CN109789512B - 用于将第一和第二工件区段激光焊接的方法和激光加工机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助激光射束(21)将第一和第二工件区段(61，62)激光焊接的方法，激光射束借助激光加工头(7)沿着在工件区段(60，61)之间构成的接合缝隙(60)被引导，激光射束(21)借助加工光具(66)聚焦，焊料(73)借助供应装置(69)对准所述接合缝隙(60)，其中，检测待焊接的工件区段(61，62)的接合缝隙(60)的至少一个缝隙宽度，分析评估沿着接合缝隙(60)的走向所检测到的缝隙宽度并将其与至少一个第一缝隙尺寸和第二缝隙尺寸比较，其中，第一缝隙尺寸包括以下缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下在没有焊料(73)的情况下构成焊缝(81)，并且第二缝隙尺寸包括以下缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下，为了填充接合缝隙(60)而供应用于构成焊缝(81)的焊料(73)，在所检测到的缝隙宽度在第一缝隙尺寸内的情况下，在激光焊接期间，将焊料(73)至所述接合缝隙(60)的供应停止并且调设到激光射束(21)的具有点焦点或环形焦点(43，46)的射束轮廓，而在所检测到的缝隙宽度在第二缝隙尺寸内的情况下，驱控焊料(73)至所述接合缝隙(60)的供应并且调设到所述激光射束(21)的具有环形焦点(46)的射束轮廓。

Description

用于将第一和第二工件区段激光焊接的方法和激光加工机
技术领域
本发明涉及一种用借助激光射束将第一和第二工件区段激光焊接的方法，以及用于执行该方法的激光加工机。
背景技术
从JP 09-108 869 A1中已知一种激光加工机，在该激光加工机中设有可自由旋转的激光加工头，该激光加工头将激光射束指向到待焊接的工件区段之间的接合缝隙上。在具有聚焦光具的激光加工头的壳体上有用于钎丝或焊丝的供应装置，所述供应装置可围绕激光加工头自由旋转地布置在激光加工头上。在激光焊接期间，将供应装置相对于激光加工头旋转地驱动，使得焊丝的供应定向成在激光射束前面。
通过FR 2 823 688 A1提出一种用于激光焊接的设备。通过聚焦光具将激光射束扩宽成环，然后通过透镜聚焦到一个点，该点在接合缝隙中出现。在聚焦的激光射束内，设有呈喷嘴形式的供应装置，以便将可焊接的材料垂直于工件平面地供应到接合缝隙。
由DE 94 01 081 U1已知一种用于接收激光加工头和焊丝供应装置的定位装置。该定位装置相对于待焊接的工件区段的表面以45°的角度接收激光加工头。在激光加工头和待加工工件区段的表面之间设有供应装置，以便在待焊接的工件区段的接合缝隙中产生焊缝。
由DE 10 2013 008 085 B4已知一种用于借助加工射束将工件接合的方法和装置，在该方法中，借助加工头将加工射束在供应焊料的情况下沿着待加工的工件之间的接合焊道引导。在接合期间，求取出加工头和工件之间的当前相对速度。根据当前的相对速度控制加工射束的功率。每单位时间的焊料供应量根据当前相对速度和连接缝的当前缝宽度来调节。
DE 44 01 597 A1公开了一种具有射束模式控制的激光加工设备。为了加工工件，以激光输出值的变化为参照基于每个模式的聚焦特性的变化和射束的焦点的运动量的变化调设到最佳适配的激光射束模式。
由DE 197 24 986 C2已知一种用于焊接工件的方法和用于实施该方法的装置。在预先测试中，求取出辐射信号的极限值，在缝隙宽度为零的情况下为了维持具有规定的最低品质的焊接而不允许超过或低于该极限值。在实际焊接过程中，确定出焊接点处的缝隙宽度，并且基于校正关系将缝隙的最大和最小宽度的边界值与预先测试中求取出的极限值进行比较，其中，当前极限值被移动相应于在焊接点处的当前缝隙宽度的数值。
由DE 10 2010 003 750 A1已知一种用于改变激光射束的射束轮廓特性的方法。为了改变耦离的激光射束的射束轮廓特性，使用多包层光纤。根据激光射束的耦入，可以驱控到完整的圆形轮廓，该完整的圆形轮廓例如用于激光切割过程。此外，可以产生环形轮廓，该环形轮廓例如用于激光焊接过程。此外，可以获得宽的完整射束轮廓，其也可以用于激光焊接。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于借助激光射束将第一和第二工件区段激光焊接的方法和激光加工机，通过其使得能根据用于焊接第一和第二工件区段的参数实现在待产生的焊缝的品质方面的进一步改善。
