用于依靠激光束进行焊接的激光焊接系统和方法

摘要

本发明涉及一种激光焊接系统，其包括激光束源、适于准直激光束的准直仪(2)和适于聚焦准直的激光束到待焊接的工件(4)上的聚集点上的聚焦装置(3)为了允许均匀的焊接区域，光学元件(5)安置在准直仪(2)和聚焦装置(3)之间，该光学元件适于沿着与准直的激光束的轴成一定角度延伸的第一方向扩展激光束的能量分布。根据替代解决方案，光学元件(5)安置在激光束源(1)和准直仪(2)之间。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接系统，其包括激光束源、适于使得激光束准直的 准直仪和适于聚焦准直后的激光束到待焊接的工件上的聚集点的聚焦装 置。而且，本发明还涉及用于依靠激光束进行焊接的相应的方法。

背景技术

用于依靠激光束进行焊接的方法是用于接合不同的工件在一起的焊接 方法。激光束提供聚集的热源，其允许薄且深的焊缝。激光焊接工艺常用 于与大量(large quantities)相关的场合，例如汽车工业。

使用的激光束具有典型地在大约1MW/cm²的功率密度。这样，小的区 域通过聚集的激光束热量施以影响。激光束的宽度在例如0.2毫米和13毫 米之间变化，尽管更小的宽度可以用于焊接工艺中。由激光束发出的热的 穿透深度与提供的能量大小成比例，并且还取决于聚焦点的位置。当聚焦 点被优化设置时，获得最大穿透深度。

连续的或者脉冲的激光束可以基于实际应用进行使用。毫秒长的脉冲 用于将薄的材料例如示例性的刀片彼此焊接，而连续激光系统用于深的焊 缝。

激光焊接方法是能够焊接例如碳钢、高等级钢、铝、钛和塑料的多变 化的工艺。焊接速度与发出的能量大小成比例，并且依赖于工件的类型和 厚度。气体激光器的高性能使得它们特别适于大量的应用。

在已知的激光焊接工艺中，塑料片、薄膜和注射模制部件通过锐聚焦 的激光束进行焊接，以逐点的方式聚焦的激光束用于焊接或者熔化塑料材 料。焊接缝合的过程通过激光束的可编程束导引或者工件的运动实现。

但是，光束强度的分布具有利用以逐点的方式聚焦的激光束的平面连 接的缺点，因为强度的高斯分布导致不均匀的熔化。

图1示出通过根据现有技术的由激光焊接系统的处理光学器件产生的 激光束的高斯能量分布的情形。在该类型的能量分布中，大多数，大约90％， 的能量存在于中心，即所谓的热点。这种类型的激光束只允许逐点的激光 焊接。

也就是说，仅一部分焊接点对强度有贡献并且这种类型的激光焊接工 艺特别容易产生误差，因为焊接点的位置必须非常精确地确定。在差的焊 接点位置的情形下，获得不利的能量输入。此外，如果例如必须焊接弹簧 钢，则存在危险，因为差的焊接点位置将导致在弹簧钢上的焊接点烧坏。

发明内容

本发明是基于公开一种依靠激光束进行焊接的激光焊接系统和方法的 目的，其允许实现均匀的焊接区域。

该目的通过独立权利要求的主题实现。优选的实施例形成从属权利要 求的主题。

根据本发明的一个实施例，激光焊接系统包括激光束源、适于准直激 光束的准直仪和适于聚焦准直激光束到待焊接的工件上的聚集点的聚焦装 置，其中光学元件安置在准直仪和聚焦装置之间，所述光学元件适于沿着 第一方向扩展激光束的能量分布，所述第一方向相对于准直激光束的轴成 一定角度地延伸。

根据本发明的优选实施例，双焦点的元件安置在光学元件和准直仪之 间。

根据本发明的优选实施例，双焦点的元件安置在光学元件和聚焦装置 之间。

根据本发明的一个实施例，激光焊接系统包括激光束源、适于准直激 光束的准直仪和适于聚焦准直激光束到待焊接的聚集点上的聚焦装置，其 中光学元件安置在激光束源和准直仪之间，所述光学元件适于沿着与准直 激光束的轴成一定角度延伸的第一方向扩展激光束的能量分布。

