CN107949453B

CN107949453B - 用于借助激光束的叠加的振动运动进行远程激光焊接的方法

Info

Publication number: CN107949453B
Application number: CN201680051967.XA
Authority: CN
Inventors: S·贝克; C·罗斯
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: US20180272466A1; US10875121B2; CN107949453A; DE102015223446A1; WO2017089126A1

Abstract

本发明涉及一种用于远程激光束焊接至少两个金属板(10、20)、尤其是用于焊接镀锌钢板(10、20)的方法，其中至少一个金属板(10、20)具有低沸点的涂层，在该方法中，用于产生焊缝的激光束(L)以焊接速度(V)沿焊接轮廓(30)运动，所述激光束(L)进行振动运动(100)，该振动运动与焊接速度(V)叠加，通过取决于振动运动的功率调制来控制向接合部位中的能量输入，使得向至少一个侧面的振动边界区域(RB1、RB2)或超前的振动边界区域中的能量输入增加熔池体积，但不影响根部区域中熔池面积的尺寸。

Description

用于借助激光束的叠加的振动运动进行远程激光焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种用于远程激光束焊接至少两个金属板的方法，其中至少一个金属板具有涂层。

背景技术

在远程激光束焊接中，激光束通过扫描系统朝向待加工构件定向并在其上被引导。扫描系统能以非常高的加工速度进行激光束的单轴或多轴偏转。当焊接“on-the-fly”(不停机地)进行时、即当扫描系统安装在移动机构、如工业机器人上并由其移动时，这还可进一步增强。通常远程激光束焊接与焊接部位隔开较大的工作距离、如超过0.4米。

在汽车工业中经常使用涂层金属板，其例如设有防腐涂层如镀锌钢板。涂层在此大多具有低沸点，其远低于金属板材料的熔点。在焊接被施加涂层的金属板时，涂层材料会突然汽化，这尤其是在搭接连接时导致焊接缺陷、如穿孔的焊缝、连接缺陷、飞溅和孔。

目前用于改善锌脱气的解决方案提出了设置定义的脱气间隙。例如由文献DE102014006077B3已知通过激光束熔化而在接合配合件之一上提供结节状突起。该解决方案的缺点在于，为了形成突起而需要附加的加工步骤以及用于固定构件所需的复杂的夹紧系统。

在另一种方法中，在焊接之前去除待焊接构件区域中的涂层。例如由文献DE10309157B4已知一种用于激光束焊接两个被施加涂层的金属板的方法，在该方法中，在第一方法步骤中，通过借助激光束加热而局部地使涂层汽化。在随后的第二步骤中，在去除了涂层的区域中焊接金属板。第一和第二步骤以绗缝线迹(Steppnaht)的方式交替进行。这种方法的缺点在于，用于去除涂层所需的额外时间以及不连续的焊缝设计。

通过现代实时焊缝跟踪系统，现在也可借助远程激光焊接来在搭接接头上焊接角焊缝。在此通常在无焊接填料的情况下进行焊接，因为基于远程焊接的较大工作距离而不能或很难供应填充焊条。另外，基于差的间隙桥接能力而通常在技术零间隙下进行焊接，这即使在这种焊缝形状下也由锌脱气导致焊缝缺陷。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于远程激光束焊接涂层金属板的方法，借助该方法可进一步提高焊缝质量并且不具有或以减少的程度具有上述缺点。

在根据本发明的用于远程激光束焊接至少两个金属板、尤其是用于焊接镀锌钢板的方法中，其中至少一个金属板具有低沸点的涂层，用于产生焊缝的激光束以焊接速度沿焊接轮廓运动。在此，激光束进行振动运动，该振动运动与焊接速度叠加。为了改善焊缝质量，通过取决于振动运动的功率调制这样控制向接合部位中的能量输入，使得向至少一个侧面的振动边界区域或超前的振动边界区域中的能量输入增加熔池体积，但不影响根部区域中熔池面积的尺寸。

