CN1171698C

CN1171698C - 激光焊接装置和用于激光焊接的气体屏蔽装置

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Publication number: CN1171698C
Application number: CNB011179104A
Authority: CN
Inventors: ��һ; 武笠幸一; 池田正幸; 末冈和久; 上田映介; ÷; 上远野久夫; 武藤征一
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: US6545247B2; EP1206998A2; JP2001321976A; JP3385363B2; US20020003133A1; CN1345647A; EP1206998A3; HK1044503B; HK1044503A1; KR20010104235A; KR100448333B1

Abstract

一种激光焊接装置包括激光焊头和激光焊头位置控制装置。所述激光焊头包括激光照射本体，其具有惰性气体喷嘴，用于向要被焊接的部分喷射惰性气体，还具有在所述惰性气体喷嘴的外侧的至少一个屏蔽气体喷嘴，用于向焊接部分的周围区域喷射屏蔽气体，以及多个半导体激光器，用于振荡用于测量要被焊接的部件的焊接状态的多个直线激光束。所述激光焊头位置控制装置包括成像装置，所述成像装置中具有带通滤波器。

Description

激光焊接装置和用于激光焊接的气体屏蔽装置

技术领域

本发明涉及激光焊接装置，气体屏蔽装置和用于控制激光焊接装置的方法。

背景技术

激光焊接技术使用具有10⁵-10⁶W/cm²的高能量密度的激光束，这等于电子束的能量密度。因为激光焊接技术还使用快速加热处理，因而，和其它的焊接技术相比，只需要1/10的功率被输入到要被焊接的部件中，其不会使部件发生热变形，并且几乎永远不会使部件受到热影响。因此，激光焊接技术可以在大气中以高的速度精确地焊接由金属材料制成的部件。具体地说，在使用YAG激光的激光技术中，因为YAG激光束被以高的程度被吸收进入要被焊接的部件中，所以所述部件可以被高效率地焊接。并且，因为激光束可以通过光纤传输，所以YAG激光焊接技术在其焊接位置和焊接结构方面具有大的自由度。由上述的优点看来，激光焊接技术被认为是一种有前途的用于制造精密的结构物体的焊接技术。

然而，虽然激光技术具有上述的优点，但是，迄今为止，由于下述原因，激光技术几乎根本不适用于制造结构物体：

首先，和使用螺栓和螺母的机械连接技术相比，激光焊接技术通过焊接可以制造小的结构物体，因而提高制造效率，但是其具有复杂的焊接处理现象，因此难于借助于视觉检查判断激光焊接技术的焊接质量，因此，需要使用各种设备进行非破坏性或破坏性试验，并且有时需要进行耐用性评价或者环境耐受性评价。结果，激光焊接技术在评价焊接质量时需要大量时间。

此外，在激光焊接技术中，因为使用具有不大于1mm的光点直径的激光束，所以焊珠的宽度非常小。因此，要被焊接的部件之间的间距必须被高度精确地控制。此外，因为焊接质量可以受要被焊接的部件的尺寸的波动和焊接处理条件的微小的差别的影响，所以部件的尺寸和焊接处理条件必须被严密地监视。此外，在激光焊接技术中，因为要被使用的激光束具有小的光点尺寸，它们必须高度精确地沿着焊缝移动，因而，激光束的位置必须被高度精确地控制和确定。从激光束位置的精确控制和确定方面看来，尝试精确地制造构成激光焊接装置的零件，并在激光焊接装置上提供夹具。此外，还尝试利用检测器对焊接位置进行反馈控制。然而，上述装置需要高的成本，因而不能普遍采用。

此外，虽然在激光焊接技术中，可以在大气中进行焊接处理，这在电子束焊接技术中是不可能的，但是大气焊接可能在由金属材料制成的要被焊接的部件的焊接部分通过氧化形成氧化膜和离析化合物。因此，如果通过上述的大气焊接处理制造超真空设备，例如用于观察磁膜中的钠米数量级的磁状态的扫描电子显微镜或旋转电子显微镜，可能从氧化膜中发出各种气体，和在设备的焊接部分形成的离析化合物，因而使设备的可靠性变劣。因而，需要抑制氧化膜的形成并把离析化合物减到最小。

按照常规，为了阻止氧化膜和离析化合物的形成要被焊接的每个部分被设置在钢制的壳体中，然后，把钢制壳体抽空，在具有抗氧化物屏蔽气体的环境中进行激光焊接处理。然而，这种常规的方法需要大的和复杂的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光焊接装置、气体屏蔽装置和用于控制激光焊接装置的方法，其具有上述的激光焊接技术的优点，而没有上述激光焊接技术的缺点，并且可以在制造超高真空装置例如扫描电子显微镜，旋转电子显微镜或和电子显微镜相连的电子旋转分析仪中加以利用。

