專利名稱：混合式激光器與電阻焊接系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接系統(tǒng)，并且更特別地涉及一種熔焊系統(tǒng)，該熔焊系 統(tǒng)包括加熱單元和焊接設(shè)備，用于組合加熱和焊接。
背景技術(shù)：
材料連接和處理的方法是工業(yè)發(fā)展的必要條件。如此，熔焊系統(tǒng)已 被改善用于連接多組件的工件。 一個(gè)這樣的系統(tǒng)，激光點(diǎn)和焊縫焊接利 用在連接時(shí)的激光熱能，而且該系統(tǒng)例如在汽車工業(yè)中被普遍使用。與對應(yīng)的電阻焊接技術(shù)相比，這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)被一般用于提供更快 的焊接速度以及產(chǎn)生更準(zhǔn)確和更精密的焊縫。與激光器匹配的功率、材 料成分以及工件的初始狀態(tài)直接與焊縫深度對寬度的深寬比成比例。換 句話說，激光越強(qiáng)并且光束越聚焦，熱能密度就越大。然而，雖然這些 好處有助于最小化工件所經(jīng)受的應(yīng)力，但是它們表現(xiàn)出其他問題。例如， 這些系統(tǒng)一般受限于在焊縫中對公差、孔隙率形成、不良的焊縫金屬填充量(gap bridgeability )以及熱裂紋的嚴(yán)格要求。進(jìn)一步的問題是與大 功率激光器(也就是具有功率輸出大于4kW的激光器)有關(guān)的較高成 本，這不單獨(dú)是增大的輸入能量需求的結(jié)果。這些系統(tǒng)可能也表現(xiàn)出構(gòu)造問題，其中大功率激光器被利用來產(chǎn)生 熔焊焊縫。與焊縫形成的速度有關(guān)的溫度從初始室溫到大于材料的熔化 范圍的快速變化導(dǎo)致由夾氣形成的孔和在較窄焊縫內(nèi)的裂紋的產(chǎn)生?？?和裂紋的形成進(jìn)一步減小了焊縫的結(jié)構(gòu)完整性。已經(jīng)研發(fā)了其他焊接系統(tǒng)，例如傳統(tǒng)的混合式激光-電弧系統(tǒng)，其 特征在于同時(shí)應(yīng)用從激光輻射和電弧產(chǎn)生的熱。與傳統(tǒng)的激光焊接一 樣，這些混合式系統(tǒng)通常需要大功率激光輸出以用于組合焊接，并因此 在組合焊接時(shí)遇到相同的問題。因此，在該技術(shù)中需要改進(jìn)的激光焊接系統(tǒng)，使得由于大功率激光 焊接而產(chǎn)生的成本和構(gòu)造無效性的可能性減到最小。發(fā)明內(nèi)容對應(yīng)于由傳統(tǒng)的激光焊接系統(tǒng)造成的這些或其他問題，本發(fā)明提供 一種改進(jìn)的系統(tǒng)，用于減少成本和與該系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)無效性。本發(fā)明 提供一種焊接工件的方法，該方法使用多個(gè)源來順序地預(yù)熱和焊接。在 其他方面中，本發(fā)明還可用于用加熱單元大致地預(yù)熱工件，以增加小功 率激光焊接的適用性。更特別地，本發(fā)明的第一個(gè)方面涉及用于焊接多個(gè)工件的系統(tǒng)。該 系統(tǒng)優(yōu)選地包括第 一和第二電極輪以及激光器，該激光器被配置為接合 并進(jìn)一步加熱第一部分。該輪被優(yōu)選地配置為配合地使工件的第一部分 預(yù)熱到一溫度，該溫度至少等于第一部分的熔化范圍的預(yù)定百分比。輪 和激光器相對于工件優(yōu)選是可轉(zhuǎn)移的，并且被配合地配置為在多個(gè)工件 之間形成連續(xù)的焊縫。本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及一種增大激光焊接多個(gè)工件的效率的方法。該方法優(yōu)選地包括下述步驟使用加熱單元使工件的一部分預(yù)熱到 一最小溫度；進(jìn)一步用激光束加熱該部分，直到該第一部分熔化；以及 使該部分冷卻到小于熔化范圍的溫度，以便允許該部分再凝固并形成焊縫。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)從下述優(yōu)選的實(shí)施例和附示的詳細(xì) 描述中將是顯而易見的。


