CN104169039A - 用于对两块涂层板材进行激光远程焊接的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对两块涂层板材(10，20)进行激光远程焊接的方法，其中，将激光射束(L)借助扫描设备(110)转向待相互连接的板材(10，20)并在所述板材(10，20)上导引。在此规定：使所述板材(10，20)通过在搭接接头处形成正面角焊缝而相互连接，其中，连续进行的焊缝形成由照相装置(140)记录，以及根据对所拍摄图像的自动分析处理在必要时修正激光射束(L)的轨迹并使其适配于额定焊缝走向。另外，本发明还涉及一种用于实施该方法的设备(100)。

Description

用于对两块涂层板材进行激光远程焊接的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于对至少两块涂层板材进行激光远程焊接的方法，其中，将激光射束借助扫描装置转向待相互连接的板材并在其上导引。
另外，本发明还涉及一种用于实施该方法的设备。
背景技术
由DE 103 09 157 B4已知一种文首所述类型的方法。在先前已知的该方法中，待接合的涂层板材被尽可能彼此无间隙地定位。在第一方法步骤期间，首先将朝向激光射束的板材借助该激光射束进行加热，其中，两块板材的在其彼此相对的侧面上的涂层被蒸发并分布于所述板材之间，而板材基本材料不熔化。在第二方法步骤期间，将两块板材在除去涂层的区域内借助激光射束进行熔接并使其以这种方式材料接合地相互连接。
关于现有技术还补充地参引JP 11047967 A。
发明内容
本发明的目的是，提供一种文首所述类型的方法，该方法不存在那些随现有技术所出现的缺点或者至少是仅在很小程度上具有那些随现有技术所出现的缺点。
此目的通过按照本发明的具有权利要求1所述特征的方法得以实现。包括并列的权利要求在内，此目的的解决方案还延及一种用于实施按照本发明的方法的设备。对于本发明的两项主题内容，可类似地由从属权利要求以及下文的说明得知一些优选的发展和设计方案。
在按照本发明的方法中，使涂层板材通过在搭接接头处形成正面角焊缝而相互连接，其中，连续进行的焊缝形成由(至少)一个照相装置记录，以及根据对所拍摄图像(或者所拍摄视频序列之类)的自动分析处理在必要时修正激光射束(在待接合的板材上)的轨迹并使其适配于额定焊缝走向，这一点特别是在运行中的焊接过程之中进行。
所说激光远程焊接特别是应理解为使用扫描技术或者扫描装置的焊接方法。在这种情况下，激光射束通过至少一个可运动的旋转镜或者扫描镜被转向并且在待接合的板材上被定位或导引，以此方式可以实现非常高的加工处理速度。此外，扫描装置还可以具有用于使激光射束聚焦的透镜系统。典型的是，在无焊接添加料的情况下实施熔接。
所说在搭接接头处的正面角焊缝特别是应理解为在至少两块板材之间的焊接连接，其中，上部板材至少部分重叠地平放在下部板材上以及焊缝是构成在所述上部板材的至少一个边缘面或者说侧面与所述下部板材的邻接的接触面之间。这样的焊缝也可称为侧面角焊缝。正面角焊缝可以构造为连续的焊缝或者成点焊缝的方式(也就是说带有焊缝中断)。
对于欲要相互接合的板材，可以是平的板材(平板件)或者立体成形的板材(板材成形件)。优选规定：它涉及的是锌涂层钢板。另外，它也可以涉及铝涂层钢板。所说锌涂层或者铝涂层特别是应理解为锌基或铝基的防腐保护层。
正面角焊缝按照本发明的设置方式对于涂层材料(特别是锌)造成了很好的除气条件，从而，过程干扰/故障相对于文首所述的现有技术而言明显减少。此外，在按照本发明的方法中只需要一个作业步骤；在DE 103 09 157 B4中所描述的利用激光射束进行加温(用以蒸发涂层)则不再必要。
