CN101291774A - 激光焊接系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光焊接系统和方法，用于焊接目标且具有光轴的所述系统包括激光束(24)的源(22)、将激光束(24)变换为绕光轴(30)转动的一对激光光斑(32)的可转动衍射光栅(26)、和将所述一对激光光斑(32)聚焦在目标(34)上的透镜(28)。

Description

激光焊接系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及焊接系统，尤其涉及激光焊接系统和方法。
背景技术
现代制造工序通常需要将不相类似的材料例如镍与黄铜、不锈钢与铜、不锈钢与黄铜或金属与金属陶瓷接合起来。试图熔融焊接不相类似的材料取得的成功有限，这是由于形成在焊接中的金属间相。两种材料的不同物理特性在焊接熔池形状、凝固显微结构、偏析图案中产生复杂问题。现有激光焊接技术的情形使得产生具有低的强度和大的裂缝的硬脆显微结构。这种焊接不可靠，焊接过程不稳定。
之前使用转动激光束的激光焊接装置采用了复杂光学器件和机构。通常，激光束通过回转(spinning)光学元件，该光学元件使来自光轴的激光束转向，并在焊接目标上产生圆形路径。用于使激光束转向的透镜、镜子和棱镜不是径向对称的，或相对于光轴非对称性地安装，从而限制了转速。这限制了激光束在焊接目标处的速度和稳定性。低的速度增大了激光束与焊接目标的相互作用时间，从而需降低光束功率，以避免溅射和粗糙焊接。增大的相互作用时间使得不相类似的金属的焊接具有差的冶金性能。光学稳定性的下降降低了焊接的准确性。
发明内容
希望具有一种克服了上述不足的激光焊接系统和方法。
本发明的一个方面提供了一种用于焊接目标且具有光轴的系统，所述系统包括：激光束的源、将激光束变换为绕光轴转动的一对激光光斑的可转动衍射光栅、和将一对激光光斑聚焦在目标上的透镜。
本发明的另一个方面提供了一种用于焊接目标的方法，包括：提供平的可转动衍射光栅；绕正交于可转动衍射光栅的平面的光轴转动可转动衍射光栅；将激光束沿着光轴引导到可转动衍射光栅上，以产生分裂光束；以及将分裂光束聚焦到目标上。
本发明的又一个方面提供了一种用于焊接目标的系统，包括：平的可转动衍射光栅、用于绕正交于可转动衍射光栅的平面的光轴转动可转动衍射光栅的装置、用于将激光束沿光轴引导到可转动衍射光栅上以产生分裂光束的装置、和用于将分裂光束聚焦到目标上的装置。
结合附图阅读下面对在此优选的实施例所作的详细描述，可使本发明的上述和其他特征和优点变得更加显而易见。所作的详细描述和附图仅用于说明本发明，而非限制本发明，本发明的范围由权利要求书及其等同替换限定。
附图说明
图1和2分别是根据本发明构建的焊接系统的剖面图和焊道示意图；
图3和4是根据本发明构建的焊接系统的焊道示意图；
图5是根据本发明构建的另一焊接系统的示意图；以及
图6是根据本发明的焊接方法的流程图。
具体实施方式
图1和2分别是根据本发明构造的焊接系统的剖面图和焊道示意图。焊接系统通过可转动衍射光栅使激光束转向，以在目标上产生一对转动的激光光斑。
参看图1和2，焊接系统20包括激光束24的源22、可转动衍射光栅26和透镜28。焊接系统20的光学器件沿光轴30对齐。可转动衍射光栅26将激光束24变换为绕光轴30转动的一对激光光斑32。静止透镜28将一对激光光斑32聚焦在目标34上，以将目标34焊接到被承载在台架38上的工件36。图2示出了利用激光光斑32在目标34上形成焊接50的焊接过程，即焊接50还未形成完整的圆。本领域普通技术人员可以理解，如果需要，焊接系统20也可用于形成未构成完整的圆的焊接。可转动衍射光栅26固定在可转动壳体40中，所述壳体40通过高速轴承44被承载在固定壳体42中。速度控制AC伺服电动机46通过皮带48驱动可转动壳体40。在可转动衍射光栅26处的箭头示出了可转动衍射光栅26的转动。在一个实施例中，光轴30沿重力方向，从而，可转动壳体40悬置在固定壳体42上。
激光束24的源22可以是从激光器21传导激光束24的光纤导体，或可以是激光器的直接输出。激光器21可以是适合于焊接的任何脉冲式或连续激光源。在一个示例中，激光器21是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，它产生波长为1064nm的、脉冲功率约为600至6000瓦的激光束。在一个实施例中，激光器是可从德国施拉姆贝格的Trumpf Laser GmbH公司获得的HL204p。激光束24散射进入可转动壳体40上，变成散射光束60。本领域的普通技术人员可以理解，根据需要，可使用适用于特殊应用场合例如焊接、切割、钻孔和/或消融的各种类型的激光器和各种波长。
