專利名稱：間隙控制裝置和激光搭焊方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光焊接的技術領域，更具體地，涉及激光搭焊(laser lap welding)的技
術領域。
背景技術：
激光加工是一種將激光束聚焦到具有高能量密度的非常小的斑點(spot)并且加工物 體的技術。激光加工包括切割、鉆孔、焊接、熱處理等等。激光焊接包括對接焊(butt welding),邊緣焊接(edgewelding)和搭焊，對接焊使得兩個物體彼此抵靠并且平行于抵 靠面執(zhí)行焊接，邊緣焊接平行于邊緣接頭的端面執(zhí)行焊接，而搭焊使得物體重疊并且垂直 于搭接面執(zhí)行焊接。
專利文獻1揭示了一種通過使用加壓輥擠壓重疊的物體來消除物體之間的間隙，并且 將激光束聚焦到該加壓位置以改善焊接質量的方法。
專利文獻2揭示了一種在重疊的邊緣形成毛邊(burrs)并且在由毛邊形成間隙的同時 執(zhí)行邊緣焊接，以保證焊接質量的方法。
專利文獻3揭示了一種圍繞著中間裝配件的外周纏繞板，然后在該中間裝配件的整個 外周上執(zhí)行激光焊接，以容易地形成車輛用消聲器的方法。
專利文獻1:日本專利公布No.2Q04-090054A 專利文獻2:日本專利公布No.2005-052868A 專利文獻3:日本專利公布No.2003-138935A,5]
焊接質量與形成在物體的小孔(keyhole)有關。具體地，其中從物體的前表面到物體 的后表面形成小孔的穿透焊接的焊接質量，受前表面焊縫寬度、穿透深度、后表面焊縫寬 度、該表面焊縫寬度和穿透深度之間的比例(高寬比)、惰性氣體的效果、以及物體表面 或者物體的鍍層上雜質的性質的影響。
在專利文獻l中，在加壓位置執(zhí)行搭焊以消除間隙，從而使穿透加工穩(wěn)定。然而，如 果物體彼此緊密接觸從而完全地消除間隙，金屬表面上的附著物(油，金屬粉末，等等) 蒸發(fā)且膨脹，這導致例如針孔等的焊接缺陷。也就是說，如果該間隙被完全消除，產生由 雜質影響所引起針孔(氣泡、疏松和砂眼)或者濺射(下沉)。結果，導致焊接不良，例 如疲勞強度的降低、密封性能的劣化或者外表缺陷。出于這個原因，需要在例如鍍鋅鋼板 的焊接中形成間隙，從而不會產生例如穿透不良或者填充不足的焊接不良。
在專利文獻2中，執(zhí)行的不是搭焊而是邊緣焊接，同時由毛邊形成間隙，以減少例如 氣泡或者下沉的焊接不良。然而，這個方法需要復雜的機構用于形成毛邊并且不能應用于 搭焊。進一步，在邊緣焊接中，很難保證與搭接穿透焊接相同的強度。
在專利文獻3中，為了制造具有圓形或者橢圓截面的圓柱狀構件，圍繞著中間裝配件 的外周纏繞板，然后在中間裝配件的整個外周上執(zhí)行激光焊接。因此，可以容易地制造圓 柱狀構件。然而，如果在圍繞著外圓纏繞的板之間形成間隙，很難使穿透加工穩(wěn)定。另一 方面，如果不在板之間形成間隙，會產生例如針孔的缺陷。
例如，如果在不生銹的片材之間形成過大的間隙(板厚度0.7[毫米]的50%或更多)， 僅僅上側片材被焊穿，從而沒有獲得穿透焊接，并且形成孔。因此，執(zhí)行目視檢査和用于 在焊接之后檢査密封性能的泄漏試驗變得不可欠缺。如果在這些試驗中認為密封性能有任 何問題，在后處理中應該執(zhí)行焊接等處理。
如上所述，在相關領域中，不可能在搭焊處理中使穿透加工穩(wěn)定的同時抑制針孔的產 生。也就是說，很難同時保證焊接的強度和密封性能并且保證好的產量。進一步，不可能 容易地制造圓柱狀構件，同時對于搭焊的物體維持強度并且保證高的密封性能。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的至少一個實施例的目的在于提供一種間隙控制裝置，其被配置為供激 光搭焊裝置使用；以及一種激光焊接方法，該方法同時保證激光搭焊的強度和密封性能， 并且降低焊接不良的概率。 l.加壓搭焊
1.1焊接間隙t和聚焦加載點距離(Focusing Load Point Distance) x
參照圖l (A)，根據第一實施例的間隙控制裝置100包括激光機構10、間隙保持單元12及加壓單元14，該激光機構10將激光束B引導到聚焦位置S，該間隙保持單元12在饋 送方向U上朝向聚焦位置S饋諾物體并且在位于部分或者全部聚焦位置S處的物體之間形 成預定的焊接間隙t，該加壓單元14將一個物體重疊在另一個物體上并且在加載點P擠壓 物體。加載點P在物體的饋送方向上與聚焦位置S隔開聚焦加載點距離x。
