CN1708360A - 特别在焊接或激光表面硬化中使细小流体射流对准的方法和设备 - Google Patents

特别在焊接或激光表面硬化中使细小流体射流对准的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种特别在焊接、机加工或激光表面硬化中使细小流体射流对准一个区域或物体的方法，该射流从一吹送喷嘴(5)喷出，该喷嘴具有一包含端部(11)的喷射通道(10)，该端部具有直径不超过5mm的基本圆形的横截面，一光源(3)在沿流体通量的流动方向的该喷嘴(5)上游布置在该喷射通道(10)的轴线上，该光源产生非发散的单色或多色光束，该光束的至少一个波长在400到760纳米之间，该光束与该喷射通道(10)共轴且沿流体的流动方向在该通道内传播，其中，在使该流体的流动暂时中断的情况下，通过该物体或区域或光束的相对移动，使该光束对准在该物体或区域上，并将该细小的流体射流喷射到该区域或物体上。

Description

特别在焊接或激光表面硬化中使细小流体射流对准的方法和设备
技术领域
本发明的优选技术领域是用激光束进行焊接、机加工或表面加工(表面处理，堆焊)的领域。
背景技术
近年来，尤其是在用于汽车的气缸筒(bore)或镀层金属板的装配领域，激光焊接取得了很大的发展。该工艺涉及在各个方面使用气体射流：
-与激光束共轴(同轴)或在激光束侧向的喷嘴，该喷嘴允许以15到30l/min的速度供给气体。该气体的作用是保护高温下的液态金属和固化区域，使熔池不被破坏。
-在激光焊接过程中，该气体的另一个作用是驱除光束和材料之间相互作用而产生的等离子体(金属蒸气和电离气体)。该等离子体不能透过放射线，能够吸收高达70％的光束能量，从而大大降低了焊透深度。因此，通过控制等离子体，可以更高的速度进行焊接并在焊接后得到改善的焊缝外观。在这种情况下，通过小直径-几个毫米的数量级-的喷嘴以高的流速供给该气体。喷嘴仅与包含激光束的(设备)头部连接，但能在焊接方向上沿纵向移动到该头部的后部。喷嘴是倾斜的，以便气体射流与光束作用区域一致。
-此外，在对镀层钢板进行激光焊接的情况下，经由偏置喷嘴的细小气体射流的吹送有利地对熔融液体中的金属蒸气的排气产生作用，因此减少了孔隙。
经验表明，有必要使气体射流相对于该作用区域精确定位：
-在对接焊中，气体射流的轴线的交点必须在板件表面上方0.5mm处：离板件太近，气体射流会妨碍金属蒸气从毛细孔(或“小孔”)里喷出。离得太远，气体射流对等离子体的流动不再有机械作用。因此，在激光焊接中，等离子体的控制调节是特别棘手的问题。
-在激光搭接焊中，可以使气体射流喷射到液池的后部，以便对液池施加压力并减少孔隙的形成，但该射流的定位精确度必须优于1毫米。
因此，这几种示例说明，对从相对于光束偏置的喷嘴中出来的气体射流的精确定位或对准是获得令人满意的质量的激光焊接接头的一个关键因素。
当前，通过下列方法进行对准：
-为了相对于光束限定气体射流及其冲击点，在喷嘴内插入一根金属线，以便(射流)相对稳定。
-还可通过将一很轻的元件(金属线等)紧固到喷嘴的出口来限定该气体射流；所述元件朝向该气体射流方向；以及
-在对接焊中，还可看到，焊缝上的固化波纹的对称性表明喷嘴相对于激光束移动的纵向轴线在侧向定位。
但是，所有的这些方法都有严重的缺陷：它们不够精确、可重复性不高并很大程度上依赖操作者。这些困难也使很多激光焊接使用者放弃了上述控制等离子体的有利方法。
尽管以上说明的问题是关于激光焊接的，但其它利用流体(液体、气体、可能含有细小微粒的流体)的细小射流的技术也需要对射流的冲击进行精确对准：例如，某些气体焊接工艺、机加工工艺(钻孔、切削)和表面处理，特别是表面加工。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。具体地说，本发明的目的是特别在用激光束进行焊接、机加工或表面加工操作过程中，以精确的且可重复的方式展示细小的流体射流对一个区域或物体的冲击。
为了实现这些目的，本发明的主题是一种特别是在激光焊接、机加工或表面加工中使细小的流体射流对准一个区域或物体的方法，该射流从一吹送喷嘴里喷出，该喷嘴具有包含一端部的喷射通道，该端部具有直径不超过5mm的基本圆形的横截面，一光源在沿流体通量流动方向的喷嘴上游布置在喷射通道的轴线上，该光源产生单色或多色非发散光束，该光束的至少一个波长在400到760纳米(毫微米)之间，该光束与该喷射通道共轴并且沿流体的流动方向在通道内传播，其中，在使流体的流动暂时中断的情况下，并通过物体或区域或光束的相对移动，使光束对准在该物体或区域上，并且将细小的流体射流发送到该区域或物体上。
根据本发明的一个特征，该流体是气体。
根据本发明的另一特征，该流体含有细小微粒。
本发明的主题还是一种实施本发明中所述方法的装置，该装置包括一用于喷送流体的喷嘴和向该喷嘴供应流体的装置，该喷嘴具有包含一端部的喷射通道，该端部具有直径不超过5mm的基本圆形的横截面，一激光源在沿流体通量流动方向的喷嘴上游布置在该喷射通道的轴线上，该光源产生单色非发散光束，该光束的至少一个波长在400到760纳米之间，该光束与喷射通道共轴并沿所述流体流动方向在通道内传播。
根据本发明的装置可以有利地具有一个或多个下列特征：
-该光源由一个不可渗透的隔离件与流体射流分隔开；
-该流体喷射通道端部的长度大于或等于该喷射通道端部的直径的五倍；
-该装置包括用以确保流体射流和光通量(光流)共轴的对齐装置。
本发明的目的还在于提供一种焊接、机加工或表面加工设备，该设备包括至少一个根据本发明的对准装置。
优选地，该焊接、机加工或表面加工设备的焊头、机头或表面加工头牢固地连接在一支架上，该支架上安装有至少一个本发明所述的装置，该支架能够旋转或平移地定向，以便精确地使流体射流对准。
根据本发明的一个优选特征，该设备用激光束进行焊接、机加工或表面加工。
附图说明
下面结合附图1更准确地但非限定性地说明本发明，图1示意性地示出具有根据本发明的装置的吹送喷嘴。该装置包括两部分：
-组件1，其包括流体通量入口；
-组件2，其包括光源3。
具体实施方式
从光源发出的对操作者可见的放射线至少部分地落在从400到760纳米的光谱范围内。为了精确对准不同距离处的物体，该光束是非发散的，该光束通过例如本身已知的合适的透镜而得到。
有利地使用二极管激光器作为光源，以便在很深的地方仍然可获得具有良好的可见性的十分类似点状的光束。
流体经由输送管4进入组件1。该流体可以是气体或液体，或由多相组成的，如其中有悬浮的细小固体微粒的流体。然后喷射通道10对该流体射流定向。为了获得更高的对准精度，喷射通道的基本呈圆形的端部11的直径不超过5mm。该喷射通道的端部的长度，即流体流与光束共轴且与光束同向的部分的长度，优选地大于其直径的五倍，以便确保流体射流的稳定性，同时将任何紊流降至最少。
组件1和组件2通过本身已知的合适的机械装置相互牢固地连接在一起。一均衡调整装置确保该气体和光束完美的共轴性。为此，该装置可如图1所示包含双头螺栓6和7，以便确保组件1和2完美地且可重复地共轴对齐。
如果希望确保光源3相对于该流体密封，则在合适的位置布置一不可渗透的隔离件8，该隔离件能透过从光源发出的光通量。该隔离件放置在组件1或组件2上加工出的座上。例如，可以用O形密封圈9密封。
当上述装置用于在焊接、机加工或表面加工操作中使流体束-特别是气体束-对准时，上述整个对准装置有利地安装在与焊头、机头或表面加工头牢固连接的一支架(本身是已知的，但图1中没有示出)上。该支架可以被平移和旋转地定向，以便可以容易地且准确地调节光束和气体通量的定向。
首先，从光源发出的光束在流体射流的目标区域或物体的方向上被大致定向，此时流体的流动被中断。通过更精细地调节对准装置支架的平移或旋转运动或调节目标物体的移动，该光束被十分精确地对准目标区域或物体。然后流体喷射被触发，从而细小的射流精确地指向该区域或物体。
本发明具有很多优点：通过预先展示很细小的流体射流的冲击，该对准方法和对准装置可以避免使用某些很昂贵的气体的高流速射流，这种射流的冲击可能妨碍某些工艺。使光源一体地结合在实际的流体喷嘴内可以确保高的对准精度，并且在焊接时，可以在发生金属蒸气污染时保护该光源。由于对准精度高，所以可大大降低缺陷并提高焊接、机加工或表面加工设备的效率。

