CN104870138B - 机器人式激光焊接步进器 - Google Patents

Abstract

一种机器人操作的激光焊接步进器构造有沿纵向轴线延伸并且由轻质材料制成的细长的支撑柱。支撑板可移动地安装至所述柱，同时支撑在其上的光学头设置有光学器件。光学器件被构造以沿路径引导激光束朝向焊接区域通过激光头的保护窗。机构焊接步进器还构造有第一臂，该第一臂安装至支撑板并且与光学头直径相对地沿步进器的纵向轴线延伸。可移动的臂的内表面限定与光学头对齐并且被激光束、轴向流动的第一加压气体介质流和轴向流动的第二气体介质流轴向地横穿的隧道。进入隧道的第二流的压力低于对应于所述柱中产生的压力梯度的第一流的压力，其不会在所述柱内产生涡流。第一流和第二流通过靠近焊接区域的隧道的下游端离开。随着气流流出，其将残渣带离隧道。

Description

机器人式激光焊接步进器

技术领域

本公开涉及能够被操作以接合两个或多个叠置的金属工件的激光焊接系统领域。特别地，本公开涉及构造具有1级数kW的激光器并且能够抵抗较高的机械负荷的具有轻型的、紧凑结构的激光焊接步进器。

背景技术

焊接通常作为组装方法使用，用于将多个金属工件或板状材料接合到一起形成一个组件。传统的焊接方法是方便可用的并且包括例如弧焊和电阻点焊。完全在最近，已经发现激光焊接方法比传统焊接方法至少在一些方面是有利的。例如，激光束的精确聚焦和高能集聚在更少的热量引入工件周围部分的情况下提供了更快速的焊接。但是，如下讨论的，机器人式的激光焊接机的设计具有一些结构上的挑战。

这些挑战中的一个涉及保护位于激光头的聚焦光学器件免受焊接残渣和灰尘的影响，该焊接残渣和灰尘易于撞击密封残渣进入激光头的入口的玻璃窗。玻璃窗的完整性可能被残渣损坏并且其更换会导致自动组装线频繁的停机。通常，空气喷射以与光导的纵向轴线成一角度地被引入光导中，特征通常被称为交叉式喷射技术。在较高的空气压力下，交叉式喷射导致空气导向件内的涡流。该涡流在导向件的中心区域处于比外围区域的压力更低的压力的情况下在导向件内产生压力梯度。已经注意到，压力梯度对激光束的质量有不利的影响并且使得残渣沿中心区域朝向保护窗流动。此外，交叉式喷射还导致不舒服的高度噪声。

因此，存在对空气供给组件的新设计的需求，该空气供给组件在执行其直接的光学器件保护功能的同时不影响激光束的质量。

另一个挑战与特别地根据高能聚集的焊缝质量相关。当激光束的能量稍微高于需要的能量时，激光束可能熔化全部的重叠件，从而形成了贯通的开口而不是接合这些件。相反地，低能量的激光束可能不足以接合这些件。尽管存在各种技术用于控制激光源的输出能量，但是已知的技术都不能确定焊缝的质量并且实时地响应确定的焊缝质量来改变输出能量。然而，焊接质量如果不是任何焊接过程最重要的参数，也是最重要的参数之一。

因此，存在对构造有用于基于焊接质量自动调整激光输出的系统的光学激光器焊接系统的需求。

另一个挑战来自于待焊接工件的复杂的几何形状。通常，待接合工件不是理想定位的，并且当机器人移动至预定位置时，必须操作机器人以校正工件与机器人之间的位置。

因此，存在对于如下机器人式焊接系统的需求，该机器人式焊接系统设置有一机构，该机构被构造为在不对机器人进行不期望的操作的情况下补偿待焊接工件的期望位置与实际位置之间的差异。

又一挑战还来自于待焊接工件的复杂几何形状，其通常需要相同的机械臂的直径相对的垂直位置。明显地，由于整个焊接装置的重力，所以使该臂朝向工件移动的致动器施加分别与臂位移的向下和向上方向分别对应的不同的力矩。控制臂致动力的已知方法包括手动输入指示臂的期望位置的数据。手动操作可能是不精确的并且耗时的。

