CN105598586A

CN105598586A - 激光焊接装置和激光焊接方法

Info

Publication number: CN105598586A
Application number: CN201510771703.9A
Authority: CN
Inventors: 小林裕臣; 内田圭亮; 渡边谅; 田中悠人
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US9884392B2; DE102015119566A1; KR20160058036A; JP2016093825A; JP6137130B2; CN108705196A; KR101762512B1; US20160136755A1

Abstract

本公开涉及激光焊接装置和激光焊接方法。根据本公开的激光焊接装置通过将激光束照射到焊接部分上执行焊接，该激光焊接装置包括：保护气体供应单元，其将保护气体供应到焊接部分；气体馈送量控制单元，其控制保护气体的流量；光强度测量单元，其测量从焊接部分发射的等离子光的光强度；以及变化率计算单元，其计算由光强度测量单元测量的光强度的变化率。气体馈送量控制单元根据所计算的光强度的变化率来控制供应到焊接部分的保护气体的流量。

Description

激光焊接装置和激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接装置和激光焊接方法，更具体地，涉及在将保护气体供应到焊接部分的同时执行焊接的激光焊接装置和激光焊接方法。

背景技术

激光焊接是用激光束作为热源执行焊接的焊接方法。在两个金属板被堆叠和焊接的情况下，这两个金属板彼此叠置并且随后用激光束进行扫描。因此，用激光束照射的部分被加热，使得两个金属板被熔化。两个金属板的熔化物质被混合并且随后被固化，从而将两个金属板接合成堆叠状态。这时候，待形成的焊珠(bead)的截面形状根据供应到焊接部分的保护气体而变化。

日本未审查专利申请公开号2004-130360公开了一种涉及使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体的激光焊接装置的技术。

发明内容

正如“背景技术”部分中描述的，在在将保护气体供应到焊接部分的同时通过将激光束照射到焊接部分上来执行焊接的激光焊接装置中，待形成的焊珠(bead)的截面形状根据供应到焊接部分的保护气体而变化。例如，当使用惰性气体作为保护气体时，焊珠具有葡萄酒杯形状(wine-cupshape)的截面(参见图2)。当使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体时，焊珠具有平底杯形状(tumblershape)的截面(参见图3)。

在如上面描述将保护气体供应到焊接部分的同时执行焊接的情况下，可以通过控制保护气体的类型或馈送量来调整待形成的焊珠的截面形状。然而，如果保护气体的馈送量在焊接期间变化，则在焊接部分处发生待形成的焊珠的截面形状的变化，这引起发生焊接故障的问题。

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够抑制发送待形成的焊珠的截面形状变化的激光焊接装置和激光焊接方法。

本发明的第一示例方面是一种通过将激光束照射到焊接部分上来执行焊接的激光焊接装置，该激光焊接装置包括：保护气体供应单元，其将保护气体供应到焊接部分；气体馈送量控制单元，其控制从保护气体供应单元供应的保护气体的流量；光强度测量单元，其测量从焊接部分发射的等离子光的光强度；以及变化率计算单元，其计算由光强度测量单元测量的光强度的变化率。气体馈送量控制单元根据所计算的光强度的变化率来控制供应到焊接部分的保护气体的流量。

本发明的第二示例方面是一种在将保护气体供应到焊接部分的同时通过将激光束照射到焊接部分上来执行焊接的激光焊接方法，该激光焊接方法包括：测量从焊接部分发射的等离子光的光强度；计算所测量的光强度的变化率；以及根据所计算的光强度的变化率来控制供应到焊接部分的保护气体的流量。

在根据本发明的示例方面的激光焊接装置和激光焊接方法中，测量从焊接部分发射的等离子光的光强度；计算所测量的光强度的变化率；以及根据光强度的变化率来控制供应到焊接部分的保护气体的流量。因此，可以执行反馈控制，使得在实时监控保护气体的供应状态的同时，可以以适当的馈送量供应保护气体。因此，可以抑制保护气体的馈送量的变化，并且可以抑制在焊接部分处发生待形成的焊珠的截面形状变化。

