專利名稱：用于依靠激光束進(jìn)行焊接的激光焊接系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接系統(tǒng)，其包括激光束源、適于使得激光束準(zhǔn)直的準(zhǔn)直儀和適于聚焦準(zhǔn)直后的激光束到待焊接的工件上的聚集點(diǎn)的聚焦裝置。而且，本發(fā)明還涉及用于依靠激光束進(jìn)行焊接的相應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
用于依靠激光束進(jìn)行焊接的方法是用于接合不同的工件在一起的焊接方法。 激光束提供聚集的熱源，其允許薄且深的焊縫。激光焊接工藝常用于與大量(large quantities)相關(guān)的場合，例如汽車工業(yè)。使用的激光束具有典型地在大約lMW/cm2的功率密度。這樣，小的區(qū)域通過聚集的激光束熱量施以影響。激光束的寬度在例如0. 2毫米和13毫米之間變化，盡管更小的寬度可以用于焊接工藝中。由激光束發(fā)出的熱的穿透深度與提供的能量大小成比例，并且還取決于聚焦點(diǎn)的位置。當(dāng)聚焦點(diǎn)被優(yōu)化設(shè)置時，獲得最大穿透深度。連續(xù)的或者脈沖的激光束可以基于實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行使用。毫秒長的脈沖用于將薄的材料例如示例性的刀片彼此焊接，而連續(xù)激光系統(tǒng)用于深的焊縫。激光焊接方法是能夠焊接例如碳鋼、高等級鋼、鋁、鈦和塑料的多變化的工藝。焊接速度與發(fā)出的能量大小成比例，并且依賴于工件的類型和厚度。氣體激光器的高性能使得它們特別適于大量的應(yīng)用。在已知的激光焊接工藝中，塑料片、薄膜和注射模制部件通過銳聚焦的激光束進(jìn)行焊接，以逐點(diǎn)的方式聚焦的激光束用于焊接或者熔化塑料材料。焊接縫合的過程通過激光束的可編程束導(dǎo)引或者工件的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。但是，光束強(qiáng)度的分布具有利用以逐點(diǎn)的方式聚焦的激光束的平面連接的缺點(diǎn)， 因?yàn)閺?qiáng)度的高斯分布導(dǎo)致不均勻的熔化。圖1示出通過根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的由激光焊接系統(tǒng)的處理光學(xué)器件產(chǎn)生的激光束的高斯能量分布的情形。在該類型的能量分布中，大多數(shù)，大約90%，的能量存在于中心，即所謂的熱點(diǎn)。這種類型的激光束只允許逐點(diǎn)的激光焊接。也就是說，僅一部分焊接點(diǎn)對強(qiáng)度有貢獻(xiàn)并且這種類型的激光焊接工藝特別容易產(chǎn)生誤差，因?yàn)楹附狱c(diǎn)的位置必須非常精確地確定。在差的焊接點(diǎn)位置的情形下，獲得不利的能量輸入。此外，如果例如必須焊接彈簧鋼，則存在危險，因?yàn)椴畹暮附狱c(diǎn)位置將導(dǎo)致在彈簧鋼上的焊接點(diǎn)燒壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于公開一種依靠激光束進(jìn)行焊接的激光焊接系統(tǒng)和方法的目的，其允許實(shí)現(xiàn)均勻的焊接區(qū)域。該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的實(shí)施例形成從屬權(quán)利要求的主題。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，激光焊接系統(tǒng)包括激光束源、適于準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀和適于聚焦準(zhǔn)直激光束到待焊接的工件上的聚集點(diǎn)的聚焦裝置，其中光學(xué)元件安置在準(zhǔn)直儀和聚焦裝置之間，所述光學(xué)元件適于沿著第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布，所述第一方向相對于準(zhǔn)直激光束的軸成一定角度地延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，雙焦點(diǎn)的元件安置在光學(xué)元件和準(zhǔn)直儀之間。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，雙焦點(diǎn)的元件安置在光學(xué)元件和聚焦裝置之間。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，激光焊接系統(tǒng)包括激光束源、適于準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀和適于聚焦準(zhǔn)直激光束到待焊接的聚集點(diǎn)上的聚焦裝置，其中光學(xué)元件安置在激光束源和準(zhǔn)直儀之間，所述光學(xué)元件適于沿著與準(zhǔn)直激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，第一方向大致垂直于準(zhǔn)直激光束的軸延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，雙焦點(diǎn)的元件安置在準(zhǔn)直儀和聚焦裝置之間。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件適于擴(kuò)展激光束的能量分布到待焊接的工件上的至少兩個點(diǎn)上，該至少兩個點(diǎn)優(yōu)選地串聯(lián)安置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件適于沿著待焊接的工件上的至少一條線擴(kuò)展激光束的能量分布。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件適于沿著待焊接的工件上的至少兩條線擴(kuò)展激光束能量分布，所述至少兩條線串聯(lián)布置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件適于沿著第一方向和第二方向擴(kuò)展激光束的能量分布，所述第二方向關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸和第一方向成一定角度延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，第二方向大致垂直于準(zhǔn)直激光束的軸和第一方向延伸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件適于根據(jù)待焊接的工件上的立方形、矩形、梯形、橢圓形或者環(huán)形圖案的至少一個擴(kuò)展激光束的能量分布。