因此，存在对移动臂的步骤的自动化的另一需求。

发明内容

本文公开的手动容易操作的焊接步进器解决了全部上述需求。本公开的焊接系统可拆卸地安装至能够被操作以将系统传输至焊接执行所期望的位置的机器人。

根据本公开的一个方面，解决了交叉式喷射的问题，使加压空气流进入平行于其纵向轴线的光导向通道中。在下文中被称为“上方喷射”的所述传输技术几乎消除了中心区域与外围区域之间的压力梯度。结果，流向光学头的保护窗的小颗粒或残渣被空气流有效地驱赶返回，其增加了保护窗的寿命并且不会影响光束质量。此外，通过使用所公开的上方喷射构造显著地降低了与交叉式喷射结构相关的高度噪声。

根据另一方面，除上方喷射之外，去除相对大的焊接残渣并且平行于上方喷射流动的另一空气流横穿隧道。在隧道内产生负压的泵引导大量的周围空气以较低的速度平行于上方喷射地进入隧道的上游端。由于从隧道中排空两个气流的出口接近焊接区域定位，所以气流可以使不同大小的焊接残渣通过出口。

另一方面涉及焊接步进器的操作。当激光束功率太高时待焊接的叠置的金属工件可能被烧穿，相反地，当激光束功率过低时工件可能具有较差的接合。在太高的激光束功率的情况下，较大量的激光辐射横穿烧穿工件形成的相对大的通道。当功率较低时，相对少量的激光辐射会找到通过工件的路径。

由此可见，本公开教导了并置在焊接区域的后面的光检测器。利用反馈回路，检测的激光辐射被处理并且被与参考值比较。然后，控制信号发送至激光系统的功率源中，以改变输出功率并且提供具有期望质量的焊缝。

待焊接的工件通常稍微移位，以使得当机器人被引导至期望的位置并且接合工件时，不会达到使用它所述工件不会相互压靠的期望的压力。为了补偿工件相对于机器人位置的定位误差，已知的现有技术教导操作机器人以调整其相对于工件的当前位置的位置。所述调整是耗时的并且影响加工效率。

本公开的焊接系统具有不同的方法来产生期望的位置。在具有两个抓取臂的焊接系统的构造中，两个抓取臂都能够被可控制地移动，以使得当工件低于期望的高度时，在电动操作臂被引导至该高度之前气动操作臂抬升工件至期望的高度。相反地，当工件稍微处于期望的高度上方时，电动致动臂将工件带至其中所述臂分别施加相反导向的力以使用期望的压力使工件朝向彼此压紧的期望的高度。

气动操作臂是带有预压力的。因此，其移动需要根据该臂是向上移动还是向下移动而施加给该臂的不同的力。当重力与施加给臂的力的方向相同时，产生稍微超过预压力的相对小的力。否则，产生的力明显大于预压力。由此可见，本公开的系统设置有位置检测单元，该位置检测单元能够被操作以产生发送至气动泵的控制信号，该气动泵基于检测的焊接系统的位置产生期望的力。

附图说明

通过下面结合附图的具体说明，所公开的装置的上述特征以及其它特征将变得更加显而易见，其中：

图1是本公开的激光焊接系统的轴侧投影图；

图2A-2C是电动操作臂的各自的剖视、侧仰视以及俯视图；

图3A-3C和4A-4C图示了本公开的焊接系统的操作原理；

图5是能够被操作以调整待焊接工件相对于机器人位置的位置的气动机构的视图；

图6是图示焊缝质量控制系统的操作的流程图；

图7是本公开的焊接机的气动操作臂的视图；

图8是具有图示在焊接位置中的抓取臂的本公开的焊接系统的轴侧投影图；

图9是图示电动操作臂的操作的本公开的焊接系统的侧视图；

图10是本公开的步进器的示意侧视图；

图11是压力端工件的正交视图；

图12是本公开的焊接系统的操作的流程图。

具体实施方式

将参照在附图中图示的本公开的多个实施例详细地作出说明。只要可能，使用在附图和说明书中的相同或类似的附图标记指代相同或类似的工件或步骤。仅出于方便和清楚的目的，相对于绘图板平面使用方向(上/下等)或运动学(向前/向后等)术语。这些和类似的方向术语不应理解为以任何方式限制本发明的范围。附图是简化的形式并且不是按精确比例绘制的。

