专利名称：激光焊接装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种激光焊接装置和方法。
背景技术：
近年来，激光焊接越来越多地应用于机器人焊接。日本专利No.3229834示出了一种激光焊接技术，在该激光焊接技术中，保持安装在机器人手臂顶端上的激光焊接设备固定，并且转动激光焊接设备内部的反射镜，以使激光束分配到多个焊点中的每个上。
在ARGES GmbH于2003年6月出版的第0002243-01期“FIBER ELEPHANT”数据表中，示出了根据从激光焊接设备到多个焊点的不同距离调节激光束焦距的激光焊接技术。如果用这种激光焊接技术调节焦距，激光束在焦点处的光点尺寸随着焦距改变而改变。结果，所聚焦光能的量或密度随着焦距而改变。因此，可能需要分别调节用于每个焊点的激光照射时间段。
已公开的日本专利申请No.2004-050246示出了在焊点处的激光光点尺寸在焊点之间基本上保持恒定，以消除由激光焦距改变而引起的激光焦点尺寸不同的激光焊接技术。该激光焊接技术以使用除焦点之外的点将焊点处的激光光点尺寸在焊点之间保持恒定的方式与到每个焊点的距离无关地改变激光束焦距。
发明内容
在上述使用除激光束焦点之外的点的技术中，不可能充分使用在焦点处获得的激光束的最大能量密度。
因此，本发明的目的在于提供一种用于调节激光束的焦点和激光束在焦点处的光点尺寸的激光焊接装置和方法。
根据本发明的一个方面，激光焊接装置包括激光焊接单元，该激光焊接单元包括激光聚焦部，其被布置成聚焦激光束；焦点调节部，其被布置成调节激光束的焦距，以将激光束聚焦在所需焦点，并被布置成将激光束的激光焦点尺寸调节为所需的。该激光焊接单元可进一步包括激光分配部，其被布置成调节从激光聚焦部射出的激光束的相对移动方向。该激光焊接装置可进一步包括致动器，其被构造成使所述激光焊接单元移动；控制单元，其被连接用于与所述激光焊接单元和所述致动器进行信号通讯，并被构造成执行下列各项使所述激光焊接单元沿预定轨迹以预定速度移动；将所述激光束导向第一焊点；调节所述焦距，以将所述激光束聚焦在所述第一焊点；保持所述激光焦点尺寸基本上恒定；在完成用于所述第一焊点的焊接之后，将所述激光束导向第二焊点。
根据本发明的另一个方面，一种控制所述激光焊接装置的激光焊接方法，其包括使所述激光焊接单元沿预定轨迹以预定速度移动；将所述激光束导向第一焊点；调节所述焦距以将所述激光束聚焦在所述第一焊点；保持所述激光焦点尺寸基本上恒定；在完成用于所述第一焊点的焊接之后，将所述激光束导向第二焊点。
根据本发明的又一个方面，激光焊接装置包括激光聚焦部件，用于聚焦激光束；焦点调节部件，用于调节所述激光束的焦距，以将所述激光束聚焦在所需的焦点，并被布置成将所述激光束的激光焦点尺寸调节为所需的。
图1是根据第一实施例的激光焊接装置的示意性透视图。
图2A至2C是示出在图1的激光焊接装置中调节激光束焦点和激光束焦点尺寸的原理图。
图3是根据第二实施例的激光焊接装置的示意性透视图。
图4是图3的激光焊接装置的激光加工头的示意性透视图。
图5是示出在图3的激光焊接装置中激光加工头被安装到机器人上的示例的图。
图6是在图3的激光焊接装置中激光加工头安装到机器人上的另一示例图。
图7是示出图3的激光焊接装置的控制系统的方框图。
图8是示出在图3的激光加工装置中激光加工头的移动和激光束移动方向的变化图。
图9是示出将由图3的激光焊接装置执行的激光焊接控制程序的流程图。
图10示出了由参考激光焊接技术执行的激光焊接操作。
图11A和11B是示出第二实施例与参考例之间的整个焊接操作时间段的比较图。
图12是示出凸透镜中折射和焦距之间的总体关系图。
具体实施例方式
现在参考图1至2C，图中示出了根据第一实施例的激光焊接装置。图1是第一实施例的激光焊接装置的示意性透视图。如图1所示，第一实施例的激光焊接装置包括作为激光焊接单元的激光加工头3。激光加工头3包括透镜组12、反射镜11以及容纳透镜组12和反射镜11的箱体30。透镜组12是光学部件，用于使激光束以任意焦距聚焦和任意调节激光束在焦点处的光点尺寸或光点直径。反射镜11是激光分配部件，用于在预定区域内任意地改变来自透镜组12的激光束的移动方向。箱体30与光导纤维电缆6相连。光导纤维电缆6用于将激光束从激光振荡器引导到激光加工头3，具体为引导到透镜组12。