为了实现上述目的，本发明提供一种激光焊接装置，所述装置包括激光焊头和激光焊头位置控制装置，

所述激光焊头包括激光照射本体，其具有惰性气体喷嘴，用于向要被焊接的部分喷射惰性气体，还具有在所述惰性气体喷嘴的外侧的至少一个屏蔽气体喷嘴，用于向焊接部分的周围区域喷射屏蔽气体，以及多个半导体激光器，用于振荡用于测量要被焊接的部件的焊接状态的多个直线激光束，

所述激光焊头位置控制装置包括成像装置，所述成像装置中具有带通滤波器，以便只使反射的直线激光束通过，从而利用反射的激光束作为图像拍摄被测量的焊接状态，以及图像处理器，用于处理被测量的焊接状态的图像。

其中的术语“半导体激光器”也包括“发光二极管(LED)”。

此外，本发明涉及一种用于激光焊接的气体屏蔽装置，包括惰性气体喷嘴，用于对要被焊接的部件的焊接部分喷射惰性气体，还包括在所述惰性气体喷嘴的外侧的至少一个屏蔽气体喷嘴，用于向焊接部分的周围区域喷射屏蔽气体，

此外，本发明还提供一种用于控制激光焊接装置的方法，包括以下步骤：

从被提供在激光焊接装置上的多个半导体激光器向要被焊接的部件的焊接部分照射多个直线激光束，

作为图像把来自焊接部分的反射的直线激光束输入到被提供在激光焊接装置上的成像装置中，

在被提供在激光焊接装置上的图像处理器中处理所述的图像，

根据处理的图像计算焊接部分的状态，以及

控制被提供在激光焊接装置上的激光焊头。

如上所述，因为要在激光焊接技术中使用的激光束具有小于1mm的光点尺寸，所以要被焊接的两个部件之间的间隙必须被合适地监视，并且必须精确地确定激光束的位置。

一般地说，在激光焊接处理中，能够被焊接的间隙的宽度在要要被焊接的每个部件的厚度的10％以内，或者在激光束的聚焦的光点尺寸的50％以内，并且激光位置的精度在聚焦的光点尺寸的1/3以内。因此，为了进行正确的焊接处理，间隙宽度必须高度精确，并且必须以不大于5/100mm的位置精度沿着焊缝进行激光束跟踪。此外，对于要被焊接的部件的激光束的角度和激光焊头的高度必须被控制。

由上述要求看来，在本发明的激光焊接装置中提供激光焊头位置控制装置。所述激光焊头位置控制装置包括其中具有带通滤波器的成像装置以及图像处理器，并检测要被焊接的部件的焊接状态，例如焊缝轨迹，要被焊接的部件的高度和角度。

此外，为了减少焊接状态的计算量，需要使用要被焊接的部件的CAD数据。即，根据CAD数据计算要被焊接的部件之间的交线或交面的形状和尺寸。在另一方面，根据CAD数据计算激光焊头的绝对位置和角度。CAD数据和检测的数据可以作为用于进行焊接处理的NC数据被提供。结果，可以缩短焊接处理的操作时间，并且可以改善具有复杂的形状例如球形和圆柱形的部件的焊接处理的重复性和可靠性。

此外，为了阻止在焊接处理中形成氧化膜和离析化合物，提供用于以层流的方式向要被焊接的部件的焊接部分喷射屏蔽气体例如抗氧化气体的喷嘴。在这种情况下，因为在使要被焊接的部件的焊接部分几乎完全和外部空气隔离的状态下进行焊接处理，所以可以阻止要被焊接的部件的焊接部分的氧化，因而，可以抑制氧化膜和离析化合物的形成。因此，按照本发明可以制造实用的超高真空设备等等。

附图说明

为了更好地理解本发明，可以参看附图，其中：

图1表示在本发明的激光焊接装置中的激光焊头；

图2是表示正在进行按照本发明的激光焊接处理的状态的平面图；

图3是表示在本发明的激光焊接装置中的激光焊头的基本元件的结构图；

图4是表示图3所示的激光焊头的激光照射开口的截面图；

图5是表示图4的激光照射开口的平面图；以及

图6是表示本发明的激光焊接装置中的另一种激光焊头的激光照射开口的截面图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明。

