CN112638572A - 用于激光加工头的气体保护装置 - Google Patents

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Abstract

气体保护装置可以与诸如焊接头的激光加工头一起使用，以在较大的气体保护区域上扩散和分配保护气体，以用于保护更大的金属区域。气体保护装置可以耦接到激光加工头以与激光光束一起移动，并且可以同轴地布置以在所有的焊接方向上提供更大的保护效果。气体保护装置特别适用于焊接钛或其它极易与空气中的气体反应的金属和/或特别适用于较大的焊接区域(例如，在激光光束颤动的情况下)。

Description

用于激光加工头的气体保护装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月30日提交的名称为与激光加工头一起使用的气体保护装置的序列号为No.62/725,028的美国临时申请的优先权，该美国临时申请在此通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及激光加工，并且更具体地，涉及一种与激光加工头一起使用的气体保护装置。
背景技术
诸如光纤激光器的激光器通常用于诸如焊接的材料加工应用。传统的激光焊接头包括用于准直激光的准直器和用于将激光聚焦到待焊接的目标区域的聚焦透镜。光束可以以各种图案移动以利于焊接两个结构，例如，使用近场扫描或“颤动器”技术来移动。可以使用各种技术来移动光束，包括，使用旋转棱镜光学器件来旋转光束以形成旋转图案或螺旋图案，以及在X-Y平台上枢转或移动整个焊接头以形成锯齿形图案。用于使光束更快速且更精确地移动的其它技术包括，例如，使用能够移动的镜体来提供光束的颤动图案，如美国专利申请公开文本No.2016/0368089和国际公开文本WO 2017/139769中更详细地公开的那样，它们被共同地拥有并通过引用全部并入本文。
在激光焊接期间通常使用保护气体，例如惰性气体或半惰性气体，以保护焊接区域免受诸如氧气和水蒸气的大气气体的影响和/或抑制焊接羽流(weld plume)。例如，如图15所示，传统的气体保护使用单个喷嘴以将气流施加到激光焊接区域。如图16所示，同轴的喷嘴可以作为附件附接到焊接头，以向焊接部位提供保护气体。这样的保护可能是不充分的，因为图15中的喷嘴与激光焊接头是分开的，并且因为在图15和图16中的喷嘴可能无法提供足够大的保护效果。
例如，当使激光光束进行扫描以提供颤动图案或用于某些焊接应用时，可能需要更大的保护效果。例如，当焊接像铝、铜和钛的合金时，需要更好的保护，因为这些合金很容易与氧气、氮气和二氧化碳反应。如果这些熔融金属没有得到足够的隔离空气的保护，则焊接可能会导致脆性结构，脆性结构会降低焊接接头的机械性能，并可能导致接缝中的变色。尤其是钛与空气中的气体极易反应，并且在温度高于350℃时应加以保护。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种与激光加工头一起使用的气体保护装置。气体保护装置包括颈部，该颈部限定从颈部的第一端延伸至第二端的中心孔口。中心孔口被配置成接收从第一端穿过第二端到达工件的激光光束。保护板在第二端附近耦接至颈部，使得颈部从保护板的第一侧延伸，并且保护板围绕中心孔口周向地延伸。保护板在保护板的第二侧上包括多个气体出口，多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并且被配置成在多个位置处沿朝向工件的表面的方向引导气流。
根据本发明的另一方面，一种被保护的激光焊接头，包括：被配置成待耦接到光纤激光器的输出光纤并且被配置成仅在有限的视场内移动激光光束的扫描激光焊接头装置，以及与激光焊接头装置耦接的气体保护装置。所述气体保护装置包括颈部，所述颈部限定从所述颈部的第一端延伸到第二端的中心孔口。所述中心孔口被配置成接收从所述第一端穿过所述第二端到达工件的移动的激光光束。所述保护板被耦接到所述颈部，使得所述颈部从所述保护板的第一侧延伸，并且所述保护板围绕所述中心孔口周向地延伸。所述保护板在与所述第一侧相反的第二侧上包括多个气体出口，其中，所述多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并且被配置成在多个位置处在朝向所述工件的表面的方向上引导气流。
