用于激光焊接的方法和设备技术

一种远程激光束型激光焊接系统（５０）包括：一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束（５６）以高于大约２ｋＷ的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及金属件的远程激光束型激光焊接。更具体地讲，本专利技术涉及提高通过远程激光束型激光焊接方法形成的焊接件的质量的方法和设备。
技术介绍
激光焊接是一种非接触焊接过程，其中激光束的能量熔化并气化工件以形成焊接件。在汽车工业中越来越多地使用激光焊接系统，并且更多地要求，同更为传统的焊接过程(例如，电阻点焊、熔化极气体保护电弧焊(例如，熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG))，钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)等等)相比，提高产品质量、生产效率和灵活性。在激光器作为传统焊接过程的替代物被最初用于汽车工业时，工作头(用于将激光束从焊接系统传递到工件的部位)被典型地安装在机械臂的端部，并且工作头(以及机械臂)必须在焊接操作中基本上靠近工件。这样的系统目前仍被普遍使用，尽管这种系统因为要在焊接过程中将机械臂重新定位在每个焊点而导致速度受限。最近，远程激光束型激光焊接系统(remote beam laser weldingsystem)被研制出来以提高激光焊接过程的效率。在一种远程激光束型激光焊接系统中，工作头安置在距工件一段分隔距离处，并且通常在焊接过程中保持固定。连接着工作头的镜系统被用于将激光束引导至工件上的各个需要被焊接的位置(例如，焊点、焊接接头等等)。在激光焊接操作中采用的两种焊接方法为扩散焊接和穿孔(深熔)焊接。在扩散焊接中，激光束完全穿透第一层材料，只局部穿透第二层材料。在扩散焊接过程中，经常难以确定是否进行了充分的焊接。在穿孔焊接中，激光束完全穿透第一和第二层材料。穿透第二层会留下焊接痕迹(例如，热影响区，热应力痕等等)，这代表着实现了完全穿透。在远程激光束型激光焊接过程中，与其它激光焊接过程一样，激光束被引导至工件并且形成孔，即所谓的″穿孔″，至少穿通工件的一部分。这里使用的术语″工件″通常描述被焊接在一起的两个或更多个零件(例如，材料等等)。如显示于图1，工件10包括第一材料12和第二材料14，在焊接过程中穿孔18形成于其中。随着激光束56穿透工件10，熔化的金属移动到穿孔周边，以形成熔池20。随着激光束56离开焊点(即，焊接位置)的区域，熔池20重新固化以形成焊接部。为了使激光束穿透工件，穿孔必须保持打开。除了穿孔保持打开外，穿孔还应当在穿透过程中保持稳定，以使得焊接部的孔隙度降低。以前，远程激光束型激光焊接系统使用相对较低的功率级别(例如，低于2千瓦(kW))。当远程激光束型激光焊接系统使用功率级别低于2kW的激光束时，所产生的等离子体的构成成分或电子密度不会负面影响穿孔的形成和/或稳定性。因此，相对较低功率的远程激光束型激光焊接系统可以进行操作，而没有因形成激光引发等离子体而产生的显著负面结果。最近，汽车制造商尝试使用更高功率的激光器(例如，以高于大约2kW的功率级别操作的CO2激光器)，以增加可以实现的激光束穿透材料时的穿透深度、穿透质量和/或穿透速度。然而，使用较高功率的激光器存在限制，这是因为，在穿透时会产生激光引发的等离子体，其吸收和反射入射激光束，并且威胁到穿孔的稳定性(参看，例如，图1，其中显示了在焊接过程中产生的等离子体卷流23)。穿孔在焊接过程中的不稳定或崩塌可能会在焊接质量和工件的整体生产方面产生严重问题。因此，需要有一种改进的远程激光束型激光焊接方法，其使用功率级别高于大约2kW的激光器，并且在利用这种方法形成的焊接部中增大穿透性和/或降低孔隙度。还需要有这样的远程激光束型激光焊接方法，其能够降低或消除这种方法中可能会形成的激光引发等离子体的影响。需要有一种方法和/或系统包括上述或其它有益特征中的一项或多项，这一点对于阅读了本说明书的人来说是很显然的。
技术实现思路
