CN109843498B - 使用在二个维度中重复扫描的能量射束进行焊接的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于建立焊接连结部的方法，该方法包括将能量射束比如激光射束(2)投射到待连结的两个部件(101、102)之间的接口区域(103)上的步骤。将射束(2)投射到接口区域(103)上以在接口区域(103)上产生主光斑，并且射束(2)根据扫描图案在两个维度上重复扫描以在物体上建立有效光斑(21)，有效光斑(21)具有二维能量分布。有效光斑(21)在接口区域(103)上沿着轨迹(104)移位以使第一部件(101)和第二部件(102)的配合部分逐渐熔化，从而形成焊接连结部(105)。有效光斑(21)可以具有不对称的能量分布。

Description

使用在二个维度中重复扫描的能量射束进行焊接的方法和 系统

技术领域

本发明涉及使用能量射束进行焊接，例如，进行激光焊接。

背景技术

本领域中已知的是使用能量射束通常是激光射束实施焊接，以在部件之间建立连结部，例如，以连结物体或部件的两个部分。例如，激光焊接经常被用于连结用于机动车辆应用的部件。激光焊接通常包括使激光射束的投射光斑沿着两个部件之间的接口移位，以使两个部件的一部分熔化，从而在熔化的材料凝固时形成连结部。连结部的质量通常取决于诸如光斑在焊缝方向上移位的速度、光斑的大小和形状、激光射束的功率以及光斑内的功率或能量分布之类的因素。已经开发了用于对焊接质量进行控制的复杂系统，包括基于参数的实时调整例如基于来自传感器或摄像机的反馈的系统。

许多专利文献论述了激光焊接的不同方面。例如：

DE-202014105648-U1论述了关于在两个维度上振荡的激光焊接。该文献涉及根据待连结的工件之间的间隙的高度对包括振荡的参数进行动态调整。

DE-102014107716-B3涉及如何在焊接期间根据条件对激光射束在沿着焊接轨迹的一般运动上叠加的优选的一维振荡进行动态调整。其目的似乎是减少焊接液滴。该方法涉及实时监控。

DE-102013110523-A1公开了两个扫描运动——一者具有较高频率并且一者具有较低频率——如何叠加。可以对频率和振幅进行调整以影响熔池的行为。这两个扫描运动可以被叠加在激光装置与工件之间的一般相对运动上。

DE-102014105941-A1论述了激光焊接，其中，激光射束平行于和/或垂直于焊缝振荡，其中，在焊接期间进行了动态调整；提到了参数比如振幅和频率的修改。提到了一维、二维和三维扫描，包括在两个维度上的电流扫描。该文献尤其论述了直径为焦点直径的0.2倍至3倍的优选振幅、射束功率的振荡或通过准直器在射束的轴向方向上的调整，以及基于空间和时间振荡组合的4D调制。该方法声称可以通过对工艺的不同方面比如焊池的冷却进行更好地控制来防止焊缝中的某些缺陷。

WO-2014/190971-A1公开了将夹层部件焊至固体部件，并且建议通过使射束定形状或通过改变射束功率和/或激光射束的振荡运动的速度来调整能量分布。

DE-102013107228-B3建议对能量分布进行静态和动态调整，从而使动态调整可以基于例如激光射束的振荡而进行。还论述了与振荡同步的射束功率的调整。

WO-2016/118555-A1解释了如何通过能量射束的焊接来形成各种类型的连结部包括重叠连结部和角连结部。据说，角连结部通常是优选的，但是包括其需要高位置精度的缺点。WO-2016/118555-A1论述了在激光射束沿着接口移动时如何通过使激光射束振荡来增加角连结部的宽度，也就是说，其似乎表明使激光射束在与连结部的纵向方向垂直——也就是说，与激光射束行进以形成连结部的大致方向垂直——的方向上振荡；贯穿该文献，该方向将被称为“纵向方向”或“轨迹”的方向。据解释，连结部的所增加的宽度(与将在激光射束在纵向方向上移位而没有任何叠加振荡的情况下形成的连结部的宽度相比)对公差进行了补偿。振荡不一定仅在横向方向(也就是说，与纵向方向垂直的方向)上：例如，WO-2016/118555-A1表明使激光射束在激光头在纵向方向(在WO-2016/118555-A1中称为“沿着接口的侧向地”)上运动期间例如根据“图8”的图案在例如两个方向上振荡。其解释了角连结部的宽度如何取决于激光射束振荡的振幅。WO-2016/118555-A1解释了该方法可以采用沿着接口的不同部分的不同的振荡振幅，并且解释了可以在焊接过程之前或焊接过程期间对提供给激光器的其他参数比如焊接速度、能量或功率水平、脉冲或无脉冲、振荡类型图或图案、振荡图的频率和聚焦或散焦进行设定。

发明内容

尽管WO-2016/118555-A1公开了一种用于改善角焊缝和/或用于简化角焊接所需——其包括对公差进行补偿——的设备的可能有用的工具，但已经发现的是其没有充分利用由当前可用的激光扫描系统提供的可能性。