透镜组12包括用于将激光束聚焦在焦点的第一透镜31；用于将激光束发散到第一透镜31的第二透镜32；用于将激光束引导到第二透镜32、防止来自光导纤维电缆6的激光束发散的第三透镜33。这些透镜31-33由透镜筒35支撑，该透镜筒35用作透镜位置改变部件，用于改变透镜31-33之间的距离。透镜筒35包括在其内周壁上的螺旋槽41-43，这些螺旋槽各自与形成在透镜31-33的每一个中的突起36接合。透镜31-33每个都被布置成分别随着透镜筒35的转动根据槽41-43的移动沿透镜筒35的纵向移动。槽41-43的形状被形成为透镜31-33之间的距离改变导致对激光束的焦距和焦点尺寸进行调节。在本实施例中，槽41-43被形成为透镜31-33可纵向移动以改变激光焦距，从而在整个约500mm的纵向范围上改变组合焦点的位置，并且将激光焦点尺寸保持为基本恒定。
尽管由于激光焊接装置的机械精度或者透镜的光学精度，激光焦点直径可不完全恒定，考虑到激光焊接所需的精度，优选为激光焦点尺寸的变化小于5％。因此，虽然将考虑焊接材料的质量、厚度、板的数量、所需的焊接能量等，但可连续地进行用于多个焊点的焊接操作，而不需改变其他焊接条件，例如用于激光照射的时间段，这些多个焊点具有到激光焊接装置不同的距离。在本实施例中，在焦点在约500mm的范围内变化的情况下，激光焦点尺寸的变化被设计为小于5％。
在箱体30内设置用于使透镜筒35绕其纵轴线转动的电动机45和辊46。电动机45用于转动辊46。辊46被布置成与透镜筒35的外周壁接触，并且使透镜筒35随着它的转动而转动。如前所述，透镜筒35的转动改变了透镜31-33中每一个的位置。转动制动器47被固定地保持在箱体30中，并沿透镜筒35的纵轴线延伸。转动制动器47被布置成限制透镜31-33绕透镜筒35的纵轴线转动，而允许透镜31-33的纵向移动。
以下说明了即使当焦距根据三个透镜之间的距离的变化而变化时用于任意调节激光焦点尺寸的原理。图2A-2C是示出调节在第一实施例的激光焊接装置中的激光束焦点和激光束的焦点尺寸的原理图。
第一透镜31用作将激光束聚焦在焦点。因此，第一透镜31基于凸透镜形成。在这种凸透镜中，焦距根据入射激光束的发散角而改变。激光束的发散角用θ表示，并被定义为从图2A中由F′表示的虚焦点发出的激光束的角度，该激光束由如下所述的第二透镜32发散。第一透镜31的焦距f随着发散角θ的减小即随着激光束接近平行光束而减小。另一方面，焦距f随着发散角θ增大即随着激光束愈加发散到第一透镜31而增大。图12是示出凸透镜中折射和焦距之间的大体关系的图。如图12所示，凸透镜31a的折射率相对于入射激光束的发散角恒定。在这样的情况(发散角θ1＜发散角θ2)下，以发散角θ2入射的激光束被聚焦在比以发散角θ1入射的激光束远的点。在图12中，基于发散角θ1的激光束的焦点用G1表示，基于发散角θ2的激光束的焦点用G2表示。
通常，凸透镜的焦点具有根据透镜的衍射极限所确定的一定尺寸，该焦点是光束在通过该透镜之后最狭窄的点。激光焦点尺寸d由以下等式表示。
d＝(4/п)·(λ·f/D) ...(1)其中，λ是激光束的波长，D是激光束的宽度。显然，当入射到第一透镜31的激光束的光束宽度D保持恒定时，激光焦点尺寸d随着焦距f的变化而变化。然而，除改变焦距f之外，还可通过改变光束宽度D来任意地改变激光焦点尺寸d。即通过改变入射到凸透镜的激光束的光束宽度D来改变激光焦点尺寸。