可转动衍射光栅26可以是适合于将激光束24分成至少一对激光光斑32的任何衍射光栅，例如二元位位相衍射光栅。可转动衍射光栅26从散射光束60产生分裂光束62，且固定在绕光轴30转动的可转动壳体40内。可转动衍射光栅26是平的和径向对称的。可转动衍射光栅26的平面正交于光轴30，并使得可转动衍射光栅26绕光轴30高速转动。根据需要，可转动衍射光栅26可以是被涂覆在玻璃上或蚀刻在熔融石英中的光阻材料，以用于所使用的特殊激光器。本领域的普通技术人员可以理解，可转动衍射光栅的图案可以选择成产生一对以上的激光光斑32，或可使用一堆分离的可转动衍射光栅。例如，一种将激光束分成两个相同的图像的可转动衍射光栅可定位成使它的图案与相同类型的另一可转动衍射光栅成直角，从而产生四个分裂光束和两对激光光斑。
透镜28可以是任何单个或一组透镜，所述任何单个或一组透镜校准和聚焦来自可转动衍射光栅26的分裂光束，以在目标34上提供聚焦光束66，使得产生一对激光光斑32。透镜28相对于光轴30静止。在一个实施例中，透镜28包括校准透镜52和聚焦透镜54，例如在可从德国施拉姆贝格的Trumpf Laser GmbH公司获得的BEO 30聚焦光学器件中所看到的。校准透镜52由分裂光束62产生校准光束64，聚集透镜54由校准光束64产生聚焦光束66。
在所示的示例中，可转动衍射光栅26可在散射光束60内轴向移动，以确定激光光斑32的直径和目标34上焊道51的直径。可转动衍射光栅26放置在散射光束60内提供了根据可转动衍射光栅26的光栅常数和位置调节目标34上的焊道51的直径即调节激光光斑32之间的间距的灵活性。在另一实施例中，可转动衍射光栅26可设置在校准透镜52与聚焦透镜54之间的校准光束64中。可转动衍射光栅26放置在校准光束64内时根据可转动衍射光栅26的光栅常数固定目标34上的焊道51的直径，即激光光斑32之间的间距。
目标34和工件36可以是要通过焊接连接的任何两个部件。在一个示例中，目标34是板，工件36是中空圆柱体。在另一个示例中，目标34和工件36都是板。在又一个示例中，目标34是金属丝，工件36是板。目标34和工件36可以是不相类似的材料，例如镍和黄铜、不锈钢和铜、不锈钢和黄铜、或金属和金属陶瓷。目标34可以是金属，工件36可以是精细材料，例如金属化塑料、陶瓷、和/或金属化玻璃。焊接的一种示例性应用是密封高强度放电(HID)灯的陶瓷燃烧器。
目标34和工件36可被承载在台架38上，以将目标34和工件36保持在位用于焊接。通常，目标34的平面正交于光轴30，从而目标34上的焊道51是圆。在另一个实施例中，目标34的平面与光轴30成一角度，从而目标34上的焊道51是椭圆。角度可以是使激光光斑32在整个焊道51上充分聚焦以提供足够的功率进行焊接的任何角度，例如目标34的平面与光轴30之间的角度小于大约20度。在一个实施例中，台架38在焊接过程中相对于光轴30静止。在另一个实施例中，驱动装置39在焊接过程中移动台架38，以在目标34上形成复杂的焊道，例如摆线。本领域的普通技术人员可以理解，驱动装置39可经过编程，以任何所希望的轨迹例如直线或二维轨迹正交于光轴30移动目标34。
高纯度的保护气体例如空气、氮气、氩气和/或氧气可被施加在目标34处，以提供冷却并有助于等离子体形成。保护气体可根据需要针对目标34和工件36的特殊材料选择。根据需要，保护气体的流动可以是错流、降流和/或箱式流(box flow)。
参看图2，一对激光光斑32绕着光轴30在焊道51上转动，从而在目标34上产生焊接50。根据需要，激光光斑32的直径通常在大约0.1至0.6mm的范围内，以用于特殊应用场合。可转动衍射光栅26的高速转动快速地移动激光光斑32扫过目标34，限制激光光斑32和目标34之间的相互作用时间。如在此所使用的，相互作用时间被定义使激光光斑32在目标34上移动经过激光光斑的一个直径的距离所需的时间。相互作用时间也是指激光光斑32处于沿整个焊道51的某一点的时间。对于在10至20ms内横过的焊道51，相互作用时间通常为0.1-0.2ms。被限制的相互作用时间通过在非常短的时间内向目标34和工件36传输高的能量产生良好焊接。高的能量形成等离子体羽和通过目标34到工件36的小孔。在小孔内的激光反射增大了向目标34的能量传输。小孔周围的熔融金属由于表面张力流入移动激光光斑32背后的区域并固化，从而形成焊接50。被限制的相互时间降低了焊接附近的溅射，使得形成光滑的焊接表面。
