CN112355470B - 一种铍窗组件焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种铍窗组件焊接装置及方法，铍窗组件焊接装置包括激光器、控制器、入射光模组、振镜扫描模组、出射光模组、密封箱和工作台；工作台的台面上设置有固定夹具，工作台设置于密封箱内，密封箱与固定夹具对应的部分呈透光设置；激光器、入射光模组、振镜扫描模组、出射光模组和固定夹具依次布置于铍窗组件焊接装置的光轴上；入射光模组用于调整射向振镜扫描模组的激光；出射光模组用于汇聚射向固定夹具的激光；控制器电性连接激光器和振镜扫描模组。将铍窗组件用固定夹具固定好后放置于密封箱内，通过振镜扫描模组沿着预设焊接轨迹进行激光精密焊接，该装置结构简单，使用方便，焊接轨迹编辑便利，焊接质量好。

Description

一种铍窗组件焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种铍窗组件焊接装置及方法。

背景技术

市场上X射线荧光光谱仪、医疗行业诊断设备等的核心零部件是X射线管，X射线管中的射线窗一般采用铍窗，铍窗是同步辐射束线工程中的核心组件，其作用是保持束线内部的高真空状态或隔离束线不同区域的不同真空度，同时允许X光束线通过(对X射线透过率高)；铍窗组件对束线诊断、性能分析、实时监测具有重要意义。

传统铍窗加工采用方法是真空扩散焊技术，由于真空扩散焊存在焊件表面制备，对焊件之间结合表面要求很严格，焊接热循环周期长，生产效率很低，设备一次性投入成本较大，且焊接工件尺寸会受设备限制，操作复杂。

发明内容

本发明实施例提供一种铍窗组件焊接装置及方法，用以解决现有的铍窗组件加工方法存在诸多弊端的问题。

本发明实施例提供一种铍窗组件焊接装置，包括激光器、控制器、入射光模组、振镜扫描模组、出射光模组、密封箱和工作台；

所述工作台的台面上设置有固定夹具，所述固定夹具用于固定铍窗组件，所述工作台设置于所述密封箱内，所述密封箱与所述固定夹具对应的部分呈透光设置；

所述激光器、所述入射光模组、所述振镜扫描模组、所述出射光模组和所述固定夹具依次布置于所述铍窗组件焊接装置的光轴上；

所述入射光模组用于调整射向所述振镜扫描模组的激光；

所述出射光模组用于汇聚射向所述固定夹具的激光；

所述控制器电性连接所述激光器和所述振镜扫描模组。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述激光器为皮秒激光器。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述入射光模组包括扩束镜组和光束整形模块；

所述扩束镜组和所述光束整形模块在从所述激光器到所述振镜扫描模组的方向上依次布置于所述铍窗组件焊接装置的光轴上。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述出射光模组包括平场聚焦透镜。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述铍窗组件焊接装置还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；

所述铍窗组件焊接装置的光轴包括第一光轴、第二光轴、第三光轴、第四光轴和第五光轴；

所述激光器位于所述第一光轴上，所述第一反射镜被设置为将激光从所述第一光轴转向到所述第二光轴；

所述入射光模组位于所述第二光轴上，所述第二反射镜被设置为将激光从所述第二光轴转向到所述第三光轴；

所述第三反射镜被设置为将激光从所述第三光轴转向到所述第四光轴，所述振镜扫描模组被设置为将激光从所述第四光轴转向到所述第五光轴；

所述出射光模组和所述固定夹具均位于所述第五光轴上。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述密封箱为亚克力玻璃密封箱。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述密封箱内设置有氧浓度计。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述铍窗组件焊接装置还包括氩气瓶和进气管，所述氩气瓶位于所述密封箱外，所述进气管的一端与所述氩气瓶连通，所述进气管的另一端伸入所述密封箱内，用于向铍窗组件吹气；和/或，

所述铍窗组件焊接装置还包括废气收集器和排气管，所述废气收集器位于所述密封箱外，所述排气管的两端分别连通所述废气收集器和所述密封箱。

根据本发明一个实施例的铍窗组件焊接装置，所述固定夹具设置有与铍窗组件形状相适配的凹槽，用于将铍窗组件放置于所述凹槽处。

本发明实施例还提供一种铍窗组件焊接方法，包括：

使用固定夹具压合铍窗组件；

将密封箱内充满氩气；

启动激光器，并通过振镜扫描模组引导激光沿着预设焊接轨迹对所述铍窗组件进行焊接。

本发明实施例提供的铍窗组件焊接装置及方法，将铍窗组件用固定夹具固定好后放置于密封箱内，通过振镜扫描模组沿着预设焊接轨迹进行激光精密焊接，该装置结构简单，使用方便，焊接轨迹编辑便利，焊接质量好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种铍窗组件焊接装置的结构示意图。