功率调制通过改变激光束的功率来完成。在该方法期间，激光束的焦点位置保持不变，激光束优选聚焦在焊接部位上。

该方法通过增加表面上的熔池量且不以相同程度增加汽化锌比例来改善间隙桥接能力并且减少汽化锌的影响。尤其是产生在振动边界区域中仅具有小的熔池深度的熔池。

在振动边界区域中的功率相对于用于焊接的最大焊接功率显著减小。通常这样选择最大焊接功率，使得以形成锁孔(Keyhole)的深层焊接效果进行焊接。减小的功率相对于最大焊接功率显著降低，即程度为：其不进一步增大根部区域中的熔池面积、即最低的熔池区域中的横截面积。优选将显著减小的功率降低到不会通过该功率产生深层焊接效果或不会形成锁孔。

激光束以焊接速度沿焊接轮廓、即预计的焊缝线路被引导。此外与振动运动叠加。

振动运动是激光束在构件表面上方沿焊接方向和/或横向于焊接方向的周期性、无阻尼的振动。振动以至少150Hz、优选至少200Hz的频率进行。振动的振幅优选介于0.7至2mm的范围内。

振动边界区域是指振动运动的外25％并且包括振动运动的换向点。侧面的振动边界区域相对于焊接方向位于焊接部位侧旁并且超前的振动边界区域在振动运动前边缘上沿焊接方向位于焊接部位前方。作为焊接部位在此是指当激光束的运动仅基于焊接速度、而不基于振动时该激光束定位于工件上的位置。

为了减少焊穿并且改善构件连接，在于搭接接头上形成角焊缝时在一种实施方式中功率调制包括：在激光束侧向于焊接方向偏转到下板上的振动边界区域上期间，以减小的功率焊接。在一种优选实施方式中，只要激光束侧向于焊接方向朝向下板方向偏转，则以减小的功率进行焊接。为了加宽熔池表面，在该实施方式中优选以焊接轮廓为中心进行振动。

在一种优选实施方式中，通过降低锌脱气的影响可进一步提高角焊缝的质量，其方式为，功率调制这样进行：在激光束偏转到上板上的振动边界区域上期间，以减小的功率焊接。激光束功率这样减小，使得在上板的振动边界区域中发生表面材料熔化，从而设置在各构件之间的锌层不汽化或仅少量地汽化。结合在下板上振动时的功率减小，可基于增大的熔池体积可靠地实现高达1.5毫米的间隙桥接能力。在该实施方式中可减少或甚至完全省却复杂的夹紧系统。

术语“偏转”在本申请范围内相对于预定的焊接轮廓和焊接部位来理解。“侧向偏转”表示激光束在焊接方向上侧向偏移到焊接轮廓旁。焊接轮廓在此并非必须与构件接头重合，而是可侧向偏移于构件接头、例如偏移到上板上。“超前或向前偏转”表示激光束在焊接方向上位于焊接部位前方。

为了更进一步区分具有深熔池的区域和仅表面熔化的区域，在一种实施方式中，振动运动是谐波、如正弦振动，并且功率调制这样进行，使得激光束的功率在下板上的第一减小的功率、上板上的振动边界区域中的第二减小的功率以及最大焊接功率之间阶跃地变化。第一减小的功率优选具有比第二减小的功率更小的值。

在一种优选实施方式中，下板上的第一减小的功率是最大焊接功率的25％至10％、优选20％至10％，并且上板上的振动边界区域中的第二减小的功率是最大焊接功率的60％至90％、优选65％至75％。

在另一种优选用于在搭接接头上形成I形焊缝的实施方式中，振动运动超前于焊接速度进行，并且功率调制这样进行，使得最小功率至少存在于振动运动的超前换向点处并且最大焊接功率至少存在于振动运动的后方换向点处。具有减小的功率的超前光束在焊接过程中引起涂层的提前汽化。因此延长了锌脱气的时间窗口并且可减少焊缝缺陷。