图1图示了配置有连接步进器10与机器人的安装件18的紧凑型激光焊接步进器10。在安装状态中，机器人可以使步进器10围绕旋转轴线A-A旋转并且使步进器沿纵向轴线B-B直线地移动，如下文详细地描述。两个抓取臂——电动操作臂14和气动操作臂16——限定抓取单元，该抓取单元能够使用例如大约3kN的达到kN级别的合适的力将待焊接的金属工件朝向彼此挤压。臂可拆卸地安装至支撑组件12。诸如高能光纤激光器的激光源被构造为发射高达例如大约4000W的数千瓦级别的单模或多模激光束。然而，如下所述，步进器构造有环境安全机构，该环境安全机构在焊接正在实施时防止激光辐射发散到外面，其将所公开的步进器分类为1级激光器系统。总体上，但分别组装有两个臂14和16时步进器10重约45kg，并且小于当其仅具有一个电动致动臂14操作时的重量。仅具有一个电动致动臂14的操作可能在待焊接的工件安装至固定支架时发生。

臂14和16分别在原位置与焊接位置之间运动，在原位置中，臂14和16被分隔开最大的距离，在焊接位置中，臂邻接各自的待焊接的前部工件和后部工件。在焊接期间，步进器10被构造为通过形成长达大约40-50mm的激光不稳定焊缝接合两个或多个工件。随着焊缝被焊接，因为在每一个时间点处小的临时通道通过工件形成，所以激光辐射能够穿透熔化的金属工件。一旦激光束从通道位置移除，那么熔化的材料会往回流动以填充通道。

参见图2A-2C，可移动臂14被构造为多功能工件：除了抓取功能之外，该臂的内部用作给激光束和流体流动导向。气体介质流中的一个形成为防止或至少基本上最小化安装至光学头20的输出端的保护玻璃窗的暴露于在与光传播方向相反的方向上从焊接区域中飞溅出的火花和小颗粒或残渣。以低于加压流的压力的压力平行于第一流流动的另一空气流处理较大颗粒。

臂14在结构上具有中空的细长内部，该中空的细长内部限定隧道22，该隧道22在臂的输入端与输出端之间沿步进器的纵向轴线B-B延伸。臂包括由法兰26覆盖的壳体24(图2B)，该法兰26将臂14可拆卸地连接至轴向可移动的支撑板，将在下文中讨论。壳体结构可以是整体式的或由多个工件组装的。例如，如图所示，壳体24包括朝向焊接区域成锥形的大致截头圆锥形的两件式结构。

如图2B所示，法兰26在其输入端28(图2A)处凹陷并且构造有由轴向延伸的肩部30终止的多级外周壁，该肩部30与壳体24(图2B)的上游端(沿光和空气路径)重叠。短的T形管32(图2A)容纳在法兰26的凹陷端中并且向内延伸，以使得其与壳体24的上游端轴向重叠并且与该端径向向内地间隔开。

壳体24、法兰26和管32的相对位置限定相对大的第一环形空间34(图2C)和相对窄的通道36，该通道36通过其端部中的一个通向环形空间34中并且通过其另一个端部通向壳体24的内部中。

环形空间34通过径向延伸的入口38(图2B)接收加压的诸如空气的气体介质的喷射。随着加压空气喷射填满空间34，其通过径向通道36溢出到平行于轴线B-B的壳体24的内部或隧道22中。随着加压空气通过隧道流动，其压力几乎下降至环境压力。沿隧道的最初的加压空气流的轴向传输和进一步的流动在下文中被称为“上方喷射”。该上方喷射有效地阻止了小的焊接残渣损坏光学头20的保护玻璃窗，这显著地延长了激光头的寿命。

激光头20被构造为接收500mm的激光束并且具有大约100mm的准直长度和大约250-300mm的聚焦长度。虽然这些参数作为示例被给出，但是其使得保护窗与焊接区域间隔开比已知的现有技术更大的距离。

可移动臂14的构造允许在隧道中产生负压，用于移除除小颗粒之外的也在焊接区域中产生的大颗粒。可以通过使用空气入口38或甚至通过使用作为空气导向件的光学头来产生所述压力，所述空气入口38通过图2B中的虚线箭头图示出并且可以设置在沿壳体24的上游区域的任何地方。如上所述，该第二空气流以低于第一加压空气流的压力的压力以及由此以较低的速度进入隧道。优选地，第二气流处于低于环境压力的压力中。结果，第二气流的压力被如此选择，以使得对于在已知装置中的以较高速度进入隧道的加压交叉喷射而言比较普遍的空气涡流被消除。