然而，在形成正面角焊缝时，例如作为由构件公差造成的结果，会出现与预先给定之额定焊缝走向的临界偏差。为了避免这样的偏差，本发明另外还建议一种对焊缝走向的光学监视(通过图像的拍摄和分析处理而识别焊缝)和一种可能由此产生的对激光射束的修正运动，其中，该修正运动特别是通过扫描装置或者构建在其内的扫描镜得以实现，借此激光射束便能够精确地依循预先给定的额定焊缝走向。这也可称为对焊缝走向的在线调节(或者说在线焊缝跟踪调节)。因此，本发明的方法能够实现对至少两块涂层板材的稳健可靠的(robust)激光远程焊接，其特别是还适合于机动车车身制造中的批量应用。
本发明方法的另一个优点在于：使两块待接合的涂层板材借助至少一条角焊缝无间隙地或者无间距地(也就是说以所谓的零间隙)熔接。熔接的板材之间的间隙是不希望有的，因为污物和/或腐蚀性介质(特别是湿气)可能会侵入，毛细作用加剧了这一点。在由DE 103 09157 B4先前已知的方法中，涂层蒸汽在板材之间发生冷凝，这样必然导致这些板材的间隔。在JP 11047967 A所描述的方法中，板材一开始就(通过熔化火口)具有间隔，其中，引入用于间隙调定的熔化火口需要单独的和复杂的作业步骤。
对于所说借助至少一个照相装置形成的和继后借助控制装置加以分析处理的图像或者视频序列，特别是涉及灰度图录制影像(Graubildaufnahme)。优选规定：由照相装置进行记录的区域由至少一个人造光源附加地照明，这一点例如鉴于烟尘和蒸汽或者较大的相机距离来说是有益的。所述人造光源例如可以安装在扫描装置内或者从外部固定在扫描装置上。同样，所述照相装置也可以安装在扫描装置内或者从外部固定在扫描装置上。
可以对所拍摄图像在焊缝走向方面针对板材之间因搭接而不可避免地存在的梯级错位进行分析处理。所形成的角焊缝的方位可以在所拍摄图像上通过梯级错位轻易地辨识并与该梯级错位关联起来。这样于是便允许确定激光射束的实际位置和计算出修正运动，该修正运动然后经过相应的转换通过扫描装置或者构建在其内的扫描镜得以实现。
作为选择，可以规定：在第一方法步骤中在欲要施加的正面角焊缝的区域内首先只是利用激光射束使(板材的)涂层蒸发掉(也就是说通过蒸发将其除去)，然后在第二方法步骤中将局部除去涂层的板材利用同一激光射束加以熔接。在各个方法步骤中所需的不同能量导入例如可以通过激光射束的移行速度(和/或在必要时也可以通过驶过的次数)进行调定。另外，优选规定：在第一方法步骤中使激光射束通过散焦或者振动实际上被加宽，从而涂层可以在一条比较宽的带上被蒸发掉(而此外不会导致板材基本材料的熔化)。
或者作为可选方案，可以规定：在欲要施加的正面角焊缝的区域内利用独立分开的(第二)激光射束使(板材的)涂层蒸发，其中，该独立分开的激光射束先于用于焊接的(第一)激光射束。据此，在这种情况下需要两个激光射束，然而只需一个作业步骤。例如可以通过两个扫描装置或者通过一种所谓的双聚焦技术来实现两个激光射束。
也可以针对于所形成的正面角焊缝的质量检验自动地分析处理由照相装置拍摄的图像或视频序列，例如针对于废渣、微孔、裂纹等。所述自动化的分析处理可以由控制装置来承担。通过这种方式无需显著提高费用和成本就能够实现通过自动化的外观检查对所形成的正面角焊缝进行在线质量检验。在现有技术中已知有各种不同的用于进行焊缝质量外观检查的可能方案。
优选规定：在形成一条正面角焊缝或者多条正面角焊缝之前首先可以求出或者确定出额定焊缝走向，对此还包括焊缝走向的平整和缩短、速度的优化、可接近性检验和碰撞检验、多个正面角焊缝的生产节拍优化和/或顺序规划。优选以CAD为基础来实施这一点。这也可以称为离线轨迹规划(Offline-Bahnplanung)。
按照本发明的用于对两块涂层板材进行激光远程焊接的设备包括：
-一个扫描装置，利用该扫描装置，能将(至少)一个激光射束转向待相互连接或待接合的板材并进行导引；
-(至少)一个照相装置，借助该照相装置，利用激光射束连续进行的(正面角焊缝的)焊缝形成能够被(光学地)记录；和
