專利名稱：激光焊接方法和激光焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用激光焊接金屬的激光焊接技術(shù)，特別是涉及用兩種波長的激光束疊加并照射焊接工件的激光焊接方法和裝置。
背景技術(shù)：
近年來，激光已用于制造業(yè)，特別是焊接、切割和表面處理領(lǐng)域。激光焊接技術(shù)的重要性日益增加，這是因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)高精度且高速的加工，而且工件上的熱應(yīng)變較小，可以實(shí)現(xiàn)高速自動化。目前，常用于激光焊接的固態(tài)激光器是產(chǎn)生波長約為1μm的激光束的YAG激光器。YAG激光器是這樣一種激光器用作母質(zhì)的YAG(Y3Al5O12)晶體涂有稀土元素的激活離子(Nd3+、Yb3+等)，典型的NdYAG激光器的基波波長為1064nm。YAG激光器通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)能夠連續(xù)振動和巨脈沖的振動，并可產(chǎn)生脈寬為100μs(一般為1到10ms)或更大的長脈沖。
在激光焊接中，激光與焊接材料的光耦合特性是重要的。如果光耦合特性不好，則反射率高，激光能的吸收效率就低，因此較難獲得良好的焊接連接。在這點(diǎn)上，基波波長(例如，1064nm)的YAG激光的光耦合特性對于銅和金來講不好。已知的是，第二諧波(532nm)的YAG激光對于這些金屬具有更好的光耦合特性。作為一種有效焊接銅和金的激光焊接方法，本申請的申請人已在日本專利申請公報(JP-A)No.2002-28795中公開了一種激光焊接方法，該方法用YAG基波脈沖激光和YAG第二諧波Q開關(guān)激光疊加并照射焊接材料。
然而，該傳統(tǒng)激光焊接方法的問題在于，穿孔和熔深仍然不足，并且該方法較難適用于厚板焊接(特別是銅厚板焊接)，這是因?yàn)橛米鏖g歇重復(fù)脈沖的YAG第二諧波(532nm)Q開關(guān)激光與焊接材料的光耦合時間較短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題而構(gòu)想的，本發(fā)明的目的是提供這樣一種激光焊接方法和激光焊接裝置，即，用疊加YAG基波和YAG諧波兩個波長的方法實(shí)現(xiàn)深熔透焊接，并提高再現(xiàn)性和質(zhì)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種方法，其疊加可變脈寬的YAG基波脈沖激光和可變脈寬的YAG諧波脈沖激光并用它們照射焊接區(qū)，從而用YAG基波脈沖激光和YAG諧波脈沖激光的能量來焊接焊接區(qū)，該方法包括以一時間差來疊加兩種脈沖激光，使所述YAG諧波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值在所述YAG基波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值之前。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種激光焊接裝置，該裝置包括第一激光振蕩單元，其通過脈寬改變而產(chǎn)生YAG基波脈沖激光；第二激光振蕩單元，其通過脈寬改變而產(chǎn)生YAG諧波脈沖激光；發(fā)射單元，其疊加YAG基波脈沖激光和YAG諧波脈沖激光并用它們照射期望的焊接區(qū)；和控制單元，其控制第一和第二激光振蕩單元之間的激光振蕩操作，以使YAG諧波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值在YAG基波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值之前。
