借助綠光波長的激光脈沖點焊尤其由銅、銅合金、金或首飾材料構成的工件的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】在用于借助波長為500至540nm的激光脈沖(31)點焊尤其由銅、銅合金、金或首飾材料構成的工件以產生大于0.5mm、優選0.8至1.3mm、特別優選大于1.3mm的焊入深度的方法中，其中，所述激光脈沖(31)具有時長在約1ms至約20ms之間的主脈沖區段(6b)，該主脈沖區段具有處于約1600W至約6000W之間的脈沖峰值功率，所述激光脈沖(31)的功率分別具有在時間上的脈沖走向，該在時間上的脈沖走向具有：在時間上的第一脈沖區段(6a)，其呈上升的脈沖邊沿的形式，用于在工件中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度；作為在時間上的第二脈沖區段的主脈沖區段(6b)，用于在工件中產生帶蒸發通道的熔池；在時間上的第三脈沖區段(6c)，其呈脈沖邊沿的形式，該脈沖邊沿首先垂直地下降到所述主脈沖區段(6b)結束時的功率的至少3/4并且接著較平緩地下降，該第三脈沖區段用于回填蒸發通道；和在時間上的第四脈沖區段(3d)，其呈低的脈沖高臺的形式，該低的脈沖高臺的高度處于所述主脈沖區段(6b)結束時的功率的1/3至1/4之間，該第四脈沖區段用于使熔液的振動衰減。
【專利說明】
借助綠光波長的激光脈沖點焊尤其由銅、銅合金、金或首飾材 料構成的工件的方法和裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種根據權利要求1和權利要求10的前序部分所述的用于借助波長為 500至540nm的激光脈沖來點焊工件的方法和裝置，所述工件尤其由銅、銅合金、金或首飾材料構成。【背景技術】[〇〇〇2] 這種方法和這種裝置例如通過S.Nakashiba等人的文章，，Micro-welding of Copper Plate by Frequency Doubled D1de Pumped Pulsed Nd:YAG Laser^,Physics Procedia，2012，Heft 39，S.577-584被已知。
[0003]銅和金的吸收在綠光波長(500至540nm)的情況下比在常見激光類型的波長(彡 1064nm)的情況下高。在用具有紅外波長(1064nm)的激光脈沖對銅進行激光焊接時，該激光脈沖的功率典型地具有梯形的“在時間上的脈沖走向”，該梯形的在時間上的脈沖走向具有:筆直上升的脈沖邊沿，用于在工件中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;平的脈沖高臺，用于在工件中產生帶蒸發通道的熔池;和筆直下降的脈沖邊沿，用于結束焊接過程。但是所焊接的工件表面具有熔化噴濺物。
[0004]在用所謂的混合激光來激光焊接時，同時用具有紅外波長(l〇64nm)的激光脈沖和具有綠光波長(532nm)的激光脈沖進行焊接，以便改善能量向銅材料中的耦入。
[0005]對于銅的所謂的微焊連接，使用具有綠光波長(500至540 nm)的激光脈沖，其中， 焊入深度最大約為〇.2mm。
[0006]使用者有時具有新的(光亮的)銅部件，有時具有經過幾天或數周的(氧化的)銅部件。因此在紅外激光加工的情況下必須使加工參數適配于工件的新舊或者說適配于表面情況。此外，在銅的新磨的表面之內，紅外激光輻射的耦入的變化強到出現焊點區別的程度。
【發明內容】
