（10，11）相互焊接起来。

Description

焊接方法、焊接装置及连接件

背景技术

这种方法已普遍地公知。例如由出版文献DE102006015383A1公知了一种用于将第一工件与第二工件激光焊接起来的装置及方法，其中该装置包括一个激光源及一个用于焊接过程的过程监测的传感器。过程监测在这里尤其用来监测焊接深度，该焊接深度通过一个作为传感器的光学摄像机实时地检测并用作激光源的调节量。该方法中未设置焊接畸变的确定。

发明内容

根据本发明的焊接方法、根据本发明的焊接装置及根据本发明的连接件与现有技术相比具有其优点，即在焊接过程以前求得一个所需的或必要的焊接畸变，该焊接畸变在焊接过程期间被转换。这将导致：用该焊接方法不仅可产生第一与第二工件之间的连接，而且也可实现第一与第二工件之间的所需定向或变形。以此方式例如在焊接期间可补偿第一及第二工件的接触面的位错或弯曲及偏移。变换地也可考虑通过输入一个相应的弯曲参数或通过直接输入一个相应的焊接畸变在焊缝区域中产生一个所需的弯曲。这里在第三方法步骤中通过相应的焊接参数的选择实现所求得的焊接畸变。因此可用有利的方式实现一个构件，该构件具有所需的带有相对高的精确度的外部几何形状。迄今焊接起来的构件的这样高精确度的外部几何形状是通过各个接合方、即第一及第二工件的接合面的相对高的精确度来实现的。在此情况下接合面必需预先例如平面化或被磨平。与现有技术不同地根据本发明的方法能够制造这样精确的构件，而无需以相对费事及高成本的方式预加工第一及第二工件的接合面。根据本发明的另一优选构型或另一主题在第三方法步骤中使第一及第二工件绕一个旋转轴线以一个旋转速度转动，其中在该方法步骤中与旋转速度相关地将第一及第二工件相互焊接起来。以此方式可有利地将焊接能量均匀地施加第一及第二工件中，以致在热影响区域中材料的特性对称地改变。以此方式一方面减小了焊接畸变及另一方面达到了更少的转动。根据本发明的方法包括任何焊接方法并尤其包括射束焊接方法如激光焊接或电弧焊接。

本发明的有利构型及进一步构型可由从属权利要求及参照附图的说明中得到。

根据一个优选的进一步构型规定：在第二方法步骤中检测第一与第二工件之间的位错，其中求得与位错相关的并尤其补偿位错的焊接畸变。因此以有利的方式在焊接方法期间产生了对第一与第二工件之间的位错的补偿。因此该焊接方法在产生第一与第二工件之间坚固连接的同时也校正了第一与第二工件之间的连接。因此可省掉接合面的预加工。尤其在第二方法步骤中检测该位错及接着计算用于补偿该位错所必要的焊接畸变。在接下来的焊接方法步骤中进行对位错的真正补偿，其中这样地选择焊接的过程参数，以致所产生的焊接畸变引起对位错的补偿。对于位错在本发明的意义上应理解为第一及第二工件的任何偏离所需的给定布置的实际布置，由此位错在任何情况下不一定要理解为第一工件的取向与第二工件的取向之间的偏差。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中与焊接畸变和/或旋转速度相关地调节焊接射束，其中调节焊接射束的聚焦、辐射时间和/或相对第一和/或第二工件的方向，和或与焊接畸变相关地调节一个相应的旋转角度。通过射束功率、聚焦和/或射束方向的相应变化可有利地得到焊接畸变的变化或焊缝的优化。例如通过射束功率的增高或降低可得到焊接畸变的明显增高或减小。通过辐射时间及辐射能量相对第一与第二工件的进给速度或旋转速度的适配例如可产生一个具有恒定焊接深度而无异常重叠的、相对均匀的焊缝。