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件是微型透鏡配置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件是衍射光學(xué)元件。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于依靠激光束進(jìn)行焊接的方法包括產(chǎn)生激光束，依靠準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直激光束，和依靠聚焦裝置聚焦準(zhǔn)直激光束到待焊接的工件上的聚集點(diǎn)上，其中準(zhǔn)直的激光束通過準(zhǔn)直儀和聚焦裝置之間的光學(xué)元件以為了沿著準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。根據(jù)的一個實(shí)施例，用于依靠激光束進(jìn)行焊接的方法包括產(chǎn)生激光束，依靠準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直激光束，和依靠聚焦裝置聚焦準(zhǔn)直激光束到待焊接的工件上的聚集點(diǎn)，其中產(chǎn)生的激光束通過激光束源和準(zhǔn)直儀之間的光學(xué)元件以為了沿著關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。


在此及后將基于在附圖所示的構(gòu)型更加詳細(xì)地描述本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的激光焊接系統(tǒng)的相似的或者相應(yīng)的細(xì)節(jié)在附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示，其中圖1示出激光束的高斯能量分布的情形；圖2示出在激光束已經(jīng)通過根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的激光焊接系統(tǒng)的處理光
5學(xué)器件之后激光束的能量分布情形；圖3示出在激光束已經(jīng)通過根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例的激光焊接系統(tǒng)的處理光學(xué)器件之后激光束的能量分布的情形；圖4是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第一實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖；圖5示出在激光束已經(jīng)通過圖4所示的處理光學(xué)器件之后激光束的能量分布的情形；圖6是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第二實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖；圖7示出在激光束已經(jīng)通過圖6所示的光學(xué)器件后激光束的能量分布的情形；圖8是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第三實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖；和圖9示出在激光束已經(jīng)通過圖8所示的處理光學(xué)器件后激光束的能量分布的情形。
具體實(shí)施例方式圖2示出通過根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的激光焊接系統(tǒng)的處理光學(xué)器件產(chǎn)生的激光束的能量分布的情形。與如圖1所示的高斯能量分布相比，從圖2明顯的是，激光束的能量分布更加均勻，因?yàn)槟芰坎粌H聚集在定位在中心處的熱點(diǎn)上，還分布在更大的區(qū)域上。如圖2所示的激光束的中心部分的能量少于如圖1所示的激光束的對應(yīng)部分的能量。但是，相應(yīng)地，定位在激光束的邊緣處的如圖2所示的激光束的部分的能量大于如圖1 所示的激光束的對應(yīng)部分的能量。這樣，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，如圖2所示的激光束的能量分布沿著第一方向X擴(kuò)展，該第一方向X垂直于準(zhǔn)直激光束的軸延伸。雖然圖2示出激光束沿著垂直于準(zhǔn)直激光束的軸延伸的第一方向X的能量分布的擴(kuò)展，但是本發(fā)明并不限于關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸成90度的角度，而是光學(xué)元件適于沿著以相對于準(zhǔn)直激光束的軸成任何期望角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。這可以得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣鈱W(xué)元件定位在關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸對應(yīng)的角度處，例如通過關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸傾斜光學(xué)元件的主平面。此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，如圖2所示的激光束的能量分布沿著垂直于準(zhǔn)直激光束的軸以及第一方向X延伸的第二方向Y擴(kuò)展。雖然圖2示出激光束的能量分布沿著第一方向X和第二方向Y的擴(kuò)展，其中第一方向X和第二方向Y垂直于準(zhǔn)直激光束的軸并且垂直于彼此，但是，該類型的情形是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明并不限于此；相反，激光束的能量分布可以沿著相對于軸和第一方向成任何的期望角度延伸的第二方向擴(kuò)展。