本发明的第一方面涉及一种用于在至少第一部件与第二部件(通常为两个金属部件，比如车辆部件的两个部分；在一些实施方式中，多于两个部件被连结，例如，焊接连结部可以对应于接口区域而被建立在被布置成面向彼此的三个或更多个部件之间)之间建立焊接连结部的方法，该方法包括将能量射束投射到部件之间的接口区域上(也就是说，投射到部件会合的区域上；接口区域通常包括第一部件的表面的一部分和第二部件的表面的一部分)的步骤。将射束投射到接口区域上以在接口区域上产生主光斑，并且射束根据扫描图案在两个维度上重复扫描以在物体上建立有效光斑，有效光斑具有二维能量分布。有效光斑在接口区域上沿着轨迹移位以使第一部件和第二部件的配合部分逐渐熔化，从而形成焊接连结部，也就是说，以允许通过使熔化的材料冷却而形成焊缝。二维扫描使得能够对二维能量分布进行仔细且精确地设计，从而使得能够使二维能量分布静态地和动态地适应特定条件。

在本发明的一些实施方式中，在有效光斑沿着轨迹的移位的至少一部分期间(比如在超过移位的50％、75％、90％或更多、包括超过移位的100％期间)，二维能量分布相对于下述线是不对称的：

-相对于平行于轨迹延伸穿过有效光斑的任何线(也就是说，相对于所有线，也就是说，相对于每条线)，和/或

-相对于垂直于轨迹延伸穿过有效光斑的任何线(也就是说，相对于所有线)。

也就是说，二维能量分布——也就是说，在扫描图案的一次扫描期间由激光射束施加至接口区域的能量分布——相对于下述各者中的至少一者缺乏反射对称性：i)平行于轨迹延伸穿过接口区域的所有线；和ii)垂直于轨迹延伸穿过接口区域的所有线。

常规地，关于二维扫描的现有技术系统基于反射对称图案，比如WO-2016/118555-A1中提到的“8”图或者可能是圆形图案，并且具有提供对称图案——相对于轨迹和与轨迹垂直的线大致反射地对称——的功率的应用。这似乎是WO-2016/118555-A1中的情况，其中，激光射束振荡的目的是提供增加的焊缝宽度，以对公差进行补偿。由于不对称通常与缺陷——例如，在光学领域中由透镜或镜子中的缺陷引起的缺陷——相关，因此选择对称图案通常可以被认为是最合适的解决方案。

然而，已经发现的是，非对称图案通常可以是优选的，例如对允许适当的加热-冷却弯曲以提高连结部的质量、或对在例如厚度和/或材料(不同的材料可以具有不同的熔点)方面不同的部件进行焊接、或者使有效光斑适于接口区域的弯曲部分和/或轨迹的弯曲部分。

在本发明的一些实施方式中，在有效光斑沿着轨迹的移位的至少一部分期间(比如在超过所述移位的50％、75％、90％或更多、包括超过移位的100％期间)，二维能量分布相对于延伸穿过接口区域中的有效光斑的任何线(也就是说，相对于所有线)是不对称的(也就是说，二维能量分布在移位的该部分期间完全缺乏反射对称性)。

在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得有效光斑中的平均能量密度在轨迹的一侧相比于在轨迹的另一侧显著更高。在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得轨迹的一侧的最大功率水平显著高于轨迹的另一侧的最大功率水平。在这些实施方式中，有效光斑中的二维能量分布至少相对于轨迹缺乏反射对称性。当提到轨迹的“侧”时，轨迹指的是有效光斑的中心在接口区域上所遵循的虚拟线，也就是说，不是实际上被加热的“轨迹”，并且轨迹的宽度与有效光斑的宽度基本上对应。当有效光斑没有明确的“中心”时，轨迹指的是有效光斑的前缘的中央部分所遵循的线。

在本文中，术语“基本上”意味着有意的差异，也就是说，不是由于例如微小的缺陷所导致的差异。通常，“显著更高”意味着高出20％以上，优选地高出50％以上，比如高出100％以上。加以必要的变更同样适于下面描述的实施方式。

在轨迹的不同的侧使用不同的功率水平或能量密度可以适用于例如对由具有不同熔点的不同材料制成的部件或具有不同厚度的部件进行焊接，而且有时，当遵循弯曲或弯折的轨迹时，其中有效光斑的速度在有效光斑的外径向部分处相比于在其内径向部分处更高。

在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得有效光斑中的平均能量密度在有效光斑的前半部中相比于在有效光斑的后半部中显著更高。在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得有效光斑的前半部中的最大功率水平显著高于有效光斑的后半部中的最大功率水平。在这些实施方式中，有效光斑可以具有“热的前部部分”和冷却的后部部分，热的前部部分旨在当有效光斑沿着轨迹向前移动时使温度快速升高并且为熔化做准备，冷却的后部部分的目的基本上在于或主要在于确保足够的冷却弯曲，以提高焊接质量。表述“前半部”和“后半部”是指有效光斑的沿着与轨迹平行的轴线的最大延伸的相应半部。