图1表示在本发明的激光焊接装置中的激光焊头的结构。图1所示的激光焊头具有包括YAG激光入口5和激光出口6的激光照射本体1，半导体激光装置2和3，作为光源用于测量要被焊接的部件的焊接状态，此外，作为成像装置的CCD照相机4和激光焊头相连。CCD照相机4构成本发明中的激光焊头位置控制装置，并接收来自半导体激光器的激光束。激光焊头位置控制装置还具有未示出的用于处理图像的图像处理器。来自激光振荡器(未示出)例如YAG激光器的激光束通过光纤(未示出)被引入激光入口5，然后，这样获得的放大的激光束在激光照射本体1中被聚焦，并从激光出口6照射到要被焊接的部件上。

半导体激光器2和3把它们的直线激光束例如对于要被焊接的部件呈45度角的倾斜方向照射到要被焊接的部件上，使得激光束和焊缝垂直。CCD照相机4检测从要被焊接的部件反射的激光束，从而拍摄要被焊接的部件的状态的图像。此外，CCD照相机4中具有带通滤波器，从而只通过来自半导体激光器的激光束，并因而只检测反射的激光束，并拍摄图像，而不会干扰外部光和焊接激光束。所述图像被传送到上述的被提供在激光焊头位置控制装置上的图像处理器，并在其中进行处理，以便确定直线激光束之间的距离、直线激光束的相对位置和绝对位置以及直线激光束的宽度和形状。

图2是表示要被焊接的部件11和12的表面状态的平面图。在本实施例中，进行邻接焊接处理，因而部件11和12被分开，并设置有间距13。当直线激光束14和15以45度的倾斜方向照射到部件11和12上时，它们以间距13断开。当照射的激光束的断开状态被CCD照相机拍摄时，断开状态的图像在图像处理器中被处理，并且部件11，12和直线激光束14，15之间的交点可以根据处理的图像被计算和确定。如果焊接处理要沿直线方向进行，则由交点确定焊缝。因为直线激光束以倾斜方向被照射，部件11和12的表面的倾斜度由直线激光束的宽度确定，并且部件的表面的高度由直线激光束的绝对位置确定。用这种方式，要被焊接的部件的表面的构型、倾斜度、高度和位置以及焊缝由直线激光束之间的距离、直线激光束的相对位置和绝对位置、以及每个直线激光束的宽度和形状确定。

在上述的焊接处理中，需要计算要被焊接的部件之间的交线或交面的形状和尺寸，并由CAD数据监视，并计算交线或交面的绝对位置和角度，并通过上述的检测数据被监视。在这种情况下，激光焊头被这样控制，使得焊接激光束可以跟踪焊缝。使用CAD数据能够使被引入的图像被以高速处理，因而能够缩短焊接操作的时间。此外，对于具有复杂形状的部件例如球形或圆柱形的部件，可以提高焊接处理的重复性和可靠性。虽然在上述实施例中使用两个直线激光束，但是可以使用3个或3个以上的激光束。

下面说明气体屏蔽机构。

图3是表示本发明的激光焊接装置中的激光焊头的基本部件的示意图。在图3中，激光焊头21具有作为会聚光学系统的会聚透镜22和在其激光照射本体中的喷嘴23。沿着箭头方向行进的激光束24通过会聚透镜22被聚焦在要被进行邻接焊接的平面部件25-1和25-2或其附近分区域上，从而形成聚焦的光点24sp。部件25-1和25-2借助于激光束24的照射被局部熔化。

图4和图5分别是激光焊头21的激光照射开口的截面图和平面图。如图4和图5所示，惰性气体喷嘴26被提供在喷嘴23的中心。惰性气体喷嘴26作为用于要被焊接的部件25-1和25-2的会聚激光束照射开口并作为压缩惰性气体的圆柱形喷射开口。在这种情况下，会聚的激光束的轴线Y1基本上相应于惰性气体喷嘴26的轴线Y。

此外，在惰性气体喷嘴26的外侧，同心地提供有至少一个屏蔽气体喷嘴27。屏蔽气体喷嘴27圆柱形地对要被焊接的部件喷出压缩的惰性气体。在图4和图5中，提供有一个屏蔽气体喷嘴27-1。图6表示另一种激光照射开口，在图6中，喷嘴33具有两个屏蔽气体喷嘴37-1和37-2。

下面说明使用上述的气体屏蔽装置的激光焊接处理。

在焊接处理期间，激光束24由激光振荡器(未示出)例如CO₂激光器或YAG激光器振荡，并通过会聚透镜22会聚。会聚的激光束24通过惰性气体喷嘴26照射要被焊接的部件25-1和25-2(焊缝X)。在本实施例中，聚焦光点24sp被形成在要被焊接的部件稍微偏上或偏下的位置。

在激光束照射的同时，具有被调节的计量压力p1的惰性气体Ig1从喷嘴26对着相应于焊接部分的熔化部分喷出，具有其各自的被调节的计量压力p2，p3的压缩的屏蔽气体Ig2，Ig3以层流的方式呈圆柱形对着熔化部分的周围区域喷出。

