CN105269152A - 耦入光具、激光焊接头和具有真空室的激光焊接装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光焊接头(1)的耦入光具(2)，用于在真空室(5)中加工工件(6)，该耦入光具包括：射束导管(10’)，其具有靠近工件的端部(18)；和设置在射束导管(10’)中的聚焦透镜(11)，用于聚焦激光射束到工件表面上，其中，在聚焦透镜(11)与射束导管(10)的靠近工件的端部(18)之间设置有保护玻璃(12’)，其特征在于，对于激光射束而言透明的部件(11)被压力密封地装配在射束导管(10’)中。通过这种方式能尽可能避免真空室的耦入窗的脏污。

Description

耦入光具、激光焊接头和具有真空室的激光焊接装置
技术领域
本发明涉及一种用于激光焊接头的耦入光具，用于在真空室中加工工件，该耦入光具包括具有靠近工件的端部的射束导管和设置在射束导管中的聚焦透镜用于将激光射束聚焦在工件表面上，其中，在聚焦透镜与射束导管的靠近工件的端部之间设置有保护玻璃。本发明还涉及具有这种耦入光具的激光焊接头和激光焊接装置。
背景技术
在通过固体激光器激光焊接时在大气中产生焊接故障，例如形成飞溅和滴流，由此使焊缝质量和表面质量变差。这可能导致限制能利用的参数范围和/或使焊缝强度特性变差。经常也需要重新加工工件。这使得在许多应用中难以使用激光焊接或者说不可能实现这个使用。
在激光焊接时由于环境压力降低严重地影响到工件中的能量耦入，这又影响到产生金属蒸汽、毛细管大小而且也影响焊缝中的流动情况。为此，在真空室中、优选地在低真空(1-100mbar)中执行焊接过程。由此，与在大气压力时的激光焊接相比能够产生大量工艺技术优点：例如更好的焊缝质量(与通过电子射束焊接的焊缝相比)、显著减少形成金属蒸汽火炬和焊烟、更高的焊入深度稳定性、更大的焊入深度、显著减少在工件底面上形成滴(滴流-问题)、更大的工艺窗口、更高的生产率、在新的应用中使用激光焊接工艺、减小焊缝厚度、更小的热负荷和更小的构件变形、以及通超压力影响焊缝几何形状的可行性。
在由现有技术已知的真空-焊接-装置中(U.Reisgen，S.Olschok和S.Longerich：LaserBeamWeldinginVacuum-AProcessVariationinComparisonwithElectronBeamWelding，Proc.of29thInternationalCongressonApplicationsofLaser&Electro-Optics(ICALEO2010))和Y.Abe,M.Mizutani,Y.Kawahito,S.Katayama:DeepPenetrationWeldingwithHighPowerLaserUnderVacuumProc.of29thInternationalCongressonApplicationsofLaser&Electro-Optics(ICALEO2010)，激光焊接头定位在真空室的耦入窗上方，由此使得由激光焊接头产生的激光射束通过耦入窗耦入到真空室中，要加工的工件位于所述真空室中。在工业技术上实现这种用于低压激光焊接的装置时的问题是，可能弄脏所述真空室的耦入窗，通过耦入窗耦入激光射束。耦入窗用作光学接口并且影响穿过的激光射束的光学参数。除了吸收和反射以外，也产生光学像差。这些光学像差随着耦入窗口脏污的增加而增大。如果焊接飞溅和/或金属蒸汽粘附在耦入窗上(它们也可能在真空中例如在切入过程中发生)，产生剧烈地加热耦入窗并且通过合成的透镜作用导致强烈的激光射束焦点偏移，由此使焊接过程不再可能保持稳定。
由
http://www.de.trumpf.com/de/produkte/lasertechnik/produkte/festkoerperlaser/st rahlfuehrung/fokussieroptiken/beo.html已知一种用于激光焊接设备的耦入光具(BEO)，其中，设有气体绕流的保护玻璃。该耦入光具也定位在封闭的压力室外部。
发明内容
