CN105102176A - 可手持操作的激光焊接枪 - Google Patents

Abstract

一种可手持移动的激光焊接枪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该柱同时该支撑板上轴向地支撑设置有光束导引光学器件的光学头。该光学器件被构造为沿通过光学头的保护窗朝向焊接区域的路径引导激光束。激光焊接枪还构造有第一臂，该第一臂安装至支撑板并且与光学头直径相对地沿枪的纵向轴线延伸。可移动臂的内表面具有限定隧道的内表面，该隧道与光学头对齐并且被激光束、第一轴向流动的加压气体介质流以及第二轴向流动的气体介质流轴向地横穿。响应于柱中产生的压力梯度以比第一流中的压力低的压力进入隧道的第二流不会在柱内产生涡流。第一流和第二流通过靠近焊接区域的隧道的下游端离开。随着两个流流出，它们将在隧道中流动的焊接残渣在残渣到达光学头的保护窗之间带出。

Description

可手持操作的激光焊接枪

本公开的背景

技术领域

本公开涉及用于产生焊缝的可手持操作的焊接枪领域，并且具体地涉及设置有光纤激光器的可手持操作的焊接枪。更具体地，本公开涉及配置有耐用的轻量的构造的改进的激光束传输系统、有效的焊接残渣驱散系统和焊缝控制系统。

背景技术

焊接通常作为组装方法使用，用于将多个金属部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，激光焊接得到发展并且相比多种传统形式的焊接激光焊接被证实具有数个优点。例如，激光束的精确聚焦使得能量能够聚集，从而能够在更少的热量引入工件周围部分的情况下提供更快速的焊接。

精确的自动或手动的激光焊接可以在具有高精度的工业激光器部件上执行，同时消除了对复杂加工材料的潜在的热损害和热应力的危险。已知的激光点焊和激光缝焊枪包括高精度组件、压力敏感的密封组件以及其它专门设计的组件。因此，如下面讨论的，激光焊接器的设计是不简单的并且提供一些结构上的挑战。

这些挑战中的一个包括具有复杂几何形状的工件的焊接。例如，汽车的车身面板被传输至焊接站，在该焊接站中，利用夹紧系统夹持车身面板同时执行焊接操作。由于一些待焊接的部件的构造，由于空间范围可能限制可用于必要的操作以及夹紧和焊接装置的合适的功能的空间大小，所以不能使用某些夹紧和焊接装置。为了使生产率和效率最大化，根据夹紧和焊接装置的构造、速度和成本，必须在一个焊接站中利用几个不同构造的夹紧和焊接装置。这样的方法可能使效率降低并且增加成本。

因此，需要具有基本上减少了对多个枪的需要的结构、紧凑的、轻量化的、耐用的可手持操作的激光焊接枪。

另一个挑战与通常用于焊接的激光组态相关：CO₂和Nd：YAG。两个激光组态在人眼不可见的、电磁辐射光谱的红外范围中运行。

Nd：YAG在大约1.06微米的波长中运行。该波长被传导材料非常好地吸收，其具有对于大多数金属通常大约20％至30％的反射率。另一方面，CO₂激光器的远红外(10.6微米)输出波长对于大多数金属具有大约80％至90％的初始反射率，但是可以方便地供给比Nd：YAG激光器的最高输出功率大得多的10,000瓦的功率。

上述的两种激光器类型的特征在于较大的物理尺寸。例如，CO₂系统可能占据一个普通的房间以实现需要的高功率。所述激光器类型之间的另一个共性是较低的墙壁插头效率，即从电能转化为光能的较低的转化效率。

因此，还需要带有具有紧凑和高效结构的激光器构造的可手持操作的激光焊接枪。

又一挑战由已知的机器操作的光纤激光焊接器呈现，其涉及来自焊接区域的焊接残渣对光学头的保护窗的冲击，该焊接残渣可能严重损坏容纳在该光学头中的光学器件。为了应付该问题，加压喷射空气以高速并且横切于通道的纵向轴线的方式被引入到激光头下游的光导通道中。由于该喷射与光传播方向成角度地被引入，所以其被叫做交叉式喷射。