附图标记：

100：铍窗组件焊接装置；1：激光器；2：控制器；3：振镜扫描模组；4：密封箱；41：氧浓度计；42：氩气瓶；43：进气管；44：废气收集器；45：滑动式锁止开关；5：工作台；51：固定夹具；6：扩束镜组；7：光束整形模块；8：平场聚焦透镜；91：第一反射镜；92：第二反射镜；93：第三反射镜；200：铍窗组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种铍窗组件焊接装置，用于焊接铍窗组件，铍窗组件通常包括铍片和两个不锈钢片，铍片夹持于两个不锈钢片之间，如图1所示，铍窗组件焊接装置100包括激光器1、控制器2、入射光模组、振镜扫描模组3、出射光模组、密封箱4和工作台5。

激光器1作为铍窗组件焊接装置100的焊接光源，用于提供激光，具体地，在本实施例中，激光器1为皮秒激光器，利用皮秒激光器作为焊接光源，通过皮秒激光器的超短脉冲和超高峰值功率使铍片和不锈钢片之间产生非线性吸收效应，并使材料在焦点处熔融以实现铍和不锈钢材料精细焊接，具有焊缝稳定性好，连接强度较高、加工温度低、加工精度高，加工效率高。其中，皮秒激光器的波长为近红外波段，波长为1064nm，脉宽小于15ps，重复频率为50kHz-1000kHz，功率为30W。

如图1所示，工作台5的台面上设置有固定夹具51，固定夹具51用于固定铍窗组件200，工作台5设置于密封箱4内，密封箱4与固定夹具51对应的部分呈透光设置，这样激光能透过密封箱4而射向固定夹具51上的铍窗组件200。如图1所示，在本实施例中，密封箱4为亚克力玻璃密封箱，具体地，亚克力玻璃密封箱包括顶盖和箱体，顶盖和箱体之间采用滑动式锁止开关45相连，且顶盖和箱体之间设置有密封胶条，以保证箱体的密封性能。

如图1所示，固定夹具51用于固定铍窗组件200，保证不锈钢薄片和铍片之间能紧密地贴合在一起，在本实施例中，固定夹具51设置有与铍窗组件200形状相适配的凹槽，用于将铍窗组件200放置于凹槽处，具体地，在本实施例中，固定夹具51为正方形对压夹具，中心位置有和铍窗组件200大小一致的凹槽，凹槽用于放置铍窗组件200，正方形对压夹具四个角用弹簧压紧锁扣固定。

如图1所示，激光器1、入射光模组、振镜扫描模组3、出射光模组和固定夹具51依次布置于铍窗组件焊接装置100的光轴上。激光器1发出的激光会依次经入射光模组、振镜扫描模组3、出射光模组后射向固定夹具51上的铍窗组件200。

入射光模组用于调整射向振镜扫描模组3的激光，具体地，如图1所示，在本实施例中，入射光模组包括扩束镜组6和光束整形模块7；扩束镜组6和光束整形模块7在从激光器1到振镜扫描模组3的方向上依次布置于铍窗组件焊接装置100的光轴上，其中，扩束镜组6用于对激光进行扩束，减小发散角，使得聚焦后的光斑更小，单位面积内光斑能量密度更大；光束整形模块7用于对发射的激光光束进行整形，具体地，在本实施例中，光束整形模块7用于将圆形高斯光束整形为圆形平顶光束，使得激光焊接轨迹的焊接质量更好，避免铍片与不锈钢片之间的虚焊现象。

振镜扫描模组3用于控制激光的焊接轨迹，振镜扫描模组3可以为高速振镜扫描模组。

出射光模组用于汇聚射向固定夹具51的激光，具体地，如图1所示，在本实施例中，出射光模组包括平场聚焦透镜8，平场聚焦透镜8用于将通过振镜扫描模组3的平行光束汇聚成一点。振镜扫描模组3和平场聚焦透镜8使得激光束沿着需要的焊接轨迹进行焊接，焊接速度和光斑重叠率由振镜扫描模组3来控制。

如图1所示，控制器2电性连接激光器1和振镜扫描模组3，控制器2通过控制振镜扫描模组3的两个振镜片沿着X和Y方向高速运动，以控制激光的焊接轨迹；控制器2能控制激光器1的出光功率和出光方式。

本发明实施例提供的铍窗组件焊接装置100及方法，将铍窗组件200用固定夹具51固定好后放置于密封箱4内，通过振镜扫描模组3沿着预设焊接轨迹进行激光精密焊接，该装置结构简单，使用方便，焊接轨迹编辑便利，焊接质量好。