因此，本发明的目的是，建议一种耦入光具、一种激光焊接头和一种具有真空室的激光焊接装置，其中能尽可能避免真空室的耦入窗的脏污。
该目的按照本发明通过如权利要求1所述的耦入光具、如权利要求12所述的激光焊接头和如权利要求14所述的激光焊接装置得以实现。
在按照本发明的耦入光具中，对于激光射束而言透明的部件被压力密封地装配在射束导管中。
压力密封地装配在射束导管中的部件可用作真空室的耦入窗，由此可使激光焊接头这样装配在真空室上，使得该激光焊接头部分设置在真空室内部并且部分设置在真空室外部。通过这种方式，所述耦入窗可更加远离加工区地设置，由此减小脏污的风险，而射束导管的靠近工件的端部和可能设在该端部上的喷嘴接收部可靠近工件表面定位。
优选地，在聚焦透镜与射束导管的靠近工件的端部之间设有至少一个用于输送气体的入口，以用于产生朝向工件方向的气流。因此，气体(过滤的环境空气或保护气体)可在该入口被导入到激光焊接头的耦入光具的侧壁中。因此，气体从该入口朝向射束导管的工件侧的端部、即朝向焊接加工部流动，并且随后可被真空泵(例如旋转滑阀真空泵)吸出。由此，防止上升的金属蒸汽侵入到射束导管中或者侵入到与射束导管的工件侧的端部连接的喷嘴中。附加地，制止进入到喷嘴开口或者射束导管开口中的飞溅物。
在按照本发明的耦入光具的一特别实施方式中，所述保护玻璃在两侧被输送的气体绕流。为此，不仅在保护玻璃下方而且在保护玻璃上方、即不仅在保护玻璃的朝向工件的那侧而且在背离工件的那侧上设有进入开口。如果使用薄的保护玻璃、尤其是最大为1.5mm厚度的保护玻璃，则这尤其是有利的，因为由于两侧绕流可使保护玻璃以不加压的方式被保持。
特别有利的是，所述至少一个用于输送气体的入口具有倾斜于保护玻璃取向的孔，由此使得保护玻璃被所述输送气体迎流。通过这种方式，可去掉已经积聚在保护玻璃上的脏污。
在一优选的实施方式中，压力密封地装配在射束导管中的透明的部件是聚焦透镜。在此，该聚焦透镜也用作压力封闭元件。该实施方式可实现方便地更换保护玻璃。在该实施方式中，保护玻璃可设置在聚焦透镜附近。
如果所述保护玻璃是可更换的保护玻璃盒的一部分，则可特别方便地进行保护玻璃的更换。所述保护玻璃盒例如可利用顶压螺栓从射束导管中移除。
为了确定用于更换保护玻璃盒的优化时间点，有利的是，所述保护玻璃盒具有用于监控保护玻璃的脏污度的装置。
优选地，所述保护玻璃盒这样设置，使得该保护玻璃盒在真空室外部可触及。通过这种方式，可更换保护玻璃，而无需打开真空室。
特别有利的是，所述保护玻璃盒真空密封地被封闭。
在一替代性的实施方式中，压力密封地装配在射束导管中的透明的部件是保护玻璃。为了承受压力差，所述保护玻璃应该具有5mm的最小厚度。在该实施方式中，由于固定安装的保护玻璃使得与上述的具有可更换的保护玻璃盒的实施方式相比结构费用明显更少。
优选地，设有用于温度监控装置的监控接头，以用于监控保护玻璃的温度。
作为附加的保护，可在保护玻璃与射束导管的靠近工件的端部之间设有耐磨玻璃，所述耐磨玻璃被所述气流绕流。在这种情况下，气体从保护玻璃进一步围绕(便宜的)耐磨玻璃向着焊接加工部流动，在那里气体可被真空泵吸出。
本发明还涉及一种激光焊接头，其具有如上所述的耦入光具，并且具有用于将所述耦入光具法兰连接到真空室上的法兰装置。该法兰装置可构造为法兰盘。
此外，本发明还涉及一种激光焊接装置，该激光焊接装置具有真空室，所述真空室借助耦入窗以将激光射束耦入到真空室中，该激光焊接装置具有上述的激光焊接头，其中，所述耦入窗通通过压力密封地装配在射束导管中的透明的部件形成。即，所述耦入窗是激光焊接头的一部分，并且设置在激光焊接头的内部。按照本发明，所述耦入光具形成真空室的真空密封的封闭，通过这种方式，整个耦入光具可借助所有光学部件完成装配并且通过法兰装置与真空室连接。
按照本发明的激光焊接装置优选地包括喷嘴。该喷嘴优选地固定在射束导管上的喷嘴接收部上。