在該構(gòu)造中，YAG諧波是作為可變脈寬的脈沖激光來施加的。因此，與焊接工件的作用時間顯著地比Q開關(guān)的脈沖激光長，并且因與YAG基波的倍增效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)深熔透。此外，因?yàn)閅AG諧波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值在YAG基波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值之前(優(yōu)選地早0.05ms到0.3ms)，所以在焊接點(diǎn)附近順利地開始小孔形成，從而獲得良好再現(xiàn)性的恒定熔深。
本發(fā)明的特征還在于，在疊加YAG基波脈沖激光和YAG諧波脈沖激光并用它們照射焊接區(qū)的激光焊接方法中，將YAG基波脈沖激光的下降控制成下斜坡波形。根據(jù)該下斜坡波形控制，脈沖激光的照射能量逐漸減小，從而熔化材料在小孔內(nèi)逐漸擴(kuò)散，并獲得無隆起的熔核表面(焊接外形)。在優(yōu)選實(shí)施例中，YAG基波脈沖激光的下降時間選擇為處于相對于YAG基波脈沖激光的峰值持續(xù)時間的20％到50％的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明激光焊接裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，采用了將YAG基波脈沖激光從第一激光振蕩器傳輸?shù)郊す獍l(fā)射單元的第一光纖，和將YAG諧波脈沖激光從第二激光振蕩器傳輸?shù)郊す獍l(fā)射單元的第二光纖，用于YAG基波的第一光纖具有比用于YAG諧波的第二光纖的芯直徑略大(優(yōu)選地為1.3倍到2倍)的芯直徑。根據(jù)該構(gòu)造，可以使YAG基波脈沖激光的照射直徑比YAG諧波脈沖激光的照射直徑略大，從而可以在激光照射期間穩(wěn)定小孔周圍的熔化部分，并且可以使熔核(特別是邊緣部分)在凝固后成為光滑表面。
根據(jù)本發(fā)明的激光焊接方法和激光焊接裝置，由于上述構(gòu)造和作用，可以用疊加YAG基波和YAG諧波兩種波長的方法來實(shí)現(xiàn)深熔透，并且還可以提高再現(xiàn)性和質(zhì)量。


本發(fā)明的上述和其它目的、方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中變得更加明顯，附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的疊加兩種波長的激光焊接裝置的構(gòu)造的圖；圖2是示出該實(shí)施例中的YAG基波脈沖激光振蕩器的構(gòu)造的圖；圖3是示出該實(shí)施例中的YAG第二諧波脈沖激光振蕩器的構(gòu)造示例的圖；圖4是示出該實(shí)施例中的波長變換方法的基本原理的圖；圖5是示出該實(shí)施例中的波長變換方法的圖；圖6是示出該實(shí)施例發(fā)射單元中的光學(xué)系統(tǒng)主要部分的構(gòu)造的圖；圖7是示出該實(shí)施例的YAG基波脈沖激光和YAG第二諧波脈沖激光的一般激光器輸出波形的波形圖；圖8是示出該實(shí)施例中的脈沖激光上升沿的放大波形圖；圖9是示出該實(shí)施例中的脈沖激光上升沿的一修改示例的放大波形圖；圖10是示意性地示出該實(shí)施例中得到的焊接熔核的平面圖和橫截面圖；圖11是示意性地示出比較示例中得到的焊接熔核的平面圖和橫截面圖；圖12是用于描述該實(shí)施例中的激光焊接的基本原理的橫截面圖；圖13是示意性地示出比較示例中得到的焊接熔核的橫截面圖；圖14是示意性地示出該實(shí)施例中得到的焊接熔核的橫截面圖；圖15是示意性地示出該實(shí)施例中得到的焊接熔核的外觀的平面圖；圖16是用于描述比較示例中的激光焊接方法的行為的橫截面圖；圖17是示意性地示出比較示例中得到的焊接熔核的外觀的平面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的疊加兩種波長的激光焊接裝置的構(gòu)造。