本發(fā)明涉及一種借助連續(xù)發(fā)射的加工射束通過形成沿著重疊接合點(diǎn)的焊縫而將兩個(gè)由同種材料制成的，特別是由鋁或者高強(qiáng)度鋼制成的第一和第二工件，或者將由不同種金屬材料連接成一個(gè)工件的方法。通過填充在工件之間的重疊接合點(diǎn)處形成的縫隙改善焊縫質(zhì)量。此外，本發(fā)明還涉及一種用于通過沿著重疊接合點(diǎn)形成焊縫的方式連接工件的裝置。

背景技術(shù)：

在利用加工射束焊接的過程中，例如通過激光，在加工射束待連接工件接觸的部位產(chǎn)生熔池。熔池的形狀(寬度，長(zhǎng)度)通過加工射束與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度、加工射束的特性以及很大程度上通過待連接的工件確定。均勻的焊縫路徑通常產(chǎn)生均勻的熔池，也就是說，熔池在焊接過程中具有恒定的大小。然而焊縫路徑的改變(在連接接合點(diǎn)處的工件之間的縫隙，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化的速度以及散熱)導(dǎo)致熔池大小的改變。

在深熔焊接時(shí)需要每平方厘米1兆瓦的非常高的功率密度。加工射束不僅熔化金屬，還會(huì)產(chǎn)生蒸汽。在金屬溶液中形成一個(gè)深的、窄的、充滿蒸汽的孔：所謂的蒸汽毛細(xì)管-也稱作keyhole(英語的鑰匙孔)。蒸汽毛細(xì)管是蒸發(fā)的材料的壓力以及作用在熔液上的表面張力和與蒸汽壓力相反作用的閉合蒸汽毛細(xì)管的重力之間平衡的結(jié)果。蒸汽毛細(xì)管也影響焊縫的質(zhì)量。

在焊接過程中的熔池大小的變化，特別是在高動(dòng)態(tài)條件的蒸汽毛細(xì)管的影響能夠?qū)е屡c熔池大小相關(guān)的共振在特定位置上與熔池表面重疊并且形成所謂的“熔波”。對(duì)部件質(zhì)量的要求日益提高。特別是在汽車領(lǐng)域中，有對(duì)質(zhì)量與產(chǎn)量相結(jié)合的要求。焊接質(zhì)量在焊縫上表面由焊縫觀感(光潔度、平整度)，在焊縫下表面由焊縫下垂度，以及由機(jī)械承載能力(橫截面，形狀，邊緣缺口)和密封性(封閉式焊縫)定義。

在通過加工射束連接工件時(shí)，即使已經(jīng)在工件準(zhǔn)備方面，從部件設(shè)計(jì)開始、沖壓、物流到夾緊和焊接順序或者連接本身的巨大投入，始終在待連接工件之間存在未定義的、不恒定的縫隙。這個(gè)問題尤其涉及到使用范圍越來越廣的高強(qiáng)度鋼材料。高強(qiáng)度鋼在變型過程中被硬化。在接下來的連接環(huán)結(jié)，由于高強(qiáng)度鋼定位產(chǎn)生的縫隙即使在非常大的沖壓力的作用下也無法消除。在其他方面，由于在接合方法中進(jìn)入到部件內(nèi)部的、能夠?qū)е聼嶙冃蔚臒崃渴骨闆r更困難。因此可能存在以下情況，即部件在冷的狀態(tài)具有零縫隙并且只有在熱導(dǎo)入時(shí)才產(chǎn)生縫隙，這種縫隙在生產(chǎn)時(shí)無法察覺也因此無法消除。尤其是高度自動(dòng)化運(yùn)行引起未定義的縫隙。為了滿足日益提高的對(duì)質(zhì)量的要求，這一問題必須被識(shí)別并在接合方法中被修正。

在現(xiàn)有技術(shù)中已知的利用激光束連接(熔焊或釬焊)工件(例如板)的方法和裝置，其中需要在要產(chǎn)生焊縫的位置處施加絲狀的附加材料，從而尤其在兩個(gè)待焊接的工件之間的焊縫上有間隔的縫隙能夠在焊接過程中利用材料進(jìn)行填充。公開文獻(xiàn)de19610242a1給出了一種方法，其中附加材料在進(jìn)給方向的上激光束的后邊被導(dǎo)入到焊接部位的熔池中。通過使用填充焊條使得周期時(shí)間變長(zhǎng)，從而使加工過程相對(duì)變慢。這與高效的批量生產(chǎn)再此違背。