该任务通过借助激光射束将第一和第二工件区段激光焊接的方法解决，在该方法中，检测在第一和第二工件区段之间构成的接合缝隙的至少一个缝隙宽度，沿着接合缝隙的走向将所检测到的缝隙宽度进行分析评估并且与至少一个第一和第二缝隙尺寸比较，其中，第一缝隙尺寸包括缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下在没有焊料的情况下构成焊缝，而第二缝隙宽度包括缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下供应用于构成焊缝的焊料，并且，在所检测到的缝隙宽度处于第一缝隙尺寸内的情况下，在激光焊接期间将焊料至接合缝隙的供应停止并且调设到激光射束的具有点焦点或环形焦点的射束轮廓，或，在所检测到的缝隙宽度处于第二缝隙尺寸内的情况下，驱控(开启)焊料至接合缝隙的供应并且调设到激光射束的具有环形焦点的射束轮廓。由此，根据接合缝隙的缝隙宽度特别是沿着接合缝隙走向实现激光焊接的优化，其方式：一方面接通或切断焊料，以及另一方面驱控激光射束的射束轮廓的相应适配。因此，通过所述方法能够实现有容忍性的激光焊接，这意味着即使在沿着接合缝隙的尺寸发生变化的情况下也可以获得一致的焊接品质。
根据所述方法的优选实施方式，以光学装置检测接合缝隙，其中，优选，在示教模式期间执行对接合缝隙的缝隙宽度和其走向的检测。由此可使得能实现过程时间优化。替代地，可以在引入焊缝之前的即刻通过传感器系统检测接合缝隙，其中，该传感器系统优选地集成在激光加工头中的光具中，该光具相对于激光射束同轴地或离轴地提前检测接合缝隙。接合缝隙的所检测到的实际几何情况通过光学装置或传感器系统检测出并且传输给控制装置，通过其在比较所存放的用于选出第一和第二缝隙尺寸的参数之后执行相应的驱控，用于供应或切断焊料和用于构成激光射束的射束轮廓。
优选地，至少待焊接的工件区段的第一缝隙尺寸所用的焊接参数基于材料厚度来选择。对此的选择标准可以是待焊接的工件的小于缝隙尺寸的材料厚度。除了材料厚度之外，还可以在选择中将接合几何形状和/或待焊接工件的材料纳入考虑。
优选地，如果第一缝隙尺寸等于或小于待焊接的工件区段的材料厚度的15％、特别优选等于或小于待焊接的工件区段的材料厚度的10％，则优选至少基于待焊接的工件区段的材料厚度来选择第一缝隙尺寸。这尤其适用于材料厚度为3mm或更小的工件。在这种情况下特别适合不供应焊料的激光焊接。根据接合缝隙的实际宽度，补充地还能为激光射束的射束轮廓选择和驱控到点焦点或环形焦点。
此外，优选地，第二缝隙尺寸大于第一缝隙尺寸并且第二缝隙尺寸包括接合缝隙的处于第一缝隙尺寸之外的所有宽度。由此，可以实现第一和第二缝隙尺寸之间以及用于激光焊接的相应调节参数之间的简单区分。
所述方法的优选实施方式设置，焊料相对于激光射束的射束轴线沿焊接方向在前地供应给接合缝隙。这具有的优点是，在焊料熔化之后，焊接部位或者说熔池还完整地被激光射束经过并且在此附加地引入热量，从而提高了焊缝的品质。因此，附加的热量引入主要在焊缝方向上指向，由此几乎不构成附加的构件扭曲或在最理想的情况下不构成附加的构件扭曲。
根据所述方法的第一实施方式，所述焊料可以是焊丝，其通过焊丝供应装置供应。焊丝的材料和/或厚度适配于由待焊接的工件区段得出的其他参数，例如工件区段的材料、厚度和/或接合几何形状。替代地，可以使用粉末作为焊料，所述粉末通过喷嘴供应。所述一个喷嘴或多个喷嘴可以布置在激光射束旁边或与激光射束同轴。替代地，也可以使用同轴的环形缝隙喷嘴。
此外，优选地，通过激光射束的具有环形焦点的射束轮廓构成环形射束面，所述环形射束面覆盖接合缝隙，其中，通过射束面内边缘限界出无射束的内部区域，该内部区域优选地基本上对应于接合缝隙的宽度或者比接合缝隙的宽度更宽，并且，环形射束面的射束面外边缘覆盖待焊接的工件区段的两个边缘。这种适配一方面使得焊料在接合缝隙中能够可靠地熔化，另一方面使得能实现工件区段的接合几何形状的熔接，以便获得高品质的焊接连接。
优选地，在激光射束的环形射束轮廓的以下射束面区段中供应焊料，该射束面区段通过环形射束面的沿前进方向在前并覆盖接合缝隙的区域构成。这具有以下优点：焊料可以快速熔接并且更深地引入到接合缝隙中，并且使远离接合缝隙的边缘区域逐渐变热。由此，在焊缝中构成均匀的组织。
优选地，在环形焦点的在后的、覆盖接合缝隙的射束面区段中，将于在前的面区段中构成的熔化物或者说熔池补充加热。由此，将相对于周围材料的温度梯度减小，从而降低冷却速度。这可能对热裂纹的出现产生积极影响。
所述方法的另一有利构型设置，具有环形射束轮廓的激光射束的覆盖接合缝隙的射束区段的宽度通过射束焦点在待连接的工件区段的平面上方或下方的距离调设。由此，可以以简单的方式调设射到接合缝隙和相邻的接合缝隙上的射束面区段的宽度。
替代地，所述射束轮廓可通过2合1光纤、3合1光纤、n合1光纤或锥透镜构成。这些实施方式具有的优点是，在加工头中不需要附加的运动部件并且附加地可以实现非常高的激光强度。
所述方法的另一优选实施方式设置，焊料通过供应装置供应到接合缝隙，并且供应装置在供应轴线中对准接合缝隙，优选地垂直地对准接合缝隙，并且激光射束从壳体耦入到布置在该壳体上的运动装置中并且转移到运动装置的射束轴线中，其中，运动装置的射束轴线对应于接合缝隙的走向沿焊接方向围绕供应轴线旋转地被驱动，并且在运动装置的旋转运动期间，射束轴线与接合缝隙中的焊料相交。这具有以下优点：对于并非仅具有笔直走向的接合缝隙，仅需要以简单的方式加工该接合缝隙。可借助激光加工头的优选连续的移动运动加工接合缝隙的任意线走向。
