CN110524112B - 用于焊接部件的方法和方法的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对接焊接板件的方法，特别是在汽车工业中在车身结构中用于对接焊接板件的方法，其中将带有任意轮廓的至少两个面部件(29、30、31)供给到加工过程。在第一部分过程中将所述部件(29、30、31)相互定位且借助于保持装置(6)固定，使得形成最小缝隙(39)。在另外的部分过程中在马上进行焊接前连续测量所述缝隙(39)的缝隙位置和缝隙宽度(D)，且将测量值用于控制激光焊接头(14)。根据本发明，所述激光焊接头(14)装配有可旋转的双点光学器件，其中在焊接过程期间，取决于所述缝隙(39)的缝隙位置和所述缝隙宽度(D)，通过使得所述激光焊接头(14)的所述加工光学器件(7)围绕激光束轴线旋转以旋转角α(23)来控制主点(8)和副点(9)的相互相对定向。

Description

用于焊接部件的方法和方法的应用
技术领域
本发明涉及用于部件的对接焊接的方法，特别地涉及汽车工业中车身结构的拼焊板部件。
背景技术
在此，在第一部分过程中将至少两个面部件相互定位且固定，且如此使得在两个待焊接的焊接边沿之间形成最小的缝隙。在另外的部分过程中在马上进行焊接前连续测量缝隙的缝隙位置和缝隙宽度。此测量值然后被用于控制激光焊接装置，其中根据测量值至少控制焊丝供给和加工光学器件。
拼接板(TB)或也称为拼焊板(TWB)被开发以制造金属板材，所述金属板材比使用当时所存在的轧制技术生产的金属板材更宽。目前，主要利用如下优点，即可由不同的材料等级或板厚组成板材，且此板材也带有更少的废料。这实现了将随后的部件的不同的位置与未来发生的局部载荷相匹配，否则这将要求附加的强化件。优点是节约了重量和制造成本。TWB在汽车工业中经常用于制造车辆车身，其中由单独的金属板-如需要也进行边沿预处理-制造焊接件。在已知的焊接方法中，特别地在激光焊接中，存在两个已知的方法：在第一个方法中将金属板精确地定位，压紧且由可运动的焊接头焊接金属板。在另一个方法中，将金属板从相互平行的轨道供给到位置固定的焊接工具且将金属板焊接。两个方法都要求在机械精确性方面的高的成本，以加工当前大约最大0.3mm的缝隙宽度。
在专利文献US5328083中描述了方法和用于执行方法的设备，但其中未公开与当前的缝焊方法相比如何将焊接工具精确地定位。在此，板的不精确性和导致缝走向的位置移动可能导致有问题的焊缝。
欧洲专利文献EP 0450349描述了用于通过激光束连续焊接被对接引导的带或板而不供给附加材料的方法，其中在焊缝的区域内的焊接材料沿带运行方向直接在焊接焦点后方被冷却-这取决于形成对接边沿的缝隙的宽度。在此文献中也建议了用于通过位置固定的激光束连续焊接被对接引导的板或带的设备，带有在待焊接的带两侧上垂直于所述带的运行方向的成对布置的压紧滚子，所述压紧滚子在带的对接区域内形成最小的缝隙，在对接边沿焊接时位置固定的激光束遇到所述缝隙。
在欧洲专利文献EP 0817698 B1中描述了用于金属板的连续对接缝焊的方法，其中金属板的相对位置且因此缝隙材料的精度被维持在预先给定的公差范围内。在此，有意地省去相互待焊接的板的机械精确的定向，而作为替代，束工具通过用于连续确定缝隙宽度和缝隙位置的传感器跟随两个金属板的板接缝。此外，可使用调控回路来持续匹配焊接束的功率和焊接过程的要求的冷却量(气体、水)。此系统需要高的维护成本。
在工业制造技术方面，激光由于大量的技术优点而日益具有重要意义。这些优点特别地由于将能量有目的的、时间和位置上受限的引入到工件内和与之相关联的高的加工速度而产生。在车身轻量化的领域中，激光焊接开启了制造技术上的大的潜力。
在激光焊接中具有挑战性的是如下情况，即其中缝隙情况因部件而不同，其中出现了不同的缝隙情况，例如A形缝隙、V形缝隙、平行缝隙、零缝隙或以上情况的混合形式。高的缝隙量导致被缝隙吸收的激光能量的损失。通过单一焦点的散焦，虽然可将此损失在一定程度上降低。但在此也强制地将激光束的最大强度降低。其中在技术上零缝隙的情况中，也降低了焊透的能量，即在激光束焊接时通过金属蒸汽毛细作用完全穿透部件。这可通过降低焊接速度或通过提高激光功率在一定程度上被补偿。总之，可以说在应用中缝隙可衔接性可焊透能力之间存在紧张关系。为保证最优的生产率，激光束源在激光功率的设计极限下运行。在许多设备构思中，在焊接任务期间改变焊接速度由于反应时间是不可行的。这一般地导致生产率降低。