[0007]相對地，本發明的任務是，提供一種用于借助波長為500至540mm的激光脈沖來點焊工件的方法和裝置，以便尤其在焊入深度為〇.5至1.3mm時實現尺寸(焊入深度和寬度)盡可能均勻的焊點并且避免工件表面上的噴濺物并且實現盡可能與工件表面無關的焊入深度和焊點寬度。
[0008]根據本發明，該任務通過具有權利要求1特征的用于點焊工件的方法解決，所述工件尤其是由銅、銅合金、金或首飾材料構成的工件。
[0009]根據本發明，所述激光脈沖的功率可具有矩形或梯形的在時間上的脈沖走向。根據本發明的激光焊接方法適用于所有在綠光波長情況下吸收特別好的金屬。
[0010]即根據本發明，所述激光脈沖的功率分別具有一在時間上的脈沖走向，該在時間上的脈沖走向具有:在時間上的第一脈沖區段，其呈上升的脈沖邊沿的形式，該第一脈沖區段用于在工件中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;作為在時間上的第二脈沖區段的主脈沖區段，其呈高的脈沖高臺的形式，該主脈沖區段用于在工件中產生帶蒸發通道的熔池;在時間上的第三脈沖區段，其呈脈沖邊沿的形式，該脈沖邊沿首先垂直地下降到所述高的脈沖高臺結束時的功率的至少3/4并且接著較平緩地下降，該第三脈沖區段用于回填蒸發通道;在時間上的第四脈沖區段，其呈低的脈沖高臺的形式，該低的脈沖高臺的高度為所述高的脈沖高臺結束時的功率的1/3至1/4之間，該第四脈沖區段用于使熔液的振動衰減。即在該脈沖走向的情況下，該綠色的激光脈沖的功率并不具有如在紅外激光脈沖情況下的那種矩形或梯形的在時間上的脈沖走向，而是脈沖功率在高的脈沖高臺結束時首先垂直地下降并且接著較平緩地下降，由此使蒸發通道經過較長的時間段回復原狀，然后轉變成低的脈沖高臺，由此使熔液的冷卻和凝固(即熔液的振動衰減)延長經過較長的時間段。延遲的蒸發通道回復和延遲的熔液振動衰減阻礙熔液的噴發，使得不會在工件表面上形成噴濺物或僅形成少量的噴派物。因此，熱量向所述材料中的流入以及熱量的回流通過特定地在時間上適配的激光脈沖功率走向來確定。[〇〇11]優選，所述主脈沖區段構造為水平的脈沖高臺或上升的脈沖高臺，并且在全部的焊入深度的情況下都選擇成這么高，使得剛好不形成任何噴濺物。第二主脈沖區段的時長越長，則焊入深度越深。所述脈沖高臺結束時的脈沖功率或者說脈沖峰值功率很大程度上取決于焦點位置。
[0012]優選，第一脈沖區段的上升的脈沖邊沿在邊沿開始時具有比在邊沿結束時大的斜度。因此，該走向跟隨自然的向工件中的能量親入。這意味著，較陡的走向可能也沒什么不同地被接收到所述材料中，并且提供的能量可能被浪費。因此，邊沿結束時的小的斜度導致節省了所述激光脈沖的能量。因為在從液相到氣相相變時由于蒸發通道中形成的多重反射而使所述吸收階躍地上升，所以只要工件中已達到蒸發溫度，就可減慢地或筆直地進行為產生蒸發通道所需的進一步的功率提升。
[0013]如試驗已顯示的那樣，第三和第四脈沖區段的時長基本上與之前的脈沖區段的時長無關。取而代之地，該時長與蒸發通道的深度有關。第三脈沖區段的時長優選處于約 0.3ms至約4ms之間，而第四脈沖區段的最短時長優選處于約0.5ms至約3ms之間。第四脈沖區段的更長的時長是可能的，但是不起作用。
[0014]完全特別優選地，將所述激光脈沖分別以鐘形的功率密度分布成像到工件表面上，該鐘形的功率密度分布在工件表面上導致逐漸地(即不突然地)從內向外下降的溫度輪廓。溫度柔和地向外下降阻礙熔液的噴發，使得不會在工件表面上形成噴濺物或僅形成少量噴濺物。所述蒸發通道相應于該溫度分布成形并且為激光提供均勻的、傾斜的吸收面。