根据本发明，可以提供一种能够抑制发生待形成的焊珠的截面形状变化的焊接装置和激光焊接方法。

根据本文下面仅作为说明给出并且因此不应被视为对本发明的限制的详细描述和附图将更全面地理解本发明的以上的和其他的目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出了根据示例实施方式的激光焊接装置的图；

图2是示出了在焊接部分处待形成的焊珠的形状(葡萄酒杯形状)的截面图；

图3是示出了在焊接部分处待形成的焊珠的形状(平底杯形状)的截面图；

图4是示出了从焊接部分发射的等离子光的光强度的曲线图；

图5是示出了从焊接部分发射的等离子光的光强度的曲线图；

图6是示出了根据示例实施方式的激光焊接装置的控制流程的流程图(当待形成的焊珠的形状是葡萄酒杯形状时)；

图7是示出了从焊接部分发射的等离子光的光强度(如上图所示)以及示出了光强度的时间导数的曲线图(如下图所示)；

图8是示出了根据示例实施方式的激光焊接装置的控制流程的流程图(当待形成的焊珠的形状是平底杯形状时)；以及

图9是示出了从焊接部分发射的等离子光的光强度(如上图所示)以及示出了光强度的时间导数的曲线图(如下图所示)。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的示例实施方式。

图1示出了根据本发明的示例实施方式的激光焊接装置1。如图1所示，激光焊接装置1包括激光源10、主体部分11、光强度测量单元12、变化率计算单元13、气体馈送量控制单元14、保护气体供应单元15以及喷嘴16和17。

激光源10是产生激光束的设备。例如，二氧化碳气体激光或YAG(钇铝石榴石)激光可以被用作激光束。由激光源10产生的激光束穿过主体部分11并且被引导向焊接构件18的表面。

当激光束21照射在焊接构件18的表面上时，焊接构件18被焊接。例如，如图2和图3所示，焊接构件18是由彼此堆叠的两个金属板31和32形成的构件。当激光束照射到两个堆叠金属板31和32的焊接部分35上时，激光束穿过上金属板31，并且下金属板32的顶表面被熔化，从而产生熔池(与此后待形成的焊珠41和42中的每个的形状相对应)，熔池是两个金属板31和32的熔化物质的混合物。此后，熔池冷却并且固化，从而将两个金属板31和32接合在一起。这时候，在焊接部分35处均形成焊珠41和42。在焊接期间，从焊接部分35(熔池)发射等离子光22。

在焊接两个金属板31和32的情况下，用激光束21扫描焊接构件18的表面。例如，在其中主体部分11(激光束21)被固定并且其上放置有焊接构件18的台(未示出)可移动的结构中，可以用激光束21扫描焊接构件18的表面。替选地，在其上放置有焊接构件18的台(未示出)被固定并且主体部分11(激光束21)可移动的结构中，可以用激光束21扫描焊接构件18的表面。值得注意的是，主体部分11(激光束21)和焊接构件18二者可以被可移动地布置。

图1中所示的光强度测量单元12测量从焊接部分35发射的等离子光22的光强度。例如，光电二极管可以被用作光强度测量单元12。可以用CCD(电荷耦合器件)图像传感器观察等离子光22的光强度。由光强度测量单元12测量的光强度被供应到变化率计算单元13。

变化率计算单元13计算由光强度测量单元12测量的光强度的变化率。例如，变化率计算单元13对光强度的时间函数进行时间求导(参见图7的上图)，从而使得可以计算光强度的变化率(参见图7的下图)。

气体馈送量控制单元14控制保护气体供应单元15。保护气体供应单元15将保护气体供应到焊接构件18的焊接部分35。例如，诸如氮气、氩气或氦气的惰性气体可以被用作保护气体。使用惰性气体作为保护气体可以抑制焊接部分(焊珠)的氧化。惰性气体和氧气的混合气体也可以被用作保护气体。

