CN117444388A - 具有等离子体保护的激光焊接系统 - Google Patents

Abstract

用于将第一工件接合到第二工件的激光焊接系统包括：激光焊接器，其被配置为以一功率发射激光束，以在焊接位置形成接合第一工件和第二工件的焊缝。激光焊接系统包括耦接到至少第一工件的表面的等离子体保护夹具。等离子体保护夹具限定有被配置为接收激光束的开口。开口具有围绕焊缝并与焊缝间隔开的外缘。等离子体保护夹具具有绕开口的外缘在至少第一工件的表面上方的高度，所述高度基于激光束的功率而限定。

Description

具有等离子体保护的激光焊接系统

技术领域

技术领域总体上涉及激光焊接，并且更具体地涉及具有等离子体保护以确保合适的焊透深度的激光焊接系统。

背景技术

在激光焊接中，采用高密度光源来熔化待接合零件的材料。待接合零件基本上被相互接触地放置，并且通过激光焊接机引导激光束照射在零件上，以将零件熔合在一起。在激光束与零件相交的点处，形成了将正在接合的零件的材料混合在一起的熔化材料的池。在某些情况下，在激光焊接期间可能形成熔化材料和金属蒸汽二者。金属蒸汽例如可能在激光束进入零件以形成锁孔的点处，使熔池中的熔化材料的区域移位。此外，在焊接过程期间，金属蒸汽可能凝结成羽流形式的小颗粒。羽流可能干扰激光束，而且小颗粒也可能聚集成较大尺寸的颗粒，这也可能使激光束衰减。一般来说，期望去除羽流以确保激光束不受影响。然而，在锁孔上方可以形成热的焊接等离子体，这有助于保存锁孔的热能。去除锁孔上方的焊接等离子体可能导致锁孔开口的稳定性降低、焊透深度降低或形成的焊缝不一致。

因此，期望提供具有等离子体保护的激光焊接系统，其使得能够在提供改善的焊透深度和焊缝一致性的同时去除羽流。此外，结合附图和前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和所附的权利要求，本发明的其他期望的特征和特性将变得明显。

发明内容

根据各种实施例，提供了一种用于将第一工件接合到第二工件的激光焊接系统。所述激光焊接系统包括：激光焊接器，其被配置为以一功率发射激光束，以在焊接位置形成接合所述第一工件和所述第二工件的焊缝。所述激光焊接系统包括耦接到至少所述第一工件的表面的等离子体保护夹具。所述等离子体保护夹具限定有被配置为接收所述激光束的开口。所述开口具有围绕所述焊缝并与所述焊缝间隔开的外缘。所述等离子体保护夹具具有绕所述开口的所述外缘在至少所述第一工件的所述表面上方的高度，所述高度基于所述激光束的所述功率而限定。

所述高度为3毫米至5毫米，并且所述激光束的所述功率大于3千瓦。所述高度为5毫米至10毫米，并且所述激光束的所述功率小于3千瓦。所述激光焊接系统包括：辅助气体系统，其被配置为在至少所述第一工件的所述表面上方引导气体的流动，并且所述等离子体保护夹具的所述高度被配置为抑制所述气体的流动在所述焊接位置处扰动焊接等离子体。所述等离子体保护夹具限定有在所述等离子体保护夹具上从第一夹具侧到第二夹具侧间隔开的多个所述开口。所述焊接位置是所述第一工件的第一表面。所述第一工件利用重叠接头接合到所述第二工件。所述开口为矩形，并且所述焊缝为沿焊接路径形成的线性针脚焊缝。所述线性针脚焊缝在所述开口中居中，并且所述辅助气体系统被配置为在平行于所述焊接路径的方向上引导所述气体的流动，使得所述气体的流动跟随所述焊接路径。所述焊接位置是所述第一工件的第一表面，并且所述第一工件利用重叠接头接合到所述第二工件。所述开口为矩形。所述焊缝为至少一个点焊缝，并且所述至少一个点焊缝定位在所述开口内。所述等离子体保护夹具包括被配置为对至少所述第一工件施加压力的耦接系统。所述等离子体保护夹具限定有夹具孔，并且所述耦接系统包括被配置为穿过所述夹具孔而被容纳以对至少所述第一工件施加压力的机械紧固件。所述机械紧固件为转动螺钉或弹簧销。所述激光焊接器能够在锁孔焊接模式和传导焊接模式下操作，并且绕所述开口的所述外缘在至少所述第一工件的所述表面上方的所述高度基于所述锁孔焊接模式或所述传导焊接模式而限定。所述焊接位置为所述第一工件的靠近所述第一工件的第一端的所述表面、以及所述第二工件的靠近所述第二工件的第二端的第二表面，并且所述第一工件利用对接接头接合到所述第二工件。所述焊接位置是所述第一工件的第一表面，并且所述第一工件利用重叠接头接合到所述第二工件。所述等离子体保护夹具包括至少一个手柄。