在本实施例中，通过调节入射到第一透镜31的激光束的发散角θ和光束宽度D，任意地调节焦距f和与焦距无关地任意地调节激光焦点尺寸d。为了调节入射到第一透镜31的激光束的发散角θ和光束宽度D，设置了第二透镜32和第三透镜33。第二透镜32用于发散入射激光束，因此基于凹透镜形成。凹透镜发散入射激光束。通过改变第二透镜32和第一透镜31之间的距离来调节射入第一透镜31的激光束的光束宽度D。另一方面，通过改变虚焦点F′的位置来改变发散角θ。通过调节第三透镜33和第二透镜32之间的距离来改变虚焦点F′的位置。第三透镜33将激光束引导至第二透镜32，从而防止了来自光导纤维电缆6的激光束发散。通过改变第三透镜33和第二透镜32之间的距离以及改变第三透镜33的位置来改变第三透镜33的焦点。这导致虚焦点F′的位置变化。如果在上述构造中没有第三透镜33的情况下，可能出现，当激光束由光导纤维电缆6引导并作为发散光束从光导纤维电缆6的顶端直接发射到第二透镜32时，激光束的发散程度太高。另外，在没有第三透镜33的情况下，不可能改变射入第二透镜32的激光束的虚焦点F′的位置。
以下参考图2A至2C详细说明透镜的运动。这里，通过改变激光焦距，在整个约500mm的范围内改变激光焦点位置。图2A示出了焦距f为最短设定时的情况。图2B示出了以下的情况，即，焦距f为比图2A中长的f1，并且激光焦点尺寸d与图2A中的相同。在图2B的情况下，相对于图2A的情况，增大射入第一透镜31的激光束的发散角θ，以增大激光焦距。另一方面，增大射入第一透镜31的激光束的光束宽度D，以消除如上述等式(1)所示的根据焦距增大而导致的激光焦点尺寸d的增大，从而激光焦点尺寸d与图2A中的相同。因此，相对于图2A的情况，在第三透镜33和光导纤维电缆6的激光射出点的间隔被增大的同时，第一透镜31和第二透镜32之间的间隔以及第二透镜32和第三透镜33之间的间隔均被增大。图2C示出了以下情况，即，焦距f进一步增大为f2，并且激光焦点尺寸d与图2A中的相同。在图2C的情况下，相对于图2B的情况，增大射入第一透镜31的激光束的发散角θ，以增大激光焦距。另一方面，增大射入第一透镜31的激光束的光束宽度D，以消除由于焦距增大而导致的激光焦点尺寸d的增大，从而激光焦点尺寸d与图2A和图2B中的相同。因此，在第三透镜33和光导纤维电缆6的激光射出点之间的间隔被进一步增大的同时，第一透镜31和第二透镜32之间的间隔以及第二透镜32和第三透镜33之间的间隔都被进一步增大。如图2A所示，激光束的光点尺寸在组合焦点P处最小，而在焦点以外的点P1和P2处激光束的光点尺寸大于激光焦点尺寸d。因此，激光束的能量被最多地聚集到焦点P处的最小区域。
如上所述，即使当焦距变化时，本实施例的激光焊接装置有效地任意控制激光焦点尺寸。特别地，在其中激光焦点尺寸保持恒定的激光焊接装置对于提高激光能量的效率以及在无需调节用于每个焊点的焊接时间的情况下进行焊接都是有效的。
在上述第一实施例中，透镜组12用作被布置成聚焦激光束的激光聚焦部。透镜筒35、突起36、槽41-43、电动机45、辊46和转动制动器47用作焦点调节部，该焦点调节部被布置成调节激光束的焦距以将激光束聚焦在所需的焦点，并将激光束的激光焦点尺寸调节为所需的。具体地，焦点调节部被布置成调节第一透镜、第二透镜和第三透镜中的每一个的相对位置，以调节射入第一透镜的激光束的发散角和光束宽度。反射镜11用作激光分配部，该激光分配部被布置成调节从激光聚焦部(第一透镜)射出的激光束移动的相对方向。
现在参考图3至10，图中示出了根据第二实施例的激光焊接装置。第二实施例的激光焊接装置包括第一实施例的激光焊接装置的激光加工头3。图3是第二实施例的激光焊接装置的示意性透视图。图4是图3的激光焊接装置的激光加工头的示意性透视图。与传统的点焊技术相比，该激光焊接装置使用激光束从远离工件的位置进行焊接，而不需与工件直接接触。因此，这种激光焊接被称为远程焊接。如图3所示，本实施的激光焊接装置包括机器人1；激光加工头3，其安装在机器人1的机器人手臂2顶端上，且用于射出激光束100；激光振荡器5，作为激光束源；光导纤维电缆6，其被布置成将激光束从激光振荡器5引导至激光加工头3。
机器人1是被称为多关节型机器人的通用多轴机器人，其被构造成根据由示教操作给出的运动路线数据来改变姿态，以使机器人手臂2的顶端运动，或者用作移动激光加工头3的致动器。