-一个控制装置，比如特别是计算机装置，利用该控制装置，对由照相装置拍摄的图像自动地进行分析处理以及基于此在必要时修正激光射束的轨迹并使其适配于额定焊缝走向。
优选规定：扫描装置安装在一个可动机构上。可动机构例如是机器人、门架等等。通过扫描装置借助所述可动机构到不同位置的运动，作业空间便能够得到扩大。如果扫描装置的移行运动与焊接同时进行的话，就称为“on the fly(即时)”焊接，由此，加工时间能够明显缩短。“on the fly(即时)”-焊接要求各运动(即：激光射束借助扫描装置的运动和扫描装置借助所述机构的运动)同步，这一点不管是在离线轨迹规划中还是在在线焊缝跟踪调节中都能够得到考虑。控制装置则为此而相应地设计或构造。
附图说明
下文将参照附图示例性地并且非限制性地进一步详细阐述本发明。在附图中示出的和/或在下文中阐述的各特征可以独立于具体的特征组合方式作为本发明的一般性特征。
图1示出了两块通过一条正面角焊缝相互连接的板材的俯视图；
图2示出了图1所示正面角焊缝的剖视图；
图3示出了按照本发明的用于激光远程焊接的设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了两块平的涂层板材10和20，它们相互叠置地或者按搭接头方式布置并且通过一条直的正面角焊缝30材料接合地相互连接。根据在图1中示出的图示，板材10可以被称为下部板材，板材20被称为上部板材。上部板材20可以完全平放在下部板材10上并且用环绕的正面角焊缝或者侧面角焊缝与下部板材10连接在一起。正面角焊缝30也可以具有一种在平面内弯曲的以及在必要时立体弯曲的延伸走向。
图2示出了角焊缝30的剖视图。在这个图示中可以非常清楚地看到构成在上部板材20的边缘面或者说侧面与下部板材10的邻接的接触面之间的焊缝的构造。
在熔接之前，上部板材20被定位在下部板材10上并被定向调准。接着利用激光射束将涂层板材10和20焊接或者说熔接，这可以在下文结合图3所阐述的设备上实施。
图3示出了总体上以100标注的用于激光远程焊接的设备。该设备100包括一个本身在现有技术中已知的扫描装置110，该扫描装置通过一个法兰125固定在一个机器人的机械手臂120上。扫描装置110可以借助机器人在空间中运动，这一点利用双箭头图解示出。通过这种方式如上面提到的那样可以实现“on the fly(即时)”焊接。另外，该设备100还包括一个固定在扫描装置110上的照明装置130和一个同样固定在扫描装置110上的照相装置140。另外，一个控制装置150也属于设备100，该控制装置通过未示出的接口与扫描装置110、照明装置130、照相装置140和机器人相连。
为了对两块涂层板材10和20进行焊接，使这些板材相对彼此定位。接着，将激光射束L借助扫描装置110转向设置在扫描装置110下方的板材10和20并且沿着预先给定的轨迹(额定焊缝走向)在板材10和20上面导引(参照图3中的箭头)，随此构成一条正面角焊缝30，如上所述。正面角焊缝的这种构造为由于激光射束带入的热量而蒸发的涂层材料造成了很好的除气条件(如上面详细阐述的那样)。在上面已经对除去板材20和30涂层的其他可能性进行了说明。另外，该正面角焊缝还允许板材10和20的无间隙的接合(如同样在上面详细阐述的那样)。
在扫描装置110与板材10/20之间的距离例如为0.5m或者更大，这样会强烈地导致定位误差。在焊缝形成期间所产生的正面角焊缝30连续地通过照相装置140记录，其中，进行记录的区域(这典型地直接是作业加工区和紧邻的作业加工尾随区(Prozessnachlaufzone)可以附加地利用照明装置130被照明。根据由照相装置140记录的图像或者视频序列，实际的焊缝走向被控制装置150自动分析处理，例如通过与在板材10和20之间的梯级错位进行比较。在与额定焊缝走向有偏差的情况下，对激光射束L的轨迹加以修正并使其适配于额定焊缝走向，这一点同样通过控制装置150发令实施，该控制装置为此相应地操控扫描装置110和/或机器人。轨迹适配调整能够以+/-100μm的精度予以实现。