还提供了一种用于将第一工件接合到第二工件的激光焊接系统。所述激光焊接系统包括：激光焊接器，其被配置为以一功率发射激光束，以沿焊接路径形成接合所述第一工件和所述第二工件的焊缝。所述激光焊接器能够在焊接模式下操作，并且所述焊接模式包括锁孔焊接模式和传导焊接模式。所述激光焊接系统包括：辅助气体系统，其被配置为在平行于所述焊接路径的方向上，在至少所述第一工件的表面上方引导气体的流动，使得所述气体的流动跟随所述焊接路径。所述激光焊接系统包括限定有夹具孔和耦接系统的等离子体保护夹具，所述耦接系统包括被配置为穿过所述夹具孔而被容纳并被配置为对至少所述第一工件的所述表面施加压力的机械紧固件。所述等离子体保护夹具限定有被配置为接收所述激光束的开口，并且所述耦接系统绕所述开口的外缘而限定。所述开口的所述外缘围绕所述焊接路径并与所述焊接路径间隔开，所述焊接路径限定在所述开口内。所述等离子体保护夹具具有绕所述开口的所述外缘在至少所述第一工件的所述表面上方的高度，所述高度基于所述焊接模式而限定，并且所述等离子体保护夹具的所述高度被配置为抑制所述气体的流动沿所述焊接路径扰动焊接等离子体。

所述高度为3毫米至5毫米，并且所述焊接模式为所述锁孔焊接模式。所述高度为5毫米至10毫米，并且所述焊接模式为所述传导焊接模式。所述等离子体保护夹具限定有在所述等离子体保护夹具上从第一夹具侧到第二夹具侧间隔开的多个所述开口。所述开口为矩形，并且所述焊接路径为线性以形成针脚焊缝。所述机械紧固件为转动螺钉、弹簧销或弹簧偏置销。

附图说明

在下文中将结合以下附图描述示例性实施例，其中相同的数字表示相同的元件，并且其中：

图1是根据各种实施例的激光焊接系统的示意性部分截面图，该激光焊接系统包括用于等离子体保护的示例性等离子体保护夹具，其中，在沿图3的线1-1截取的截面中示出了等离子体保护夹具、第一工件和第二工件；

图2是沿图3的线2-2截取的、图1的激光焊接系统的示意性部分截面图，其中为了清晰起见，去除了激光焊接系统的激光焊接机；

图3是图1的等离子体保护夹具、第一工件和第二工件的示意性透视图，其中为了清晰起见，去除了激光焊接系统的激光焊接机；

图4是用于利用图1的激光焊接机进行激光焊接的另一个示例性等离子体保护夹具、第一工件和第二工件的示意性透视图，其中为了清晰起见，去除了激光焊接机；

图5是用于利用图1的激光焊接机进行激光焊接的另一个示例性等离子体保护夹具、第一工件和第二工件的示意性透视图，其中为了清晰起见，去除了激光焊接机；并且

图6是在示例性焊接位置使用的等离子体保护夹具的示意性透视图，该示例性焊接位置限定在用于利用图1的激光焊接机进行激光焊接的第一工件与第二工件之间，其中为了清晰起见，去除了激光焊接机。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅是示例性的，而且并不旨在限制应用和使用。此外，并不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示理论的约束。另外，本领域技术人员将理解，可以结合任意数量的系统来实践本公开的实施例，并且在本文中描述的系统仅是本公开的示例性实施例。

为简洁起见，在本文中可以不对与信号处理、数据传输、信令、控制、机器学习模型和系统(以及系统的各个操作部件)的其他功能方面相关的常规技术进行详细描述。此外，在本文中包含的各种图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示例功能关系和/或物理耦接。应当注意，在本公开的实施例中可以存在许多替代的或附加的功能关系或物理连接。如本文中所使用的，术语“基本上”表示在10％以内，以考虑到制造公差，并且术语“大约”表示在10％以内，以考虑到制造公差。

参照图1，示出了激光焊接系统100。在一个示例中，激光焊接系统100包括激光焊接器或激光焊接机102、等离子体保护夹具104、第一工件106和第二工件108。应当注意，虽然在本文中将等离子体保护夹具104描述为与激光焊接系统100一起使用，但是等离子体保护夹具104可以与任何合适的焊接系统一起使用。在一个示例中，激光焊接机102包括光源109、反射器110、光学器件112、电源114和控制器116。控制器116包括处理器和存储用于激光焊接机102的操作的可执行指令的存储器。光源109由电源114和控制器116供电和控制，以生成进入谐振腔118的光。该光被反射器110扩大和反射，通过光学元件112以作为聚焦于第一工件106处的一个点的会聚的激光束120而出现。激光焊接机102被配置为在焊接位置应用激光束120，以形成将第一工件106接合到第二工件108的焊缝。一般来说，激光焊接机102可由控制器116控制，以在焊接位置产生预定类型的焊缝，包括但不限于点焊缝、针脚焊缝或订钉焊缝。在图1所示的针脚焊缝的示例中，激光焊接机102被控制为沿预定的线性焊接路径P移动光束穿过第一工件106，该焊接路径P由等离子体保护夹具104保护。激光焊接机102也被控制器116控制在锁孔焊接模式或传导焊接模式下操作。一般来说，在传导焊接模式下，激光束120的功率是低的或小于锁孔焊接模式下激光束120的功率，使得在传导焊接模式下不会形成锁孔。在由钢组成的第一工件106和第二工件108的示例中，在锁孔焊接模式下，激光焊接机102输出的激光束120的功率大于3千瓦(kw)。在由钢组成的第一工件106和第二工件108的示例中，在传导焊接模式下，激光焊接机102输出的激光束120的功率小于3千瓦(kw)。因此，激光焊接机102在锁孔焊接模式下以第一功率(大于3千瓦(kw))输出激光束120，或在传导焊接模式下以第二功率(小于3千瓦(kw))输出激光束120。在该示例中，激光焊接机102的激光功率密度大于100,000瓦/平方厘米(W/cm²)。应当注意，图1中的激光焊接机102的图示只是示例性的，因为光源109可以被配置为立在地板上的独立设备，其中，光纤将激光束120从光源109输送到光学器件112，以进行激光焊接。