在一种实施方式中，超前的振动运动优选是沿焊接方向位于焊接部位前方的谐波振动、如正弦振动，从而激光束直到位于焊接部位前方的超前部位上偏转并返回到焊接部位上，由此激光束在构件上进行锯齿状运动。在本实施方式中，连续地、优选正弦地在焊接部位上的最大焊接功率和振动的超前换向点上的最小功率之间调制激光束的功率。蒸汽毛细管在焊接方向上被延长，从而改善锌脱气的条件。有利的是，焊接速度可保持恒定，使得可在不损失生产时间的情况下改善焊接条件。

在该实施方式中，超前振动的换向点处的最小功率优选是最大焊接功率的30％至10％、优选20％至10％。

在一种实施方式中，当焊接速度保持恒定时，可良好地控制工艺流程设计。

原则上也可想到，沿焊接方向和横向于焊接方向进行二维振动、如水平八字，以实现所描述的优点。

通过上述方法可在不使用焊接填料、如填充焊条的情况下显著改善焊缝质量。通过更大熔池量增加了间隙桥接能力，由此可降低对构件接头的要求。可使用更少的夹紧元件，这可在生产中减少时间并提高灵活性。同时通过改善或减少锌脱气可提高焊缝质量。即使不使用工艺气体，也可获得良好的焊缝表面。因此，上述方法特别适于在搭接接头中无焊接填料地焊接镀锌钢板。

结合以下对实施例的描述，本发明的上述特点、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚和更易于理解。当在本申请中使用术语“可”时，这是指技术可能性和实际的技术实现。

附图说明

下面参考附图来说明实施例。附图如下：

图1示出在搭接接头中用于形成角焊缝的构件布置结构的俯视图；

图2示出根据第一种实施例的光束振动和功率调制的时间曲线；

图2A示出根据第二种实施例的光束振动和功率调制的时间曲线；

图3示出借助本发明方法形成的角焊缝的剖视图；

图4示出两个以搭接接头设置以形成I形焊缝的金属板的俯视图；

图5示出根据第三种实施例的光束振动和功率调制的时间曲线；

图6示出激光束轨迹的示意图。

具体实施方式

图1示出镀锌钢板形式的第一和第二构件10和20，它们以搭接接头设置并且应在其接头边缘12上借助远程激光束焊接形成角焊缝。为此，激光束L沿焊接轮廓30在构件上方运动。激光束L描述轨迹B，该轨迹由焊接方向X上的恒定焊接速度V以及横向于焊接方向的振动运动100组成。图1中所示的轨迹仅示意性示出，实际上发生非常多的振动，使得激光束几乎面式覆盖地扫过振动运动100的各换向点之间的振动区域OB。

在图1中，焊接轮廓30、即激光焊缝的预计路线与接头边缘12相同地示出。作为替代方案，焊接轮廓也可侧向偏离于接头边缘12设置，例如以预定义的距离移动到上板10上。虽然图1中所示的焊接轮廓30是直线，但它当然也可具有不同的路线、如弓形路线。

图2示出振动运动100沿y方向(横向于焊接方向)关于时间t的路线。振动运动100是横向于焊接方向X且振幅为A的正弦振动。振动运动100以焊接轮廓30为中心进行，即激光束L横向于焊接轮廓在y方向或-y方向上摆动并且交替地以振幅A朝上板10方向(y方向)或下板20方向(-y方向)偏转。

图2还示出将功率调制200作为激光功率P关于时间t的时间曲线。在最大焊接功率PMAX和减小的激光功率P1之间阶跃地调制激光功率P。在本实施例中，P1是最大焊接功率PMAX的20％。功率变化的时刻取决于振动运动100。在激光束L朝向上板10方向偏转期间，以最大焊接功率PMAX进行焊接，而在激光束朝向下板20方向偏转期间，以减小的激光功率P1焊接。激光束L的功率不仅在侧面的振动边界区域RB1中、而且也在整个朝向下板20定向的振动运动100期间减小到值P1。