根据本发明的另一方面，一种激光焊接系统，包括：包括输出光纤的光纤激光器，被耦接到所述光纤激光器的所述输出光纤并被配置成仅在有限的视场内移动激光光束扫描激光焊接头，以及与激光焊接头耦接的气体保护装置。所述气体保护装置包括颈部，所述颈部限定从所述颈部的第一端延伸到第二端的中心孔口。所述中心孔口被配置成接收从所述第一端穿过所述第二端到达工件的移动的激光光束。保护板被耦接到所述颈部，使得所述颈部从所述保护板的第一侧延伸，并且所述保护板围绕所述中心孔口周向地延伸。所述保护板在与所述第一侧相反的第二侧上包括多个气体出口。所述多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并被配置成在多个位置处在朝向所述工件的表面的方向上引导气流。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细说明，将会更好地理解这些特征和优点以及其它特征和优点，其中：
图1是根据本发明的实施例的系统的示意性框图，所述系统包括具有气体保护装置的激光焊接头。
图2是根据本发明的实施例的聚焦的激光光束的示意图，所述聚焦的激光光束具有相对较小的移动范围，所述激光光束的相对较小的移动范围由用于颤动(wobbling)目的双镜体提供。
图3A至图3D是示出根据本发明的实施例的不同的颤动图案(wobble pattems)的示意图，所述不同的颤动图案能够由包括用于光束移动的双镜体的焊接头产生。
图4和图5是激光焊接头的示例性实施例的透视图，所述激光焊接头具有组装在一起的准直器模块、颤动器(wobbler)模块和芯块(core block)模块并发射聚焦的光束。
图6是根据本发明的实施例的气体保护装置的仰视透视图。
图7是图6所示的气体保护装置的侧视图。
图8是图6所示的气体保护装置的仰视图。
图9是图6所示的气体保护装置的俯视透视图。
图10是图6所示的气体保护装置的剖视透视图。
图11是图6所示的气体保护装置的剖视侧视图。
图12A和图12B是示出根据本发明的实施例的耦接到气体分配管的气体保护装置的俯视透视图和仰视透视图的图片。
图13A和图13B是示出根据本发明的另一实施例的耦接到气体分配管的气体保护装置的俯视透视图和仰视透视图的图片。
图14是图13A和图13B所示的气体保护装置的侧视透视图。
图15是使用单个喷嘴的常规气体保护装置的示意图。
图16是用于将保护气体同轴地传送到焊接部位的常规同轴喷嘴的透视图。
具体实施方式
根据本公开的实施例，气体保护装置(gas shielding device)可以与诸如焊接头的激光加工头一起使用，以在较大的气体保护区域上扩散和分配保护气体，以保护金属的较大区域。所述气体保护装置可以耦接到激光加工头以与激光光束一起移动，并且可以被同轴地布置以在焊接的所有方向上提供更大的保护效果。所述气体保护装置对于焊接钛或其它极易与空气中的气体反应的金属和/或对于较大的焊接区域(例如，在激光光束颤动的情况下)是特别有用的。
在一些实施例中，气体保护装置可以与带有能够移动的镜体(movable mirrors)的激光焊接头一起使用，该激光焊接头执行焊接操作，例如以颤动图案执行焊接操作。能够移动的镜体在一个相对较小的视场内提供一个或多个光束的颤动运动，该相对较小的视场例如由1-2°的扫描角度所限定。所述能够移动的镜体可以是电流计镜/振镜(galvanometermirrors)，所述电流计镜能够由包括电流计控制器(galvo controller)的控制系统来控制。该控制系统还可以用于控制光纤激光器，所述控制例如响应于光束相对于工件的位置和/或焊接头中被感测到的状况(所述状况诸如靠近镜体中的某个镜体的热状况)。
