TW510839B - Hybrid electric-arc/laser welding process, especially for the welding of pipes or motor-vehicle components - Google Patents

Description

510839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7____ 五、發明說明（/ ·) " 發明背景 發明之領域 本發明係關於混成焊接製程及結合雷射光束及電弧， 特別是電漿弧之混成焊接組，及關於其在供汽車工業之特 定坏件焊接之應用。 相關先前技藝之描述 雷射技術已甚知名並被廣泛應用在各種金屬材料，如 合金鋼或非合金鋼，塗層鋼，不銹鋼‘，鋁及鋁合金等製成 之工件。一般言之，雷射焊接組包含一固態或氣體雷射振 盪器，其可產生同調之單色高能量波束，一備有偏移鏡或 光纖之光程，可使雷射光束被傳送至位於被焊接片之相對 位置之焊接頭。傳統上，焊接頭包含一透鏡或一或多個聚 焦鏡，俾將雷射光束聚焦在待焊接材料之厚度中之一或多 個聚焦點，並聚焦於由邊緣之邊緣接合一起而形成之連接 平面，及工件之待焊接各部份，俾局部集中足夠之功率密 度以溶化待焊接之材料。通常，焊接頭包含一氣體饋送裝 置，以饋送焊接氣體，亦稱輔助氣體，其方式爲使用位於 與雷射波束同軸之饋送噴嘴。此氣體饋送裝置可在實際雷 射.焊接頭之外部。 焊接一或多個工件之邊緣接合於一起之另一解決方案 ，例如金屬片之縱向邊緣構成一管子，或二金屬工件邊緣 至邊緣接合一起，係包含由一或多個電弧將各邊緣焊接一 起。 在工業中廣泛使用之此等製程利用氣蔽或活性氣體。 3 $紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)' --- --------I--------丨丨訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 510839 A7 B7 五、發明說明（） — 在此方面可提及TIG(鎢惰性氣體），MIG(金屬惰性氣體）， MAG(金屬活性氣體)製程或電漿弧製程。 對比之下，其他製程通常在管路焊接時，例如，覆蓋 電弧焊接製程不用氣體。 但，雷射焊接製程或電弧焊接製程均有其特定缺點。 因此，已發展出混成製程，其將一或多個雷射波束及 一或多個電弧結合，特別是焊接製程中將一雷射波束與一 電弧電漿噴流結合，亦稱爲電漿雷射焊接製程。 不同之混成電弧/雷射焊接製程已被揭示，例如，在文 件 EP-A-793558 ; EP-A-782489 ； EP-A-800434 ； US- A-5 006 688 ； US-A-5 700 989 ； EP-a-844042 ； “銘合金 50525 之雷射 GTA 焊接”，由 T.P. Diebold 及 C.E.Albright ，1984，頁 18-24 ; SU-A-1815085 及 US-A-4 689 466 ;，， 電漿電弧協助之雷射焊接”由R.P· Walduck及L Biffin所著 ，頁172-176，1994 ;或”厚熔化鋼板之TIG或MIG電弧 協助之雷射焊接”，接合與材料，由J.Matsuda等人所著， 頁 31-34 ， 1988 。 通常，電漿/雷射或一電弧/雷射焊接製程爲一結合或 混;.成焊接製程，其結合電弧焊接與雷射波束於一起。 電弧/雷射製程包含：在電極間產生電弧，其可爲或可 不爲消耗性，待焊接之工件，及聚焦一強力雷射波束，特 別是YAG-型或C02型雷射於電弧區，即接近或在接合平 面中，該平面係得自待焊接零件邊至邊接合一起。 此一混成製程與僅用電弧焊接相較，對焊接速度有大 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） ---I------------丨1丨丨I訂-丨------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 510839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（r) - 幅改進係可能的。 此外，此一混成製程可進一步使工件在焊前之定位公 差增加，因僅以雷射焊接需要將待焊接零件之高度準定位 ，因雷射波束之聚焦光點甚小。 