還已知的是，兩個(gè)工件間事先測(cè)量的縫隙能夠通過調(diào)整激光工藝參數(shù)進(jìn)行封閉。公開文獻(xiàn)de3820848a1和de3844727c2給出了一種利用激光束連接工件的方法，其中測(cè)量?jī)蓚€(gè)工件的與連接接合點(diǎn)相鄰的邊沿的高度差并且在連接位置的激光束的強(qiáng)度根據(jù)高度差以如下方式進(jìn)行調(diào)整，即縫隙不是通過由激光束熔化的附加材料就是通過由增強(qiáng)的材料熔化所產(chǎn)生的融化的材料在連接位置所封閉。高度差的測(cè)量通過使用一種不被遮蔽的、由激光束短暫制造的等離子體實(shí)現(xiàn)。

公開文獻(xiàn)de102004043076a1公開了一種利用激光束在重疊接合點(diǎn)處連接工件的方法，其中上部板和下部板之間的高度通過照相系統(tǒng)測(cè)量，并且在工件上的激光燒結(jié)的軌跡通過調(diào)整激光束的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅度根據(jù)縫隙高度地進(jìn)行改變，從而由上部板上熔化足夠多的材料用于封閉縫隙。提高在上部板的能量導(dǎo)入會(huì)影響加工速度，因?yàn)樵谠黾拥耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的幅度中進(jìn)給速度不可避免地會(huì)由于熔化用時(shí)的提高而降低。

尤其是鋁材和熱成型的、高強(qiáng)度的鋼材在汽車制造領(lǐng)域中的日益廣泛的使用不允許待連接的工件間的縫隙的高度變化，因?yàn)樵阡X材中工藝窗口本身已經(jīng)是相對(duì)較小的或者因?yàn)閺募夹g(shù)上來說硬化的材料不能夠在特定的-對(duì)于工藝來說-小的縫隙的情況下擠壓。

由光纖耦合激光源產(chǎn)生的激光在室溫下對(duì)于鋁材的吸收率在1％和2％之間浮動(dòng)，也就是說98％的激光功率被反射。因此需要在加工過程開始時(shí)設(shè)置一個(gè)蒸汽毛細(xì)管(keyhole)，激光的吸收率在其中急劇提高到接近90％。600℃是相對(duì)于鋁的熔點(diǎn)較低的溫度，因此在打開的蒸汽毛細(xì)管(keyhole)中存在向部件中導(dǎo)入過多功率的危險(xiǎn)。從而焊縫會(huì)在部件的下側(cè)下垂，進(jìn)而產(chǎn)生殘次部件。工藝窗口因此相對(duì)較小。在外部工藝條件的波動(dòng)和縫隙寬度的微小變化(最大0.2mm)時(shí)，工藝窗口都會(huì)急劇減小。

此外，在熔融狀態(tài)下的鋁材，由于在熔液與空氣接觸的表面形成的氧化層，而呈膏狀(也就是粘稠的)，其中表面張力在此處是關(guān)鍵性的。這種膏狀的狀態(tài)有損材料的流動(dòng)性。因此，為了產(chǎn)生足夠量的材料，將加工射束放置于上層板上，也就是在連接過程中放置在重疊接合點(diǎn)處的位于上部的工件上，是不夠的。熔融狀態(tài)下的鋁由于氧化層而不會(huì)流到下層板上。需要采取其他影響熔池運(yùn)動(dòng)的措施，從而使熔融的、膏狀的鋁流動(dòng)到在縫隙中。然而需要為此調(diào)整的工藝參數(shù)是彼此多重相關(guān)的。

因此，尤其是對(duì)于鋁或者高強(qiáng)度鋼，存在使用高性能的激光遙控技術(shù)(也就是加工射束或者激光束的定位通過高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的反光鏡進(jìn)行)的愿望，其中需要連續(xù)地測(cè)量縫隙高度(也就是兩個(gè)待連接工件之間在連接接合點(diǎn)處形成的縫隙的高度)并通過調(diào)整工藝參數(shù)借助融化的材料封閉縫隙，其中工藝參數(shù)必須置入到一個(gè)封閉的控制模型中，該閉環(huán)控制模型具有合適的動(dòng)態(tài)特性地整合在閉環(huán)的、自主反應(yīng)的系統(tǒng)工程中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，將兩個(gè)工件在重疊接合點(diǎn)的、在兩個(gè)工件之間具有在整個(gè)重疊部位的長(zhǎng)度上變化的寬度或高度的接縫，利用加工射束連接，其中連接過程應(yīng)當(dāng)能夠通過調(diào)整工藝參數(shù)這樣被影響，即在重疊接合點(diǎn)處形成的縫隙在連接過程中沿著整個(gè)重疊接合點(diǎn)通過符合需求的材料的熔液無縫地消除。用于封閉縫隙的工藝參數(shù)的調(diào)整工作應(yīng)當(dāng)能夠在整個(gè)焊接過程中動(dòng)態(tài)、自動(dòng)并且連續(xù)地實(shí)現(xiàn)，其中為了控制并在必要時(shí)修正所使用的流程參數(shù)，焊縫的形成應(yīng)當(dāng)被監(jiān)視。

該目的通過具有權(quán)利要求1特征的方法和符合權(quán)利要求7的裝置實(shí)現(xiàn)；發(fā)明的實(shí)際實(shí)施例位于從屬權(quán)利要求中。