圖3示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中激光束的能量分布僅沿著方向X擴(kuò)展。但是， 激光束的能量可以沿著方向Y均等地分布，例如如圖7所示的。本發(fā)明并不局限于特定的角度，并且激光束的能量事實(shí)上可以在任何期望的角度分布。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，光學(xué)元件適于擴(kuò)展激光束的能量分布到待焊接的工件上的至少兩個點(diǎn)，其中該至少兩個點(diǎn)串聯(lián)布置。激光束的能量分布還可以沿著待焊接的工件上的至少一條線擴(kuò)展，例如在圖3中可以看出的。但是，激光束的能量分布還可以沿著待焊接的工件上的兩條線擴(kuò)展，該至少兩條線串聯(lián)布置。該類型的均勻焊接區(qū)域可以通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的方式在此及后將予以描述。圖4是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第一實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖。處理光學(xué)器件包括激光束源1、準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀2、聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件4上的聚焦裝置3，例如透鏡。光學(xué)元件5允許激光束的能量分布至少沿著與準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的一方向擴(kuò)展，該光學(xué)元件5安置在準(zhǔn)直儀2和聚焦裝置3之間。在圖4的實(shí)施例中，光學(xué)元件5安置為以使得它的平面大致平行于準(zhǔn)直儀2的平面和聚焦裝置3的平面延伸。但是，光學(xué)元件5可以傾斜，以使得它的平面關(guān)于準(zhǔn)直儀2的平面和聚焦裝置3的平面成一定角度地安置。這樣，激光束的能量分布可以沿著關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸以任何期望角度延伸的方向擴(kuò)展。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件5是微型透鏡配置。微型透鏡使用在光學(xué)系統(tǒng)和測量必須尺寸減小到毫米范圍的任何地方。但是，微型透鏡還用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，例如用于光學(xué)纖維的耦合或者所謂的“平面”光學(xué)器件領(lǐng)域。在這種情況中，代替一個大的透鏡，許多小的透鏡彼此靠著地進(jìn)行使用，并且因此獲得短很多的成像距離。原物和圖像因此更加靠近得多。這允許光學(xué)設(shè)備的總深度大大減小。 這些平面光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)用于各種類型的掃描儀和復(fù)印機(jī)中。原始文件通過微型透鏡掃描并轉(zhuǎn)印到感光鼓。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例，光學(xué)元件5是衍射光學(xué)元件，而不是微型透
鏡配置。衍射光學(xué)元件是在其上繪制微觀結(jié)構(gòu)的基板，從而允許產(chǎn)生幾乎任何期望的衍射效果。特定的微觀結(jié)構(gòu)通過平版蝕刻方法形成。衍射光學(xué)元件用于通過柵格上的衍射整形激光束或者將激光束分割為多個局部束。不同的材料可以被使用，例如aiSe、ZnS或者 GaAs0光學(xué)元件5安置在準(zhǔn)直儀2和聚焦裝置3之間，光學(xué)元件5允許準(zhǔn)直激光束的能量分布沿著關(guān)于準(zhǔn)直激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展。圖5示出垂直于準(zhǔn)直激光束的軸沿著第一方向Y的能量分布的擴(kuò)展。但是，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，激光束的能量分布還可以沿著第一方向和第二方向擴(kuò)展，所述第二方向垂直于準(zhǔn)直激光束的軸和第一方向延伸。激光束的能量分布可以根據(jù)待擴(kuò)展的工件上的立方形、矩形、梯形、橢圓形或者環(huán)形圖案的至少一個擴(kuò)展。相應(yīng)的圖案通過光學(xué)元件的相應(yīng)選擇予以實(shí)施。圖6是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第二實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖。處理光學(xué)器件包括激光束源1、準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀2、聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件4上的聚焦裝置3，例如透鏡。在這個實(shí)施例中，光學(xué)元件5安置在激光束源1和準(zhǔn)直儀2之間。圖7示出沿著第一方向Y的能量分布的擴(kuò)展。但是，能量分布還可以以任何期望的角度擴(kuò)展。圖8是根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)激光焊接系統(tǒng)的第三實(shí)施例的處理光學(xué)器件的示意性視圖。處理光學(xué)器件包括激光束源1、準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀2、聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件4上的聚焦裝置3，例如透鏡。在這個實(shí)施例中，如在第二實(shí)施例中，光學(xué)元件5安置在激光束源1和準(zhǔn)直儀2之間。此外，雙焦點(diǎn)的元件安置在準(zhǔn)直儀2和聚焦裝置3之間。圖9示出通過雙焦點(diǎn)的元件沿著第一方向Y產(chǎn)生的兩激光束的能量分布的擴(kuò)展。本發(fā)明允許實(shí)現(xiàn)均勻的焊接區(qū)域，因?yàn)槟芰糠植佳刂c準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的方向擴(kuò)展。這保證在差的焊接點(diǎn)位置的情形下有利的能量輸入。本發(fā)明特別適于在沖壓操作過程中的線焊。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接系統(tǒng)，包括 激光束源(1)；適于準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀O)；和適于聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集點(diǎn)上的聚焦裝置(3)， 其中光學(xué)元件( 安置在所述準(zhǔn)直儀( 和所述聚焦裝置C3)之間，所述光學(xué)元件適于沿著關(guān)于準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。