最好在图2A中可见，吸入出口40在靠近压力端工件42的壳体24内通向隧道22，并且通过软管46与源44产生的外部负压流体连通，以在隧道22的上游端与下游端之间产生压力梯度。第二空气流38(图2B)以基本上超过隧道中的上方喷射的空气量的量被吸入隧道22中。两个空气流在轴向上是单向的，并且在沿隧道的沿空气路径的较大伸展量上处于大致相同的、相对低的压力之下。上方喷射、低速和大容量的第二空气气流以及两个气流的一致方向组合起来几乎消除了空气流之间的干涉，有效地排空了小焊接残渣和大焊接残渣并且不会影响横穿隧道的激光束的质量。

参见全部的图3和4，步进器10的操作开始于其朝向最好如图3A-4A示出的一组叠置的金属件50的移动。气动操作臂16(图4A)下降至超过工件50的其最低位置。所述臂的所述移动阻止了步进器10与一堆工件50之间的碰撞，使用不能使所述臂下降(或上升)超过工件平面的已知步进器时该碰撞经常发生。在该位置中，也被称为原位置，电动操作臂14不被致动，最好如图3A和4A所示。

参见图3B和4B，一旦臂16与工件50并列放置，那么气动机构使其朝向工件并且优选与工件接触地移动。即使在最开始，工件50的位置也是稍微离开期望的位置，臂16将工件带入期望的位置。电动操作臂14仍然没有被致动。

图3C和4C图示了最后的定位操作，其中，电动操作臂14被移动以推靠工件。因此，臂产生力，该力在直径上相对并且互相部分地补偿，其基本上减小了机器人支架12上的负荷。甚至更重要的，即使在最开始工件已经离开期望的位置定位时，工件50仍可以可靠地互相压紧。能够容易理解的是，可移动臂16及其致动机构用作用于补偿工件与机器人之间的不可避免的定位误差的补偿器。一旦焊接完成，上述公开的操作的顺序反转。

图5图示了气动机构52的操作臂16。结构上，步进器10的重量是EP 214942181中公开的步进器的总量的至少一半，EP 2149421B1被本发明的发明人共有并且通过引用全部并入本文中。然而，本发明的结构刚度与上述参考文献中公开的步进器的刚度大致相同或者甚至优于其刚度。

通过产生封闭的机械运动回路，已经实现了重量的降低，在该机械运动回路中，几乎与步进器的移动相关的所有的力封闭在中心柱54上。例如，连接步进器与机器人的安装件18直接连接至该柱。承载激光光学头、臂14的电动致动器、用于在其多个侧面中的一个上全部提供具有期望长度的正弦线光束的摆动和直线驱动机构、以及位于相反侧的臂14的框架56在例如轨道58上沿柱54的一侧被可滑动地导向。用于操作臂16的气动机构52设置在另一侧上。

气动机构52构造有两个预应力的弹簧60，弹簧60将大致等于步进器10的重量的力施加在臂16上，由此将其保持为距臂14最大距离，该最大距离对应于图4A中的原位置中的距离。每一个弹簧的相反端中的一个可移动地固定至臂16，而另一端沿通道62可滑动地绕制在支撑柱54中。

两个气缸64与各自的弹簧60对齐。在原位置中，气缸64处于低于由允许其完全展开的弹簧产生的压力的压力下。如果臂16是下部臂并且工件相对于机器人置于期望位置下方，那么，当下部臂16需要朝向待焊接工件移动时，气缸64中的压力增加至预定水平，在该预定水平处，弹簧60被压缩以使得臂16接触工件板并且使其向上移动。如果工件最开始就置于期望位置上方，那么，臂16被移动至焊接位置，最好在图3AC和4C中可见，并且工件被上部电动操作臂14向下移动至焊接位置。

气缸64中产生的压力取决于步进器10的位置。当步进器在臂16相对于另一臂14为下部臂的情况下被定位时，应该施加相对小的力给弹簧，以使臂16朝向工件50移动。相反地，在臂16在臂14上方的情况下，施加给弹簧并且足以压缩弹簧的产生的力时弹簧力的大约两倍。在已知的步进器中，通常地，操作员手动地引入位置相关的数据。

在所公开的步进器10中，通过定位传感器系统66，自动地确定臂的位置。一旦检测到该位置，那么传感器66产生的信号就被控制器或被中央处理单元接收，并且期望的压力建立在气缸64中。在焊接完成之后，弹簧被移动至其初始位置。

