本发明涉及把激光束和电弧，例如等离子弧，组合起来的混合 焊接工艺和混合焊接装置，并涉及它们在用于汽车工业的剪裁毛坯 的焊接或管子的焊接中的应用。

为了减少激光焊接工艺或电弧焊接工艺所具有的缺点，开发了 组合或混合工艺，该工艺把一个或多个激光束与一个或多个电弧组 合起来，特别是把激光束与电弧等离子焰流组合起来，并且称为等 离子/激光焊接工艺或者更广义地称为电弧/激光工艺的焊接工艺。

这种混合焊接工艺已经例如在文件EP-A-793558；EP-A- 782489；EP-A-800434；US-A-5006688；US-A-5700989；EP-A- 844042；T.P.Diebold和C.E.Albright的“铝合金5052的激光GTA 焊接”，1984,18～24页；SU-A-1815085和US-A-4689466； R.P.Walduck和J.Biffin的“等离子弧增强激光焊接”，172～176页， 1994；或J.Matsuda等的“厚中碳钢板的TIG或MIG电弧增强激光 焊接”，31～34页，1988中描述。

一般来说，电弧/激光焊接工艺是混合或组合焊接工艺，它把电 弧焊接与激光束组合起来，以便在可能是或可能不是自耗的电极与 待焊接工件之间产生电弧，并在电弧区也就是接近或在通过把待焊 接在一起的零件边对边地接合起来而得到的接头面上聚焦强有力的 激光束，特别是YAG型或CO2型激光束。

这样一种混合工艺使得与单独的激光焊接或与单独的电弧焊接 相比有可能显著提高焊接速度。此外，这样一种混合工艺使得有可 能相当可观地加大焊接前工件的定位公差，因为单独的激光焊接由 于激光束的聚焦点尺寸很小而需要待焊接零件的高定位精度。

等离子/激光工艺，以及更广义地电弧/激光工艺的采用，需要采 用一种焊头，该焊头使得有可能在一个小空间里把激光束及其聚焦 装置与一个合适的焊接电极组合起来。在上述文件中描述了几种焊 头，而且可以概括地指出，激光束和电弧或等离子焰流可以由一个 和同一个焊头排出，也就是说它们经由同一个喷嘴离开，要不然经 由两个分开的焊头，一个排出激光束而另一个排出电弧或等离子焰 流，它们的效应在焊接区中组合起来。

混合电弧/激光工艺特别适合于焊接用于汽车工业的剪裁毛坯， 因为除了上述优点之外，它们使得有可能得到良好“润湿”并没有 咬边的焊缝，正如在文件EP-A-782489和“激光加电弧等于强有 力”，工业激光解决方案，1999年2月，20～30页中忆及的那样。 这种焊接在于把一般由具有不同厚度的镀层或非镀层钢，例如电镀 或镀锌钢板制成，或者由铝合金制成的两个板材或工件接合在一 起。根据所用的焊接方法或焊前准备的不同，待焊接接头常规上特 征在于每个待焊接工件的上平面之间的高度不同，于是造成产生“台 阶”。然而，也可能遇到相反的情况，也就是剪裁毛坯型接头，其 中上平面取齐但是它们的下平面不在同一高度，而且其中因而“台 阶”位于该待焊接接头的相反侧。

混合工艺还适合于许多类型的接头的焊接，例如角焊和搭焊， 或适合于管子的纵向或缝焊，或适合于轴对称工件，特别是大体上 圆筒形工件的对焊。

然而，目前产生一个问题，也就是以下事实，即从工业的观点 已经发现在已经用这种公知的混合电弧/激光工艺产生的焊缝上经 常出现缺陷，所述的焊缝具有不规则因而不满意的外观。

此一缺陷已经拍照并示于附图1和2，图中可以看到用常规的混 合焊接工艺得到的焊接接头的端部(图1中划圈的区域和图2中放 大的区域)有一个长度从几厘米到几十厘米的比较长的缺陷。在此 一场合，焊缝靠具有3.5kW功率的激光和160A/30V等离子弧以7 m/min的焊接速度在不锈钢装置中夹持在一起的电镀钢板上产生。