如图4所示，与第一实施例中一样，激光加工头3包括用于将激光束100最终射向每个目标的反射镜11和用于改变激光束100的焦点位置的透镜组12。反射镜11被支撑在激光加工头3内，以自由独立地沿X-轴线和Y-轴线中的每一个转动，以改变射出激光束100的方向，其中X-轴线和Y-轴线都垂直于与该反射镜镜面垂直的Z-轴线。为了转动反射镜11，激光加工头3包括用于使反射镜11独立地沿X-轴线和Y-轴线中的每一个转动的电动机48和齿轮机构49，如图1中的简单形式所示。用于反射镜11的电动机48由以下描述的加工头控制器控制。用于透镜组12的电动机45也由加工头控制器控制。
为了用光导纤维电缆6引导激光束，激光振荡器5形成为YAG激光振荡器。
图5和图6是将激光加工头3安装在机器人1上的示例图。在如图5所示的示例中，激光加工头3被以与机器人手臂2的中心纵轴线偏置的方式安装到在机器人手臂2顶端的腕部21上。光导纤维电缆6被以从机器人手臂2的外部延伸的方式直接安装到激光加工头3。在如图6所示的示例中，激光加工头3的一部分被嵌入腕部21中。光导纤维电缆6被布置为在机器人手臂2内延伸。在本示例中，激光加工头3被紧凑地形成，以在复杂且狭窄的空间内应用。因此，激光焊接装置可应用于(车身的)多个焊点。另外，由于光导纤维电缆6容纳在机器人手臂2内，所以机器人1的手臂部也紧凑地形成。这种紧凑性用于将激光束用于(车身的)多个焊点，例如，用于车身的焊接过程中，并且减少用于在狭窄地方等手工焊接处理的数量，从而提高生产率。然而，可以根据机器人1的形状和类型以及激光加工头3的形状等适当地选择的任何其他方式来实现激光加工头3的安装。
图7是示出了第二实施例激光焊接装置的控制系统的方框图。该激光焊接装置包括电控制单元，即激光控制器51，用于控制激光振荡器5的接通/断开状态；机器人控制器52，用于控制机器人1的动作；加工头控制器53，用于控制反射镜11和电动机45，该电动机45用于使镜头组12或使镜头筒35转动。控制器51、52和53各自都包括输入/输出接口(I/O)、存储器(RAM、ROM)和微处理器或中央处理器(CPU)。激光控制器51被构造成接收来自机器人控制器52的控制信号，并根据该控制信号控制激光振荡器5的接通/断开状态以及调节激光束的强度。机器人控制器52被构造成控制机器人1的动作，并还被构造为主控制单元，以将控制信号输出到激光控制器51，从而控制激光振荡器5的接通/断开状态，并将控制信号输出到加工头控制器53，以控制反射镜11和透镜组12的操作。机器人控制器52具有示教模式，关于机器人1、反射镜11和透镜组12的操作的指令数据被设定并储存在机器人控制器52中。根据示教数据或者指令数据，机器人控制器52控制机器人1的动作和输出各种控制信号。加工头控制器53被构造成接收来自机器人控制器52的控制信号，并根据该控制信号控制激光加工头3中的反射镜11和透镜组12的运动。
以下说明了应用根据第二实施例的激光焊接装置的激光焊接方法。图8是示出激光加工头移动和激光束方向变化的图。在如图8所示的简单情况下，具有多个焊点201至206。在将激光束100射到一个焊点(例如，201)的期间，激光加工头3被控制以继续以预定的恒定速度朝向下一个焊点(例如，202)移动。激光加工头3的移动轨迹被预定为沿从一个焊点到下一个焊点延伸。同时，反射镜11被以将激光束100引导到当前焊点(201)直至用于当前焊点的焊接操作完成的方式控制以进行转动，以抵消激光加工头3移动的影响。
通过改变机器人1的姿态，即通过移动机器人手臂2来执行激光加工头3的移动。机器人1的动作由机器人控制器52控制，从而激光加工头3以固定速度从一个焊点移动到下一个焊点。在图8中，激光加工头3以固定速度从a位置移动到j位置。以固定速度移动激光加工头3用于减少由于机器人手臂2的移动而导致的机器人手臂2的振动，以使激光束100的焦点保持在目标位置(焊点)内。由于仅具有用于将激光束100的方向从一个焊点改变到下一个焊点(以下详细描述)的短间隔时间段(非焊接时间)，所以从整个焊接操作的开始到结束，激光加工头3的移动速度是固定的。在非焊接时间较长的情况下，在非焊接时间的期间，可将激光加工头3的移动速度临时设定得较高。