图6图示了图示焊缝质量控制系统的操作的流程图。随着激光束和待焊接工件沿预定的长度相对于彼此运动并且在光学头以预定的频率摆动的情况下，激光束熔化叠置的板，以产生延伸通过前部工件和后部工件的通道。随着激光束进一步运动，熔化的金属往回流动，以闭合通道，但是不在激光束横穿该通道之前。穿透的激光束的测量强度指示焊接的质量。如果测量强度高于参考值，那么如下文的说明，通道太大并且激光的输出功率被减小。相反地，如果测量强度低于参考值，那么输出的激光功率被加大。

激光辐射被光检测器70检测，该光检测器70产生信号，该信号在放大器72中被增强并且进一步在模数转换器74中被转换。测量光具有更高或更低的强度水平，其中高强度与光的峰值对应。信号的平均能量(Vav)和峰值能量(Vpeak)在微处理器76中确定。控制器可以具有已知为现场可编程门阵列(FPGA)的集成电路的形式，其可以执行一系列功能，包括例如积分器和峰值检测器功能并且具有轻重量的结构。分析器80处理所确定的能量并且输出与Vav与Vpeak的比率对应的控制信号。后者通过反馈电路82反馈回中央处理单元84。如果该比率小于或大于参考值，那么单元84输出控制信号至能够操作以增加或减小激光束功率的功率源。

图7图示了图6的焊缝质量控制的示例性实现方式。气动臂16设置有容纳检测器70的贯通的容纳部。该容纳部形成在具有中空内部的L形臂16的基部86中。在焊接期间，激光辐射从臂的底部或从位于壁的内部中的任何类型的反射屏幕反射。反射光被检测器70检测。上述公开的控制特征可以通过不同的构造而简单地实现。代替臂，任何陷光构造(或光阱构造)都可以设置在焊接区域的背面，可选地，具有与环境光隔离的内部，可以与光电检测器组合使用。因此，还可以根据上述公开的技术控制集成在所公开的单臂构造中的激光器。此外，代替感测反射光，检测器70还可以被定位以直接检测入射光。

在焊接期间，残渣可能通过无底的压力端工件88穿透进入臂的工件86的内部。如果不去除，那么累积的残渣可能损坏该工件并且一般会负面地影响焊接质量。为了防止该累积，部件86的中空内部与外部泵90流体连通。后者可以是与图2A中的泵44相同的泵或者是可操作以产生足够用于通过软管去除残渣的压力梯度的不同的泵。除了压力疏散技术之外，部件86的底部可以拆卸，用于进一步去除累积的残渣。

图8图示了所公开的步进器10的多个部件中的一些。如上所述，中心支撑元件、柱54接收与步进器的移动相关的所有的运动负载。支撑除了臂14和16之外的部件的框架56包括板92，该板92分别与摆动和直线驱动机构94和96沿柱54在轴向上可滑动。电动马达经由传动装置98将直线力施加给板92。臂14可移动地固定至板92并且直线地运动至焊接位置，在焊接位置中，各个臂16和14的压力端件88和100抵接前部工件和后部工件，以使得没有激光辐射漏出由端部件的几何参数界定的焊接区域。焊接区域的密封使得尽管是kW能量级别，但是激光器仍可以被认证为1级激光器。

参见图9，电动操作臂14开始位于原位置中，在该原位置中，臂之间的距离最大。在使用时，臂14首先基于轴102的致动以第一直线速度移动至打开位置，该轴102与电动马达104连接，在该打开位置中，臂14与臂16间隔开小于原位置中的距离的距离。轴102经由直线轴承108连接至沿轨道110被导向的框架56，轨道110又安装至柱54。臂14至打开位置的移动被监测，并且当感测到任何物体沿该路径时，臂被停止，直至该物体被移除。臂14进一步移动至更靠近焊接区域的闭合位置、并且因此以小于第一速度的第二速度移动至臂16。闭合位置与离工件的预定距离对应，该离工件的预定距离根据工件的厚度确定。最后，臂14被移动至焊接/抓取位置，在该焊接/抓取位置中，臂14使用期望的压力压靠工件。