參照所附的附示，下面對本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)^亍詳細(xì)地》 描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的呈交疊配置的多個(gè)工件及焊接系 統(tǒng)的橫截面圖，特別圖示出點(diǎn)焊系統(tǒng)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的呈交疊配置的多個(gè)工件及焊接系 統(tǒng)的透視圖，特別圖示出了可轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)；以及圖4是圖3所示的工件和系統(tǒng)沿A-A線截取的4黃截面圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的用于焊接多個(gè)(也就是兩個(gè)或更多個(gè))交疊相鄰工件，例如汽車金屬板和發(fā)動(dòng)機(jī)支架部件的熔焊系統(tǒng)10,以產(chǎn)生焊 縫12。在圖1至4所示的有圖示說明的實(shí)施例中，示出了相等厚度的兩個(gè)工件14、 16;然而，系統(tǒng)10可被利用來焊接更多個(gè)具有可變厚度的 結(jié)構(gòu)零件。工件可由各種各樣的材料形成，這些材料包括鐵合金、鋁合 金、鎂合金、鈦和鉬。如圖1所示，被定位的工件14、 16具有至少一 個(gè)部分地限定出外緣并暴露于系統(tǒng)10的最外表面18。為了便于進(jìn)入， 系統(tǒng)IO優(yōu)選地采用單面加工，其在于該系統(tǒng)但^又沿著表面18^妄合工 件14、 16。在這種配置中，工件14、 16在相對的側(cè)面上被支持板或夾 具(未示出)支撐。雖然在這里是相對于工件進(jìn)行描述，但在本發(fā)明的 范圍之內(nèi)，系統(tǒng)10也可能被用在其他需要修理或焊接的方面，例如修 補(bǔ)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)?；氐较到y(tǒng)10的配置，加熱單元20一皮:沒置用于加熱工件14、 16的 一部分，使得該部分的溫度增加到一最小溫度?？刹僮骱附釉O(shè)備22在 超過該部分的熔化范圍下進(jìn)一步加熱該部分。單元20和設(shè)備22可被手 動(dòng)控制，或被電子-機(jī)械裝置(未示出)控制。更優(yōu)選地，系統(tǒng)10沿著 多條軸線以機(jī)器人方式被控制，而且是可編程調(diào)整的。在圖示的實(shí)施例中，優(yōu)選的加熱單元包4舌多個(gè)電才及24、 26，這些電 極被配置為使電流(未示出)傳送通過工件的該部分。工件24、 26的 電阻率產(chǎn)生輻射的和傳導(dǎo)的熱能，并且生成熱影響區(qū)(HAZ) 28，該熱 影響區(qū)包圍待焊接的部分(見圖1)。可被那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所 理解的是總電阻直接與電極之間的線性距離成比例，并且同樣地，電 阻以及因此電流可通過重新安置電4及而纟皮改變。"預(yù)熱的"部分延伸通 過每個(gè)工件，其中需要點(diǎn)焊熔核的形成(見圖1)。更特別地，電極24、 26具有電上升，以便在它們之間產(chǎn)生電勢差。 例如，當(dāng)一般用于點(diǎn)焊時(shí)，被充電到電極24的電力可大約等于25至 100kVA,而電極26被接地。加熱單元被優(yōu)選地配置為使得產(chǎn)生一定量 的足夠加熱所述部分的熱能，使該部分加熱到不小于鋼或鐵合金的熔化 范圍的10%，更優(yōu)選為不小于20%的溫度，而且不小于鋁合金的熔化 范圍的30%，更優(yōu)選為不小于50%的溫度。進(jìn)一步理解的是工件14、 16在這些溫度下被顯著地塑化，因此導(dǎo)致增大的可加工性和熱接受性。 最終，優(yōu)選的電極24、 26可以是任何適合的點(diǎn)焊電極、傳導(dǎo)連接或類 似的設(shè)備，而且電流可以是月永沖、交流或直流電流。如圖1至4進(jìn)一步所示，優(yōu)選的設(shè)備22包括激光器30,可操作該 激光器用激光束30a接合外表面18，該激光束具有適當(dāng)?shù)墓β室赃M(jìn)一步 使所述部分加熱到大于熔化范圍的溫度。作為預(yù)熱該部分的預(yù)期好處， 激光器30不需要產(chǎn)生大功率輸出以形成焊縫12。同樣，小功率激光器， 也就是最大值4kW的激光器，可被用于本發(fā)明的大多數(shù)板焊接應(yīng)用。 然而，當(dāng)預(yù)熱的工件14、 16的冷卻的速率與工件材料的熱導(dǎo)率直接相 關(guān)時(shí)，操作的順序具有一個(gè)功能性的參數(shù)。因此，為了使得激光束30a 的聚焦的能量可通過熔融產(chǎn)生熔池，必須在從預(yù)熱開始的最大期間，也 就是5s之內(nèi)施加該聚焦的能量。在工件14-電極24的接觸面上需要焊 接的地方，電極必須被移走(如圖1中的虛線所示)，并且激光器在該 期間之內(nèi)被放置就位。在施加激光束30a之后，熔池被周圍材料和氣氛 冷卻凝固，并且形成焊縫12。雖然其他焊接設(shè)備，例如電弧焊炬、固態(tài)、以及混合式焊接系統(tǒng)可 被利用來形成焊縫12，但那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的是激光束 30a提供了用于焊接的最準(zhǔn)確和最穩(wěn)定的傳統(tǒng)裝置之一。