如图1所示，在本实施例中，铍窗组件焊接装置100还包括第一反射镜91、第二反射镜92和第三反射镜93；铍窗组件焊接装置100的光轴包括第一光轴、第二光轴、第三光轴、第四光轴和第五光轴；激光器1位于第一光轴上，第一反射镜91被设置为将激光从第一光轴转向到第二光轴；入射光模组位于第二光轴上，第二反射镜92被设置为将激光从第二光轴转向到第三光轴；第三反射镜93被设置为将激光从第三光轴转向到第四光轴，振镜扫描模组3被设置为将激光从第四光轴转向到第五光轴；出射光模组和固定夹具51均位于第五光轴上。其中，第一光轴、第三光轴和第五光轴相互平行，第二光轴和第四光轴相互平行，第一光轴和第二光轴相互垂直。

如图1所示，在本实施例中，铍窗组件焊接装置100还包括氩气瓶42和进气管43，氩气瓶42位于密封箱4外，进气管43的一端与氩气瓶42连通，进气管43的另一端伸入密封箱4内，用于向铍窗组件200吹气。进气管43可以为竹节气管等，进气管43通常自密封箱4的顶部伸入密封箱4内，进气管43的吹气方向对准铍窗组件200需焊接的区域，以保证铍窗组件200在激光焊接时处于氩气环境，铍片和不锈钢片在激光焊接时无氧化现象，焊接时能及时将工件冷却。其中，氩气瓶42用于提供氩气。

密封箱4能将铍窗组件200在激光焊接时保持氩气环境，保证焊接区域氧浓度含量基本为零，如图1所示，在本实施例中，密封箱4内设置有氧浓度计41，氧浓度计41能用于实时监测密封箱4内的氧浓度含量。

如图1所示，在本实施例中，铍窗组件焊接装置100还包括废气收集器44和排气管，废气收集器44位于密封箱4外，排气管的两端分别连通废气收集器44和密封箱4。密封箱4的底部安装有排气管接头，排气管与废气收集器44相连，使得密封箱4内保持氩气环境，废气收集器44用于收集从密封箱4排出的气体。

本发明实施例还提供了一种铍窗组件焊接方法，该铍窗组件焊接方法是基于如上所述的铍窗组件焊接装置来实现的，该铍窗组件焊接方法包括以下步骤：

步骤S110：清洁铍窗组件和固定夹具。

具体的说，铍窗组件包括铍片和两个不锈钢片，铍片夹持于两个不锈钢片之间。可选的，可通过如下步骤清洁铍窗组件和固定夹具：

首先，将铍窗组件放入稀盐酸溶液中浸泡，以去除表面氧化层，其中，稀盐酸溶液的质量分数可以为15％，浸泡的时长可以为5分钟。

然后，将铍窗组件和固定夹具放入含无水乙醇溶液的超声波清洗机中清洗，其中，清洗的时长可以为3分钟。

步骤S120：使用固定夹具压合铍窗组件。

具体的说，用固定夹具将铍窗组件紧密地压合在一起，并放置于密封箱内。

步骤S130：将密封箱内充满氩气。

具体的说，密封箱内的氧浓度计可实时检测密封箱内的氧浓度含量。氩气瓶和密封箱的顶部通过进气管连通，进气压力由氩气瓶上的气压表控制，密封箱的底部和废气收集器通过排气管连通，以使氩气从进气管进入，再排气管排出，保持密封箱内无空气进入。

步骤S140：启动激光器，并通过振镜扫描模组引导激光沿着预设焊接轨迹对铍窗组件进行焊接。

具体的说，由激光器产生激光，经反射镜组和各种光学元件，将激光透过密封箱的顶盖，辐射至铍窗组件的加工区域，由振镜扫描模组引导激光沿着预设焊接轨迹进行焊接，通过控制激光器的重复频率和输出功率来控制焊接时的激光束能量，通过控制振镜扫描模组的扫描速度来控制激光焊接时的光斑重叠率和热传导速率。

可选的，对铍窗组件进行焊接可以通过以下步骤来实现：

步骤S141：确定预设焊接轨迹。

可选的，根据铍窗要求焊接的窗口大小，确定最终激光焊接的图形(即预设焊接轨迹)尺寸比窗口直径大2mm。确定最终焊接图形后，将激光聚焦的焦点位置设置为工作位置，焦点处能量密度最大，通过焦点处的高激光能量密度，能提高激光焊接时的光热转换效率。

