RU2150362C1

RU2150362C1 - Method and apparatus for welding sheets to sheet blank by means of laser

Info

Publication number: RU2150362C1
Application number: RU93004662/02A
Authority: RU
Inventors: Майер Маркус; Урех Вернер; Вюгер Карл (CH/US)
Original assignee: Эльпатроник АГ
Priority date: 1992-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 2000-06-10
Also published as: MX9302078A

Abstract

FIELD: welding, possibly making sheet blanks. SUBSTANCE: method comprises steps of positioning sheets subjected to laser welding in such a way that their end surfaces were adjoined one to another; plastically deforming at least one sheet along butt line in order to reduce butt gap until size necessary for laser welding due to material yielding to side of gap narrowing. It allows to weld sheets cut with significantly lower accuracy. Apparatus includes roller for crushing edges and holding device. EFFECT: enhanced quality of sheet joint welded by simplified technology as it is not necessary to provide precise positioning and high accuracy cutting of sheets, reduced cost of the whole process. 18 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к способу сварки листов с помощью лазера с получением сварной листовой заготовки и устройству для его осуществления. The invention relates to a method for welding sheets using a laser to obtain a welded sheet stock and a device for its implementation.

Известен способ стыковой лазерной сварки листов друг с другом. Листы, соединенные друг с другом, образуют при этом сварную листовую заготовку. При стыковой сварке с помощью лазера возникает проблема, связанная с необходимостью очень точного позиционирования торцевых поверхностей, соединяемых между собой листов с очень малым допустимым между ними зазором. Для получения хорошего качества сварного шва зазор, как правило, должен иметь ширину от 0,05 до 0,08 мм. Это означает, что каждый из обоих листов должен иметь отклонения от прямолинейности не более 0,04 мм. Для длинных сварных швов, что имеет место при получении сварных листовых заготовок, чрезвычайно трудно выдержать такую незначительную ширину зазора вдоль всей позиционированной поверхности свариваемых листов. Хотя и имеются ножницы для точной резки, которые могут осуществлять с необходимой точностью резку на длину, например, 2,5 м. Однако такие ножницы являются очень дорогостоящими. Другие известные способы разделки кромок, например, фрезерованием, шлифованием или лазерной резки требуют значительных затрат времени и являются при этом дорогостоящими. A known method of butt laser welding of sheets with each other. Sheets connected to each other form a welded sheet blank. When butt welding with a laser, there is a problem associated with the need for very accurate positioning of the end surfaces, sheets connected to each other with a very small gap between them. To obtain good quality weld, the gap, as a rule, should have a width of from 0.05 to 0.08 mm This means that each of both sheets must have a deviation from straightness of not more than 0.04 mm. For long welds, as is the case with welded sheet blanks, it is extremely difficult to maintain such a small gap width along the entire positioned surface of the welded sheets. Although there are scissors for precise cutting, which can carry out cutting with the necessary accuracy to a length of, for example, 2.5 m. However, such scissors are very expensive. Other known edge cutting methods, for example, milling, grinding or laser cutting, are time consuming and expensive.

Поэтому в основу изобретения положена задача создать способ сварки посредством лазера, при котором отпадает необходимость в такой точной резке и позиционировании листов или требования к ним значительно снижены и которые являются вследствие этого менее дорогостоящими и выполняются более быстро. Therefore, the basis of the invention is the task of creating a method of welding by laser, which eliminates the need for such precise cutting and positioning of the sheets or the requirements for them are significantly reduced and which are therefore less expensive and faster.

В способе вышеуказанного типа это достигается за счет того, что перед зоной сварки или в зоне сварки пластически деформируют, по меньшей мере, один из листов для того, чтобы уменьшить ширину зазора между листами. In the method of the above type, this is achieved due to the fact that at least one of the sheets is plastically deformed before the welding zone or in the welding zone in order to reduce the width of the gap between the sheets.

С помощью способа согласно изобретению становится возможным осуществить резку листов со значительно меньшей точностью, причем достаточной является точность около 0,15 мм на лист. Таким образом, можно получить зазор максимально около 0,3 мм, который по существу устраняется за счет деформации согласно изобретению одного или обоих листов, т.е. с помощью деформирования получают зазор, не превышающий максимальной ширины 0,08 мм. Using the method according to the invention, it becomes possible to cut the sheets with much less accuracy, and an accuracy of about 0.15 mm per sheet is sufficient. Thus, a gap of at most about 0.3 mm can be obtained, which is essentially eliminated by deformation according to the invention of one or both sheets, i.e. by means of deformation, a gap not exceeding a maximum width of 0.08 mm is obtained.