在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得有效光斑中的平均能量密度在有效光斑的后半部中相比于在有效光斑的前半部中显著更高。在本发明的一些实施方式中，在移位的所述部分期间，二维能量分布使得有效光斑的后半部中的最大功率水平显著高于有效光斑的前半部中的最大功率水平。这些实施方式例如可以适用于在熔化的开始之前提供特定的预热阶段。

在本发明的一些实施方式中，在有效光斑沿着轨迹移位期间对有效光斑的二维能量分布进行动态调整。由此，可以实现使有效光斑适于当前正在加热的接口区域的区域或范围。表述动态调整意在表示调整可以在有效光斑的移位期间动态地进行的事实。可以使用不同的装置来实现这种动态调整，下面提到了其中的一些装置。例如，在本发明的一些实施方式中，扫描系统可以被操作成实现动态调整(例如，通过对电流镜或其他扫描装置的操作进行调整，以修改扫描图案和/或主光斑沿着扫描图案或沿着扫描图案的一个或更多个区段或部分的速度)，和/或射束功率和/或主光斑的尺寸可以被调整。开环或闭环控制可以被用于对动态调整进行控制。动态调整可以影响能量在有效光斑的给定区域内的分布方式，和/或影响有效激光光斑的实际形状，并且因此影响被加热的区域在任何给定时刻的形状(忽略主光斑移动的事实，并且仅考虑有效光斑)。例如，可以在该过程期间对有效光斑的长度和/或宽度进行动态调整。动态调整——也就是说，在有效光斑沿着轨迹的运动期间的调整——可以被用于例如使加热适于沿着轨迹的变化的条件，例如，适于部件在接口区域中的厚度的变化、适于部件之间的间距的变化、或适于部件构型比如存在凹口、通孔、突起、变形、弯曲或弯折表面部分的变化、或者适于轨迹形状的变化；例如，二维能量分布可以优选地被选择成在轨迹的弯曲部分处相比于在轨迹的直线部分处是不同的。

在本发明的一些实施方式中，二维能量分布被动态地调整成使得二维能量分布在有效光斑位于与部件中的一个部件中的凹口、开口、通孔或突起相邻的区域中时相比于在有效光斑相应地位于远离所述凹口、开口、通孔或突起的区域中时是不同的。因此，加热可以适于凹口、开口、通孔或突起的存在，从而提供增强的焊接质量。

在本发明的一些实施方式中，二维能量分布根据两个部件中的至少一个部件在接口区域中的厚度和/或材料的变化而被动态地调整。

在本发明的一些实施方式中，二维能量分布被动态地调整成使得二维能量分布在轨迹的弯曲部分处相比于在轨迹的直线部分处是不同的。这有助于补偿有效光斑的在弯曲部中的不同部分之间移位的变化的速度，并且有助于将有效光斑的形状及其二维能量分布与轨迹——即，与弯曲部的切线——适当地对准。

在本发明的一些实施方式中，下述各者中的至少一者：

-能量射束的功率，

-扫描图案，以及

-主光斑沿着扫描图案的至少一部分移动的速度，

响应于能量射束与接口区域的通过有效光斑被加热的一部分之间的角度的至少一个变化而被调整。

在本发明的一些实施方式中，方法附加地包括材料的添加。也就是说，该方法可选地可以包括添加用于建立连结部——例如，通过激光熔覆建立连结部——的材料。

在本发明的一些实施方式中，能量射束是激光射束。由于诸如合适的扫描系统的成本、可靠性和可用性之类的问题，激光射束通常是优选的。在本发明的一些实施方式中，至少在该过程的一部分期间，激光射束的功率高于1kW，比如高于3kW、高于4kW、高于5kW或高于6kW。

本发明的另一方面涉及一种用于使用能量射束进行焊接的系统，该系统包括：

用于对至少两个部件进行支承使得所述至少两个部件在接口区域中彼此相邻的装置，以及

用于产生能量射束且用于将能量射束投射到接口区域上的装置；

其中，该系统包括用于在至少两个维度上扫描能量射束的扫描器；以及

其中，该系统布置成用于实施以上所描述的方法。

在本发明的许多实施方式中，能量射束是电磁辐射的射束，例如激光射束。有效光斑可以使用例如比如WO-2014/037281-A2或WO-2015/135715-A1——这两个申请通过参引并入本文——中所描述的那些技术之类的技术来创建和调整。尽管这些文献的描述主要集中在曲轴轴颈的激光硬化上，但是已经发现的是，本文中所公开的关于激光射束扫描的原理也可以被应用于部件比如金属部件的焊接，从而允许灵活性、控制和速度方面的改进。其还允许通过允许精心定制的能量分布来改善焊接连结部包括选项比如热的前部部分随后是冷却的后部部分等的质量。

