CN103042308A - 用于焊接的激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于焊接的激光装置。该激光装置包括：安装架；激光光学头，被安装在安装架的下部，适合于改变由激光振荡器振荡的激光束的光点直径，并且适合于将激光束射入连接构件的连接部，其中，根据由激光光学头改变的光点直径，有选择地执行钎焊或激光熔焊。该激光装置还包括焊丝进给机构，用于将填充金属供给到由激光光学头射出的激光束中从而执行钎焊。焊丝进给机构布置在激光光学头的侧部并且安装在安装架上。

Description

用于焊接的激光装置

技术领域

本发明涉及一种用于焊接的激光装置。本发明更特别涉及这样一种用于焊接的激光装置，其能够通过利用一个装置的激光束来执行钎焊或者激光熔焊以将两个连接构件或板件连接。

背景技术

近年来，激光束因成本低、工业自动化以及质量改善，而在金属构件的切割、焊接以及热处理中的使用日益增多。

应用激光束所需的主要问题在于使激光束能量分配均一，激光输出可控以保持恒定的热处理温度，激光束的射出速度被优化以满足生产率和质量的要求，并使能量吸收率最大化。也就是说，在使用激光束时，如果满足了主要问题，就能达到降低成本并改善质量的目的。

在此，将通过利用激光束将两个连接构件或板件连接起来的连接方法分为钎焊和熔焊(welding)。

首先，钎焊是一种金属连接方法，由于具有比连接构件更低熔点的有色金属或有色金属合金(例如，焊料或钎料)被用作填充金属，因此连接构件不熔化而填充金属熔化。在此情况下，被熔化的填充金属在连接构件之间通过毛细现象被扩散，并且构成连接构件的基底金属被熔融的填充金属润湿。此后，如果填充金属和连接构件冷却，则连接构件被连接。

与点焊相比，激光钎焊由于具有漂亮的外观因而可增强设计的自由度以及生产率，由于无需喷射成型或者密封剂连接部因而可以减少成本，并且由于连接部的压力扩散，而能改善车体的强度。为了获得良好的钎焊质量，板件、激光束的焦点以及填充焊丝的尖端应该对齐。

激光熔焊(laser welding)也是一种金属连接方法，在两个连接构件(板件)彼此重叠的状态下，激光束射入焊接部分(连接部分)从而熔化板件。在此情况下，熔融金属被激光焊接部分周围产生的等离子体的压力推向焊接方向的反方向。此后，熔融金属凝固，生成焊道，因此连接构件(板件)通过焊道被连接。

激光熔焊的质量受到连接构件之间的间隙尺寸的影响。如果不存在供膨胀气体通过的足够的空间，气体就会冲破焊道或者使焊道凹陷。因此，会产生焊接部分的破损。

因此，基本上需要附加装置，用以向连接构件施加压力或者夹紧连接构件从而保持连接构件之间的间隙。

用于激光钎焊或熔焊的激光装置，包括设置有多个透镜的激光光学头。激光光学头适合于将由激光振荡器振荡的激光束射入焊接部分。

根据传统的激光装置，在钎焊时通常需要用来供应填充金属的装置，而在熔焊时通常需要用于向连接构件施加压力或者夹紧连接构件的附加装置。因此，会增大初始投资成本。

如果为了连接两个连接构件而同时使用激光钎焊和激光熔焊，钎焊和熔焊中的一个应该在钎焊和熔焊中的另一个实施之后进行。因此，工作时间非常长。

因为钎焊和熔焊不能通过一个激光装置来实施，因此会增大制造成本。

上述背景部分公开的信息仅仅用于增强对本发明背景技术的理解，因而对于所属领域技术人员而言，其可能包含并不形成构成该国已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种用于焊接的激光装置，通过能够利用一个装置来执行钎焊或者激光熔焊将两个连接构件或者板件连接起来，而具有减少制造成本、缩短工时、提高生产率的优点。