[0015]為了在工件表面上實現所述功率密度分布，將光導纖維中被引導向工件的激光脈沖在其從該光導纖維射出之后在射到工件表面上之前優選擴寬到光纖直徑的至少二至四倍。[0〇16] 在一種變型中，以頂帽分布(Top-Hat-Verteilung)從所述光導纖維中射出的激光脈沖的直徑擴寬通過將該激光脈沖的焦點相應遠地布置在工件表面的上方或下方、即通過激光脈沖在工件表面上的散焦，或通過有意地產生這種功率密度分布的擴寬光具，或通過使用梯度折射率光纖來進行。
[0017]本發明在另一方面也涉及適用于實施根據本發明的點焊方法的、具有權利要求11 特征的激光焊接裝置。
[0018]即根據本發明設置有脈沖功率，該脈沖功率的在時間上的脈沖走向具有:在時間上的第一脈沖區段，其呈上升的脈沖邊沿的形式，該第一脈沖區段用于在工件中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;作為在時間上的第二脈沖區段的主脈沖區段，其呈高的脈沖高臺的形式，該主脈沖區段用于在工件中產生帶蒸發通道的熔池;在時間上的第三脈沖區段， 其呈脈沖邊沿的形式，該脈沖邊沿首先垂直地下降到所述高的脈沖高臺結束時的功率的至少3/4并且接著較平緩地下降，所述第三脈沖區段用于回填所述蒸發通道;和在時間上的第四脈沖區段，其呈低的脈沖高臺的形式，該低的脈沖高臺的高度處于所述高的脈沖高臺結束時的功率的1/3至1/4之間，用于使熔液的振動衰減。[〇〇19]在優選實施方式中，為了將激光脈沖從激光射束產生器引導向工件而設置有光導纖維。該光導纖維例如可為階躍光纖，具有頂帽輪廓的激光脈沖從該階躍光纖中射出。
[0020]在擴展方案中，在該光導纖維后面布置有例如呈透鏡形式的聚焦光具，該聚焦光具在頂帽分布的情況下將焦點直徑最大成像成相同的光纖直徑或成像成較小的光纖直徑。 照射直徑通過散焦擴寬到光纖直徑的至少二至四倍。在替代的擴展方案中，鐘形分布也可通過布置在后面的、例如呈透鏡形式的聚焦光具成像，該聚焦光具的特性是在焦點中產生相對于所述光導纖維改變的功率密度分布。照射直徑在此處于〇.2至0.8mm之間，并且工件位于焦點附近。
[0021]本發明的其他優點從權利要求書，說明書和附圖得到。之前提到的特征以及之后還會舉出的特征同樣可單獨地使用或針對多個特征的情況以任意組合使用。示出和描述的實施方式不視為窮舉，而是僅具有用于描述本發明的示例性特性。【附圖說明】[〇〇22] 附圖示出:[〇〇23]圖la，lb根據本發明的激光焊接裝置(圖la)，其用于借助波長為500至540nm的激光脈沖進行點焊，以及工件表面上的、按位置的功率密度分布(圖lb);
[0024]圖2a_2c根據本發明的不同的激光脈沖的功率在時間上的脈沖走向，所述激光脈沖用于以〇.8mm(圖2a)，1mm(圖2b)以及1.3mm(圖2c)的焊入深度點焊工件；[〇〇25]圖3根據本發明的點焊方法中的不同階段。
[0026]在后面的附圖描述中，對于相同或功能相同的構件使用相同的附圖標記。【具體實施方式】[〇〇27]在圖la中示出的激光焊接裝置1用于借助具有500至540nm綠光波長的激光脈沖3 點焊兩個尤其由銅、銅合金、金或首飾材料構成的工件2。該激光焊接裝置1包括用于產生激光脈沖3的激光射束產生器4和光導纖維5,該光導纖維將激光脈沖3從激光射束產生器4引導向工件2。激光射束產生器4可為頻率加倍的固體激光器(例如波長為1064nm的Nd: YAG激光器)，該固體激光器在頻率加倍后射出532nm的綠光波長。光導纖維5例如可為階躍光纖， 具有頂帽輪廓的激光脈沖3從該階躍光纖中射出。該激光脈沖3具有lms至20ms之間的脈沖時長，0.5kW至6kW之間的脈沖功率并且在單個脈沖(Einzelpuls)之間具有0至600W之間的平均功率。