有效光斑相对于接口区域的移位是根据可以包括直线和/或弯曲部分的轨迹和/或一个或更多个平面中的部分来实施的。也就是说，实际/主光斑——也就是说，由射束在任何给定时刻产生的光斑——根据扫描图案扫描以产生有效光斑，并且该有效光斑可以根据轨迹被移位。因此，两种类型的运动被组合或叠加：这两种运动为主光斑根据扫描图案的运动以及有效光斑根据轨迹的运动，轨迹在本发明的一些实施方式中可以是简单的直线。

术语“二维能量分布”是指下述方式：其中，通过能量射束被施加的能量例如在射束沿着扫描图案的一次扫掠期间被分布在有效光斑上。当有效光斑投射到非平面部分或区域——比如弯曲部分或区域，比如具有弯折的部分或区域——上时，术语“二维能量分布”是指能量如何沿着并横跨物体的表面分布，也就是说，术语“二维能量分布”是指在有效光斑投射到物体的表面上时沿着并横跨有效光斑的能量分布。

由于有效光斑可以具有相当大的尺寸，比如说例如，大于主光斑的尺寸(面积)的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，因此本发明允许接口区域的大部分的相对快速的加热。因此，相比于在加热仅通过使主光斑在整个区域上例如遵循正弦曲线或者曲折的图案或直线简单地移位来实施的情况，将接口区域的某个范围在温度和持续时间方面加热到所需的程度可以更快速地完成。使用具有相对大面积的有效光斑允许高的生产率，同时仍允许接口区域的相关部分或多个相关部分被加热相对大量的时间，从而允许例如较少侵蚀性的加热而不损害生产率。同时，并且甚至可能更重要的是，其提供了使有效光斑适于特定条件例如轨迹的形状以及待焊接的部件的形状、尺寸和材料的灵活性和能力。

主光斑的面积可以显著小于有效光斑中的一个有效光斑的面积。例如，在本发明的一些实施方式中，至少在该过程的一部分期间，主光斑的尺寸小于4mm²，比如小于3mm²。可以在该过程期间对主光斑的尺寸进行修改，以使在质量和生产率方面对接口区域的每个特定部分进行热处理方式最优。

另一方面，使用通过根据扫描图案在两个维度中重复扫描主光斑而建立的有效光斑使得可以建立具有所选择的二维能量分布的有效光斑，这基本上独立于所使用的特定光学器件(透镜、镜子等)，并且这可以从不同的角度包括焊接完成的速度(例如，以每分钟厘米数或每小时终止单位数)以及质量进行定制和调整以提供接口区域的增强或优化的加热。例如，热量可以被分配成使得有效光斑的前部部分相比于后部部分具有更高的能量密度，从而提高开始熔化的速度，然而后部部分可以用于将加热保持足够的时间以提供适当的冷却弯曲，从而使有效光斑可以相对于接口区域移位的速度最优，而不会放弃焊缝的质量。此外，二维能量分布可以根据待焊接在一起的部件的特性包括比如厚度、材料、形状等方面而相对于有效光斑的各侧被调整。此外，有效光斑可以根据部件的三维形状被调整，例如，以使加热适于部件在接口区域中的构型。有效光斑的形状和/或二维能量分布可以在任何需要的时刻被调整，从而使过程适于在任何给定时刻待加热的特定部分。在本发明的一些实施方式中，考虑到例如周围区域的除热能力，二维能量分布可以根据部件上的相应的辐射部位而变化。在本发明的一些实施方式中，考虑到连结部的不同部分中的焊接的期望特性，可以改变二维能量分布。

另外，使用通过主光斑在两个维度上的扫描而产生的有效光斑增加了在例如使系统适于要生产的不同物体方面的灵活性。例如，可以减少或消除对所包括的光学器件进行更换或调整的需要。调整可以至少部分地通过仅对控制主光斑的扫描的软件和有效光斑的二维能量分布进行调整而被更频繁地实施。

表述“扫描图案”不意味着在创建有效光斑时主光斑必须始终遵循同一个扫描图案，而是仅意在将主光斑的用于创建有效光斑的运动与在纵向方向上沿着轨迹的运动进行区分，根据该轨迹，有效光斑相对于接口区域被移位或被扫描。

在本发明的许多实施方式中，主光斑根据扫描图案移位的速度或平均值或平均速度显著高于有效光斑沿着轨迹移位的速度。主光斑沿着扫描图案的高速度减小了在主光斑沿着扫描图案的每次扫掠期间有效光斑内的温度波动。

当然，本发明不排除以常规的方式执行焊接过程的与主光斑一起操作的一部分的可能性。在本发明的一些实施方式中，在该过程期间，可以对扫描图案进行修改以减小有效光斑的尺寸直到其对应于主光斑结束为止，反之亦然。