激光機構10通過光學系統(tǒng)對由激光振蕩器產生的相千光(coherentlight)進行聚焦， 并且將該激光束B照射到聚焦位置S。這里的激光器可以使用例如YAG激光器的固體激 光器或者例如C02激光器的氣體激光器。該光學系統(tǒng)在C02激光器的情況下可以使用鏡 反射，并且在YAG激光器的情況下可以使用光纖。激光器機構10包括控制器激光振蕩器 或者光學系統(tǒng)的平面或者立體位置的機器人。 '
激光束B聚焦在聚焦位置S，并且對物體中的一個施加高能量。激光束B被吸收到物 體內，且熔化該物體的一部分。聚焦位置S對應于具有一定面積，而不是點的激光光斑。 在物體熔化之后，通過相對于物體移動聚焦位置S，物體的熔化部分的溫度下降為大氣溫 度，從而熔化部分被固化。焊接是通過加熱、擠壓，或者它們的結合使得兩個或更多構件 結合為一體的操作，以使得彼此聯(lián)接的構件在其之間具有連續(xù)性。在激光焊接中，使用通 過聚焦激光束B而產生的熱量熔化物體，然后物體的熔化部分被固化，以使得在物體之間 具有連續(xù)性，從而使物體彼此固定。
物體為要被彼此聯(lián)接的兩個或更多金屬制品。例如，不銹鋼可以被用作金屬制品。在 這里，用于搭焊的不變形的物體被稱為基材20，并且用于搭焊的變形的物體被稱為片材 26或者折疊面27。在圖l (A)顯示的示例中，基材20是圓柱形金屬制品，而片材26是 將要圍繞著基材20纏繞的金屬片。在

圖1 (B)顯示的示例中，基材20是水平設置的金屬 制品，而片材26是將要被重疊在基材20上的金屬片。片材支撐28沿饋送方向U饋送片 材26。
,6]
在部分或者全部聚焦位置S，間隙保持單元12通過支撐基材20和片材26而在基材 20和片材26之間形成焊接間隙t。也就是說，間隙t可以形成在所有激光光斑處。而且， 間隙t可以形成在部分激光光斑處，且物體在其他激光光斑處彼此緊密接觸。間隙保持單元12包括基材支撐24和片材支撐28?；闹问棺鳛槠渲幸粋€將要被焊接的物體的基材 20沿著饋送方向U繞基材20的旋轉軸22旋轉。片材支撐28使作為將要被焊接的另一個 物體的片材26重疊在基材20的外周上。
在圖l (A)和l (B)顯示的示例中，間隙保持單元12通過利用以基材20或者片材 26的旋轉軸作為中心的圓的圓周來形成焊接間隙t。在圖l (C)顯示的示例中，間隙保持 單元通過使用間隙量規(guī)(gap gauge)形成焊接間隙t。在圖IO和11顯示的示例中，間隙 保持單元通過預先折疊部分片材26而形成焊接間隙t。
參照圖l (A)，基材支撐24支撐基材20，以使得基材能夠繞著旋轉軸22順時針方向 (沿著饋送方向U)旋轉。片材支撐28支撐并且饋送片材，并且通過張力輥40而在基材 2Q和片材26之間形成焊接間隙t。在圖l (B)顯示的示例中，基材支撐24 (未顯示)支 撐基材20，并且張力輥40從上方朝基材20饋送片材26，以形成垾接間隙t。在圖l (C) 顯示的示例中，焊接間隙t由間隙量規(guī)41而不是張力輥40形成。也就是說，間隙保持單 元I2包括間隙量規(guī)41，該間隙量規(guī)41沿著饋送方向U布置在聚焦位置S前方(圖1 (C) 中聚焦位置S的左側)的基材20和片材26之間，以在基材20和片材26之間形成間隙。 間隙量規(guī)41、聚焦位置5和加載點P以這樣的順序沿著饋送方向U布置。
焊接間隙t是片材26與基材20接觸的表面的接觸表面(后表面)與激光束B的照射 方向相交的點和基材26的表面與激光束B的照射方向相交的點之間的距離。基材26與激 光束B相交的點被稱為焦點，在圖l (A)中由T1表示，在圖l (B)中由T2表示，和在 圖1 (C)中由T3表示。
在該實施例中，通過將激光束B照射到焊接間隙t存在的位置，可以將存在于物體之 間的保護氣體排到外部，并且可以防止由于基材20和片材26之間存在保護氣體而引起的 焊接質量劣化。在基材20及/或片材26鍍鋅的情況下，焊接質量的劣化可能由鍍層的揮發(fā) 而導致。然而，在該實施例中因為在焊接間隙t存在的位置執(zhí)行激光焊接，可以抑制由于 諸如鍍層粒子的雜質的影響而導致的焊接質量的劣化。