[〇〇28]在圖2a_2c中示出不同激光脈沖、32、33的功率的在時間上的脈沖走向，這些激光脈沖由激光焊接裝置1產生，用于以不同的焊入深度進行激光焊接。圖2a示出用于0.8mm焊入深度的激光脈沖3i的在時間上的脈沖走向，圖2b示出用于1mm焊入深度的激光脈沖32的在時間上的脈沖走向，而圖2c示出用于1.3mm焊入深度的激光脈沖33的在時間上的脈沖走向。 [〇〇29]所述激光脈沖、32、33的在時間上的脈沖走向包括:在時間上的第一脈沖區段6a， 其呈上升的脈沖邊沿的形式，用于在工件2中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;在時間上的第二脈沖區段(主脈沖區段)6b，其呈高的脈沖高臺的形式，用于在工件2中產生帶蒸發通道(鎖眼，keyhole)的熔池;在時間上的第三脈沖區段6c，其呈脈沖邊沿的形式，該脈沖邊沿首先垂直地下降到所述高的脈沖高臺結束時的功率的至少3/4并且接著較平緩地下降，該第三脈沖區段用于回填蒸發通道;和在時間上的第四脈沖區段6d，其呈低的脈沖高臺的形式，該低的脈沖高臺的高度處于所述高的脈沖高臺結束時的功率的1/3至1/4之間，所述第四脈沖區段用于使熔液的振動衰減。
[0030]在激光脈沖34P32的情況下，第一脈沖區段6a的上升的脈沖邊沿具有兩個帶有不同斜度的邊沿段6a1;6a2,即:較陡地上升的第一邊沿區段6ai，用于在工件2中產生熔化溫度;和不那么陡地上升的第二邊沿區段6a2,用于在工件2中產生蒸發溫度。而在激光脈沖33 的情況下，第一脈沖區段6a的上升的脈沖邊沿連貫地具有相同的斜度。[〇〇31]然后，第一脈沖區段6a的上升的脈沖邊沿轉變成主脈沖區段6b的高的脈沖高臺， 具體地說或者如在激光脈沖31、32的情況下那樣轉變成水平的高臺或者如在激光脈沖33的情況下那樣轉變成上升的高臺。主脈沖區段6b的時長越長，則焊入深度越深。優選地，主脈沖區段的時長為約lms至約20ms之間。所述高的脈沖高臺結束時的脈沖功率很大程度上取決于焦點位置并且優選為1600W至6000W之間。[〇〇32]在全部的激光脈沖3^3^33的情況下，第三脈沖區段6c都具有垂直地下降到所述高的脈沖高臺結束時的功率的至少3/4的邊沿區段6C1，該邊沿區段隨后轉變成較平緩地下降的邊沿區段6c2。第三脈沖區段6c的時長優選處于約0.3ms至約4ms之間，而第四脈沖區段 6d的最短時長優選處于約0.5ms至約3ms之間。第四脈沖區段6d的更長的時長是可能的，但是不起作用。[〇〇33]如在圖lb中示出的那樣，激光脈沖3^3^33以鐘形功率密度分布成像到工件表面7 上，該鐘形功率密度分布導致逐漸地(即不突然地)從內向外下降的溫度輪廓。溫度柔和地向外下降阻礙熔液的噴發，使得不會在工件表面7上形成噴濺物或僅形成少量噴濺物。為了實現工件表面7上的鐘形的功率密度分布，將激光脈沖3散焦為具有擴寬到光纖直徑的至少二至四倍的直徑地到成像工件表面7上。即在光纖直徑為約100-200M1時，激光脈沖3以200-800wii的直徑成像到工件表面7上。在光導纖維5和工件2之間布置有擴寬光具8(例如具有準直透鏡和聚焦透鏡的透鏡光具)。以頂帽分布從光導纖維5射出的激光脈沖3的直徑擴寬通過將激光脈沖3的焦點相應遠地布置在工件表面7的上方，即通過激光脈沖3相對于工件表面7的散焦來進行。
