專利名稱：激光焊接裝置,氣體屏蔽裝置和用于控制激光焊接裝置的方法
技術領域：
本發明涉及激光焊接裝置，氣體屏蔽裝置和用于控制激光焊接裝置的方法。
激光焊接技術使用具有105-106W/cm2的高能量密度的激光束，這等于電子束的能量密度。因為激光焊接技術還使用快速加熱處理，因而，和其它的焊接技術相比，只需要1/10的功率被輸入到要被焊接的部件中，其不會使部件發生熱變形，并且幾乎永遠不會使部件受到熱影響。因此，激光焊接技術可以在大氣中以高的速度精確地焊接由金屬材料制成的部件。具體地說，在使用YAG激光的激光技術中，因為YAG激光束被以高的程度被吸收進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，因為激光束可以通過光纖傳輸，所以YAG激光焊接技術在其焊接位置和焊接結構方面具有大的自由度。由上述的優點看來，激光焊接技術被認為是一種有前途的用于制造精密的結構物體的焊接技術。
然而，雖然激光技術具有上述的優點，但是，迄今為止，由于下述原因，激光技術幾乎根本不適用于制造結構物體首先，和使用螺栓和螺母的機械連接技術相比，激光焊接技術通過焊接可以制造小的結構物體，因而提高制造效率，但是其具有復雜的焊接處理現象，因此難于借助于視覺檢查判斷激光焊接技術的焊接質量，因此，需要使用各種設備進行非破壞性或破壞性試驗，并且有時需要進行耐用性評價或者環境耐受性評價。結果，激光焊接技術在評價焊接質量時需要大量時間。
此外，在激光焊接技術中，因為使用具有不大于1mm的光點直徑的激光束，所以焊珠的寬度非常小。因此，要被焊接的部件之間的間距必須被高度精確地控制。此外，因為焊接質量可以受要被焊接的部件的尺寸的波動和焊接處理條件的微小的差別的影響，所以部件的尺寸和焊接處理條件必須被嚴密地監視。此外，在激光焊接技術中，因為要被使用的激光束具有小的光點尺寸，它們必須高度精確地沿著焊縫移動，因而，激光束的位置必須被高度精確地控制和確定。從激光束位置的精確控制和確定方面看來，嘗試精確地制造構成激光焊接裝置的零件，并在激光焊接裝置上提供夾具。此外，還嘗試利用檢測器對焊接位置進行反饋控制。然而，上述裝置需要高的成本，因而不能普遍采用。
此外，雖然在激光焊接技術中，可以在大氣中進行焊接處理，這在電子束焊接技術中是不可能的，但是大氣焊接可能在由金屬材料制成的要被焊接的部件的焊接部分通過氧化形成氧化膜和離析化合物。因此，如果通過上述的大氣焊接處理制造超真空設備，例如用于觀察磁膜中的鈉米數量級的磁狀態的掃描電子顯微鏡或旋轉電子顯微鏡，可能從氧化膜中發出各種氣體，和在設備的焊接部分形成的離析化合物，因而使設備的可靠性變劣。因而，需要抑制氧化膜的形成并把離析化合物減到最小。
按照常規，為了阻止氧化膜和離析化合物的形成要被焊接的每個部分被設置在鋼制的殼體中，然后，把鋼制殼體抽空，在具有抗氧化物屏蔽氣體的環境中進行激光焊接處理。然而，這種常規的方法需要大的和復雜的設備。
本發明的目的在于提供一種激光焊接裝置、氣體屏蔽裝置和用于控制激光焊接裝置的方法，其具有上述的激光焊接技術的優點，而沒有上述激光焊接技術的缺點，并且可以在制造超高真空裝置例如掃描電子顯微鏡，旋轉電子顯微鏡或和電子顯微鏡相連的電子旋轉分析儀中加以利用。
