專利名稱：激光焊接方法和激光焊接裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光焊接方法和激光焊接裝置，尤其涉及使用小的激光焊頭的激光焊接方法和激光焊接裝置，其可以不用對要被焊接的物體進行全部氣體屏蔽，以好的質(zhì)量精確地進行焊接。
近來，隨著大功率激光焊接技術的發(fā)展，使用大功率CO2激光焊接技術進行大的焊接，使用YAG激光焊接技術進行精確的焊接。其理由是，和其它的焊接技術例如TIG焊接技術和MIG焊接技術相比，上述技術具有以下優(yōu)點。
(1)大的焊接比(焊接深度/熔化的縫的寬度)，和小的處理應變。
(2)高的焊接速度，并且能夠通過小的殘余熱效率提供高質(zhì)量的焊點，并抑制晶粒的增加。
(3)能夠在具有特殊氣體的具有透明窗的金屬容器中進行焊接處理。
(4)能夠使不同種類的金屬進行焊接，或者使金屬和非金屬進行焊接。
此外，和電子束焊接技術相比，上述技術具有以下優(yōu)點。
(5)不受要被焊接的物體的磁場的影響，因而，能夠焊接磁性材料。
(6)不需要真空室和X射線屏蔽。
與此相反，在上述激光焊接技術中，要被焊接的物體的熔化部分和所述物體周圍的氣體發(fā)生化學反應，特別是，如果熔化的部分被附近的空氣氧化，則使焊縫變劣。因而，一個同軸噴嘴被連接在激光焊頭上，并且為了阻止熔化部分的氧化，在把會聚的激光照射到要被焊接的部分上的同時，把屏蔽氣體例如Ar氣或He氣被吹到相應于熔化部分的要被焊接的物體的要被焊接的部分上。
然而，即使把屏蔽氣體吹到要被焊接的部分上，熔化部分常常發(fā)生化學反應，并且因而常常被氧化。結果，通過氧化和化學反應在要被焊接的部分上或在要被焊接的部分中產(chǎn)生外生材料，這使得焊接部分變劣。
因而，為了阻止上述的化學反應和氧化，必須在具有能夠阻止氧化(化學反應)的屏蔽氣體的鋼制殼體中在鋼制殼體被抽空之后進行激光焊接處理。因此，需要大的和復雜的激光焊接裝置。
此外，上述的屏蔽氣體可以大量地被局部地吸入焊縫中，因此，如果焊接的物體在不大于10-5Pa的超高真空的環(huán)境中或者在不大于10-9Pa的甚高真空的環(huán)境中被使用時，被局部吸收的屏蔽氣體便被放出，因而導致真空度的降低。
本發(fā)明的目的在于通過消除上述缺點，實現(xiàn)上述激光焊接的優(yōu)點和特性，即，提供一種激光焊接方法和激光焊接裝置，其中通過使物體的要被焊接的部分和外部空氣完全屏蔽，并保持被屏蔽的環(huán)境，可以阻止要被焊接的物體的焊接的部分的氧化和化學反應，因而可以減少屏蔽氣體從焊縫中放出，使得焊接的物體可以用于超高真空和甚高真空的環(huán)境中。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于焊接多于一個的要被焊接的物體的方法，包括以下步驟從同軸噴嘴中把惰性氣體吹到要被焊接的部分上，從被提供在同軸噴嘴的外部的至少一個排出噴嘴中在要被焊接的部分周圍吹出壓縮的屏蔽氣體，使得覆蓋所述惰性氣體，以及把會聚的激光照射到要被焊接的部分上，因而，在屏蔽外部空氣的狀態(tài)下，熔化所述要被焊接的部分，從而焊接所述多于一個的物體。
此外，本發(fā)明提供一種用于焊接多于一個的要被焊接的物體的激光焊接裝置，包括同軸噴嘴，用于在要被焊接的部分上吹出惰性氣體，被提供在同軸噴嘴的外部的至少一個排出噴嘴，用于在要被焊接的部分周圍吹出壓縮的屏蔽氣體，使得覆蓋所述惰性氣體，用于使激光振蕩的激光振蕩器，以及用于使所述激光會聚的聚光器，因而，在屏蔽外部空氣的狀態(tài)下，通過會聚的激光的照射，熔化所述要被焊接的部分，從而焊接所述多于一個的物體。
下面參照


本發(fā)明的其它的目的，結構和優(yōu)點。
為了更好地理解本發(fā)明，可以參看附圖，其中圖1是用于示意地表示本發(fā)明的激光焊接裝置中的焊頭的透視圖；圖2是用于示意地表示圖1所示的焊頭的噴嘴的截面圖；圖3是在線“3-3”上取的圖2所示的噴嘴的正視圖；以及圖4是本發(fā)明的激光焊接裝置中的焊頭的另一種噴嘴的截面圖。