根据另一优选的进一步构型规定：这样地与工件的旋转速度相关地调节焊接射束，使得在第一及第二工件中达到一个基本上均匀的能量注入，由此以有利的方式形成一个相对小的焊接畸变，因为在热影响区域中材料特性对称地改变。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中第一及第二工件绕一个旋转轴线转动，其中与焊接畸变相关地调节一个相应的旋转角度。在本发明的意义上旋转角度尤其包括在焊接开始时相对于待达到的所需焊接畸变的定位角度，即焊接射束与连接体之间的一个角度，在该角度时开始焊接过程。在此情况下特别有利的是第一与第二工件的连接体绕其自己的轴线转动，其中射束功率在这里最好基本上在所有旋转角度上是恒定的并由此可达到第一与第二工件之间相对坚固及均匀的连接。旋转角度还以有利的方式与所需的焊接畸变相关地调节，因为旋转角度的变化能使第一与第二工件之间的确定区域中的能量注入有针对性的增高和/或降低，由此以所需方式达到对生成的焊接畸变的相应影响。此外通过旋转角度可确定重叠区域的位置或与重叠区域对立的一个部分区域的位置。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中在第一及第二工件转动一整圈后产生一个重叠区域，其中焊缝在重叠区域中与本身重叠。在第一与第二工件的连接体相对焊接射束的转动大于360°后所产生的焊缝开始与其本身的开始区域重叠。因此通过相应的旋转角度的选择可确定重叠区域的大小，其中所产生的焊接畸变以有利的方式与重叠区域的大小相关。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中与焊接畸变相关地调节重叠区域的大小和/或在重叠区域中调节到一个降低的射束功率。焊接畸变能以有利的方式通过两个工件一侧上重叠区域的大小来调节，其中较小的重叠区域在重叠区域的方向上产生较小的焊接畸变及较大的重叠区域在重叠区域的方向上产生较大的焊接畸变。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中在相对重叠区域转动180度的对立的部分区域中调节一个增高的射束功率和/或施加一个附加的射束剂量。在与重叠区域对立的部分区域中增高的射束功率或附加的射束剂量将导致一个焊接畸变，该焊接畸变对重叠区域方向上的焊接畸变起反作用，以致重叠区域方向上的焊接畸变至少部分地被补偿或被过补偿。因此所生成的焊接畸变是可控制的。在此情况下部分区域中的补偿是在第一工件与第二工件的第一圈转动期间通过增高的射束功率来实现的，其中该焊接方法与现有技术相比有利地不需要附加的时间和/或附加的转动。变换地部分区域中的补偿可通过部分区域中附加的射束剂量来实现，该附加射束剂量在第二转动圈中注入该部分区域。这具有其优点，即不需要增高的射束功率。

根据另一优选的进一步构型规定：在第三方法步骤中与时间和/或旋转速度相关地这样地调节射束功率，以使得该射束功率具有一个脉冲形状，其中脉冲宽度优选相应于第一及第二工件在500至1200度之间的一个转动。在此情况下有效的焊接区域包括斜出部分附近的焊接区域。这里在开始时消除出自预加工过程的第一和/或第二工件中的应力尖峰，而接着达到第一及第二工件的均匀负荷，以致在焊接过程结束时以有利的方式使畸变保持最小。

本发明的另一主题是根据并列独立权利要求的焊接装置。其中借助一个检测单元检测第一与第二工件之间的位错或在焊接过程期间使第一及第二工件转动，这是与旋转运动相关地调节焊接射束。这一方面导致一个优点，即由位错计算出一个用于校正或补偿位错所必需的焊接畸变，它在接着的焊接过程中被用来调节焊接参数。因此根据本发明的焊接装置不仅能产生第一与第二工件之间的一个坚固的连接，而且还在焊接期间校正第一与第二工件之间的连接，以致由第一及第二工件相对精确地制造出具有所需外部几何形状的构件。另一方面通过焊接功率的持续优化可得到尽可能好的同心度。此外还达到了所需能量需要量的降低。该焊接装置尤其适合于细长的、特别是管状和/或杆状的工件的焊接，因为在此情况下例如通过第一及第二工件的非平面平行的接合面对第一与第二工件之间的位错产生很强的不利影响。因此即使在原始工件非平面平行的接合面的情况下也可达到第一和/或第二工件的相对好的平延伸度。