根据本发明的一个或多个示例性实施方式的用于焊接的激光装置，包括：安装架；激光光学头，安装在安装架的下部，适合于改变由激光振荡器振荡的激光束的光点尺寸，并适合于将激光束射入连接构件的连接部，其中根据由激光光学头改变的光点尺寸有选择地执行钎焊或者激光熔焊。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，激光装置还包括焊丝进给机构，用于将填充金属供应到由激光光学头射出的激光束中以执行钎焊。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，焊丝进给机构被布置在激光光学头的侧部并且被安装在安装架上。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，激光装置还包括辊单元，适合于在激光熔焊连接构件时向连接构件的上部施加压力以控制连接构件之间的间隙。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，辊单元被安装在安装架上并且可在安装架上向上或向下移动。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，辊单元包括：安装托架，其位于安装架上、激光光学头前；操作气缸，具有操作杆并且被安装在安装托架的侧面部分，操作杆被安装在操作气缸上以便可向上或向下移动；以及辊，连接于操作杆的前端，通过导向装置可移动地安装在操作气缸上，并且适合于根据操作杆的运动，可滑动地接触连接构件的上表面，并且向连接构件施加压力。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，导向装置包括：轨道，沿着操作气缸的长度方向安装在其表面上；以及轨道块，可滑动地安装于轨道上，连接于操作杆，并且具有通过连接块而安装辊的前端。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，辊单元还包括鼓风机，用于去除在激光熔焊时的溅出物。

在本发明的一个或者多个示例性实施方式中，激光光学头包括：头壳体，安装在安装架的下部，并且设置有其一侧连接于光纤电缆的上部和由激光射出孔形成的下部，其中光纤电缆用于传播由激光振荡器振荡的激光束；准直透镜，安装在头壳体的延伸部以便可通过驱动装置向上或者向下移动，并且适合于控制由激光振荡器振荡的激光束的尺寸；第一反射镜，安装在头壳体中的侧部，且位于准直透镜的垂直线上，并且适合于在水平方向上完全地反射激光束；第二反射镜，安装在头壳体中的另一侧，且位于第一反射镜的水平线上，并且适合于在垂直方向上完全地反射由第一反射镜反射的激光束；和聚焦透镜，对应于头壳体的激光射出孔安装在第二反射镜的垂直线上，并且适合于形成由第二反射镜反射的激光束的焦点，并且适合于将激光束射入连接构件的连接部。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，驱动装置包括：导轨，安装在延伸部的内圆周的两侧，并且适合于引导准直透镜；驱动电机，安装在延伸部的外部并且具有面向下的旋转轴；传动螺杆，连接到驱动电机的旋转轴；以及螺丝座，其在被连接到准直透镜的状态下在延伸部的外部与传动螺杆啮合。

在本发明的一个或多个示例性实施方式中，驱动电机为步进电机，其旋转速度和旋转方向可控。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置的立体图；

图2是根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置的另一立体图；

图3是根据本发明的示例性实施方式的被应用在用于焊接的激光装置的激光光学头的截面图；

图4是根据本发明示例性实施方式的被应用于用于焊接的激光装置的激光光学头的操作状态图；

图5是根据本发明的示例性实施方式的用于焊接的激光装置的操作状态图。

附图标记说明：

1：激光装置        3：机器臂

5：安装架          10：激光光学头

11：激光振荡器     13：头壳体

14：延伸部         15：激光射出孔

16：准直透镜       17：第一反射镜

18：第二反射镜     19：聚焦透镜

20：驱动装置       21：导轨

22：驱动电机       23：传动螺杆

24：螺丝座         25：控制器

30：焊丝进给机构   40：辊单元

41：安装托架        43：操作气缸

45：轨道            47：轨道块

48：连接块          49：辊

50：鼓风机          60：传感器

P：连接构件         B：激光束

G：间隙

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的示例实施方式。

在说明书和附图中所描述的示例性实施方式仅仅是本发明的示例性实施方式。应该理解的是，对于本申请，在本发明的实质范围内还可以存在多种变型和等价形式。

图1是根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置的立体图；图2是根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置的另一立体图；而图3是应用到根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置上的激光光学头的截面图。

参照附图，根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置1使得钎焊或者激光熔焊能够通过一个装置将两个连接构件或者板件连接起来。因此，减少了制作成本和工时，并且能够提高生产率。

为了达到这些目的，根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置1，如图1和2所示，包括安装架5、激光光学头10、焊丝进给机构30以及辊单元40，后面将详述每个组件。