本发明的目的还通过一种激光加工机来解决，该激光加工机具有激光源和射束引导装置，在该激光加工机的情况下借助激光加工头将激光射束指向到接合缝隙上，并且设有供应装置，该供应装置位于在供应轴线中并且将焊料在供应轴线中供应给接合缝隙，并且在壳体上设有运动装置，通过该运动装置，将在壳体中沿着主轴线引导的激光射束在接合缝隙上方偏转并且转移到运动装置中的射束轴线中，该射束轴线相对于供应轴线或主轴线成一角度定向并且与接合缝隙相交，并且运动装置围绕供应轴线或主轴线旋转地设置在壳体上。由此，构成固定在激光加工头上的供应轴线，该供应轴线提高了焊料的供应精度。此外，通过射束轴线的与加工头的直线运动或移动运动无关的定向可以使得能精确地适配于接合缝隙的实际走向，以构成焊缝。射束轴线对准接合缝隙的走向。
优选地，供应轴线位于主轴线中。由此，简化了激光加工头的结构。替代地，供应轴线也可以平行于主轴线定向。
优选地，激光射束的准直光具的主轴线垂直于接合缝隙定向。由此，可以在激光加工头的构造以及在借助于单轴或多轴线性轴系统的驱控方面提供简单的几何比例。
所述激光加工机的优选实施方式设置，运动装置的射束轴线能在至少±90°、特别是至少135°的角度中围绕主轴线旋转地支承在所述壳体上。
激光加工机的运动装置优选地具有至少一个偏转镜、具有特别是构造为聚焦透镜的加工光具并且优选具有布置在射束射出侧的保护玻璃。由此，可以以简单的方式将激光射束从主轴线耦离并传导到可对准接合缝隙的射束轴线中。优选地，所述运动装置借助于旋转支承件布置在激光加工头的壳体上，所述壳体包括准直光具。
所述激光加工机的另一优选构型设置：供应装置具有固定地布置在激光加工头的壳体上的保持件，用于将供应喷嘴地点固定地接收在主轴线中。运动装置优选地可围绕该主轴线旋转。因此得到可以基于精确构成焊缝而实现的特定情形。替代地，保持件也可以设置在运动装置上，该运动装置可以围绕主轴线旋转地支承在壳体上。
此外，在壳体上优选设有用于供应材料的输送装置。在焊丝构造为焊料的情况下，设有焊丝供应喷嘴，焊丝居中地穿过该焊丝供应喷嘴，借助构造为焊丝输送器的焊丝输送装置控制并且优选地通过控制装置驱控地供应所述焊丝。替代地，也可以将粉末作为焊料供应。供应喷嘴优选地位于主轴线中。
所述激光加工机的另一构型在供应装置的保持件上设置线激光器，所述线激光器的激光射束优选指向到所述接合缝隙上。该附加的线激光器可与合适的传感器一起用于激光线三角测量。由此，尤其可以确定距离信息，以及缝隙位置和缝隙宽度。
所述激光加工机的另一有利构型在运动装置上设置线喷嘴(一字形喷嘴)用于供应保护气体，该线喷嘴优选地可在高度方面进行调设。该线喷嘴有利地设置在供应装置后面，由此获得冷却的熔融物的更好覆盖，并且在焊缝上焊瘤上的氧化较少，由此可以获得改善的焊缝品质。
为了产生激光射束的环形或点状的射束轮廓，可以设有2合1光纤，3合1光纤或锥透镜或具有多个同轴环形光纤的N合1光纤。所使用的光纤的优点是：通过省去如在锥透镜情况下所要求的那样的附加的光学机械部件，使得光具的位置要求较小并且没有附加的干扰轮廓。
附图说明
本发明以及本发明的另外的有利实施方式和扩展方案在后面根据在附图中示出的示例详细描述和解释。在说明书和附图中可得到的特征可以根据本发明单独应用或者在多个特征的情况下以任意组合应用。这里显示：
图1是机床的立体图，
图2是激光加工设施的立体图，
图3是耦合到一个2合1光纤中用于产生点焦点的激光射束的示意图，
图4是耦合到一个2合1光纤中用于产生环形焦点的激光射束的示意图，
图5是图2中的激光加工机的激光加工头的示意性剖视图，
图6是图5的激光加工头的替代实施方式的示意性剖视图，
图7是图6的激光加工头的替代实施方式的示意性剖视图，
图8是用于构成两个工件区段之间的焊缝的焊接过程的示意性侧视图，
图9是根据图8的方法步骤的俯视示意图，
图10和11是图8的方法的替代实施方式的示意性侧视图，
图12是接合缝隙的弯曲走向的俯视示意图，在该接合缝隙中示出多个焊接位置，和
图13是在N合1光纤的情况下折射率走向的示意图。
具体实施方式
在图1中示出机床1，其具有作为用于加工工件的基础机器的激光加工设施3。机床1的操作通过操作台5进行，例如通过建立和调设NC程序进行，所述NC程序确定出匹配于工件及其加工的特定工作流程。例如布置在机床1后侧的未示出的开关柜具有相应的机器控制装置作为机床控制装置的一部分，开关柜还具有驱动器的供电装置以及逻辑和功率部件。
激光加工设施3的在图1中未明确示出的激光器具用于产生激光辐射并且可以例如基于固体激光器，例如碟片激光器、或光纤激光器、或气体激光器，如CO2激光器。从激光器具至工件的射束引导可以通过激光光缆和/或镜(反射镜)进行。用于激光器具的冷却总成9用于冷却光学部件、例如偏转镜或准直镜和用于冷却开关柜。保护舱11用于将向外的激光辐射屏蔽。在图1中，为了看到里面去而未示出保护舱11的顶盖。
