CN101583456A

CN101583456A - 激光焊接装置

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Publication number: CN101583456A
Application number: CNA2007800498956A
Authority: CN
Inventors: 河野宽史
Original assignee: Japan Unix Co Ltd
Current assignee: Japan Unix Co Ltd
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: CN101583456B; JP5148118B2; JP2008168333A

Abstract

本发明的目的在于提供一种结构简单的激光焊接装置，通过采用该装置，即使在焊接对象为环状端子和插入该环状端子内部的杆状端子的情况下，也可通过照射将该两端子加热的特殊形状的激光束，在不发生电子零部件被烧损的问题的情况下有效地进行焊接。为达到该目的，在将激光束照射在焊接对象上来进行焊接的激光焊接装置中，多个光学透镜中的一部分由锥形透镜形成，该锥形透镜中，其入射面或出射面为圆锥面，中部具有直径比入射在该锥形透镜上的圆形激光束的直径小的中心孔，所述激光焊接装置通过该锥形透镜将所述圆形激光束转变成具有圆环状的环状部和位于该环状部中心的点状部的双重圆形光束，并将该双重圆形光束照射在焊接对象上。

Description

激光焊接装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过激光束来精密地焊接IC、LSI等电子零部件或其他工件的激光焊接装置。

背景技术

采用激光进行焊接的技术为现有的公知技术，如下述专利文献1和专利文献2所公开的内容。这些技术是一种从焊接装置的焊机机头向印刷电路板等焊接对象照射激光束并通过该激光束的热量来使焊锡熔融的焊接技术，具有不接触焊锡就可进行焊接的优点。

然而现有技术中存在如下这样的问题，如图7和图8所示，由于是从焊机机头1以点状的方式向焊接对象3照射圆形激光束2，并通过该激光束2使喷嘴7供给的焊丝8熔融，由此来进行焊接，因此，在焊接对象3为设置在基板4上的环状端子4a和插入该环状端子4a内部的电子零部件5的杆状端子5a这样的情况下，激光束2会经由所述环状端子4a和杆状端子5a之间的间隙6照射到电子零部件5上，从而将该电子零部件5的局部烧损。

另一方面，专利文献3和专利文献4中公开有一种采用环状激光束对对象物进行加热、加工的技术。因此，若采用这种环状激光束来焊接所述环状端子4a和杆状端子5a，可消除如上所述的电子零部件被烧损的问题。

专利文献1：日本发明专利公开公报特开平4-52073号

专利文献2：日本发明专利公开公报特开2002-1521号

专利文献3：日本发明专利公开公报特开2005-28428号

专利文献4：日本发明专利公开公报特开2006-229075号

然而，环状激光束只能加热环状端子4a，而不能加热位于该环状端子4a中间的杆状端子5a。因此，熔融的焊锡会因低温的所述杆状端子5a而骤冷，从而导致焊接不良，这种情况下，需花费较多的焊接时间，因而使得作业效率降低。尤其是，在通过焊接机器人连续焊接多个焊接部位的情况下，整个作业效率会明显降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种结构简单的激光焊接装置，通过采用该激光焊接装置，即使在焊接对象为环状端子和插入该环状端子内部的杆状端子的情况下，也可通过照射将该两端子加热的特殊形状的激光束，在不发生电子零部件被烧损的问题的情况下有效地进行焊接。

为达到上述目的，本发明的激光焊接装置按如下方式构成：通过多个光学透镜将激光束转变成具有所需的光束直径和光束形状的激光束，并将其照射在焊接对象上，所述多个光学透镜中的一部分由锥形透镜形成。该锥形透镜中，其入射面或出射面为圆锥面，中部具有直径比入射在该锥形透镜上的圆形激光束的直径小的中心孔，所述激光焊接装置通过该锥形透镜将所述圆形激光束转变成具有圆环状的环状部和位于该环状部中心的点状部的双重圆形光束，并将该双重圆形光束照射在所述焊接对象上。

这样，即使焊接对象由环状端子和插入该环状端子内部的杆状端子构成，也可通过该双重圆形光束同时加热这两个端子，因此，可在不会出现电子零部件被烧损的问题的情况下有效地进行焊接。此外，由于是通过采用具有中心孔的锥形透镜来容易地产生所述双重圆形光束，因此装置的结构简单。