保护气体供应单元15通过导管26将惰性气体供应到喷嘴16。此外，保护气体供应单元15通过导管27将氧气供应到喷嘴17。保护气体供应单元15调整供应到喷嘴16的惰性气体的流量以及供应到喷嘴17的氧气的流量，从而使得可以调整包括在保护气体中的惰性气体和氧气之间的比例。

例如，如图2所示，当焊珠41具有葡萄酒杯形状的截面时，仅使用惰性气体(或该气体可以包括少量氧气)作为保护气体。在这种情况下，可以防止焊珠41被氧化。此外，可以增加熔池(对应于焊珠41)的表面的宽度。因此，当使用焊条时，可以增加设置焊条的位置的适当范围。

例如，当焊珠42具有如图3所示的管状形状的截面时，惰性气体和氧气的混合气体被用作保护气体(例如，氧气按20％的体积与惰性气体混合)。在这种情况下，可以增加将金属板31和金属板32接合在一起的部分的宽度以及增加接合强度。此外，可以减小金属板31的收缩和金属板32的收缩之间的收缩差异，从而减少焊接变形。

图4是示出了从焊接部分发射的等离子光的光强度和示出了光强度的时间函数的曲线图。如图4所示，当仅使用惰性气体作为保护气体时(当焊珠具有葡萄酒杯形状的截面时)，光强度低于使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体(当焊珠具有平底杯形状的截面)的情况下的光强度。在图4所示的情况下，当仅使用惰性气体作为保护气体时以及当使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体时，光强度是稳定的。因此，待形成的焊珠中的每个的截面形状是稳定的。

另一方面，如图5所示，如果在使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体执行焊接时氧气不足，则从焊接部分35发射的等离子光的光强度下降。这时候，形成在焊接部分35处的焊珠的截面形状从管状形状变为葡萄酒杯形状。以这种方式，当保护气体的馈送量变化时，形成在焊接部分35处的焊珠的截面形状也变化，从而引起焊接失败。

在根据该示例实施方式的激光焊接装置1中，以如下方式解决上述问题。即，由光强度测量单元12测量从焊接部分35发射的等离子光的光强度；由变化率计算单元13计算测量的光强度的变化率；以及根据光强度的变化率控制供应到焊接部分35的保护气体的流量。下面将详细描述用于控制根据该示例实施方式的激光焊接装置1的方法。

首先，将参照图6的流程图和图7描述待形成的焊珠具有葡萄酒杯形状的截面(参见图2)的情况。在待形成的焊珠具有葡萄酒杯形状的截面的情况下，仅使用惰性气体(或者该气体可以包括少量氧气)作为保护气体。在将保护气体供应到焊接部分35的同时通过用激光束扫描焊接部分35来执行焊接期间，激光焊接装置1进行图6中所示的处理。

首先，光强度测量单元12测量从焊接部分35发射的等离子光22的光强度(步骤S1)。接着，变化率计算单元13计算由光强度测量单元12测量的光强度的变化率(步骤S2)。例如，变化率计算单元13通过对图7的上图中所示的光强度(V)的时间函数进行时间求导来计算光强度的变化率。

接着，气体馈送量控制单元14确定由变化率计算单元13计算的光强度的变化率是否等于或大于预定阈值“a”(第一阈值：a>0)(步骤S3)。当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率小于阈值“a”时(步骤S3：否)，气体馈送量控制单元14重复步骤S1至S3的操作而无需改变供应到焊接部分35的保护气体的流量。这种状态(对应于图7中所示的间隔t1)表示保护气体被稳定地供应到焊接部分35并且待形成的焊珠的截面形状也是稳定的。