也可理解當(dāng) 和其他的焊接設(shè)備22相比時(shí)，大功率激光焊接的相對成本實(shí)現(xiàn)預(yù)熱的 更大的成本收益。最后，在激光焊接之前的電阻預(yù)熱的應(yīng)用進(jìn)一步可用 于顯著地增加接合處的靜力強(qiáng)度。例如，在利用C02或Yag激光器的 激光焊接之前，對1.3mm厚的軟鋼工件和1.4mm厚的鋁(AA5754 )工 件的電阻預(yù)熱的應(yīng)用相應(yīng)地導(dǎo)致靜力強(qiáng)度的增加，所述增加大約等于 1500N和2500N，或15 %和100 % 。更優(yōu)選地，而且如圖2至4所示，焊接系統(tǒng)IO相對于工件14、 16是可轉(zhuǎn)移的，以便能夠產(chǎn)生連續(xù)焊縫或滾焊焊縫。在這種配置中，系統(tǒng) 10優(yōu)選地包括電極輪32、 34，這些電極輪滾動(dòng)地接合上下工件14、 16。 在其他因素之中，相對于激光器30的輪的放置取決于應(yīng)用、有效功率 以及工件的幾何形狀。在這種配置中如一般用于滾焊那樣可以利用適當(dāng) 的銅合金輪電極。由于這是單面加工，要維持輪壓力，下板16應(yīng)等于或厚于上板。 優(yōu)選上^反14的厚度小于3mm。例如，對于厚度小于3mm的上一反14, 電極輪32、 34可具有小于或等于14mm的滾輪寬度，同時(shí)帶有供應(yīng)的 80kVA(DC)的功率輸出。第一個(gè)輪34可與凸出的焊縫相隔15至50mm 的范圍之內(nèi)的距離S]，并且使其接觸下工件板16。類似于圖1所示的可選的電極24位置，第二個(gè)輪32可在接觸上工件14時(shí)位于激光器30之 前(如圖2所示，并在圖4中用虛線表示)，或與焊縫的縱向中心線相 隔不大于5mm的距離S2 (如圖3和4所示)?？梢岳斫庠诜潜┞兜?輪- 工件接觸面上的工件溫度具有用于連續(xù)焊接的最大初始溫度。然 而，在輪之間實(shí)施激光焊接時(shí)，激光束30a被工件14、 16更有效地吸 收，而且一it殳截?cái)嚯娏鳎?人而導(dǎo)致同時(shí)加熱和焊，接。在本發(fā)明中所要使用的適當(dāng)?shù)募す馄?0可包括YAG激光器。可以 理解這些激光器可靈活用于光束傳輸。進(jìn)一步可以理解小功率(也 就是〈4kW)激光器和/或更快的焊接速度，與本發(fā)明的加熱單元相結(jié)合， 可被利用來焊接厚度為0.8mm (用于汽車應(yīng)用的薄板)至15mm (船用 鋼)的材料。激光器可在表面18的上方相隔150至200mm的范圍內(nèi)的 距離H，而且形成70°至90°之間的角度(也就是在激光頭與垂直軸 線之間的角度)。優(yōu)選的激光器30也可以是具有單獨(dú)或同時(shí)加工能力 的小功率的C02或纖維激光器。最后，例如像氬這樣的惰性氣體的流動(dòng) 可沿著焊縫以20。至60°范圍之內(nèi)的角度和10至100L/mm的范圍之內(nèi) 的流出速率一皮定向。激光束30a可由單個(gè)激光器產(chǎn)生，而且經(jīng)由纖維光學(xué)管道和鉸接的 自動(dòng)機(jī)械臂被輸送，以便在復(fù)雜形狀的零件上加工。激光束30a也可被 分成多光束，這些多光束被配置為同時(shí)或順次地作用在工件的相同或不 同的部分上，以產(chǎn)生更深的焊縫或多條一致的焊縫。最后，多個(gè)系統(tǒng)IO 可被互相連接，而且是可同時(shí)操作的，以便同時(shí)地焊接相等的多個(gè)工件 組。因此，提出了一種焊接多個(gè)工件以產(chǎn)生焊縫的優(yōu)選方法，該方法包 括下述步驟。首先，通過用電極4妄合每個(gè)工件并使電流在工件之間經(jīng)過， 工件的一部分被加熱到至少等于工件的溫度的熔化范圍的10%的溫度。 更優(yōu)選地，該部分被加熱到鋼的熔化范圍的20% ,而且不小于鋁合金的 熔化范圍的30%。其次，激光束接合并進(jìn)一步加熱該部分超過工件材料 的熔化范圍，以形成熔池。在需要連續(xù)焊接的地方，電極和光束被一致 地轉(zhuǎn)移。最后，熔化的材料被冷卻到小于熔化范圍并允許再凝固的溫度。 可從初始光束分離多條激光束，而且連續(xù)地或平行地接合工件。對于在這里提出的典型實(shí)施例和操作的方法的顯而易見的改進(jìn)，在 不脫離本發(fā)明的主題的情況下可容易地一皮那些本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)。在這里使用的"多數(shù)"應(yīng)當(dāng)意指兩個(gè)或更多個(gè)。當(dāng)有關(guān)于任何本質(zhì)上不脫 離、但又在下述權(quán)利要求中陳述的本發(fā)明的文字范圍之外的系統(tǒng)時(shí)，發(fā) 明人據(jù)此聲明其目的以依靠等同性原則來確定和評定本發(fā)明的合理/> 正的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于焊接多個(gè)工件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括加熱單元，配置為使工件的第一部分加熱到一最小溫度；以及焊接設(shè)備，配置為接合并進(jìn)一步加熱第一部分，所述單元和設(shè)備配合地配置用于焊接所述多個(gè)工件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述單元包括第一電極，該電極 被配置為接合并使電流傳輸通過工件的第二部分。