本发明的优选技术方案为，该激光焊接装置具有入射部和照射部，所述激光振荡器输出的激光束射入到该入射部，该照射部用于让该入射部输出的激光束朝焊接对象照射，这些入射部和照射部被设置为其光轴通过位于二者之间的半透镜呈90度弯折的状态，所述锥形透镜设置在所述照射部，此外，该焊接装置具有用于对焊接对象进行摄像的CCD摄像机，该CCD摄像机的摄像用光轴与所述照射部光轴一致，该CCD摄像机经由所述半透镜和所述锥形透镜的中心孔来对焊接对象进行摄像。

或者，也可不将锥形透镜设置在所述照射部，而将其设置在所述入射部，所述CCD摄像机经由该锥形透镜之外的其他光学透镜来对焊接对象进行摄像。

本发明的另一实施例中，焊接装置具有一个所述锥形透镜，该锥形透镜的所述圆锥面为凸状圆锥面，该锥形透镜设置在所述多个光学透镜组中最靠近焊接对象的位置上，且以所述圆锥面作为出射面。

此外，本发明的其他实施例中，激光焊接装置具有两个所述锥形透镜，其中一个锥形透镜的圆锥面为凹状圆锥面，另一个锥形透镜的圆锥面为凸状圆锥面，这些锥形透镜被设置为所述凹状圆锥面和所述凸状圆锥面相向的状态。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的激光焊接装置的第一实施方式的结构图。

图2是不具有中心孔的普通锥形透镜的功能说明图。

图3是俯视图，表示从图2的锥形透镜射出的激光束的图案。

图4是要部俯视图，表示从图1的焊接装置照射在焊接对象上的激光束的照射图案。

图5是示意性地表示本发明的激光焊接装置的第二实施方式的结构图。

图6是图5的要部放大图。

图7是现有技术中的焊接装置的要部侧视图。

图8是要部侧视图，表示从现有技术中的焊接装置射出的激光束的照射图案。

【附图标记说明】

11：激光振荡器，15：焊接对象，17：入射部，18：照射部，19：CCD摄像机，21：半透镜，22：光学透镜(第一凸透镜)，23：光学透镜(第二凸透镜)，24、33、34：锥形透镜，25：入射面，26、37a：出射面，26a、40a：圆锥面，27、38、42：中心孔，32、44：光学透镜(凸透镜)，Br：环状部，Bs：点状部，L1：入射部光轴，L2：照射部光轴，L3：摄像用光轴。

具体实施方式

图1是示意性地表示本发明的激光焊接装置的第一实施方式的图。该图中，附图标记“10”表示设置在未图示的焊接机器人的多关节臂上的焊机机头；附图标记“11”表示用于输出激光束B 1的激光振荡器；附图标记“12”表示用于将该激光振荡器11输出的激光束B 1导向所述焊机机头10的光纤。此外，附图标记“13”表示设置有印刷电路的基板；附图标记“14”表示焊接在该基板13上的电子零部件。焊接是在电子零部件14的杆状端子14a插入所述基板13上的环状端子13a内的状态下来进行的。因此，这些环状端子13a和杆状端子14a构成焊接对象15。

所述焊机机头10具有：入射部17，从所述激光振荡器11输出的激光束B1经由光纤12入射到该入射部17；照射部18，其将入射的激光束B1向焊接对象15照射；CCD摄像机19，用于对所述焊接对象15摄像。

所述入射部17和照射部18是以如下状态设置在筒状壳体20的内部，即，使其光轴即入射部光轴L1和照射部光轴L2以半透镜21为界限呈90度弯折的状态。所述CCD摄像机19设置在该壳体20的上端，且该CCD摄像机19的摄像用光轴L3与所述照射部光轴L2大致一致。

所述半透镜21具有不能让激光振荡器11输出的激光束B1透过而是使其反射但能让其他光(可见光)透过的特性。半透镜21以分别相对于所述入射部光轴L1和照射部光轴L2倾斜45度的方式而设置，使从所述入射部17入射的圆形的所述激光束B1沿着所述照射部光轴L2所在的方向反射。

在所述照射部18中，沿着该照射部光轴L2依次设置有所述半透镜21和多个光学透镜22、23、24，该多个光学透镜22、23、24用于将激光束转变成所需的光束直径和光束形状。

所述多个光学透镜22、23、24中，位于所述半透镜21侧的第一、第二两个光学透镜22、23为单面或双面呈凸状球面且中部的厚度比周缘厚的凸透镜，此外，最靠近焊接对象15侧的一个光学透镜24为单面呈圆锥面26a的锥形透镜，该锥形透镜24被设置成以所述圆锥面26a作为出射面而朝向焊接对象的状态。