為了實現上述目的，本發明提供一種激光焊接裝置，所述裝置包括激光焊頭和激光焊頭位置控制裝置，所述激光焊頭包括激光照射本體，其具有惰性氣體噴嘴，用于向要被焊接的部分噴射惰性氣體，還具有在所述惰性氣體噴嘴的外側的至少一個屏蔽氣體噴嘴，用于向焊接部分的周圍區域噴射屏蔽氣體，以及多個半導體激光器，用于振蕩用于測量要被焊接的部件的焊接狀態的多個直線激光束，所述激光焊頭位置控制裝置包括成像裝置，所述成像裝置中具有帶通濾波器，以便只使反射的直線激光束通過，從而利用反射的激光束作為圖像拍攝被測量的焊接狀態，以及圖像處理器，用于處理被測量的焊接狀態的圖像。
其中的術語“半導體激光器”也包括“發光二極管(LED)”。
此外，本發明涉及一種用于激光焊接的氣體屏蔽裝置，包括惰性氣體噴嘴，用于對要被焊接的部件的焊接部分噴射惰性氣體，還包括在所述惰性氣體噴嘴的外側的至少一個屏蔽氣體噴嘴，用于向焊接部分的周圍區域噴射屏蔽氣體，此外，本發明還提供一種用于控制激光焊接裝置的方法，包括以下步驟從被提供在激光焊接裝置上的多個半導體激光器向要被焊接的部件的焊接部分照射多個直線激光束，作為圖像把來自焊接部分的反射的直線激光束輸入到被提供在激光焊接裝置上的成像裝置中，在被提供在激光焊接裝置上的圖像處理器中處理所述的圖像，根據處理的圖像計算焊接部分的狀態，以及控制被提供在激光焊接裝置上的激光焊頭。
如上所述，因為要在激光焊接技術中使用的激光束具有小于1mm的光點尺寸，所以要被焊接的兩個部件之間的間隙必須被合適地監視，并且必須精確地確定激光束的位置。
一般地說，在激光焊接處理中，能夠被焊接的間隙的寬度在要要被焊接的每個部件的厚度的10％以內，或者在激光束的聚焦的光點尺寸的50％以內，并且激光位置的精度在聚焦的光點尺寸的1/3以內。因此，為了進行正確的焊接處理，間隙寬度必須高度精確，并且必須以不大于5/100mm的位置精度沿著焊縫進行激光束跟蹤。此外，對于要被焊接的部件的激光束的角度和激光焊頭的高度必須被控制。
由上述要求看來，在本發明的激光焊接裝置中提供激光焊頭位置控制裝置。所述激光焊頭位置控制裝置包括其中具有帶通濾波器的成像裝置以及圖像處理器，并檢測要被焊接的部件的焊接狀態，例如焊縫軌跡，要被焊接的部件的高度和角度。
此外，為了減少焊接狀態的計算量，需要使用要被焊接的部件的CAD數據。即，根據CAD數據計算要被焊接的部件之間的交線或交面的形狀和尺寸。在另一方面，根據CAD數據計算激光焊頭的絕對位置和角度。CAD數據和檢測的數據可以作為用于進行焊接處理的NC數據被提供。結果，可以縮短焊接處理的操作時間，并且可以改善具有復雜的形狀例如球形和圓柱形的部件的焊接處理的重復性和可靠性。
此外，為了阻止在焊接處理中形成氧化膜和離析化合物，提供用于以層流的方式向要被焊接的部件的焊接部分噴射屏蔽氣體例如抗氧化氣體的噴嘴。在這種情況下，因為在使要被焊接的部件的焊接部分幾乎完全和外部空氣隔離的狀態下進行焊接處理，所以可以阻止要被焊接的部件的焊接部分的氧化，因而，可以抑制氧化膜和離析化合物的形成。因此，按照本發明可以制造實用的超高真空設備等等。
為了更好地理解本發明，可以參看附圖，其中