机床1的其他部件例如包括用于保持待加工工件和用于容易地取出已加工工件的旋转变换器13、用于从内腔吸除烟气和悬浮微粒的紧凑型除尘器15、废料输送器17和未明确示出的用于气动机构、用于切割和焊接气体供应以及用于中央润滑的集成元件。此外，光栅栏19可以限界出相对于旋转变换器13的外部准入区域。
由机器控制装置控制的工作流程可实现在激光加工机的不同部件的共同作用下以预先确定的方式对工件进行加工。
图2示意性地示出了在保护舱11的内腔中的激光加工设施3的结构。保护舱11围绕运动单元25，该运动单元具有与功能相关的构件，例如X、Y和Z滑座26，27，28和旋转铰接部29，30，用于使射束引导部件和介质供应部件相对于工件24运动。波纹管34，35，36相应地盖住管线和机械部件并且例如沿着X和Y滑座26，27的引导装置延伸。
射束引导部件例如包括激光光缆22、准直光具51和加工光具66，用于将激光射束21传导和聚焦到工件24上。至少加工光具66通常设置在加工头7中，该加工头可以基本上自由地定位和定向，并且激光射束21从该加工头射出。优选地，准直光具51也设置在加工头7中。特别地，加工头7可以在由X，Y和Z滑座26，27，28以及旋转铰接部29，30确定的区域中占据可调设到的任一位置和取向。X，Y和Z滑座26，27，28以及旋转铰接部29，30配有驱动单元，所述驱动单元允许执行加工头7相对于工件24的相对运动。由此得出一个工作空间，该工作空间包括可通过所射出的被相应聚焦的激光射束21加工的所有点。
介质供应部件例如是用于焊料和/或保护或过程气体的供应装置69，以及一个或多个供应喷嘴71，所述供应喷嘴例如固定在加工头7上。
在根据图2的实施例中，工件24基于夹紧技术而地点固定地支承在工件支承设备23上，使得加工在这里只能从上方进行。在替代的实施方式中，工件24同样可以在空间中运动或者仅工件24可以在空间中运动。图2示意性地示出了工件支承设备23，其具有用于支承待加工工件24的工件承放件。通常，属于工件支承设备23的还有另外的元件，例如用于夹紧工件24的夹紧件以及用于识别构件的传感器。另外的元件例如是用于确认负载的外部按钮或向用户发信号通知构件识别的状态灯。用于附接这些元件的电接口和气动接口例如可以位于开关柜中、位于操作台5上或位于旋转变换器13上。
激光加工设施3适合于切割地、焊接地或加热地加工平坦板材以及三维可变成形的工件，如改型板材。替代于所示的实施方式，例如具有6轴屈曲臂机器人的机器也能够执行这些任务。
图2示出一个三维构件24，在其上例如将作为两个部件的边缘之间的角结合的接合缝隙60焊接地接合在一起。
对于射束引导装置22，可例如根据图3使用2合1光纤37，来自激光源12的激光射束21耦合到所述光纤中。由此可改变激光射束21的射束特性。在2合1光纤37的情况下设置：内芯38和外环轮廓39例如通过具有较低折射率的中间层40分开。在激光射束21如图3所示在中心耦入的情况下，激光射束21可以例如通过耦合透镜41聚焦，使得激光射束21耦合到内芯38中。在2合1光纤37的相对置的端部处，激光射束31的射束轮廓具有点焦点43，其包括完整实施的圆形轮廓。由此可以获得具有清晰焦点的高射束品质。
在图4中示出激光射束21的示意图，其中，所述激光射束被耦合到2合1光纤37的外环轮廓39中。这例如以下述方式进行：楔形板44使激光射束21稍微偏离轴线并通过耦合透镜41聚焦，使得激光射束21耦合到外环轮廓39中。由此得出激光射束21的具有环形焦点46的射束轮廓，该环形焦点包括环形的射束面84。留空的内部区域47由射束面内边缘89限界并且基本上通过2合1光纤37的内芯38的直径确定。
2合1光纤37的使用仅是示例性的。替代地，也可以设置3合1光纤，即具有附加的另一环形轮廓的光纤。类似地，替代于阶跃折射率光纤，可以使用梯度折射率光纤。
在图5中示出激光加工头7的示意性剖视图。激光射束21通过射束引导装置22耦合到激光加工头7的壳体16中。准直光具51可以将激光射束21的所供应的射束轮廓适配于加工条件。准直光具51优选地位于激光加工头7的主轴线56中。
在激光加工头7的壳体16上设有运动装置55，其优选地能以可绕主轴线56旋转的方式布置。优选地，设有旋转支承件57，以便以可围绕主轴线旋转的方式接收运动装置55。运动装置55包括光学元件，借助于该光学元件，将激光射束21从激光加工头7由主轴线56耦离并转移到射束轴线59中。该射束轴线59指向到接合缝隙60上，该接合缝隙由待相互焊接的两个工件区段61，62构成。射束轴线59相对于主轴线以5°至45°的角度倾斜。特别优选的是从7°至15°的角度，因为在此可以确保良好地耦入到材料中并且可以避免往回反射到激光光具中。
旋转支承件57优选也可以设有离合装置，以便能够接收不同地构型的运动装置55。由此，用于其他加工任务、如激光切割或表面处理的光具也可以可旋转地固定在壳体16上。