然而，该交叉式喷射还与几个困难相关联。第一，由于高速，所以交叉式喷射在通道内形成涡流。该涡流又在中心通道区域与通道边缘之间产生了压力梯度。在中心区域中的压力较低的情况下，焊接残渣沿该区域累积并且相对容易地损坏保护窗。该交叉式喷射的又一不期望的结果是压力梯度负面地影响激光束。此外，交叉式喷射还伴随有高噪声水平。

因此，还需要克服上述问题的激光头保护系统。

又一挑战来源于焊接残渣在焊接区域附近以及特别是在已知的具有两臂式夹紧结构的焊接系统的支撑臂中的累积。该残渣累积不利于焊接的质量并且还损坏焊接器的臂。

结果，还需要配置有用于从焊接区域去除焊接残渣的系统的基于激光的可手持操作的焊接枪。

另一挑战为缺乏对焊缝质量的控制。然而，焊缝质量如果不是焊接过程的最重要的参数，也是最重要的参数之一。

因此，还需要配置有用于基于焊缝质量自动调节激光器输出的系统的可手持操作的激光焊接枪。

发明内容

结构上，本公开的可手持操作的激光焊接枪插入在大尺寸轴承内并且通过滑轮组件的组合悬置在外部导轨上。结果，焊接枪能够被操作以围绕其纵向轴线旋转、朝向待焊接工件直线地运动、围绕垂直于纵向轴线延伸的竖直轴线旋转、并且围绕横向于纵向轴线和竖直轴线延伸的枢转轴线倾斜。本公开的枪构造有结构部件以及这些部件的不同组合，其解决了所有上述的需求。下面将立即简要地公开一些这些特征，并且其与其它特征一起将在本公开的具体说明中进一步详细地讨论。

解决了交叉式喷射的问题的一个特征包括将加压空气流引入光导通道中。使加压空气流进入平行于其纵向轴线的通道中。在下文中被称为“上方喷射”的所述传输技术实际上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第一流有效地驱赶返回，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的构造显著地降低了与交叉式喷射结构相伴的高水平的噪声。

根据另一特征，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第二空气流横穿隧道。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。由于从隧道中驱散两个气流的出口接近焊接区域定位，所以气流通过出口带走不同大小的焊接残渣。

另一特征包括发射引导至枪的激光束的高功率光纤激光源。具有被输出保护窗保护的光束聚焦光学器件的光学头安装至枪上并且接收被进一步聚焦在待焊接工件上的激光束。优选地，光纤激光器被用来输出具有大约500微米的射束点的kW级的多模光束。可替代地，如有必要，激光源可以被构造为以基本上单模的方式发射光束。

根据另一特征，枪被构造有沿枪的纵向轴线延伸的中心支撑柱。各种组件安装至该支撑柱上，以便限定运动闭合回路，在该运动闭合回路中，柱接收由所述组件产生的负荷。与现有技术相反，本公开的构造在负荷产生组件与支架之间具有有限数量的中间部件。因此，本公开的枪被构造为具有轻质的刚性结构。

根据另一特征，连接至支架的组件中的一个包括夹紧系统，该夹紧系统可被操作以夹紧和夹持待焊接的工件。夹紧系统可以具有一个臂的构造或两个臂的构造，在该两个臂的构造中，两个臂中的一个可以被可操作地从支撑柱上解开。

两个构造的共同之处是被致动以沿也安装至支撑柱的导向轨道滑动的可移动臂。当外部夹持装置一起支撑工件时会发生不必夹紧两个或多个工件，此时可以使用一个臂的构造。

又一特征涉及上述公开的两个臂的构造，其中静止的L形臂设置有内部通道，在该内部通道中，可以产生负压以去除在焊接操作期间累积的焊接残渣。可替代地或除了使通道真空化之外，下部臂还可以具有可移除的底部，以使得操作者能够手动清除该累积的残渣。

根据另一特征，静止臂还设置有光电检测器，该光电检测器可被操作以检测通过焊缝泄露的光。根据检测的通过焊缝传播的激光辐射的功率，确定焊缝的质量，并且如有必要，调整激光器输出功率。

附图说明

通过下面结合附图的具体说明，本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是可手持操作的激光焊接枪的典型布置的一般示意图；