Далее в основу изобретения положена задача создать устройство для осуществления способа. Это обеспечивается устройством, описанным в пункте 10 формулы изобретения. Further, the basis of the invention is the task of creating a device for implementing the method. This is provided by the device described in paragraph 10 of the claims.

Ниже изобретение поясняется более подробно на основе примеров выполнения, показанных на чертежах, где показано:
фиг. 1 - вертикальное сечение двух свариваемых между собой листов разной толщины;
фиг. 2 - вертикальное сечение двух свариваемых между собой листов одинаковой толщины;
фиг. 3 - еще один пример выполнения изобретения с несколькими роликами для раздавливания кромок;
фиг. 4 - еще один пример выполнения изобретения;
фиг. 5 - следующий пример выполнения изобретения;
фиг. 6 - еще один пример выполнения изобретения;
фиг. 7 - еще один пример выполнения изобретения;
фиг. 8 - следующий пример выполнения изобретения;
фиг. 9 - пример выполнения со скошенным роликом;
фиг. 10 - пример выполнения с упорной планкой;
фиг. 11 - еще один пример выполнения с опорной планкой;
фиг. 12 - пример выполнения с роликами для раздавливания кромок, образующих упор.Below the invention is explained in more detail on the basis of examples shown in the drawings, where shown:
FIG. 1 is a vertical section of two sheets of different thicknesses welded together;
FIG. 2 is a vertical section of two sheets of the same thickness welded together;
FIG. 3 is another embodiment of the invention with multiple rollers for crushing edges;
FIG. 4 is another embodiment of the invention;
FIG. 5 is a further exemplary embodiment of the invention;
FIG. 6 is another embodiment of the invention;
FIG. 7 is another embodiment of the invention;
FIG. 8 is a further exemplary embodiment of the invention;
FIG. 9 is an example of execution with a beveled roller;
FIG. 10 is an exemplary embodiment with a retaining bar;
FIG. 11 is another embodiment with a support bar;
FIG. 12 is an exemplary embodiment with rollers for crushing the edges forming the abutment.

На фиг. 1 показано вертикальное сечение двух свариваемых друг с другом листов 1 и 2. Оба листа 1, 2, один из которых толще, чем другой, примыкают своими торцевыми поверхностями друг к другу и в этом положении свариваются друг с другом встык. Сварка осуществляется известным сами по себе образом с помощью лазерного луча 6, который, например, сфокусирован в зоне сварки в поперечном сечении до диаметра 0,2 мм. Для того, чтобы получить необходимое качество сварки без дефектов и непроваров, зазор 3 между примыкающими друг к другу листами 1, 2 в зоне сварки должен составлять максимально величину, равную 0,08 мм. При большей ширине зазора может происходить прерывание луча или получаться прерывистый шов. Если применяют способ согласно изобретению, то зазор между листами может быть значительно больше, например, 0,3 мм. Это означает, что листы могут быть нарезаны по существу менее точно. Перед зоной сварки или в зоне сварки согласно изобретению один из листов или оба листа пластически деформируют таким образом, что ширина зазора уменьшается, так что максимально допустимая ширина зазора сокращается. На фиг. 1 показано, что более толстый из обоих листов уменьшается по толщине с помощью двух роликов для раздавливания кромок 4 или 5. При этом происходит течение деформируемого материала, преимущественно в направлении стрелки 7, за счет чего уменьшается ширина зазора. При этом оба ролика для раздавливания кромок имеют соответственно зону 8, в которой они контактируют с листом, зону 9, внедряющуюся в лист с выдавливанием материала, чтобы вызвать смещение материала и еще одну зону 10, накладываемую на лист. При этом зона 9 в данном примере осуществления выполнена таким образом, что достигается большая глубина внедрения роликов в лист с увеличивающимся расстоянием от зазора. За счет этого обеспечивается течение материала предпочтительно в направлении стрелки 7, а не в противоположном направлении, что является нежелательным. Из показанного в качестве примера выполнения следует, что при толщине листа 2-3 мм и ширине зоны от 9 до 6 мм углубления ролика для раздавливания кромок на 0,1 мм вызывает смещение материала в зоне зазора на величину приблизительно 0,2 мм. При этом лист пластически деформируется усилием от 1 до 2 т. При более тонком листе 1 предусматривается только одна зона направления ролика 4 и один направляющий ролик 13. Но возможно также пластическая деформация только листа 1 для уменьшения зазора или обоих листов. In FIG. 1 shows a vertical section of two sheets 1 and 2 welded to each other. Both sheets 1, 2, one of which is thicker than the other, adjoin each other with their end surfaces and are butt welded to each other in this position. Welding is carried out in a manner known per se by means of a laser beam 6, which, for example, is focused in the welding zone in cross section to a diameter of 0.2 mm. In order to obtain the required quality of welding without defects and lack of fusion, the gap 3 between adjacent sheets 1, 2 in the welding zone should be a maximum value equal to 0.08 mm. With a larger gap width, a beam interruption may occur or an intermittent seam may result. If the method according to the invention is used, the gap between the sheets can be significantly larger, for example, 0.3 mm. This means that the sheets can be cut substantially less precisely. In front of the weld zone or in the weld zone according to the invention, one of the sheets or both sheets are plastically deformed so that the gap width is reduced, so that the maximum allowable gap width is reduced. In FIG. 1 shows that the thicker of both sheets is reduced in thickness with the help of two rollers for crushing the edges 4 or 5. In this case, the deformable material flows, mainly in the direction of arrow 7, thereby reducing the width of the gap. In this case, both rollers for crushing the edges respectively have a zone 8 in which they are in contact with the sheet, a zone 9 that is embedded in the sheet with extrusion of material to cause material displacement and another zone 10 superimposed on the sheet. Moreover, the zone 9 in this embodiment is made in such a way that a greater depth of introduction of the rollers into the sheet with an increasing distance from the gap is achieved. This ensures that the material flows preferably in the direction of arrow 7, and not in the opposite direction, which is undesirable. From the example shown, it follows that with a sheet thickness of 2-3 mm and a zone width of 9 to 6 mm, the recesses of the roller for crushing edges by 0.1 mm cause a displacement of the material in the gap zone by approximately 0.2 mm. In this case, the sheet is plastically deformed by a force of 1 to 2 tons. With a thinner sheet 1, only one direction zone of the roller 4 and one guide roller 13 is provided. But plastic deformation of only the sheet 1 is also possible to reduce the gap or both sheets.

