CN1181947C - 激光焊接方法和激光焊接装置 - Google Patents

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Abstract

提供同轴喷嘴，用于在要被焊接的部分上吹出惰性气体，在同轴喷嘴的外侧提供至少一个排出喷嘴，用于在要被焊接的部分周围吹出压缩的屏蔽气体，使得覆盖所述惰性气体。然后，提供用于使激光振荡的激光振荡器，并提供用于使所述激光会聚的聚光器，因而，通过会聚的激光的照射，熔化所述要被焊接的部分。此外，提供抽气喷嘴，用于抽出熔化部分周围的气体。

Description

激光焊接方法和激光焊接装置
技术领域
本发明涉及一种激光焊接方法和激光焊接装置，尤其涉及使用小的激光焊头的激光焊接方法和激光焊接装置，其可以不用对要被焊接的物体进行全部气体屏蔽，以好的质量精确地进行焊接。
背景技术
近来，随着大功率激光焊接技术的发展，使用大功率CO2激光焊接技术进行大的焊接，使用YAG激光焊接技术进行精确的焊接。其理由是，和其它的焊接技术例如TIG焊接技术和MIG焊接技术相比，上述技术具有以下优点。
(1)大的焊接比(焊接深度/熔化的缝的宽度)，和小的处理应变。
(2)高的焊接速度，并且能够通过小的残余热效率提供高质量的焊点，并抑制晶粒的增加。
(3)能够在具有特殊气体的具有透明窗的金属容器中进行焊接处理。
(4)能够使不同种类的金属进行焊接，或者使金属和非金属进行焊接。
此外，和电子束焊接技术相比，上述技术具有以下优点。
(5)不受要被焊接的物体的磁场的影响，因而，能够焊接磁性材料。
(6)不需要真空室和X射线屏蔽。
与此相反，在上述激光焊接技术中，要被焊接的物体的熔化部分和所述物体周围的气体发生化学反应，特别是，如果熔化的部分被附近的空气氧化，则使焊缝变劣。因而，一个同轴喷嘴被连接在激光焊头上，并且为了阻止熔化部分的氧化，在把会聚的激光照射到要被焊接的部分上的同时，把屏蔽气体例如Ar气或He气被吹到相应于熔化部分的要被焊接的物体的要被焊接的部分上。
然而，即使把屏蔽气体吹到要被焊接的部分上，熔化部分常常发生化学反应，并且因而常常被氧化。结果，通过氧化和化学反应在要被焊接的部分上或在要被焊接的部分中产生外生材料，这使得焊接部分变劣。
因而，为了阻止上述的化学反应和氧化，必须在具有能够阻止氧化(化学反应)的屏蔽气体的钢制壳体中在钢制壳体被抽空之后进行激光焊接处理。因此，需要大的和复杂的激光焊接装置。
此外，上述的屏蔽气体可以大量地被局部地吸入焊缝中，因此，如果焊接的物体在不大于10-5Pa的超高真空的环境中或者在不大于10-9Pa的甚高真空的环境中被使用时，被局部吸收的屏蔽气体便被放出，因而导致真空度的降低。
发明内容
本发明的目的在于通过消除上述缺点，实现上述激光焊接的优点和特性，即，提供一种激光焊接方法和激光焊接装置，其中通过使物体的要被焊接的部分和外部空气完全屏蔽，并保持被屏蔽的环境，可以阻止要被焊接的物体的焊接的部分的氧化和化学反应，因而可以减少屏蔽气体从焊缝中放出，使得焊接的物体可以用于超高真空和甚高真空的环境中。
为实现上述目的，本发明提供一种用于焊接多于一个的要被焊接的物体的方法，包括以下步骤：
从同轴喷嘴中把惰性气体吹到要被焊接的部分上，该同轴喷嘴位于喷嘴的中心，是激光的输出孔和压缩的惰性气体的排出孔，
从被提供在同轴喷嘴的外部的至少一个排出喷嘴向要被焊接的部分周围吹出压缩的屏蔽气体，使得覆盖所述惰性气体，并且，形成为排出喷嘴、同轴喷嘴和抽气喷嘴同轴，排出喷嘴的排出孔和抽气喷嘴的抽气孔分别具有圆柱形的形状，以及
把会聚的激光照射到要被焊接的部分上，因而，在屏蔽外部空气的状态下，熔化所述要被焊接的部分，从而焊接所述多于一个的物体。
此外，本发明提供一种用于焊接多于一个的要被焊接的物体的激光焊接装置，包括：
同轴喷嘴，用于在要被焊接的部分上吹出惰性气体，该同轴喷嘴位于喷嘴的中心，是激光的输出孔和压缩的惰性气体的排出孔，
被提供在同轴喷嘴的外部的至少一个排出喷嘴，用于在要被焊接的部分周围吹出压缩的屏蔽气体，使得覆盖所述惰性气体，并且，形成为排出喷嘴、同轴喷嘴和抽气喷嘴同轴，排出喷嘴的排出孔和抽气喷嘴的抽气孔分别具有圆柱形的形状，
用于使激光振荡的激光振荡器，以及
用于使所述激光会聚的聚光器，因而，在屏蔽外部空气的状态下，通过会聚的激光的照射，熔化所述要被焊接的部分，从而焊接所述多于一个的物体。
附图说明
下面参照附图说明本发明的其它的目的，结构和优点。
为了更好地理解本发明，可以参看附图，其中：
图1是用于示意地表示本发明的激光焊接装置中的焊头的透视图；
图2是用于示意地表示图1所示的焊头的喷嘴的截面图；
图3是在线“3-3”上取的图2所示的喷嘴的正视图；以及
图4是本发明的激光焊接装置中的焊头的另一种喷嘴的截面图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明。