3. 根據(jù)^叉利要求2所述的系統(tǒng)，所述電極和工件配合地配置用于 使第 一 部分加熱到至少等于第 一 部分的熔化范圍的10 %的溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，所述電極和工件配合地配置用于 使第 一 部分加熱到至少等于第 一 部分的熔化范圍的5 0 %的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，所述單元進(jìn)一步包括第二電極， 該第二電^1與第一電41隔開，并^f皮配置用于4妻收電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述單元和設(shè)備分別是線性可轉(zhuǎn) 移的，以便形成連續(xù)的焊縫。
7. 才艮據(jù)^又利要求6所述的系統(tǒng)，所述單元包括至少一個(gè)電才及輪。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述設(shè)備包括激光器，該激光器 被配置用于使至少一條激光束聚焦在第一部分上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，所述激光器具有小于4kW的功率輸出。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，所述激光器是YAG或C02激光器。
11. 一種用于連續(xù)焊接多個(gè)工件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第 一和第二電極輪，被配置為配合地使工件的第 一部分加熱到至少等于第一部分的熔化范圍的預(yù)定百分比的溫度；以及激光器，被配置為接合并進(jìn)一步加熱第一部分，所述電極和激光器相對于工件是可轉(zhuǎn)移的，而且配合地配置用于在 所述多個(gè)工件之間形成連續(xù)的焊縫。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，所述輪和激光器采用單面工藝， 其中所述輪和激光器接合工件的單個(gè)側(cè)面。
13. —種增加激光焊接多個(gè)工件的效率的方法，所述方法包括下述 步驟a) -使用加熱單元坤巴工件的一部分加熱到 一最小溫度；b) 用激光束進(jìn)一步加熱該部分，直到該部分熔化；以及c) 使該部分冷卻到小于熔化范圍的溫度，而且允許該部分再凝固 并形成焊縫。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，步驟(a)進(jìn)一步包括下述步驟 使電流傳送通過工件以產(chǎn)生 一定量的熱能。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，步驟(a)進(jìn)一步包括下述步驟 線性地轉(zhuǎn)移該單元，步驟(b)進(jìn)一步包括下述步驟線性地轉(zhuǎn)移激光 束，而且步驟(c)進(jìn)一步包括下述步驟允許連續(xù)焊縫的形成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(a)和(b)被同時(shí) 地實(shí)施。
全文摘要
一種改進(jìn)的熔焊系統(tǒng)，具有加熱單元和焊接設(shè)備，適用于增加焊接多個(gè)工件的效率。該系統(tǒng)優(yōu)選地采用單面加工，并包括第一和第二電極輪，可操作使工件的一部分加熱到一最小溫度；以及可轉(zhuǎn)移的激光器，該激光器被配置成在加熱的部分之內(nèi)形成連續(xù)的焊縫。優(yōu)選的系統(tǒng)具有激光焊接的優(yōu)點(diǎn)，例如精度，而與傳統(tǒng)的激光焊接系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)使得能夠在更小的激光功率輸出或更快的焊接速度下實(shí)現(xiàn)焊縫的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)B23K11/00GK101282814SQ200680024993
公開日2008年10月8日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者H·趙, X·趙, 王培中 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司;吉林大學(xué)