在激光加工头3的上述操作过程中，在焊接一个焊点的期间，反射镜11被控制以转动，从而激光焦点沿与激光加工头3的移动方向相反的方向相对移动，并且激光焦点的相对移动速度与激光加工头3的移动速度基本上相等。此时反射镜11的转动速度被称为用于焊接的速度设定。根据上述反射镜11的操作，激光焦点相对于激光加工头3移动，以抵消激光加工头3的移动，从而在一个焊点的焊接操作期间，保持将激光束引导至该焊点。在焊点具有将要焊接的某一长度焊缝(焊缝尺寸)的情况下，需要将激光照射点(焦点)在焊点的整个焊缝上慢慢移动。具体地，根据沿激光加工头3移动方向的焊缝长度，由于反射镜11转动的激光焦点的相对移动速度被调节为比激光加工头3的移动速度略慢。
激光加工头3的移动速度被设定得高于焊接速度，从而当用于一个焊点(例如，201)的焊接操作完成时，激光加工头3位于适合下一个焊点(例如，202)的位置。通常，激光焊接的焊接速度为1-5m/min。另一方面，激光加工头3的最大移动速度或机器人手臂2的最大移动速度随机器人而不同，例如取大约为10-20m/min的值，而由反射镜11形成的激光焦点的最大移动速度在距离反射镜11约1m远的位置处大约为100m/min。在本实施例中，激光加工头3的移动速度被设定为高于焊接速度。考虑到上述速度的能力，优选用于焊接操作的移动速度的实际设定，使得激光加工头3的移动速度尽可能地低，以减少激光加工头3的振动。激光焦点从一个焊点(例如，201)到下一个焊点(例如，202)的移动主要由反射镜11的转动产生。尽可能快地完成反射镜11的转动。在焊点之间转移的期间，来自激光振荡器5的激光输出可被控制为保持激活，而不断开。此时，激光束可被带到焊点之外的位置。然而，激光焦点的移动速度远远高于如上所述的焊接速度。因此，不想被照射的位置在焦点范围之外或者由激光束100经过的时间很少，从而被照射的该位置受激光的影响很小或破坏很小。然而，根据环境需要，或者机器人控制器52可将断开信号发送给激光控制器51，以暂停激光振荡器5的激光输出。
在上述操作中，在用于焊点(例如，202)的焊接操作开始时，在机器人手臂2顶端的激光加工头3位于沿激光加工头3的移动方向该焊点后方的位置(例如，位置b)，而在用于该焊点的焊接操作结束时，激光加工头3位于该焊点前方的位置(例如，位置d)。换句话说，在用于初始焊点的焊接开始时，控制激光加工头3沿激光加工头3的移动轨迹移动到初始焊点的后方；在用于最后焊点的焊接结束时，控制激光加工头3沿激光焊接单元的移动轨迹移动至最后焊点的前方。
在焊接一个焊点的同时，激光加工头3被控制移动，以改变激光加工头3和焊点之间的相对距离。因此，根据激光加工头3的移动来调节激光焦距。实际上，基于机器人控制器52提供的指令数据，加工头控制器53控制透镜筒35转动以移动透镜组12，以调节激光束100的焦距。如上所述，透镜筒35包括槽，以引导透镜的移动，并且用于与激光焦距无关地保持激光焦点尺寸基本上恒定。因此，机器人控制器52被输入指令数据，该指令数据用于根据激光加工头3的位置与焊点的位置之间关系的变化来改变激光焦距，以自动地控制在所有激光焦点中的激光光点尺寸基本上恒定。因此，每个焊点与激光加工头3的相对距离无关地被激光束以能量效率最高的最小光点尺寸的方式在焦点处照射。此外，不需要调节每个焊点的每单位面积激光照射的时间长度。
以下说明了第二实施例的激光焊接装置的操作。图9是示出将由该激光焊接装置执行的激光焊接控制程序的流程图。如图9所示，首先，在步骤S1，机器人控制器52根据预先准备好的指令数据控制激光加工头3移动至用于第一焊点的开始位置，并控制激光加工头3开始以固定速度移动，机器人控制器52还向激光控制器51发出控制指令，以接通激光振荡器5的激光输出。随后，在步骤S2，机器人控制器52向加工头控制器53发出控制指令，以控制反射镜11以用于焊接的速度设定值转动并且控制透镜组12来调节激光束100的焦距。随后，在步骤S3，机器人控制器52根据指令数据判断激光加工头3是否已到达用于下一个焊点的开始位置。该指令数据被设定为使用于下一个焊点的焊接开始位置与用于前一个焊点的结束位置相同。