参照图1，激光焊接系统100包括激光焊接头110和气体保护装置150，该激光焊接头110(例如，通过连接器111a)耦接至光纤激光器112的输出光纤111，以用于将激光光束118传送至工件102，气体保护装置150通过至少一个气体分配管152耦接到气源151。气体保护装置150可以大体上与激光光束118同轴，以在围绕激光光束118并遍及整个焊接区域扩散和分配保护气体153的同时允许将激光光束118通到工件102，如下面更详细地描述的那样。保护气体153可以包括在焊接或激光加工中使用的任何保护气体，例如惰性气体和半惰性气体。
激光焊接头110可以被用于在工件102上执行焊接，例如通过对接缝104进行焊接来形成焊道106(weld bead)。激光焊接头110和/或工件102可以沿接缝104的方向相对于彼此移动。激光焊接头110可以位于运动台114上，以使焊接头110相对于工件102沿至少一个轴线移动，例如沿接缝104的长度移动。附加地或替代地，工件102可以位于运动台108上，以使工件102相对于激光焊接头110移动。
光纤激光器112可以包括能够在近红外光谱范围(例如1060-1080nm)内产生激光的镱光纤激光器。镱光纤激光器可以是单模式(single mode)或多模式(multi-mode)连续波(continuous wave)镱光纤激光器，该镱光纤激光器在一些实施例中能够产生高达1kW的功率的激光光束，并且在其它实施例中能够产生高达50kW的更高功率。光纤激光器112的示例包括能够从IPG光子公司(IPG Photonics Corporation)获得的YLR SM系列激光器或YLRHP系列激光器。光纤激光器112还可包括多光束光纤激光器，例如于2015年8月13日提交的名称为多光束光纤激光器系统的国际申请No.PCT/US2015/45037中所公开的类型，该多光束光纤激光器系统能够通过多个光纤选择性地传送一个或多个激光光束。
激光焊接头110通常包括用于对来自输出光纤111的激光光束进行准直的准直器122、用于反射和移动经准直的光束116的至少第一和第二能够移动的镜体132、134以及用于聚焦并将经聚焦的光束118传送到工件102的聚焦透镜142(lens)。在所示的实施例中，固定的镜体144也用于将经准直的激光光束116从第二能够移动的镜体134引导至聚焦透镜142。准直器122、能够移动的镜体132、134，以及聚焦透镜142和固定的镜体144可以被设置在能够被耦接在一起的单独的模块120、130、140中，如下文更详细地描述的那样。激光焊接头110也可以配置成不具有固定的镜体144，例如，如果镜体132、134被布置成使得光从第二镜体134朝向聚焦透镜142反射的话。
能够移动的镜体132、134能够绕不同的轴线131、133枢转，以使经准直的光束116移动，从而使聚焦的光束118相对于工件102在至少两个不同的垂直轴线2、4上移动。能够移动的镜体132、134可以是能够由电流计马达(galvo motors)移动的电流计镜(galvanometer mirrors)，其能够快速地反转方向。在其它实施例中，可以使用诸如步进电机的其它机构来移动镜体。在激光焊接头110中使用能够移动的镜体132、134允许在不必移动整个焊接头110并且不使用旋转棱镜的情况下，激光光束118被精确、可控且快速地移动以用于光束颤动的目的。
在焊接头110的一个实施例中，如图2所示，能够移动的镜体132、134通过在小于10°的扫描角α内、更具体地在约为1-2°的扫描角α内枢转光束118，来使光束118仅在相对较小的视场内(例如，小于30x30mm)移动，从而允许光束进行颤动。与之形成比对的是，常规的激光扫描头通常在更大的视场内(例如，大于50x50mm并像250x250mm这么大)提供激光光束的移动，并且被设计成适应更大的视场和扫描角度。因此，使用能够移动的镜体132、134在激光焊接头110中仅提供相对较小的视场是与直觉相悖的，并且与使用电流计扫描器(galvo scanners)时提供较宽的视场的传统洞见背道而驰。当在焊接头110中使用电流计镜(galvo mirrors)时，限制视场和扫描角度例如通过允许更快的速度、允许使用价格较低的部件(例如透镜)，并且允许使用附件(例如气刀和/或气体辅助配件)而提供了优势。