加壓單元14在加載點P擠壓基材20和片材26。加載點P在饋送方向U (與焊接方向 相反的方向)上離開聚焦位置S預定距離。加載點P被限定在片材26和基材20在焊接期 間大致彼此重疊的平面上。較好地，加載點P定位在平行于焊接線的直線上，而不在焊接 線或者焊縫料18上。也就是說，加載點P沿著焊縫18定位在不與焊縫18重疊的位置。 進一步，擠壓可以在點上通過輥等類似物執(zhí)行。在饋送方向U上聚焦位置S和加載點P之 間的距離被稱為聚焦加載點距離x。聚焦加載點距離x確切的說是，聚焦位置S和垂直于 焊接方向并且穿過加載點P的直線與平行于焊縫18上的焊接線的直線的交點之間的距離。 換句話說，聚焦加載點距離x是饋送方向U上聚焦位置S和加載點P之間的距離。隨著焊 縫18和小孔16在與焊接方向相反的方向(圖l (A)和l (B)中的饋送方向U)上前進， 聚焦位置S處的焊接間隙t被減少并且在加載點P變成0。通過在形成小孔16的同時順序 地使焊接間隙t減少到零，可以將保護氣體或者鍍層的雜質排出到大氣并且可以實現(xiàn)高質 量的焊接。
在安裝根據本實施例的間隙控制裝置的空間中，加載點P和加壓輥30的位置可以被 固定，并且發(fā)射激光束B的激光器機構10的位置可以是可變的。在這種情況下，通過固 定加載點P和移動激光器機構IO的位置，聚焦加載點距離x是可變的。例如，在圖1 (A) 和圖1 (B)顯示的示例中，可以通過驅動激光器機構10來調整聚焦加載點距離x，以使 得激光束B的位置在圖1 (A)和圖l (B)中水平地移動。進一步地，可以通過調整間隙 保持單元12的位置來調整焊接間隙t。
聚焦加載點距離x可以根據物體(圖1 (A)中的片材26和基材28)的饋送速度被預 先設置。在圖10顯示的示例中，饋送速度能夠限定為聚焦位置S和物體(折疊面27和基 材面)之間的相對速度。例如，在使用3[千瓦]輸出的CQ2激光器將兩個具有0.7[毫米]的厚度的片材焊接至具 有1.5[毫米]的厚度的基材20的示例中，饋送速度被設定在1到6[m/min]的范圍內，聚焦 加載點距離x被設定在3到7[mm]的范圍內，且焊接間隙t被設定在0.05到0.3[亳米]的范 圍內。較好地，饋送速度被設定在2到3[m/min]的范圍內，聚焦加載點距離x設定在5[毫 米]以內，且焊接間隙t設定在0.3[毫米]以內。通常地，為了提高焊接速度(饋送速度)， 要求增大激光輸出。這還依賴于激光的波長或者特性。
此外，如圖l (C)所示，在間隙量規(guī)41被插入基材20和片材26之間的示例中，當 量規(guī)間隙z被設定為0.5[毫米]時，沿著圖1 (C)的法線方向以3[m/min]的焊接速度(饋 送速度)饋送物體，聚焦加載點距離x被設定為3[毫米]且除聚焦位置S以外的其他部分的 焊接間隙被設定為大約O[毫米]，從而部分地形成非常小的間隙，可以令人滿意地執(zhí)行穿透 焊接。該焊接實驗的結果在圖2 (A)中顯示。此外，當焊接間隙被設定為0.2[毫米]且聚 焦加載點距離x被設定為5[毫米]時，可以令人滿意地執(zhí)行穿透焊接。該焊接實驗的結果在 圖2 (B)中顯示。
另一方面，當焊接間隙被設定為0.4[毫米]且聚焦加載點距離x被設定為7[毫米]時， 可以執(zhí)行穿透焊接，但是會出現(xiàn)未充滿的情況。進一步地，當焊接間隙被設定為0.4[毫米] 且聚焦加載點距離x被設定為IO[毫米]，不能完成滲透焊接。該焊接實驗的結果在圖2 (C) 中顯示。
根據各種的試驗結果，為了在固化之前執(zhí)行擠壓，優(yōu)選在激光束照射到聚焦位置S大 約0.1[秒]之后在加載點P執(zhí)行擠壓。也就是說，聚焦加載點距離x可以被設定成使物體從 聚焦位置S到加載點P被饋送大約O.l[秒]，以令人滿意地執(zhí)行穿透焊接。
進一步地，可以根據焊接半徑R預先設定聚焦加載點距離x和焊接間隙t。 為了使焊接間隙朝向加載點P順序地減少到大約0，可以通過沿著直線饋送其中一個 物體，并且沿著弧線(圓周)饋送另一個物體而使得物體重疊。在這種情況下，焊接半徑 R能夠被解釋為弧線的彎曲半徑，并且可以根據該弧線的彎曲半徑預先設定聚焦加載點距 離x與焊接間隙t之間的關系。在圖1 (A)顯示的示例中，焊接半徑R是旋轉的圓柱形基 材的半徑R1，而圖1 (B)中顯示的示例中，焊接半徑R是重疊在片材26的饋送路徑上 的圓的半徑R2。當饋送路徑與加壓輥30結合時，焊接半徑R可以是加壓輥30的半徑R。 在圖10和11顯示的示例中，如下所述，焊接半徑R可以是與折疊面27接觸的球面的焊 接半徑R。進一步，焊接半徑R可以不符合完美的圓或者球面，而是橢圓，并且可以通過彎曲部 分的半徑來限定。
在圖1 (A)顯示的示例中，棊材聚焦位置T, (Xl,yi)定位在圓柱形基材20的外周上， 并且通過以下表達式表示 xi2+yi2=Ri2 yi=Ri-t
在圖l (B)顯示的示例中，基材聚焦位置T2 (x2，y2)定位在圓柱形片材26的重疊表 面上，并且通過以下表達式表示 x22+y22=R22 y2=R2_t