根据一个优选的进一步构型规定：设置了通过检测单元对焊接头和/或使第一及第二工件共同运动的夹具的驱动装置的控制。为了考虑或校正位错，如上所详细解释的，通过焊接头在射束功率、聚焦和/或射束方向方面调节焊接射束和/或通过驱动装置一方面调节第一与第二工件之间的相对位置或相对运动、即尤其是转动角度及另一方面调节焊接射束，其中为了产生所需的焊接畸变间接地或直接地通过检测单元来控制焊接头和/或驱动装置。

根据另一优选的进一步构型规定：检测单元包括一个光学的和/或机械的检测单元。特别优选的是光学的检测单元包括一个激光束光学装置，它被用来相对精确地测定第一与第二工件之间的位错。变换地机械的检测单元最好包括一个触觉的检测单元，其中位错被“触摸”或通过碰触来测定。此外可考虑：通过工件变形的简单测量和/或通过工件夹具的姿态来检测畸变。对于技术人员不言而喻的是，也可使用任何其它合适的方法来进行畸变的检测。

本发明的另一主题是按照根据本发明的方法制造的和/或使用根据本发明的焊接装置制造的第一与第二工件的连接件。

在附图中表示出本发明的实施例及在以下的说明中对其详细地描述。

附图说明

图1a为根据现有技术的焊接方法的一个概要框图，

图1b为根据本发明的第一实施形式的焊接方法的一个概要框图，

图2a，2b为根据本发明的第一及第二实施形式的焊接装置的概要侧视图，

图3为根据本发明的第三实施形式的焊接装置的一个概要俯视图，

图4a，4b，4c为根据本发明的第二、第三及第四实施形式的焊接方法的射束功率与旋转角度的关系的概要坐标图，及

图5为根据本发明的第五实施形式的焊接方法的射束功率与旋转角度的关系的概要坐标图。

具体实施方式

图1a中表示根据现有技术的一个典型的焊接方法的概要框图，其中在一个第一步骤1’中首先使一个第一工件及第二工件这样地夹紧在一个夹具中，以致它们各用其接合面相互形成接触。接着在一个第二步骤3’中借助一个驱动装置使第一及第二工件驱使成绕一个旋转轴线的共同的旋转运动并进行真正的焊接过程。在此情况下将焊接射束、尤其激光射束对准在第一与第二工件的接触位置上，其中通过旋转运动使焊接射束沿接触位置的外围移动并由此沿该外围产生出一个焊缝，以致在第一与第二工件之间产生出一个坚固的及完全环绕的焊接连接。

图1b中表示根据本发明的第一实施形式的焊接方法的一个概要框图，根据本发明的焊接方法与图1a中所示的焊接方法相似，其中在第一方法步骤1中将第一及第二工件夹紧在夹具内后在第二方法步骤2中首先求得一个必要的或所需的焊接畸变。为此借助一个检测单元来测量第一与第二工件的联接并检测出第一与第二工件之间的不希望的或待校正的位错。在此情况下尤其检测第一与第二工件的实际布置并与一个给定布置相比较。借助检测的位错来计算一个必要的焊接畸变，该焊接畸变是为补偿检测到的位错所需的，以致在焊接过程结束后第一及第二工件的布置相应于给定布置。接着在第三方法步骤3中将第一及第二工件的联接体驱动成绕旋转轴线的旋转运动并开始焊接过程。在此情况下将根据计算的焊接畸变这样地进行焊接过程及旋转运动，即通过产生的焊接畸变在焊接过程结束后正好补偿了位错，其中最好根据求得的焊接畸变来控制射束功率和/或第一及第二工件的联合体的旋转运动。为了产生焊接畸变尤其根据联合体与焊接射束之间的原始角度来控制射束功率。