因为焊接喷溅物主要粘附在喷嘴的开口上，有利的是，所述激光焊接装置包括可更换的喷嘴。则该喷嘴优选地构造为一次性磨损件构成，例如标准-切割喷嘴。借助于气体入口上的压力测量能实现，通过压力升高马上察觉由于粘附喷溅物导致在喷嘴中的开口横截面的可能减少：如果压力升高保持在一确定的值以下，则可在焊接结束以后通过一确定的压力冲击再清洁该喷嘴开口。铜适合作为这种喷嘴的材料，以保证方便的清洁和少的喷溅物粘附。如果压力升高超过所述确定的值，则作为结果可切断激光射束，以避免由于激光射束重新熔化喷溅物，并且可更换喷嘴。
优选地，所述激光焊接装置包括喷嘴，所述喷嘴具有适配于射束焦散面(Strahlkaustik)的直径分布(Durchmesserverlauf)。尤其有利的是，所述喷嘴的开口孔径最小化。由此，一方面可减小喷洒气体量并且因此实现在该室内更低的压力。另一方面，通过最小化的开口直径可使更少的喷溅物通过喷嘴的开口到达，由此明显减少或者避免喷溅物问题。
特别有利的是，所述喷嘴与工件表面的距离是能调整的。优选地，该距离通过沿着光轴调整准直透镜而能机械或电动地可变化调整。对于喷嘴与工件表面的距离需要较大变化的情况，可使适配件以不同的长度构成。替代地，也可设有具有外螺纹的适配件并且在高度上可变地旋拧在射束导管上。所述适配件的位置例如可利用锁紧螺母被固定。
按照本发明的耦入光具也可构造为可编程的聚焦光具(PFO)。PFO可具有或没有喷嘴地运行。PFO利用在射束导管内部在垂直于射束轴线的平面中可移动的反射镜来移动射束。相应地所述射束导管的尺寸、例如其直径必需适配于射束的工作范围的尺寸。PFO的焦距也必需适配于射束的工作范围的尺寸。使用PFO一般要求更大的射束导管出口，使得常见的喷嘴一般不能与PFO组合，如果要利用通过PFO导致的射束定位的优点。为了保护光具或许可设想在射束导管的出口上的“模板(Schablone)”。
在按照本发明的激光焊接装置的一特别优选的实施方式中，设有一个抽吸装置，用于吸出在工件加工位置(例如焊接位置)上产生的金属蒸汽。该抽吸装置可包括不仅在工件上侧的而且在下侧上的进入开口。因此，在焊接过程中产生的金属蒸汽可在其产生后马上被吸出。这一点例如可利用到真空泵的旁路实现。附加地，对于喷嘴可设有一装置，通过所述装置可将侧向喷射或横向喷射形式的附加辅助气体引入到加工区中，它的作用是，使金属蒸汽得到向着吸出装置的速度分量。通过这种方式实现，绝大部分金属蒸汽向着抽吸装置流动并且高效地从该室中吸出。
本发明的其它优点由权利要求、说明书和附图给出。上述的和还要进一步解释的特征可单独地应用或者组成多个任意的组合的应用。所示和所述的实施方式不理解为最终的列举，而是只具有对于本发明的描述示例的特征。
附图说明
下面借助示例的示意图详细解释本发明。
图1示出按照本发明的激光焊接头的立体图，
图2示出按照本发明的激光焊接装置的第一实施方式的剖面图，其中聚焦透镜构造为耦入窗，
图3示出按照本发明的激光焊接装置的第二实施方式，其中保护玻璃构造为耦入窗，
图4示出PFO激光焊接头连同按照本发明的激光焊接装置。
具体实施方式
图1示出按照本发明的激光焊接头1，具有耦入光具2，所述耦入光具通过法兰盘3固定在真空室5的板4上(见图2)。法兰盘3利用密封部29真空密封地装配在真空室5的板4上并且形成到真空室5的接口。
图2示出装配在真空室5上的激光焊接头1的剖面图。要加工的工件6位于真空室5内部，工件设置在一能围绕旋转轴线7旋转的工件支承件8上。
为了可加工不同的构件高度，工件支承件8可调整高度或者可装配在不同的高度格栅上。真空室5的板4优选地相对于真空室5可移动地装配。通过这种方式可以在工件6围绕旋转轴线7旋转时调整加工直径。
激光焊接头1的耦入光具2包括准直透镜9、射束导管10和聚焦透镜11。在图2中所示的实施方式中，聚焦透镜11压力密封地装配在射束导管10中，并且形成用于真空室5的耦入窗。为了使聚焦透镜11在加工侧被保护免受金属蒸汽和焊接喷溅物的脏污，在聚焦透镜11与焊接加工之间在聚焦透镜11附近引入可更换的保护玻璃12。
在所示的实施方式中，保护玻璃12是可更换的保护玻璃盒13的一部分，所述保护玻璃盒在朝射束导管10的边界面上利用密封部29真空密封地实施并且利用顶压螺栓14可从耦入光具2移除。保护玻璃12的更换在真空室5外部进行并且因此能快速地执行。