根據(jù)本發(fā)明將提供一種方法和一種裝置，用于在重疊接點(diǎn)處利用加工射束連接多個(gè)工件，尤其是由鋁或高強(qiáng)度鋼制成的工件。待連接的工件能夠例如是鋁制的板材。加工射束能夠例如是激光；然而加工射束也能夠是一般的電磁波射束(例如紅外線)、粒子射束(例如電子射束)或者聲波射束(例如定向的超聲波)。

根據(jù)本發(fā)明地，在連接時(shí)對(duì)在重疊接合點(diǎn)處的、出現(xiàn)在兩個(gè)待連接工件間的接縫的彌補(bǔ)通過由上層板的，也就是由在焊接重疊接合點(diǎn)處(垂直方向上)位于上部的板或者工件的借助加工射束的材料的熔化以這樣的方式實(shí)現(xiàn)，在焊縫處的縫隙通過熔融狀態(tài)的材料的流下和/或流入完整地借助材料填充。例如在中間具有較大的縫隙的起初(也就是焊接開始前)是直的接縫，，在連接之后將具有一小段曲線，其中曲線的頂點(diǎn)因?yàn)樯蠈影宓娜刍牧隙霈F(xiàn)在縫隙最大的位置上。

根據(jù)目的，為了執(zhí)行上述連接方法設(shè)置一個(gè)連接裝置，該裝置具有所謂的遙控加工光學(xué)部件，也就是用于引導(dǎo)和對(duì)焦加工射束的(如光學(xué))元件以這樣的方式(運(yùn)動(dòng)地)進(jìn)行，允許在加工光學(xué)部件和焊縫間存在較大的加工距離，其中尤其是加工射束的運(yùn)動(dòng)(以及由加工射束在工件上表面生成的燒斑的運(yùn)動(dòng))是通過單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的、由執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的元件在加工光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，從而包含整個(gè)(必要時(shí)由封閉罩封閉)加工光學(xué)系統(tǒng)的單元，能夠除了可能需要的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)外，不需要運(yùn)動(dòng)。

符合需求的熔化，特別是上層板的熔化，基于參照編程的的流程模型的工藝參數(shù)的調(diào)整，通過整合在連接裝置中的的執(zhí)行器的控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、功率控制和加工射束的對(duì)焦，流程模型作為輸入?yún)?shù)包含是材料種類(也就是材料類型)、縫隙高度、工件厚度和工件在空間內(nèi)的位置和彼此間的相對(duì)位置，其中至少對(duì)縫隙高度和部件邊緣位置的計(jì)算是以連續(xù)測(cè)量為基礎(chǔ)的。

根據(jù)本發(fā)明地設(shè)置，縫隙高度既能夠例如利用光切法直接地確定，也能夠間接地通過對(duì)待連接工件的與重疊接合點(diǎn)相鄰的上表面片段(也就是在連接過程中位于上部的上表面部分)的高度位置(例如在連接裝置上的，在垂直方向上相對(duì)于參考位置的)的測(cè)量，其中要考慮到上側(cè)板，也就是在連接過程中在重疊接合點(diǎn)處位于上面的工件的板厚度，從而計(jì)算縫隙高度。

對(duì)于熔化需要調(diào)整的參數(shù)是：進(jìn)給速度(也就是加工射束和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度)、一個(gè)疊加在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)上的加工射束的空間振蕩(也就是在焊接件上的燒斑周期性地往復(fù)擺動(dòng))，其中振蕩通過一個(gè)或多個(gè)振蕩參數(shù)來描述特征，例如幅值或頻率、燒斑相對(duì)于工件邊沿的相對(duì)位置、加工射束在工件上表面的入射角以及加工射束的功率及對(duì)焦(也就是在工件上表面的燒斑大小)。

這些工藝參數(shù)能夠單獨(dú)或共同符合需求地、動(dòng)態(tài)地在焊接過程中調(diào)整；也就是說工藝參數(shù)能夠在焊接過程中根據(jù)在焊接時(shí)已知的(以及例如通過測(cè)量獲取的)條件而變化。

由于需要考慮包括上述工藝參數(shù)在內(nèi)的眾多影響熔液在縫隙內(nèi)的流動(dòng)以及充分填充縫隙的變量，根據(jù)本發(fā)明，對(duì)形成的焊縫設(shè)置一個(gè)跟隨連接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。由此在連接過程中為了可控的焊縫形成以及在必要時(shí)的工藝參數(shù)的調(diào)整，鑒于穩(wěn)定性和/或焊縫質(zhì)量的提高，監(jiān)視通過連接過程產(chǎn)生焊縫的形成。