在图2a及2b中表示根据本发明的第一及第二实施形式的焊接装置的概要侧视图，其中这些焊接装置被设置来实施图1b中所示的根据本发明的第一实施形式的焊接方法。图2a中所示的第一实施形式包括一个第一工件及一个第二工件10，11，这些工件被保持在一个夹具12中。这里第一工件10的主延伸方向与第二工件11的主延伸方向相互间具有一个角度，该角度不等于180度，这就是说第一及第二工件10，11相互间不是准确地平行定向。这例如可通过第一及第二工件10，11的非平面平行的接合面引起。第一及第二工件10，11的定向之间的偏差在以下被称为位错。该位错将借助一个未示出的检测单元、例如激光射束光学装置来测定及在考虑该测定的位错的情况下来计算一个焊接畸变，该焊接畸变适合于在焊接过程结束后正好补偿该位错。现在在第一与第二工件10，11之间的接触区域13中由一个未示出的焊接头射入一个焊接射束14，以使第一及第二工件10，11在接触区域13中相互连接。在此情况下第一及第二工件10，11将由一个未示出的驱动装置驱动成一个共同的绕旋转轴线16的旋转运动15。这里将根据计算的焊接畸变来调节焊接射束14的射束功率及旋转运动15，以便与产生焊接连接同时地在接触区域13中产生一个生成的焊接畸变，该焊接畸变正好补偿了位错。图2b中表示第二实施形式，它基本上与第一实施形式相同，其中第二工件11包括一个长方六面体形的或圆形的工件及其中第一工件10被夹紧在第二工件11与一个侧向弹性的压紧夹具12’之间。压紧夹具12’相对侧向运动、即与旋转轴线16垂直的运动具有弹性并同时起到检测单元的作用，其中通过压紧夹具12’的侧向位置可检测第一工件10相对第二工件11的位错。因此当压紧夹具12’正好设置在接触位置的上方或在旋转轴线16上时，姿态误差为零。

图3为根据本发明的第三实施形式的焊接装置1的一个概要俯视图，该第三实施形式基本上相应于图2a中所示的第一实施形式及该焊接装置1投影成一个由图2a中通过箭头20指示的方向所视的俯视图。这里焊接射束14入射在第一与第二工件10，11之间的接触位置上及同时使第一与第二工件的联接体绕其轴线相对焊接射束14旋转。在此情况下产生出一个焊缝21，该焊缝沿联接体的圆周22延伸。为了实现坚固的焊接连接焊缝21形成得比圆周22长些，以致焊缝21在联接体转过一整圈360度后在起始点23上与其本身重叠。焊缝21重叠的区域被称为重叠区域17。焊接畸变通常指向该重叠区域17的方向。为了减小重叠区域17的方向上的这种焊接畸变，可考虑图4c中所示的焊接射束14的控制，其中焊接射束14的射束功率24在重叠区域17中被降低。在一个变换的实施形式中可考虑：在相对旋转轴线16来说位于重叠区域17对面的部分区域18中当联接体第一圈期间施加一个增高的射束功率24'，如图4b中所示。部分区域18开始于转动到180度的附近。在此情况下增高的射束功率24'起到对重叠区域17的焊接畸变补偿的反作用。在图4a所示的另一实施形式中可考虑：在联接体的继续转动中，即譬如在360与720度之间的转动中仅在部分区域18上辐射一个附加的射束剂量24''。通过该附加的射束剂量24''–该射束剂量基本上辐射在从540度起的一个区域中–同样可实现对重叠区域方向上的焊接畸变的补偿。

在图4a，4b，4c中表示根据本发明的第二、第三及第四实施形式的焊接方法的射束功率24与旋转角度25的关系的概要坐标图。射束功率依赖于旋转角度25的不同分布已借助图3进行了描述，其中在图4a，4c及4b中横坐标上各以角度记录旋转角度25及在纵坐标上各记录射束功率24或等价的射束温度。这里零度的旋转角度25相应于原点23。图4a中所示的射束分布包括一个第一转动（从0至360度）期间的一个均匀的射束功率，其中在重叠区域17（360与约400度之间）中射束功率24降低至零及其中为了补偿重叠区域17方向上的焊接畸变在第二转动（例如从360至900度）期间在重叠区域及部分区域17，18以外将射束功率24调节为零及在部分区域18中或在部分区域18周围（约500与600度之间）注入一个附加的射束剂量24''。附加的射束剂量24''的射束功率最好小于在第一转动期间均匀辐射的射束功率24。