当对步骤S3的答案为肯定(是)时，程序进入步骤S4。另一方面，当对步骤S3的答案为否定(否)时，程序进入步骤S5。在步骤S4，机器人控制器52向加工头控制器53发出控制指令，控制反射镜11以高速转动，以将激光束100导向下一个焊点。在焊点之间的每次转移中重复进行该操作，直至用于最后一个焊点的焊接操作结束。在步骤S5，机器人控制器52基于指令数据判断用于所有焊点的焊接操作是否已完成。当对步骤S5的答案为是时，程序进入步骤S6。另一方面，当对步骤S5的答案为否时，程序返回步骤S3。由此，继续当前焊点的焊接操作。在步骤S6，机器人控制器52根据指令数据向激光控制器51发出控制指令，以断开激光振荡器5的激光输出，并控制激光加工头3移动至待用位置或者操作结束位置。随后，程序结束。
利用图8的示例进行说明，首先，机器人控制器52控制激光加工头3移动至用于第一焊点201的开始位置，并使激光加工头3开始以固定速度移动，机器人控制器52还向激光控制器51发出控制指令，以接通激光振荡器5的激光输出。同时，机器人控制器52向加工头控制器53发出控制指令，以控制反射镜11以用于焊接的速度设定值转动，以将激光束100导向第一焊点201。当激光加工头3经过点a并且到达用于焊点202的开始位置b时，即当用于焊点201的焊接操作完成时，机器人控制器52基于指令数据控制反射镜11以最大速度转动，以将激光束100导向焊点202。然后，进行用于焊点202的焊接操作。当重复这些处理以完成用于焊点206的焊接操作时，停止激光振荡器5的激光输出，从而整个焊接操作结束。
概括地说，激光焊接装置进行使激光焊接单元沿着预定轨迹以预定速度移动；将激光束导向第一焊点；调节焦距以将激光束聚焦在第一焊点；保持激光焦点尺寸基本上恒定；在完成用于第一焊点的焊接之后将激光束导向第二焊点。
以下说明本实施例与参考例之间的比较。图10是示出了参考激光焊接技术的激光焊接操作的图。在如图10所示的该参考例中，首先，控制激光加工头103移动，直至激光加工头103到达图10中的位置A。激光加工头103被保持静止，并且通过将反射镜111沿到焊点301、302和303中的每个方向转动来进行焊接操作，这些焊点位于反射镜111能够分配激光束150的范围之内。单独调节用于焊点301、302和303的每一个的激光照射时间段，以抵消由于激光加工头103到焊点301、302和303距离的变化而导致的激光光点尺寸在焊点301、302和303之间的变化。如果根据日本专利申请公报No.2004-050246所示的传统方法将激光光点尺寸调节为恒定的，不能使用激光焦点用于焊接，从而导致对激光能量的使用效率产生不利的影响，以增加了每一个焊点的激光照射时间段。在用于焊点303的焊接操作结束之后，暂时断开激光输出。然后，激光加工头103被控制以移动，直至激光加工头103到达图10中的位置B。激光加工头103被保持静止，并且通过将反射镜111沿到焊点304、305和306中的每一个方向转动来进行焊接操作。与在位置A相似，单独调节用于这些焊点的每一个的激光照射时间段。
图11A和图11B是示出第二实施例与参考例之间的整个焊接操作时间段的比较的图。图11A示出了该实施例的情况，而图11B示出了该参考例的情况。在图11A和图11B中，每个块的水平长度表示时间段的相对长度。如11A和图11B所示，该实施例的激光焊接方法不需要如参考例中的激光加工头3停止激光焊接操作以及移向下一位置的时间段。这导致用于整个焊接操作的时间段减少。另外，由于激光焦点尺寸被用来提高用于每一个焊点的能量效率，在每一个焊点的激光照射时间段减小，从而用于整个焊接操作的时间段进一步减少。上述优点随着焊点数量的增加而增大。例如，在典型的车身装配线中，焊点的数量是成百计的。因此，当该实施例的激光焊接装置和方法被应用在部分或全部车身装配线时，导致用于整个焊接操作的时间段的大量减少。