图2和图3示意性地示出了用于在不同平面中移动本公开的激光枪的各个组件；

图4A是完全组装好的本公开的枪的轴测图；

图4B是不带壳体组件的本公开的枪的轴测图；

图4C是图4A-4B的本公开的枪与从焊接区域退回到初始的原位置的可移动抓取臂一起示出的一侧的侧视图；

图4D是图4A-4B的本公开的枪与被一起带到抓取焊接位置的两个抓取臂一起示出的另一侧的侧视图；

图4E是图4A-4C的本公开的枪的俯视图；

图5A是本公开的枪的侧视示意图；

图5B是本公开的枪的封闭的运动系统的示意图；

图6A是可移动臂的高视角侧视图；

图6B是具有图6A的组装好的臂的枪的视图；

图6C是图6A的臂的俯视图；

图7A是设置有安全机构的图6A的可移动臂的视图，该安全机构能够操作以监测臂与前方工件之间的期望的接触并且指示臂本身的结构完整性；

图7B是图示安全机构的操作的电路图；

图7C-7D分别压力端工件的正交视图和侧视图；

图8是本公开的枪的静止臂的轴测图；

图9是图示自动焊接的本公开的枪的操作原则的简化的方框图；

图10是图示本公开的可手持操作的激光枪的操作原则的流程图。

具体实施方式

现在将详细参照在附图中图示的本公开的多个实施例作出说明。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。附图是简化的形式并且不是按精确比例绘制的。

图1图示了本公开的可手持操作的激光枪系统10的一般操作原则。本公开的焊接枪12通过枪支架20悬置在外部导轨14上，以响应于操作者施加的力而沿外部导轨滑动。可替代地，枪支架20可以悬置在将枪传输至期望的位置的可动外部结构上。

激光系统16被放置在任何方便的位置，并且被构造为输出高功率光束，该高功率光束可以达到kW级，优选地基本上为单模。尽管高功率光纤激光器因为包括高效率、小尺寸和高功率而是优选的，但是，激光器16可以具有其它传统的构造。传输光纤将激光束从激光器16引导至枪12。至少一部分穿过枪12至光学激光头的光纤被套管18保护。

参见图2，焊接枪12可以在不同的平面中被操作者容易地操作。例如，枪12能够围绕轴线B在由双箭头26指示的相反的方向上枢转，该轴线B垂直于枪12的纵向轴线A-A延伸。该枢转通过连接至枪支架20的机构(例如，滑轮22)实现。

图3图示了给枪12提供围绕其纵向轴线A-A的旋转运动的机构。该机构可以具有不同的构造，包括例如轴承24。该轴承24悬置在枪支架20上并且围绕枪12的中间部，以使得整个枪响应于操作者施加的力矩而旋转。

图4A-4E更详细地图示了本公开的可手持操作的枪12。特别地，参见图4A，枪12配置有壳体组件，该壳体组件分别包括近端壳体28和远端壳体30。当如图所示地法兰轴承24以使操作者完全与可移动内部部件隔离的方式被组装时，壳体可以容易地拆卸，如下所述。

近端壳体28的后侧32被构造为控制面板，该控制面板支撑具有开始/结束焊接按钮35的操作杆34、控制电子器件壳体36、连接激光焊接枪12与各自的外部供给源的多个连接器、以及用于手动输入期望的参数的界面。特别地，连接器38接收套管18，该套管18围绕光纤并且由保护光纤免受外部机械负荷的材料制成。连接器40接合将高压的气体介质从外部源引导至枪12中的管道。连接器42被构造为接收运输冷却介质进出枪的各个管道。又一个连接器接收电力电缆。控制面板被符合人体工程学地构造，以有利于操作者以线缆和管道不会干涉操作者的工作的方式操作枪12。

在焊接期间，操作者使用一只手拿住操作杆34，同时另一只手保持在安装至轴承组件24的一个把手44上。轴承组件具有切口25，该切口25被构造为将枪12连接至枪支架20上(图2)。远端壳体30包围不能被操作者容易地接近的所有的可动部件。两个抓取臂——可移动臂46和静止臂48——完成枪12的外部。

图4B图示了处于闭合的臂的位置中的可手持操作的激光枪12的内部，在该闭合的臂的位置中，臂46被移动靠近静止臂48。枪12的结构基于由例如可以具有中空内部的轻质的金属侧面制成的主支撑柱50。柱50基本上在平行于纵向轴线A-A的枪12的整个长度上延伸。枪12的结构使得柱50能够接收由连接至该柱的枪的可动部件产生的所有的负荷。所述负荷分布在该柱上限定了产生的负荷被封闭在其中的闭合的运动环路。