在汽车工业中，目前门环(Door-Ring)由若干拼焊板(TWB)制造。此门环典型地包括直至八个单独部分，但也可构思更高的数量。在此，单独部分的板厚可不同。由于单独部分的形状和制造公差，通常在成品中在至少一个焊缝上由于环的闭合产生不希望的缝隙形成。此外，如下事实对于有效的生产是严重的，即缝隙情况在门环之间可能不同，其中可能出现不同类型的缝隙情况。主导性的V形缝隙在此给出了最大的挑战。
此不良的焊接质量导致在门环中可能出现碰撞测试不希望的焊缝撕裂。此风险在制造门环时由于安全性考虑不能被接受。在目前的方法中已知通过添加熔化焊丝来将可变的缝隙闭合到最大0.3mm。
为解决宽焊接缝隙的可加工性的问题，截至目前采取了一些措施。因此，例如使用单焦点的扫描跟踪器(Scan-Tracker)的构思采用了如下措施，即使得带有小焦点直径(0.2mm至0.3mm)和高强度的激光束横向于焊接任务摆动。取决于缝隙宽度，改变幅值和激光功率。然而，以市场上可获得的用于焊接板件的系统技术的尝试显示，在大约10m/min的高焊接速度下，摆动运动的周期长度由于可实现的频率不能保证完全覆盖被再熔化的材料。为保证可接受的焊缝，必须明显降低焊接速度，这与缝隙或零缝隙无关地可能导致生产率的损失。
带有至少三个单焦点的三焦点激光器的构思采用了如下措施，即通过借助于三个相耦合激光束源的束成形来将强度分布与缝隙宽度匹配，且因此填充更大的缝隙而不损失生产率。在此，使用带有小直径的两个前行点和带有大直径的一个跟随点。点的几何布置不可改变，且仅与应用领域匹配。改变通过单独的激光束的功率来进行。当然，在实践应用中，为在焊接材料内不生成干扰性边沿凹口，小的点的强度降低可能不足。由于几何上的恒定性，此构思在生产过程中仅允许根据根据可变的缝隙宽度匹配很低的缝隙空间。
在专利文献DE 101 13 471 B4中公开了一种激光混合焊接方法，其中将常规焊接方法与激光组合。在此产生两个激光聚焦点。根据该发明，在此两个聚焦点的间距根据焊接过程的单独的参数的测量、特别地根据焊接速度和焊接材料连续地改变。
在焊接拼焊板时，以当前可供使用的技术，使用附加材料可焊接最大直至0.3mm的可变的缝隙。挑战是以附加材料(焊丝)且以高焊接速度动态地闭合直至大约1mm的可变的缝隙。
在用于拼焊板焊接的方法中，存在如下的关键标准：一方面是整个设备的生产能力，即在考虑到可接受的次品率的情况下每小时可制造的件数；且另一方面是为能够保证整个加工过程的质量和被焊接的板件的希望的质量所需的成本。
在前述解决方案和方法中存在的缺点是用于焊缝冷却、过程安全的板夹紧、焊接烟雾和焊接飞溅物从设备的导出的高技术成本，以及整个设备的容量且因此整个设备的生产率。一般地，在此设备中，焊接光学器件设计为可移动的且待焊接的板件静止，或连续供给焊接材料且焊接光学器件在焊接过程期间位置固定。缺点进一步是用于装载和卸载运输带的成本不可忽略。
发明内容
本发明要解决的技术问题因此是给出消除了前述缺点的方法。
此技术问题通过在权利要求1中给出的特征解决。
根据本发明将激光焊接装置设计为带有包括主点和副点的可旋转的双点光学器件的激光器。在焊接过程期间，取决于缝隙的缝隙位置和缝隙宽度控制主点和副点的相互相对定向，这通过将激光焊接装置的加工光学器件围绕激光束轴线旋转以旋转角α来实现。
通过此结构，可通过简单地旋转加工光学器件而相对于焊接缝隙改变激光点的位置，且匹配不同的缝隙宽度。
令人惊奇地表明，系统在大于0.2mm的缝隙宽度下即特别有效，且在小于0.2mm的缝隙宽度下加工光学器件并非必须旋转。因此，有利的是仅在被测量的缝隙宽度超过0.2mm时才控制主点和副点的相对定向。在缝隙宽度小于0.2mm时，因此主点沿焊接缝隙处于前方且副点处于后方，其中两个点中心之间的连接线平行于焊接缝隙走向。这对应于0度的旋转角α。
也有利的是不仅确定或测量缝隙宽度和缝隙位置，而且确定或测量缝隙的边沿形状，且在焊接过程期间也取决于边沿形状控制主点和副点的相互相对定向。不同的边沿形状或缝隙形状例如在图4中图示。也有利的是对应于所确定的边沿形状调控激光功率。