图10图示了安全机构，当端部件88和100分别没有与工件完全接触时并且当臂14的端部件100被损坏并且因此不能正确操作时，该安全机构阻止激光器起火。安全机构连接至臂14的压力件100并且包括两个预应力的、轴向可移动的接触件112，该接触件112沿压力件100的各个侧面延伸。在开始的预应力条件下，两个接触件112延伸超过端部件100的边缘预定的距离。当前部工件和臂14正确地定位时，两个接触件112接触工件的表面。然而，当位置不正确时，接触件112中的至少一个不压靠工件，激光器不可能起火。

安全机构还包括导线114，该导线114串联地电连接至接触件112中的每一个。当所述部件中的至少一个不产生由微控制器接收的信号时，电路保持断开并且控制器不输出控制信号至激光器的功率源，因此该功率源保持不激活。

导线114在离端部件100的边缘一较短距离处安装在围绕端部件的外周延伸的闭合沟槽中。当端部件100被损坏并且导线114直接接触前部工件的表面时，其将易于断开，以防止激光源起火。

图11图示了端部件100，但是，下面的特征的说明也涉及另一端部件88。为了确保各个端部件88和100的接触表面不暴露于过度磨损，保护板101连接至接触表面。板101由硬质钢制成并且可以焊接至接触表面，如有必要，其可以使板的更换复杂化。优选地，板101通过紧固件103可拆卸地安装至接触表面。

当板101通过紧固件103连接时，其内表面形成沟槽，以容纳导线114。在焊接的情况下，在所述工件被焊接之前，管被置于接触表面103与板101之间。然后，导线114被拉动通过管。增加板101不仅增加了端部件的使用寿命，它还有利于所公开装置的组装及其维修。

图12图示了所公开的步进器10的操作。值得注意的是，步进器10的控制线路中包括的所有控制器都是基于FPGA平台的，与基于可编程逻辑控制器(PLC)平台的某些类似构造的步进器或喷射器相比，该FPGA平台大大地减少了整个组件的总重量。

响应于启动信号，如120处所示，外部的压力介质源在电动操作臂14的隧道22(图2A)内提供上方喷射。与该上方喷射同时或随后，马达104(图8)被致动并且操作，直至期望的压力施加于工件上，设置焊接长度和摆动频率，分别如122和124处所示。假设所有的上述步骤都完成，那么气动操作臂16被移动超过待焊接工件的平面，并且然后移动至期望位置，分别如步骤121和123所示。

此后，马达104开始使臂14从原位置移动至打开位置，如数字126所示。随着臂16以相对高的速度朝向打开位置运动，沿路径存在的任何障碍物在128处被持续地控制。在130处的臂14至闭合位置的进一步的移动以相对低的速度进行。最后，臂14被移动至焊接位置，以在132处在工件上提供期望的压力。

在焊接位置中，端压力件100与工件的表面之间的接触如134处所述地被核实。在接触控制之后或之前，泵44(图2A)被致动以产生压力梯度，该压力梯度排空全部的空气气流以及焊接残渣。仅在上述所有步骤之后，激光器才输出激光束并且焊接操作开始，如136所示。在焊接操作期间，焊缝的质量被控制，如上所述并且在此处如138所示。如有必要，激光束的功率在140处被调整。一旦焊接操作完成，那么臂返回各自的初始位置，并且所有的致动器可以关闭，如150中所示。

虽然示出和公开了相信是最实用和优选的实施例，但是，明显的是，脱离所公开的构造和方法的内容将对本领域技术人员给出教导并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下被使用。例如，替代光纤激光器，其它类型的传统激光器可以包括在所公开的构造中。因此，本发明不局限于所记载和图示的特定的构造，例如光纤激光器，而应理解为可能落入附属权利要求的范围之内的所有修改。

Claims (20)

1.一种激光焊接步进器，该激光焊接步进器能够被操作以接合叠置的两个或多个金属工件，所述激光焊接步进器包括：

沿纵向轴线延伸的细长的支撑柱；

光学头，该光学头能够沿支撑柱轴向地移动并且设置有光学器件，该光学器件被构造为沿通过光学头的保护窗的路径将激光束聚焦在焊接区域上；以及

第一臂，该第一臂从保护窗的下游沿所述路径安装至支撑柱，并且连接至光学头，以在原位置与焊接位置之间运动，在该焊接位置中，第一臂压靠位于焊接位置的所述两个或多个金属工件中的一个，第一臂被构造为包围焊接区域，以阻止激光辐射漏出到焊接区域之外，