柱50的相对的细长侧设置有一个宽轨道或由支撑板54桥接的一对分离的导向轨道52，该支撑板54沿轴线AA滑动并且使臂46在多个预定的臂位置之间运动，下面将进行讨论。

简单地参见图5A和图4，板54响应于机电致动器产生的力而沿光传播路径直线地运动，该机电致动器可以包括马达56和传动装置58。可以使用诸如带传动装置58(图4B)的各种构造的马达和传动装置，并且两个部件都安装在可直线运动的板54上。如图所示，传动装置58包括施加线性力给板54的活塞，该板又通过安装在轨道52上的直线轴承60在可移动臂46的打开位置与闭合位置(分别参见图4C和图4D)之间沿柱50滑动。板54是框架的一部分，除此之外，该框架还包括一对分隔侧62，其优选地构造有三角形横截面。

返回图4B，支撑板54的上游侧不仅支撑机电装置，还支撑光学头62，该光学头62通过连接器64接收位于保护套管18中的光束传输光纤。套管具有松弛部，该松弛部随着板54朝向焊接区域运动而张紧。使用传输至激光头62中的大约500微米的激光辐射的聚束光，光学头6例如可以被构造有大约300mm的焦距，与已知的现有技术相比，该焦距使得位于光学头的输出处的保护窗在更远的距离处从焊接区域移除。

用于产生正弦曲线焊缝的摆动机构66、用于使焊缝具有期望长度的直线马达与光学头和机电致动器也一起安装在板54上。

板54的相对的下游侧支撑可移动臂46，该可移动臂46以压力端工件68终止，该压力端工件68可拆卸地安装至臂的下游。压力端工件68构造为压靠一个待焊接工件中并且围绕激光束，以使得没有辐射从端工件的内部逸出。该特征使所公开的枪被认证为1级激光器——在正常使用中的所有条件下最安全。板54与臂46一起沿下面将马上讨论的多个预定位置运动。

参见图5A和5B，可移动臂46开始定位在离焊接区域较远距离的原位置71(图5B)中。操作者通过按下启动按钮35(图4B和4E)使臂移动。臂46以第一直线速度开始移动至打开位置73，并且在离工件较小距离处停止在那里。臂46移动至位置73的移动被监测，并且如果沿该路径感测到任何物体，那么臂将停止，直至该物体被移除。臂46还被以低于第一速度的第二速度移动至闭合位置75，并且停止在距工件预定距离的位置处，该预定距离是工件厚度的函数。最后，臂被移动至焊接/抓取位置77，在该焊接/抓取位置77中，臂使用期望的压力压靠工件。

参见图6A-6C，可移动臂46被构造为多功能部件：除抓取功能之外，该臂的内部还用作激光束和流体流动的导向件。气体介质的多个流中的一个被形成以阻止或至少基本上最小化安装至光学头62(图6A)的输出端的保护玻璃窗的暴露，以免其受到在与光传播方向相反的方向上从焊接区域溅射出的火花和小颗粒或残渣。处于比加压气流的压力低的压力之下的平行于第一气流行进的另一气流处理较大颗粒。

具体地，转向图6A和6B，臂46具有中空的细长的内部的结构，该中空的细长的内部限定隧道75，该隧道75在臂的输入端与输出端之间沿枪的纵向轴线A-A延伸。臂包括被法兰71盖住的壳体82(图6B)，该法兰71将臂46可拆卸地连接至支撑板54(图6B)上。壳体结构可以是整体式的或由多个部件组装而成。例如，如图所示，壳体82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6B所示，法兰71在其输入端72处凹陷，并且构造有多台阶外周壁，该多台阶外周壁由轴向延伸的肩部74终止，该肩部74(沿光和空气路径)与壳体82的上游端重叠。较短的T形管84容纳在法兰71的凹陷端中并且向内延伸，以使得其与壳体82的上游端轴向地重叠并且与该端径向向内地隔开。

上述的壳体、法兰和管的相对位置限定了相对大的第一环形空间88和相对窄的轴向延伸通路90，该通路90通过其端部中的一个通向环形空间88中并且通过其端部中的另一个通向壳体82的内部中。