首先，安装架5安装在机器臂3的前端。

在本示例性实施方式中，激光光学头10被安装在安装架5的下方，改变由激光振荡器11振荡的激光束B的光点直径，并将激光束B投射到连接构件P的连接部。

如图3所示，激光光学头10包括头壳体13、准直透镜16、第一和第二反射镜17和18以及聚焦透镜19。

头壳体13具有大致矩形形状，其中具有空间。头壳体13的上端安装在安装架5的下部。

延伸部14形成于头壳体13的上部的一侧，并且光纤电缆连接于延伸部14。光纤电缆适合于传导由激光振荡器11振荡的激光束。激光射出孔15形成于头壳体13的下部。

准直透镜16被安装在头壳体13的延伸部14上，并且可通过驱动装置20而向上或向下移动。准直透镜16适合于控制由激光振荡器11振荡的激光束B的尺寸(光点直径)。

在此，驱动装置20包括导轨21、驱动电机22、传动螺杆23以及螺丝座24，后面将详细描述每个组件。

导轨21安装在延伸部14的内周的两侧，适合于稳定地引导准直透镜16。

在本示例性实施方式中，驱动电机22安装在延伸部14的外部并具有面向下的旋转轴。传动螺杆23连接于驱动电机22的旋转轴。

在此，驱动电机22与控制器25电连接，且可以是步进电机。可以根据控制器25的输出信号来控制驱动电机22的旋转速度和旋转方向。

传动螺杆23连接于驱动电机22的旋转轴，以根据驱动电机22的旋转而旋转。

此外，螺丝座24在被连接到准直透镜16的状态下，与传动螺杆23在延伸部14的外部啮合。

因此，如果驱动电机22通过控制器25的控制信号被操作，则传动螺杆23顺时针或逆时针旋转，与传动螺杆23啮合的螺丝座24在传动螺杆23上向上或向下移动。

因此，连接于螺丝座24的准直透镜16沿着位于延伸部14的导轨21上下滑动。

在本发明的示例性实施方式中，第一反射镜17安装在准直透镜16的垂直线上、头壳体13的侧部，并适合于沿水平方向地完全反射激光束B。

此外，第二反射镜18安装在第一反射镜17的水平线上、头壳体13的另一侧，并且适合于在垂直方向上完全反射由第一透视镜17反射的激光束B。

换言之，第一反射镜17和第二反射镜18反射由激光振荡器11振荡的激光束B，并且分别在水平和垂直方向上形成被准直透镜16控制的焦点，从而使激光束B射入激光射出孔15。

在本示例性实施方式中，聚焦透镜19与头壳体13的激光射出孔15相对应地安装在第二反射镜18的垂直线上。

聚焦透镜19适合于形成从第二反射镜18反射的激光束B的焦点F，并适合于将高能的激光束B射入连接构件P的连接部。

激光光学头10根据连接构件P的激光钎焊或激光熔焊，改变激光束B的光点直径。下面将参照图4详细描述这些处理。

图4是将激光光学头应用到根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置的操作状态图。

参照图4，当激光钎焊连接构件P时，驱动装置20的螺丝座24靠近驱动电机22布置在传动螺杆23上。因此，准直透镜16置于延伸部14的上部。

因此，由激光振荡器11振荡的激光束B的直径，由于置于头壳体13的延伸部14的上部的准直透镜16而变小。作为被第一、第二反射镜17和18反射的结果，激光束B透过聚焦透镜19。

然后，激光束B通过聚焦透镜19，在离开连接构件P且位于其上方的位置形成焦点F，并且激光束B对应于焦点F向着连接构件P展开从而以增大的直径被射入连接构件P。因此，执行激光钎焊。

相反地，当通过激光熔焊连接构件P时，传动螺杆23通过驱动电机22的操作而旋转，而螺丝座24从初始位置向下移动。因此，准直透镜16沿着导轨21与螺丝座24一起向下移动，并置于延伸部14的下部。

因此，通过置于延伸部14下部的准直透镜16，由激光振荡器11振荡的激光束B的直径变得大于钎焊时的激光束B的直径。作为被第一和第二反射镜17和18反射的结果，激光束B透过聚焦透镜19。

然后，激光束B通过聚焦透镜19，在形成于连接构件P的连接部的表面上的焦点F，被射入连接构件P。因而，执行激光熔焊。

在本示例性实施方式中，焊丝进给机构30适合于将填充金属供应到从激光光学头10射出的激光束B中。焊丝进给机构30被布置在激光光学头10的一侧并且被安装在安装架5上。填充金属被激光束B熔化。