也就是说，没有必要使用有效光斑来实施整个连结部的焊接。然而，至少部分的焊接是使用以上所描述的有效光斑来实施的。

在本发明的一些实施方式中，有效光斑的二维能量分布的调整是通过对射束的功率进行调整比如通过选择性地打开射束和关闭射束来实施的。这包括使射束在其源处中断，以及其他选项比如通过干扰射束路径例如通过快门而使射束中断，以及所述方法的组合。例如，当使用激光器比如光纤激光器时，激光射束可以非常快速地接通和断开，因此可以通过使激光射束打开和关闭同时遵循扫描图案来获得所需的能量分布。因此，所需的二维能量分布可以通过使激光射束在扫描图案的某些部分、线或部分线中打开来实现。例如，可以采用像素化方法，根据该方法，二维能量分布通过激光在扫描图案的不同部分或区段中的打开/关闭的状态来确定。

在本发明的一些实施方式中，有效光斑的二维能量分布的调整是通过对扫描图案进行调整来实施的。

在本发明的一些实施方式中，有效光斑的二维能量分布的调整是通过对主光斑沿着扫描图案的至少一部分移动的速度进行调整来实施的。

也就是说，二维能量分布可以通过例如对射束的功率进行调整——例如，通过在不同的功率状态之间比如打开与关闭之间进行切换——来调整，和/或通过对扫描图案进行调整——例如，添加或省略区段、或修改区段的取向、或完全改变用于另一区段的图案——来调整，和/或通过对射束沿着扫描图案移动比如沿着扫描图案的一个或更多个区段移动的速度进行调整来调整。可以基于诸如用以在射束的功率状态之间进行快速改变的设备的能力之类的情况以及用以对要遵循的图案和/或主光斑沿着扫描图案移动的速度进行修改的扫描器的能力而在用于对二维能量分布进行调整的不同装置之间做出选择。

在本发明的一些实施方式中，在主光斑沿着扫描图案移位期间和/或在有效光斑沿着轨迹移位期间，对射束的焦点进行动态调整。例如，当使用激光射束时，可以在该过程期间对沿着光轴的激光焦点进行动态修改，例如，以在主激光光斑沿着扫描图案移位时和/或在有效激光光斑相对于接口区域移位时改变或保持主激光光斑的尺寸。例如，光学焦点可以适于在主光斑在接口区域上移动时将主光斑的尺寸保持成恒定的(例如，以补偿激光源或扫描器与主激光光斑在接口区域上的位置之间的变化的距离)。

在本发明的一些实施方式中，在主光斑沿着扫描图案的移位期间和/或在有效光斑相对于接口区域的移位期间对主光斑的尺寸进行动态调整，以对二维能量分布和/或有效光斑的尺寸进行修改。

在本发明的一些实施方式中，主光斑沿着扫描图案的平均值或平均速度显著高于有效光斑沿着轨迹移位的平均值或平均速度。例如，主光斑沿着第一扫描图案的平均速度相比于有效光斑沿着轨迹移位的平均速度优选地可以高至少十倍，更优选地高至少100倍。主光斑的高速度减小了在主光斑沿着扫描图案的一次扫掠期间有效光斑内的温度波动。

在本发明的一些实施方式中，射束根据所述扫描图案扫描，使得所述扫描图案通过射束以大于10Hz、25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、150Hz、200Hz或300Hz(即，扫描图案每秒的重复次数)的频率重复。高的重复率可以适于减少或防止在每个扫描周期之间——也就是说，在射束沿着扫描图案的每次扫掠之间——被有效光斑加热的区域中的不期望的温度波动。在本发明的一些实施方式中，扫描图案保持不变，并且在本发明的其他实施方式中，扫描图案在射束沿着扫描图案的一些或全部扫掠之间被修改。

在本发明的一些实施方式中，有效光斑的尺寸(也就是说，面积)——比如有效光斑在该过程期间的平均尺寸或有效光斑在该过程的至少一个时刻期间的尺寸、比如有效光斑在该过程期间的最大尺寸——大于主光斑的尺寸的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍。例如，在本发明的一些实施方式中，尺寸为约3mm²的主光斑可以被用于产生尺寸大于10mm²比如大于50mm²或100mm²或更大的有效光斑。可以在该过程期间对有效光斑的尺寸进行动态修改，但是大的平均尺寸通常可以是优选的以提高生产率，并且大的最大尺寸可以用于在该过程的至少一部分期间提高生产率。

该方法可以在电子控制装置、比如计算机的控制下被实施。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案是包括多条线的多边形扫描图案。例如，第一扫描图案可以是多边形，比如三角形、正方形或矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等。多边形不需要是完美的多边形，例如，构成多边形的线在一些实施方式中可以是或多或少弯曲的，并且多边形的线相交的位置处的边缘可以是圆形的等。在其他实施方式中，扫描图案可以包括曲线，例如，其可以具有“8”或类似的形状。

在本发明的一些实施方式中，扫描图案包括多条线，比如在本发明的一些实施方式中布置成彼此大致平行的多条直线或曲线。在本发明的一些实施方式中，存在两条、三条、四条或更多条这种线。在本发明的一些实施方式中，可以使用比如WO-2014/037281-A2或WO-2015/135715-A1中所描述的扫描图案。