本专利技术的一个代表性实施例涉及一种远程激光束型激光焊接系统，包括一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束以高于大约2kW的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。本专利技术的另一代表性实施例涉及一种焊接工件的方法，其包括将保护气体流提供到工件上的焊点，所述气体具有流动方向；以及利用远程激光束型激光焊接系统将激光束引导至焊点。所述方法还包括通过沿着不同于所述流动方向的方向移动激光束而形成焊接部，以降低激光束与靠近焊点形成的等离子体卷流之间的相互作用附图说明图1是示意图，显示了激光焊接过程的基本元件。图2是一种根据代表性实施例的远程激光束型激光焊接系统焊接工件时的示意图。图3是车辆座椅框架的透视图，其被构造成通过远程激光束型激光焊接方法而被焊接。图4是多夹具系统的透视图，其被构造成在根据代表性实施例的远程激光束型激光焊接方法中夹持工件并且供应保护气体。图5是图4中的根据代表性实施例的夹具系统的放大图。图6是根据第一代表性实施例的夹具系统的透视图。图7是根据第二代表性实施例的夹具系统的透视图。图8是根据第三代表性实施例的夹具系统的透视图。图9至17是限定了焊点的夹具系统的示意性俯视截面图，其中各种焊接方案被示出。图18是限定一段焊接方案的分量的示意图。图19是一段焊接方案的切线的分量的示意图。图20是根据代表性实施例的夹具系统的示意性俯视截面图。具体实施例方式根据代表性实施例，一种用于远程激光束型激光焊接的系统和方法被提供，其能够提高所获得的焊接部的质量，并且克服与使用相对高功率(例如，高于大约2kW)的激光器相关的难题。根据该代表性实施例，穿透过程中产生的等离子体被抑制或重新引导，以维持穿孔，这使得能够更完全地穿透工件，并且提高在焊接过程中形成的穿孔的稳定性。参看图2，一种用于增进穿透性和/或降低通过远程激光束型激光焊接过程形成的焊接部的孔隙度的方法包括以下步骤在焊接过程中，将保护气体(在图2中以箭头42表示)供应(例如，传送、分配、释放、提供等等)至工件10的焊点16。在本说明书中，措词″至(到)焊点″被用于表示靠近和/或位于焊点。该措词在整个本说明书中指的是供应保护气体，以及如后文所述指的是施加夹持力。该措词总体上描述充分接近于能够有效地传送保护气体和/或传递夹持力的位置。仍请参看图2，一种远程激光束型激光焊接系统50(使用，例如，CO2激光器)大体上包括工作头52，其安置在距工件10一段分隔距离54处。工件10大体上包括被焊接在一起的两块材料，即第一层12和第二层14。工作头52包括镜装置(未示出)，其能够选择性地变换激光束56在工件10上的定位。激光束56沿着图2中的箭头60所示的方向相对于工件10移动。根据代表性实施例，激光束56具有高于大约2kW的功率级别，优选为大约4kW，并且安置在分隔距离54为大约一米处。保护气体从保护气体源58供应。远程激光束型激光焊接系统50形成穿通工件10的穿孔18，从而形成金属熔池20，其冷却和重新固化后形成焊接部22。如上所述，当远程激光束型激光焊接系统使用的激光束的功率级别为大约2kW或以上时，在穿透过程中产生的激光引发等离子体(例如，存在于穿孔内的穿孔等离子体21和/或存在于穿孔外的等离子体卷流23，如显示于图1)会成为进一步穿透的阻碍。等离子体通过反射和/或吸收激光束能量而阻碍激光束的穿透，从而威胁穿孔的稳定性。穿孔不稳定将导致所产生的焊接部中孔隙度增大和/或穿透不恒定，并且因此而导致非均匀焊接部。另外，严重的穿孔不稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种远程激光束型激光焊接系统，包括：一个机构，其包括至少一个镜，用于将激光束以高于大约２ｋＷ的功率级别引导至工件的焊点；以及一个装置，其被构造成将保护气体引导至焊点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔F克莱因，理查德B麦考恩，约瑟夫W麦克尔罗伊，马克S威廉森，
申请(专利权)人：约翰逊控制技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]