В тех местах, в которых листы уже контактируют друг другом, пластичного деформирования одного или более листов не нужно. Если же все-таки оно происходит, это приводит к возникновению нежелательных сил, действующих на листы, которые отодвигают их друг от друга. Поэтому можно предусмотреть, например, в зоне 9 роликов для раздавливания кромок периферийную канавку 14, которая в этом случае обеспечивает вытеснение материала в эту выемку для того, чтобы уменьшить нежелательные усилия сдвига. Но предпочтительно также усилие деформации, прикладываемое к роликам для раздавливания кромок, может регулироваться, при котором ширина зазора регулируется перед зоной деформации оптически или механически и соответствующим образом сила, прикладываемая к этим роликам, увеличивается или уменьшается, так что в тех местах, где ширина зазора уже очень невелика или листы уже находятся в контакте друг с другом, к роликам для раздавливания кромок прикладывается только небольшое усилие. Вместо изменения усилия, прикладываемого к роликам, можно изменить положение их осей, что обеспечивает более глубокое или менее глубокое внедрение в лист. In those places where the sheets are already in contact with each other, plastic deformation of one or more sheets is not necessary. If, however, it occurs, this leads to the appearance of undesirable forces acting on the sheets, which move them away from each other. Therefore, it is possible to provide, for example, in the region 9 of the rollers for crushing the edges, a peripheral groove 14, which in this case ensures the displacement of the material into this recess in order to reduce undesirable shear forces. But it is also preferable that the deformation force applied to the rollers for crushing the edges can be adjusted so that the gap width is controlled in front of the deformation zone optically or mechanically and accordingly, the force applied to these rollers increases or decreases, so that in those places where the gap width already very small or the sheets are already in contact with each other, only a small force is applied to the rollers for crushing the edges. Instead of changing the force applied to the rollers, you can change the position of their axes, which provides a deeper or less deep penetration into the sheet.

После деформирования материала для уменьшения ширины зазора последней, как правило, не является более прямолинейным. Поэтому согласно последующему примеру осуществления изобретения лазерный луч ведут по ходу зазора. Для этого измеряют предпочтительно оптически или другим образом прохождение зазора относительно жесткой системы координат и отклоняют луч лазера в соответствии с сигналами измерительного устройства посредством перестановки одного или нескольких зеркал из нулевого положения в такое положение в указанной выше системе координат, которое соответствует замеренному прохождению зазора. Благодаря этому обеспечивается центральное расположение сварного шва над оставшимся зазором в стыке. Если требуется смещение лазерного луча в направлении более толстого листа, в частности при сварке листов с разной толщиной, то это может осуществляться коррекцией выходного сигнала в процессе обработки измеренного значения. After deformation of the material to reduce the width of the gap of the latter, as a rule, is not more straightforward. Therefore, according to a further embodiment of the invention, the laser beam is guided along the gap. To do this, it is preferable to optically or otherwise measure the passage of the gap with respect to a rigid coordinate system and deflect the laser beam in accordance with the signals of the measuring device by moving one or more mirrors from the zero position to such a position in the above coordinate system that corresponds to the measured passage of the gap. This ensures a central location of the weld over the remaining gap in the joint. If a shift of the laser beam in the direction of a thicker sheet is required, in particular when welding sheets with different thicknesses, this can be done by correcting the output signal during processing of the measured value.

