激光焊接系統(tǒng)和方法
【專利說明】激光焊接系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請數(shù)據(jù)
[0002]本申請是2013年3月29日提交的第13/853，612號美國專利申請的部分連續(xù)申請。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明有關(guān)激光控制系統(tǒng)，而且特別的但不排他性的，是有關(guān)激光焊接系統(tǒng)，其中功率密度基于光束在需要焊接部份的位置而不斷變化。
[0004]將兩種材料用激光焊接在一起的最困難的挑戰(zhàn)之一即中和材料的不同的熔點或熱特性。焊接具有不近似的熔點或者不同厚度的材料的典型方法是向具有更高熔點的材料施加更多的能量。在傳統(tǒng)上，這一方法通過將激光束平行于焊接線移動、同時激光束的中心從焊接線偏移的做法來實現(xiàn)。由于這種偏移，每個激光點落在焊接線一邊的部分要多于落在另一邊的部分，并因此與之相對應(yīng)的，來自每一次脈沖的激光能量的更大部分被施加在具有更高熔點的材料之上。然而，每種材料上接受每次脈沖的區(qū)域顯著的不平等，這通常導(dǎo)致每種材料不等量地被熔化進熔池，而且這種不對稱的熔池會使焊接質(zhì)量大打折扣。反之，如果為了使兩種材料熔化的量盡量相等而讓激光點更集中在焊接線上，就會有使其中更加脆弱的材料被熔化掉的風(fēng)險，或者使其中更為耐久的材料得不到足夠的熔化的風(fēng)險，這樣同樣會降低焊接的質(zhì)量。因此，在兩種材料之間選擇合適的偏移來達到理想的能量分配經(jīng)常要經(jīng)過試驗和錯誤之后才能確定。
[0005]隨著近衍射極限二極管栗浦固體激光器和纖維激光器的發(fā)展，使得將激光能量聚焦在一個被很大程度上縮小的點上成為可能，例如，聚焦在一個直徑約為傳統(tǒng)的Nd:YAG激光器的點的約十分之一的點上。這種很小的激光點使得沿著接縫進行焊接更加具有挑戰(zhàn)性。首要的困難即在于需要施加足量的能量來熔化每種材料。由于激光點的大小被很大程度縮減，使得材料之間所具有的縫隙變得更加明顯，而且僅通過將一個單獨點相對于材料接縫進行偏移已幾乎不可能在每種材料上施加足夠的能量，因為激光點很小的尺寸不夠覆蓋每種材料的足夠部分來建立一個合適的熔池。
[0006]因此，為了確保合適量的能量被施加于每種材料上，需要一個高度聚焦的激光束橫跨接縫做前后循環(huán)，典型的是以“之”字形的模式做這種前后循環(huán)。這種移動可以通過將焊接部分相對于一個靜止激光束移動，或者更典型的，可以通過利用二維光束引導(dǎo)光學(xué)裝置以一個特定模式引導(dǎo)光束跨越材料接縫來實現(xiàn)。典型的光束引導(dǎo)光學(xué)裝置利用鏡子和一個雙軸檢流計轉(zhuǎn)向頭在二維空間引導(dǎo)光束。
[0007]與只是按與接縫平行的方向移動激光束相比，以“之”字形移動高度聚焦的激光束橫跨材料接縫，可以使激光能量被施加在每種材料的一個更加寬廣的區(qū)域。但是，與傳統(tǒng)的Nd:YAG激光器的更大直徑的激光點從材料接縫偏移的原因相同，“之”字形模式也很典型地相對于材料接縫偏離，以使被施加在具有更高熔點材料的區(qū)域的激光能量大于被施加在較低熔點材料的區(qū)域的激光能量，由于每種材料被熔化的量不同，這同樣會導(dǎo)致一個不對稱的熔池，。