以下说明由该实施例的激光焊接装置和方法产生的优点和效果。将激光加工头3的移动速度设定为高于焊接速度的激光焊接装置对于将激光加工头3放置在下一个焊点位于反射镜11能被转动以引导激光束的范围内的位置是有效的，从而对于在多个焊点的连续焊接操作中用于减少非焊接时间是有效的。在用于焊点的焊接操作开始时，激光加工头3沿激光加工头3的移动方向位于该焊点后方的位置，而在用于该焊点的焊接操作结束时，激光加工头3位于该焊点前方的位置，该激光焊接装置对于确保将激光加工头3放置在下一个焊点位于反射镜11能够转动以引导激光束的范围之内的位置是有效的。
非焊接时间的减少导致激光焊接系统的成本的回收效率，尤其是激光振荡器的高成本的回收效率提高。
在包括多个激光加工头和用于将激光提供给这些激光加工头的激光振荡器的系统中，在一个激光加工头的非焊接时间期间，用于该激光加工头的激光束需要被由激光吸收材料形成的构件吸收，该系统基本上基于参考例的激光焊接设备构造。另一方面，在该实施例中，由于在该实施例的激光焊接方法中非焊接时间很少，因此不需要这种激光吸收构件。这防止了由于激光吸收带来的电能损失。
可对该实施例的激光焊接装置和方法做如下修改。尽管在上述实施例中利用包括三个透镜的透镜组12来控制激光焦点尺寸和焦距，也可根据透镜像差等将透镜组12构造为不同形式，如透镜组12包括在激光束路径上的辅助透镜的形式，或者透镜组12的透镜31-33均被形成为复合透镜的形式。另外，尽管在所示实施例中如图2A至2C所示，延长在透镜31至33之间的距离以延长焦距，可根据所使用透镜的特性适当地改变透镜之间的距离设置。
尽管，在上述实施例中与焦距无关地保持激光焦点尺寸基本上恒定，激光焊接装置可构造为与焦距无关的方式适当地控制激光焦点尺寸。
尽管在上述实施例中，如图8所示，将多个焊点沿直线线性地布置，该实施例的激光焊接装置和方法可应用于任何其他曲线操作路线中。
本申请基于2005年2月8日提交的在先日本专利申请No.2005-32094。该日本专利申请No.2005-32094的全部内容通过引入包含于此。
尽管上面已经参考本发明的某些实施例说明了本发明，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据上述示教可对上述实施例进行修改和变化。本发明的保护范围应当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种包括激光焊接单元的激光焊接装置，该激光焊接单元包括激光聚焦部，其被布置成使激光束聚焦；以及焦点调节部，其被布置成调节所述激光束的焦距，以将所述激光束聚焦在所需的焦点，并且被布置成将所述激光束的激光焦点尺寸调节为所需的尺寸。
2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光聚焦部包括第一透镜，其用于将所述激光束以所述焦距聚焦在所述焦点；第二透镜，其用于将所述激光束发散到所述第一透镜上；以及第三透镜，其用于将所述激光束引导到所述第二透镜上；所述焦点调节部被布置成调节所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中的每一个的相对位置，以调节射入所述第一透镜的所述激光束的发散角和光束宽度。
3.根据权利要求2所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接单元进一步包括被布置成将所述激光束引导到所述第三透镜上的光导纤维电缆。
4.根据权利要求2所述的激光焊接装置，其特征在于，所述焦点调节部被布置成调节所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中的每一个的所述相对位置，以相对于所述焦距的变化将所述激光焦点尺寸保持基本上恒定。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接单元进一步包括反射镜，该反射镜被布置成调节从所述第一透镜射出的所述激光束的相对移动方向。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接单元进一步包括激光分配部，该激光分配部被布置成调节从所述激光聚焦部射出的所述激光束的相对移动方向。