另一方面，当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率等于或大于阈值“a”时(步骤S3：是)，气体馈送量控制单元14控制保护气体供应单元15以增加从喷嘴16供应的惰性气体的流量(步骤S4)。具体地，在图7中所示的时刻t2处，光强度的变化率等于或大于阈值“a”，这表示大大增加了从焊接部分35发射的等离子光22的光强度。这假设是由于氧气的混合(供应过多)或者惰性气体的不足引起的。因此，气体馈送量控制单元14控制保护气体供应单元15以增加从喷嘴16供应的惰性气体的流量。通过以这种方式增加惰性气体的流量，可以形成具有葡萄酒杯形状截面的焊珠。这使得可以抑制熔池的表面的宽度的减小以及将金属板接合在一起的部分的宽度的过度增加。

此后，光强度测量单元12再次测量从焊接部分35发射的等离子光22的光强度(步骤S5)。接着，变化率计算单元13计算由光强度测量单元12测量的光强度的变化率(步骤S6)。

然后，气体馈送量控制单元14确定由变化率计算单元13计算的光强度的变化率是否等于或小于预定阈值“b”(第二阈值：b<0)(步骤S7)。当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率大于阈值“b”时(步骤S7：否)，气体馈送量控制单元14增加供应到焊接部分35的惰性气体的流量(步骤S4)，并且重复步骤S5至S7的操作。这种情况表示惰性气体的流量仍不足，即使增加了惰性气体的流量。

另一方面，当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率等于或小于阈值b时(步骤S7：是)，气体馈送量控制单元14维持当前从喷嘴16供应的惰性气体的流量(步骤S8)。具体地，在图7中所示的时刻t3处，当光强度的变化率等于或小于阈值“b”时，惰性气体的流量增加，而等离子光22的光强度减小。这表示从焊接部分35发射的等离子光22的光强度已经返回到稳定状态。因此，气体馈送量控制单元14在该时刻维持惰性气体的流量。因此，可以以适当状态维持保护气体的供应状态。

此后，通过重复步骤S1至S8的操作，可以执行反馈控制，使得在实时监控保护气体的供应状态的同时可以以适当的馈送量供应保护气体。

如果即使在重复步骤S4至S7的操作之后，光强度的变化率没有变得等于或小于阈值“b”，应当认为，激光焊接装置失灵。在这种情况下，停止激光焊接操作。

可以例如通过以下方法预先获得阈值“a”和“b”。首先，对来自无缺陷产品的等离子光的光强度的波形执行傅里叶变换，从而指定高频分量，即噪声。此后，通过低通滤波器移除噪声分量。然后，通过对已穿过低通滤波器的等离子光的光强度的波形进行时间求导来获得函数(dV/dt)，并且获得函数(dV/dt)的焊接时间的标准偏差σ和平均值μ。例如，在使用三倍于标准偏差σ的值设定阈值的情况下，阈值“a”由μ+3σ表示，阈值b由μ-3σ表示。平均值μ是通过对光强度的波形进行时间求导而获得的值的平均值，因此平均值是接近0的值。为了增加对等离子光的光强度的变化的灵敏度，可以使用两倍于标准偏差σ的值设定阈值“a”和“b”。相反地，为了降低对等离子光的光强度的变化的灵敏度，可以使用四倍于标准偏差σ的值设定阈值“a”和“b”。

上面仅作为示例描述了设定阈值“a”和“b”的方法。在根据该示例实施方式的激光焊接装置中，可以通过与上述方法不同的方法设定阈值“a”和“b”。

接着，将参照图8的流程图和图9描述待形成的焊珠具有管状形状的截面的情况(见图3)。当焊珠具有管状形状的截面时，使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体。在将保护气体供应到焊接部分35的同时通过用激光束扫描焊接部分35执行焊接期间，激光焊接装置1进行图8中所示的处理。