加工射束在焊接過程中的空間振蕩(也就是離心的擺動(dòng))能夠縱向和/或橫向，然而優(yōu)選地橫向于進(jìn)給方向(也就是加工射束和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向)地進(jìn)行。對(duì)此加工射束將通過位于加工光學(xué)部件內(nèi)的、由執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的、用于在三個(gè)空間方向的至少一個(gè)方向上的射束偏轉(zhuǎn)的元件偏轉(zhuǎn)。例如激光射束能夠通過電流計(jì)觸發(fā)相對(duì)于進(jìn)給方向的縱向或橫向的偏轉(zhuǎn)。

熔池和蒸汽毛細(xì)管在焊接過程中在進(jìn)給方向上沿著兩個(gè)待連接工件的連接接合點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，其中蒸汽毛細(xì)管通過由主動(dòng)空間燒斑定位引起的振蕩還影響環(huán)繞熔池的振蕩。在此振蕩確定了一個(gè)重要的因素，即待連接工件的材料以及在工件上的涂層。

通過利用射束振蕩實(shí)現(xiàn)的蒸汽毛細(xì)管和/或熔液的擺動(dòng)影響能夠依據(jù)工件材料、重疊接合點(diǎn)處的縫隙高度和焊接時(shí)的進(jìn)給速度地觀察含鋁(和被氧化層覆蓋的)熔液的流動(dòng)。其中特別是振蕩參數(shù)，如頻率、幅值和擺動(dòng)形狀(如正弦、矩形、三角或鋸齒形)需要作為因素考慮。

此外還可以設(shè)置成，利用運(yùn)動(dòng)的、例如光學(xué)的、連接裝置的遙控加工光學(xué)系統(tǒng)能夠改變?cè)诠ぜ媳砻娴募庸ど涫娜肷浣?、焦距?或校正以及由此改變加工射束的對(duì)焦。由此能夠有針對(duì)性地調(diào)節(jié)在工件表面上的燒斑的大小(也就是空間范圍)和幾何形狀，以及功率密度。角度調(diào)整和對(duì)焦調(diào)整能夠通過馬達(dá)、壓電、液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)(在軸向的射束方向)進(jìn)行。

用來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法所設(shè)置的連接裝置具有用來識(shí)別相對(duì)加工頭的連接接合點(diǎn)的相對(duì)位置的第一傳感器和適用于檢測(cè)上層板和下層板之間的距離(定量的)的第二傳感器。也能夠設(shè)置為，用于識(shí)別連接接合點(diǎn)的位置的第一傳感器和用于確定縫隙高度的第二傳感器整合在一個(gè)單獨(dú)的傳感器中。該傳感器包括例如能夠在連接點(diǎn)處、在進(jìn)給方向上出現(xiàn)在工件表面上的加工射束(也就是燒斑)的前方投影一條垂直于工件表面上的連接接合點(diǎn)光線，以及例如基于ccd或cmos的微芯片的數(shù)碼相機(jī)，以這樣的方式設(shè)計(jì)和設(shè)置，通過該相機(jī)能夠獲得在工件表面上投影的光線的區(qū)域中的連接點(diǎn)的圖片，至少在投影裝置獲得的光線波長(zhǎng)范圍內(nèi)的連接點(diǎn)的圖片，然而優(yōu)選在可見光、近紅外和遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的以拍攝頻率至少50hz拍攝的圖片。

此外用來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法所設(shè)置的連接裝置具有與一個(gè)或幾個(gè)傳感器相連的評(píng)估及調(diào)節(jié)單元，通過其幫助能夠進(jìn)行對(duì)傳感器所獲得的例如通過相機(jī)拍攝的畫面所能包含的數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和評(píng)估，其中評(píng)估和調(diào)節(jié)單元以這樣的方式設(shè)置，使其能夠通過軟件驅(qū)動(dòng)。例如所述評(píng)估和控制單元是帶有用于連接傳感器的接口的計(jì)算機(jī)(pc)或者一個(gè)高度集成的具有所謂“嵌入式”(embedded)軟件的控制裝置。

此外評(píng)估和調(diào)節(jié)單元具有至少一個(gè)(另外的)用于與連接裝置的遙控加工光學(xué)系統(tǒng)相連的接口和用于產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，通過該執(zhí)行器能夠調(diào)節(jié)與加工射束相關(guān)的工藝參數(shù)，如振蕩或?qū)购瓦M(jìn)給速度。也可以設(shè)置成，評(píng)估和調(diào)節(jié)單元具有用于連接產(chǎn)生加工射束的加工射束制造單元的接口，用于例如功率調(diào)節(jié)。

此外連接裝置能夠這樣設(shè)置，能夠利用其中一個(gè)傳感器測(cè)量工件相對(duì)于加工頭的位置，也就是其分別繞三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。為了確定工件相對(duì)于垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，連接裝置能夠具有一個(gè)例如設(shè)置在加工頭上的、額外的角傳感器。