已表明，根据边沿形状(圆整、尖锐边沿、带有毛刺)沿垂直于部件运输方向的方向附加地将激光点偏移(Y偏移)对于焊接结果可具有积极影响。这意味着，已发现为实现最优的焊接结果，主点和副点之间的中间点不总是必须位于缝隙中间。也可构思如下情况，即其中此中间点具有相对于缝隙中间的一定的偏移量。因此，有利的是也使加工光学器件沿垂直于部件运输方向的方向运动，使得由此调节两个点之间的中间点相对于缝隙中间的偏移。
优选地，两个点的相互间距是恒定的。
副点可例如沿焊接方向观察时围绕主点旋转。
也可构思使得两个激光点作为单元旋转时的旋转轴线位于主点和副点之间，或位于跟随的副点上。
有利的是加工光学器件相对于待焊接的部件可运动，优选地沿垂直于部件运输方向的方向(处在部件平面内)可运动。待焊接的部件和加工光学器件之间的相对速度在此等于焊接速度(VmatFluss)。
在焊接过程期间，焊接速度(VmatFluss)可以是恒定的，但也可取决于缝隙宽度、板厚或板边沿质量控制焊接速度(VmatFluss)。
这同样适用于焊接过程期间的激光功率。
也可取决于双点光学器件的位置调控激光功率。
根据本发明的此方法实现了有效的且过程可靠的拼焊板(TWB)的工业制造，特别是用于汽车工业的门环的拼焊板(TWB)的工业制造。在此，通过磁力将板件从下方固定在输送带上，使得保证了机器从上方的可接近性。本发明允许将部件以过程安全的方式连接为TWB设计，而不影响生产率，且导致相对于现有技术在输入材料的缝隙宽度和边沿质量方面的过程窗的增大。所建议的解决方案也特别地允许在技术安全地闭合V形缝隙情况中存在的大的挑战。通过增大过程窗降低了总次品率，以此可总体上明显提高生产率。此外，可改进焊接质量。
因为板件在更长的运输行程上被过程安全地固定，所以也可使用移动的或“浮动的”光学器件，如在欧洲专利文献EP 3038789 A1中所描述，以此与带有常规的构思的另外的机器相比，机器的容量可提高直至20％。此外，磁性保持原理对于维持待焊接的板件之间的尽可能小的缝隙具有积极影响，以此可实现焊缝的更高的质量。
附图说明
本发明在下文中根据实施例通过参考附图解释。各图为：
图1在横截面中示出了根据本发明的设备的示意性图示；
图2示出了激光焊接头的示意性图示；
图3示出了在应用中带有缝隙问题的部件的示意性图示；
图4在横截面中示出了两个部件之间的缝隙的可能的形状的示意性图示；
图5在示意性图示中示出了装有两个部件的根据本发明的设备的运输带的第一俯视图；
图6也在示意性图示中示出了装有两个部件的根据本发明的设备的运输带的第二俯视图；
图7示出了根据图5的两个部件的第一截面图示A-A，其中双点的图示从xy平面枢转到yz平面内；
图8示出了根据图6的两个部件的第二截面图示A’-A’，其中双点的图示从xy平面枢转到yz平面内；和
图9示出了根据图6的两个部件的第三截面图示A’-A’，其中双点的图示从xy平面枢转到yz平面内。
具体实施方式
图1示出了磁链条输送器5的横截面图示，所述磁链条输送器5带有通过驱动链轮1沿材料流方向MF可运动的连续的运输带19，所述运输带19通过供给装置2被装以可被磁化的面部件30、31。此面部件30、31通过磁保持装置6以高的力被保持在运输带19上。边沿发现系统13允许精确地确定存在于面部件30、31之间的中间空间(缝隙)和面部件30、31的边沿几何形状。通过根据图3的垂直于横截面图示沿x方向和y方向可运动的焊接头14将面部件30、31相互焊接，且通过运输带19使面部件30、31沿材料流方向MF运动。通过质量保证系统15检查被焊接的部件32，且将被焊接的部件32施加到用于再加工20的装置。焊接可前接有用于部件准备的去表层过程，其中所述去表层过程可在位于前方的过程步骤中进行，或也可完全在分开的去表层设备21(剥落设备)内进行。
图2在示意性图示中示出了带有加工光学器件7的激光焊接头14，所述加工光学器件7构造为带有双焦点的激光器，且设有用于围绕平行于z轴线或与z轴线成锐角的轴线进行旋转的光学器件旋转驱动器17。焦点通过焦点轴线驱动器10垂直于焊接平面沿z方向运动。激光轴线的修正通过修正激光轴线驱动器18进行。焊接过程所需的附加焊丝量通过附加焊丝驱动器12经由附加焊丝供给部11以附加焊丝速度供给。此外，为改进焊接质量，过程区可被附加地以合适的过程气体充气。最后，排气系统16将焊接过程中产生的污染物和焊接颗粒移除。