当激光束L交于焊接轮廓30时(在时刻t1、t2、t3等)，进行阶跃的功率调制200。

图2A示出取决于振动运动100的一种替代的功率调制200A。在该实施例中，振动运动100是与参考图2所描述的相同的正弦振动。

功率调制200A取决于振动运动100地在最大焊接功率PMAX、第一减小的功率P1和第二减小的功率P2之间阶跃地进行。

具体而言，当并且只要激光束L通过振动运动100朝向下板20方向偏转时，则最大焊接功率PMAX减小到第一减小的值P1(PMAX的20％)。当激光束朝向上板10方向交于焊接轮廓30时，激光束L的功率P阶跃地增大到最大焊接功率PMAX。就此而言，功率调制200A与第一种实施例的调制200相同。

然而在于上板10上的振动过程中，功率进一步变化。一旦并且只要激光束偏转到上板上的侧面振动边界区域RB2中、即上板上的振动运动的外25％，则焊接功率P阶跃地减小到第二减小的功率P2(PMAX的70％)。当激光束L再次朝向焊接轮廓30方向离开振动边界区域RB2时，则功率P再次升高到最大值PMAX。

这样选择功率减小值P1或P2，使得通过减小的激光功率P1和P2的能量输入仅引起表面材料熔化。

借助所描述的功率调制200、200A，可在不增加根部区域中的熔池面积的情况下增加表面上的熔池宽度。因此提供附加的熔池体积，但不显著增加汽化锌的比例。这可显著提高间隙桥接能力，同时通过减少锌脱气的影响来改善焊缝质量。

图3示例性示出角焊缝的横截面，其可借助光束振动和功率调制的组合形成。上板10边缘通过焊接而整齐地熔化。与不使用填充焊条的传统激光焊接相比，产生了焊缝宽度与焊缝深度之比明显更大、如4:1的角焊缝40。此外，可避免焊穿，从而实现可靠的焊接，并且下板20下侧上的锌层保持完好。

本发明方法也可用于在搭接接头上形成I形接缝，如借助图4至图6的另一种实施例示出。

为了形成I形接缝，激光束L朝向两个重叠设置的以镀锌钢板形式的构件10A和20A定向并且沿焊接轮廓30A在构件上方沿焊接方向X以恒定焊接速度V引导。焊接轮廓30A示例性地作为直线示出，但也可具有其它形状。

此外，焊接速度V与沿焊接方向X的振动运动300叠加，该振动运动在图5中关于时间t示出。振动运动300在时刻t0、t2、t4等处的零值以及时刻t1、t3、t5等处的最大值ΔXM之间正弦地摆动。

振动运动100B仅在焊接方向X上并且超前于由焊接速度V预定的激光束L位置进行。由此产生图6中以B1示出的激光束轨迹。与未叠加振动且具有焊接速度V的运动(以直线50示出)相比，激光束通过叠加的振动运动而锯齿状地沿焊接轮廓在焊接方向X上向前运动，即激光束位置有时超前于焊接速度V，例如在时刻t1，在此激光束已经位于位置X1处，之后激光束在时刻t2再次返回相应于焊接速度V的位置X2。

为了实现改善的焊缝质量，取决于振动运动地在用于焊接的最大焊接功率PMAX与最小功率P 3之间正弦地调制功率(参见图5)。当振动运动达到其最大值(在时刻t1、t3、t5等)时，功率达到其最小值。当振动运动的值为零(在时刻t2、t4等)的时刻，以最大功率PMAX焊接。这样选择最小功率P3，使得在超前的振动边界区域RB3(在图5中作为曲线300上的加粗部示出)中、即超前的光束运动的外25％产生的能量输入引起尤其是金属板10A和20A之间接合间隙中的锌汽化，但在超前的振动边界区域RB3中没有已经使两个金属板熔化。在本实施例中，最小功率是最大焊接功率的20％。