运动装置55包括第一和至少一个另外的偏转镜63，64，以及包括将激光射束21聚焦的加工光具66，并且优选地包括保护玻璃67，通过该保护玻璃保护加工光具66免受污染。激光射束21的焦点83可以通过加工光具66和/或准直光具51调设，所述焦点83能够位于工件区段61，62的接合缝隙60的上方、在表面高度处或在其下方，就像在后面还根据图6和8解释的那样。
通过借助运动装置55使激光射束21沿径向从侧面耦离，可以将供应装置69设置在主轴线56中。优选地，该供应装置69包括供应喷嘴71，其优选地通过固定地布置在壳体16上的保持件72定位在主轴线56中。可以供应焊料73用于焊接过程。在根据图5的实施例中，焊料73构造为焊丝，该焊丝居中地穿过供应喷嘴71。此外，在激光加工头7的壳体16上设有输送装置74，在当前示例的情况下，输送装置74构造为焊丝输送器。该输送装置74与机器控制装置31和/或激光控制装置32连接，并通过它们受驱控。
通过将供应喷嘴71定位在主轴线56中，将焊料73优选地垂直于工件区段61，62的表面或者说垂直于接合缝隙60地供应。
在保持件72上可以附加地还设有线激光器75或另外的光学系统。所述光学系统的定向使得其指向到焊接部位上。焊接部位通过激光射束21与接合缝隙60的相遇而限定。
此外，在激光加工头7中或其上设有光学传感器系统54，以便检测焊接部位或者说接合缝隙60和/或投射到工件上的线激光78。通过耦离元件53可将耦离的射束供应给传感器系统54，例如摄像机、特别是CCD摄像机，摄像机将由此获得的信号传导给控制装置31，32。
此外，在运动装置55上可设有喷嘴，尤其是线喷嘴76，保护气体通过该线喷嘴76朝构件61，62的方向射出到焊缝。由此为刚完成的焊缝上焊瘤在冷却阶段中屏蔽来自大气的氧气。附加地，保护气体的一部分优选在激光焊接期间沿激光加工头7的移动运动77的方向流动，以便也已经为加工部位屏蔽大气。替代地，保护气体供应装置也可以安装到保持件72上，以便使得能实现更好的可触及性，为此，也可以使用与线喷嘴不同的喷嘴形式。
在图6中示出根据图5的激光加工头7的替代实施方式的示意性剖视图。根据图6的该实施方式与根据图5的实施方式的不同之处在于，保持件72'布置在运动装置55上而不是布置在壳体16上。除此之外，该实施方式对应于根据图5的激光加工头7，从而可完全参照其。激光加工头7的在图6中示出的实施方式具有的优点是，运动装置55可以围绕供应轴线70、特别是主轴线56旋转整个360°。运动装置55围绕供应轴线70、特别是主轴线56的完整旋转是可能的。此外，该实施方式具有的优点在于，通过线激光器75的协同旋转，由线激光器75产生的垂直于接合缝隙60定向的线在旋转运动期间保留在该定向中。这简化了通过传感器对接合缝隙60上所示情况的分析评估，从而可以提高过程可靠性。
在图7中示出激光加工头7的替代图6的实施方式的示意性侧视图。该实施方式与图6所示的实施方式的不同之处在于，供应装置69的供应轴线70平行于壳体16的主轴线56或者说平行于准直光具51定向。保持件72'偏心地布置在运动装置55上。替代地，布置在运动装置55上的保持件72'使供应喷嘴71与供应轴线70相对于准直光具的主轴线56平行错开。除此之外，与图6或者说图5的实施方案类似。
两个工件区段61，62的激光焊接由机器控制装置31和/或激光控制装置32控制。优选地，工件区段61，62以这样的方式相对于彼此定位，使得接合缝隙60的宽度近似等于零。然而这由于加工公差或另外的要求而大多不能充分实现。因此，接合缝隙60具有不同的宽度。通过激光加工头7的前述布置、在构成焊缝81之前检测接合缝隙60以及将激光射束的射束特性从环形焦点46改变成点焦点43和反过来，可以借助在后面根据图8至图11所描述的焊接方法直接执行对变化的情况的适配并获得焊接连接的高品质。
在焊接由待焊接的工件区段61，62构成的接合缝隙60之前，可以通过示教(Teach-in)方法检测接合缝隙的走向和/或宽度。为此，可以使用在前地布置在激光加工头7上的线激光器25并且通过传感器机构检测，该传感器机构安装在机器中、加工设施上、激光加工头7中或其上。在图5中，该传感器机构由传感器系统54构成。替代地，也可以仅仅设置传感器系统54。传感器系统有利地布置在激光加工头7中，使得通过加工光具66也可以检测针对接合缝隙60所需的过程数据。后面的用于激光焊接的方法既适用于前述示教模式也适用于在直接紧接着在接合缝隙60中构成焊缝81的情况下光学识别接合缝隙60。
如果识别出接合缝隙60的第一缝隙尺寸——该第一缝隙尺寸例如小于待焊接的工件区段61，62的材料厚度，则这样驱控激光射束21到射束引导装置22中的耦入，使得激光射束具有的射束轮廓具有点焦点43。同时，关闭用于焊料73的供应装置69。然后将激光加工头7沿着接合缝隙60的走向移动并且构成焊缝81，以便闭合接合缝隙60。如果在焊接过程之前没有示教模式，则在激光焊接期间通过传感器系统54至少监控并查询接合缝隙60的缝隙宽度。