在一个示例中，采用锁孔焊接模式来形成焊缝，以沿由焊接路径P限定的直线接合第一工件106和第二工件108。激光束120指向第一工件106。一般来说，光学元件112与第一工件106的表面122间隔开，使得激光束120穿过在光学元件112与第一工件106之间限定的空气空间。第一工件106和第二工件108被激光焊接机102沿焊接路径P接合。沿焊接路径P引导激光束120，从而形成锁孔126和熔池124。在该示例中，当激光束120沿线性焊接路径P行进时，锁孔126和熔池124展开。激光束120可以在横向和进线方向上振荡或不振荡的情况下沿线性焊接路径P行进。被激光束120直接击中的第一工件106的表面122变热并可能蒸发。当金属蒸汽离开表面122时，金属蒸汽生成将熔池124的自由表面向下推的反冲压力，以形成被称为锁孔126的深而窄的空腔，锁孔126穿透熔融材料并充满焊接等离子体125，其为电离金属蒸汽。焊接等离子体125也存在于锁孔126上方和锁孔126周围的区域中。在锁孔126上方存在热的焊接等离子体125有助于保存锁孔126的区域中的热量，这有利于激光焊接过程的稳定性。在表面122上方，金属蒸汽和颗粒从熔池124和锁孔126中流出，以形成羽流130，羽流130在焊接等离子体125的区域上方并且更加远离热的熔池124和锁孔126。羽流130比焊接等离子体125更冷，并且羽流130具有至少或大于80纳米(nm)的颗粒，这可能会干扰到达第一工件106的激光束120。羽流130中的颗粒也可能衰减、散射或抑制激光束120。因此，到达表面122的激光能量可能会减少并出现波动，并且可能无法将锁孔126维持在稳定状态，这增加了飞溅物和过程不稳定性，并可能导致焊透深度降低。除了通过羽流130抑制激光束120之外，羽流130中包含的飞溅物还可能污染或损坏激光焊接机102的光学器件112，这是不期望的。

在一个示例中，激光焊接系统100包括辅助气体系统(secondary gas system)140(图2)。辅助气体系统140在与第一工件106的表面122平行的方向上引导气体F(诸如空气或其他惰性气体)的层流。在一个示例中，气体F的流动与激光束120沿焊接路径P的移动平行。换句话说，辅助气体系统140在与焊接路径P基本平行的方向上引导气体F的层流，使得气体F的流动跟随焊接路径P或与焊接路径P逆向流动。在图1的示例中，焊接路径P是线性的，并延伸到页面中，因此，当气体F跟随焊接路径P时，辅助气体系统140将气体F引导到页面中，或在气体F与焊接路径P逆向流动的示例中将气体F引导到页面外。

参照图2，在该示例中，辅助气体系统140是鼓风机或风扇，其在与第一工件106的表面122平行的方向上以大约5米/秒(m/s)至大约20米/秒(m/s)输出气体F的流动。辅助气体系统140基本上沿焊接路径P的方向引导气体F的层流。一般来说，气体F的流动由辅助气体系统140输出，使得气体F在垂直或Y方向上在第一工件106的表面122上方贯穿气体高度142。在一个示例中，气体高度142是大约90毫米(mm)至大约110毫米(mm)。一般来说，气体高度142是预定的，以使气体F的流动能够将在工件106、108的激光焊接期间生成的羽流130吹离朝向表面122的激光束120的路径。通过在焊接路径P的方向上并沿气体高度142将气体F的流动引向激光束120，在工件106、108的激光焊接期间，显著减少了焊接羽流130对激光束120的阻挡。因此，减少羽流130对激光束120的干扰，导致朝向表面122的激光能量一致，并且由激光束120形成的焊缝也更加一致。在一个示例中，辅助气体系统140与第一工件106间隔开预定的距离D，然而，一般来说，辅助气体系统140可以定位在使得辅助气体系统140能够以预定的速度提供跟随焊接路径P或与焊接路径P逆向流动的气体F的任何位置。

由于辅助气体系统140在没有等离子体保护夹具104的情况下在气体高度142处沿第一工件106的表面122引导气体F，因此气体F将沿表面122使热的焊接等离子体125扰动或移位，这可能影响焊透深度144。在这方面，焊透深度144由锁孔126的深度限定。热的焊接等离子体125有助于维持锁孔126周围区域中的热量，这使得能够形成较深的锁孔126。使热的焊接等离子体125从锁孔126周围的区域扰动或移位降低了熔池124的温度，这导致较浅的锁孔126。浅的锁孔126转而会导致较小的焊透深度，并可能导致锁孔126的不稳定性。因此，等离子体保护夹具104围绕焊接路径P，以保护焊接等离子体125免受辅助气体系统140的影响。