在这种情况下，屏蔽气体Ig2，Ig3覆盖惰性气体Ig1。此外，气体Ig1-Ig3最好以连续的气流的形式被喷出，并且最好由N₂气，Ar气或He气构成。为了在喷嘴和要被焊接的部件之间形成稳定的屏蔽状态，需要由调节器控制计量压力p1-p3，使得满足关系p1＞p2＞p3。以圆柱形从喷嘴23和33喷出的屏蔽气体Ig2和Ig3以及以圆柱形喷出的惰性气体Ig1在要被焊接的部件周围形成强大的屏蔽，从而使熔化的部分和外部空气隔离。此外，因为气体在被喷射到要被焊接的部件25-1，25-2之后便被排放到外部，所以几乎可以消除和熔化的部分进行化学反应的气体，特别是可以消除来自附近区域的使熔化的部分进行氧化反应的气体。

结果，在要被焊接的部件的焊接部分(在本实施例中图3的焊珠25b)不会形成氧化物或其它的化学化合物，并且可以抑制形成溅污，从而可以获得好的焊接质量。此外，在这种情况下，因为使用装在激光焊头内的喷嘴23或33进行屏蔽处理，所以不不需要另外的空间，因而可以减小激光焊头的体积和制造成本。并且由于具有小的结构，可以用好的质量精确地焊接小的部件。

在本发明中，需要在屏蔽气体喷嘴27或37的外侧提供抽气喷嘴28或38。抽气喷嘴抽吸并排空要被焊接的部件周围的气体，例如惰性气体，屏蔽气体等。因而，惰性气体和屏蔽气体可以被稳定地供应并被喷射到要被焊接的部件的周围的区域，因而，可以更充分地使要被焊接的部件和外部空气隔离。此外，可以阻止在熔化的部分附近的湍流，因而，可以更有效地抑制气体对熔化的部分的扩散和污染。

在如图6所示的具有两个屏蔽气体喷嘴37-1，37-2的喷嘴33中，抽气喷嘴38最好被提供在喷嘴37-1和37-2之间，用于产生气体屏蔽效果。

如上所述，惰性气体喷嘴和气体屏蔽喷嘴被同心地提供，这使得能够维持均匀的气体屏蔽。类似地，需要各个喷嘴具有圆柱形的开口。

如上所述，为了使被焊接的熔化的部分和外部空气隔离，最好满足p1＞p2≥p3的关系。

虽然本发明参照上述的例子进行了详细说明，但是，本发明不限于上述的例子，不脱离本发明的构思，可以作出许多改变和改型。例如，使用具有多于一个的上述焊头的激光焊接装置，可以精确地实现高质量的同时多点焊接。此外，如果调节激光束的功率，则可以进行重叠焊接和深焊接。

如上所述，按照本发明，激光焊接处理可以被高度精确地进行。此外，因为可以抑制在要被焊接的部件的要被焊接的部分形成氧化物或离析化合物，所以使用本发明的焊接处理可用于制造要求10^-5Pa以上的真空度的超高真空容器，可以用于制造要求10^-9Pa以上的真空度甚高真空容器，还可以用于制造莫特散射检测器或用于制造在上述超高真空或甚高真空环境中使用的小型超精密仪器。

Claims

1.一种激光焊接装置，所述装置包括激光焊头和激光焊头位置控制装置，

所述激光焊头包括激光照射本体，其具有惰性气体喷嘴，用于向要被焊接部件的焊接部分喷射惰性气体，还具有在所述惰性气体喷嘴的外侧的至少一个屏蔽气体喷嘴，其构成为所述屏蔽气体喷嘴的最前部平行于所述惰性气体喷嘴的最前部，以向所述焊接部分的周围区域喷射屏蔽气体，以及多个半导体激光器，用于使测量所述要被焊接部件的焊接状态的多个直线激光束振荡，

2.如权利要求1所述的激光焊接装置，其中所述激光焊头还包括被设置在惰性气体喷嘴外侧的同心的抽气喷嘴。

3.如权利要求2所述的激光焊接装置，其中抽气喷嘴被提供在内屏蔽气体喷嘴和外屏蔽气体喷嘴之间。

4.一种用于激光焊接的气体屏蔽装置，包括惰性气体喷嘴，用于对要被焊接部件的焊接部分喷射惰性气体，还包括在所述惰性气体喷嘴的外侧的至少一个屏蔽气体喷嘴，其构成为所述屏蔽气体喷嘴的最前部平行于所述惰性气体喷嘴的最前部，以向所述焊接部分的周围区域喷射屏蔽气体。