t=R2-(R22-x22)-2
"丄焊接間隙t和聚焦加載點距離x的效果
可以通過如上所述那樣設定加載點P與激光束B的聚焦位置S之間的位置關系來控制 物體之間的間隙，并且抑制由附著物的揮發(fā)或者噴射所引起針孔的產生。
也就是說，如果在焊接間隙t形成的同時照射激光束B，可以在物體的鍍層、表面的 雜質、或者保護氣體被排出到外部的同時執(zhí)行熔化。因此可以抑制不良焊接的發(fā)生。進一 步地，通過在對應于聚焦加載點距離x的加載點P處執(zhí)行擠壓，可以實現(xiàn)與縫焊相同的密 封性能，以通過點壓來保持由物體形成的產品的良好外觀，并且提高產品的強度。此外， 通過在對應于聚焦加載點距離x和焊接間隙t的加載點P執(zhí)行擠壓，可以高產量穩(wěn)定地制造具有高密封性能的產品。
在本實施例中，通過控制焊接間隙t以使得焊接間隙朝向加載點P這樣減小，可以獨 立地保證強度和焊接質量。
1.2.纏繞加壓焊接
參照圖3，加壓單元14包括加壓輥30和加壓框架32，加壓輥30繞著回轉軸主體31 旋轉從而跟隨基材20的旋轉，加壓框架32支撐加壓輥30從而允許加壓輥被旋轉并且朝 向加載點P擠壓加壓輥30的外周。
加壓輥30在位于加壓輥30的外周上的點處接觸片材26，并且在加載點P擠壓片材 26和基材20。進一步地，加壓輥30被旋轉從而跟隨通過基材20的支撐和基材在饋送方 向上的旋轉，該基材20的支撐由基材支撐24執(zhí)行。加壓輥30可以被稱為輪。
加壓框架32包括加壓輥保持部34和加壓輥旋轉部36，該加壓輥保持部34保持加壓 輥30從而允許加壓輥被旋轉，該加壓輥旋轉部分36通過使得加壓輥保持部分34和加壓 輥30作為單個主體旋轉而朝向加載點P移動加壓輥30的外周。
進一步地，在圖3顯示的示例中，設置防止松動輥42，以防止焊接過的片材26的松動。
圖4是沿著圖3的線A-A的剖視圖，顯示了加載點P處的截面。參照圖4，通過一對 激光束B1和B2在圓柱形構件的兩端同時執(zhí)行激光焊接。在該實施例中，布置一對(左、 右)加壓輥30以在基材20的兩端執(zhí)行焊接。也就是說，加壓單元14包括左加壓輥30A 和右加壓輥30B，左加壓輥30A繞著回轉軸主體31A旋轉，而右加壓輥30B繞著回轉軸 主體31B旋轉。如圖4所示，為了保證激光束B的照射和保護氣體的噴射所需要的空間， 加壓輥30A和30B可以朝向將要被焊接的物體內部傾斜。
如圖4所示，基材20包括形成在左右端并且平行于片材26的厚部20A，和在基材20 的側面上形成為圓形的盤部20B。片材26圍繞著基材20纏繞若干次。在圖4顯示的示例 中，在截面圖中，片材圍繞著基材纏繞兩次。從激光器機構10照射的激光束Bl和B2在聚焦位置S向物體施加高能量密度。因此， 在被照射的金屬表面上產生高壓金屬蒸氣。此外，在熔化的金屬中形成小孔16。小孔16 吸收激光束B1和B2的能量，并且向周圍傳熱。重疊的兩個片材26和基材20的厚部20A 及20B被熱量熔化，并且小孔16穿透片材到達厚部的后表面。然后， 一對加壓輥30A和 30B擠壓在加載點P熔化的物體。作為熔化部的小孔16在于加載點P被擠壓后固化。在 該實施例中，通過在冷卻過程中執(zhí)行擠壓來矯正間隙，同時雜質等類似物在如上所述的加 熱過程中通過焊接間隙t被引導到小孔16的外部。因此，在固化的過程中沒有間隙。因為 通過使用激光束B的快速加熱處理、間隙校正處理和快速冷卻處理執(zhí)行焊接，可以令人滿 意地執(zhí)行高熔點材料之間的焊接，或者具有不同傳熱系數(shù)的不同金屬之間的焊接。
本實施例對應于重疊穿透焊接。在圖4顯示的示例中，穿透深度L是通過片材26的 厚度加上基材20的厚部20A的厚度而獲得的。穿透深度L與表面焊縫寬度W！或者后表 面焊縫寬度W2的比例(縱橫比L/W！)與焊接質量有關，并且確定激光焊接的性能。小孔 16變成焊縫18且焊縫18的寬度是表面焊縫寬度W,。進一步，由加壓輥30形成的擠壓凹 痕19保留在片材的表面上。
在圖5 (A)到5 (D)中說明了用于通過激光焊接制造圓柱形產品的過程。如圖5 (A) 到5 (D)所示，通過圍繞著基材20纏繞片材26若干次來制造圓柱形構件。同時，基材 20的中空部分未顯示。如圖5 (A)所示，片材26被設在基材20的厚部20A上，該片材 26在對應于片的長邊50的方向上的長度對應于基材20的外周的數(shù)倍。接著，使片的短邊 52的兩端與基材20的兩端結合，以使得片材26重疊在基材20的厚部20A上。進一步地， 照射激光束Bl和B2并且通過例如加壓輥30的加壓單元14執(zhí)行擠壓。在旋轉基材20并 且沿著饋送方向U (與焊接方向相反的方向)饋送片材26的同時，執(zhí)行激光焊接。焊縫 18通過照射激光束Bl和B2而形成，并且由擠壓形成擠壓凹痕19。