由于在焊接头110的示例性实施例中的较小的视场和扫描角度，第二镜体134的尺寸可以与第一镜体132基本上相同。与之形成比对的是，常规的电流计扫描器通常使用较大的第二镜体来提供更大的视场和扫描角度，并且更大的第二镜体会限制至少一个轴线上的移动速度。因此，与提供较大扫描角的常规电流计扫描器中的较大的镜体相比，焊接头110中较小尺寸的第二镜体134(例如，与第一镜体132的尺寸大致相同)使得镜体134能够以更快的速度移动。
聚焦透镜142可以包括已知被用于激光焊接头并且具有例如在100mm至1000mm范围内的各种焦距的聚焦透镜。常规的激光扫描头使用多元件扫描透镜(所述多元件扫描透镜诸如是Fθ透镜(F theta lens)、场平透镜(field flattening lens)或远心透镜(telecentric lens))，其具有更大的直径(例如，用于直径33mm的光束的直径300mm的透镜)以在较大的视场内聚焦光束，多元件扫描透镜是。因为能够移动的镜体132、134在相对小的视场内移动光束，所以不需要并且不使用较大的多元件扫描透镜(例如，Fθ透镜)。在根据本发明的焊接头110的一个示例性实施例中，直径50mm的平凸(plano convex)F300聚焦透镜可以用来聚焦具有约40mm的直径的光束以在约15×5mm的视场内运动。较小的聚焦透镜142的使用还允许在焊接头110的端部使用附加的附件，所述附件诸如是气刀(airknife)和/或气体辅助附件(gas assist accessories)。常规的激光扫描头所需的较大的扫描透镜限制了这种配件的使用。
其它光学部件也可以被用在激光焊接头110中，所述其它光学部件诸如是分束器，所述分束器用于分离激光光束以提供至少两个用于焊接的光斑(例如，在焊接件的每一侧)。附加的光学部件也可以包括衍射光学器件，并且可以位于准直器122和镜体132、134之间。
可以在透镜142的前面提供保护窗146，以保护透镜和其它光学器件免受焊接过程中产生的碎屑的影响。保护窗146也可以被集成到气体保护装置150中或由气体保护装置150代替。具有能够移动的镜体的激光焊接头110能够与诸如气体保护装置150的焊接头附件和其它现有的激光焊接附件一起使用。
激光焊接系统100的所示的实施例还包括诸如相机的检测器(未示出)，以用于例如在光束118之前的位置处检测和定位接缝104。相机/检测器可以位于焊接头110的一侧处，或者可以被引导通过焊接头110以检测和定位接缝104。附加的光源(未示出)可以与相机一起使用，因为由于被气体保护装置150所遮蔽这可能是需要的。
激光焊接系统100的所示的实施例还包括用于控制光纤激光器112、能够移动的镜体132、134的定位和/或运动台108、114的控制系统160，所述控制例如是响应于所感应到的焊接头110中的状况、所检测到的接缝104的位置和/或激光光束118的移动和/或位置。激光焊接头110可以包括传感器，诸如第一、第二热传感器162、164，第一、第二热传感器162、164靠近相应的第一、第二能够移动的镜体132、134的以感测热状况。控制系统160电连接到传感器162、164，以用于接收数据以监测能够移动的镜体132、134附近的热状况。控制系统160还可以通过从相机/检测器(未示出)接收数据(例如，代表所检测到的接缝104的位置的数据)来监测焊接操作。
控制系统160可以例如通过关断激光器、改变激光器参数(例如，激光器功率)或调节任何其它能够调节的激光器参数来控制光纤激光器112。控制系统160可以响应于所感测到的激光焊接头110中的状况使光纤激光器112关断。所感测到的状况可以是热状况，所述热状况由传感器162、164中的一个或两者感测到并表示导致高温的镜体故障或由大功率激光器引起的其它状况。