借助上述的連接裝置，具有自動(dòng)適應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的根據(jù)本發(fā)明的連接方法，借助用于改善在連接過程中第一工件和第二工件在包含連接縫隙的重疊接合點(diǎn)處的焊縫質(zhì)量的流程模型，以如下的步驟進(jìn)行：

根據(jù)在重疊接合點(diǎn)處的第一和第二待連接工件之間的縫隙的高度的確定、根據(jù)材料(也就是材質(zhì))和根據(jù)可能的兩個(gè)待連接工件的鍍層以及根據(jù)所應(yīng)用的焊接進(jìn)給速度將確定在焊接過程中需要設(shè)置的參數(shù)。該過程優(yōu)選地在技術(shù)人員將傳感器無法獲得的輸入?yún)?shù)手動(dòng)輸入后，通過評(píng)估和調(diào)節(jié)單元進(jìn)行。

縫隙的高度的確定能夠通過例如測(cè)量重疊接合點(diǎn)的斷層的高度并且減去上層板的板厚度(已知)完成。重疊部位的斷層的高度的確定可以(自動(dòng))通過激光三角測(cè)量法進(jìn)行。也能夠通過其他方法確定高度，例如通過光學(xué)相干性斷層攝影術(shù)或通過評(píng)估投影在重疊接合點(diǎn)的光線的扭曲的方法確定。

下一步將利用流程模型根據(jù)材料、縫隙高度、工件厚度、和工件在空間內(nèi)的位置(也就是相對(duì)于連接裝置的遙控加工光學(xué)系統(tǒng)的位置)和彼此之間的相對(duì)位置確定工藝參數(shù)，例如加工射束的振蕩參數(shù)、進(jìn)給速度和燒斑大小。這些參數(shù)決定性地影響熔池的大小和熔池流動(dòng)。特別是能夠通過有針對(duì)性的輸入加工射束的振蕩參數(shù)實(shí)現(xiàn)了，通過例如在諧振中的、在熔池上形成的熔波中的加工射束振蕩的耦合使膏狀、含鋁的熔液由上層板流到下層板上并且流入上層板和下層板之間的縫隙中。已確定的理論工藝參數(shù)可能會(huì)與當(dāng)前在連接過程中使用的實(shí)際工藝參數(shù)不同。

對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，例如在遙控加工光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，控制連接裝置內(nèi)和利用評(píng)估和調(diào)節(jié)單元控制加工射束制造單元，需要對(duì)輸入調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行同步。因此加工射束的功率例如與最大為8hz的頻率或者加工射束源常用的調(diào)節(jié)極限、主動(dòng)掃描單元的運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)對(duì)焦以及其他位置傳感器相互協(xié)調(diào)地確定。

根據(jù)所述方法的理論工藝參數(shù)的確定能夠利用評(píng)估單元根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)(例如以所謂“查詢表”的形式)完成，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中為了大量的輸入?yún)?shù)的組合記錄有相對(duì)應(yīng)的待使用的工藝參數(shù)，這些參數(shù)例如是通過經(jīng)驗(yàn)確定的。該數(shù)據(jù)庫(kù)能夠置于評(píng)估和調(diào)節(jié)單元內(nèi)，從而待使用的工藝參數(shù)的選擇能夠通過評(píng)估和調(diào)節(jié)單元自動(dòng)進(jìn)行。

理論工藝參數(shù)的確定也能夠通過解析函數(shù)(同樣可能是經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，例如通過對(duì)離散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組進(jìn)行曲線擬合確定)完成。同樣可能的是，理論工藝參數(shù)通過利用(復(fù)雜的)仿真模型在評(píng)估和調(diào)節(jié)單元內(nèi)自動(dòng)計(jì)算而得出。

此外還能夠設(shè)置，在焊接過程后進(jìn)行焊縫觀察和分析，該工作是為了檢查和必要時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)而加入的。對(duì)此將通過焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器直接(在進(jìn)給方向上)在熔池后邊測(cè)量焊縫并且自動(dòng)地進(jìn)行焊縫質(zhì)量(例如焊縫上表面的焊縫觀感、焊縫下表面的焊縫下垂度，影響機(jī)械承載能力的焊縫地形特性和/或其密封性)的分析。如果分析結(jié)果反映存在例如不完整封閉的縫隙，將通過評(píng)估和調(diào)整單元對(duì)工藝參數(shù)這樣進(jìn)行調(diào)整，即在接下來的焊接過程中重新通過上層板融化形成的熔融的材料完整地封閉縫隙。

焊縫觀察和分析能夠作為一個(gè)或多個(gè)工藝步驟在焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器中進(jìn)行?；蛘吆缚p的測(cè)量工作通過焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器進(jìn)行，分析工作在與焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器相連的評(píng)估和調(diào)節(jié)單元中進(jìn)行。