通过入口15可导引气体到射束导管10中，用于绕流保护玻璃12。由此，在耦入窗12与工件6之间的空间中引起略微的超压，并且产生对准焊接加工的气流16，所述气流利用真空泵17吸出。由此，防止或者至少减少上升的金属蒸汽侵入到喷嘴19中并因此防止在保护玻璃12上冷凝/沉积金属蒸汽。附加地，制止进入到喷嘴开口中的喷溅物。作为喷洒气体例如可以使用环境空气，由此不产生附加的工艺成本。替代地，也可使用保护气体，由此允许有目的地控制熔化物的“氧化度”或者防止熔化物的氧化。
在焊接工艺中产生的金属蒸汽可利用抽吸装置22通过不仅在工件上侧而且在工件下侧的进入开口23,24在其刚产生后就马上已被吸出，例如通过到真空泵的旁路25。
为了监控保护玻璃12的脏污度设有监控装置21，该监控装置也可用作工艺监控装置：在稳定的加工过程中出现连续的、但是微小的保护玻璃脏污增加，并因此产生保护玻璃监控的信号值。但是如果出现跃变的信号增加，则意味着不稳定的加工过程。
射束导管10通到靠近工件的端部18的喷嘴接收部中，在该喷嘴接收部上安置可更换的喷嘴19。利用适配件20可改变喷嘴19与工件6之间的距离。如果只需在喷嘴19与工件6之间小的距离变化，则这也可利用机械或电动地调整准直透镜9进行。
为了可使用不同的焦距，可不同地构造法兰盘3的厚度，由此可改变耦入窗与法兰盘之间的距离。大的焦距通过保护玻璃与焊接区域的长距离对于尽可能少地脏污保护玻璃12是有利的。短的焦距由于更小的射束腰直径(Strahltaillendurchmesser)导致更大的在工件6上的激光强度，这尤其在铝材和铜材中是有利的。通过变化的距离调整还能够使保护玻璃12与所使用的焦距无关地尽可能靠近聚焦透镜地定位，用于尽可能大面积的照射、功率密度最小化并且由此减小合成的热学的焦点位置偏移。
图3示出按照本发明的激光焊接装置1’的一替代性的实施方式，该激光焊接装置具有耦入光具2’，其中，保护玻璃12’用作到真空室5的耦入窗。因为保护玻璃12’在这个实施方式中处于压力下，因此它比上述实施方式的保护玻璃12更厚地构造。在保护玻璃12’下方，气体通过入口15被导引到射束导管10中。入口15包括倾斜于保护玻璃12’指向的孔26。气体在厚的保护玻璃12’下方通过倾斜向上指向的孔26流入，由此流到保护玻璃上。然后气体绕流一设置在保护玻璃12’与喷嘴19之间的选择性的耐磨玻璃27并且继续流向焊接加工部。在那里气体被真空泵17吸出。
压力窗可以通过监控接头28监控温度。
对于在图3中所示的实施方式，尽管不能从真空室5外部可触及到保护玻璃12’，但是为此对于这个实施方式的结构费用显著减少，由此可使生产成本保持小。
在上述两个实施方式中，耦入窗(图2中的聚焦透镜或图3中的保护玻璃)是耦入光具的一部分，并由此这样远离加工区布置，使得与由现有技术已知的布置相比减小脏污的风险。
图4示出按照本发明的激光焊接头1”的另一实施方式，该激光焊接头具有可编程的耦入光具(PFO)2”。可编程的耦入光具2”是扫描器-光具。通过激光射束30经由两个反射镜(未示出)的转向可以使激光射束29在加工范围或加工空间内定位在每个预给定的位置上。该实施方式与上述实施方式的差别在于在工件6上的更大工作范围。通过受限的工作范围(例如60x60mm)可使用与上述耦入光具2,2’相同的工作原理，但是PFO射束导管10’必需根据要使用的工作范围的大小比在上述耦入光具2,2’的情况更加远离工件6终止并且以其直径相应地适配于激光射束30的工作范围。因此射束导管10’在工作范围60x60mm的情况下要例如在大于60mm时终止。
通过可编程的耦入光具2”的小的准直焦距(例如f＝90)和受限的x-y工作范围，可以使用所有其它上述耦入光具2,2’的部件，例如法兰装置3、保护玻璃盒13等也可用于该可编程的耦入光具2”。
附图标记列表
1,1’,1”激光焊接头
2,2’,2”耦入光具
3法兰装置
4板
5真空室
6工件
7旋转轴线
8工件支承件
9校准透镜
10,10’射束导管
11聚焦透镜
12,12’保护气体
13保护气体盒
14顶压螺栓
15入口
16气流
17真空泵
18射束导管的靠近工件的端部