Claims (10)

1.一种特别是在激光焊接、机加工或表面加工中使细小的流体射流对准一个区域或物体的方法，所述射流从一吹送喷嘴(5)喷出，所述喷嘴具有一包含端部(11)的喷射通道(10)，该端部(11)具有直径不超过5mm的基本圆形的横截面，一光源(3)在沿所述流体通量的流动方向的所述喷嘴(5)上游布置在喷射通道(10)的轴线上，该光源产生单色或多色非发散光束，该光束的至少一个波长在400到760纳米之间，该光束与该喷射通道(10)共轴且沿所述流体的流动方向在所述通道内传播，其中，在使所述流体的流动暂时中断的情况下，通过所述物体或所述区域或所述光束的相对移动，使所述光束对准在所述物体或所述区域上，并且将所述细小的流体射流发送到所述区域或所述物体上。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，该流体是气体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该流体包含细小微粒。
4.一种用于实施权利要求1至3中任一项所述的方法的装置，其特征在于，该装置包括一个用于喷送流体的喷嘴(5)，所述喷嘴具有一包含端部(11)的喷射通道(10)，该端部(11)具有直径不超过5mm的基本圆形的横截面，一激光源(3)在沿所述流体通量的流动方向的所述喷嘴(5)上游布置在喷射通道(10)的轴线上，该激光源产生单色非发散光束，该光束的至少一个波长在400到760纳米之间，该光束与该喷射通道(10)共轴且沿所述流体的流动方向在所述通道内传播，以及
-用于向所述喷嘴供应流体的装置。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该光源(3)由一个不可渗透的隔离件(8)与所述流体射流分隔开。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，该流体喷射通道(10)的端部的长度大于或等于该喷射通道(10)的端部(11)的直径的五倍。
7.如权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括用以确保所述流体射流和所述光通量共轴的对齐装置(6)。
8.一种焊接、机加工或表面加工设备，其特征在于，该设备包括至少一个权利要求4至7中任一项所述的装置。
9.一种焊接、机加工或表面加工设备，其特征在于，该焊头、机头或表面加工头牢固连接在一支架上，该支架上安装有至少一个如权利要求4至7中任一项所述的装置，所述支架能够旋转地或平移地定向，以便精确地使所述流体射流对准。
10.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，该设备利用激光束进行该焊接、机加工或表面加工。
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