图1是用于示意地表示本发明的激光焊接装置中的焊头的透视图；图2是用于示意地表示图1所示的焊头的喷嘴的截面图；图3是在线“3-3”上取的图2所示的喷嘴的正视图；以及图4是本发明的激光焊接装置中的焊头的另一种喷嘴的截面图。
图1所示的激光焊头1具有作为光学系统用于会聚激光4的聚光器2和喷嘴3。在图1-4中，激光4沿箭头y的方向通过聚光器2行进，并被聚焦在位于要被焊接的两个物体5(图1中的物体5-1，5-2)之间的要被焊接的部分5b上，或者被聚焦在要被焊接的部分的附近的区域，从而形成聚焦的光点4sp。在本实施例中，两个物体5-1，5-2被焊接，但是，也可以焊接三个或更多的物体。此外，在本实施例中，要被焊接的部分5b沿着焊线X的方向。代替聚光器2，也可以使用光学反射镜系统。
喷嘴3的中心具有同轴喷嘴6。同轴喷嘴6作为一个会聚的激光输出孔，用于要被焊接的两个物体5-1，5-2之间的要被焊接的部分5b，并作为圆柱形的压缩的惰性气体的排出孔，并且会聚的激光的轴线和排出孔的轴线Y1和Y基本一致。
此外，喷嘴3在同轴喷嘴6的周围具有至少一个排出孔7。所述排出孔7对要被焊接的部分放出压缩的屏蔽气体。在图2和图3中，提供有一个排出喷嘴7-1，并且在图4中，提供有两个排出喷嘴7-1和7-2。
下面说明激光焊头1的操作。
在焊接期间，来自一般被提供在激光焊接装置上的振荡器例如CO2或YAG激光振荡器的激光4通过聚光器2被会聚，会聚的激光4f通过作为上述的输出孔的同轴喷嘴6被照射到要被焊接的两个物体5-1，5-2之间的要被焊接的部分5b上(沿着焊线X)。在这种情况下，会聚的光点4sp位于位置5b的稍微向上的位置。
与此同时，具有被调节为标准压力p1的压缩的惰性气体Ig1沿箭头方向呈圆柱形向部分5b放出，并且具有调节为标准压力p2和p3的压缩的屏蔽气体Ig2和Ig3沿箭头方向对位置5b以层流的方式被放出。
就在此时，如图2和图4所示，屏蔽气体Ig2和Ig3覆盖惰性气体Ig1。因此，排出喷嘴7最好和同轴喷嘴6同轴。此外，在这种情况下，希望气体Ig1-Ig3以恒流的方式被放出。并且此时还希望被调节的标准压力p1-p3满足关系p1＞p2＞p3。其中，在喷嘴3和要被焊接的物体5之间的惰性气体和屏蔽气体的状态由各自的实线表示。
从喷嘴3放出的屏蔽气体Ig2和Ig3对于要被焊接的部分5b形成强大的阻挡层防止外部空气进入，并且气体Ig1-Ig3当它们到达位置5b或其邻近区域后便被排放到外部。因此，可以消除所述气体在位置5b发生化学反应，尤其是可以消除在位置5b和邻近区域发生的氧化。
结果，在位置5b不会产生氧化物或其它成分，并且可以抑制溅污的形成，因而，可以在好的条件下进行焊接。此外，因为焊接在位置5b周围局部地进行，所以可以大大缩小焊头的尺寸，并且因为不需要另外的装置，所以可以减少制造成本。因为焊头具有小的尺寸，所以可以高质量地焊接非常小的要被焊接的物体。
此外，需要喷嘴3在排出喷嘴7的外部具有抽气喷嘴8，其具有减少的压力p。在提供有两个排出喷嘴7的情况下，如图4所示，抽气喷嘴8被提供在内外排出喷嘴7-1和7-2之间。上述的屏蔽气体和惰性气体Ig1-Ig3当它们被排出时，被抽气喷嘴8抽走。
因而，使得这些气体在要被焊接的位置5b的周围平滑地流动，这使得位置5b可以更有效地屏蔽外部空气。此外，因为气体平滑流动，所以能够防止屏蔽气体或其类似物扩散到要被焊接的位置5b并使其污染。
虽然抽气喷嘴8可以被设置在同轴喷嘴6周围的任何位置，但是最好是被设置在排出喷嘴7的外侧，如图2和图3所示。在有两个排出喷嘴7-1，7-2的情况下，如图4所示，最好把抽气喷嘴设置在所述两个排出喷嘴之间。在后一种情况下，要被焊接的位置5b可以更有效地屏蔽外部空气。抽气喷嘴8的结构根据需要屏蔽的程度确定。
抽气喷嘴8最好被这样设置，使得其轴线和同轴喷嘴6以及用于使要被焊接的位置5b和外部空气有效地隔离的排出喷嘴7的轴线一致。
此外，由于同样原因，至少排出喷嘴7的排出孔和抽气喷嘴8的抽气孔最好分别具有圆筒形的形状。并且至少同轴喷嘴的排出孔最好具有圆柱形的(columnar)形状。作为上述的气体Ig1-Ig3，可以使用惰性气体例如N2，Ar，或He。
如上所述，为了使要被焊接的位置5b和外部空气隔离，最好满足p1＞p2≥p3的关系。焊接操作最好沿着焊接线X以速度v连续地进行。
虽然本发明参照上述的例子进行了说明，但是本发明不限于所述的例子，不脱离本发明的构思，可以作出许多改型。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4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，因为要被焊接的位置可以和外部空气隔离，便可以保护要被焊接的位置不和其它成分例如氧气发生化学反应。因此，本发明的激光焊接方法和激光焊接装置可以用于超高真空容器，以便维持10-5Pa以上的真空度，可以用于甚高真空容器，以便维持10-9Pa以上的真空度，还可以用于Mott散射装置或用于超高真空环境中小的超精确的仪器中。