19喷嘴
20适配件
21监控装置
22抽吸装置
23进入开口
24进入开口
25旁路
26孔
27耐磨玻璃
28监控接头
29密封部
30激光射束

Claims (17)

1.用于激光焊接头(1,1’,1”)的耦入光具(2,2’)，用于在真空室(5)中加工工件(6)，所述耦入光具包括：射束导管(10,10’)，其具有靠近工件的端部(18)；和设置在所述射束导管(10,10’)中的聚焦透镜(11)，用于聚焦激光射束到工件表面上，其中，在所述聚焦透镜(11)与所述射束导管(10,10’)的靠近工件的端部(18)之间设置有保护玻璃(12,12’)，
其特征在于，
对于激光射束而言透明的部件(11,12’)被压力密封地装配在所述射束导管(10,10’)中。
2.如权利要求1所述的耦入光具(2,2’)，其特征在于，在所述聚焦透镜(11)与所述射束导管(10,10’)的靠近工件的端部(18)之间设有至少一个用于输送气体的入口(15)，用于产生朝向工件(6)方向的气流。
3.如权利要求2所述的耦入光具(2)，其特征在于，所述保护玻璃(12)在两侧被输送的气体绕流。
4.如权利要求2或3所述的耦入光具(2’)，其特征在于，所述至少一个用于输送气体的入口(15)具有倾斜于所述保护玻璃(12’)取向的孔(26)，使得所述保护玻璃(12’)被该输送气体迎流。
5.如权利要求1至4中任一项所述的耦入光具(2)，其特征在于，压力密封地装配在所述射束导管中的所述透明的部件是所述聚焦透镜(11)。
6.如上述权利要求中任一项所述的耦入光具(2)，其特征在于，所述保护玻璃(12)是可更换的保护玻璃盒(13)的一部分。
7.如权利要求6所述的耦入光具(2)，其特征在于，所述保护玻璃盒(13)具有用于监控所述保护玻璃的脏污度的装置。
8.如权利要求6至7中任一项所述的耦入光具(2’)，其特征在于，所述保护玻璃盒(13)真空密封地被封闭。
9.如权利要求1至4中任一项所述的耦入光具，其特征在于，压力密封地装配在所述射束导管(10,10’)中的所述透明的部件是所述保护玻璃(12’)。
10.如权利要求9所述的耦入光具(2’)，其特征在于，设有用于温度监控装置的监控接头(28)，用于监控所述保护玻璃(12’)的温度。
11.如上述权利要求中任一项所述的耦入光具(2’)，其特征在于，在所述保护玻璃(12’)与所述射束导管(10,10’)的靠近工件的端部(18)之间设有耐磨玻璃(27)，所述耐磨玻璃被所述气流绕流。
12.激光焊接头(1,1’,1”)，其具有如上述权利要求中任一项所述的耦入光具，并且具有用于将所述耦入光具(2,2’)法兰连接到真空室(5)上的法兰装置(3)。
13.激光焊接装置
·具有真空室(5)，所述真空室借助耦入窗以将激光射束耦入到所述真空室中，
·具有如权利要求12所述的激光焊接头(1,1’,1”)，其中，所述耦入窗通过压力密封地装配在所述射束导管中的透明的部件(11,12’)形成。
14.如权利要求13所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接装置包括可更换的喷嘴(19)。
15.如权利要求13至14中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接装置包括喷嘴(19)，所述喷嘴具有适配于射束焦散面的直径分布。
16.如权利要求13至15中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光焊接装置具有喷嘴，所述喷嘴与工件表面的距离是能调整的。
17.如权利要求13至16中任一项所述的激光焊接装置，其特征在于，设有一个抽吸装置(22)，用于吸出在工件(6)的加工位置上产生的金属蒸汽。
CN201510303357.1A 2014-06-06 2015-06-04 耦入光具、激光焊接头和具有真空室的激光焊接装置 Active CN105269152B (zh)

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