控制系统160可以通过触发安全互锁(safety interlock)来使光纤激光器112关断。在输出光纤111和准直器122之间配置有安全互锁，使得当输出光纤111被从准直器122断开连接时，安全互锁条件被触发并且激光器被关断。在所示的实施例中，激光焊接头110包括将安全互锁特征延伸到能够移动的镜体132、134的互锁路径166。互锁路径166在输出光纤111和控制系统160之间延伸，以允许控制系统160响应于在激光焊接头110中所检测到的潜在的危险状况对安全互锁条件进行触发。在该实施例中，控制系统160可以响应于由传感器162、164中的一个或两个传感器检测到的预定的热状况，经由互锁路径166使得安全互锁条件被触发。
控制系统160还可以响应于光束118的移动或位置来控制激光器参数(例如，激光功率)，而不关断激光器112。如果能够移动的镜体132、134中的一个镜体将光束118移动超出范围或移动得太慢，则控制系统160可以降低激光器功率以动态地控制光斑的能量，以避免由激光引起的损害。控制系统160可以进一步控制多光束光纤激光器中的激光光束的选择。
控制系统160还可以响应于来自相机/检测器的所检测到的接缝104的位置来控制能够移动的镜体132、134的定位，例如，以校正聚焦光束118的位置以寻找、跟踪和/或跟随接缝104。通过使用来自相机/检测器的数据识别接缝104的位置，然后移动镜体132、134中的一个或两者直到光束118与接缝104重合，控制系统160可以找到接缝104。通过移动镜体132、134中的一个或两个镜体以连续地调节或校正光束118的位置，以在光束118沿着接缝移动以执行焊接时使得光束与接缝104重合，控制系统160可以跟随接缝104。控制系统160还可以控制能够移动的镜体132、134中的一个或两个镜体，以在焊接期间提供颤动运动，如下面更详细地描述的那样。
因此，控制系统160包括一起工作的激光控制和镜体控制两者，以一起控制激光和镜体两者。控制系统160可以包括例如已知的用于控制光纤激光器和电流计镜(galvomirrors)的硬件(例如，通用计算机)和软件。例如，可以使用并修改现有的电流计(galvo)控制软件，以允许电流计镜被如本文所述的那样控制。例如，控制系统160可以进一步控制气源151，以控制通过气体分配管152传送到气体保护装置150的保护气体的压力。
图3A至图3D示出颤动图案的示例，所述颤动图案的示例可以用于执行接缝304的搅动焊接(stir welding)。如本文中所使用的，“颤动”是指激光光束的往复运动(例如，在两个轴线上)并且在由小于10°的扫描角度所限定的相对较小的视场内。图3A和图3B分别示出沿着接缝304顺序形成的圆形图案和图形8图案。图3C和图3D分别示出沿接缝304形成的锯齿形图案和波浪形图案。尽管示出了某些颤动图案，但是其它颤动图案也在本发明的范围内。在激光焊接头110中使用能够移动的镜体的一个优点是能够根据各种不同的颤动图案来移动光束。
图4和图5更详细地示出扫描激光焊接头410的示例性实施例。尽管示出一个具体实施例，但是本文描述的激光焊接头以及系统和方法的其它实施例也在本发明的范围内。如图4所示，激光焊接头410包括准直器模块420、颤动器模块430和芯块模块440。颤动器模块430包括如上所述的第一镜体和第二能够移动的镜体，并且该颤动器模块被耦接在准直器模块420和芯块模块440之间。
准直器模块420可以包括准直器(未示出)，所述准直器具有一对固定的准直器透镜，诸如已知的被用于激光焊接头中的类型那样。在其它实施例中，准直器可以包括能够调整光斑尺寸和/或焦点的其它透镜配置，例如能够移动的透镜。颤动器模块430可以包括第一和第二电流计(galvanometers)(未示出)，用于使电流计镜(galvo mirrors)(未示出)围绕不同的垂直轴线移动。可以使用已知的被用于激光扫描头的电流计。电流计可以连接到电流计控制器(galvo controller)(未示出)。电流计控制器可以包括用于控制电流计的硬件和/或软件以控制镜体的移动并进而控制激光光束的移动和/或定位。可以使用已知的电流计镜(galvo mirrors)控制软件，并且可以对其进行修改以提供本文所述的功能，例如，接缝寻找、颤动器图案生成以及与激光器的通信。芯块模块440可以包括固定的镜体(未示出)，该固定的镜体将从颤动器模块430接收的光束重定向到聚焦透镜，并且然后重定向到工件。