在一个示例中，参照图3，示出了与第一工件106的表面122耦接的等离子体保护夹具104的透视图。等离子体保护夹具104由金属或金属合金组成，并且可以是铸造的、锻造的、冲压的、增材制造的等等。在一个示例中，等离子体保护夹具104基本上是矩形的，并且包括与第二夹具端152相对的第一夹具端150、与第二夹具侧156相对的第一夹具侧154、以及与第二夹具面160相对的第一夹具面158。等离子体保护夹具104还限定了至少一个开口162和至少一个可选耦接系统164。第一夹具端150和第二夹具端152各自基本上是光滑和平坦的。在一个示例中，第一夹具侧154包括可握持部分或手柄166。在该示例中，手柄166从第一夹具侧154以基本上L形向上和向外延伸。手柄166包括从第一夹具侧154向外延伸的底座部分168、以及远离底座部分168向外延伸的抓握部分170。手柄166可以与等离子体保护夹具104一体形成，或者可以经由焊接、机械紧固件等与第一夹具侧154耦接。手柄166的底座部分168在第一夹具侧154沿第一夹具面158从第一夹具端150延伸到第二夹具端152，并且抓握部分170使用户能够握持等离子体保护夹具104，以将等离子体保护夹具104定位在第一工件106的表面122上。应当注意，手柄166的L形只是示例性的。此外，应当注意，必要时，等离子体保护夹具104不需要包括手柄166。此外，第二夹具侧156也可以包括向上和向外延伸以与第一夹具侧154的手柄166相对的手柄。第二夹具侧156基本上是光滑和平坦的。第一夹具面158被定位为靠近激光焊接机102(图1)，并且当等离子体保护夹具104与第一工件106耦接以形成重叠接头时，第二夹具面160被定位在第一工件106的表面122上。

在该示例中，等离子体保护夹具104限定了单个开口162。从第一夹具面158到第二夹具面160穿过等离子体保护夹具104来限定开口162。在该示例中，开口162被限定为在第一夹具侧154与第二夹具侧156之间偏移，或者开口162被限定为靠近第二夹具侧156。应当注意，可以在等离子体保护夹具104上的任何预定位置，穿过第一夹具面158和第二夹具面160来限定开口162。在该示例中，开口162为矩形，并且具有一对相对的第一侧172和一对相对的第二侧174。第一侧172和第二侧174可以用圆角或倒角拐角耦接在一起，或者可以用方形或90度拐角耦接在一起。第一侧172的第一长度L1不同于且小于第二侧174中的每一个的第二长度L2。一般来说，侧172、174的长度L1、L2是基于焊缝的尺寸预定的，并且包括焊接路径P两侧的安全包络。因此，第一长度L1和第二长度L2各自被预定以提供焊接路径P两侧的安全包络。例如，第一长度L1为大约5毫米(mm)至大约20毫米(mm)，而第二长度L2为大约10毫米(mm)至大约30毫米(mm)。第一侧172被限定为平行于第一夹具端150和第二夹具端152，而第二侧174被限定为平行于第一夹具侧154和第二夹具侧156。第一侧172和第二侧174协作以限定开口162的外缘176。外缘176围绕焊接位置，在该示例中，焊接位置是第一工件106的、用来形成第一工件106与第二工件108之间的重叠接头的表面122。开口162的外缘176与焊接路径P间隔开，以提供安全包络。因为用户可以在由侧172、174限定的外缘176内使焊接路径P上的焊缝居中，所以开口162的外缘176也可以作为布置焊缝的导件。因此，一般来说，等离子体保护夹具104的开口162限定了焊缝的焊接路径P，其在开口162内居中。应当注意，尽管本文中未示出，但是侧172可以包括标记，以协助用户使沿由开口162限定的焊接路径P的焊缝居中。

开口162的外缘176还具有高度178，在该示例中，高度178沿外缘176或绕外缘176相同。换句话说，第一侧172和第二侧174各自具有高度178。高度178是从第一夹具面158到第二夹具面160测量的，或者是等离子体保护夹具104在第一工件106的表面122上方的高度178。在该示例中，高度178是基于激光束120的功率来限定的。如果激光束120的功率大于3千瓦(kw)，则开口162的外缘176的高度178为大约3毫米(mm)至大约5毫米(mm)。如果激光焊接机102输出的激光束120的功率小于3千瓦(kw)，则开口162的外缘176的高度178为大约5毫米(mm)至大约10毫米(mm)。换句话说，高度178是基于激光焊接机102的焊接模式来限定的。如果激光焊接机102处于锁孔焊接模式，则开口162的外缘176的高度178为大约3毫米(mm)至大约5毫米(mm)。如果激光焊接机102处于传导焊接模式，则开口162的外缘176的高度178为大约5毫米(mm)至大约10毫米(mm)。因此，等离子体保护夹具104在第一工件106的表面122上方的高度178是基于激光束120的功率或基于激光焊接机102的焊接模式。等离子体保护夹具104的开口162的高度178抑制了焊接等离子体125(图2)被来自辅助气体系统140的气体F的流动所扰动，这确保了焊缝一致性和焊透深度144。