[0008]另外，由于激光器的移動，激光器通常被運行以產(chǎn)生一個連續(xù)的光束或者一系列持續(xù)時間短的、具有特定脈沖重復(fù)頻率的脈沖。當(dāng)激光器以從低頻到中頻至大約5千赫茲的脈沖模式運行時(即是許多精密纖維激光焊接的應(yīng)用所要求的頻率)，“之”字形模式的頻率和脈沖重復(fù)頻率之間的關(guān)系就變得十分重要。例如，如果“之”字形模式在1千赫茲的頻率運行而且激光脈沖頻率同樣是1千赫茲時，激光脈沖將不會被分配在橫跨所期望的焊接區(qū)域內(nèi)，而是相反的每一次移動時都發(fā)生在基本同一位置，例如，所有脈沖都與材料接縫平行或者所有脈沖都在接縫的一邊或者另一邊，取決于激光的脈沖序列開始時所在的循環(huán)的點。因此，對于許多精密焊接方法來說，通常需要使纖維激光器的脈沖頻率顯著大于橫跨接縫的移動時間，而這樣就限制了使用這種方法的整體焊接速度。
[0009]基于此，在這一領(lǐng)域的改進就有所必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一個改進的激光焊接方法，其中一系列不同強度的激光脈沖被散布來覆蓋材料接縫，使得被施加的功率密度基于光束在焊接部分的位置、按照一個預(yù)先設(shè)定的方式進行變化。通過將按規(guī)格制定的功率密度散布在材料接縫，更為等量的每種材料可以被熔化，從而建立一個更加統(tǒng)一的熔池。進一步來說，由于激光不需要在經(jīng)過接縫時進行多次發(fā)射，所以整體的焊接時間可以被顯著縮短。在本發(fā)明中，這種將不同強度的激光脈沖進行散布來覆蓋一個材料接縫的過程被稱為脈沖散布技術(shù)(Pulse SpreadTechnology 或 PST)。
[0011 ] 在一個實施例中，一種新的激光焊接方法涉及引導(dǎo)激光束經(jīng)過一系列跨越第一種材料和第二種材料之間接縫的短掃描，其中在每一個短掃描中，激光功率跨越一個穿過接縫的連續(xù)高縱橫比區(qū)域，每一個高縱橫比區(qū)域包括一個在第一種材料上的第一延長區(qū)域和一個在第二種材料上的第二延長區(qū)域。在每一個短掃描中，被施加的功率密度按照一個預(yù)先設(shè)定的方式變化，使得一個功率密度分布被應(yīng)用在第一種材料的延長區(qū)域，同時另一個功率密度分布被應(yīng)用在第二種材料的延長區(qū)域。這種功率密度分布的變化可以通過在每次穿過時激光束的強度和/或速度的變化來實現(xiàn)。功率密度分布可以被按規(guī)格制定，以使功率密度通常在光束接近材料接縫時增加，并在光束從材料接縫移開時減少。
[0012]在另一個實施例中，一個將激光能量應(yīng)用到一個工件上的新的系統(tǒng)，包括，一個纖維激光脈沖發(fā)生器，其根據(jù)在收到一個脈沖啟動信號時使用者的特定強度分布來運行，以產(chǎn)生纖維激光脈沖；光束導(dǎo)向光學(xué)裝置，其運行來將激光脈沖散布跨越工件的高縱橫比區(qū)域；和一個控制器，控制器與光束導(dǎo)向光學(xué)裝置和脈沖發(fā)生器相連接，其中所述控制器運行來向纖維激光脈沖發(fā)生器發(fā)出一系列脈沖啟動信號，與一系列向光束導(dǎo)向裝置發(fā)出的光束導(dǎo)向信號同步，以使激光脈沖沿著工件的一系列預(yù)先設(shè)定的高縱橫比區(qū)域散布。所述脈沖發(fā)生器可以被設(shè)置成根據(jù)在收到不同的脈沖啟動信號時使用者的不同的特定強度分布而產(chǎn)生不同的纖維激光脈沖。該系統(tǒng)可進一步包括一個輸入裝置，用來接收一個使用者對光束導(dǎo)向光學(xué)裝置的一系列特定的移動，同時使用者特定的強度分布被應(yīng)用于一系列移動中的每個具體的移動。