Claims (11)

1.一种用于焊接多于一个的要被焊接的物体的方法，包括以下步骤：
从同轴喷嘴(6)中把惰性气体吹到要被焊接的部分上，该同轴喷嘴(6)位于喷嘴(3)的中心，是激光的输出孔和压缩的惰性气体的排出孔，
从被提供在同轴喷嘴(6)的外部的至少一个排出喷嘴(7)向要被焊接的部分周围吹出压缩的屏蔽气体，使得覆盖所述惰性气体，并且，形成为排出喷嘴(7)、同轴喷嘴(6)和抽气喷嘴(8)同轴，排出喷嘴(7)的排出孔和抽气喷嘴(8)的抽气孔分别具有圆柱形的形状，以及
把会聚的激光照射到要被焊接的部分上，因而，在屏蔽外部空气的状态下，熔化所述要被焊接的部分，从而焊接所述多于一个的物体。
2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其中所述惰性气体和屏蔽气体以恒流的方式被排出。
3.如权利要求1或2所述的激光焊接方法，其中所述惰性气体以圆柱形(columnar shape)被吹出，并且所述屏蔽气体以圆筒形(cylindrically)被吹出。
4.如权利要求1或2所述的激光焊接方法，其中所述惰性气体的标准压力p1和内外排出喷嘴的标准压力p2和p3满足关系p1＞p2≥p3。
5.如权利要求1或2所述的激光焊接方法，还包括利用抽气喷嘴抽出熔化的部分周围的气体的步骤。
6.一种用于焊接多于一个的要被焊接的物体的激光焊接装置，包括：
同轴喷嘴(6)，用于在要被焊接的部分上吹出惰性气体，该同轴喷嘴(6)位于喷嘴(3)的中心，是激光的输出孔和压缩的惰性气体的排出孔，
被提供在同轴喷嘴(6)的外部的至少一个排出喷嘴(7)，用于在要被焊接的部分周围吹出压缩的屏蔽气体，使得覆盖所述惰性气体，并且，形成为排出喷嘴(7)、同轴喷嘴(6)和抽气喷嘴(8)同轴，排出喷嘴(7)的排出孔和抽气喷嘴(8)的抽气孔分别具有圆柱形的形状，
用于使激光振荡的激光振荡器，以及
用于使所述激光会聚的聚光器，因而，在屏蔽外部空气的状态下，通过会聚的激光的照射，熔化所述要被焊接的部分，从而焊接所述多于一个的物体。
7.如权利要求6所述的激光焊接装置，其中和同轴喷嘴同轴地提供至少一个排出喷嘴。
8.如权利要求6或7所述的激光焊接装置，还包括用于抽出熔化的部分周围的气体的抽气喷嘴。
9.如权利要求8所述的激光焊接装置，其中抽气喷嘴和同轴喷嘴以及至少一个排出喷嘴同轴地被提供。
10.如权利要求8或9所述的激光焊接装置，其中抽气喷嘴被提供在内外同轴排出喷嘴之间。
11.如权利要求6，7或9所述的激光焊接装置，其中所述至少一个排出喷嘴和抽气喷嘴的的出口是圆柱形的。
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