在本发明的一些实施方式中，在有效光斑相对于接口区域的移位期间，响应于能量射束与物体表面的通过有效光斑被加热的一部分之间的角度的至少一个变化而对有效光斑的二维能量分布进行动态调整，例如，使二维能量分布——包括有效光斑的形状和尺寸以及有效光斑内的二维能量分布——适于表面的弯曲和/或弯折，和/或适于角度——表面以该角度相对于扫描器定向——的变化。

在本发明的一些实施方式中，能量射束的功率、扫描图案和主光斑沿着扫描图案的至少一部分移动的速度中的至少一者响应于能量射束与接口区域的通过有效光斑被加热的一部分之间的角度的至少一个变化而被调整。

附图说明

为了完成描述并且为了提供对本发明的更好的理解，提供了一组附图。所述附图形成了说明书的组成部分并且示出了本发明的实施方式，附图不应被解释为是对本发明的范围的限制，而是仅作为本发明如何实施的示例。附图包括下述图：

图1是根据本发明的一个可能的实施方式的系统的示意性立体图。

图2至图6是根据本发明的不同实施方式操作的图1的系统的示意性立体图。

图7是示出了本发明的适于沿着部分地弯曲的轨迹进行焊接的方法的示意性俯视图。

图8A至图8B示意性地示出了根据两种现有技术方法的二维能量分布。

图8C至图8H示意性地示出了根据本发明的不同实施方式的二维能量分布。

图9示出了本发明的包括用于使扫描器相对于接口区域移位的装置的实施方式。

图10A和图10B示意性地示出了在接口区域中沿着具有弯曲部或弯折部的轨迹进行焊接的两个阶段。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的一个可能的实施方式的系统。该系统包括激光设备1和扫描器3，激光设备1用于产生激光射束2，扫描器3包括用于激光射束2在水平(X-Y)平面中的二维扫描的两个镜子或类似物。在本发明的一些实施方式中，用于产生激光射束的设备可以是适用于产生具有相对高的功率储量比如1kW或更高的激光射束的设备。合适的装置的一个示例是IPG Photonics的Ytterbium激光系统模型YLS-6000-CT，其标称功率为6kW。在本发明的一些实施方式中，系统可以包括用于对主光斑的尺寸进行动态调整(例如，以对有效激光光斑21的二维能量分布和/或尺寸进行修改)和/或对激光射束沿着光轴的焦点进行动态调整的装置5。这使得可以在主激光光斑沿着扫描图案移位时和/或在有效激光光斑21相对于接口区域移位时对主激光光斑的尺寸进行控制(比如改变或保持)。例如，光学焦点可以适于在主光斑在接口区域的表面上移动时将主光斑的尺寸保持成恒定的(例如，以补偿扫描器与主激光光斑的在接口区域上的位置之间的变化的距离)。例如，在本发明的一些实施方式中，用于对激光射束的焦点进行动态调整的装置可以包括能够从SCANLAB AG(www.scanlab.de)获得的

聚焦单元。

该系统还包括用于对待焊接在一起的两个金属部件101和102进行保持或支承的装置(图1中未示出)。激光射束2投射到接口区域103上，在接口区域103处，两个部件101和102配合，也就是说，在接口区域103处两个部件101和102的表面面向彼此，使得两个部件可以焊接在一起。这是通过借助于如以上所描述的射束的实际光斑或主光斑的二维扫描而产生有效光斑21来实现的。该有效光斑21沿着由图1中的箭头示意性地示出的轨迹104进行扫掠，以如以上所描述的使两个部件的配合部分熔化。通过凝固，产生了焊缝或连结部105。也就是说，根据本发明的该实施方式，激光射束(以及射束投射在接口区域上的主激光光斑)以相对高的速度沿着扫描图案(示意性地示出为平行于图1中的Y轴延伸的一组线，但是可以使用任何其他合适的扫描图案)进行重复地扫描，从而产生如图1中的方形所示出的有效激光光斑21。这是通过使用扫描器3来实现的。该有效激光光斑21根据例如如图1中示出的与系统的X轴平行的轨迹104移位。

有效激光光斑21沿着轨迹的移位同样可以通过扫描器3来实现，和/或通过扫描器或相关设备例如沿着导轨(图1中未示出)、比如平行于X轴延伸的导轨的移位来实现。有效激光光斑21沿着轨迹的移位也可以通过例如使部件101和102相对于扫描器的位置移位来实现。

如以上所解释的，二维能量分布可以适于待执行的任务的特定条件。而且，可以在有效激光光斑沿着轨迹的移位期间对有效激光光斑及其二维能量分布进行动态调整。

图2示意性地示出了如何使用本发明的方法在具有不同厚度的两个部件之间建立焊接连结部。在这种情况下，二维能量分布可以被设定成相比于较薄的部件向较厚的部件(其中，排热能力可以更大)提供更多的能量。当由具有不同熔点的材料制成的部件待被连结时，加以必要的变更同样适用。