焊縫觀察工作能夠通過高速照相機(jī)進(jìn)行，該相機(jī)也是在紅外區(qū)域感光的。分析工作能夠自動(dòng)地借助基于相機(jī)拍攝的焊縫圖像實(shí)時(shí)的搜尋具有缺陷特征的圖像的圖像處理軟件進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于，通過對(duì)工藝參數(shù)(例如振蕩頻率和幅值)的有針對(duì)性的調(diào)整，能夠連續(xù)實(shí)時(shí)地使在重疊接合點(diǎn)處形成的、沿著連接接合點(diǎn)具有隨機(jī)變化的縫隙高度的縫隙始終可靠地封閉。由于待使用的工藝參數(shù)在焊接過程中始終根據(jù)利用傳感器獲得的實(shí)際位置重新確定，所以其調(diào)整工作能夠在流程中動(dòng)態(tài)地完成，其中同樣能夠?qū)ψ兓妮斎雲(yún)?shù)(例如工件相對(duì)于彼此在焊縫上的位置變化)實(shí)時(shí)地方法固有地進(jìn)行反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其高自動(dòng)化的程度，使得僅僅需要在焊接過程的開始時(shí)在例如評(píng)估和調(diào)節(jié)單元中(手動(dòng))輸入受連接過程影響的參數(shù)，如工件的材料組成或板厚度。

此外如果通過焊縫分析發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量變差，通過在焊接過程之后的焊縫觀察和分析能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待使用的實(shí)際工藝參數(shù)的瞬間修正，從而保證焊縫質(zhì)量始終良好。

通過根據(jù)本發(fā)明的方法能夠顯著地降低準(zhǔn)備部件的成本。此外能夠簡(jiǎn)化用于壓緊待連接工件的夾緊裝置或者使卡具不必為了使工件彼此以恒定的、小的縫隙或者甚至無縫隙的方式固定而以通常的精度調(diào)節(jié)。由此可以顯著地減少工藝時(shí)間并且節(jié)省成本。

根據(jù)本發(fā)明的連接裝置將數(shù)值測(cè)量和對(duì)所有必要操作變量的調(diào)節(jié)統(tǒng)一在一個(gè)設(shè)備中。連接過程能夠全自動(dòng)地進(jìn)行，也就是不必引入其他的外部措施。

能夠設(shè)置為，加工射束的振蕩，也就是振蕩幅度在時(shí)域上的曲線走勢(shì)具有正弦曲線、三角形(鋸齒形)、矩形或其他高階函數(shù)的形狀，從而使功率分布與部件特性相匹配。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為了通過后置的焊縫觀察和分析工作發(fā)現(xiàn)的、必要的理論工藝參數(shù)的修正能夠使用革命性的算法。該革命性的算法允許輸入?yún)?shù)或測(cè)量變量，優(yōu)選縫隙高度，與待使用的工藝參數(shù)根據(jù)良好的焊接結(jié)果(重新)組合。通過這種方式能夠產(chǎn)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)，其能夠持續(xù)地對(duì)變化的影響因素做出反應(yīng)。由此而重新獲得的參數(shù)組合能夠例如永久地放置在評(píng)估和調(diào)節(jié)單元中的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)或者放置在焊接期間與數(shù)據(jù)庫(kù)無關(guān)的存儲(chǔ)區(qū)域中。通過該靈活度不受限制的方法能夠根據(jù)在焊接過程中的焊接質(zhì)量分別動(dòng)態(tài)地在焊接過程中對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

還能夠這樣設(shè)置，在焊接期間由于(外部)流程特定的要求而對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行必要的改變時(shí)，根據(jù)改變的進(jìn)給速度而確定工藝參數(shù)(進(jìn)給速度除外)，也就是說進(jìn)給速度將作為不受影響的工藝參數(shù)處理，而其他的工藝參數(shù)在焊接過程中與通過外部輸入改變的進(jìn)給速度相匹配。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為了改善含鋁熔液的流動(dòng)性并且臨時(shí)性地去除熔液表面形成的氧化層，在加工射束上加調(diào)制短時(shí)脈沖，也就是說由加工射束制造單元產(chǎn)生的連續(xù)的加工射束以脈沖形式(功率上)加強(qiáng)。其中能夠這樣設(shè)置，脈沖在焊接過程中在連續(xù)發(fā)射的加工射束在工件表面上的同樣的作用位置處出現(xiàn)，或者加工射束在脈沖時(shí)段鐘偏轉(zhuǎn)到工件表面上的與形成焊縫的作用位置距離很近的位置上，其中距離優(yōu)選地小于4mm。

附圖說明

本發(fā)明接下來將根據(jù)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的連接裝置的概括圖和重疊接合點(diǎn)的縱截面圖；