此外，当通过所述半透镜21反射的激光束B2作为光束直径逐渐放大的放大光束入射到第一光学透镜22上时，会通过该第一光学透镜22使其成为平行光束B3并入射到后方的第二光学透镜23上。接下来，通过该第二光学透镜23汇聚，从而成为光束直径逐渐减小的激光束B4，然后入射到所述锥形透镜24上。

下面，通过图2所示的普通锥形透镜24a来说明所述锥形透镜的原理性功能。该锥形透镜24a具有由垂直于轴线的平面构成的入射面25和呈圆锥面状的出射面26，当从所述入射面25入射的圆形激光束Bi从出射面26射出时，会在圆锥面26a和该圆锥面26a的顶点26b弯折不同的角度，从而转变成环状激光束Bo。当将射出的激光束Bo照射到A面上时，其图案呈图3所示的环状。

与此相对，图1所示实施方式中的所述锥形透镜24具有垂直于照射部光轴L2的平面状入射面25和由圆锥面26a构成的出射面26，除此之外，还在透镜的中部具有沿轴线方向贯穿该锥形透镜24的中心孔27，该中心孔27位于所述照射部光轴L2上。该中心孔27比入射的圆形激光束B4的外径小，在该状态下让该激光束B4的一部分透过该中心孔27，从而会以直径较小的圆形光束的形式射出。此外，所述中心孔27上位于出射面26侧的孔缘27a相当于所述普通锥形透镜24a的顶点26b。

因此，从图4可知，从所述锥形透镜24a射出的激光束B5具有环状部Br和圆形点状部Bs，该环状部Br是从圆环状的所述圆锥面26a射出的部分，该点状部Bs是从所述中心孔27射出的部分，该点状部Bs位于所述环状部Br的中心。在如下的说明中，将像这样具有环状部Br和点状部Bs的激光束称为“双重圆形光束”。

此外，所述环状部Br以环绕在环状端子13a的孔13b周围的方式照射在该环状端子13a上来对其(环状端子13a)进行加热，所述点状部Bs以点状照射在杆状端子14a上来对该杆状端子14a进行加热。该状态下，焊丝28被该双重圆形光束B5熔融，由此对所述两端子13a、14a进行焊接。因此，在不会出现电子零部件14被烧损的问题的情况下，就可通过所述环状部Br和点状部Bs对环状端子13a和杆状端子14a二者进行加热，在短时间内快速、有效地进行焊接。

图示的实施例中，被第二光学透镜23汇聚的激光束B4照射在锥形透镜24上，因此，经由所述中心孔27的圆形光束(点状部Bs)也呈汇聚状态，其光束直径逐渐减小。因此，可根据焊接对象15，通过改变所述锥形透镜24和第二光学透镜23或焊接对象15之间的距离，调整照射在焊接对象15上的双重圆形光束的光束直径，即，调整所述点状部Bs的点直径和环状部BS的环直径和环宽度。

另一方面，可将平行的激光束照射在所述锥形透镜24上，此时，经由所述中心孔27的圆形光束即点状部Bs也为平行光，其光束直径与中心孔27的孔径大致相同。因此，若在该情况下改变所述锥形透镜24和焊接对象15之间的距离，只能调整环状部BS的环直径和环宽度。

所述CCD摄像机19被设置成其摄像用光轴L3与照射部光轴L2一致的状态，从而可从所述锥形透镜24的中心孔27经由其他光学透镜22、23和半透镜21对焊接对象15进行摄像。该CCD摄像机19所拍摄的焊接对象15的图像显示在监视器29中，例如，在焊接前的调试、教学(teaching)阶段，边看该图像边确定双重圆形光束B5相对于焊接对象15的照射位置，在焊接时，监视所述焊接是否在正常地进行这样的情况。这种技术已经被日本发明专利公开公报特开2002-1521号公开，并且与本发明的要点并不直接相关，因此省略更具体的说明。

本实施方式中，未在所述入射部17设置光学透镜，但也可根据需要在该入射部17设置一个以上的光学透镜(凸透镜)。同样，也可根据需要在所述半透镜21和CCD摄像机19之间设置一个以上的光学透镜(凸透镜)。

因此，通过在照射部18上设置具有中心孔27的锥形透镜24这样的简单结构，可利用该锥形透镜24而产生具有环状部Br和点状部Bs的双重圆形光束B5。通过该双重圆形光束B5，即使焊接对象15由环状端子13a和嵌入该环状端子13a内部的杆状端子14a构成，也可同时加热所述环状端子13a和杆状端子14a二者，有效、快速地进行焊接。