于是，本发明的一个目的在于，提供一种能够避免此一焊接缺 陷的改进的混合电弧/激光焊接工艺来解决此一问题。

因而本发明提供的解决方案是一种混合焊接工艺，连同一种混 合焊接装置和此一工艺或此一装置在用于各种目的的工件的焊接中 的应用，特别是剪裁毛坯之类用于汽车工业的工件，或用于飞机隔 间或结构的部件，其中尺寸要求采用具有十分不同的厚度的焊接工 件，要不然在金属带的两个纵向边缘在它们被弄成彼此接触(形成 O形)之后为了由其制成焊接管的纵向焊接中的应用，其焊接接头 平行于该管子的轴线取向或者在管子的斜缝或螺旋缝焊接的场合倾 斜于所述轴线取向。

更确切地说，本发明涉及用来通过使用至少一个激光束和至少 一个电弧产生至少一个焊缝来焊接一个或多个待焊接或待装配金属 工件的工艺，所述电弧在连接于至少一个电流源的至少第1极的至 少一个电极，与至少一个待焊接并经由与所述待焊接工件相接触的 至少一个导电接地接触器连接于至少一个电流源的至少第2极的工 件之间击穿，其特征在于，在至少一个接地接触器与该(诸)待焊 接工件之间在考虑焊接接头的形成方向时在电弧在该(诸)待焊接 工件上的冲击点的侧向和/或上游形成至少一个触点。

在本发明的行文中，“上游”一词是指相对于垂直于焊接速度 向量并通过所述电弧的冲击点的平面位于正在产生的焊缝的已经焊 接侧的位置。

在本发明的行文中，“接地接触器”一词是指一种使得有可能 闭合从焊接发电机的第1极经由难熔电极(在等离子或TIG焊接的 场合)或自耗电极(在MIG/MAG焊接的场合)，电弧和被装配工 件到发动机的第2极的电路的装置。因而这是一种保证与被装配工 件有电触点并且经由动力电缆连接到该(诸)焊接发电机的第2极 的装置。

根据另一个方面，用来通过使用至少一个激光束和至少一个电 弧产生至少一个焊缝来焊接至少两个待装配金属工件的工艺，所述 电弧在连接于至少一个电流源的至少第1极的至少一个电极，与至 少一个待焊接并经由与所述待焊接工件相接触的至少一个导电接地 接触器连接于至少一个电流源的至少第2极的所述工件之间击穿， 其特征在于，在至少第1接地接触器与一个待焊接工件之间在考虑 焊接接头的形成方向时在电弧在待焊接工件上的冲击点的侧向和/ 或上游形成至少第1触点，在至少第2接地接触器与另一个待焊接 工件之间在考虑焊接接头的形成方向时在电弧在待焊接工件上的冲 击点的侧向和/或上游形成至少第2触点，所述第1和第2触点相对 于所述工件的接合部产生的焊缝的纵向轴线是对称的。

根据另一个方面，用来通过使用至少一个激光束和至少一个电 弧产生至少一个焊缝来焊接一个或多个待焊接或待装配金属工件的 工艺，所述电弧在连接于至少一个电流源的至少第1极的至少一个 电极，与至少一个待焊接并经由与所述待焊接工件相接触的至少一 个导电接地接触器连接于至少一个电流源的至少第2极的工件之间 击穿，其特征在于，在该(诸)待焊接工件中的电流线的形状和/或 流动在电弧在所述(诸)工件上的冲击点与所述至少一个与所述待 焊接工件相接触的导电接地接触器之间被控制，以便当所述电流线 穿过所述液态金属熔池时平衡作用在通过熔化待装配的所述(诸) 工件的边缘而得到的并在冷却和固化之后构成焊接接头的液态金属 熔池上的感应电磁场伴生的力。