第一臂被构造为具有内周表面，所述内周表面限定细长的隧道，该细长的隧道构造有敞开的上游端和下游端，所述隧道被构造为被下述轴向地横穿：

激光束，

轴向流动的第一加压气体介质流，以及

轴向流动的第二气体介质流，该第二气体介质流处于比第一加压气体介质流的压力小的第二压力下，第二压力被选择以防止形成空气涡流，其中轴向流动的第一加压气体介质流和轴向流动的第二气体介质流基本上最小化保护窗与在隧道中流动的焊接残渣之间的接触。

2.根据权利要求1所述的激光焊接步进器，还包括第一真空源，该第一真空源与隧道的下游端流体连通，并且当在隧道的上游端与下游端之间产生压力梯度时能够操作该真空源以从隧道中提取第一流和第二流，从而使用该第一流和第二流使焊接残渣通过隧道的下游端从隧道中排空。

3.根据权利要求1所述的激光焊接步进器，还包括：

第二臂，该第二臂可拆卸地连接至支撑柱，以及

彼此对齐并且可拆卸安装至对应的第一臂和第二臂的第一材料支撑压力端工件和第二材料支撑压力端工件，在使用激光束的焊接操作期间，所述压力端工件以预定的力压靠相应的待焊接的金属工件。

4.根据权利要求1所述的激光焊接步进器，还包括：

光电检测器，该光电检测器被构造为检测通过待焊接金属工件传播的激光辐射，以及

控制器，该控制器从光电检测器接收信号，并且可操作以将传播的激光束的强度与参考值匹配，以使得当测量的强度与该参考值不匹配时，调整激光束的功率并且提高焊缝的质量。

5.根据权利要求3所述的激光焊接步进器，其中，第二臂可滑动地安装至所述柱并且构造有连接到一起以限定L形形状的第一部件和第二部件，第二部件构造有限定中空内部的内表面，该内表面被构造为朝向光电检测器反射传播的激光束。

6.根据权利要求5所述的激光焊接步进器，还包括真空单元，该真空单元与L形臂的第二部件的自由端流体连通，所述真空单元能够被操作以在所述中空内部产生足以从所述中空内部中去除焊接残渣的压力差。

7.根据权利要求5所述的激光焊接步进器，其中，L形臂构造有容纳焊接残渣的可拆卸底部，在更换该底部时从该底部去除焊接残渣。

8.根据权利要求5所述的激光焊接步进器，还包括：气动致动器，该气动致动器连接至所述柱，并且该气动致动器能够操作以使第二臂在远离待接合的金属工件的一个轴向方向上轴向移动，以避免第二臂与该待接合的金属工件碰撞，并且该气动致动器还能够操作以使第二臂在朝向该金属工件的相反的轴向方向上轴向移动。

9.根据权利要求8所述的激光焊接步进器，其中，气动致动器构造有：

多个预应力弹簧，该多个预应力弹簧产生第一力，以防止第二臂在所述相反的轴向方向主动地移动，以及

多个气缸，该多个气缸每一个都连接至预应力弹簧，并且能够被操作以将第二力施加给弹簧，以使得弹簧压缩，以使得当第二力超过第一力时使第二臂在所述相反的轴向方向上朝向所述金属工件移动。

10.根据权利要求8所述的激光焊接步进器，还包括定位传感器，该定位传感器能够被操作以确定所述臂相对于彼此的位置，其中，当第二臂位于第一臂下方时，施加给弹簧并且足以使第二臂移动的第二力大于当第二臂位于第一臂上方时的第二力。

11.根据权利要求1所述的激光焊接步进器，其中，第一臂构造有：

壳体，该壳体设置有外周表面并且具有朝向下游端成锥形的截头圆锥形形状；

凹陷法兰，该凹陷法兰构造有外周壁，该外周壁朝向下游端变窄并且与壳体的上游区域轴向地重叠；以及

T形管，该T形管容纳在法兰的凹陷中，并且轴向地延伸进壳体中，以与壳体的上游端重叠，以与法兰限定较大的环形空间并且与壳体限定较窄的轴向通道，轴向通道和环形空间流体连通以使得所述第一加压气体介质流 进入该环形空间中并且进一步地通过该轴向通道朝向壳体的下游端轴向地流进隧道中。