此外，利用所述锥形透镜24的中心孔27，可在图像不变形的情况下来观察焊接对象15，因此，虽然采用在照射部18上设置该锥形透镜24的结构，仍可设置CCD摄像机19。

也就是说，若在所述照射部18上设置图2所示那样的不带中心孔的普通锥形透镜24a，图像会因光的折射而变形，因此，CCD摄像机19难以对焊接对象进行摄像。

此外，所述锥形透镜24的位置和朝向并不限于上述实施例。即使将该锥形透镜24设置为其他位置和朝向，也可通过与其他凸透镜组合使用而产生上述那样的具有环状部Br和点状部Bs的双重圆形光束B5。当所述锥形透镜24的朝向与上述实施例相反时，所述圆锥面26a就成为入射面，而位于圆锥面26a相反一侧的平面就成为出射面。

此外，即使不设置所述CCD摄像机19也能达到本发明期望的目的。此时，可按如下这样来设置：不设置所述半透镜21，并使入射部光轴L1与照射部光轴L2一致，从照射部18的一端沿着所述照射部光轴L2来入射激光束。

图5表示本发明的焊接装置的第二实施方式。该第二实施方式的焊接装置与所述第一实施方式的焊接装置的不同之处在于，锥形透镜是设置在入射部的。

即，所述入射部17中具有：反射镜31，用于使通过光纤12供给的圆形激光束B11沿着入射部光轴L1反射；入射用光学透镜32，用于使通过该反射镜31反射出的激光束B12成为具有一定光束直径的平行激光束B13；第一、第二两个锥形透镜33、34，用于将通过该光学透镜32形成的平行激光束B13转变成双重圆形形状的激光束(双重圆形光束)B14、B15。这些反射镜31、入射用光学透镜32以及锥形透镜33、34设置为依次沿着所述入射部光轴L1的状态。所述入射用光学透镜32为凸透镜。

如图6所示，所述第一锥形透镜33具有：垂直于入射部光轴L1的平面状入射面36；由凹状圆锥面37a构成的出射面37；沿轴线方向贯穿第一锥形透镜33中部的圆形中心孔38。此外，所述第二锥形透镜34具有：由凸状的圆锥面40a构成的入射面40；垂直于入射部光轴L1的平面状出射面41；沿轴线方向贯穿第二锥形透镜34中部的圆形中心孔42。所述一对锥形透镜33、34被设置为同心状态，具体而言，使锥形透镜33、34各自的圆锥面37a、40a彼此相向且二者之间保持规定的间隔，该状态下，使锥形透镜33、34的中心轴线与所述入射部光轴L1一致，从而使锥形透镜33、34呈同心状态。

所述两个锥形透镜33、34的圆锥面37a、40a的倾斜角度优选相同。此外，所述两个锥形透镜33、34的中心孔38、42的直径优选相同，但第二锥形透镜34的中心孔42也可稍大于第一锥形透镜33的中心孔38。

此时，若从所述第一锥形透镜33的平坦入射面36入射圆形且平行的激光束B13，则该激光束B13经由出射面37中的凹状圆锥面37a和中心孔38从该出射面射出。此时，分成折射光和直射光两种，将所述激光束B 13转变成具有环状部Br和点状部Bs的双重圆形光束B14。该双重圆形光束B14一部分从接下来的第二锥形透镜34的入射面40中的凸状圆锥面40a入射而从出射面41射出，一部分穿过中心孔42，这样，变成具有图4所示那样的光束图案的平行的双重圆形光束B15，该双重圆形光束B15通过半透镜21反射出，经由照射部18照射到焊接对象15上。

所述第一锥形透镜33和第二锥形透镜34可设置成二者之间保持一定间距的状态，但也可使第一、第二锥形透镜33、34中至少一方的位置可调，例如像图示的那样，将第二锥形透镜34固定，使第一锥形透镜33沿入射部光轴L1位移，由此使两个锥形透镜33、34之间的间距可调，这样，可改变所述双重圆形光束的光束直径。

另一方面，所述照射部18具有沿着所述照射部光轴L2设置的一个或多个光学透镜44。该光学透镜44为凸透镜，通过所述半透镜21反射出的双重圆形光束B16被该光学透镜44汇聚，从而作为具有规定的环直径和环宽度以及点直径的双重圆形光束B17照射在焊接对象15上。

