[发明专利]高产激光焊接装置和方法

说明书

本发明涉及一种沿着较长公共焊缝线将金属板对焊在一起的装置及方法，更具体地，涉及一种能够使对多个金属板进行自动上料、装夹和沿着较长公共焊缝线焊接并卸下焊好的板以进一步处理的循环时间减为最少的改进的装置及方法，这种装置及方法中采用了同时对那条公共焊缝线的搭叠部分进行焊接的多个激光焊头。

在很多制造业和钢材加工应用中，常常希望或需要将钢之类的金属材料的板材或带材接合在一起。这种要接合的板可能是相同、类似或不同材料的。在所有制造过程中，在决定具体制造工序的相对成本和适用性方面，循环时间是一个重要因素。

金属板材或带材的激光焊接是一种竞争性较强的工业，而其中高产量和高质量对评定一种特定装置和/或方法的优劣是绝对关键性的。为此，必须实现高的零件循环速率。每个循环本身由板材搬运步骤、板材移动和装夹、焊接操作等组成。板材搬运过程包括将板材送到焊接机上、使板材在焊接机上初步定位、以及将焊好的成品从其上取下等。之后，初步对齐的板材必须移动到沿着公共焊缝线贴靠对正以便进行焊接，并且要夹紧就位才能保证精确的焊接。焊接功率要求和质量上的考虑限制着最大焊接速度，而且焊好的产品必须离开焊接区以便随后的板材送上来装夹。

授予W.Duley等人的美国专利4,877,939中揭示了一种试图提高激光焊接操作效率的方法。特别是，Duley等人设想用较短波长的射线，比如用激发物激光器发出的紫外线对金属材料进行预处理，以减小材料对红外波长范围内的射线的反射能力。较短波长的射线使板材表面部分氧化以提高其吸收红外线的能力，比如吸收用于切割板材的YAG或CO₂激光器发出的红外线的能力。据说这种预处理增大了用红外激光器能达到的切割速度，并且其质量达到了用传统机械切割装置所达到的质量。

授予C.Banas等人的美国专利4,691,093揭示了一种激光焊接机，它采用多焦点来克服待焊物件的配对表面装配不良问题，以及需要较宽的焊道剖面的其他一些应用中的问题。利用双焦点聚焦镜片的调整，光束两焦点可沿着焊缝在纵向分离开以增加熔池连接，或者说光束间较大的分离可使一个光束在后一激光焦点起作用之前能有效地对材料进行预热。然而在任何情况下，焊接的速度和效率都受激光源的功率及这对光束沿焊缝长度的移动的限制。

授予M.Melville的美国专利4,857,697设想了一种连续缝焊装置，它可包括多个直射到待焊板材的焊缝上的激光束。紧接着相邻焊点的冷却和稳定，脉冲的激光能量沿着焊缝有搭叠地施加。这样，每一脉冲在被下一脉冲部分地再触发之前有时间稳定下来，而这些沿着板材工件之间的对头焊缝长度交替施加的搭叠焊点就形成了焊缝。

在授予M.Farrow的美国专利4,330,699号提出了提高激光焊接技术之效率的另一个尝试。在这里，激光被调制到一个超声波频率以将声波导入焊接接头的溶化物中。Farrow提出最好是紧跟在使用高能焊接激光机之后以较低能级施加“声激光”。然而这两种激光都必须走过焊缝的整个长度以便正常应用。

在沿着公共焊缝线需要较长焊缝的应用中，也已发现在沿着焊缝线维持适当间隙宽度以实现高质量连接方面存在着问题。比如，在需要接合一条长度超过约30英寸(约750毫米或更长)的焊缝线的焊接工艺过程中，热效应常常使间隙随着在第一端施加熔焊而趋于分离，从而引起了焊接装置的对齐问题并有损于焊接效率和完成的焊缝的质量。如这里使用的一样，“较长”一词应当理解为是指一条长得足以允许热效应干扰适当间隙宽度的保持和焊接过程的效率的焊缝线或焊缝。虽然临界长度可能随包括所涉及的材料、间隙宽度、板材厚度、焊接条件、沿着对缝的边缘切口质量之类的许多参数变化，但是，当焊缝线长度超过约750毫米时几乎总是会碰到热问题。

因此，尽管为满足对优化激光焊接速度和质量的一贯要求已经实行了许多尝试，但每种尝试都受焊缝长度、采用的激光装置的功率要求、以及沿焊缝长度的有效焊接速度等的限制。虽然用于监测焊缝间隙宽度和焊道质量的观测系统已有种种改进，并且也已有了多种自动对齐和装夹板材以进行对焊的方法，但迄今为止仍然没有一种能够优化高质量激光焊接的速度以便以较低成本实现快速的零件循环的装置和方法。

本发明的一个目的是提供一种适应于具有较长焊缝的大板材的激光焊接系统，这种系统投资费用较低且具有高的零件循环速率。

本发明的另一个目的是提供一种装置及方法，通过尽量减少板材搬运、结合一种有效且自动的零件装夹结构以及最大限度地缩短实际焊接时间来优化零件循环速率及激光焊接操作。