图3在示意性图示中示出了在门环36的单独面部件29的设计中的缝隙问题。单独面部件29具有取决于产品的最小角度误差。由于此小角度误差，通常在门环36中出现另外的误差，例如边沿错位38、闭合缝隙内的角度误差37或两个单独面部件29之间的缝隙39。
图4在示意性图示中示出了板厚为T1和T2的两个面部件30、31之间的缝隙(GAP)39的可能的形状，特别是零缝隙40、打开缝隙41、关闭缝隙42、平行缝隙43、腹状缝隙44和腰状缝隙45。也可存在另外的缝隙形状和畸形。这些缝隙形状可被测量，且测量信号被用于主点和副点的相互相对定向或沿焊接方向的相对定向。
图5在示意性图示中示出了根据本发明的设备的在焊接平面xy内装有两个面部件30、31的运输带的俯视图。通过焊接过程将焊接边沿33、34之间的带有缝隙宽度D的缝隙39闭合。在此，以其中主点8沿焊接方向SR处于前方且副点9沿焊接方向SR处于后方的双点光学器件激光器以焊接速度vMatFluss进行加工，其中根据实际焊接情况取决于缝隙几何形状调控两个点8、9的定向。在此可见，主点8和副点9之间的中间点(从点中心观察)不处在缝隙中间线上，而是沿y方向具有偏移。在例如两个焊接边沿不同地形成时，此侧向偏移是有意义的(y偏移)。
图6又在示意性图示中示出了根据本发明的设备的在焊接平面xy内装有两个面部件30、31的运输带的俯视图，其中两个双点-即主点8和副点9-的围绕垂直于焊接平面xy的z轴线的以旋转角α23的定向取决于缝隙宽度D旋转。
图7在根据图5的第一截面图示A-A中示出了两个面部件30、31，图中带有在焊接平面xy内可运动的双点，即主点8和副点9，其中双点8、9的图示从xy平面枢转到yz平面内。例如，在面部件30、31之间示出了关闭缝隙42，其中两个焊接边沿33、34在面部件30、31的上端上接触。旋转角23为零度，且y偏移22为0.0mm。图8在根据图6的第二截面图示A’-A’中示出了两个面部件30、31，图中带有在焊接平面xy内可运动的双点，即主点8和副点9，其中双点8、9的图示从xy平面枢转到yz平面内。例如，在面部件30、31之间示出了关闭缝隙42，在两个焊接边沿33、34之间在面部件30、31的上端上间距为D。旋转角23为大致20度，且y偏移22为0.0mm。在此，因此确定了缝隙的边沿形状，且所述边沿形状被用于控制双点光学器件。
图9在根据图6的第三截面图示A’-A’中示出了两个面部件30、31，图中带有在焊接平面xy内可运动的双点，即主点8和副点9，其中双点8、9的图示从xy平面枢转到yz平面内。例如，在面部件30、31之间示出了关闭缝隙42，在两个焊接边沿33、34之间在面部件30、31的上端上间距为D。旋转角23为大致40度，且y偏移22为约0.1mm。
附图标记列表
1 驱动链轮
2 供给装置
5 磁链条输送器
6 保持装置
7 加工光学器件
8 主点
9 副点
10 焦点驱动器
11 附加焊丝供给部
12 附加焊丝驱动器
13 边沿发现系统
14 激光焊接头
15 质量保证系统
16 排气系统
17 光学器件旋转驱动器
18 修正激光器轴线驱动器
19 运输带
20 用于再加工的装置
21 去表层设备
22 Y偏移
23 旋转角α
29 单独面部件
30 面部件A
31 面部件B
32 被焊接的部件
33、34 焊接边沿
36 门环
37 角度误差
38 边沿错位
39 缝隙
40 零缝隙
41 打开缝隙
42 关闭缝隙
43 平行缝隙
44 腹状缝隙
45 腰状缝隙
D 缝隙宽度
T1、T2 板厚
MF 材料流动方向
xy 焊接平面
x、SR 焊接方向
y 垂直于焊接方向
z 垂直于焊接平面xy
VMatFluss 沿材料流动方向的焊接速度

Claims (18)