焊丝进给机构30只在激光钎焊时使用。换言之，被供应到从激光光学头10发射的激光束B中的填充金属被熔化，而连接构件P通过熔融的填充金属被钎焊。

此外，如图2所示，辊单元40适合于向连接构件P的上部施加压力，以便在对连接构件P进行激光熔焊时，控制连接构件P之间的间隙。辊单元40安装在安装架5上，位于激光光学头10的前方，并且能够相对于安装架5向上或向下移动。

辊单元40包括安装托架41、操作气缸43以及辊49。

安装托架40安装在安装架5上，位于激光光学头10的前方。

在此，安装托架41可以相对于安装架5以预定角度倾斜。

在本示例性实施方式中，操作气缸43包括操作杆R，并安装在安装托架41的侧部。操作杆R安装在操作气缸43上并且可相对于操作气缸43而向上或者向下移动。

此外，辊49连接于操作气缸43的操作杆R的前端，并且通过导向装置42可移动安装在操作气缸43上。因此，依赖于操作杆R的运动，辊49可滑动地接触连接构件P的上表面，以便向连接构件P施加压力。

在此，导向装置42包括沿着其长度方向安装在操作气缸43的表面的轨道45，以及可滑动地安装在轨道45上的轨道块47。轨道块47连接于操作气缸43的操作杆R，并且辊49通过连接块48安装在轨道块47的前端。

当操作杆R上下移动时，导向装置42稳定地引导辊49的运动。

此外，当辊49向连接构件P施加压力时，导向装置42支承辊49，以便稳定地向连接构件P施加压力。

在本示例性实施方式中，辊单元40还包括在辊49旁边的鼓风机50，以去除在激光熔焊时产生的溅出物。

当连接构件P通过激光光学头10射出的激光束B而被焊接时，鼓风机50能避免从连接构件P产生的溅出物粘附到连接构件P的表面或者激光光学头10的聚焦透镜19上。

同时，根据本示例性实施方式，传感器60安装在安装托架41上。传感器60用于在激光熔焊时检查焊接质量。

在下文中将详细描述根据示例性实施方式的用于焊接的激光装置1的操作。

图5是根据本发明的示例性实施方式的用于焊接的激光装置的操作状态图。

如图4所示，根据本发明的示例性实施方式的用于焊接的激光装置1，在对连接构件P进行激光钎焊时，通过驱动装置20改变头壳体13中的准直透镜16的位置。因此，由激光振荡器11振荡的激光束B的直径被控制以对连接构件P进行钎焊。

此时，焊丝进给机构30持续将填充金属供应给激光束B，直到钎焊结束，以便平稳地执行连接构件P的钎焊。

此外，如图4所示，在对连接构件P进行激光熔焊时，准直透镜16通过驱动装置20移动到延伸部14的下部。

因此，如图5的<S1>所示，激光束B的焦点F位于连接构件P的连接部的表面上。

在此情况下，在连接构件P1与连接构件P2之间形成的间隙G1大于用于激光熔焊所要求的间隙。

在此状态，辊单元40的操作杆R向下移动，并且轨道块47连同操作杆R沿着轨道45向下滑动。

然后，安装在轨道块47的前端的辊49，在可滑动地接触连接构件P1的表面的状态下，将操作气缸43的载荷施加给连接构件P1。

因此，在连接构件P1与连接构件P2之间形成的间隙G2变得比图5的<S1>所示的间隙G1小。

也就是说，辊单元40将连接构件P1与连接构件P2之间形成的间隙的尺寸控制成用于激光熔焊所要求的尺寸，并且在激光熔焊期间使间隙保持固定尺寸。因此，可以改善焊接的质量。

如上所述，根据本发明示例性实施方式的用于焊接的激光装置1能够通过利用一个装置将两个连接构件P或板件通过钎焊或激光熔焊连接起来。因此，可降低制作成本和工时，并且提高生产率。

此外，(i)可以改变激光束B的光点直径，(ii)焊丝进给机构30能够供应填充金属，以及(iii)辊单元40可向连接构件施加压力以保持连接构件P之间的间隙G。因此，可以在无需附加装置的情况下同时进行激光钎焊和熔焊，并且获得更高的质量。