图中的附图标记“45”为成像用透镜，其沿着摄像用光轴L3设置在CCD摄像机19和所述半透镜21之间，由凸透镜构成。

该第二实施方式中，所述CCD摄像机19不像第一实施方式那样是经由锥形透镜的中心孔来进行摄像的，而是通过由凸透镜构成的所述光学透镜44和半透镜21来对焊接对象15进行摄像的。

该第二实施方式中，除了上述结构之外，其余结构与所述第一实施方式大致相同，且那些相同的结构部分上标注有与第一实施方式相同的附图标记，因此省略对其的说明。

此外，所述第二实施方式中，也可将凹状的第一锥形透镜33和凸状的第二锥形透镜34设置在所述照射部18上。

Claims

1.一种激光焊接装置，包括用于输出激光束的激光振荡器和多个光学透镜，该多个光学透镜用于将该激光振荡器输出的激光束转变成具有所需的光束直径和光束形状的激光束，所述激光焊接装置是通过让所述激光束经由这些光学透镜照射在焊接对象上来进行焊接的，其特征在于，

所述多个光学透镜中的一部分为锥形透镜，该锥形透镜中，入射面或出射面为圆锥面，中部具有直径比入射在该锥形透镜上的圆形激光束的直径小的中心孔，所述激光焊接装置通过该锥形透镜将所述圆形激光束转变成具有圆环状的环状部和位于该环状部中心的点状部的双重圆形光束，并将该双重圆形光束照射在所述焊接对象上。

2.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，

该激光焊接装置具有入射部和照射部，所述激光振荡器输出的激光束射入到该入射部，该照射部用于使该入射部输出的激光束朝焊接对象照射，这些入射部和照射部被设置为其光轴通过位于二者之间的半透镜呈90度弯折的状态，所述锥形透镜设置在所述照射部，此外，该焊接装置具有用于对焊接对象进行摄像的CCD摄像机，该CCD摄像机的摄像用光轴与所述照射部光轴一致，该CCD摄像机经由所述半透镜和所述锥形透镜的中心孔来对焊接对象进行摄像。

3.如权利要求1或2所述的激光焊接装置，其特征在于，

该焊接装置具有一个所述锥形透镜，该锥形透镜的所述圆锥面为凸状圆锥面，该锥形透镜设置在所述多个光学透镜组中最靠近焊接对象的位置上，且以所述圆锥面作为出射面。

4.如权利要求2所述的激光焊接装置，其特征在于，

所述照射部中具有：用于将通过所述半透镜反射出的放大光束转变成平行光束的第一凸透镜；用于将该第一凸透镜输出的平行光束转变成汇聚光束的第二凸透镜；以及一个所述锥形透镜，该第二凸透镜输出的汇聚光束照射在该锥形透镜上，该锥形透镜的所述圆锥面为凸状圆锥面，该锥形透镜设置在所述多个光学透镜组中最靠近焊接对象的位置上，且以所述圆锥面作为出射面。

5.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，

该激光焊接装置具有入射部和照射部，所述激光振荡器输出的激光束射入到该入射部，该照射部用于使该入射部输出的激光束朝焊接对象照射，这些入射部和照射部被设置为其光轴通过位于二者之间的半透镜呈90度弯折的状态，所述锥形透镜设置在所述入射部，此外，该焊接装置具有用于对焊接对象进行摄像的CCD摄像机，该CCD摄像机的摄像用光轴与所述照射部光轴一致，CCD摄像机经由所述锥形透镜之外的其他光学透镜和所述半透镜来对焊接对象进行摄像。

6.如权利要求1或5所述的激光焊接装置，其特征在于，

该激光焊接装置具有两个所述锥形透镜，其中一个的第一锥形透镜的圆锥面为凹状圆锥面，另一个的第二锥形透镜的圆锥面为凸状圆锥面，这些锥形透镜被设置为所述凹状圆锥面和所述凸状圆锥面相向的状态。

7.如权利要求5所述的激光焊接装置，其特征在于，

上述入射部中具有：用于将入射的放大光束转变成平行光束的凸透镜；用于将该凸透镜输出的平行光束转变成所述双重圆形光束并将其照射在上述半透镜上的两个所述锥形透镜，其中一个的第一锥形透镜的圆锥面为凹状圆锥面，另一个的第二锥形透镜的圆锥面为凸状圆锥面，这些锥形透镜被设置为所述凹状圆锥面和所述凸状圆锥面相向的状态，此外，所述照射部中设置有用于使所述半透镜反射的双重圆形光束汇聚而照射在焊接对象上的凸透镜。