环形空间88通过径向延伸的入口85(图6A)接收诸如空气的加压的气体介质喷射。随着加压空气喷射填满空间88，其通过轴向通路90(图6B)平行于轴线A-A地溢出到壳体82的内部或隧道75中(图6A)。随着加压空气流动通过隧道，其压力实际上下降至大气压力。最初的加压空气流沿隧道的轴线传输以及进一步的流动在下文中被称为“上方喷射(overjet)”。该上方喷射有效地阻止了较小的焊接残渣损伤光学头62(图4B)的保护玻璃窗，这显著地增加了激光头的使用寿命。

参见图6B和4B-4E，可移动臂46的构造允许在隧道中产生负压，用于除小颗粒还移除还在焊接区域中产生的大颗粒。可以通过使用在沿壳体82的上游区域的任何地方设置的空气入口94或甚至通过使用光学头作为空气导向件来产生所述压力。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因此以较低的速度进入隧道。优选地，第二气流处于大气压力下。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以较高速度进入隧道的加压交叉喷射而言空气涡流通常被消除。

图4C-4E中更好地示出，吸入出口96在靠近压力端部件68(图4C)的壳体82内通向隧道，并且通过软管98与源100产生的外部负压流体连通，这在隧道75的上游端与下游端之间产生压力梯度。处于大气压力之下的第二空气流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75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。上方喷射的第二空气气流的低速和大容量特性以及两个气流的一致的方向组合起来实际上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。

参见图7A和7B以及图5B，可移动臂46的压力端部件68设置有安全机构105，该安全机构105能够操作以监测臂与前方工件之间的期望的接触。机构105还被构造为控制压力端部件68的结构完整性。

具体地，机构105包括两个预压缩的、轴向可移动的接触件107，该接触件107沿压力部件68的各个侧面延伸。在开始的预压缩条件下，两个接触件107延伸超过压力端部件68的边缘113(图7A)预定的距离。当前方工件和臂46正确地定位时，两个接触件107接触工件的表面。然而，当位置不正确时，接触件107中的至少一个不压靠工件，激光器16(图1)不可能被激发，如下面解释的。

图7B中的电路包括三个部件：彼此串联电连接的侧接触件107和导线111。当所述部件中的至少一个不产生被微控制器125接收的信号时，电路保持断开，并且控制器不向激光器16的功率源输出控制信号，因此，该功率源保持未激活状态。

导线111安装在从端部件68的边缘113(图7A)至围绕端部件68的外周延伸的闭合凹槽的较短距离中。如果端部件68被损坏而使得导线111开始直接接触前方工件的表面，那么导线容易折断并且激光源不会打开。

参见图7C-7D，每个压力端部件68连接至臂，并且具有邻接待处理的工件的接触表面。为了阻止接触表面103的过度磨损，具有比端部件的其余部分硬度更大的硬度的材料的板101被连接至接触表面103。板101可以焊接至表面103。如图中所示，可替代地，板101通过固定件105可拆卸地连接至表面103。

如果板101通过固定件105连接，那么它的内表面加工有槽以容纳导线111。在焊接的情况下，在这些部件焊接之前在表面103和板101之间放置管。然后导线111被拉动穿过管。板101的添加不仅提高了端部件的可用的使用寿命。它还便于所公开的装置的组装以及它的维护。

参见图8和4B，静止的L形臂48具有部件106，当臂48安装至支撑柱50时，该部件106平行于枪10的纵向轴线A-A’延伸，同时部件102垂直于相同的轴线延伸。部件106通过任何合适类型的固定件104(图7)可移除地安装至支撑柱50(图4B)。因此，枪12可以与单个的可移动臂46一起使用。

在焊接期间，残渣可能通过无底的压力端部件68穿透进入臂的部件102的内部，并且如果不去除，那么累积的残渣可能损坏该部件并且一般会负面地影响焊缝质量。为了防止该累积，部件102的中空内部与外部泵流体连通。后者可以是泵100(图4C)或者是可操作以产生足够用于通过被连接器108接收的软管110去除残渣的压力梯度的不同的泵。除了压力驱离技术之外，部件102的底部可以拆卸，用于进一步去除累积的残渣。