首先，光强度测量单元12测量从焊接部分35发射的等离子光22的光强度(步骤S11)。接着，变化率计算单元13计算由光强度测量单元12测量的光强度的变化率(步骤S12)。例如，变化率计算单元13通过对图9的上图中所示的光强度(V)的时间函数进行时间求导来计算光强度的变化率。

接着，气体馈送量控制单元14确定由变化率计算单元13计算的光强度的变化率是否等于或小于预定阈值“c”(第三阈值：c<0)(步骤S13)。当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率大于阈值“c”时(步骤S13：否)，气体馈送量控制单元14重复步骤S11至S13的操作而无需改变供应到焊接部分35的保护气体的流量。这种情况表示保护气体被稳定地供应到焊接部分35(对应于图9中所示的间隔t11)并且待形成的焊珠的截面形状也是稳定的。

另一方面，当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率等于或小于阈值“c”时(步骤S13：Yes)，气体馈送量控制单元14控制保护气体供应单元15以增加从喷嘴16供应的氧气的流量(步骤S14)。具体地，在图9中所示的时刻t12处，光强度的变化率等于或小于阈值“c”，这表示大大减小了从焊接部分35发射的等离子光22的光强度。这假设是由于氧气不足(即，氧气按体积的百分比相对于惰性气体的减小)引起的。因此，气体馈送量控制单元14控制保护气体供应单元15以增加从喷嘴17供应的惰性气体的流量。通过以这种方式增加氧气的流量，可以形成具有葡萄酒杯形状的截面的焊珠。这使得可以抑制熔池的表面的宽度的减小以及将金属板接合在一起的部分的宽度的过度减小。

此后，光强度测量单元12再次测量从焊接部分35发射的等离子光22的光强度(步骤S15)。接着，变化率计算单元13计算由光强度测量单元12测量的光强度的变化率(步骤S16)。

然后，气体馈送量控制单元14确定由变化率计算单元13计算的光强度的变化率是否等于或大于预定阈值“d”(第四阈值：d>0)(步骤S17)。当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率小于阈值“d”时(步骤S17：否)，气体馈送量控制单元14增加供应到焊接部分35的氧气的流量(步骤S14)，并且重复步骤S15至S17的操作。这种情况表示氧气的流量仍不足，即使增加了氧气的流量。

另一方面，当由变化率计算单元13计算的光强度的变化率等于或大于阈值“d”时(步骤S17：是)，气体馈送量控制单元14维持当前从喷嘴17供应的氧气的流量(步骤S18)。具体地，在图9中所示的时刻t13处，当光强度的变化率等于或大于阈值“d”时，氧气的流量增加，并且等离子光22的光强度增加。这表示从焊接部分35发射的等离子光22的光强度已经返回到稳定状态。因此，气体馈送量控制单元14在该时刻维持氧气的流量。因此，可以以适当状态维持保护气体的供应状态。

此后，通过重复步骤S11至S18的操作，可以执行反馈控制，使得在实时监控保护气体的供应状态的同时可以以适当的馈送量供应保护气体。

如果即使在重复步骤S14至S17的操作之后，光强度的变化率没有变得等于或大于阈值“d”，则应当认为，激光焊接装置失灵。在这种情况下，停止激光焊接操作。

可以通过与上述设定阈值“a”和“b”的方法类似的方法设定阈值“c”和“d”。例如，在使用三倍于标准偏差σ的值设定阈值的情况下，阈值“c”由μ-3σ表示，阈值“d”由μ+3σ表示。上面仅作为示例描述了设定阈值“c”和“d”的方法。在根据该示例实施方式的激光焊接装置中，可以通过与上述方法不同的方法设定阈值“c”和“d”。

正如“背景技术”部分中描述的，在激光焊接装置中，在将保护气体供应到焊接部分的同时，通过将激光束照射到焊接部分上来执行焊接，待形成的焊珠的截面形状根据供应到焊接部分的保护气体而变化。例如，当使用惰性气体作为保护气体时，焊珠具有葡萄酒杯形状的截面(参见图2)。当使用惰性气体和氧气的混合气体作为保护气体时，焊珠具有平底杯形状的截面(参见图3)。