圖2示出了具有垂直于重疊接合點(diǎn)的振蕩的加工射束的重疊接合點(diǎn)的縱截面圖；和

圖3示出了垂直于重疊部位的振蕩的加工射束在燒斑內(nèi)的強(qiáng)度分布。

具體實(shí)施方式

根據(jù)圖1的連接裝置是帶有遙控激光加工光學(xué)系統(tǒng)的激光束焊接裝置；加工光束因此是激光。激光束制造單元1產(chǎn)生激光束2，其由沿著射束軸可移動(dòng)的瞄準(zhǔn)單元3瞄準(zhǔn)到圍繞其各自的橫軸振蕩的偏轉(zhuǎn)單元4a和圍繞其縱軸振蕩的偏轉(zhuǎn)單元4b上。對(duì)焦單元5最終在工件6(上層板)和7(下層板)的表面上產(chǎn)生激光燒斑8，該燒斑以進(jìn)給速度vs沿著連接接合點(diǎn)移動(dòng)。

投影裝置10利用測(cè)量光束11在工件表面上投影一條垂直于連接部位的光線。傳感器13檢測(cè)該光線，其中傳感器對(duì)焦單元12可以串聯(lián)在傳感器13的前端。與傳感器相連的評(píng)估和調(diào)節(jié)單元15由此計(jì)算出準(zhǔn)確的連接接合點(diǎn)的位置、工件6和7的相對(duì)位置(或者兩個(gè)工件之一是上層板6)以及在工件6和7之間的連接部位處的縫隙16的高度。

焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器18在燒斑8后直接生成一個(gè)在進(jìn)給方向(x)上的焊縫的抓拍。該抓拍將由評(píng)估和調(diào)節(jié)單元15處理并且流程參數(shù)在出現(xiàn)焊縫質(zhì)量變差跡象時(shí)根據(jù)留存在評(píng)估和調(diào)節(jié)單元15中的流程模型與獲得的跡象匹配。

圖2示出了遙控激光加工光學(xué)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)單元4a，其由評(píng)估和調(diào)整單元15控制，激光束2在重疊接合點(diǎn)上方這樣振蕩，即由鋁制成的上層板6熔化，從而形成熔池17。此外以這樣的方式調(diào)整振蕩參數(shù)，至少膏狀熔池17的一部分流到下層板7上，其中將接縫16封閉。

圖3中描繪了在工件表面上生成的激光燒斑8的強(qiáng)度分布。激光束2(或者激光燒斑8)的振蕩這樣調(diào)整，使垂直于連接部位、由激光2導(dǎo)入到工件表面上的強(qiáng)度i的最大值i2位于上層板6上。強(qiáng)度i的額外的局部最大值i1位于下層板7上。

附圖標(biāo)記

1加工激光

2激光束

3瞄準(zhǔn)單元

4a偏轉(zhuǎn)單元，圍繞其橫軸振蕩

4b偏轉(zhuǎn)單元，圍繞其縱軸振蕩

5對(duì)焦單元

6工件(上層板)

7工件(下層板)

8激光燒斑

10投影裝置

11測(cè)量光束

12傳感器-對(duì)焦單元

13傳感器

15評(píng)估和調(diào)節(jié)單元

16縫隙

17熔池

18焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器

vs進(jìn)給速度

i強(qiáng)度

xx-方向/進(jìn)給方向

yy-方向/垂直于進(jìn)給方向

zz-方向/垂直線

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種利用連接裝置的加工射束(2)連接工件的方法，所述連接裝置具有加工光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)帶有用于引導(dǎo)加工射束(2)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)單元和用于將該加工射束對(duì)焦到待連接的第一(6)和/或第二(7)工件表面上的至少一部分可動(dòng)的多個(gè)光學(xué)元件，所述方法包含通過利用加工射束(2)產(chǎn)生的一個(gè)空間上有限的熔池(17)將第一(6)與第二(7)工件在重疊接合點(diǎn)上進(jìn)行的連接，其中，

-所述加工射束(2)在連接過程中進(jìn)行由振蕩參數(shù)定義的、空間上的振蕩運(yùn)動(dòng)，

-測(cè)量一個(gè)或多個(gè)相關(guān)于垂直線的、在分別的通過所述加工射束(2)待加工的加工位置處的、與重疊接合點(diǎn)相接的所述第一工件(6)的上表面片段上的高度位置和在加工位置處的、與重疊接合點(diǎn)相接的所述第二工件(7)的上表面片段上的高度位置，

-鑒于處于加工位置的、與重疊接合點(diǎn)相接的第一(6)和第二(7)工件的上表面片段之間的高度差的確定對(duì)高度位置進(jìn)行評(píng)估，并且

-在加工位置上處于較高位置的工件(6)的上表面片段中，所述加工射束(2)的能量導(dǎo)入隨著重疊接合點(diǎn)的高度差的變大而變大，并且隨著高度差的減小而減小，

其特征在于，

-對(duì)重疊部位、第一(6)和第二(7)工件的位置進(jìn)行確定，

-基于已編程的、至少與待連接工件(6,7)的材料組成、工件(6,7)的厚度以及在連接過程中連續(xù)確定的縫隙(17)的高度和工件(6,7)在空間內(nèi)的位置以及彼此相對(duì)的位置有關(guān)的流程模型來實(shí)現(xiàn)振蕩運(yùn)動(dòng)的振蕩參數(shù)以及加工射束(2)的調(diào)焦的多個(gè)工藝參數(shù)的設(shè)置，