[0034]圖3示意性地示出在根據本發明的點焊方法中工件2的不同階段(a)至(e):[〇〇35]通過涉及的第一脈沖區段6a將上面的工件2首先從工件表面7開始熔化，使得形成熔液9(階段(a))，然后該熔液也開始蒸發。[〇〇36]第二脈沖區段6b在熔液9中附加地構成蒸發通道(鎖眼)10(階段(b))并且構成用于產生熔池的、真正的主脈沖。所述蒸發通道10延伸直到下面的工件2中。
[0037]所述主脈沖通過第三脈沖區段6c的垂直的脈沖邊沿6C1終止，并且第三脈沖區段 6c的較平緩地下降的脈沖邊沿6c2引起蒸發通道10經過較長的時間段回復原狀(階段(c)， 由此僅出現熔液9弱的噴發并且僅出現少量的噴濺物。
[0038]通過第四脈沖區段6d的低的高臺使熔液9經過較長的時間段冷卻(階段(d))，由此在沒有噴濺物的情況下實現熔液9的緩慢的振動衰減和凝固(階段(e))。[〇〇39]在按位置和在時間上的溫度引導的組合，與通過激光的波長使能量被可靠地接收到工件2中相結合，使得能實現無噴濺物的、并且產生在尺寸方面可重復的焊點11的激光焊接方法。如試驗已進一步示出的那樣，不同于“紅外”焊點，“綠光”焊點11與工件表面的情況無關并且具有高的直徑恒定性。在所述激光焊接的情況下，在熔化溫度下構成另一表面，確切地說在用紅外激光輻射焊接時構成很好的并且完全光滑的鏡面，而在用綠色的激光輻射焊接時構成不那么好的并且拱曲的鏡面，該鏡面與原始的表面情況無關。
【主權項】
1.用于借助波長為500至540nm的激光脈沖(3^ 32,33 )來點焊工件(2)以產生大于 0 ? 5mm、優選0 ? 8至1 ? 3mm、特別優選大于1 ? 3mm的焊入深度的方法，所述工件尤其由銅、銅合 金、金或首飾材料構成，其中，所述激光脈沖(3i，32，33)具有時長在約lms至約20ms之間的主 脈沖區段(6b)，該主脈沖區段具有約1600W至約6000W之間的脈沖峰值功率，其特征在于，所述激光脈沖(，32，33)的功率分別具有在時間上的脈沖走向，該在時間 上的脈沖走向具有:在時間上的第一脈沖區段(6a)，其呈上升的脈沖邊沿的形式，該第一脈 沖區段用于在所述工件(2)中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;作為在時間上的第二脈 沖區段的所述主脈沖區段(6b)，該主脈沖區段用于在所述工件(2)中產生帶蒸發通道(10) 的熔池;在時間上的第三脈沖區段(6c)，其呈脈沖邊沿的形式，該脈沖邊沿首先垂直地下降 到所述主脈沖區段(6b)結束時的功率的至少3/4并且接著較平緩地下降，該第三脈沖區段 用于回填所述蒸發通道(10);和在時間上的第四脈沖區段(3d)，其呈低的脈沖高臺的形式， 該低的脈沖高臺的高度處于所述主脈沖區段(6b)結束時的功率的1/3至1/4之間，該第四脈 沖區段用于使熔液(9)的振動衰減。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述主脈沖區段(6b)構造為水平的脈沖高 臺或上升的脈沖高臺。3.根據權利要求1或2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一脈沖區段(6a)的上 升的脈沖邊沿在邊沿開始時具有比在邊沿結束時大的斜度。4.根據前述權利要求中任一項所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第三脈沖區段 (6c)的時長為約0.3ms至約4ms之間。5.根據前述權利要求中任一項所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第四脈沖區段 (6d)具有約0.5ms至約3ms之間的最小時長。6.