在这方面，如果开口162的外缘176的高度178在锁孔焊接模式下小于约3毫米(mm)或在传导焊接模式下小于约5毫米(mm)，则来自辅助气体系统140的气体F的流动将推动焊接等离子体125远离锁孔126周围的区域，这导致不稳定的锁孔126和降低的焊透深度。如果开口162的外缘176的高度178在锁孔焊接模式下大于约5毫米(mm)或在传导焊接模式下大于约10毫米(mm)，则来自辅助气体系统140的气体F的流动将被等离子体保护夹具104阻挡，并且在表面122附近将没有足够的气流将羽流130从焊接等离子体125前面吹走，导致羽流130对激光束120的衰减和焊缝不一致。在该示例中，激光焊接机102(图1)处于锁孔焊接模式，且等离子体保护夹具104的开口162的外缘176的高度178为大约3毫米(mm)至大约5毫米(mm)。

耦接系统164有助于关闭第一工件106与第二工件108之间可能存在的任何间隙。应当注意，耦接系统164可以是可选的。在一个示例中，耦接系统164包括各自相同的多个机械紧固件180。等离子体保护夹具104还包括多个夹具孔186。在该示例中，从第一夹具面158到第二夹具面160穿过等离子体保护夹具104来限定夹具孔186。夹具孔186被限定为定位成与外缘176的拐角相邻、紧挨或接近。因此，一般来说，绕开口162的外缘176限定耦接系统164。在该示例中，等离子体保护夹具104限定了容纳四个机械紧固件180中的相应一个的四个夹具孔186，然而，等离子体保护夹具104可以包括任何数量的夹具孔186和机械紧固件180，包括但不限于与开口162相关联的单个夹具孔186和单个机械紧固件180。

在该示例中，每个机械紧固件180是包括多个螺纹的螺钉。一旦等离子体保护夹具104定位在第一工件106的表面122上，机械紧固件180被转动以关闭第一工件106与第二工件108之间限定的任何间隙(图1)。换句话说，耦接系统164对第一工件106施加压力，将第一工件106推向第二工件108，以确保在形成重叠接头期间第一工件106与第二工件108之间存在接触。因此，耦接系统164有助于消除第一工件106与第二工件108之间存在的间隙。耦接系统164还确保了第一工件106与第二工件108之间的正确定位，并且还抑制或防止热变形。另选地，每个机械紧固件180可以包括弹簧销，弹簧销穿过相应的夹具孔186定位以对第一工件106施加压力，从而关闭第一工件106与第二工件108之间的任何间隙。作为进一步的另选方案，每个机械紧固件180可以包括弹簧偏置销，弹簧偏置销穿过相应的夹具孔186定位以对第一工件106施加压力，从而关闭第一工件106与第二工件108之间的任何间隙。一般来说，耦接系统164可以关闭第一工件106与第二工件108之间存在的任何间隙。通过关闭间隙，由于基本上消除了第一工件106与第二工件108之间可能的开放区域，因此提高了焊接的质量。

一般来说，第一工件106和第二工件108各自由金属或金属合金组成。第一工件106和第二工件108可以由相同的金属或金属合金组成，或者可以由不同的金属或金属合金组成。第一工件106和第二工件108在本文中被示出为平板。然而，应当注意，第一工件106可以包括具有任何期望的形状(诸如矩形、方形等)的部件，只要第一工件106的表面122基本上是平坦的，以便耦接到等离子体保护夹具104即可。第二工件108也可以包括任何期望的形状，因此，本文中示出的第一工件106和第二工件108只是示例。一般来说，第一工件106和第二工件108是汽车部件，然而，第一工件106和第二工件可以包括其他部件。

应当注意，等离子体保护夹具104可以根据要在第一工件106与第二工件108之间形成的焊缝的类型而以各种方式配置。例如，参照图4，示出了等离子体保护夹具300。由于等离子体保护夹具300与图1至图3的等离子体保护夹具104相似，因此相同的附图标记将用来表示相同或基本相同的部件。等离子体保护夹具300用于利用激光焊接机102(图1)将第一工件302激光焊接到第二工件304，以形成第一工件302与第二工件304之间的重叠接头。在该示例中，等离子体保护夹具300用于经由多个针脚焊缝来将第一工件302焊接到第二工件304。

等离子体保护夹具300与第一工件302的表面306耦接。等离子体保护夹具300由金属或金属合金组成，并且可以是铸造的、锻造的、冲压的、增材制造的等等。在一个示例中，等离子体保护夹具300基本上是矩形的，并且包括与第二夹具端312相对的第一夹具端310、与第二夹具侧316相对的第一夹具侧314、以及与第二夹具面320相对的第一夹具面318。等离子体保护夹具300还限定了至少一个开口162和至少一个可选耦接系统322。第一夹具端310和第二夹具端312各自基本上是光滑和平坦的。在一个示例中，第一夹具侧314包括手柄166。在该示例中，第二夹具侧316还包括与手柄166相对的手柄326。手柄326从第二夹具侧316以基本上L形向上和向外延伸。手柄326包括从第二夹具侧316向上延伸的底座部分328、以及从底座部分328向外延伸的抓握部分330。手柄326可以与等离子体保护夹具300一体形成，或者可以经由焊接、机械紧固件等与第二夹具侧316耦接。手柄326的底座部分328在第二夹具侧316沿第一夹具面318从第一夹具端310延伸到第二夹具端312，并且抓握部分330使用户能够握持等离子体保护夹具300，以将等离子体保护夹具300定位在第一工件302的表面306上。应当注意，手柄326的L形只是示例性的。此外，应当注意，必要时，等离子体保护夹具300不需要包括手柄166、326。第一夹具面318被定位为靠近激光焊接机102(图1)，并且当等离子体保护夹具300与第一工件302耦接时，第二夹具面320被定位在第一工件302的表面306上。