圖1表示在本發明的激光焊接裝置中的激光焊頭；圖2是表示正在進行按照本發明的激光焊接處理的狀態的平面圖；圖3是表示在本發明的激光焊接裝置中的激光焊頭的基本元件的結構圖；圖4是表示圖3所示的激光焊頭的激光照射開口的截面圖；圖5是表示圖4的激光照射開口的平面圖；以及圖6是表示本發明的激光焊接裝置中的另一種激光焊頭的激光照射開口的截面圖。
下面參照附圖詳細說明本發明。
圖1表示在本發明的激光焊接裝置中的激光焊頭的結構。圖1所示的激光焊頭具有包括YAG激光入口5和激光出口6的激光照射本體1，半導體激光裝置2和3，作為光源用于測量要被焊接的部件的焊接狀態，此外，作為成像裝置的CCD照相機4和激光焊頭相連。CCD照相機4構成本發明中的激光焊頭位置控制裝置，并接收來自半導體激光器的激光束。激光焊頭位置控制裝置還具有未示出的用于處理圖像的圖像處理器。來自激光振蕩器(未示出)例如YAG激光器的激光束通過光纖(未示出)被引入激光入口5，然后，這樣獲得的放大的激光束在激光照射本體1中被聚焦，并從激光出口6照射到要被焊接的部件上。
半導體激光器2和3把它們的直線激光束例如對于要被焊接的部件呈45度角的傾斜方向照射到要被焊接的部件上，使得激光束和焊縫垂直。CCD照相機4檢測從要被焊接的部件反射的激光束，從而拍攝要被焊接的部件的狀態的圖像。此外，CCD照相機4中具有帶通濾波器，從而只通過來自半導體激光器的激光束，并因而只檢測反射的激光束，并拍攝圖像，而不會干擾外部光和焊接激光束。所述圖像被傳送到上述的被提供在激光焊頭位置控制裝置上的圖像處理器，并在其中進行處理，以便確定直線激光束之間的距離、直線激光束的相對位置和絕對位置以及直線激光束的寬度和形狀。
圖2是表示要被焊接的部件11和12的表面狀態的平面圖。在本實施例中，進行鄰接焊接處理，因而部件11和12被分開，并設置有間距13。當直線激光束14和15以45度的傾斜方向照射到部件11和12上時，它們以間距13斷開。當照射的激光束的斷開狀態被CCD照相機拍攝時，斷開狀態的圖像在圖像處理器中被處理，并且部件11，12和直線激光束14，15之間的交點可以根據處理的圖像被計算和確定。如果焊接處理要沿直線方向進行，則由交點確定焊縫。因為直線激光束以傾斜方向被照射，部件11和12的表面的傾斜度由直線激光束的寬度確定，并且部件的表面的高度由直線激光束的絕對位置確定。用這種方式，要被焊接的部件的表面的構型、傾斜度、高度和位置以及焊縫由直線激光束之間的距離、直線激光束的相對位置和絕對位置、以及每個直線激光束的寬度和形狀確定。
在上述的焊接處理中，需要計算要被焊接的部件之間的交線或交面的形狀和尺寸，并由CAD數據監視，并計算交線或交面的絕對位置和角度，并通過上述的檢測數據被監視。在這種情況下，激光焊頭被這樣控制，使得焊接激光束可以跟蹤焊縫。使用CAD數據能夠使被引入的圖像被以高速處理，因而能夠縮短焊接操作的時間。此外，對于具有復雜形狀的部件例如球形或圓柱形的部件，可以提高焊接處理的重復性和可靠性。雖然在上述實施例中使用兩個直線激光束，但是可以使用3個或3個以上的激光束。
下面說明氣體屏蔽機構。
圖3是表示本發明的激光焊接裝置中的激光焊頭的基本部件的示意圖。在圖3中，激光焊頭21具有作為會聚光學系統的會聚透鏡22和在其激光照射本體中的噴嘴23。沿著箭頭方向行進的激光束24通過會聚透鏡22被聚焦在要被進行鄰接焊接的平面部件25-1和25-2或其附近分區域上，從而形成聚焦的光點24sp。部件25-1和25-2借助于激光束24的照射被局部熔化。可以使用基于反射鏡的光學系統作為會聚光學系統。