图4和图5示出了被组装的激光焊接头410，其中模块420、430、440中的每一个模块被耦接在一起并发射聚焦光束418。耦接到准直器模块420中的激光光束被准直，并且被准直的光束被引导到颤动器模块430。颤动器模块430使用镜体移动被准直的光束，并将移动的被准直的光束引导到芯块模块440。然后，芯块模块440聚焦移动的光束，并且被聚焦的光束418被引导到工件(未示出)。
参照图6至图12，气体保护装置600的示例性实施例被更详细地示出和描述。气体保护装置600的该实施例包括颈部610和气体保护板620，该颈部用于通过扫描激光光束(例如，如上所述)到工件，该气体保护板耦接到该颈部610，以用于将保护气体扩散并分配到焊接区域中的工件。颈部610限定中心孔口612，该中心孔口从第一端611延伸到第二端613，并且颈部610被配置成允许扫描激光光束被引导穿过保护板620到达保护板620的相反侧上的工件。保护板620在第二端613附近耦接到颈部610，并且围绕中心孔口612周向地延伸，使得保护板620与接收扫描激光光束的中心孔口612同轴。颈部610中的中心孔口612可具有在约10-60mm范围内的直径。
在该实施例中，保护板620包括在第一表面621上的一个或多个气体入口622和在第二表面623上的多个气体出口624，第二表面623与第一表面621相反并且在使用期间正对工件。保护板620限定气体扩散区域626，该气体扩散区域626将气体入口622流体地耦接到多个气体出口624。在一个实施例中，气体扩散区域626可以包括多孔材料(例如能够从3M获得的名称为“Scotch-BriteTM通用冲刷垫(Scour Pads)”的非织造垫)，或能够提供从气体出口624的层流分布的任何其它扩散器材料。
如图11中的箭头所示，保护气体通过气体入口622进入到气体扩散区域626中，然后离开气体出口624朝向工件602，例如沿大致垂直于工件602的表面的方向。这样，保护板620和气体出口624被设计和配置成扩散保护气体并在加工或焊接区域中提供保护气体的层流(laminar flow)。
如所示的实施例中所示，气体出口624可以在保护板620的第二侧623的大部分上分布，以在至少包括激光光束的扫描区域以及加工或焊接区域的相对较宽的区域上分配保护气体。保护板620的示例可以具有大约100mm至150mm范围内的直径，并且直径更具体地为大约100mm、大约125mm或大约150mm。尽管保护板620被示出为圆盘，但是也可以考虑其它形状，所述其它形状包括但不限于多边形形状和长方形/长椭形形状。提供同轴的配置可以在焊接区域处在相对于激光光束的任何方向上实现良好的保护。
气体出口624中的每一个均可以是相对较小的孔或开口，例如，具有在大约0.2-5.0mm范围内的直径的孔或开口。气体出口624以图案的方式分布在保护板620的第二侧623上，以提供足够的扩散以便产生保护气体的层流。在所示的实施例中，图案包括布置在从保护板620的中心部分(例如，中心孔口612附近)延伸到保护板620的外部部分的线条中的气体出口624。气体出口624的其它图案也被考虑了，所述其它图案包括但不限于同心圆和径向线。气体出口624也可以基本上均匀地分布在气体保护板620的第二表面623上。
尽管示出的实施例示出了围绕保护板620的第一表面621基本均匀地分配的四(4)个气体入口622，但是可以想到气体入口622的其它数量和位置。在其它实施例中，气体入口622也可以位于其它位置中，例如位于颈部610上。气体入口622可以耦接至气体管630，例如，如图12A和图12B所示。气体入口和气体出口的大小、数量和位置以及气体压力可以被改变以提供所期望的层流。如图12B所示，限定中心孔口612的底部颈部部分616可以延伸超过保护板620。
气体保护装置600可以耦接到本文所述的扫描激光焊接头400或任何其它激光焊接头或激光加工头。气体保护装置600的该实施例可以与激光加工头同轴地耦接。气体保护装置600可以使用耦接机构650同轴地耦接至激光加工头，所述耦接机构650类似于与现有的同轴喷嘴一起使用的耦接机构，例如，如图16所示。通过将气体保护装置600耦接到激光加工头，气体保护装置600和较大的保护效果与扫描激光光束一起移动，并且避免了对两个分开的装置进行控制的需要。