根據前述權利要求中任一項所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光脈沖(3i， 32，33)分別以鐘形的、按位置的功率密度分度成像到工件表面(7)上。7.根據權利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述工件表面(7)上的鐘形的、按 位置的功率密度通過以所述激光脈沖(3^32,33)的頂帽分布對焦點進行散焦來產生。8.根據權利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，鐘形的、按位置的功率密度通過 透鏡光具(8)產生，所述透鏡光具在焦點中由所述激光脈沖(3l，32,33)的頂帽分布產生所述 工件表面(70)上的鐘形分布。9.根據前述權利要求中任一項所述的激光焊接方法，其特征在于，在光導纖維(5)中被 引導的激光脈沖(3^32,33)在其射到工件表面(7)上之前被擴寬到光纖直徑的至少二至四倍。10.根據權利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，從所述光導纖維(5)射出的激光 脈沖(3^32,33)的所述直徑擴寬通過將該激光脈沖(3^32,33)的焦點相應遠地布置在工件 表面(7)的上方來進行。11.用于對工件(2)進行激光焊接的激光焊接裝置(1)，所述工件尤其是由銅、銅合金、 金或首飾材料構成的工件，所述激光焊接裝置具有用于產生激光脈沖(3^32,33)的激光射 束產生器(4)，所述激光脈沖具有500至540nm的波長并且具有時長在約lms至約20ms之間的 主脈沖區段(6b)，該主脈沖區段的脈沖峰值功率處于約1600W至約6000W之間，其特征在于，所述激光脈沖(，32，33)的功率分別具有在時間上的脈沖走向，該在時間上的脈沖走向具有:在時間上的第一脈沖區段(6a)，其呈上升的脈沖邊沿的形式，該第一脈 沖區段用于在所述工件(2)中產生熔化溫度并接著產生蒸發溫度;作為在時間上的第二脈 沖區段(6b)的所述主脈沖區段(6b)，其呈高的脈沖高臺的形式，該主脈沖區段用于在所述 工件(2)中產生帶蒸發通道(10)的熔池;在時間上的第三脈沖區段(6c)，其呈脈沖邊沿的形 式，該脈沖邊沿首先垂直地下降到所述高的脈沖高臺結束時的功率的至少3/4并且接著較 平緩地下降，該第三脈沖區段用于回填蒸發通道;和在時間上的第四脈沖區段(3d)，其呈低 的脈沖高臺的形式，該低的脈沖高臺的高度處于所述高的脈沖高臺結束時的功率的1/3至 1/4之間，該第四脈沖區段用于使熔液(9)的振動衰減。12.根據權利要求11所述的激光焊接裝置，其特征在于，設置有光導纖維(5)，其用于將 所述激光脈沖(，32，33)從所述激光射束產生器(4)引導向所述工件(2)。13.根據權利要求12所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光脈沖(3^32,33)以散 焦成具有擴寬到光纖直徑的至少二至四倍的直徑的方式射到所述工件表面(7)上。14.根據權利要求13所述的激光焊接裝置，其特征在于，在所述光導纖維(5)之后布置 有擴寬光具(8)，所述擴寬光具將射到所述工件表面(7)上的激光脈沖(，32，33)的直徑擴 寬到光纖直徑的至少二至四倍。
【文檔編號】B23K103/12GK105980100SQ201580006776
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年1月13日
【發明人】E·D·凱澤
【申請人】通快激光有限責任公司