根据本发明的优选实施例，第一方向大致垂直于准直激光束的轴延伸。 根据本发明的优选实施例，双焦点的元件安置在准直仪和聚焦装置之间。

根据本发明的优选实施例，光学元件适于扩展激光束的能量分布到待 焊接的工件上的至少两个点上，该至少两个点优选地串联安置。

根据本发明的优选实施例，光学元件适于沿着待焊接的工件上的至少 一条线扩展激光束的能量分布。

根据本发明的优选实施例，光学元件适于沿着待焊接的工件上的至少 两条线扩展激光束能量分布，所述至少两条线串联布置。

根据本发明的优选实施例，光学元件适于沿着第一方向和第二方向扩 展激光束的能量分布，所述第二方向关于准直激光束的轴和第一方向成一 定角度延伸。

根据本发明的优选实施例，第二方向大致垂直于准直激光束的轴和第 一方向延伸。

根据本发明的优选实施例，光学元件适于根据待焊接的工件上的立方 形、矩形、梯形、椭圆形或者环形图案的至少一个扩展激光束的能量分布。

根据本发明的优选实施例，光学元件是微型透镜配置。

根据本发明的优选实施例，光学元件是衍射光学元件。

根据本发明的一个实施例，用于依靠激光束进行焊接的方法包括产生 激光束，依靠准直仪准直激光束，和依靠聚焦装置聚焦准直激光束到待焊 接的工件上的聚集点上，其中准直的激光束通过准直仪和聚焦装置之间的 光学元件以为了沿着准直的激光束的轴成一定角度延伸的第一方向扩展激 光束的能量分布。

根据的一个实施例，用于依靠激光束进行焊接的方法包括产生激光束， 依靠准直仪准直激光束，和依靠聚焦装置聚焦准直激光束到待焊接的工件 上的聚集点，其中产生的激光束通过激光束源和准直仪之间的光学元件以 为了沿着关于准直激光束的轴成一定角度延伸的第一方向扩展激光束的能 量分布。

附图说明

在此及后将基于在附图所示的构型更加详细地描述本发明。根据本发 明的激光焊接系统的相似的或者相应的细节在附图中用相同的附图标记表 示，其中：

图1示出激光束的高斯能量分布的情形；

图2示出在激光束已经通过根据本发明的一个实施例的激光焊接系统 的处理光学器件之后激光束的能量分布情形；

图3示出在激光束已经通过根据本发明的进一步的实施例的激光焊接 系统的处理光学器件之后激光束的能量分布的情形；

图4是根据本发明的根据激光焊接系统的第一实施例的处理光学器件 的示意性视图；

图5示出在激光束已经通过图4所示的处理光学器件之后激光束的能 量分布的情形；

图6是根据本发明的根据激光焊接系统的第二实施例的处理光学器件 的示意性视图；

图7示出在激光束已经通过图6所示的光学器件后激光束的能量分布 的情形；

图8是根据本发明的根据激光焊接系统的第三实施例的处理光学器件 的示意性视图；和

图9示出在激光束已经通过图8所示的处理光学器件后激光束的能量 分布的情形。

具体实施方式

图2示出通过根据本发明的一个实施例的激光焊接系统的处理光学器 件产生的激光束的能量分布的情形。与如图1所示的高斯能量分布相比， 从图2明显的是，激光束的能量分布更加均匀，因为能量不仅聚集在定位 在中心处的热点上，还分布在更大的区域上。

如图2所示的激光束的中心部分的能量少于如图1所示的激光束的对 应部分的能量。但是，相应地，定位在激光束的边缘处的如图2所示的激 光束的部分的能量大于如图1所示的激光束的对应部分的能量。这样，根 据本发明的该实施例，如图2所示的激光束的能量分布沿着第一方向X扩 展，该第一方向X垂直于准直激光束的轴延伸。

虽然图2示出激光束沿着垂直于准直激光束的轴延伸的第一方向X的 能量分布的扩展，但是本发明并不限于关于准直激光束的轴成90度的角度， 而是光学元件适于沿着以相对于准直激光束的轴成任何期望角度延伸的第 一方向扩展激光束的能量分布。这可以得以实现，因为光学元件定位在关 于准直激光束的轴对应的角度处，例如通过关于准直激光束的轴倾斜光学 元件的主平面。

此外，根据本发明的优选实施例，如图2所示的激光束的能量分布沿 着垂直于准直激光束的轴以及第一方向X延伸的第二方向Y扩展。

虽然图2示出激光束的能量分布沿着第一方向X和第二方向Y的扩 展，其中第一方向X和第二方向Y垂直于准直激光束的轴并且垂直于彼此， 但是，该类型的情形是本发明的优选实施例。本发明并不限于此；相反， 激光束的能量分布可以沿着相对于轴和第一方向成任何的期望角度延伸的 第二方向扩展。