步骤S142：用第一预设功率和第一预设频率对铍窗组件沿着预设焊接扫描第一预设次数。

具体的说，首先进行激光预热环节，以对铍片进行预热，防止铍片因温度梯度变化过快，导致铍片裂开。可选的，第一预设功率≤10W，第一预设频率≥500kHz，第一预设次数为5次。

步骤S143：用第二预设功率和第二预设频率对铍窗组件沿着预设焊接扫描第二预设次数。

具体的说，第二预设功率大于第一预设功率，第二预设频率大于第一预设频率，第二预设次数大于第一预设次数。可选的，第二预设功率≥30W，第二预设频率≤300kHz，第二预设次数为15次。

可选的，在步骤S143中要保证激光焊接时聚焦光斑重叠率＞90％，其中，聚焦光斑重叠率＝[1-扫描速度/(聚焦光斑直径*激光重复频率)]*100％，聚焦光斑直径是通过实际测量焊接参数下的划线宽度获得。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种铍窗组件焊接装置，所述铍窗组件包括铍片和两个不锈钢片，所述铍片夹持于两个所述不锈钢片之间，其特征在于，包括激光器、控制器、入射光模组、振镜扫描模组、出射光模组、密封箱、氩气瓶、进气管和工作台；所述工作台的台面上设置有固定夹具，所述固定夹具用于固定铍窗组件，所述工作台设置于所述密封箱内，所述密封箱与所述固定夹具对应的部分呈透光设置，所述氩气瓶位于所述密封箱外，所述进气管的一端与所述氩气瓶连通，所述进气管的另一端伸入所述密封箱内，位于所述工作台上方，所述进气管的吹气方向对准所述铍窗组件需焊接的区域，用于向铍窗组件吹气；所述激光器、所述入射光模组、所述振镜扫描模组、所述出射光模组和所述固定夹具依次布置于所述铍窗组件焊接装置的光轴上；所述入射光模组用于调整射向所述振镜扫描模组的激光，所述振镜扫描模组用于控制焊接速度和光斑重叠率；所述出射光模组用于汇聚射向所述固定夹具的激光；所述控制器电性连接所述激光器和所述振镜扫描模组；

所述激光器为皮秒激光器，所述皮秒激光器的波长为1064nm，脉宽小于15ps，重复频率为50kHz~1000kHz，功率为30w；

所述入射光模组包括扩束镜组和光束整形模块；所述扩束镜组和所述光束整形模块在从所述激光器到所述振镜扫描模组的方向上依次布置于所述铍窗组件焊接装置的光轴上，所述光束整形模块用于将圆形高斯光束整形为圆形平顶光束。

2.根据权利要求1所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述出射光模组包括平场聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述铍窗组件焊接装置还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；所述铍窗组件焊接装置的光轴包括第一光轴、第二光轴、第三光轴、第四光轴和第五光轴；所述激光器位于所述第一光轴上，所述第一反射镜被设置为将激光从所述第一光轴转向到所述第二光轴；所述入射光模组位于所述第二光轴上，所述第二反射镜被设置为将激光从所述第二光轴转向到所述第三光轴；所述第三反射镜被设置为将激光从所述第三光轴转向到所述第四光轴，所述振镜扫描模组被设置为将激光从所述第四光轴转向到所述第五光轴；所述出射光模组和所述固定夹具均位于所述第五光轴上。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述密封箱为亚克力玻璃密封箱。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述密封箱内设置有氧浓度计。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述铍窗组件焊接装置还包括废气收集器和排气管，所述废气收集器位于所述密封箱外，所述排气管的两端分别连通所述废气收集器和所述密封箱。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，所述固定夹具设置有与铍窗组件形状相适配的凹槽，用于将铍窗组件放置于所述凹槽处。

8.一种铍窗组件焊接方法，使用如权利要求1-7任意一项所述的铍窗组件焊接装置，其特征在于，包括：

S110，清洁铍窗组件和固定夹具；

S120，使用固定夹具压合铍窗组件；

S130，将密封箱内充满氩气；

S140，启动激光器，并通过振镜扫描模组引导激光沿着预设焊接轨迹对所述铍窗组件进行焊接；

其中，对所述铍窗组件进行焊接通过以下步骤实现：

S141，确定预设焊接轨迹；

S142，用第一预设功率和第一预设频率对铍窗组件沿所述预设焊接轨迹扫描第一预设次数，所述第一预设功率≤10W，所述第一预设频率≥500 kHz，所述第一预设次数为5次；

S143，用第二预设功率和第二预设频率对所述铍窗组件沿着所述预设焊接轨迹扫描第二预设次数，所述第二预设功率大于所述第一预设功率，所述第二预设频率大于所述第一预设频率，所述第二预设次数大于所述第一预设次数。

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