由于蒸汽毛细管在焊接方向上被延长，而激光束在超前区域中引起锌汽化并因此延长了锌脱气的时间窗口，因此焊缝质量受益于改善的锌脱气条件。

上述方法借助远程激光束焊接机来执行，所述远程激光束焊接机优选具有本领域已知的实时光学焊缝引导系统。

所述实施例不是按比例绘制的并且也不是限制性的。专业技术范围内的修改是可能的。

附图标记列表

10、10A 构件

12 接头边缘

20、20A 构件

30、30A 焊接轮廓

40 角焊缝

50 直线

100、300 振动运动

200、200A、400 功率调制

A 振幅

B、B1 轨迹

L 激光束

OB 振动区域

P、PMAX、P1、P2、P3 激光功率

RB1、RB2、RB3 振动边界区域

X 焊接方向

Y 横向于焊接方向的方向

X1、X2… 位置

t、t0、t1、t2… 时间

ΔXM 振动最大值

Claims

1.用于远程激光束焊接至少两个金属板的方法，其中至少一个金属板具有低沸点的涂层，在该方法中，用于产生焊缝的激光束(L)以焊接速度(V)沿焊接轮廓(30、30A)运动，其特征在于，所述激光束(L)进行振动运动(100、300)，该振动运动与焊接速度(V)叠加，通过取决于振动运动的功率调制(200、200A、400)来控制向接合部位中的能量输入，使得向至少一个侧面的振动边界区域(RB1、RB2)或超前的振动边界区域(RB3)中的能量输入增加熔池体积，但不影响根部区域中熔池面积的尺寸；所述振动运动(100)横向于焊接速度(V)进行，并且功率调制(200、200A)包括：在激光束(L)侧向于焊接方向(X)偏转到下板(20)上的振动边界区域(RB1)上期间，以减小的功率(P1)焊接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法用于在搭接接头上形成角焊缝(40)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率调制(200A)包括：在激光束(L)偏转到上板(10)上的振动边界区域(RB2)上期间，以减小的功率(P2)焊接。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述振动运动(100A)是谐波振动，并且进行功率调制(200A)，使得激光束(L)的功率在下板(20)上的第一减小的功率(P1)和上板(10)上的振动边界区域(RB2)中的第二减小的功率(P2)以及最大焊接功率(PMAX)之间阶跃地变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，下板(20)上的第一减小的功率(P1)是最大焊接功率(PMAX)的25％至10％，并且上板(10)上的振动边界区域(RB2)中的第二减小的功率(P2)是最大焊接功率(PMAX)的60％至90％。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，下板(20)上的第一减小的功率(P1)是最大焊接功率(PMAX)的20％至10％。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，上板(10)上的振动边界区域(RB2)中的第二减小的功率(P2)是最大焊接功率(PMAX)的65％至75％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动运动(300)还超前于焊接速度(V)进行，并且还进行如下功率调制(400)，使得最小功率(P3)至少存在于振动运动(300)的超前换向点处并且最大焊接功率(PMAX)至少存在于振动运动(300)的后方换向点处。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法用于在搭接接头上形成I形焊缝。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述振动运动(300)是谐波振动并且将功率连续地调制。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述振动运动(300)将功率正弦地调制。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，超前的振动运动(300)的换向点处的最小功率(P3)减小至最大焊接功率(PMAX)的30％至10％。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，超前的振动运动(300)的换向点处的最小功率(P3)减小至最大焊接功率(PMAX)的20％至10％。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述焊接速度(V)保持恒定。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法用于焊接镀锌钢板。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法的应用，该方法应用于无焊接填料地焊接镀锌钢板。