[0013]在另一個實施例中，一個用來使施加于材料接縫不同兩側(cè)的功率密度不斷變化的新的激光焊接系統(tǒng)，包括一個輸入裝置，用來接收使用者特定系列的移動，使一個纖維激光束跨越材料接縫，以及對所述激光束的一個或多個變化的密度分布被在一系列移動中的每個具體的移動時給予施加；一個纖維激光器被設(shè)置成在收到一個相應(yīng)的脈沖啟動信號時根據(jù)所述一個或多個變化的密度分布來產(chǎn)生激光束；光束導(dǎo)向光學(xué)裝置用來移動所產(chǎn)生的激光束；和一個控制器，被設(shè)置成向纖維激光器發(fā)出激光啟動信號并運行光束導(dǎo)向光學(xué)裝置，從而根據(jù)一系列具體的移動來移動激光束跨越接縫，其中激光啟動信號與光束導(dǎo)向光學(xué)裝置的運行同步，這樣使得被施加于材料接縫一側(cè)的激光功率密度大于施加于材料接縫另一側(cè)的激光功率密度。
[0014]在另一個實施例中，一種新的激光焊接方法包括從一個纖維激光器產(chǎn)生一系列變化密度的光束，所述光束具有一個不對稱的密度分布包括一個密度增加區(qū)域、一個高密度中心區(qū)域、和一個密度降低區(qū)域；并且將系列光束散布跨越材料接縫，這樣每一個光束的大部分密度增加區(qū)域降落在接縫的一側(cè)，同時每一個光束的大部分密度降低區(qū)域?qū)⒙湓诮涌p的另一側(cè)。每一個光束的中心區(qū)域通常可以與材料接縫對齊。每一個光束可以散布跨越一個高縱橫比區(qū)域，該區(qū)域包括位于接縫一側(cè)的一個第一延伸區(qū)域和位于接縫另一側(cè)的一個第二延伸區(qū)域。接縫每一側(cè)的延伸區(qū)域可以有近似的大小，但接收不同量的功率來彌補每種材料的不同熱特性。
【附圖說明】
[0015]本發(fā)明的特點將會從以下參照附圖的詳細描述中得到更好的理解，其中:
[0016]圖1顯示了使用一個Nd:YAG激光器的大直徑激光點焊接非類似材料的一種現(xiàn)有方法的側(cè)面示意圖。
[0017]圖2顯示了使用一個纖維激光器的相對較小直徑的激光點焊接非類似材料的一種現(xiàn)有方法的側(cè)面示意圖。
[0018]圖3顯示了在使用圖2所示的已知焊接方法過程中的激光脈沖的分配的俯視示意圖。
[0019]圖4是一個現(xiàn)有技術(shù)的纖維激光焊接系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖5顯示了根據(jù)一個實施例使用纖維激光器焊接的方法的側(cè)視圖。
[0021]圖6顯示了根據(jù)一個實施例的在被焊接部分的連續(xù)的高縱橫比區(qū)域的俯視圖。
[0022]圖7顯示了圖5中的熔池放大圖，并在上方疊加一個圖表顯示被施加在工件上不同位置的激光功率密度。
[0023]圖8顯示了根據(jù)一個實施例的纖維激光焊接系統(tǒng)的示意圖。
[0024]圖9顯示了根據(jù)一個實施例的脈沖啟動信號和激光密度分布相對于時間的圖表。
[0025]圖10顯示了根據(jù)一個實施例的一個輸入屏幕用來接收由用戶明確的一系列移動。
[0026]圖11顯示了根據(jù)一個實施例的一個輸入屏幕用來接收由用戶明確的激光強度分布示意圖。
[0027]圖12顯示了根據(jù)另一個實施例的作為系統(tǒng)用戶界面的主屏幕。
[0028]圖13顯示了用于圖12中用戶界面的脈沖散布技術(shù)(PST)工具框下拉菜單。
[0029]圖14顯示了用于圖12中用戶界面的文檔下拉菜單。
[0030]圖15顯示了用于圖12中用戶界面的編輯下拉菜單。
[0031]圖16顯示了用于圖12中用戶界面的材料下拉菜單，顯示了選擇材料B。
[0032]圖17顯示了用于圖12中用戶界面的材料下拉菜單，顯示了選擇對材料A進行拋光。
[0033]圖18顯示了用于圖12中用戶界面的焊接下拉菜單，顯示了對焊接類型的選