如果接合缝隙60的缝隙宽度改变，使得检测到的缝隙宽度大于第一缝隙尺寸，则借助于机器控制装置31和/或激光控制装置32改变焊接参数。驱控供应装置69，以便供应焊料。此外，将激光射束21的射束特性从点焦点43变为环形焦点46。还可以适配其他参数，例如激光强度。
在以激光射束21的环形射束轮廓焊接工件区段62，63的情况下，焊料73布置在激光射束21前面。环形焦点46优选地调设为使得焦点83例如位于工件区段61，62的工件平面上(图8)。由此构成环形射束面84，该环形射束面例如具有没有射束的内部区域47，该内部区域基本上对应于接合缝隙60的宽度，如图9所示。射束面外边缘85延伸到工件区段61，62的边缘区域中，该边缘区域沿着接合缝隙60延伸。由此得到在前的射束面区段86，该射束面区段覆盖接合区段60。此外得出射束面区段87，该射束面区段相对于射束面区段86在后。在接合缝隙60的左边和右边是覆盖的射束面88，该射束面88影响接合几何形状或者说影响工件区段61，62的边缘轮廓。
焊料73的供应以这样的方式进行：在前的射束面区段86与焊料73相交，或者说焊料73这样供应给接合缝隙60，使得焊料位于射束面区段86内。由此，在该区域中，焊料73以及工件区段61，62的边缘轮廓熔化并且构成焊缝81。通过在后的射束面区段87将于在前的面区段中构成的熔池补充加热。由此，可以降低冷却速度，从而实现焊缝81的品质的提高。
指向到接合缝隙60上的激光射束21和焊料73的在图10中的示意图与图8和9中所描述的实施方式的区别在于：环形焦点46的焦点83位于工件区段61，62上方。由此，得出与根据图8或9的实施方式类似的情况。区别在于：在射束轴线59和主轴线56相同定向的情况下如果焦点83在工件平面上方，则可获得与焦点83的位置在工件区段61，62的工件平面上的情况相比以接合缝隙60为参照较长的在前射束面区段86。这特别是在进给速度低的情况下可以有利于将焊料73以小的激光功率加载并从而将熔化速度适配于同样低的供应速度。
在图11中，环形焦点46调设成使得焦点83位于工件区段61，62的工件平面下方。与图8和9中的情况的区别在于：在射束轴线59和主轴线56相同定向的情况下如果焦点83在工件平面下方，则可获得与焦点83的位置在工件区段61，62的工件平面上的情况相比以接合缝隙60为参考较长的在后射束面区段87。因而在相同的进给速度下，熔池被补充加热较长的时间。另外，在图11中可以看出，由激光射束特性引起地，在焦点位置在工件区段61，62的工件平面下方的情况下，焊料73必须穿过激光射束21走过较大的距离直至工件区段61的工件平面，由此也可以获得较高的供应速度，在该供应速度的情况下焊料73仍然被完全熔化。因此，位于工件区段61，62的工件平面下方的焦点位置特别适合于高进给速度或需要大量焊料的情况，例如在厚的部件或相对大的缝隙的情况下。
在图12中示出了例如在工件区段61，62之间的具有不同宽度的接合缝隙60的走向。同时，该接合缝隙60不是笔直延伸，而是遵循轮廓线。
为了进一步讨论该方法，例如示出了四个焊接位置91至94，其在下面描述。在焊接位置91中给出了如图8和9中所述的情况。接合缝隙60的宽度大于第一缝隙尺寸，使得方法参数根据第二缝隙尺寸来驱控。在激光加工头7在根据箭头95的焊接方向上进行移动运动的情况下，接合缝隙60的宽度减小。在焊接位置92中，已通过光学系统54，75识别出：接合缝隙60的宽度位于第一缝隙尺寸的范围内。于是就调设焊料73的供应并且将环形焦点46改变成点焦点43。
通过设置成相对于壳体16旋转的运动装置55，在从焊接部位91至焊接部位92的移动运动期间，可以简单地通过运动装置55的旋转运动将环形焦点46适配于接合缝隙60的走向。对于驱控激光加工头7适用的是：主轴线56在接合缝隙60中延伸。
从焊接部位92直至焊接部位93，接合缝隙60的宽度例如具有第一缝隙尺寸。接着接合缝隙60又变宽，从而从焊接部位93出发直至焊接部位94又产生如在焊接部位91和92之间的条件，以借助焊缝将变宽的接合缝隙60连接。
在图13中以俯视图和示意性剖视图示出N合1光纤(或也可能是多重同轴光纤)97(在本情况下是4合1光纤)。通过这种N合1光纤97，可在环形焦点46的多个直径方面调设激光射束21的射束特性。根据所选的环n＝1，2，3...，激光射束21耦入到该环中，可以为环形焦点46获得环形射束面84的不同直径。

Claims (27)

1.一种用于借助激光射束(21)将第一工件区段和第二工件区段(61，62)激光焊接的方法，所述激光射束借助激光加工头(7)沿着在工件区段(61，62)之间构成的接合缝隙(60)引导，并且在所述方法中，将所述激光射束(21)借助加工光具(66)聚焦，并且在所述方法中，将焊料(73)借助供应装置(69)对准所述接合缝隙(60)，其中，
-检测待焊接的工件区段(61，62)的接合缝隙(60)的至少一个缝隙宽度，