2.如權(quán)利要求1所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，雙焦點(diǎn)的元件(6)安置在所述光學(xué)元件 (5)和所述準(zhǔn)直儀(2)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，雙焦點(diǎn)的元件(6)安置在所述光學(xué)元件 (5)和所述聚焦裝置(3)之間。
4.一種激光焊接系統(tǒng)，包括 激光束源(1)；適于準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀O)；和適于聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集點(diǎn)上的聚焦裝置(3)， 其中光學(xué)元件( 安置在所述激光束源(1)和所述準(zhǔn)直儀( 之間，所述光學(xué)元件適于沿著關(guān)于準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述第一方向大致垂直于準(zhǔn)直的激光束的軸延伸。
6.如權(quán)利要求4或者5所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，雙焦點(diǎn)的元件(6)安置在所述準(zhǔn)直儀⑵和所述聚焦裝置⑶之間。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)適于擴(kuò)展激光束的能量分布到待焊接的工件(4)上的至少兩個點(diǎn)上，該至少兩個點(diǎn)優(yōu)選地串聯(lián)布置。
8.如權(quán)利要求1-6之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)適于沿著待焊接的工件的至少一條線擴(kuò)展激光束的能量分布。
9.如權(quán)利要求8所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)適于沿著待焊接的工件 (4)的至少兩條線擴(kuò)展激光束的能量分布，所述至少雙條線優(yōu)選地串聯(lián)布置。
10.如權(quán)利要求1-9之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)適于沿著所述第一方向和第二方向擴(kuò)展激光束的能量分布，所述第二方向關(guān)于準(zhǔn)直的激光束的軸以及所述第一方向成一定角度延伸。
11.如權(quán)利要求10所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述第二方向大致垂直于準(zhǔn)直的激光束的軸和所述第一方向延伸。
12.如權(quán)利要求10或者11所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)適于根據(jù)待焊接的工件(4)上的立方形、矩形、梯形、橢圓形或者環(huán)形圖案的至少一個擴(kuò)展激光束的能量分布。
13.如權(quán)利要求1-12之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)是微型透鏡配置。
14.如權(quán)利要求1-12之一所述的激光焊接系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件(5)是衍射光學(xué)元件。
15.一種用于依靠激光束進(jìn)行焊接的方法，其中，所述焊接方法包括以下步驟產(chǎn)生激光束；依靠準(zhǔn)直儀( 準(zhǔn)直所述激光束；和依靠聚焦裝置C3)聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集點(diǎn)上， 其中所述準(zhǔn)直的激光束通過在所述準(zhǔn)直儀( 和所述聚焦裝置C3)之間的光學(xué)元件 (5)以為了沿著與準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。
16. 一種用于依靠激光束進(jìn)行焊接的方法，其中，所述焊接方法包括以下步驟 產(chǎn)生激光束；依靠準(zhǔn)直儀( 準(zhǔn)直激光束；和依靠聚焦裝置C3)聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集點(diǎn)， 其中，產(chǎn)生的激光束通過在激光束源(1)和準(zhǔn)直儀( 之間的光學(xué)元件(5)以為了沿著與準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光焊接系統(tǒng)，其包括激光束源、適于準(zhǔn)直激光束的準(zhǔn)直儀(2)和適于聚焦準(zhǔn)直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集點(diǎn)上的聚焦裝置(3)為了允許均勻的焊接區(qū)域，光學(xué)元件(5)安置在準(zhǔn)直儀(2)和聚焦裝置(3)之間，該光學(xué)元件適于沿著與準(zhǔn)直的激光束的軸成一定角度延伸的第一方向擴(kuò)展激光束的能量分布。根據(jù)替代解決方案，光學(xué)元件(5)安置在激光束源(1)和準(zhǔn)直儀(2)之間。
文檔編號B23K26/067GK102421564SQ201080020078
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者M.哈格, M.布雷克 申請人:泰科電子Amp有限責(zé)任公司