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明。
圖1是用于示意地表示本發(fā)明的激光焊接裝置中的焊頭的透視圖；圖2是用于示意地表示圖1所示的焊頭的噴嘴的截面圖；圖3是在線“3-3”上取的圖2所示的噴嘴的正視圖；以及圖4是本發(fā)明的激光焊接裝置中的焊頭的另一種噴嘴的截面圖。
圖1所示的激光焊頭1具有作為光學系統(tǒng)用于會聚激光4的聚光器2和噴嘴3。在圖1-4中，激光4沿箭頭y的方向通過聚光器2行進，并被聚焦在位于要被焊接的兩個物體5(圖1中的物體5-1，5-2)之間的要被焊接的部分5b上，或者被聚焦在要被焊接的部分的附近的區(qū)域，從而形成聚焦的光點4sp。在本實施例中，兩個物體5-1，5-2被焊接，但是，也可以焊接三個或更多的物體。此外，在本實施例中，要被焊接的部分5b沿著焊線X的方向。代替聚光器2，也可以使用光學反射鏡系統(tǒng)。
噴嘴3的中心具有同軸噴嘴6。同軸噴嘴6作為一個會聚的激光輸出孔，用于要被焊接的兩個物體5-1，5-2之間的要被焊接的部分5b，并作為圓柱形的壓縮的惰性氣體的排出孔，并且會聚的激光的軸線和排出孔的軸線Y1和Y基本一致。
此外，噴嘴3在同軸噴嘴6的周圍具有至少一個排出孔7。所述排出孔7對要被焊接的部分放出壓縮的屏蔽氣體。在圖2和圖3中，提供有一個排出噴嘴7-1，并且在圖4中，提供有兩個排出噴嘴7-1和7-2。
下面說明激光焊頭1的操作。
在焊接期間，來自一般被提供在激光焊接裝置上的振蕩器例如CO2或YAG激光振蕩器的激光4通過聚光器2被會聚，會聚的激光4f通過作為上述的輸出孔的同軸噴嘴6被照射到要被焊接的兩個物體5-1，5-2之間的要被焊接的部分5b上(沿著焊線X)。在這種情況下，會聚的光點4sp位于位置5b的稍微向上的位置。
與此同時，具有被調(diào)節(jié)為標準壓力p1的壓縮的惰性氣體Ig1沿箭頭方向呈圓柱形向部分5b放出，并且具有調(diào)節(jié)為標準壓力p2和p3的壓縮的屏蔽氣體Ig2和Ig3沿箭頭方向?qū)ξ恢?b以層流的方式被放出。
就在此時，如圖2和圖4所示，屏蔽氣體Ig2和Ig3覆蓋惰性氣體Ig1。因此，排出噴嘴7最好和同軸噴嘴6同軸。此外，在這種情況下，希望氣體Ig1-Ig3以恒流的方式被放出。并且此時還希望被調(diào)節(jié)的標準壓力p1-p3滿足關系p1＞p2≥p3。其中，在噴嘴3和要被焊接的物體5之間的惰性氣體和屏蔽氣體的狀態(tài)由各自的實線表示。
從噴嘴3放出的屏蔽氣體Ig2和Ig3對于要被焊接的部分5b形成強大的阻擋層防止外部空氣進入，并且氣體Ig1-Ig3當它們到達位置5b或其鄰近區(qū)域后便被排放到外部。因此，可以消除所述氣體在位置5b發(fā)生化學反應，尤其是可以消除在位置5b和鄰近區(qū)域發(fā)生的氧化。
結果，在位置5b不會產(chǎn)生氧化物或其它成分，并且可以抑制濺污的形成，因而，可以在好的條件下進行焊接。此外，因為焊接在位置5b周圍局部地進行，所以可以大大縮小焊頭的尺寸，并且因為不需要另外的裝置，所以可以減少制造成本。因為焊頭具有小的尺寸，所以可以高質(zhì)量地焊接非常小的要被焊接的物體。
此外，需要噴嘴3在排出噴嘴7的外部具有抽氣噴嘴8，其具有減少的壓力p。在提供有兩個排出噴嘴7的情況下，如圖4所示，抽氣噴嘴8被提供在內(nèi)外排出噴嘴7-1和7-2之間。上述的屏蔽氣體和惰性氣體Ig1-Ig3當它們被排出時，被抽氣噴嘴8抽走。
因而，使得這些氣體在要被焊接的位置5b的周圍平滑地流動，這使得位置5b可以更有效地屏蔽外部空氣。此外，因為氣體平滑流動，所以能夠防止屏蔽氣體或其類似物擴散到要被焊接的位置5b并使其污染。
雖然抽氣噴嘴8可以被設置在同軸噴嘴6周圍的任何位置，但是最好是被設置在排出噴嘴7的外側，如圖2和圖3所示。在有兩個排出噴嘴7-1，7-2的情況下，如圖4所示，最好把抽氣噴嘴設置在所述兩個排出噴嘴之間。在后一種情況下，要被焊接的位置5b可以更有效地屏蔽外部空氣。抽氣噴嘴8的結構根據(jù)需要屏蔽的程度確定。