-沿着所述接合缝隙(60)的走向来分析评估所检测到的缝隙宽度并将所检测到的缝隙宽度与至少一个第一缝隙尺寸和第二缝隙尺寸比较，其中所述第一缝隙尺寸包括以下缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下在没有焊料(73)的情况下构成焊缝(81)，并且所述第二缝隙尺寸包括以下缝隙宽度，在该缝隙宽度的情况下，为了填充所述接合缝隙(60)而供应用于构成焊缝(81)的焊料(73)，
-在所检测到的缝隙宽度处于第一缝隙尺寸内的情况下，在激光焊接期间，将焊料(73)至所述接合缝隙(60)的供应停止并且调设到激光射束(21)具有点焦点或环形焦点的射束轮廓，
其特征在于，
-在所检测到的缝隙宽度处于第二缝隙尺寸内的情况下，驱控焊料(73)至所述接合缝隙(60)的供应并且调设到所述激光射束(21)具有环形焦点(46)的射束轮廓，
通过所述激光射束(21)的具有环形焦点(46)的射束轮廓构成环形射束面(84)，该环形射束面覆盖所述接合缝隙(60)，其中，通过射束面内边缘(89)限界出没有射束的内部区域(47)，该内部区域构造成基本上对应于所述接合缝隙(60)的宽度或比所述接合缝隙的宽度宽，并且，所述环形射束面(84)的射束面外边缘(85)覆盖待焊接的工件区段(61，62)的两个边缘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合缝隙(60)在用于检测所述接合缝隙(60)的走向的示教模式期间或直接在所述焊缝(81)的引入之前通过传感器系统(54)相对于所述激光射束(21)同轴地或提前被检测。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少从待焊接的工件区段(61，62)的材料厚度出发来选择所述第一缝隙尺寸并且所述第一缝隙尺寸小于待焊接的工件区段(61，62)的材料厚度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一缝隙尺寸等于或小于待焊接的工件区段(61，62)的材料厚度的15％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二缝隙尺寸大于所述第一缝隙尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，焊料(73)相对于所述激光射束(21)的射束轴线(59)沿焊接方向在前地被供应给所述接合缝隙(60)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用焊丝作为焊料(73)，所述焊丝通过焊丝供应装置供应，或者，使用粉末作为焊料(73)，所述粉末通过至少一个喷嘴供应至所述激光射束(21)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粉末在所述至少一个喷嘴中与所述激光射束(21)同轴地供应。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光射束(21)的环形射束面(84)的射束面区段(86)中供应焊料(73)，所述射束面区段通过所述环形射束面(84)的沿前进方向在前的、覆盖所述接合缝隙(60)的区域构成。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述环形射束面(84)的在后的、覆盖所述接合缝隙(60)的射束面区段(87)中将于在前的射束面区段(86)中构成的熔池补充加热。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光射束(21)的环形射束面(84)的覆盖所述接合缝隙(60)的射束面区段(88)的宽度通过焦点(83)在待连接的工件区段(61，62)的平面的上方或下方的距离调设。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光射束(21)的具有环形焦点(46)的射束轮廓通过2合1光纤、3合1光纤、锥透镜或N合1光纤(97)构成，其中，N大于3。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
-借助供应装置(69)将焊料(73)供应到所述接合缝隙(60)，并且所述供应装置(69)在供应轴线(70)中对准所述接合缝隙(60)，
-将所述激光射束(21)从所述激光加工头(7)的壳体(16)耦入到布置在所述壳体(16)上的运动装置(55)中并转移到所述运动装置(55)的射束轴线(59)中，
-所述运动装置(55)的射束轴线(59)相应于所述接合缝隙(60)的走向沿焊接方向围绕所述焊料(73)的供应轴线(70)旋转地被驱动，并且，在所述运动装置(55)的该旋转运动期间，所述射束轴线(59)与焊料(73)在接合缝隙(60)中相交。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述供应装置(69)在供应轴线(70)中垂直地对准所述接合缝隙(60)。