如圖5 (B)所示，基材20被旋轉并且片材26被饋送，從而在圍繞著基材20纏繞片 材26的同時執(zhí)行激光焊接。在圖5 (C)顯示的狀態(tài)中，片材26圍繞著基材20纏繞一次， 并且片材26被進一步圍繞著被纏繞的片材26纏繞。對應于第二或者更遲的纏繞，焊接過 的部分在激光焊接中被進一步熔化、擠壓和固化。在片材26的對應于片的短邊52的端52A 的焊點54處執(zhí)行點焊。在本實施例中，因為通過加壓輥30校正焊接間隙t，并且連續(xù)在 加載點P執(zhí)行擠壓，因此密封性能非常好。因為片材被纏繞若干次，可以容易地并且穩(wěn)定 地保證圓柱形構件的氣密，即使不在片材26的端部52A執(zhí)行密封焊接。當圓柱形構件被 安裝時，因為片材26的端部52A不干涉其他的構件，通過容易地執(zhí)行點焊而可以將在焊 點54固定片材。例如，即使點焊不在焊點54執(zhí)行，通過本實施例制造的圓柱形構件也能 夠保證氣密。因此，即使在浸水試驗(water immersion test)的情況下，圓柱形構件中的氣 體也不泄漏到外部。
*1.2.纏繞焊接的效果
如上所述，如果激光束B被聚焦在形成焊接間隙t的點處，可以在保護氣體、物體表面上 的鍍層、雜質被釋放的同時執(zhí)行穿透焊接，并且可以抑制針孔的產生。此外，如果在激光 束B聚焦之后、焊接部分固化之前，加壓輥30擠壓加載點P，焊接間隙t被消除。因此， 可能以高產量穩(wěn)定地保證很高的密封性能。
例如，存在通過使用指狀金屬板擠壓焊接點附近的部分來校正間隙的機構。然而，因 為加壓面積寬廣，需要大的力來施加充以通過板的部分變形來校正間隙的擠壓。進一步地， 以及產生由加工產品的變形或者旋轉中心的偏心所引起的纏繞故障。在這方面，即使間隙 校正力(例如，大約100[kgf])是常數(shù)，因為在本實施例中通過加壓輥(輪)30校正焊接 間隙t，與使用金屬板進行擠壓的情況下相比，在加壓輥30情況下加壓可以變成4.5倍。 進一步地，因為加壓輥30在執(zhí)行擠壓的同時被旋轉以跟隨基材20的旋轉，可以改善形狀 精度并且保持良好的外觀。
纏繞和點焊在多個位置被執(zhí)行。與其后在整個外周上執(zhí)行激光焊接的方法相比，在密 封性能方面幾乎不產生故障。例如，不需要執(zhí)行浸水試驗，并且可以使用利用波(光、聲 等)的非接觸檢驗。同時，根據相關技術中的方法，如果在密封性能方面產生故障，在后 加工中識別泄漏位置、執(zhí)行電弧焊并且需要檢驗密封性能。根據本實施例，可能以高產量 制造一種產品，該產品具有高于預定水平的密封性能，并且能以低成本改進制造過程。
此外，因為與在纏繞后在整個外周上執(zhí)行激光焊接的方法相比，焊接質量被改善，纏 繞圈數(shù)可以被降低。因此，可以減少產品的重量和生產成本。1.3.間隙控制裝置的詳述
下面將參照圖6到9 (B)描述間隙控制裝置的示例，該間隙控制裝置用來通過激光焊 接制造回氣管(muffler)的消音器(silencer)。
參照圖6，間隙控制裝置包括與消音器兩端對應的兩個激光器機構10，在激光焊接該 兩端期間在加載點P執(zhí)行擠壓的縫焊加壓單元60 (參見圖7 (A))，和當在片材26的端部 52A執(zhí)行點焊時執(zhí)行擠壓的點焊加壓單元70 (參見圖7 (B))。
激光器機構IO包括照射激光束BI和B2的焊槍(weldingtorch) 80、在焊接期間防止 飛濺物附著的空氣幕82和焊槍驅動部件84，該焊槍驅動部件84通過在其垂直線平行于激 光束B的照射方向的平面上沿X和Y軸驅動該焊槍80來控制聚焦位置S。當在消音器的 兩端執(zhí)行縫焊時， 一對激光器機構10同時照射激光束Bl和B2。因此產生焊縫18。如果 片材26的纏繞焊接完成，激光器機構被從片材26的端部52A驅動到焊點54的位置，并 且在圖6 (和圖5 (A)到5 (D))中顯示的示例中的三個位置執(zhí)行點焊。
同樣地，如圖6和7 (B)所示，點焊加壓單元70也包括點加壓旋轉體72、點加壓框 架74、點加壓輥保持部76和點加壓輥支撐78。點焊加壓單元70通過旋轉點加壓輥保持 部76而將片材26壓靠在加壓輥30C， 30D，和30E上。通過擠壓調整片材26的端部52A 的間隙。