所需相互作用时间取决于目标34和工件36的材料，且是目标34上激光光斑32的速度的函数。如在此所使用的，相互作用时间被定义为使激光光斑32在目标34上移动经过激光光斑32的一个直径的距离所需的时间。相互作用时间也是指激光光斑32处于沿整个焊道51的某一点处的时间。激光光斑32的速度由焊道51的直径确定，所述直径通常由要被焊接的目标34和工件36的结构、和可转动衍射光栅26的可变转速设定。可转动衍射光栅26的转速通常在1500和4500rpm之间，且小于10000rpm。目标34上激光光斑32的速度通常约500mm/sec，且可处于约200-800mm/sec的范围内。激光光斑32与目标34所需的相互作用时间通常约0.2msec，且可处于大约0.1-0.5msec的范围内。
向激光器的功率供给可被接通和切断，和/或随时间变化，以产生特殊的焊接结果。激光器接通工作的时间可短于使一个激光光斑32经过焊道51的一半所需的时间，以沿焊道51产生两个分离的焊接，一个焊道对应于每个激光光斑32。激光器接通工作的时间可以是使一个激光光斑32经过焊道52的一半所需的时间，以沿焊道51产生圆形焊接。激光器接通工作的时间可长于使一个激光光斑32经过焊道52的一半所需的时间，以沿焊道51产生多遍焊接。向激光器的功率供给也可在焊接过程中随时间变化。例如，功率可在焊接开始时陡然接通，在绝大部分焊接过程中保持恒定，并在焊接结束时逐渐减弱例如线性减弱。在焊接结束时的功率减弱确保了在焊接结束处未留下孔。
图3和4是用于根据本发明构造的焊接系统的焊道示意图。图3示出了用于具有两对激光光斑的静止目标的焊道。图4示出了用于具有一对激光光斑的直线移动目标的焊道。
参看其中相同元件采用与2相同的附图标记的图3，第一对激光光斑32a和第二激光光斑32b绕光轴30在焊道51上转动，从而在目标34上产生焊接50。图3示出了使激光光斑32a、32b在目标34上形成焊接50即焊接50形成完整的圆的焊接过程。本领域普通技术人员可以理解，如果需要，焊接系统20也可用于形成未构成完整的圆的焊接。两对激光光斑32a、32b可通过彼此成直角叠放两个可转动衍射光栅产生。本领域的普通技术人员可以理解，可叠放任何数量的可转动衍射光栅，以产生所需对的激光光斑。
参看其中相同元件采用与2相同的附图标记的图4，通过沿垂直于焊接系统的光轴的平面上的直线移动目标34，焊接50沿沿着直线轨迹58的复杂焊道形成。目标34相对于可转动衍射光栅的转速的速度决定环56是否形成(长幅旋轮线)或焊道是否是一系列两个交叉曲线(长幅圆滚线)。沿直线轨迹58的复杂焊道可用于将直线目标加装到工件上或将两个板沿边缘连接。在一个实施例中，可操作地连接到承载工件和目标34的台架上的驱动装置驱动目标34作直线运动。本领域普通技术人员可以理解，驱动装置可经编程，以沿适合于特殊目标形状的复杂轨迹驱动目标。例如，驱动装置可经编程以提供位于大的圆形目标的周边附近的圆形轨迹，使得形成沿圆形目标的边缘的复杂焊道。
其中相同元件采用与1相同的附图标记的图5是根据本发明构建的另一焊接系统的示意图。在该实施例中，可转动衍射光栅26设置在校准光束64中，而不是散射光束60中。
焊接系统20包括激光束24的源22、可转动衍射光栅26和透镜28，所述透镜28包括校准透镜52和聚焦透镜54。焊接系统20的光学器件沿光轴30对齐。位于校准透镜52和聚焦透镜54之间的可转动衍射光栅26将激光束24变换为绕光轴30在目标34上转动的一对激光光斑。为了清楚起见，图5中省略了固定可转动衍射光栅26的可转动壳体、驱动可转动壳体的速度控制AC伺服电动机、和围绕着可转动壳体的固定壳体。
校准透镜52从源22接收散射光束60，并产生校准光束64。可转动衍射光栅26接收校准光束64，并产生分裂光束62。聚焦透镜54接收分裂光束62，并产生聚焦光束66，所述聚集光束66在目标34上提供一对聚焦的激光光斑。
图6是根据本发明的焊接方法的流程图。用于焊接目标的方法包括：提供平的可转动衍射光栅100；绕正交于可转动衍射光栅的平面的光轴转动可转动衍射光栅102；将激光束沿光轴引导到可转动衍射光栅上，以产生分裂光束104；以及将分裂光束聚集到目标106上。在一个实施例中，所述方法还包括垂直于光轴移动目标，例如沿垂直于光轴的直线移动目标。在另一实施例中，所述方法还包括给目标施加保护气体。
尽管现在认为在此公开的本发明的实施例是优选的，但可在不脱离本发明的范围的情况下进行多种改变和修改。例如，在此所述的焊接系统可用于焊接、切割、钻削和/或消融目标。本发明的范围被限定于权利要求书中，且属于等同替换的含意和范围内的所有改变应认为包括在此。

Claims (22)

1.一种用于焊接目标且具有光轴的系统，包括：
激光束(24)的源(22)；
将激光束(24)变换为绕光轴(30)转动的一对激光光斑(32)的可转动衍射光栅(26)；以及