該激光焊接裝置包括兩個YAG脈沖激光振蕩器10和12；分別電連接到脈沖激光振蕩器10和12的激光器電源單元14和16；通過激光器電源單元14和16來控制兩個脈沖激光振蕩器10和12的激光振動操作的控制單元18；疊加兩種波長并設(shè)置在期望加工位置的發(fā)射單元20；以及光纖傳輸系統(tǒng)22，其將由兩個脈沖激光振蕩器10和12產(chǎn)生的YAG脈沖激光分別傳輸?shù)桨l(fā)射單元20。
這里，YAG脈沖激光振蕩器10振蕩/輸出可變脈寬的(長脈沖)YAG基波(1064nm)脈沖激光LB，YAG脈沖激光振蕩器12振蕩/輸出可變脈寬的(長脈沖)YAG第二諧波(532nm)脈沖激光SHG。如下所述，發(fā)射單元20將YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG疊加在同一或公共光軸上，并用公共聚焦透鏡聚焦YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG，并用YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG照射焊接工件(W1和W2)上的焊接點(diǎn)K。焊接工件(W1和W2)可包括可選擇的金屬，但是本發(fā)明的作用和效果在Cu金屬或Au金屬的情況下能夠最顯著地顯示出來。
圖2示出YAG基波脈沖激光振蕩器10的構(gòu)造示例。激光振蕩器10設(shè)置有包括例如NdYAG桿的固態(tài)激光介質(zhì)24、用激發(fā)光照射固態(tài)激光介質(zhì)24的電光激發(fā)單元26、以及一對光學(xué)諧振腔反光鏡28和30，該對光學(xué)諧振腔反光鏡28和30使從固態(tài)激光介質(zhì)24產(chǎn)生的激光諧振/放大，并去除YAG基波(1064nm)脈沖激光LB。這里，電光激發(fā)單元26包括激發(fā)燈或激光二極管，例如接收由激光器電源單元14供給的脈沖波形激發(fā)電流，發(fā)光，并用脈沖波形激發(fā)光泵浦(pump)固態(tài)激光介質(zhì)24。而后，在軸向上從固態(tài)激光介質(zhì)24的兩端面出現(xiàn)的光在光學(xué)諧振腔反光鏡28和30之間反復(fù)地被反射和放大，并從輸出反光鏡28移到光學(xué)諧振腔外面作為YAG基波脈沖激光LB。從激光振蕩器10振蕩/輸出的YAG基波脈沖激光LB發(fā)射到光纖傳輸系統(tǒng)22中的第一入射單元60(圖1)，該第一入射單元60將在下面描述。
在該實(shí)施例中，設(shè)置了用于接收漏到全反射鏡30背面的脈沖激光LB的漏光MLB的光電轉(zhuǎn)換元件或光電傳感器32，以對YAG基波脈沖激光LB進(jìn)行電源反饋控制。測量電路34根據(jù)光電傳感器32的輸出信號輸出表示基波脈沖激光LB的激光器輸出測量值的電信號(激光器輸出測量值信號)。激光器電源單元14將來自測量電路34的激光器輸出測量值信號與來自控制單元18的第一參考脈沖波形信號進(jìn)行比較，例如根據(jù)比較偏差通過脈寬調(diào)制(PWM)對內(nèi)部開關(guān)元件執(zhí)行開關(guān)操作，控制供給到電光激發(fā)單元26的脈沖激發(fā)電流，從而使從激光振蕩器10振蕩/輸出的YAG基波脈沖激光LB的激光器輸出波形類似第一參考脈沖波形。