在如上所述将保护气体供应到焊接部分的同时执行焊接的情况下，可以通过控制保护气体的类型或其馈送量来调整待形成的焊珠的截面形状。然而，如果保护气体的馈送量在焊接期间变化，则在焊接部分处发生待形成的焊珠的截面形状的变化，这引起发生焊接故障的问题。

为了解决上述问题，在根据该示例实施方式的激光焊接装置1中，由光强度测量单元12测量从焊接部分35发射的等离子光的光强度；由变化率计算单元13计算测量的光强度的变化率；以及根据光强度的变化率来控制供应到焊接部分的保护气体的流量。因此，可以执行反馈控制，使得在实时监控保护气体的供应状态的同时，可以以适当的馈送量供应保护气体。因此，可以抑制保护气体的馈送量的变化，并且可以抑制在焊接部分处发生待形成的焊珠的截面形状变化。

特别地，在根据该示例实施方式的激光焊接装置1中，通过使用光强度的变化率来确定保护气体的馈送量是否适当。因此，在反馈控制期间可以增加响应速度。具体地，在通过使用等离子光的光强度确定保护气体的馈送量是否适当的情况下，保护气体的馈送量仅在光强度减小之后被确定不适当。在这种情况下，在光强度减小之前的长时间内焊接失败持续，这导致焊接质量的变差。另一方面，在通过使用光强度的变化率确定保护气体的馈送量是否适当的情况下，可以立即识别光强度的减小的迹象。因此，可以执行反馈控制，使得可以以适当的馈送量供应保护气体，而无需等待光强度的减小。因此，可以减少焊接失败的发生并且可以提高焊接质量。

根据上述本发明的示例实施方式的发明可以提供能够抑制发生待形成的焊珠的截面形状变化的激光焊接装置和激光焊接方法。

根据所描述的发明，本发明的实施方式显然可以以许多方式变型。这样的变型不被认为脱离本发明的精神和范围，对于本领域技术人员而言明显的所有的这样的修改应涵盖于所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种通过将激光束照射到焊接部分上来执行焊接的激光焊接装置，所述激光焊接装置包括：

保护气体供应单元，其将保护气体供应到所述焊接部分；

气体馈送量控制单元，其控制从所述保护气体供应单元供应的保护气体的流量；

光强度测量单元，其测量从所述焊接部分发射的等离子光的光强度；以及

变化率计算单元，其计算由所述光强度测量单元测量的光强度的变化率，

其中，所述气体馈送量控制单元根据所计算的光强度的变化率来控制供应到所述焊接部分的保护气体的流量。

2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中，当所述光强度的变化率等于或大于第一阈值时，所述气体馈送量控制单元增加所述保护气体中包括的惰性气体的流量，其中所述第一阈值是大于0的值。

3.根据权利要求2所述的激光焊接装置，其中，在增加所述惰性气体的流量之后，当所述光强度的变化率等于或小于第二阈值时，所述气体馈送量控制单元维持所述惰性气体的流量，其中所述第二阈值是小于0的值。

4.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中，当所述光强度的变化率等于或小于第三阈值时，所述气体馈送量控制单元增加所述保护气体中包括的氧气的流量，其中所述第三阈值是小于0的值。

5.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中，在增加所述氧气的流量之后，当所述光强度的变化率等于或大于第四阈值时，所述气体馈送量控制单元维持所述氧气的流量，其中所述第四阈值是大于0的值。

6.一种在将保护气体供应到焊接部分的同时通过将激光束照射到所述焊接部分上来执行焊接的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括：

测量从所述焊接部分发射的等离子光的光强度；

计算所测量的光强度的变化率；以及

根据所计算的光强度的变化率来控制供应到所述焊接部分的保护气体的流量。