图3示意性地示出了如何使用本方法在两个部件之间建立角连结部(在这种情况下，两个部件具有不同的厚度t₁和t₂)。系统的硬件可以与用于图1和图2的实施方式的硬件相同，但是二维能量分布可以被设定成对于图3中示出的特定条件而言是最佳的。

图4示意性地示出了例如如何使用相同的系统来建立T形连结部。二维能量分布可以被选择成在考虑了两个部件101与102之间的角度α的情况下对于所示出的布置而言也是最佳的。

图5示意性地示出了如何使用本方法来连结两个部件101和102，两个部件101和102中的一个部件具有位于接口区域中的开口102A。在这种情况下，二维能量分布优选地被调整成在有效光斑与开口相邻时相比于在有效光斑远离开口时不同。

图6示意性地示出了两个部件101和102的焊接，两个部件101和102中的一个部件包括第一材料的两个部分101A和101B以及第二材料的另一部分101C，其中，部分101A和101C是平面的，并且部分101B具有圆柱形横截面。此处，二维能量分布的动态调整可以是优选的，以使加热适应于部件101的沿着轨迹的厚度、形状和材料的变化。

图7示意性地示出了具有弯曲的配合部分的两个部件101和102如何沿着包括弯曲部分的轨迹104被焊接在一起。在有效光斑21沿着轨迹的弯曲部分的运动期间，有效光斑的径向内部部分21A处的速度低于径向外部部分21B处的速度。可以对二维能量分布进行动态调整以对这种速度差异进行补偿。此外，二维能量分布的调整可以用于使有效光斑与轨迹的方向-也就是说，基本上与弯曲轨迹在沿着轨迹的每个点处的切线适当地对准。

图8A示出了根据用于使两个部件101和102通过焊接连结的现有技术方法的二维能量分布21。此处，射束仅在接口区域103上投射光斑，并且该光斑沿着轨迹104移动，从而使两个部件的配合表面熔化。

图8B示意性地示出了与文献WO-2016/118555-A1中所论述的内容一致的布置，其中，通过使射束在至少一个或两个维度上振荡来建立有效光斑，这种振荡被叠加到沿着轨迹的基本运动上；因此，该有效光斑比图8A中示出的光斑宽，也就是说，能量分布在接口区域的更宽的部分上，从而提供更宽的焊缝。

图8C和图8D示意性地示出了根据本发明的实施方式二维能量分布如何至少相对于与轨迹104平行的所有线是不对称的。此处，平均功率和最大功率在轨迹的一侧相比于在另一侧显著更高。在这种情况下，相比于第二部件102，更多的功率或能量被施加至第一部件101。例如，在第一部件101在接口区域中比第二部件102厚，或者是具有更高熔点的材料的情况下，这可以是适当的。

图8E示出了二维能量分布，其中，在前部部分处具有较少的功率并且在后部部分处具有较多的功率。这可以适用于在达到熔点之前对部件进行预加热。

图8F示出了替代性布置，其中，最大功率水平设置在前部部分处，这有助于快速达到熔化温度，此后后部部分可以用于提供适当的冷却弯曲。

图8G和图8H示出了其他可能的布置，其中，二维能量分布相对于延伸穿过接口区域中的有效光斑的所有可能的线是不对称的，也就是说，二维能量分布缺乏任何反射对称性。

因此，清楚的是，借助于本发明，可以通过对二维能量分布进行适当地设定并且可选地对二维能量分布进行动态调整来将焊接工艺的参数微调到特定条件(例如，待焊接部件的形状、尺寸和材料)。

图9示意性地示出了根据本发明的一个可能的实施方式焊接头200可以包括扫描器3，扫描器3如何布置成相对于接口区域104在两个部件101与102之间移位以将两个部件101与102焊接在一起。焊接头200通过连杆301连接至致动器300。在本发明的该实施方式中，移位基于并联操纵器的概念。然而，可以使用任何其他合适的焊接头移位装置，比如机器人臂等。在本发明的一些实施方式中，待连结的部件相对于焊接头移位。此外，可以使用这两种方法的组合。在图9中，部件101和102由示意性地示出的支承装置4支承。