На фиг. 2 показаны два листа 1 и 2, имеющие одинаковую толщину. Под листами имеется более узкий ролик 20 для раздавливания кромок, внедряющийся в материал обоих листов. Над листом расположен более широкий ролик или шина 21, которая не внедряется в лист. Кроме того, предусмотрены боковые направляющие 22 для листов. In FIG. 2 shows two sheets 1 and 2 having the same thickness. Under the sheets there is a narrower roll 20 for crushing the edges, embedded in the material of both sheets. Above the sheet is a wider roller or tire 21, which is not embedded in the sheet. In addition, side guides 22 for sheets are provided.

На фиг. 3 показан еще один пример выполнения с двумя листами 1 или 2 одинаковой толщины. При этом над листами также расположен ролик или шина 21. Под листами 1, 2 имеется два боковых ролика 25 или 26, которые внедряются в материал в качестве роликов для раздавливания кромок и уменьшают при этом толщину листа. В середине между этими роликами для раздавливания кромок имеется ролик или шина 27 для опоры листов. In FIG. 3 shows another exemplary embodiment with two sheets 1 or 2 of the same thickness. At the same time, a roller or tire 21 is also located above the sheets. Under the sheets 1, 2 there are two side rollers 25 or 26, which are embedded in the material as rollers for crushing the edges and reduce the thickness of the sheet. In the middle between these rollers for crushing the edges there is a roller or tire 27 for supporting sheets.

На фиг. 4 показан еще один пример выполнения, причем имеется нижний ролик 28, расположенный по обе стороны от зазора 3, имеющий соответственно зоны 29 и 30 внедрения в материал, которыми осуществляется соответственно пластическая деформация материала. В центре ролик снабжен выемкой 31. In FIG. 4 shows another exemplary embodiment, and there is a lower roller 28 located on both sides of the gap 3, respectively having zones 29 and 30 of penetration into the material, which respectively undergo plastic deformation of the material. In the center, the roller is provided with a recess 31.

На фиг. 5 показан подобный фиг. 4 пример выполнения, причем верхний ролик или шина заменены другим выполнением направляющей 22. In FIG. 5 shows a similar view to FIG. 4 is an exemplary embodiment, the upper roller or tire being replaced by another embodiment of the guide 22.

На фиг. 6 показан следующий пример выполнения, в котором имеется два листа различной толщины. При этом под листом расположен ролик 34 для раздавливания кромок, внедряющийся в материал более толстого листа 2. Над листом расположен ролик или шина 21, служащая направляющей. In FIG. 6 shows a further exemplary embodiment in which there are two sheets of different thicknesses. In this case, a roller 34 for crushing edges is located under the sheet, which is embedded in the material of the thicker sheet 2. Above the sheet, there is a roller or tire 21 serving as a guide.

На фиг. 7 показан еще один пример выполнения на фиг. 6. При этом верхний ролик или шина заменены соответствующим выполнением направляющей 22. In FIG. 7 shows another exemplary embodiment of FIG. 6. In this case, the upper roller or tire is replaced by the corresponding design of the guide 22.

На фиг. 8 показано выполнение, аналогичное фиг. 7, но здесь деформируется более тонкий лист. In FIG. 8 shows an embodiment similar to FIG. 7, but a thinner sheet is deformed here.

На фиг. 9 показано выполнение со скошенным роликом. In FIG. 9 shows an embodiment with a beveled roller.

На фиг. 10 показан другой пример выполнения изобретения. Здесь листы 1, 2 сначала отдельно деформируются роликами 40, 41 или 42, 43 для раздавливания кромок относительно неподвижного упора 45. На этом упоре за счет пластичного деформирования листа создается очень точно прямая кромка. Этот процесс осуществляется перед зоной сварки и перед сваркой - в последующем этапе листы своими обоими прямыми кромками, прилегая друг к другу, подаются к установке, например, путем удаления упора 45 или путем бокового движения листов друг на друга. In FIG. 10 shows another exemplary embodiment of the invention. Here, the sheets 1, 2 are first separately deformed by the rollers 40, 41 or 42, 43 to crush the edges relative to the fixed stop 45. On this stop due to the plastic deformation of the sheet, a very straight edge is created. This process is carried out before the welding zone and before welding - in the next step, the sheets with their both straight edges, adjacent to each other, are fed to the installation, for example, by removing the stop 45 or by lateral movement of the sheets against each other.