在该示例中，等离子体保护夹具300限定了多个开口162，其中，一个开口162与相应的一个焊缝相关联。从第一夹具面318到第二夹具面320穿过等离子体保护夹具300来限定每个开口162。在该示例中，开口162被限定为在第一夹具侧314与第二夹具侧316之间间隔开。应当注意，可以在等离子体保护夹具300上的任何预定位置，穿过第一夹具面318和第二夹具面320来限定开口162，以定位工件302、304的焊缝。因此，应当注意，虽然开口162沿等离子体保护夹具300大约均匀地间隔开，但是开口162可以不均匀地间隔开，布置成集群，或以其他方式按照预定来分组，以在工件302与304之间形成适当的焊缝。第一侧172被限定为平行于第一夹具端310和第二夹具端312，而第二侧174被限定为平行于第一夹具侧314和第二夹具侧316。外缘176围绕焊接位置，在该示例中，焊接位置是第一工件302的、用来形成第一工件302与第二工件304之间的重叠接头的表面306。每个开口162的外缘176与焊接路径P间隔开，以提供安全包络。因为用户可以在由相应开口162限定的外缘176内使焊接路径P上的焊缝居中，所以每个开口162的外缘176也可以作为布置焊缝的导件。

每个开口162的外缘176还具有高度178，在该示例中，高度178沿外缘176相同。换句话说，第一侧172和第二侧174各自具有高度178。高度178是从第一夹具面318到第二夹具面320测量的，或者是等离子体保护夹具300在第一工件302的表面306上方的高度178。如前所述，高度178是基于激光束120的功率或激光焊接机102的焊接模式来限定的。因此，等离子体保护夹具300在第一工件302的表面306上方的高度178是基于激光束120的功率或激光焊接机102的焊接模式。等离子体保护夹具300的开口162的高度178抑制了焊接等离子体125(图2)被来自辅助气体系统140的气体F的流动所扰动。在该示例中，激光焊接机102(图1)处于锁孔焊接模式，并且等离子体保护夹具300的每个开口162的外缘176的高度178为大约3毫米(mm)至大约5毫米(mm)。

耦接系统322有助于关闭第一工件302与第二工件304之间可能存在的任何间隙。应当注意，耦接系统322可以是可选的。在一个示例中，耦接系统322包括多个机械紧固件180。等离子体保护夹具300还包括多个夹具孔186。在该示例中，从第一夹具面318到第二夹具面320穿过等离子体保护夹具300来限定夹具孔186。夹具孔186被限定为定位成与每个开口162的外缘176的拐角相邻、紧挨或接近。在该示例中，等离子体保护夹具300限定了容纳十个机械紧固件180中的相应一个的十个夹具孔186，然而，等离子体保护夹具300可以包括任何数量的夹具孔186和机械紧固件180，包括但不限于与每个开口162相关联的单个夹具孔186和单个机械紧固件180。一般来说，夹具孔186被限定在等离子体保护夹具300上，以位于每个开口162的相应四个拐角处，并且在该示例中，由于开口162的定位，某些机械紧固件180可能与多个开口162相关联。

一旦等离子体保护夹具300耦接到或定位在第一工件302的表面306上，机械紧固件180与夹具孔186同轴对准，并被转动以对第一工件302施加压力，从而关闭第一工件302与第二工件304之间的任何间隙。另选地，每个机械紧固件180可以包括弹簧销，弹簧销穿过相应的夹具孔186定位以对第一工件302施加压力，从而关闭第一工件302与第二工件304之间的任何间隙。作为进一步的另选方案，每个机械紧固件180可以包括弹簧偏置销，弹簧偏置销穿过相应的夹具孔186定位以对第一工件302施加压力，从而关闭第一工件302与第二工件304之间的任何间隙。耦接系统322确保第一工件302与第二工件304之间存在的任何间隙基本上被消除或关闭。通过关闭间隙，由于基本上消除了第一工件302与第二工件304之间可能的开放区域，因此提高了焊接的质量。

第一工件302和第二工件304各自由金属或金属合金组成。第一工件302和第二工件304可以由相同的金属或金属合金组成，或者可以由不同的金属或金属合金组成。第一工件304和第二工件304在本文中被示出为细长形平板。然而，应当注意，第一工件302可以包括具有任何期望的形状(诸如矩形、方形等)的部件，只要第一工件302的表面306基本上是平坦的，以便耦接到等离子体保护夹具300即可。第二工件304也可以包括任何期望的形状，因此，本文中示出的第一工件302和第二工件304只是示例。一般来说，第一工件302和第二工件304是汽车部件，然而，第一工件302和第二工件304包括其他部件。