圖3示出YAG第二諧波脈沖激光振蕩器12的構(gòu)造示例。激光振蕩器12包括一對終端鏡(terminal mirror)36和38、固態(tài)激光器激活介質(zhì)40、波長變換晶體42、偏振元件44和諧波分離輸出鏡(harmonic-dividing outputmirror)46，這些都以直線布置設(shè)置成一行。終端鏡36和38相互面對，并構(gòu)成光學(xué)諧振腔。終端鏡36包括涂覆有對基波波長(1064nm)具有高反射率的薄膜的反射表面36a。終端鏡38包括涂覆有對基波波長(1064nm)具有高反射率的薄膜和對第二諧波(532nm)具有高反射率的薄膜的反射表面38a。
激活介質(zhì)40包括例如NdYAG桿，并接近終端鏡36設(shè)置，并由電光激發(fā)單元48進(jìn)行光學(xué)泵浦。電光激發(fā)單元48包括用于產(chǎn)生朝向激活介質(zhì)40的激發(fā)光的激發(fā)光源(例如，激發(fā)燈或激光二極管)，并使激發(fā)光源被來自激光器電源單元16的脈沖波形激發(fā)電流點(diǎn)亮，并用該脈沖波形激發(fā)光泵浦激活介質(zhì)40。由激活介質(zhì)40產(chǎn)生的基波波長脈沖束被限制在終端鏡36和38之間并在終端鏡36和38之間放大。以該方式，產(chǎn)生基波波長(1064nm)脈沖激光的基波脈沖激光振蕩單元由終端鏡(光學(xué)諧振腔)36和38、激活介質(zhì)40以及電光激發(fā)單元48構(gòu)成。
偏振元件44包括例如偏振器或布魯斯特板(Brewsterplate)，并設(shè)置為相對于光學(xué)諧振腔的光路或光軸成一預(yù)定傾斜角，以使來自激活介質(zhì)40的基波波長光束以非法線方向入射。來自激活介質(zhì)40的基波波長光束的P偏振光直接透過偏振元件44并入射在波長變換晶體42上，而S偏振光被偏振元件44反射在預(yù)定方向上。這里，P偏振光和S偏振光是線性偏振分量(電場分量)，其振動方向在垂直于基波波長光束傳播方向的平面中相互正交。例如，P偏振光是在垂直方向上振動的線性偏振分量，S偏振光是在水平方向上振動的線性偏振分量。優(yōu)選地，將偏振濾光特性選擇成，對于基波波長(1064nm)，P偏振光的透射率基本為100％，S偏振光的反射率基本為100％。
波長變換晶體42包括諸如KTP(KTiOPO4)晶體或LBO(LiB3O5)晶體的非線性光學(xué)晶體，并設(shè)置成接近終端鏡38，與光學(xué)諧振腔激發(fā)的基模進(jìn)行光學(xué)耦合，并因與基波波長的非線性光學(xué)作用而在光學(xué)諧振腔的光路上產(chǎn)生第二諧波(532nm)光束SHG。
從波長變換晶體42向終端鏡38發(fā)射的第二諧波光束SHG被終端鏡38反射回，并通過波長變換晶體42。從波長變換晶體42向終端鏡38的相反側(cè)發(fā)射的第二諧波光束SHG入射在相對于光學(xué)諧振腔的光路或光軸以預(yù)定角度(例如，45°)設(shè)置的諧波分離輸出鏡46上，并被鏡子46反射或分離/輸出到預(yù)定方向，即向著轉(zhuǎn)向鏡(bend mirror)50。而后，從諧波分離輸出鏡46分離/輸出的第二諧波光束SHG的光軸在轉(zhuǎn)向鏡50的作用下轉(zhuǎn)向，第二諧波光束SHG被送到光纖傳輸系統(tǒng)22中的第二入射單元66(圖1)。
在該實(shí)施例中，設(shè)置了用于接收漏到轉(zhuǎn)向鏡50背面的YAG第二諧波脈沖激光SHG的漏光MSHG的光電轉(zhuǎn)換元件或光電傳感器52，以對YAG第二諧波脈沖激光SHG進(jìn)行電源反饋控制。測量電路54根據(jù)光電傳感器52的輸出信號產(chǎn)生表示第二諧波脈沖激光SHG的激光器輸出測量值的電信號(激光器輸出測量值信號)。激光器電源單元16將來自測量電路54的激光器輸出測量值信號與來自控制單元18的第二參考脈沖波形信號進(jìn)行比較，例如根據(jù)比較偏差通過脈寬調(diào)制(PWM)對開關(guān)元件執(zhí)行開關(guān)操作，控制供給到電光激發(fā)單元48的脈沖激發(fā)電流，從而使從激光振蕩器12振蕩/輸出的YAG第二諧波脈沖激光SHG的激光器輸出波形類似第二參考脈沖波形。