На фиг. 11 показан еще один пример выполнения изобретения с двумя жесткими упорами 46, 47 и соответственно только одним роликом для раздавливания кромок для каждого листа. In FIG. 11 shows another embodiment of the invention with two rigid stops 46, 47 and, accordingly, only one roller for crushing the edges for each sheet.

На фиг. 12 показан пример выполнения с двумя роликами 50, 51 для раздавливания кромок, которые имеют соответственно выступ, служащий упором соответственно для листов 1 и 2. В этом примере выполнения листы невзирая на незначительное смещение по высоте при раздавливании кромок расположены в правильном положении друг относительно друга, т.е. листы 1, 2 могут быть больше смещены в сторону. In FIG. 12 shows an exemplary embodiment with two rollers 50, 51 for crushing the edges, which respectively have a protrusion serving as a stop for sheets 1 and 2, respectively. In this example, the sheets, despite a slight height shift when crushing the edges, are in the correct position relative to each other, those. sheets 1, 2 can be more offset to the side.

Зажатые листы могут подаваться транспортирующим устройством через неподвижно установленное деформирующее устройство и затем к лазерному лучу. Но зажатые листы могут быть установлены неподвижно, в этом случае деформирующее устройство перемещается вдоль стыка. В предпочтительном примере выполнения может быть предусмотрена подвижная фокусирующая оптика для лазерного луча. Clamped sheets can be fed by a transporting device through a fixedly mounted deforming device and then to the laser beam. But the clamped sheets can be installed motionless, in this case, the deforming device moves along the joint. In a preferred embodiment, movable focusing optics for the laser beam may be provided.

Claims

1. A method of welding butt-to-butt sheets into a sheet welded billet by means of a laser, wherein during the welding process the gap between the sheets is reduced, characterized in that at least one of the sheets is plastically deformed in front of the welding zone by crushing the edges in the direction of the other sheet and, according to at least partially close the gap between the sheets.

2. The method according to claim 1, characterized in that the sheet thickness is unevenly reduced at the side of the gap.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that on the side of the gap there is a zone in which, when deformed, the sheet is thickened to prevent the sheets from being squeezed due to the flow of material.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the deformation is controlled depending on the thickness of the gap.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the deformation is carried out using at least one roller located above or below the sheet.

6. The method according to claim 5, characterized in that the sheets are deformed when the position is displaced relative to each other in height relative to one abutment or relative to the protrusion of the protrusion of the roller for crushing the edges.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the laser beam is guided depending on the gap position specified by the deformation.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the deformation is carried out in the zone of the sheet, immediately adjacent to the end surface of the sheet.

9. A device for welding sheets end-to-end in a sheet welded billet using a laser, containing a holding device for fixing the sheets with their end faces and a deforming device for plastic deformation of at least one sheet, characterized in that the deforming device is configured to reduce the width the gap between the sheets by crushing the material in the direction of another sheet and at least partially closing the gap between the sheets.

10. The device according to claim 9, characterized in that the deforming device has at least one roller for crushing edges, designed to reduce the thickness of the sheet.

11. The device according to claim 10, characterized in that the roller for crushing the edges has a section with a conical outer surface for unevenly reducing the thickness of the sheet.

12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the roller for crushing the edges has a perimeter around the perimeter to form a thickening of the sheet at this point.

13. The device according to any one of paragraphs.9 to 12, characterized in that it is equipped with a recording device for determining the width of the gap in front of the deformation zone and a control device for controlling the deforming device depending on the measured width of the gap.

14. The device according to item 13, wherein the control device controls the force of the deforming device on the sheet.

15. The device according to item 13, wherein the control device adjusts the position of the axis of the roller for crushing the edges relative to the surface of the sheet.

16. The device according to any one of paragraphs.9 to 15, characterized in that it has an optical or mechanical recognition device for recognizing the passage of the gap after deformation and triggered by the recognition device tracking device for conducting a laser beam in accordance with the characteristic of the gap.

17. The device according to any one of paragraphs.9 to 16, characterized in that it contains lower and upper rollers for crushing the edges, each of which is equipped with a stop for one of the sheets.

18. The device according to any one of paragraphs.9 to 17, characterized in that the deforming device is equipped with a spherical element of crushing the edges to deform at least one sheet.