使用電漿/雷射製程，即電弧/雷射製程，需要使用焊 接頭，因其可在一小空間中結合雷射波束及其聚焦裝實， t 及一適當之焊接電極。在上述文件中曾揭示數種焊接頭構 型，摘要言之，雷射波束與電弧或等Λ子噴流可由一及同 一焊接頭發送，意即，其自圖一孔隙離開，或經二各別焊 頭離開，一傳送雷射波束，一傳送電弧或等離子噴流，此 二者共同送至焊接區。 電弧/雷射混成製程特別適於供汽車之特製坏件，因爲 除上述優點外，可獲得一焊墊，有良好濕度及無下部凹陷 ，如文件ΕΡ-Α-782 489及”雷射加電弧等於功率”，1999.2 工業雷射解決方法，28-30頁所揭示。 此種焊接在於將二工件，通常爲不同厚度及/或不同級 之鋼，鍍鋅鋼或銘接合一起。視所用之焊接方法及準備而 定，待焊接之接合傳統之特性爲每一待焊接工件之上平面 間.之位準不同，因而導致造成如圖1所示之”階梯”。 相反情況亦可能遇到，即特定坏件型式之接合’其中 之上平面對齊但下平面並非在同一位準，因而在焊接之接 合反面構成”階梯，”，如圖2所示。 此型焊接(圖1及圖2)在汽車工業中經常發現’其中’ 焊接之工件加以壓縮，以便使其獲得最後形狀’例如’用 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 510839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明 4 ) — 於製造車體之不同工件，例如，車門，車頂，機罩，行李 箱。在客艙內之結構元件亦發現相同情況。 此外，焊接一起之工件有時爲相同之厚度但彼此不同 位階。 此種混成製程亦適於焊接許多型式之接合，如圖3所 示之角焊接’及圖4所示之重疊焊接。 自工業觀點’使用此種混成製程需要機器或機器人， 其具有運送或移動待焊接工件至電漿雷射焊接頭之下方， 或移動焊接頭本身在待焊接工件上方之工具。 視待焊接工件之接合數目及待焊接工件本身數目而定 ，此等機器及/或機器人不僅需要與待焊接之接合成^確定 位，並且需要時斷時繪終止焊接作業。 此係因爲，如上所述，每一件待焊接之工件可以有數 個待焊接之接合，例如，位於工件不同點之接合，因此， 當機益或機益人將焊接頭疋位在次一接合時，必須停止焊 接作業，反之亦然。 同理，當改變新工件時，相同作業亦需實施，意即， 焊接一工件之後及焊接次一工件之前。 .此代表此等焊接停止作業期間，雷射波束或電漿弧必 須持續撞擊於工件上。 在電漿弧情況下，防止電弧在工件上穩定，事實上甚 易達成： 利用將電弧熄滅，即將焊接電流設定爲零； 或藉由防止電弧轉移至待焊接之工件上，即，將焊接 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---II —---I I -—— — — III ^ « I I I--— I— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 510839 A7 ____B7_ 五、發明說明（f) - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電弧相位切換至導引電弧相位，在此期間，電弧在電極如 電漿/雷射焊接頭間建立，因此，在電弧與待焊接之工件間 並無實際接觸。通常，其達成係大幅降低電弧電流（強度) ，及同時設定等離子/雷射焊接頭之終端部份爲與待焊接工 件相同電位。 . 選擇性而言，其亦可輔助地減低氣體流率及/或改變氣 體性質。 因此，文件EP-A-793 558提議幾乎同時中斷電弧與雷 射波束，即首先降低電流直到等離子電弧停止，之後在等 離子電弧停止後，在適當時間將雷射去激勵。 但此種過程並不理想，因其不適於焊接組件之大批生 產，因爲，其所遭受之時間浪費及生產力損失。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雷射波束有一問題，因其與應用在電弧上之程序不同 ，故無法降低或停止雷射波束，之後再重新開始或如電弧 一般返回，因而引起在重新開始或次一焊接階段期間之大 幅功率不穩定，並導致時間浪費，因此，引起生產力損失 •，因爲，次一接合之焊接重新開始時，需要相當長時間， 在此期間無事能夠發生，意即焊接無法實施，此時間需要 熱,穩定雷射振盪器。 ，發明槪要 因此，本發明之目的在解決此一問題，及經由提供一 混成電弧/雷射焊接製程，其可避免在產生一焊接接合之終 了及開始焊接次一接合之期間，避免將雷射波束關閉，特 別是爲使機器或機器人將焊接頭定位，及開始待產生之接 7 $張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)~ ~