气体保护装置的另一实施例1300在图13A、图13B和图14中示出。在该实施例中，气体保护装置1300包括气体保护板1320和颈部1310，该颈部1310包括一个或多个冷却通道以提供水(或其它液体)冷却功能，该冷却功能允许连续操作而不会过热。一个或多个冷却入口/出口1340耦接到颈部1310的顶部部分1318，以允许水或其它冷却液进入和离开冷却通道。在该实施例中，类似于上述实施例，颈部1310限定中心孔口1312，并且气体保护板1320限定多个气体出口1324。
在气体保护装置的该实施例1300中，气体入口1322也位于颈部1310的顶部部分1318上，并且气体通道穿过颈部延伸到保护板1320的底部上的气体出口1324。如上所述，耦接机构1350可用于将颈部1310的顶部部分1318耦接至焊接头。底部颈部部分1316也限定中心孔口1312，并且从保护板1320的底部延伸。
为了容纳冷却通道和气体通道，气体保护装置1300的颈部1310具有比上述实施例大的直径。在一个示例中，颈部1310具有大约76.2mm的直径，保护板1320具有大约128mm的直径，颈部1310的顶部部分1318具有大约95mm的直径，耦接机构1350具有大约39.5mm的直径，并且底部颈部部分1316具有大约42mm的直径。在该实施例中，颈部1310可以包括外管和内管(未示出)，冷却通道和气体通道位于外管和内管之间。内管可以由不锈钢制成(即，与铝相对的)。
因此，根据本文公开的实施例，气体保护装置在围绕激光加工区域的较宽的区域上提供有效的气体保护，这对于对氧气或氮气敏感或与氧气或氮气反应的材料的颤动焊接应用特别有利。
尽管已经在本文中描述了本发明的原理，但是本领域技术人员应当理解，该描述仅通过示例的方式进行，并且不作为对本发明的范围的限制。除了本文中示出的和描述的示例性实施例外，其它实施例也在本发明的范围内。由本领域的一般技术人员进行的修改和替换被认为处于本发明的范围内，本发明的范围仅由以下权利要求来限制。

Claims (22)

1.一种与激光加工头一起使用的气体保护装置，所述气体保护装置包括：
颈部，所述颈部限定从所述颈部的第一端延伸到第二端的中心孔口，其中，所述中心孔口被配置成接收从所述第一端穿过所述第二端到达工件的激光光束；以及
保护板，所述保护板在所述第二端附近耦接至所述颈部，使得所述颈部从所述保护板的第一侧延伸，并且所述保护板围绕所述中心孔口周向地延伸，所述保护板在所述保护板的第二侧上包括多个气体出口，其中，所述多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并且被配置成在多个位置处在朝向所述工件的表面的方向上引导气流。
2.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述至少一个气体入口位于所述保护板的所述第一侧。
3.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述至少一个气体入口位于所述颈部的顶部部分上。
4.根据权利要求1所述的气体保护装置，还包括耦接到所述至少一个气体入口的至少一个气体分配管，所述至少一个气体分配管用于将保护气体分配到所述第二侧上的所述多个气体出口。
5.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述颈部包括至少一个冷却通道和耦接至所述冷却通道的至少一个冷却入口/出口，以允许冷却液流过所述冷却通道。
6.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述保护板是圆形形状的。
7.根据权利要求6所述的气体保护装置，其中，所述保护板具有在100mm至150mm范围内的直径。
8.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述保护板与所述颈部和所述中心孔口同轴。