图10A和图10B示意性地示出了如何沿着具有弯曲部或弯折部的接口区域——这通常可以是具有金属车辆部件的情况——进行焊接。箭头示意性地示出了能量射束2和有效光斑如何相对于接口区域沿着如以上所解释的轨迹移动，例如，通过扫描器3相对于接口区域103的移位、通过使接口区域相对于扫描器3移位或其组合来移动。当有效光斑达到接口区域的弯折部分处时，能量射束2与接口区域之间的入射角发生变化。为了保持正在进行的加热的特性，可能希望的是对有效光斑的二维能量分布进行调整。图10A和图10B示意性地示出了如何通过例如修改扫描图案来实现这一点，例如，通过减小扫描图案的延伸以增加由射束扫描的与射束垂直的区域中的功率密度来实现这一点。图10A和图10B示意性地示出了如何通过减小由能量射束扫描的区域的延伸——也就是说，从图10A的相对宽的扫描2’减小至图10B的更窄的扫描2”——来修改扫描图案。并且不仅如此：可以对有效光斑内的能量分布进行适当地选择并且使其适于有效光斑的不同部分内的表面的曲率，使得加热以最佳的方式实施。这仅仅是如何对二维能量分布进行调整以适应被加热的表面中的变化以及如何将本发明的教示用于在具有近乎复杂表面的部件之间建立焊接连结部的一个示例，通过对例如扫描图案、能量射束在扫描图案的不同区段期间的功率和/或主光斑沿着扫描图案的不同区段的速度进行调整来调整有效光斑内和/或由能量射束在与射束垂直的平面中扫掠的区域内的二维能量分布。所有这些都可以通过软件来实现，而不需要任何复杂且适应性强的光学器件。

在本文中，术语“包括”及其派生词(比如“包含”等)不应以排除的意义来理解，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述和所限定的内容可以包括其他元件、步骤等的可能性。

另一方面，本发明明显不限于本文中所描述的具体实施方式，而是还包括可以由本领域的任何技术人员考虑的在本发明的如权利要求中限定的一般范围内的任何变化(例如，关于材料、尺寸、部件、构型等的选择)。

Claims (13)

1.一种用于在至少第一部件(101)与第二部件(102)之间建立焊接连结部的方法，所述方法包括将能量射束(2)投射到所述部件之间的接口区域(103)上的步骤，

其中，将所述能量射束(2)投射到所述接口区域(103)上以在所述接口区域(103)上产生主光斑，并且其中，所述能量射束根据扫描图案在两个维度上重复扫描以在物体上建立有效光斑(21)，所述有效光斑(21)具有二维能量分布，

其中，所述有效光斑(21)在所述接口区域(103)上沿着轨迹(104)移位以使所述第一部件(101)和所述第二部件(102)的配合部分逐渐熔化，从而形成所述焊接连结部(105)，

其中，在所述有效光斑(21)沿着所述轨迹(104)的移位期间，所述有效光斑(21)的所述二维能量分布被动态地调整，

其中，在所述有效光斑(21)沿着所述轨迹的移位的至少一部分期间，所述二维能量分布相对于平行于所述轨迹延伸穿过所述有效光斑的任何线是不对称的，

并且其中：

所述二维能量分布被动态地调整成使得所述二维能量分布在所述有效光斑(21)位于与所述部件中的一个部件中的凹口、开口、通孔或突起相邻的区域中时相比于在所述有效光斑(21)相应地位于远离所述凹口、所述开口、所述通孔或所述突起的区域中时是不同的，或者

所述二维能量分布根据所述两个部件中的至少一个部件在所述接口区域(103)中的厚度和/或材料的变化而被动态地调整，或者

所述二维能量分布被动态地调整成使得所述二维能量分布在所述轨迹(104)的弯曲部分处相比于在所述轨迹的直线部分处是不同的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述有效光斑(21)沿着所述轨迹的移位的至少一部分期间，所述二维能量分布还相对于垂直于所述轨迹延伸穿过所述有效光斑的任何线是不对称的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述有效光斑(21)沿着所述轨迹的移位的至少一部分期间，所述二维能量分布相对于延伸穿过所述接口区域中的所述有效光斑的任何线是不对称的。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述有效光斑中的平均能量密度在所述轨迹(104)的一侧相比于在所述轨迹(104)的另一侧更高。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述轨迹(104)的一侧的最大功率水平高于所述轨迹(104)的另一侧的最大功率水平。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述有效光斑中的平均能量密度在所述有效光斑的前半部中相比于在所述有效光斑的后半部中更高。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述有效光斑的前半部中的最大功率水平高于所述有效光斑的后半部中的最大功率水平。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述有效光斑中的平均能量密度在所述有效光斑的后半部中相比于在所述有效光斑的前半部中更高。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述移位的所述部分期间，所述二维能量分布使得所述有效光斑的后半部中的最大功率水平高于所述有效光斑的前半部中的最大功率水平。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，下述各者中的至少一者：

-所述能量射束的功率，

-所述扫描图案，以及

-所述主光斑沿着所述扫描图案的至少一部分移动的速度，

响应于所述能量射束(2)与所述接口区域(103)的通过所述有效光斑(21)被加热的一部分之间的角度的变化而被调整。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法附加地包括材料的添加。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述能量射束(2)是激光射束。

13.一种用于使用能量射束进行焊接的系统，所述系统包括：

用于对至少两个部件(101、102)进行支承使得所述至少两个部件(101、102)在接口区域(103)中彼此相邻的装置(4)，以及

用于产生能量射束(2)且用于将所述能量射束投射到所述接口区域上的装置；

其中，所述系统包括用于在至少两个维度上扫描所述能量射束的扫描器(3)；以及

其中，所述系统布置成用于实施根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。

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