此外，虽然等离子体保护夹具104的开口162和等离子体保护夹具300的开口162在本文中示出为被配置为容纳沿焊接路径P的单个焊缝，但在其他实施例中，等离子体保护夹具的开口可以容纳一个以上的焊缝，并且等离子体保护夹具可以被成形为对应于待接合工件。例如，参照图5，示出了等离子体保护夹具400。由于等离子体保护夹具400与图1至图3的等离子体保护夹具104相似，因此相同的附图标记将用来表示相同或基本相同的部件。等离子体保护夹具400用于利用激光焊接机102(图1)将第一工件402激光焊接到第二工件404，以形成第一工件402与第二工件404之间的重叠接头。在该示例中，等离子体保护夹具400用于经由多个点焊缝来将第一工件402焊接到第二工件404。

等离子体保护夹具400耦接到第一工件402的表面406。等离子体保护夹具400由金属或金属合金组成，并且可以是铸造的、锻造的、冲压的、增材制造的等等。在一个示例中，等离子体保护夹具400基本上是V形的，并且包括与第二夹具端412相对的第一夹具端410、与第二夹具侧416相对的第一夹具侧414、以及与第二夹具面420相对的第一夹具面418。等离子体保护夹具400还限定了多个开口162中的一个。在该示例中，等离子体保护夹具400不包括耦接系统，然而，等离子体保护夹具400可以包括耦接系统，诸如参照图1至图3讨论的耦接系统164。

等离子体保护夹具400可以延伸到第一夹具端410，延伸距离不同于且小于等离子体保护夹具400延伸到第二夹具端412的距离，使得第一夹具端410与第二夹具端412偏移或不平衡。等离子体保护夹具400可以稍微具有L形。第一夹具端410可以沿第二夹具面420限定凹槽422，以协助将等离子体保护夹具400绕工件402、404耦接。第二夹具端412基本上是光滑和平坦的。第一夹具侧414和第二夹具侧416在第二夹具端412处各自基本上是光滑和平坦的。第二夹具端412处的第一夹具面418被定位为靠近激光焊接机102(图1)，并且当等离子体保护夹具400与第一工件402耦接时，第二夹具端412处的第二夹具面420被定位在第一工件402的表面406上。

在该示例中，等离子体保护夹具400限定了开口162，并且在该示例中，开口162容纳两个焊缝。从第一夹具面418到第二夹具面420穿过等离子体保护夹具400来限定开口162。在该示例中，开口162被限定为靠近第二夹具端412。应当注意，可以在等离子体保护夹具400上的任何预定位置，穿过第一夹具面418和第二夹具面420来限定开口162，以定位工件402、404的焊缝。第一侧172被限定为平行于第一夹具侧414和第二夹具侧416，而第二侧174被限定为平行于第二夹具端412。外缘176围绕焊接位置，在该示例中，焊接位置是第一工件402的、用来形成第一工件402与第二工件404之间的重叠接头的表面406。在该示例中形成在焊接位置的焊缝包括两个点焊缝，这两个点焊缝形成在两个焊点P2处以将第一工件402耦接到第二工件404。外缘176与焊点P2间隔开，以提供安全包络。因为用户可以在由开口162限定的外缘176内使焊点P2居中，所以开口162的外缘176也可以作为布置焊缝的导件。应当注意，另选地，可以在等离子体保护夹具400的开口162中的焊接位置形成单个针脚焊缝。

开口162的外缘176还具有高度178，在该示例中，高度178沿外缘176相同。换句话说，第一侧172和第二侧174各自具有高度178。高度178是从第一夹具面318到第二夹具面320测量的，或者是等离子体保护夹具400在第一工件402的表面406上方的高度178。如前所述，高度178是基于激光束120的功率来限定的，并且等离子体保护夹具400在第一工件402的表面406上方的高度178是基于激光束120的功率。等离子体保护夹具400的开口162的高度178抑制了焊接等离子体125(图2)被来自辅助气体系统140的气体F的流动所扰动。在该示例中，激光焊接机102(图1)处于传导焊接模式，并且等离子体保护夹具400的开口162的外缘176的高度178为大约5毫米(mm)至大约10毫米(mm)。

第一工件402和第二工件404各自由金属或金属合金组成。第一工件402和第二工件404可以由相同的金属或金属合金组成，或者可以由不同的金属或金属合金组成。在该示例中，第一工件402是细长形面板，而第二工件404是安装支架。一般来说，第一工件402和第二工件404是汽车部件，然而，第一工件402和第二工件404包括其他部件。

应当注意，等离子体保护夹具104可用于在第一工件302的表面122以外的焊接位置形成焊缝。例如，参照图6，等离子体保护夹具104被示出为与第一工件500和第二工件502一起使用。在该示例中，等离子体保护夹具104用于将第一工件500激光焊接到第二工件502，以利用激光焊接机102(图1)经由针脚焊缝形成对接接头。在图6的示例中，第一工件500包括与第二工件端506相对的第一工件端504、以及与第二工件面510相对的第一工件面508。第一工件面508和第二工件面510各自从第一工件端504延伸到第二工件端506。第二工件502包括与第四工件端514相对的第三工件端512、以及与第四工件面518相对的第三工件面516。第三工件面516和第四工件面518各自从第三工件端512延伸到第四工件端514。

在该示例中，第二工件端506与第三工件端512抵接或直接相邻，以形成将第一工件500接合到第二工件502的对接接头。因此，图6的示例中的焊接位置是第二工件端506的第一工件面508和第三工件端512的第三工件面516。等离子体保护夹具104定位在第一工件500的靠近第二工件端506的第一工件面508和第二工件502的靠近第三工件端512的第三工件面516上。等离子体保护夹具104的开口162在第二工件端506与第三工件端512之间居中，使得沿相邻的端506、512限定焊接路径P。焊接路径P是线性的，以在焊接位置形成针脚焊缝。在该示例中，耦接系统164可用于施加压力，以防止在激光焊接过程期间第一工件500与第二工件502之间的热变形。