參照圖7(A)，縫加壓輥支撐68包括旋轉軸構件68A、傾斜構件68B和連接構件68C， 旋轉軸構件68A保持加壓輥30J3的旋轉軸并且支撐該加壓輥，傾斜構件68B以與加壓輥 30B的傾斜角相對應的角度支撐旋轉軸構件68A的，連接構件68C將傾斜構件68B連接至 縫加壓輥保持部66。使縫加壓框架64的端部連接到縫加壓旋轉體62的外周表面，并且縫加壓框架的另一 端的下表面聯(lián)接到縫加壓輥保持部66的上表面。在長度方向上，縫加壓輥支撐68與基材 20的兩端具有大致相同的長度，并且加壓輥80A和80B的側面和縫加壓輥支撐68被支撐 在與加載點P對應的位置。每個構件可以被螺紋固定。進一步，如果縫加壓輥保持部66 和縫加壓輥支撐68被可拆卸地設置，可以根據加載點P的位置來執(zhí)行調整。
縫加壓輥保持部66通過保持支撐加壓輥30B的連接構件68C和支撐加壓輥30A的連 接構件68C來保持兩個用于縫焊的加壓輥30A和30B。根據縫加壓旋轉體62的旋轉，縫 加壓框架64與縫加壓輥保持部66—起作為單個主體被上下移動。出于這個原因，如果縫 加壓旋轉體62通過電機或類似物(未顯示)沿著附圖中的順時針方向旋轉，縫加壓框架 64和縫加壓輥保持部66被向下移動，從而將壓靠在片材26上，該加壓輥30A和30B繞 著旋轉軸以與傾斜構件68B的傾斜對應的傾斜角旋轉。
點加壓輥支撐78包括回轉軸構件78A、傾斜構件78B和連接構件78C，類似于縫加 壓輥支撐68。進一步，點加壓輥保持部76包括設置在點加壓框架74的上表面上的平坦構 件76A，從平坦構件76A的上表面直立并且支撐保持構件76C的直立構件76B，和與直立 構件76B —起作為單個主體上下移動并且保持點加壓輥支撐78的保持構件76C。
因為縫加壓輥保持部66在饋送方向U上定位在點加壓輥保持部76的保持構件76C前 側，點加壓輥支撐78的連接構件78C在饋送方向U上比縫加壓輥支撐68的連接構件68C 更短。
因為如圖6和7所示彼此獨立，縫焊加壓單元60和點焊加壓單元70沒有干涉地被操作，并且被布置為不會妨礙激光器機構的驅動。
參照圖8，間隙控制裝置包括設置在將要被縫焊的兩個位置和將要被點焊的三個位置 處的獨立的噴氣管44A， 44B， 44C， 44D和44E。
圖9 (A)顯示合格產品的截面。即使由間隙接住一些污垢，穿透焊接被執(zhí)行并且保證 了高密封性能。圖9 (B)顯示在相關技術中制造的有缺陷的產品的截面。存在未填滿(焊 縫的凹陷)，并且執(zhí)行未穿透焊接。
*1.3.間隙控制裝置的具體效果 圖6到8顯示的間隙控制裝置具有使得縫焊加壓單元60和點焊加壓單元70彼此獨立并且 通過縫加壓框架64或者點加壓框架74執(zhí)行擠壓的機構。因此，可以通過兩個焊槍80以 高速和高質量制造回氣管的消音器，同時保證兩個激光器機構10的移動空間。進一步， 如果在焊接間隙t被校正的同時通過加壓輪30A和30B執(zhí)行焊接時控制加載點P和聚焦位 置S (激光照射點)之間的位置關系，可以提供在片材26 (上板)和基材20或者纏繞片 材26 (下板)處幾何地形成需要的焊接間隙t的焊接方式，并且執(zhí)行焊接。
因為加壓輥30和基材20的圓彼此接觸且被旋轉，作為次要效果，可以獲得具有高圓 度(形狀精度)的回氣管的消音器。
進一步，因為通過焊槍80的控制器實現(xiàn)控制間隙的基本邏輯，可以根據工件的形狀 (直徑上的差異)將焊槍80移動到最佳照射點。
1.4.折疊加壓焊接
接下來將要描述被用于不纏繞片材26而是纏繞邊緣(凸緣)的搭焊S的實施例的示 例。在該示例(折疊加壓焊接)中， 一個邊緣被折疊并且折疊部分被加壓輥30擠壓，以 變得平坦同時在激光束B的照射期間保證焊接間隙t。不折疊的物體(下部)被稱為基材 20，而基材20的邊緣被稱為基材面21。進一步，重疊的上部25的邊緣被稱為折疊面27。 折疊面27在上部25的邊緣處被折疊，其沿著與焊接方向大致正交的方向被重疊在基材面 21上。在圖10和11顯示的示例中，間隙保持單元12包括基材支撐24和包括調整輥45的折 疊面引導29。
基材支撐24支撐為一個物體的、具有基材面21的基材20 (下部件)。折疊面引導29 朝向基材面21引導上部25的折疊面27,并且形成焊接間隙t。 進一步，加壓單元14包括加壓輥30和按壓輥46。
按壓輥46通過從與激光機構10相反的側加壓基材面21而在下側支撐折疊面27和是 邊緣的基材面21。在照射由折疊面引導29引導的激光束B后，折疊面27加載點P介于加 壓輥3Q和壓力輥46之間并被擠壓，加載點P離開聚焦加載點距離x。