Claims (1)

1. 510839 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 · 6. 如申請專利範圍第丨或2項之製程，其特徵爲，待 焊接之工件或多個工件爲選自塗層或未塗層鋼之金屬或金 屬合金所製成，特別是組合鋼，HYS鋼，碳鋼，有鋅合金 表面之鋼，不銹鋼，鋁或鋁合金及高屈服點鋼，較佳爲該 f寸火干ί女工件爲特疋坏件，特別是可用以製造汽車車體組件 者。 7. —種電弧/雷射焊接製程，特別是電漿/雷射焊接製程 ，包括： (a) 至少一焊接步驟，其組合一電弧，特別是電漿弧與 雷射波束組合； (b) 至少一焊接停止步驟含，在其開始時，下列子步驟 ⑴及(ii): ⑴熄滅電弧，或切換等離子電弧爲導引電弧及 (ii)發出或偏轉雷射波束至一空腔以吸收雷射功率。 8. 如申請專利範圍第丨或2項之製程，其中之氣體係 選自氬，氦，氮或其混合氣，用以作爲雷射波束之輔助氣 體，及/或選自氬，氨，氮，氫或其混合氣作爲電漿氣體。 9·一種混成電弧/雷射焊接單元，包含： 至少一雷射波束產生器，以發送至少一雷射波束及 至少一由至少一電流源供應之電極，以產'生至少一電 弧， 其特徵爲其尙包括雷射輻射吸收機構，使可以至少暫 時吸收至少雷射波束輻射之一部份。 10·如申請專利範圍第9項之焊接單元，其特徵爲，該 _—----- 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 29^公釐)"---- c請先閲讀背面之：η意事項再填寫本頁) 、II·· 線 一 一 _ SI 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 雷射輻射吸收機構包括一吸收空腔，雷射波束即發送及/或 偏轉至其中，俾輻射被吸收其中，較佳爲雷射波束由一波 束偏束偏轉機構偏轉及/或發至吸收空腔中。 11 ·如申請專利範圍第9或10項之焊接單元，其特徵 爲其包括： 一用以支撐工件之機構，使其能在焊接期間，支撐及/ 或保持工件； 一用以自動饋送待焊接之工件之機構，使其能自動饋 送及/或定位工件於支撐機構上； 一用以保持待焊接工件之機構，使其能保持工件在焊 接期間於該支撐機構之位置上；及/或 一用以自動移除焊接後之工件之機構，使其能在焊接 後’自支撐機構將工件移除。 線 12.如申請專利範圍第9或1Ό項之焊接單元，其特徵 爲’其包括控制裝置，以自動控制下列機構： 移除焊接後工件之機構； 偏轉雷射波束之機構； 焊接終了及/或停止機構； 發送電弧之焊接頭之運動及發送雷射波束之焊接頭與 被焊接工件之相對運動。 13·如申請專利範圍第9或10項之焊接單元，其特徵 爲，雷射波束細由YAG或C02型雷射所放射，及/或電弧 由電漿吹管傳送，較佳爲雷射波束，且該電弧由一單-焊 接頭發送。 ___3___ 本紙張尺@用中國國家標準（CNS)A4規格(210 x 297公釐) 510839 A8 _ D8 六、申請專利範圍 14. 如申請專利範圍第9或10項之焊接單元，其特徵 爲，該波束偏轉機構包含一或多個可移動偏轉鏡，同步機 構較佳地使其能與偏轉鏡或個偏轉鏡之移動，與待焊接工 件之電漿/雷射焊接頭之移動，或焊接階段或焊接停止階段 同步。 15. —種用於製造用於汽車工業使用之焊接組件或結構 之製程’其中該製程之至少一在該組件上之焊接作業係利 用如申請專利範圍第1至2項中任一項之製程，及第9至 14項中任一項之焊接單元。 16·—種焊接製程，其係使用如申請專利範圍第9項之 焊接單兀，以焊接一特定坏件以構成至少汽車車體組件之 一部份。 17· —種用於組合金屬工件之製程，其係使用如申請專 利範圍第1至2項中任一項之製程’以藉由焊接而組合具 有不同厚度之金屬工件，特別是特定坏件之裝配。 18.—種用於製造汽車車體組件之製程，所用建造車體 組件之結構之金屬工件係使用如申請專利範圍第1至2項 中任一項之製程而製造，較佳爲該金屬工件係由鋁或鋁合 金所製。 I紙張尺度_i_用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 、τσ 線