圖4示出用在該實(shí)施例中的波長變換方法的基本原理。該波長變換方法使用II型相位匹配角切割的非線性光學(xué)晶體作為波長變換晶體42，以通過II型相位匹配將波長從基波轉(zhuǎn)換成第二諧波。更具體地，由諸如YAG脈沖激光器(未示出)的固態(tài)激光器產(chǎn)生的基波(例如，1064nm)脈沖激光以橢圓偏振光(優(yōu)選地為圓偏振光)或隨機(jī)偏振光的形式入射在非線性光學(xué)晶體42上。而后，僅入射光的基波波長的垂直偏振的分量和水平偏振的分量通過非線性光學(xué)晶體42成為線性偏振光。非線性光學(xué)晶體42與基波YAG脈沖激光進(jìn)行光學(xué)耦合，并通過非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生在與基波光的垂直偏振分量相同的方向上線性偏振的長脈沖的第二諧波脈沖激光SHG(532nm)。
然而，在該波長變換方法中(圖4)，如果基波脈沖激光的偏振分布中存在偏向或各向異性，則有時波長變換效率下降，并且第二諧波脈沖激光SHG的激光器輸出下降或波動。特別是當(dāng)電光激發(fā)單元48對激活介質(zhì)40的泵浦(照射激發(fā)光)不均勻時，基波脈沖激光的偏振分布中就出現(xiàn)偏向或各向異性。
圖5示出該實(shí)施例中的波長變換方法。在該波長變換中，反射S偏振光同時透過基波的P偏振光的偏振元件44設(shè)置成，其線性偏振方向(P偏振光的振動方向)相對于非線性光學(xué)晶體42的光軸傾斜45°。在該實(shí)施例的YAG第二諧波脈沖激光振蕩器12(圖3)中，如圖5所示，偏振元件44的線性偏振方向設(shè)定在垂直方向，并且非線性光學(xué)晶體42設(shè)置成其光軸相對于垂直方向傾斜45°。
根據(jù)偏振元件44的線性偏振方向與非線性光學(xué)晶體42的光軸以此方式相對傾斜45°的構(gòu)造，來自偏振元件44的P偏振光在非線性光學(xué)效應(yīng)中用作等強(qiáng)度的兩個基波光分量，在非線性光學(xué)晶體42的坐標(biāo)系中觀察，該兩個基波光分量是正交的。假設(shè)省去偏振元件44，則與P偏振光正交的S偏振光也將入射在非線性光學(xué)晶體42上，從而破壞了非線性光學(xué)晶體42的坐標(biāo)系中的垂直偏振分量和水平偏振分量之間的平衡，并且II型波長變換效率將會下降。因此，由于偏振元件44的線性偏振，可以實(shí)現(xiàn)高效率的II型波長變換，并且可以穩(wěn)定地且高輸出地產(chǎn)生長脈沖的第二諧波脈沖激光SHG。
在光纖傳輸系統(tǒng)22中，第一入射單元60容納聚焦透鏡62，從YAG基波脈沖激光振蕩器10振蕩/輸出的YAG基波脈沖激光LB由聚焦透鏡62聚焦，并入射在第一光纖64的一個端面(入射端面)上。第二入射單元66還容納聚焦透鏡68，從YAG第二諧波脈沖激光振蕩器12振蕩/輸出的YAG第二諧波脈沖激光SHG由聚焦透鏡68聚焦，并入射在第二光纖70的一個端面(入射端面)上。
第一和第二光纖64和70終止于發(fā)射單元20。第一光纖64包括例如階躍折射率(SI，step-index)光纖，其將來自第一入射單元60的YAG基波脈沖激光LB傳輸?shù)桨l(fā)射單元20。第二光纖70包括例如SI光纖，并將來自第二入射單元66的YAG第二諧波脈沖激光SHG傳輸?shù)桨l(fā)射單元20。在該實(shí)施例中，用于傳播基波的光纖64的芯直徑1選擇為略大于(優(yōu)選地為1.3倍到2倍)用于傳播第二諧波的光纖70的芯直徑2的值。從而，如下面描述的，可以實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的提高(特別是防止在邊緣部分出現(xiàn)隆起)。