尽管本发明是利用目前被认为是实际的示例性实施方式来进行描述的，但是应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施方式，而是相反地，意在覆盖在所附权利要求的实质和范围内的各种变型和等价布置。

Claims (16)

1.一种用于焊接的激光装置，包括：

激光光学头，适合于并被配置成改变由激光振荡器振荡的激光束的光点直径，并使所述激光束射入连接构件的连接部，

其中所述激光光学头适合于并被配置为改变所述光点直径以有选择地执行钎焊或熔焊。

2.如权利要求1所述的激光装置，还包括安装架。

3.如权利要求1所述的激光装置，还包括焊丝进给机构，所述焊丝进给机构将填充金属供应到由所述激光光学头投射的激光束中，以执行钎焊。

4.如权利要求3所述的激光装置，其中所述焊丝进给机构布置在所述激光光学头的侧部，并且被安装在所述安装架上。

5.如权利要求1所述的激光装置，还包括辊单元，所述辊单元适合于向所述连接构件的上部施加压力，以便在对所述连接构件执行激光熔焊时控制所述连接构件之间的间隙。

6.如权利要求5所述的激光装置，其中所述辊单元安装在所述安装架上，并且可沿着所述安装架向上或向下移动。

7.如权利要求1所述的激光装置，其中所述辊单元包括：

安装托架，安装在所述安装架上且位于所述激光光学头的前部；

操作气缸，设置有操作杆且安装在所述安装托架的侧部，所述操作杆被安装在所述操作气缸上以便可以向上或向下移动；

辊，连接于所述操作杆的前端，通过导向装置可移动地安装在所述操作气缸上，并且适合于根据所述操作杆的运动可滑动地接触所述连接构件的上表面，并向所述连接构件施加压力。

8.如权利要求7所述的激光装置，其中所述导向装置包括：

轨道，沿着所述操作气缸的长度方向安装在所述操作气缸的表面上，以及

轨道块，可滑动地安装在所述轨道上，连接于所述操作杆，并且具有所述辊通过连接块安装在其上的前端。

9.如权利要求7所述的激光装置，其中所述辊单元还包括鼓风机，用于去除激光熔焊时的溅出物。

10.如权利要求1所述的激光装置，其中所述激光光学头包括：

头壳体，安装在安装架的下部，并且设置有其一侧连接于光纤电缆的上部和由激光射出孔形成的下部，其中所述光纤电缆用于传播由所述激光振荡器振荡的激光束；

准直透镜，安装在所述头壳体的延伸部以便可通过驱动装置向上或者向下移动，并且适合于控制由所述激光振荡器振荡的激光束的尺寸；

第一反射镜，安装在所述头壳体中的侧部，且位于所述准直透镜的垂直线上，并且适合于在水平方向上完全地反射所述激光束；

第二反射镜，安装在所述头壳体中的另一侧，且位于所述第一反射镜的水平线上，并且适合于在垂直方向上完全地反射由所述第一反射镜反射的激光束；和

聚焦透镜，对应于所述头壳体的激光射出孔安装在所述第二反射镜的垂直线上，并且适合于形成由所述第二反射镜反射的激光束的焦点，并且适合于将所述激光束射入所述连接构件的连接部。

11.如权利要求10所述的激光装置，其中所述驱动装置包括：

导轨，安装在所述延伸部的内周的两侧并且适合于引导所述准直透镜；

驱动电机，安装在所述延伸部的外部，并且具有面向下方的旋转轴；

传动螺杆，连接于所述驱动电机的旋转轴；以及

螺丝座，在被连接到所述准直透镜的状态下，在所述延伸部的外部与所述传动螺杆啮合。

12.如权利要求11所述的激光装置，其中所述驱动电机为步进电机，其旋转速度和旋转方向可控。

13.一种有选择地执行钎焊或者熔焊的方法，所述方法包括：

提供如权利要求1所述的激光装置；

激活激光光学头以改变激光束的光点直径，并且将所述激光束射入连接构件的连接部以有选择地执行钎焊或者熔焊。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述光点直径接近于所述连接部的宽度。

15.如权利要求13所述的方法，还包括将填充金属供给到所述激光光学头投射的激光束中。

16.如权利要求13所述的方法，还包括向所述连接构件的上部施加压力，以便在对所述连接构件执行激光熔焊时，控制所述连接构件之间的间隙。

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