参照图8和图9，在工件正被焊接时激光器16(图1)的输出功率被连续地控制。随着光学头62(图4B)沿预定长度运动同时以预定频率摆动，激光束熔化叠置的板，以产生穿过前部工件和后部工件的通路。随着光束进一步运动，熔化的金属流回，闭合通路，但不是在激光束横穿通路之前。测量的穿透的激光束的强度代表焊缝的质量。如果测量的强度高于参考值，如下文所示，那么通路太大并且降低激光器的输出功率。相反地，如果测量的强度低于参考值，那么增加输出的激光功率。

在图9的具体的实现方式中，光电检测器112安装在设置在静止臂48的部件102中的贯通的容纳部114(图8)中。检测器112感测在图示的构造中从部件102的底部反射的辐射并且产生在放大器116中放大的信号。反射光可以具有比光峰值对应的高强度更高或更低的强度。信号的平均(Vav)和峰值(Vpeak)功率经过在模数转换器118中的转换在微控制器125中被确定。控制器可以为公知的现场可编程门阵列(FPGA)类型的集成电路，其可以执行各种功能，包括例如积分器和峰值检测器的功能120，并且具有轻质结构。分析器122处理所确定的功率并且输出对应于Vav与Vpeak比率的控制信号。当该比率小于或大于参考值时，其被反馈回激光功率源126。作为回应，激光束功率可能被增加或减小，以具有期望的焊缝。上面公开的功率控制特征可以通过不同的构造容易地实现。代替静止臂，设置在焊接区域的背面上并且可选地具有与环境光隔离的内部的任何光阱构造都可以与光电检测器结合起来使用。因此，集成在本公开的单个臂构造中的激光器16还可以根据上述公开的技术被控制。此外，代替感测反射光，传感器112可以被定位以直接检测入射光。

图10示出了本公开的枪12的操作。值得注意的是，枪12的控制方案中包括的所有控制器都是基于FPGA平台的，其与基于可编程逻辑控制器(PLC)平台的有点类似地构造的枪相比显著地降低了枪12的总重量。

响应按下开启按钮35(图4A)，如120处所示，外部的加压介质源开始操作，以在隧道75(图6A、6B)内提供上方喷射。与该上方喷射同时地或随后地，马达56(图4B和5)被致动，直到施加于工件上的期望的压力、焊缝长度和摆动频率分别被设置，如122和124处所示。假设所有的上述公开的步骤都完成，那么如数字126所示，马达56开始使臂46从原位置移动至打开位置(图5B)。随着臂46以相对高的速度朝向打开位置运动，沿路径的任何障碍物的存在都在128处被连续地控制。在130处提供臂46以相对低的速度进一步移动至闭合位置。最后，在132处，臂46被移动至焊接位置，以在工件上提供期望的压力。

在焊接位置中，如134处所示，端压力部件68与工件的表面之间的接触地被验证。在接触控制之后或有时在之前，泵10(图4D)被致动以产生压力梯度，以驱散所有的空气流以及焊接残渣。仅在上述所有步骤之后，激光器才输出光束并且焊接操作开始，如136处所指示的。在焊接操作期间，焊缝的质量被控制，如上面公开的并且如此处138指示的。如有必要，光束的功率在140处被调整。一旦在150处该过程结束，所有的泵和激光源被关闭，其显著地节约了能耗并且将本公开的枪塑造为节能技术。

本公开的枪可以被构造有下述的参数，其作为示例被给出。

表格

2.0技术说明：激光器/控制器

虽然示出并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。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 (29)

1.一种能够手持操作的激光焊接枪，用于接合两个或更多个叠置的金属部件，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至焊接区域；

第一臂，该第一臂沿保护窗的下游的路径安装至支撑柱，并且连接至光学头，以在原位置与焊接位置之间轴向地运动，在该焊接位置中，所述臂压靠金属部件中的一个，以便包围焊接区域，从而阻止激光辐射在焊接期间逃逸到焊接区域之外，

第一臂被构造有内周表面，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列部件轴向地横穿：

激光束，

第一轴向流动的加压气体介质流，以及

第二轴向流动的气体介质流，该第二轴向流动的气体介质流处于比第一流的压力小的第二压力下，第二压力被选择以阻止空气涡流的形成；以及

第一真空源，该第一真空源与隧道的下游端流体连通，并且能够被操作以基于在隧道的上游端与下游端之间产生的压力梯度从隧道中抽取第一流和第二流，以使得隧道内的焊接残渣与第一流和第二流一起离开隧道的下游端。