-其中，加工射束(2)的振蕩運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)振蕩參數(shù)這樣確定，即，使加工射束(2)的振蕩在熔池(17)的表面上形成的熔波中耦合，從而熔化的材料從加工位置上的熔池(17)流入到重疊接合點(diǎn)處的兩個(gè)工件(6,7)之間形成的縫隙(16)中。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以光切法為基礎(chǔ)地完成高度位置的測(cè)量，其中至少一條投影在部件上的測(cè)量線通過相機(jī)記錄并且為了得到與加工位置相接的第一(6)和第二(7)工件的上表面片段的高度位置而評(píng)估測(cè)量線的扭曲。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以激光的運(yùn)行時(shí)間測(cè)定為基礎(chǔ)地完成高度位置的測(cè)量，其中為了第一(6)和第二(7)工件的上表面片段上的大量的測(cè)量位置，測(cè)量由激光束發(fā)射器到達(dá)各個(gè)測(cè)量位置的激光的運(yùn)行時(shí)間并且根據(jù)測(cè)得的運(yùn)行時(shí)間差來確定上表面片段在空間中的方位以及與加工位置相接的第一(6)和第二(7)工件的上表面片段的高度差。

4.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)包括加工射束(2)的振蕩運(yùn)動(dòng)的振蕩參數(shù)，進(jìn)給速度(vs)，加工射束(2)的功率，加工射束(2)的功率的振蕩，加工射束(2)的射束軸線與垂直方向(z)的夾角，加工射束(2)的燒斑(8)在工件表面上的幾何形狀和大小。

5.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，待調(diào)節(jié)的所述振蕩參數(shù)包括加工射束(2)的空間振蕩的幅值和/或振蕩頻率和/或振蕩形狀。

6.根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，描述所生成的焊縫的質(zhì)量特征的質(zhì)量測(cè)量值，在進(jìn)給方向(x)上直接在加工射束(2)后方利用光學(xué)加工的焊縫質(zhì)量檢測(cè)傳感器(18)測(cè)得并且鑒于變差的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估并且通過調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)彌補(bǔ)變差的質(zhì)量。

7.利用所述加工射束(2)根據(jù)權(quán)利要求1到6中任意一項(xiàng)所述的方法在重疊接合點(diǎn)處將第一工件(6)與第二工件(7)相連的連接裝置，具有加工射束制造單元(1)，帶有用于引導(dǎo)所述加工射束(2)的掃描裝置(4a、4b)和用于將所述加工射束(2)在待連接的第一(6)和/或第二(7)工件表面上對(duì)焦的部分可動(dòng)的光學(xué)元件(3,5)的遙控加工光學(xué)系統(tǒng)，用于確定重疊部位、第一(6)和第二(7)工件各自位置的多個(gè)傳感器，和與傳感器、加工射束制造單元(1)和遙控加工光學(xué)系統(tǒng)相連的評(píng)估和調(diào)節(jié)單元(15)，通過這樣的方式設(shè)置，使遙控加工光學(xué)系統(tǒng)和加工射束制造單元(1)能夠基于在評(píng)估和調(diào)節(jié)單元(15)中的、程序化的流程模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述流程模型至少與在程序開始前需要輸入的待連接工件(6,7)的材料組成和工件(6,7)的厚度，以及通過傳感器測(cè)量值能夠確定的在重疊接合點(diǎn)處的第一(6)和第二(7)工件之間的縫隙(17)的高度和工件(6,7)在空間內(nèi)的以及彼此相對(duì)位置有關(guān)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連接裝置，其特征在于，在所述評(píng)估和調(diào)節(jié)單元(15)中存放用于輸入?yún)?shù)的大量數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括待連接工件(6,7)的材料組成、縫隙高度、工件厚度、工件(6,7)彼此相對(duì)的位置和/或通過六個(gè)自由度確定的工件(6,7)在空間內(nèi)的位置，和用于工藝參數(shù)的分別對(duì)應(yīng)的規(guī)定值的組合。

9.根據(jù)權(quán)利要求7到8任意一項(xiàng)所述的連接裝置，其特征在于，連接裝置具有用于確定第一(6)和/或第二(7)工件的上側(cè)分別相對(duì)于遙控加工光學(xué)系統(tǒng)所包含的加工裝置的加工頭的傾斜程度的角傳感器。

10.根據(jù)權(quán)利要求7到9任意一項(xiàng)所述的連接裝置，其特征在于，連接裝置具有與所述評(píng)估和調(diào)節(jié)單元(15)相連的焊接質(zhì)量檢測(cè)傳感器(18)，通過所述焊接質(zhì)量檢測(cè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)地在進(jìn)給方向(x)上的熔池后方直接測(cè)量焊縫。