如圖10所示，上部25的邊緣被預先地折疊，以使得上部的邊緣和作為下部的基材20 的基材面21之間形成間隙。折疊的邊緣由調整輥45引導，以使得由折疊上部的邊緣而形 成的間隙變成預定的焊接間隙t。進一步，如圖11所示，在折疊面27被折疊的部分，張 力輥40可以作為折疊面引導29的一部分引導29A的折疊面27。
如圖11所示，在按壓輥46和加壓輥30之間執(zhí)行加載點P處的擠壓。聚焦加載點距 離X是通過將附圖中的X,加X2獲得的值。在圖1顯示的示例中，從加載點P朝向焊接間 隙t的開放方向是與焊接方向相同的方向。然而，在圖10和11中顯示的折疊壓力焊接中， 通過折疊折疊面27形成的開放方向是與焊接方向正交的方向。在這方面，在圖10和11 顯示的示例中，調整輥45布置為靠近上部25的側面，而加壓輥30被布置在上部的外側 以偏離X2。因此，當圖3 (B)與沿焊接半徑R2圓周的間隙的調整相比，在折疊壓力焊接 中沿著焊接半徑R的球面的外周在兩維空間內控制焊接間隙t。也就是說，鍍鋅或者保護 氣體在焊接方向上被釋放，并且也在與焊接方向正交的方向上被釋放。進一步，由于這樣 地配置，從上部的側面朝向基材面21重疊折疊面27，并且可以將折疊面27重疊，使得間 隙在加壓輥30的加載點P被完全地消除。
在焊接方向上的相對位移可以通過在固定激光機構10和加壓輥30的位置的同時移動 燃料罐來實現(xiàn)，激光機構10可以作為單元被移動，并且燃料罐和激光機構兩者可以被移 動。同時移動燃料罐和激光機構例如是其中在激光器機構IO被驅動的同時焊接線性部分， 且在燃料罐被旋轉的同時焊接非線性部分的方法。進一步，調整輥45和按壓輥46設置有 壓靠物體的側面并且根據相對位移旋轉的球面，并且該球面可以用來確定相對位置。
*1.4.折疊加壓焊接的效果
如上所述，已經重疊的一個邊緣被預先折疊，間隙保持單元12引導該邊緣以使得通 過折疊該邊緣形成的間隙在聚焦位置S成為焊接間隙t，并且加壓輥30加壓折疊面27以 使得焊接間隙t依次減少并且在加載點P被消除。因此，可以改善密封性能，并且保證硬 度和強度而不變形。進一步，可能以高產量穩(wěn)定地制造產品，其不會與設計強度或者假設 狀態(tài)(例如，使用有限元法等模擬的結果)不同。 2丄激光搭焊方法
第二實施例是通過使用根據第一實施例的間隙控制裝置的重疊激光焊接來制造各種 產品的方法。
如圖13所示，在激光搭焊方法中，首先，在激光束B的照射方向上重疊物體且在激 光束B的一部分或者全部聚焦位置S形成預定的焊接間隙t (步驟S1)。在圖l (A)顯示 的示例中，片材26被重疊在基材20上。在圖10顯示的示例中，折疊面27被重疊在基材 面21上。
然后，朝向聚焦位置S噴射保護氣體，并且開始照射激光束B (步驟S2)。通過激光 束B的照射在物體形成小孔16，熔化部分穿透該物體。
接著，移動物體和聚焦位置S的相對位置，以使得激光束B沿著焊接方向行進(步驟 S3)。例如，在圖l (A)顯示的示例中，通過沿著附圖中的順時針方向旋轉基材20，停止的激光束B在焊接方向上相對地行進。進一步，當移動相對位置時，在加載點P擠壓片材 和基材的重疊的表面，加載點P在焊接方向上與聚焦位置S隔開聚焦加載點距離x (步驟 S4)。此外，相對位置行進到焊接線的另一端，從而在片材和基材上執(zhí)行縫焊(步驟S5)。
*2丄激光搭焊的效果
可以通過激光搭焊制造圓柱形構件(圖1 (A)禾13 5 (A)到5 (D))、板(圖1 (B))、 回氣管消音器(圖6等等)、容器(圖1Q等等)和燃料罐(圖12)。可以通過抑制不良焊 縫來穩(wěn)定且顯著地改善每個產品的密封性能。進一步，因為在通過加壓輥執(zhí)行擠壓后執(zhí)行 固化，可以穩(wěn)定地保證滿足設計要求的外觀和強度。此外，可以通過穿透焊接和在相對偏 移的加載點連續(xù)擠壓，獲得極為類似于例如上述模擬的預測的制造。
2.2.纏繞焊接方法
在片材的纏繞焊接中，搭焊是非常有效的。
再參照圖5 (A)到5 (D)和13，片材26如圖5 (A)所示那樣重疊在圓柱形基材20 的外周上(步驟S1)。此后，當相對位置移動時，基材20如圖5 (B)所示那樣繞著圓柱 形基材20的旋轉軸22旋轉(步驟S2)。此外，如圖5 (C)所示，通過重疊片材26并且 旋轉基材20,圍繞著基材25纏繞片材預定次(步驟S3到S5)。進一步，如圖5 (D)所 示，在焊接線的端部，在基材的焊點54執(zhí)行點焊，并且沿著平行于旋轉軸的方向在片材 26的端部52A圍繞著基材纏繞片材(步驟S6)。
*2丄激光纏繞焊接的效果