2.根据权利要求1所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括：

第二静止臂，该第二静止臂能够以可拆卸方式连接至支撑柱，以及

第一和第二压力端部件，第一和第二压力端部件彼此对齐，并且能够以可拆卸方式安装至对应的第一臂和第二臂，所述压力端部件在使用激光束的焊接操作期间使用预定的力压靠对应的待焊接的金属部件，每个压力端部件具有盘，该盘由比端部件的接触表面的材料更硬的材料制造，并且该盘或者固定至该接触表面，或者以能够移除的方式附接至该接触表面。

3.根据权利要求2所述的能够手持操作的激光焊接枪，其中，静止臂构造有连接在一起以限定L形形状的第一部件和第二部件，所述静止臂的第一部件设置有固定单元，该固定单元构造为以可拆卸方式将静止臂连接至所述柱，以使得第一部件平行于所述纵向轴线延伸。

4.根据权利要求3所述的能够手持操作的激光焊接枪，其中，所述静止臂的第二部件在所述静止臂的安装位置中垂直于所述纵向轴线延伸，所述第二部件构造有限定中空内部的内表面。

5.根据权利要求4所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括与所述静止臂的第二部件的自由端流体连通的真空单元，所述真空单元能够被操作以在所述中空内部产生足以从其中移除焊接残渣的压力差。

6.根据权利要求4所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括光电检测器，该光电检测器以能够移除的方式嵌入在所述静止臂的第二部件中并且被构造为检测穿过待焊接的部件传播的光束，其中，匹配反射光的强度与参考值，以使得当测量的强度与该值不匹配时调整激光束的功率并且提高焊缝的质量。

7.根据权利要求4所述的能够手持操作的激光焊接枪，其中，所述静止臂构造有能够拆卸的底部，该能够拆卸的底部用于容纳在更换该底部时从该底部上被移除的焊接残渣。

8.根据权利要求1所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括支撑板，该支撑板以能够移动的方式安装至垂直于所述纵向轴线的平面并且在垂直于所述纵向轴线的平面中延伸，所述光学头和第一臂被安装至支撑板上并且从支撑板上在相反的轴向方向上延伸。

9.根据权利要求1所述的能够手持操作的激光焊接枪，其中，所述第一臂构造有：

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，并且轴向地延伸入壳体中，以与壳体的上游端重叠，以便与法兰限定大的环形空间并且与壳体限定较窄的轴向通道，环形空间和通道流体连通以使得第一气体介质流进入该空间中并且进一步地通过该通道朝向壳体的下游端沿轴向流入隧道中。

10.根据权利要求8所述的能够手持操作的激光焊接枪，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，所述致动器以能够移动的方式连接至支撑板。

11.根据权利要求10所述的能够手持操作的激光焊接枪，其中，第一致动器能够被操作以使支撑板在多个间隔的连续位置之间直线地移动，该多个间隔的连续位置包括：

原位置，在该原位置中，可移动臂与所述焊接区域间隔开第一距离，

打开位置，在该打开位置中，可移动臂与所述焊接区域间隔开小于第一距离的第二距离；

闭合位置，其中，可移动臂位于打开位置与所述焊接区域之间，以及

抓取位置，在该抓取位置中，可移动臂使用期望的力压靠工件。

12.根据权利要求11所述的能够手持操作的激光焊接枪，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移动的直线速度大的直线速度在原位置与打开位置之间移动。

13.根据权利要求1所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括用于发射激光束的光纤激光器，该激光束具有高达kW级的功率。

14.根据权利要求1所述的能够手持操作的激光焊接枪，还包括悬置系统，该悬置系统将所述枪的壳体连接至外部导轨，并且被构造为使得所述枪能够被操作以：

围绕所述纵向轴线旋转，

围绕横向于所述纵向轴线延伸的竖直轴线旋转，

围绕横向于所述纵向轴线和竖直轴线延伸的枢转轴线倾斜，并且

朝向和远离待焊接工件直线地运动。

15.一种通过具有可移动臂的能够手持操作的激光枪焊接两个或更多个金属部件的方法，该方法包括如下步骤：

引导激光辐射通过由臂的内表面限定的隧道；

引导第一加压气体介质流通过所述隧道，第一臂以能够移动的方式安装至枪的支撑柱；

在所述隧道的上游端与下游端之间产生压力梯度；

与产生压力梯度同时，在比第一流的压力低并且不足以在所述隧道内产生涡流的压力下将第二气体介质流引入所述隧道中，并且平行于第一流引导第二流，其中，第一流和第二流通过下游端离开；并且