抽氣噴嘴8最好被這樣設置，使得其軸線和同軸噴嘴6以及用于使要被焊接的位置5b和外部空氣有效地隔離的排出噴嘴7的軸線一致。
此外，由于同樣原因，至少排出噴嘴7的排出孔和抽氣噴嘴8的抽氣孔最好分別具有圓筒形的形狀。并且至少同軸噴嘴的排出孔最好具有圓柱形的(columnar)形狀。作為上述的氣體Ig1-Ig3，可以使用惰性氣體例如N2，Ar，或He。
如上所述，為了使要被焊接的位置5b和外部空氣隔離，最好滿足p1＞p2≥p3的關系。焊接操作最好沿著焊接線X以速度v連續(xù)地進行。
雖然本發(fā)明參照上述的例子進行了說明，但是本發(fā)明不限于所述的例子，不脫離本發(fā)明的構思，可以作出許多改型。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(xiàn)高質(zhì)量的同時多點焊接。此外，如果調(diào)節(jié)激光4的功率，則可以進行重疊焊接和深焊接。
如上所述，按照本發(fā)明，因為要被焊接的位置可以和外部空氣隔離，便可以保護要被焊接的位置不和其它成分例如氧氣發(fā)生化學反應。因此，本發(fā)明的激光焊接方法和激光焊接裝置可以用于超高真空容器，以便維持10-5Pa以上的真空度，可以用于甚高真空容器，以便維持10-9Pa以上的真空度，還可以用于Mott散射裝置或用于超高真空環(huán)境中小的超精確的儀器中。
權利要求
1.一種用于焊接多于一個的要被焊接的物體的方法，包括以下步驟從同軸噴嘴中把惰性氣體吹到要被焊接的部分上，從被提供在同軸噴嘴的外部的至少一個排出噴嘴中在要被焊接的部分周圍吹出壓縮的屏蔽氣體，使得覆蓋所述惰性氣體，以及把會聚的激光照射到要被焊接的部分上，因而，在屏蔽外部空氣的狀態(tài)下，熔化所述要被焊接的部分，從而焊接所述多于一個的物體。
2.如權利要求1所述的激光焊接方法，其中所述惰性氣體和屏蔽氣體以恒流的方式被排出。
3.如權利要求1或2所述的激光焊接方法，其中所述惰性氣體以圓柱形(columnar shape)被吹出，并且所述屏蔽氣體以圓筒形(cylindrically)被吹出。
4.如權利要求1或2所述的激光焊接方法，其中所述惰性氣體的標準壓力p1和內(nèi)外排出噴嘴的標準壓力p2和p3滿足關系p1＞p2≥p3。
5.如權利要求1或2所述的激光焊接方法，還包括利用抽氣噴嘴抽出熔化的部分周圍的氣體的步驟。
6.一種用于焊接多于一個的要被焊接的物體的激光焊接裝置，包括同軸噴嘴，用于在要被焊接的部分上吹出惰性氣體，被提供在同軸噴嘴的外部的至少一個排出噴嘴，用于在要被焊接的部分周圍吹出壓縮的屏蔽氣體，使得覆蓋所述惰性氣體，用于使激光振蕩的激光振蕩器，以及用于使所述激光會聚的聚光器，因而，在屏蔽外部空氣的狀態(tài)下，通過會聚的激光的照射，熔化所述要被焊接的部分，從而焊接所述多于一個的物體。
7.如權利要求6所述的激光焊接裝置，其中和同軸噴嘴同軸地提供至少一個排出噴嘴。
8.如權利要求6或7所述的激光焊接裝置，還包括用于抽出熔化的部分周圍的氣體的抽氣噴嘴。
9.如權利要求8所述的激光焊接裝置，其中抽氣噴嘴和同軸噴嘴以及至少一個排出噴嘴同軸地被提供。
10.如權利要求8或9所述的激光焊接裝置，其中抽氣噴嘴被提供在內(nèi)外同軸排出噴嘴之間。
11.如權利要求6，7或9所述的激光焊接裝置，其中所述至少一個排出噴嘴和抽氣噴嘴的的出口是圓柱形的。
全文摘要
提供同軸噴嘴,用于在要被焊接的部分上吹出惰性氣體,在同軸噴嘴的外側提供至少一個排出噴嘴,用于在要被焊接的部分周圍吹出壓縮的屏蔽氣體,使得覆蓋所述惰性氣體。然后,提供用于使激光振蕩的激光振蕩器,并提供用于使所述激光會聚的聚光器,因而,通過會聚的激光的照射,熔化所述要被焊接的部分。此外,提供抽氣噴嘴,用于抽出熔化部分周圍的氣體。
文檔編號B23K26/16GK1334170SQ0111771
公開日2002年2月6日 申請日期2001年5月9日 優(yōu)先權日2000年5月9日
發(fā)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