因此，等离子体保护夹具104、300、400保护第一工件106、302、402的表面122、306、406上的焊接等离子体(图2)免受辅助气体系统140(图1和图2)的影响，从而导致焊透深度144(图2)的改善。换句话说，基于激光束120的功率或激光焊接机102的焊接模式而预定义的等离子体保护夹具104、300、400的高度178确保焊接等离子体125(图1)保持在熔池124上，这确保了焊缝沿整个锁孔126的一致形成。通过提供等离子体保护夹具104、300、400以及辅助气体系统140，羽流130不会干扰激光束120，并且气体F不会干扰焊接等离子体125，从而导致一致的焊缝形成和一致的焊透深度144。通过保护焊接等离子体125，熔池124保持是热的，并且使得能够形成较深的锁孔126，从而增大焊透深度144。通过利用辅助气体系统140去除羽流130，羽流130内的颗粒不会干扰激光束120，从而确保激光束120沿焊接路径P的一致性。应当注意，相应的等离子体保护夹具104、300、400上的开口162、662的间距和取向可以是确保相应的工件106、108、302、304、402、404之间的焊缝例如满足预定的强度要求的任何预定的间距和取向。此外，开口162的大小可以基于焊缝的大小来预定。此外，等离子体保护夹具的形状可以在维持绕开口162的外缘176的高度178的同时，符合待接合工件。

应当注意，尽管在图1至图4中将焊接路径P示出为线性，但焊接路径P可以具有适合在开口162内的其他形状。例如，激光焊接机102输出激光束120，以形成具有订钉形状、C形、圆形等的焊缝。此外，激光焊接机102可以输出激光束120，其中，激光束120在振荡或不振荡的情况下沿焊接路径P移动。还应注意，虽然在本文中将等离子体保护夹具104、300描述为用于形成重叠接头或对接接头，但等离子体保护夹具104、300、400可用于形成工件之间的其他类型的接头，包括但不限于搭接接头、角接接头等。此外，等离子体保护夹具400也可用于形成对接接头。

尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现示例性实施例或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其合法等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以在元件的功能和布置中进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于将第一工件接合到第二工件的激光焊接系统，包括：

激光焊接器，其被配置为以一功率发射激光束，以在焊接位置形成接合所述第一工件和所述第二工件的焊缝；以及

等离子体保护夹具，其耦接到至少所述第一工件的表面，所述等离子体保护夹具限定有被配置为接收所述激光束的开口，所述开口具有围绕所述焊缝并与所述焊缝间隔开的外缘，并且所述等离子体保护夹具具有绕所述开口的所述外缘在至少所述第一工件的所述表面上方的高度，所述高度基于所述激光束的所述功率而限定。

2.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述高度为3毫米至5毫米，并且所述激光束的所述功率大于3千瓦。

3.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述高度为5毫米至10毫米，并且所述激光束的所述功率小于3千瓦。

4.根据权利要求1所述的激光焊接系统，还包括辅助气体系统，其被配置为在至少所述第一工件的所述表面上方引导气体的流动，并且所述等离子体保护夹具的所述高度被配置为抑制所述气体的流动在所述焊接位置处扰动焊接等离子体。

5.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述等离子体保护夹具限定有在所述等离子体保护夹具上从第一夹具侧到第二夹具侧间隔开的多个所述开口，并且所述等离子体保护夹具包括至少一个手柄。

6.根据权利要求4所述的激光焊接系统，其中，所述焊接位置是所述第一工件的第一表面，所述第一工件利用重叠接头接合到所述第二工件，所述开口为矩形，所述焊缝为沿焊接路径形成的线性针脚焊缝，所述线性针脚焊缝在所述开口中居中，并且所述辅助气体系统被配置为在平行于所述焊接路径的方向上引导所述气体的流动，使得所述气体的流动跟随所述焊接路径。

7.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述焊接位置是所述第一工件的第一表面，所述第一工件利用重叠接头接合到所述第二工件，所述开口为矩形，所述焊缝为至少一个点焊缝，并且所述至少一个点焊缝定位在所述开口内。

8.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述等离子体保护夹具包括被配置为对至少所述第一工件施加压力的耦接系统，所述等离子体保护夹具限定有夹具孔，所述耦接系统包括被配置为穿过所述夹具孔而被容纳以对至少所述第一工件施加压力的机械紧固件，并且所述机械紧固件为转动螺钉或弹簧销。

9.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述激光焊接器能够在锁孔焊接模式和传导焊接模式下操作，绕所述开口的所述外缘在至少所述第一工件的所述表面上方的所述高度基于所述锁孔焊接模式或所述传导焊接模式而限定，在所述锁孔焊接模式下，所述高度为3毫米至5毫米，而在所述传导焊接模式下，所述高度为5毫米至10毫米。

10.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其中，所述焊接位置为所述第一工件的靠近所述第一工件的第一端的所述表面、以及所述第二工件的靠近所述第二工件的第二端的第二表面，并且所述第一工件利用对接接头接合到所述第二工件。