圖4和圖5分別是激光焊頭21的激光照射開口的截面圖和平面圖。如圖4和圖5所示，惰性氣體噴嘴26被提供在噴嘴23的中心。惰性氣體噴嘴26作為用于要被焊接的部件25-1和25-2的會聚激光束照射開口并作為壓縮惰性氣體的圓柱形噴射開口。在這種情況下，會聚的激光束的軸線Y1基本上相應于惰性氣體噴嘴26的軸線Y。
此外，在惰性氣體噴嘴26的外側，同心地提供有至少一個屏蔽氣體噴嘴27。屏蔽氣體噴嘴27圓柱形地對要被焊接的部件噴出壓縮的惰性氣體。在圖4和圖5中，提供有一個屏蔽氣體噴嘴27-1。圖6表示另一種激光照射開口，在圖6中，噴嘴33具有兩個屏蔽氣體噴嘴37-1和37-2。
下面說明使用上述的氣體屏蔽裝置的激光焊接處理。
在焊接處理期間，激光束24由激光振蕩器(未示出)例如CO2激光器或YAG激光器振蕩，并通過會聚透鏡22會聚。會聚的激光束24通過惰性氣體噴嘴26照射要被焊接的部件25-1和25-2(焊縫X)。在本實施例中，聚焦光點24sp被形成在要被焊接的部件稍微偏上或偏下的位置。
在激光束照射的同時，具有被調節的計量壓力p1的惰性氣體Ig1從噴嘴26對著相應于焊接部分的熔化部分噴出，具有其各自的被調節的計量壓力p2，p3的壓縮的屏蔽氣體Ig2，Ig3以層流的方式呈圓柱形對著熔化部分的周圍區域噴出。
在這種情況下，屏蔽氣體Ig2，Ig3覆蓋惰性氣體Ig1。此外，氣體Ig1-Ig3最好以連續的氣流的形式被噴出，并且最好由N2氣，Ar氣或He氣構成。為了在噴嘴和要被焊接的部件之間形成穩定的屏蔽狀態，需要由調節器控制計量壓力p1-p3，使得滿足關系p1＞p2≥p3。以圓柱形從噴嘴23和33噴出的屏蔽氣體Ig2和Ig3以及以圓柱形噴出的惰性氣體Ig1在要被焊接的部件周圍形成強大的屏蔽，從而使熔化的部分和外部空氣隔離。此外，因為氣體在被噴射到要被焊接的部件25-1，25-2之后便被排放到外部，所以幾乎可以消除和熔化的部分進行化學反應的氣體，特別是可以消除來自附近區域的使熔化的部分進行氧化反應的氣體。
結果，在要被焊接的部件的焊接部分(在本實施例中圖3的焊珠25b)不會形成氧化物或其它的化學化合物，并且可以抑制形成濺污，從而可以獲得好的焊接質量。此外，在這種情況下，因為使用裝在激光焊頭內的噴嘴23或33進行屏蔽處理，所以不不需要另外的空間，因而可以減小激光焊頭的體積和制造成本。并且由于具有小的結構，可以用好的質量精確地焊接小的部件。
在本發明中，需要在屏蔽氣體噴嘴27或37的外側提供抽氣噴嘴28或38。抽氣噴嘴抽吸并排空要被焊接的部件周圍的氣體，例如惰性氣體，屏蔽氣體等。因而，惰性氣體和屏蔽氣體可以被穩定地供應并被噴射到要被焊接的部件的周圍的區域，因而，可以更充分地使要被焊接的部件和外部空氣隔離。此外，可以阻止在熔化的部分附近的湍流，因而，可以更有效地抑制氣體對熔化的部分的擴散和污染。
在如圖6所示的具有兩個屏蔽氣體噴嘴37-1，37-2的噴嘴33中，抽氣噴嘴38最好被提供在噴嘴37-1和37-2之間，用于產生氣體屏蔽效果。
如上所述，惰性氣體噴嘴和氣體屏蔽噴嘴被同心地提供，這使得能夠維持均勻的氣體屏蔽。類似地，需要各個噴嘴具有圓柱形的開口。