12.根据权利要求11所述的激光焊接步进器，还包括：

第一致动器，该第一致动器能够被操作以使支撑板沿所述柱移动；

第二致动器，该第二致动器能够被操作以提供具有期望长度的焊缝；以及

第三致动器，该第三致动器能够被操作以提供具有正弦曲线形状的焊缝，

所述致动器可运动地连接至支撑板。

13.根据权利要求12所述的激光焊接步进器，其中，第一致动器能够被操作以使第一臂在多个间隔位置之间直线地移动，该多个间隔位置包括：

原位置，在该原位置中，第一臂与所述金属工件间隔开第一距离，

打开位置，在该打开位置中，第一臂与所述金属工件间隔开小于第一距离的第二距离；

闭合位置，在该闭合位置中，第一臂位于打开位置与所述金属工件之间，以及

抓取位置，在该抓取位置中，第一臂使用期望的力压靠金属工件。

14.根据权利要求12所述的激光焊接步进器，其中，第一致动器能够被操作，以使支撑板以比支撑板在打开位置与闭合位置之间的直线速度大的直线速度在原位置与打开位置之间移动。

15.根据权利要求1所述的激光焊接步进器，还包括发射激光束的光纤激光器。

16.根据权利要求3所述的激光焊接步进器，其中，各个压力端工件的接触表面中的每一个都设置有由硬化钢制成的保护板，每个保护板都可拆卸地连接至接触表面。

17.一种用于使用预定强度的焊缝将多个叠置的工件焊接在一起的方法，该方法包括如下步骤：

输出具有足以在焊接区域内形成焊缝的功率的激光束；

感测传播通过焊接区域至焊接区域背面的光；

响应于感测的光产生信号；

将该信号与参考值进行比较；以及

增加或减小激光源的功率，以产生预定强度的焊缝。

18.一种用于使用预定强度的焊缝接合一个或多个金属工件的激光焊接步进器，其包括：

发射光束的激光源；

设置有内部的至少一个臂，该内部形成隧道，该隧道构造为朝向焊接区域引导光线，以产生接合金属工件的焊缝；

位于焊接区域的背侧上的陷光部；

光传感器，该光传感器连接至陷光部并且能够被操作以检测传播通过焊接区域的光，并且该光传感器在检测到所述光时输出信号；以及

控制器，该控制器能够被操作以：

接收检测的光并将检测的光与参考值进行比较，并且

输出控制信号至激光源中，以调整光束的功率，以产生预定强度的焊缝。

19.一种用于接合彼此间隔开预定距离的一个或多个金属工件的焊接步进器，其包括：

沿纵向轴线延伸的细长的支撑柱；

光学头，该光学头能够沿支撑柱轴向地移动并且设置有光学器件，该光学器件被构造为沿路径将激光束聚焦至焊接区域，

第一臂，该第一臂沿所述路径安装至支撑柱，并且能够与所述光学头一起运动至焊接位置，在该焊接位置中，该臂使用预定的力压靠位于发射区域前方的前部金属工件，以防止在焊接期间激光辐射漏出到焊接区域之外，并且在所述金属工件之间保持所述预定距离，

位于焊接区域后面上的与后部金属工件并置的陷光部，该陷光部具有内部，该内部被构造为接收传播通过焊接区域的光辐射并且阻止接收的辐射离开到所述陷光部之外；

传感器，该传感器连接至所述陷光部并且能够被操作以检测所述内部中的辐射；以及

控制器，该控制器能够被操作以使来自传感器的信号与参考值匹配，并且输出控制信号以调整所述力，以在金属工件之间维持所述预定距离。

20.一种用于使用预定强度的焊缝接合一个或多个金属工件的焊接步进器，其包括：

沿纵向轴线延伸的细长的支撑柱；

光学头，该光学头能够沿支撑柱轴向地移动并且设置有光学器件，该光学器件被构造为沿路径将激光束聚焦至焊接区域，

第一臂，该第一臂沿所述路径安装至支撑柱，并且能够与所述光学头一起运动至焊接位置，在该焊接位置中，该臂使用预定的力压靠位于发射区域前方的前部金属工件，以防止在焊接期间激光辐射漏出到焊接区域之外，

位于焊接区域后面上的与后部金属工件并置的陷光部，该陷光部具有内部，该内部被构造为接收传播通过焊接区域的光辐射并且阻止接收的辐射离开到所述陷光部之外；

传感器，该传感器连接至所述陷光部并且能够被操作以检测所述内部中的辐射；以及

控制器，该控制器能够被操作以从传感器接收信号并且使来自传感器的信号与参考值匹配，所述控制器输出控制信号以调整辐射功率。