根据情况，本发明的工艺可以包括一个或多个以下特征：

-隔开通过接地接触器与待焊接工件的接触点并垂直于焊缝 的纵向轴线的接地平面，与通过电弧在所述待焊接工件上的冲击点 并垂直于焊缝的纵向轴线的电弧平面的距离在0mm与300mm之 间，最好是在1mm与200mm之间；

-各与至少一个接地接触器相接触的两个工件焊接在一起，所 述接地接触器电气上彼此绝缘；

-在至少两个接地接触器与该(诸)待焊接工件之间形成触 点，所述两个接地接触器相对于在所述工件的接合部产生的焊缝的 纵向轴线对称地布置；

-电极是自耗电极或非自耗电极；

-激光束由一个YAG-或CO2-型激光器发射；

-电弧是等离子弧，激光束和所述电弧最好是由一个单个的焊 头排出；

-从氩、氦、氮或它们的混合物中选出的气体用作激光束的辅 助气体和/或从氩、氦或它们的混合物中选出的气体，可能还加上从 氮、氢和一氧化碳中选出的次要成分，用作等离子气体；

-在一个焊接接头焊接结束与下一个焊接接头焊接开始之间 经过的焊接停止时间的至少一部分期间，特别是在此一焊接停止工 步刚开始时或在焊接工步结束时，电弧电流被中断、衰减或减小， 最好是电弧电流与激光束向使所述激光束的辐射的至少某些被吸收 的辐射吸收机构的发送和/或偏转同步地被中断、衰减或减小。

进而，本发明还涉及一种用来焊接一个或多个待焊接或待装配 金属工件的混合电弧/激光焊接装置，包括：

-至少一个激光束发生器；

-至少一个电极，用以产生至少一个电弧，特别是一个等离子 弧；

-至少一个电流源，包括至少一个所述电极连接于其上的第1 极；以及

-至少一个导电接地接触器，设计成与至少一个待焊接工件相 接触，所述接地接触器连接于至少一个电流源的至少第2极，在所 述接地接触器与该(诸)待焊接工件之间接触点在考虑焊接接头的 形成方向时位于电弧在该(诸)待焊接工件上的冲击点的侧向和/或 上游。

根据情况，本发明的焊接装置可以包括一个或多个以下特征：

-它有至少两个电气上彼此绝缘的接地接触器，所述两个接地 接触器最好是相对于该焊缝的轴线对称地布置；

-它有激光发射吸收机构，用以在焊接停止工步期间至少暂时 地吸收至少所述激光束的某些辐射；使得有可能在焊接期间支持和/ 或夹持待焊接工件的工件支持机构；用来自动进给该(诸)待焊接 工件，使得有可能把该(诸)待焊接工件自动地进给和/或定位在所 述支持机构上的机构；用来夹持待焊接工件，使得有可能在焊接期 间把该(诸)待焊接工件夹持在所述支持机构上的位置的机构；用 来自动地取下该(诸)焊接工件，使得有可能在焊接之后从所述支 持机构取下工件的机构；和/或使得有可能自动地控制用来进给待焊 接工件的机构、用来取下焊接工件的机构、用来偏转激光束的机构、 焊接的开始和/或结束、和/或排出电弧的头和排出激光束的头对待焊 接工件的相对运动的控制机构；

-它包括使得有可能控制在每个接地接触器和与所述接地接 触器配套的电流源之间流动的电流的分布的电流平衡机构，所述电 流平衡机构最好是包括至少一个使得有可能起始并保持电流平衡或 不平衡的电子电路；

-它有两个接地接触器，而且排出焊接电弧，最好是等离子 弧，的电极经由两个电流源中的每一个的极之一来供电，每个电流 源进而经由其另一个极连接于所述接地接触器之一。

此外，本发明涉及一种用来制造用于汽车工业或飞机工业的焊 接工件或结构的工艺，在该工艺中通过使用以上给出的这种混合电 弧/激光焊接工艺或焊接装置在所述工件上进行至少一个焊接工 序，焊接工件或结构最好是车身部件或飞机结构，特别是对接或搭 接配置的剪裁毛坯。