1.一种用于对接焊接板件的方法，其中将带有任意轮廓的至少两个面部件(29、30、31)供给到加工过程，其中在第一部分过程中将所述面部件(29、30、31)相互定位且借助于保持装置(6)固定，使得在至少两个相互待焊接的所述面部件(29、30、31)之间形成缝隙(39)，其中在另外的部分过程中在马上进行焊接前连续测量所述缝隙(39)的缝隙位置和缝隙宽度(D)，且将此测量值用于控制激光焊接头(14)，其中以此至少控制焊丝供给部(11)和加工光学器件(7)，其特征在于，所述激光焊接头(14)装配有可旋转的双点光学器件，且在焊接过程期间，取决于所述缝隙(39)的缝隙位置和所述缝隙宽度(D)，通过使得所述激光焊接头(14)的所述加工光学器件(7)围绕激光束轴线旋转以旋转角α(23)来控制主点(8)和副点(9)的相互相对定向，其中，确定所述缝隙的边沿形状，且在焊接过程期间也取决于所述边沿形状控制所述主点和所述副点的相对定向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是在汽车工业中在车身结构中用于对接焊接板件的方法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅在测量到的所述缝隙宽度(D)大于0.2mm时才控制所述主点(8)和所述副点(9)的相对定向。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述副点(9)沿焊接方向(SR)在所述主点(8)后方旋转。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，两个激光点(8、9)作为单元围绕其旋转的枢转轴线处在所述主点(8)和所述副点(9)之间。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，两个激光点(8、9)作为单元围绕其旋转的枢转轴线处在位于后方的所述副点(9)上。
7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述加工光学器件(7)相对于所述面部件(29、30、31)能够运动，其中待连接的所述面部件(29、30、31)和所述加工光学器件(7)之间的相对速度等于焊接速度(vMatFluss)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述焊接速度(vMatFluss)在焊接过程期间恒定。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述焊接速度(vMatFluss)在焊接过程期间改变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，取决于所述缝隙宽度(D)控制所述焊接速度(vMatFluss)。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，取决于板厚(T1、T2)控制所述焊接速度(vMatFluss)。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，取决于板边沿质量控制所述焊接速度(vMatFluss)。
13.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在焊接过程期间激光功率恒定。
14.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在焊接过程期间激光功率改变，且取决于所述缝隙宽度(D)或板厚(T1、T2)或板边沿质量或所述双点光学器件的位置控制所述激光功率。
15.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述加工光学器件(7)在面部件平面内观察时沿垂直于所述面部件(29、30、31)的运输方向的方向运动。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，取决于焊接边沿形状将所述加工光学器件定向，使得所述主点(8)和副点(9)之间的中间点不处在缝隙中间线上。
17.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述加工光学器件(7)沿平行于所述面部件(29、30、31)的运输方向的方向运动。
18.根据权利要求1或3所述的方法在汽车工业的车身结构中的用于由若干拼焊板面部件(29、30、31)制造门环(36)的应用。
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