通过光学头将激光束引导至焊接区域，该光学头在臂的上游安装并且能够与臂一起运动，

其中，第一流和第二流带出至少部分焊接残渣，朝向光学头流过所述隧道，通过所述隧道的下游端，以基本上最小化焊接残渣与光学头的保护窗之间的碰撞。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：在将光束引导至焊接区域之前，使第一臂沿所述柱朝向待焊接工件前进。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，使第一臂前进的步骤包括如下步骤：

以第一速度使第一臂朝向焊接区域从原位置引导至闭合位置；

以低于第一速度的第二速度使第一臂从打开位置移动至闭合位置；并且

使臂从闭合位置前进至抓取位置，在该抓取位置中，端压力部件压靠工件。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：控制臂作用在前方工件上的压力，并且控制压力端部件与处于臂的抓取位置中的前方工件之间的接触。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括如下步骤：当接触不存在时，阻止激发激光器。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：将L形静止臂以可拆卸的方式安装至支撑柱，以使得随着第一臂沿所述柱运动，相应臂的压力端部件被对齐。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括如下步骤：排空通过所述静止臂的压力端部件落入所述静止臂的中空内部中的焊接残渣。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，排空焊接残渣的步骤包括如下步骤：在中空内部中产生压力差，以使得残渣从该中空内部中被引导通过L形静止臂的自由端。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，排空焊接残渣的步骤包括如下步骤：移除所述静止臂的底部，以便接近堆积在该底部上的焊接残渣。

24.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：

检测通过待焊接的工件传播的激光辐射；

确定被检测的辐射的峰值功率；

确定被检测的辐射的平均功率；

计算峰值功率与平均功率之间的比率，以便匹配该比率与参考值，并且

响应于计算出的比率改变激光器的输出功率，并且如有必要，调整激光束的功率，以提高焊缝的质量。

25.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤：控制由激光束产生的摆动频率和焊缝的长度。

26.一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；

感测通过焊接区域传播至焊接区域背面的光；

响应于感测的光产生信号；

比较该信号与参考值；并且

增加或减小激光源的功率，以产生预定强度的焊缝。

27.一种用于使用预定强度的焊缝接合一个或多个金属部件的能够手持操作的激光焊接枪，包括：

发射光束的激光源；

设置有形成隧道的内部的至少一个臂，该隧道构造为朝向焊接区域引导光线，以便产生接合工件的焊缝；

位于焊接区域背面上的光阱；

光传感器，该光传感器连接至光阱并且能够被操作以检测传播通过焊接区域的光，并且该光传感器基于检测所述光而输出信号；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比较，并且

输出连接入激光源的控制信号，以便调整光束的功率，以产生预定强度的焊缝。

28.一种用于接合彼此间隔开预定距离的两个或更多个金属部件的焊接枪，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移动至焊接位置，在该焊接位置中，该臂使用预定的力压靠位于辐射区域前方的前部金属部件，以阻止激光辐射在焊接期间逃逸到焊接区域之外并且在所述部件之间保持预定的距离，

位于焊接区域背面上的与后部金属部件并置的激光辐射阱，该激光辐射阱具有内部，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阱之外；

传感器，该传感器连接至所述阱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匹配来自传感器的信号与参考值，并且输出控制信号以调整力，以便在金属部件之间维持预定距离。

29.一种用于使用预定强度的焊接来接合两个或更多个金属部件的焊接枪，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移动至焊接位置，在该焊接位置中，该臂使用预定的力压靠位于辐射区域前方的前部金属部件，以阻止激光辐射在焊接期间逃逸到焊接区域之外，

位于焊接区域背面上的与后部金属部件并置的激光辐射阱，该激光辐射阱具有内部，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阱之外；

传感器，该传感器连接至所述阱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匹配来自传感器的信号与参考值，所述控制器输出控制信号以调整辐射的功率。