根据另一个方面，本发明还涉及根据本发明的混合焊接工艺在 通过焊接具有不同厚度和由不同牌号和/或不同冶金配方制成的金 属工件来装配中的应用。

根据再一个方面，本发明还涉及根据本发明的混合焊接工艺在 通过在O成形之后焊接金属带材的两个平行的纵向边缘以便制造焊 接管子来装配中的应用，其焊接的轴线平行于或倾斜于该管子的纵 向轴线。

下面将参照附图更详细地说明本发明。

本发明的发明人已经指出，如图1和图2中所示，待解决的问 题的焊缝缺陷根本上是由金属工件的焊接和干扰混合焊接装置所排 出的电弧的稳定性引发的磁场效应所致。

根据本发明解决此一磁场问题是通过使用一个或多个在焊接期 间支撑在一个或两个待焊接工件上的机械触点或接地接触器，以便 控制在待焊接工件中在电弧的冲击点与该(诸)工件与该(诸)接 地接触器之间的该(诸)接触点之间的电流流动。

当两个金属工件被焊接在一起时，最好是使用至少两个接地接 触器来导通操纵在焊接接头每一侧的机械触点的电流，也就是说在 每个工件上所述接地接触器各彼此绝缘，而且最重要的是相对于正 在产生的焊接接头对称地布置。把两个接地接触器彼此绝缘是个优 点，但是仅当穿过它们每一个的电流也得到控制以便分配电流从而 控制在电弧冲击点或结合面与所述接地接触器与所述工件之间的接 触点之间穿过待焊接工件的电流线时才有意义。这是因为为了得到 优质的焊接，头等重要的是不仅保证接地接触器的“几何”对称性， 而且实际上保证“电气”对称性，也就是电流线的正确分布。这通 过以下事实来解释，即仅保证几何对称性不能在所有情况下都得到 电气对称性，因为难以实现在接地接触器与待装配工件之间产生的 接触电阻的精确控制，以便使这些接触电阻相同。因此，把接地接 触器彼此绝缘并控制穿过它们的每一个的电流，使得有可能几乎随 意地设定电流在工件中流过的路径从而使该(诸)感应的磁场得到 控制。

如图3a、3b、6a和6b中所示，一种用来使穿过每个接地接触 器10的电流几乎相等的简单的机构是使用两个焊接发电机15、16， 每个连接于两个接地接触器10之一。

根据本发明，该(诸)接地接触器10最好是位于当考虑焊接接 头2的焊接方向8时的排出电弧4和激光束5的混合焊头1的上游， 如图3中所示，也就是说电弧4和激光束5在待焊接工件6、7上的 冲击点的下游，如所述的图3a、3b、6a和6b中所示，这些图示出 焊接厚度不同的剪裁毛坯(弄成对接)或工件6、7的情况。

为了保证与该(诸)接地接触器10的有效接触，利用一个调整 块14，其位置可以由一个调整机构9来调整，该调整机构设计成使 接地接触器10远离或根据情况接近待焊接工件6、7地移动。例如， 可以使用一个机械致动器机构，例如一个附着于焊炬体的弹簧，接 收电弧焊炬的电路接地(接地接触器)的其另一端始终压靠该(诸) 待焊接工件，同时保证接地接触器与致动器系统之间的电气绝缘。

如图3a、3b、6a、6b、7a和7b中所示，电弧4和激光束5在 这里由一个配装于护罩18内的单个的焊头1排出。

在图7a和7b中所示的焊接管子的场合，有可能使用几个接地 接触器或者相反仅使用一个位于管子下方的接地接触器10(图7a 和7b)，也就是说在对着电弧和激光束在正生产中的管子的接头平 面2上的冲击点12的直线21上，换句话说在管子20下方，以便流 过管子20的电流线的分布在电弧在接头平面2上的冲击点12与接 地接触器10与管子20的表面之间的接触点或接触区之间大体上均 匀或者相对于正产生中的焊缝的轴线对称。