圖6示出該實(shí)施例中發(fā)射單元20內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)部分的構(gòu)造。
如圖6所示，分色鏡72和75設(shè)置成在發(fā)射單元20內(nèi)的中心部分處相對于垂直軸(該單元的縱軸)傾斜45°。第一光纖64終止于發(fā)射單元20的下端部側(cè)，第一光纖64的終止端面(即，發(fā)射端面)垂直向下面對分色鏡72的下表面。第二光纖70終止于發(fā)射單元20的上端部側(cè)，第二光纖70的終止端面(即，發(fā)射端面)水平向內(nèi)面對分色鏡75的下表面。第一準(zhǔn)直透鏡74設(shè)置在第一光纖64的發(fā)射端面和分色鏡72之間，第二準(zhǔn)直透鏡76設(shè)置在第二光纖70的發(fā)射端面和分色鏡75之間。聚焦透鏡78直接設(shè)置在分色鏡72的下方。分色鏡72采用透明基底作為其母質(zhì)，該基底涂覆有對于基波波長(1064nm)具有反射性的薄膜，以及對于第二諧波(532nm)和可見光具有透射性的薄膜。分色鏡75采用透明基底作為其母質(zhì)，該基底涂覆有對于第二諧波(532nm)具有反射性的薄膜，以及對于可見光具有透射性的薄膜。
從第一光纖64的發(fā)射端面在水平方向放射式地發(fā)射出的YAG基波脈沖激光LB被第一準(zhǔn)直透鏡74準(zhǔn)直，被分色鏡72以直角垂直向下反射，并入射在聚焦透鏡78上。從第二光纖70的發(fā)射端面在水平方向放射式地發(fā)射出的YAG第二諧波脈沖激光SHG被第二準(zhǔn)直透鏡76準(zhǔn)直，被分色鏡75以直角垂直向下反射，透過分色鏡72，并入射在聚焦透鏡78上。被分色鏡72垂直向下反射的基波光束LB和被分色鏡75垂直向下反射并透過分色鏡72的第二諧波光束SHG疊加在大致同一光軸上，并在其疊加狀態(tài)下由聚焦透鏡78聚焦。發(fā)射單元20也可構(gòu)造成使光纖64和70的發(fā)射端面與準(zhǔn)直透鏡74和76之間的距離可以隨著焦點(diǎn)的調(diào)節(jié)而可變地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
監(jiān)視用CCD照相機(jī)77附接于發(fā)射單元20的上端部。從焊接工件的加工點(diǎn)K進(jìn)入發(fā)射單元20的可見光透過分色鏡72和75，并由CCD照相機(jī)77中的成像元件接收。
在該實(shí)施例中，如上所述，YAG基波系統(tǒng)的光纖64的芯直徑1選擇為略大于(優(yōu)選地為1.3倍到2倍)用于傳播第二諧波的光纖70的芯直徑2的值，發(fā)射單元20內(nèi)的YAG基波與YAG第二諧波的圖像信息比選擇成1∶1。因此，焊接工件(W1和W2)的焊接點(diǎn)K受到聚束點(diǎn)或照射直徑的照射，其中YAG基波脈沖激光LB略大于(1.3倍到2倍)YAG第二諧波脈沖激光SHG。
關(guān)于在發(fā)射單元20內(nèi)疊加YAG第二諧波脈沖激光SHG和YAG基波脈沖激光LB的方法，一般地，LB的能量顯著大于SHG的能量。因此，如圖6所示，疊加該兩種激光優(yōu)選的是，LB在頂部，SHG在底部。而還可以相反地疊加該兩種激光，使SHG在頂部，LB在底部，并且第一和第二光纖64和70的發(fā)射端部的位置以及CCD照相機(jī)77的位置可以有選擇地選擇成在發(fā)射單元20的內(nèi)部。
控制單元18通過激光器電源單元14和16來控制YAG脈沖激光振蕩器10和YAG第二諧波脈沖激光振蕩器12的激光振蕩操作，并且特別是在預(yù)定時刻為激光器電源單元14和16提供分別定義YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG的激光輸出波形的第一和第二參考脈沖波形信號。