15.一种激光加工机，其具有激光源(12)和射束引导装置(22)，所述射束引导装置在所述激光源(12)和加工头(7)之间延伸，在该加工头中设有加工光具(66)，其中，通过激光加工头(7)将激光射束(21)指向到在待焊接的第一工件区段和第二工件区段(61，62)之间构成的接合缝隙(60)上，并且，所述激光加工机还具有供应装置(69)，所述供应装置将焊料(73)供应给所述接合缝隙(60)，其中，
-所述供应装置(69)具有供应喷嘴(71)，该供应喷嘴位于供应轴线(70)中并将焊料(73)供应给所述接合缝隙(60)，
-设有光学装置，用于检测所述接合缝隙(60)，
-所述加工头(7)包括运动装置(55)，通过该运动装置，将沿主轴线(56)引导的激光射束(21)在所述接合缝隙(60)上方偏转并转移到在所述运动装置(55)中的射束轴线(59)中，该射束轴线与所述主轴线(56)或与所述供应轴线(70)或与这两者成一角度地定向并且与所述接合缝隙(60)相交，其特征在于，
-所述运动装置(55)设置成绕所述主轴线(56)或供应轴线(70)旋转，
-设有机器控制装置(31)和激光控制装置(32)，
-在所检测到的缝隙宽度处于第一缝隙尺寸内的情况下，所述机器控制装置(31)将焊料(73)的供应装置(69)停止并且所述激光控制装置(32)驱控到所述激光射束(21)具有点焦点或环形焦点的射束轮廓，和
-在所检测到的缝隙宽度处于第二缝隙尺寸内的情况下，所述机器控制装置(31)驱控所述供应装置(69)用于供应焊料(73)并且所述激光控制装置(32)驱控到所述激光射束(21)具有环形焦点的射束轮廓，通过所述激光射束(21)的具有环形焦点(46)的射束轮廓构成环形射束面(84)，该环形射束面覆盖所述接合缝隙(60)，其中，通过射束面内边缘(89)限界出没有射束的内部区域(47)，该内部区域构造成基本上对应于所述接合缝隙(60)的宽度或比所述接合缝隙的宽度宽，并且，所述环形射束面(84)的射束面外边缘(85)覆盖待焊接的工件区段(61，62)的两个边缘。
16.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述供应装置(69)的供应轴线(70)平行于主轴线(56)延伸，或，所述供应装置(69)的供应轴线(70)位于所述主轴线(56)中。
17.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述主轴线(56)构造成垂直于所述接合缝隙(60)。
18.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述运动装置(55)以能借助旋转支承件(57)在至少+/-90°的角度中绕主轴线(56)旋转的方式受支承。
19.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述运动装置(55)具有至少一个偏转镜(63，64)、加工光具(66)。
20.根据权利要求19所述的激光加工机，其特征在于，所述运动装置(55)具有布置在射束射出侧的保护玻璃(67)。
21.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述供应装置(69)具有固定地布置在壳体(16)或所述运动装置(55)上的保持件(72，72')，用于将所述供应喷嘴(71)地点固定地接收在所述主轴线(56)中。
22.根据权利要求21所述的激光加工机，其特征在于，在所述壳体(16)上接收固定地布置在该壳体上的输送装置(74)。
23.根据权利要求22所述的激光加工机，其特征在于，在所述供应装置(69)的保持件(72，72')上布置有线激光器(75)，该线激光器的激光射束(78)指向到所述接合缝隙(60)上。
24.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，在所述运动装置(55)上设有线喷嘴(76)用于供应保护气体，所述线喷嘴能在相对于所述运动装置(55)的高度方面进行调设。
25.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，为了产生所述激光射束(21)的具有环形焦点(46)的射束轮廓，设有2合1光纤(37)、3合1光纤或具有多个同轴环形光纤的N合1光纤(97)，其中N大于3。
26.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，为了检测所述接合缝隙设有传感器系统(54)。
27.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，所述机器控制装置(31)沿着所述接合缝隙(60)的走向将所检测到的缝隙宽度与所存储的第一缝隙尺寸和第二缝隙尺寸进行比较并分析评估。
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