图3示出本发明的另一实施例，其中激光束的能量分布仅沿着方向X 扩展。但是，激光束的能量可以沿着方向Y均等地分布，例如如图7所示 的。本发明并不局限于特定的角度，并且激光束的能量事实上可以在任何 期望的角度分布。

根据本发明的一个实施例，光学元件适于扩展激光束的能量分布到待 焊接的工件上的至少两个点，其中该至少两个点串联布置。激光束的能量 分布还可以沿着待焊接的工件上的至少一条线扩展，例如在图3中可以看 出的。但是，激光束的能量分布还可以沿着待焊接的工件上的两条线扩展， 该至少两条线串联布置。

该类型的均匀焊接区域可以通过本发明实现的方式在此及后将予以描 述。

图4是根据本发明的根据激光焊接系统的第一实施例的处理光学器件 的示意性视图。处理光学器件包括激光束源1、准直激光束的准直仪2、聚 焦准直的激光束到待焊接的工件4上的聚焦装置3，例如透镜。

光学元件5允许激光束的能量分布至少沿着与准直的激光束的轴成一 定角度延伸的一方向扩展，该光学元件5安置在准直仪2和聚焦装置3之 间。

在图4的实施例中，光学元件5安置为以使得它的平面大致平行于准 直仪2的平面和聚焦装置3的平面延伸。但是，光学元件5可以倾斜，以 使得它的平面关于准直仪2的平面和聚焦装置3的平面成一定角度地安置。 这样，激光束的能量分布可以沿着关于准直激光束的轴以任何期望角度延 伸的方向扩展。

根据本发明的优选实施例，光学元件5是微型透镜配置。

微型透镜使用在光学系统和测量必须尺寸减小到毫米范围的任何地 方。但是，微型透镜还用于光学数据传输系统，例如用于光学纤维的耦合 或者所谓的“平面”光学器件领域。在这种情况中，代替一个大的透镜， 许多小的透镜彼此靠着地进行使用，并且因此获得短很多的成像距离。原 物和图像因此更加靠近得多。这允许光学设备的总深度大大减小。这些平 面光学系统当前已经用于各种类型的扫描仪和复印机中。原始文件通过微 型透镜扫描并转印到感光鼓。

根据本发明的进一步的优选实施例，光学元件5是衍射光学元件，而 不是微型透镜配置。

衍射光学元件是在其上绘制微观结构的基板，从而允许产生几乎任何 期望的衍射效果。特定的微观结构通过平版蚀刻方法形成。衍射光学元件 用于通过栅格上的衍射整形激光束或者将激光束分割为多个局部束。不同 的材料可以被使用，例如ZnSe、ZnS或者GaAs。

光学元件5安置在准直仪2和聚焦装置3之间，光学元件5允许准直 激光束的能量分布沿着关于准直激光束的轴成一定角度延伸的第一方向扩 展。图5示出垂直于准直激光束的轴沿着第一方向Y的能量分布的扩展。

但是，根据本发明的一个实施例，激光束的能量分布还可以沿着第一 方向和第二方向扩展，所述第二方向垂直于准直激光束的轴和第一方向延 伸。激光束的能量分布可以根据待扩展的工件上的立方形、矩形、梯形、 椭圆形或者环形图案的至少一个扩展。相应的图案通过光学元件的相应选 择予以实施。

图6是根据本发明的根据激光焊接系统的第二实施例的处理光学器件 的示意性视图。

处理光学器件包括激光束源1、准直激光束的准直仪2、聚焦准直的激 光束到待焊接的工件4上的聚焦装置3，例如透镜。

在这个实施例中，光学元件5安置在激光束源1和准直仪2之间。图 7示出沿着第一方向Y的能量分布的扩展。但是，能量分布还可以以任何 期望的角度扩展。

图8是根据本发明的根据激光焊接系统的第三实施例的处理光学器件 的示意性视图。

处理光学器件包括激光束源1、准直激光束的准直仪2、聚焦准直的激 光束到待焊接的工件4上的聚焦装置3，例如透镜。

在这个实施例中，如在第二实施例中，光学元件5安置在激光束源1 和准直仪2之间。此外，双焦点的元件安置在准直仪2和聚焦装置3之间。 图9示出通过双焦点的元件沿着第一方向Y产生的两激光束的能量分布的 扩展。

本发明允许实现均匀的焊接区域，因为能量分布沿着与准直的激光束 的轴成一定角度延伸的方向扩展。这保证在差的焊接点位置的情形下有利 的能量输入。本发明特别适于在冲压操作过程中的线焊。