正如已经阐述的那样，借助由照相装置140拍摄的图像还能够实现对所形成的正面角焊缝30进行质量控制或者质量检验。
代替在图3中所示的照明装置130和照相装置140的示例性设置方式，这些装置也可以耦合到光路中扫描装置110的内部，例如可借助于反光镜实现这一点。
附图标记列表
10   涂层板材(下部板材)
20   涂层板材(上部板材)
30   正面角焊缝(焊缝)
100  设备
110  扫描装置
120  机械手臂
125  固定法兰
130  照明装置
140  照相装置
150  控制装置(控制器模块)
L    激光射束

Claims (10)

1.用于对两块涂层板材(10，20)进行激光远程焊接的方法，其中，将激光射束(L)借助扫描装置(110)转向待相互连接的板材(10，20)并在所述板材(10，20)上导引，
其特征在于：
使所述板材(10，20)通过在搭接接头处形成正面角焊缝(30)而相互连接，其中，连续进行的焊缝形成由照相装置(140)记录，以及根据对所拍摄图像的自动分析处理在必要时修正激光射束(L)的轨迹并使其适配于额定焊缝走向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对所拍摄图像鉴于焊缝走向针对所述板材(10，20)之间的梯级错位进行分析处理。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在第一方法步骤中在欲要施加正面角焊缝(30)的区域内首先利用激光射束(L)使涂层蒸发，然后在第二方法步骤中将除去涂层的板材(10，20)利用同一激光射束(L)加以熔接。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在欲要施加正面角焊缝(30)的区域内利用独立分开的激光射束使涂层蒸发，其中，该独立分开的激光射束先于用于焊接的激光射束(L)。
5.如前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于：针对于所形成的正面角焊缝(130)的质量检验，自动地分析处理由所述照相装置(140)拍摄的图像。
6.如前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于：由人造光源(130)附加地照明由所述照相装置(140)进行记录的区域。
7.如前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于：在形成正面角焊缝(30)之前首先确定出额定焊缝走向，对此还包括焊缝走向的平整和缩短、速度优化、可接近性检验和碰撞检验、多个正面角焊缝的生产节拍优化和/或顺序规划。
8.如前述权利要求之任一项所述的方法，其特征在于：所述涂层板材(10，20)分别为锌涂层钢板。
9.用于利用如前述权利要求之任一项所述的方法对两块涂层板材(10，20)进行激光远程焊接的设备(100)，其包括：
-扫描装置(110)，利用该扫描装置，能将激光射束(L)转向待相互连接的板材(10，20)并在其上导引；
-照相装置(140)，利用该照相装置，借助激光射束(L)连续进行的焊缝形成能够被记录；和
-控制装置(150)，利用该控制装置，对由照相装置(140)拍摄的图像自动地进行分析处理以及基于此在必要时修正激光射束(L)的轨迹并使其适配于额定焊缝走向。
10.如权利要求9所述的设备(100)，其特征在于：所述扫描装置(110)安装在可动机构(120)上。
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