然而，在所有情况下，在焊接期间焊炬1/接地接触器10距离保 持恒定，以便防止在该(诸)待焊接工件中的电流分布的任何变动， 该变动易于引起焊接缺陷。

一般来说，使用一个(或多个)接地接触器10使得在该(诸) 待焊接工件6、7、20上始终形成导电的机械接触的事实，完全防止 由电弧引起的任何电气干扰，因而造成即使在焊缝2的末端也形成 无缺陷的均匀焊缝。

在与图1和图2相同的工作条件下，但是此外根据本发明使用 一个(或几个)接地接触器10进行的试验已经表明本发明的混合工 艺的有效性；所得到的结果被拍照并示于图4和图5。

在图4中可以看出，当与用根据现有技术的工艺得到的图1和 图2相比较时，这样得到的焊缝的末端区(划圈区)是均匀的和无 缺陷的。

进而，在作为图4中的划圈区的放大的图5中，采用一个或多 个位置控制的接地接触器的根据本发明的混合焊接工艺的有效性清 晰得多地显而易见。应该指出，图4和图5中的焊缝的末端部分处 的轻微缺陷是在焊接期间两个焊接工件对正不良的结果而不是残余 的磁场干扰的结果；进而，在焊接之前也就是说在其靠操作者或靠 自动机器对正期间通过工件6、7的更精确对正，可以很容易地纠正 此一轻微缺陷。

根据本发明，该(诸)接地接触器10必须正确地定位，以便保 证存在着与该(诸)待焊接工件的恒定的和始终的接触，并且为此 这些接地接触器10可以给出不同的形状和结构，例如接地接触器10 可以由仅有一个与待焊接的工件或管子的接触点或接触区的弹簧加 载的块体来形成(图7a、7b)，要不然与待焊接工件有几个接触点， 每个接地接触器10与其他接地接触器电气上绝缘(图3a、3b)，要 不然它们可以由在焊接期间各与工件表面相接触的金属片弹簧 (10a、10b)来形成(图6a、6b)，每个片连接于一个焊接电流发 电机15、16。应该指出，图3a和3b中所示的机械致动器也可以由 气动致动来代替。

应该指出，所讨论的电弧与接地接触器10之间的距离可以根据 不同的参数，特别是焊接电流的强度和电压、想要的焊缝熔深和焊 接速度，既沿着焊缝2的纵向轴线又相对于所述焊缝2的纵向轴线 侧向变化，例如焊接速度越高则接地接触器要离电弧在接头2上的 冲击点越近。

在批量生产工件的情况下，在焊接接头2已经在所述(诸)工 件6、7、20上产生之后，也就是说在一个焊接接头焊接结束与下一 个焊接接头焊接开始之间所经过的焊接停止时间的至少一部分期 间，最好是整个所述焊接停止时间，激光束最好是发射和/或偏转到 辐射吸收机构中，使得所述激光束的至少某些辐射被吸收。借此， 在移走焊接工件和移入待焊接工件所需时间期间不需要停止，也就 是切断激光束。这节省时间因而提高生产率，而决不因为激光束的 冲击损坏装置。辐射吸收机构最好是包括一个吸收腔，其中吸收激 光辐射。

进而，本发明允许各种材料被焊接，例如从碳钢、带有锌合金 或旨在提高钢板的耐腐蚀性的任何其他比较复杂合金的表面镀层的 钢、不锈钢、铝和铝合金、以及高屈服强度(HYS)钢中选出的金 属或金属合金。

本发明的工艺和装置特别适合于用于汽车工业或用于飞机工业 的工件的批量生产，例如可以用来制造汽车车门或其他汽车部件， 要不然飞机结构的剪裁毛坯。