图4b中所示的射束分布表示在第一转动期间整体较小的射束功率，该射束功率仅在部分区域18中才短时地升高。该短时升高的射束功率24'导致了对重叠区域17的方向上焊接畸变的补偿。图4a中表示一个变小的射束功率24，以致在重叠区域17的方向上的焊接畸变总地被减小。通过该射束功率24依赖于转动角度25的不同分布视所需的焊接畸变而定可调节对重叠区域17的方向上的焊接畸变的部分补偿或精确补偿或过补偿，以致通过射束功率24和/或旋转运动的相应选择可在焊接方法过程期间以所希望的形式校正位错。

图5中表示根据本发明的第五实施形式的焊接方法的射束功率24与时间31的关系的概要坐标图。在该根据本发明的焊接方法中射束功率24及辐射时间通过曲线30来表示，并在此情况下与时间31或旋转角度25相关地被调节。在时间单位中生成的脉冲宽度与过程中使用的旋转速度相关及例如延伸在500度上。为了比较图5中还用曲线32表示出一个传统的焊接过程中焊接功率24与时间31相关的分布。

Claims (10)

1.焊接方法、尤其激光焊接方法，用于连接一个第一工件（10）与一个第二工件（11），其中在一个第一方法步骤（1）中使所述第一与第二工件（10，11）相互形成接触，其特征在于：在一个第二方法步骤（2）中求得一个所需的焊接畸变，其中在一个第三方法步骤（3）中与该焊接畸变相关地将所述第一及第二工件（10，11）相互焊接起来，和/或在第三方法步骤（3）中使所述第一及第二工件（10，11）以一个旋转速度绕旋转轴线（16）转动并与该旋转速度相关地将所述第一及第二工件（10，11）相互焊接起来。

2.根据权利要求1的焊接方法，其特征在于：在所述第二方法步骤（3）中检测所述第一与第二工件（10，11）之间的位错，其中求得与所述位错相关的并尤其补偿所述位错的焊接畸变。

3.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：在所述第三方法步骤中与所述焊接畸变和/或所述旋转速度相关地调节焊接射束，其中调节所述焊接射束（14）的聚焦、辐射时间和/或相对所述第一和/或第二工件（10，11）的方向。

4.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：在所述第三方法步骤中与所述焊接畸变相关地调节一个相应的旋转角度。

5.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：这样地与工件的所述旋转速度相关地调节焊接射束，使得在所述第一及第二工件中达到基本上均匀的能量注入。

6.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：在所述第三方法步骤（3）中在第一及第二工件（10，11）转动一整圈后产生一个重叠区域，其中，焊缝（21）在所述重叠区域（17）中与本身重叠，在所述第三方法步骤（3）中优选与所述焊接畸变相关地调节所述重叠区域（17）的大小。

7.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：在所述第三方法步骤（3）中在相对所述重叠区域（17）转动180度的对立的部分区域（18）中调节一个增高的射束功率（24'）和/或施加一个附加的射束剂量（24''）。

8.根据以上权利要求中任一项的焊接方法，其特征在于：在所述第三方法步骤中与时间和/或旋转速度相关地这样地调节所述射束功率（24'），以使得该射束功率（24'）具有一个脉冲形状，其中，脉冲宽度优选相应于所述第一及第二工件（10，11）在600至900度之间的一个转动。

9.焊接装置，设有一个用于产生焊接射束（14）的焊接头及一个用于相互待焊接起来的第一及第二工件（10，11）的夹具（12），其特征在于：该焊接装置设有一个用于求得所述第一与第二工件（10，11）之间的位错的检测单元和/或所述夹具（12）的驱动装置的用于所述第一及第二工件（10，11）共同运动的控制单元。

10.按照根据权利要求1至8中任一项的方法和/或使用根据权利要求9的焊接装置产生的第一与第二工件（10，11）的连接件。

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