7.根据权利要求6所述的激光焊接装置，其进一步包括致动器，其被构造成使所述激光焊接单元移动；以及控制单元，其被连接用于与所述激光焊接单元和所述致动器进行信号通讯，并被构造成执行下列各项使所述激光焊接单元沿预定轨迹以预定速度移动；将所述激光束导向第一焊点；调节所述焦距以将所述激光束聚焦在所述第一焊点；保持所述激光焦点尺寸基本上恒定；以及在完成用于所述第一焊点的焊接之后，将所述激光束导向第二焊点。
8.根据权利要求7所述的激光焊接装置，其特征在于，在用于每一个焊点的焊接期间，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为恒定的移动速度。
9.根据权利要求8所述的激光焊接装置，其特征在于，在整个焊接操作期间，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为恒定的移动速度。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为大于用于每一个焊点的焊接速度。
11.根据权利要求7-9中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接单元的所述移动轨迹被预定为沿从所述第一焊点到所述第二焊点延伸。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述控制单元被构造成，在用于初始焊点的焊接开始时，控制所述激光焊接单元沿所述激光焊接单元的所述移动轨迹移动至所述初始焊点的后方；在用于最后焊点的焊接结束时，控制所述激光焊接单元沿所述激光焊接单元的所述移动轨迹移动至所述最后焊点的前方。
13.一种控制如权利要求6所述的激光焊接装置的激光焊接方法，该激光焊接方法包括使所述激光焊接单元沿预定轨迹以预定速度移动；将所述激光束导向第一焊点；调节所述焦距以将所述激光束聚焦在所述第一焊点；保持所述激光焦点尺寸基本上恒定；以及在完成用于所述第一焊点的焊接之后，将所述激光束导向第二焊点。
14.根据权利要求13所述的激光焊接方法，其特征在于，在用于每一个焊点的焊接期间，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为恒定的移动速度。
15.根据权利要求14所述的激光焊接方法，其特征在于，在整个焊接操作期间，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为恒定的移动速度。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接单元的所述预定速度被预定为大于用于每一个焊点的焊接速度。
17.根据权利要求13-15中任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接单元的所述移动轨迹被预定为沿从所述第一焊点到所述第二焊点延伸。
18.根据权利要求13-15中任一项所述的激光焊接方法，其进一步包括在用于初始焊点的焊接开始时，控制所述激光焊接单元沿所述激光焊接单元的所述移动轨迹移动至所述初始焊点的后方；在用于最后焊点的焊接结束时，控制所述激光焊接单元沿所述激光焊接单元的所述移动轨迹移动至所述最后焊点的前方。
全文摘要
一种激光焊接装置，其包括激光焊接单元，该激光焊接单元包括第一透镜，用于聚焦激光束；第二透镜，用于将激光束发散至第一透镜；第三透镜，用于将激光束引导至第二透镜。第一透镜、第二透镜和第三透镜的相对位置被调节以调节射入第一透镜的激光束的发散角和光束宽度。激光焊接装置执行使激光焊接单元沿预定轨迹以预定速度移动；将激光束导向第一焊点；调节焦距以将激光束聚焦在第一焊点；保持激光焦点尺寸基本上恒定；在完成用于第一焊点的焊接之后，将激光束导向第二焊点。
文档编号B23K26/42GK1817547SQ20061000306
公开日2006年8月16日 申请日期2006年2月8日 优先权日2005年2月8日
发明者川井仁, 滨口祐司, 樱井龙也 申请人:日产自动车株式会社, 昭和光电株式会社