将所述一对激光光斑(32)聚焦在目标(34)上的透镜(28)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可转动衍射光栅设置在所述源与所述透镜之间。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜包括校准透镜和聚焦透镜，且所述可转动衍射光栅设置在所述校准透镜与所述聚焦透镜之间。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可转动衍射光栅的平面正交于光轴。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，透镜(28)相对于光轴(30)静止。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可转动衍射光栅是第一可转动衍射光栅，所述一对激光光斑是第一对激光光斑，且所述系统还包括将激光束变换为绕光轴转动的第二对激光光斑的第二可转动衍射光栅，所述透镜将所述第一对激光光斑和所述第二对激光光斑聚集在目标上。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，目标(34)上所述一对激光光斑(32)中的一个激光光斑的速度处于大约200-800mm/sec之间。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一对激光光斑(32)中的一个激光光斑与目标(34)的相互作用时间处于大约0.1-0.5sec之间。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，可转动衍射光栅(26)的转速处于大约1500-4500rpm之间。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，可转动衍射光栅(26)从包括光阻材料涂覆的玻璃光栅和蚀刻熔融石英光栅的组中选择。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，目标(34)与光轴(30)之间的角度小于约20度。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括驱动装置(39)，所述驱动装置(39)可操作地连接到目标(34)，以正交于光轴(30)移动目标(34)。
13.一种用于焊接目标的方法，包括：
提供平的可转动衍射光栅(100)；
绕正交于可转动衍射光栅的平面的光轴转动可转动衍射光栅(102)；
将激光束沿光轴引导到可转动衍射光栅上，以产生分裂光束(104)；以及
将分裂光束聚集到目标上(106)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，聚焦分裂光束包括将分裂光束校准成校准光束并聚集所述校准光束。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括垂直于光轴移动目标。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括沿垂直于光轴的直线移动目标。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，它还包括给目标施加保护气体。
18.一种用于焊接目标的系统，包括：
平的可转动衍射光栅；
用于绕正交于可转动衍射光栅的平面的光轴转动可转动衍射光栅的装置；
用于将激光束沿着光轴引导到可转动衍射光栅上以产生分裂光束的装置；以及
用于将分裂光束聚集到目标上的装置。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，用于聚焦分裂光束的装置包括用于将分裂光束校准成校准光束的装置、和用于聚焦所述校准光束的装置。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，它还包括用于垂直于光轴移动目标的装置。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，它还包括用于沿垂直于光轴的直线移动目标的装置。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，它还包括用于给目标施加保护气体的装置。
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