如上所述，為了使被焊接的熔化的部分和外部空氣隔離，最好滿足p1＞p2≥p3的關系。
雖然本發明參照上述的例子進行了詳細說明，但是，本發明不限于上述的例子，不脫離本發明的構思，可以作出許多改變和改型。例如，使用具有多于一個的上述焊頭的激光焊接裝置，可以精確地實現高質量的同時多點焊接。此外，如果調節激光束的功率，則可以進行重疊焊接和深焊接。
如上所述，按照本發明，激光焊接處理可以被高度精確地進行。此外，因為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離析化合物，所以使用本發明的焊接處理可用于制造要求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，還可以用于制造Mott散射檢測器或用于制造在上述超高真空或甚高真空環境中使用的小型超精密儀器。
權利要求
1.一種激光焊接裝置，所述裝置包括激光焊頭和激光焊頭位置控制裝置，所述激光焊頭包括激光照射本體，其具有惰性氣體噴嘴，用于向要被焊接的部分噴射惰性氣體，還具有在所述惰性氣體噴嘴的外側的至少一個屏蔽氣體噴嘴，用于向焊接部分的周圍區域噴射屏蔽氣體，以及多個半導體激光器，用于振蕩用于測量要被焊接的部件的焊接狀態的多個直線激光束，所述激光焊頭位置控制裝置包括成像裝置，所述成像裝置中具有帶通濾波器，以便只使反射的直線激光束通過，從而利用反射的激光束作為圖像拍攝被測量的焊接狀態，以及圖像處理器，用于處理被測量的焊接狀態的圖像。
2.如權利要求1所述的激光焊接裝置，其中所述激光焊頭還包括被設置在惰性氣體噴嘴外側的同心的抽氣噴嘴。
3.如權利要求2所述的激光焊接裝置，其中抽氣噴嘴被提供在內屏蔽氣體噴嘴和外屏蔽氣體噴嘴之間。
4.一種用于激光焊接的氣體屏蔽裝置，包括惰性氣體噴嘴，用于對要被焊接的部件的焊接部分噴射惰性氣體，還包括在所述惰性氣體噴嘴的外側的至少一個屏蔽氣體噴嘴，用于向焊接部分的周圍區域噴射屏蔽氣體。
5.一種用于控制激光焊接裝置的方法，包括以下步驟從被提供在激光焊接裝置上的多個半導體激光器向要被焊接的部件的焊接部分照射多個直線激光束，作為圖像把來自焊接部分的反射的直線激光束輸入到被提供在激光焊接裝置上的成像裝置中，在被提供在激光焊接裝置上的圖像處理器中處理所述的圖像，根據處理的圖像計算焊接部分的狀態，以及控制被提供在激光焊接裝置上的激光焊頭。
6.如權利要求5所述的控制方法，其中焊接部分的狀態根據它們的CAD數據計算。
全文摘要
一種激光焊接裝置包括激光焊頭和激光焊頭位置控制裝置。所述激光焊頭包括激光照射本體,其具有惰性氣體噴嘴,用于向要被焊接的部分噴射惰性氣體,還具有在所述惰性氣體噴嘴的外側的至少一個屏蔽氣體噴嘴,用于向焊接部分的周圍區域噴射屏蔽氣體,以及多個半導體激光器,用于振蕩用于測量要被焊接的部件的焊接狀態的多個直線激光束。所述激光焊頭位置控制裝置包括成像裝置,所述成像裝置中具有帶通濾波器。
文檔編號B23K26/03GK1345647SQ01117910
公開日2002年4月24日 申請日期2001年5月11日 優先權日2000年5月11日
發明者武笠幸一, 池田正幸, 末岡和久, 上田映介, 上遠野久夫, 武藤征一 申請人:北海道大學