在圖5 (A)到5 (D)和13中顯示的激光纏繞焊接，可以獲得上述的各種效果。具體 地，如果通過基材20的旋轉和加壓輥30的旋轉執(zhí)行擠壓，同時保證焊接質量，可以獲得 產品的好的外觀。
己經顯示和參考本發(fā)明的特定實施例描述了本發(fā)明，本領域技術人員能夠理解可以進 行各種的形式和細節(jié)的變化而不會脫離如本發(fā)明后附權利要求所限定的精神和范圍。
權利要求
1.一種間隙控制裝置，該間隙控制裝置構造為供適合于將物體彼此焊接在一起的激光焊接裝置使用，其特征在于，該間隙控制裝置包含激光引導，該激光引導構造為將激光束引導到聚焦位置；間隙保持器，該間隙保持器構造為沿著饋送方向朝向所述聚焦位置饋送物體并且在至少一部分所述聚焦位置處在所述物體之間形成預定間隙；和加壓部，構造為在饋送方向上離開所述聚焦位置預定距離的加壓位置壓物體材料。
2. 如權利要求l所述的間隙控制裝置，其特征在于，其中所述間隙保持器包括第一支撐和第二支撐，其中所述第一支撐構造為繞著作為一 個物體的底座的旋轉軸沿著饋送方向旋轉，所述第二支撐構造為將作為另一個物體的片狀 物層疊在所述底座的外周上，并且其中所述加壓部包括加壓輥和加壓框架，該加壓輥構造為跟隨所述被旋轉的底座旋 轉，該加壓框架構造為可旋轉地支撐所述加壓輥并且朝向所述加壓位置壓所述加壓輥的外 周。
3. 如權利要求1所述的間隙控制裝置，其特征在于，其中所述間隙保持器包括間隙量規(guī)，該間隙量規(guī)在饋送方向上的所述聚焦位置前布置 在作為一個物體的底座和作為另一個物體的片狀物之間，并且構造用來在所述底座和片狀 物之間形成預定的間隙，并且其中所述加壓部包括加壓輥和加壓框架，該加壓輥構造為跟隨所述被饋送的片狀物旋 轉，該加壓框架構造為可旋轉地支撐所述加壓輥并且朝所述加壓位置壓所述加壓輥的外 周。
4. 如權利要求1所述的間隙控制裝置，其特征在于， 其中所述間隙保持器包括支撐，該支撐構造用來支撐作為一個物體并且具有第一表面的底座，；和 組件引導，該組件引導構造用來引導作為另一個物體并且具有被預先折疊成在所述第 一表面和所述第二表面之間形成初始間隙的第二表面的組件，并且用來向所述底座壓該組 件以在所述聚焦位置處將所述第一表面和所述第二表面之間的初始間隙調整到預定間 隙，；其中加壓部包括第一壓力輥和第二壓力輥，所述第一壓力輥和第二壓力輥在所述加壓 位置壓所述底座和它們之間的組件。
5. 如權利要求1所述的間隙控制裝置，其特征在于，其中根據物體的饋送速度預先 設定所述預定距離。
6. 如權利要求6所述的間隙控制裝置，其中預先設定所述預定距離以便用0.1秒將物 體從所述聚焦位置饋送到所述加壓位置。
7. 如權利要求1所述的間隙控制裝置，其特征在于，其中當一個物體被沿著直線而 另一個物體被沿著弧形從所述聚焦位置饋送到所述加壓位置時，根據該弧形的彎曲半徑預先設定所述預定距離與所述預定間隙之間的關系。
8. 如權利要求7所述的間隙控制裝置，其特征在于，其中所述關系滿足以下等式 t=R-(R2-x2)-2t是預定間隙，x是預定距離，而R是所述弧形的彎曲半徑。
9. 一種用于將物體彼此焊接到一起的激光搭焊方法，包含在至少一部分聚焦位置處在物體之間形成預定間隙；朝向所述聚焦位置噴射保護氣體；將激光束照射到所述聚焦位置；相對于所述聚焦位置饋送物體，從而激光束在與物體的饋送方向相反的方向上前進； 在加壓位置壓物體，該加壓位置在饋送方向上離所述聚焦位置為預定距離；且 相對于物體使激光束前進到底，從而將物體彼此縫焊到一起。
10. 如權利要求9所述的激光搭焊方法，其特征在于， 其中一個物體是底座而另一個物體是片狀物；其中片狀物層疊在底座的外周上，在形成過程中在所述聚焦位置所述片狀物和底座之 間具有間隙；其中所述底座在饋送過程中繞著所述底座的旋轉軸旋轉； 其中所述片狀物在前進過程中圍繞著所述底座纏繞預定次；并且 其中所述激光焊接方法進一步包含沿著饋送方向點焊所述片狀物的端部。
全文摘要
提供一種間隙控制裝置，構造為供適合于將物體彼此焊接在一起的激光焊接裝置使用。激光引導，構造為將激光束引導到聚焦位置。間隙保持器，構造為在饋送方向朝向聚焦位置饋送物體，并且在至少一部分聚焦位置處在物體之間形成預定間隙。加壓部，構造為在饋送方向上離開聚焦位置預定距離的加壓位置按壓物體材料。
文檔編號B23K26/00GK101612692SQ20091015134
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權日2008年6月24日
發(fā)明者岡本努, 小澤直樹, 齊藤茂樹 申請人:鈴木株式會社