9.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述颈部在所述颈部的第一端处包括用于耦接至激光加工头的加工头耦接机构。
10.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述多个气体出口沿着从所述保护板的中心部分向外延伸到所述保护板的外部部分的线条形成。
11.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述多个气体出口被布置成提供气体的层流，所述气体的层流围绕穿过所述保护板到达所述工件的移动的激光光束。
12.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述中心孔口具有在10-60mm范围内的直径。
13.根据权利要求1所述的气体保护装置，其中，所述保护板在所述至少一个气体入口和所述气体出口之间包括多孔材料。
14.一种被保护的激光焊接头，包括：
扫描激光焊接头装置，所述扫描激光焊接头装置被配置成待耦接到光纤激光器的输出光纤，并且被配置成仅在有限的视场内移动激光光束；以及
与激光焊接头装置耦接的气体保护装置，所述气体保护装置包括：
颈部，所述颈部限定从所述颈部的第一端延伸到第二端的中心孔口，其中，所述中心孔口被配置成接收从所述第一端穿过所述第二端到达工件的移动的激光光束；以及
保护板，所述保护板被耦接到所述颈部，使得所述颈部从所述保护板的第一侧延伸，并且所述保护板围绕所述中心孔口周向地延伸，所述保护板在与所述第一侧相反的第二侧上包括多个气体出口，其中，所述多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并且被配置成在多个位置处在朝向所述工件的表面的方向上引导气流。
15.根据权利要求14所述的激光焊接头，其中，所述有限的视场由大约1-2°的扫描角所限定。
16.根据权利要求14所述的激光焊接头，其中，所述激光焊接头装置包括：
准直器；
至少第一和第二能够移动的镜体，所述至少第一和第二能够移动的镜体被配置成接收来自准直器的经准直的激光光束并在有限的视场内在第一轴线和第二轴线中移动所述光束；以及
聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置成在所述光束被移动的同时相对于所述工件聚焦所述激光光束。
17.根据权利要求16所述的激光焊接头，其中，所述能够移动的镜体是电流计镜。
18.根据权利要求16所述的激光焊接头，其中，所述能够移动的镜体被配置成仅在有限的视场内移动所述经准直的激光光束，所述有限的视场具有小于30×30mm的尺寸。
19.一种激光焊接系统，包括：
包括输出光纤的光纤激光器；
扫描激光焊接头，所述扫描激光焊接头被耦接到所述光纤激光器的所述输出光纤，并被配置成仅在有限的视场内移动激光光束；
与激光焊接头耦接的气体保护装置，所述气体保护装置包括：
颈部，所述颈部限定从所述颈部的第一端延伸到第二端的中心孔口，其中，所述中心孔口被配置成接收从所述第一端穿过所述第二端到达工件的移动的激光光束；以及
保护板，所述保护板被耦接到所述颈部，使得所述颈部从所述保护板的第一侧延伸，并且所述保护板围绕所述中心孔口周向地延伸，所述保护板在与所述第一侧相反的第二侧上包括多个气体出口，其中，所述多个气体出口流体地耦接到至少一个气体入口并被配置成在多个位置处在朝向所述工件的表面的方向上引导气流；以及
控制系统，所述控制系统用于至少控制所述光纤激光器和所述镜体的位置。
20.根据权利要求19所述的激光焊接系统，其中，所述光纤激光器包括镱光纤激光器。
21.根据权利要求19所述的激光焊接系统，其中，所述光纤激光器包括用于传送多个激光光束的多个输出光纤。
22.根据权利要求19所述的激光焊接系统，其中，所述控制系统被配置成控制所述移动的激光光束在所述有限的视场内的移动以提供颤动图案。
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