圖7示出該實(shí)施例中的YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG的典型激光輸出波形。脈沖激光LB和脈沖激光SHG的激光輸出波形分別對應(yīng)于由控制單元18提供的第一和第二參考脈沖波形。如圖7所示，該實(shí)施例的一個特征是，在脈沖激光LB的上升和脈沖激光SHG的上升之間存在較小的時間差；換言之，YAG第二諧波脈沖激光SHG的上升比YAG基波脈沖激光LB的上升略早一些。
更具體地，如圖8所示，重要的是，YAG第二諧波脈沖激光SHG的激光輸出到達(dá)設(shè)定峰值PSHG的時刻tSHG比YAG基波脈沖激光LB到達(dá)設(shè)定峰值PLB的時刻tLB要略早一些(優(yōu)選地為0.05ms到0.3ms)。從這點(diǎn)上來講，上升起點(diǎn)之間的前后關(guān)系可以選擇。例如，如圖9所示，LB的上升開始也可以比SHG的上升開始早。
以這樣的方式，YAG第二諧波脈沖激光SHG的激光輸出到達(dá)其峰值PSHG比YAG基波脈沖激光LB到達(dá)其峰值PLB早，這樣在焊接點(diǎn)K附近順利地開始(觸發(fā))形成小孔，隨即YAG基波脈沖激光LB的激光輸出到達(dá)峰值PLB，這樣因脈沖激光LB和脈沖激光SHG的疊加或倍增效應(yīng)，小孔向里擴(kuò)展/生長，從而在不同的焊接點(diǎn)K1、K2、K3等處獲得良好再現(xiàn)性的恒定深度的熔透或焊接熔核N1、N2、N3等，如圖10所示。實(shí)際上，在本發(fā)明中，已經(jīng)證實(shí)在0.3mm厚或更厚的銅板中得到高再現(xiàn)性的穩(wěn)定焊接。當(dāng)銅或金熔化時，其很好地吸收YAG基波。因此，YAG第二諧波脈沖激光SHG的照射時間(脈寬)可以比YAG基波脈沖激光LB的照射時間(脈寬)短(這對焊接質(zhì)量沒有影響)。
與本發(fā)明進(jìn)行對比，當(dāng)脈沖激光LB和脈沖激光SHG到達(dá)其峰值的時刻tLB和tSHG之間的前后關(guān)系相反時(即，當(dāng)tLB在tSHG之前時)，焊接熔核N1、N2、N3等出現(xiàn)變化，如圖11所示。這是因?yàn)楫?dāng)YAG基波脈沖激光LB的激光輸出在YAG第二諧波脈沖激光SHG到達(dá)峰值PSHG之前到達(dá)峰值PLB時，在YAG第二諧波的作用下的小孔開始形成受到疊加YAG基波的干擾，從而小孔的擴(kuò)展/生長以及熔透不穩(wěn)定。
該實(shí)施例的另一特征在于，將YAG基波脈沖激光LB的激光輸出的下降控制為下斜坡波形，如圖7所示。由于該下斜坡控制，可以有效地防止對焊接熔核N1、N2、N3等的外觀的干擾，并且特別是中心部分的隆起(瘤子)。
即，在脈沖激光LB的照射期間，如圖12所示，金屬蒸氣J出現(xiàn)在焊接點(diǎn)附近形成的小孔內(nèi)，金屬在小孔周圍熔化，激光束反復(fù)被吸收并被小孔的側(cè)壁反射。而后，當(dāng)脈沖激光LB的照射停止時，熔化的材料流入孔并凝固。此時，當(dāng)脈沖激光LB的照射突然停止時，熔化的材料快速聚集在中心部分并隨之凝固。從而，如圖13所示，容易在熔核N的中心部分形成類似瘤子的隆起HP。
根據(jù)該實(shí)施例的下斜坡控制，激光束LB的照射能量逐漸減小，從而熔化的材料逐漸在小孔內(nèi)擴(kuò)散，并獲得無隆起的熔核表面(焊接外形)，如圖14所示。根據(jù)本發(fā)明的下斜坡的傾斜角度θDS或傾斜時間TDS可以適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)焊接規(guī)范設(shè)定，而對于焊接普通的厚銅板，優(yōu)選地將傾斜時間TDS選擇為相對于YAG基波脈沖激光LB的峰值持續(xù)時間TP的20％到50％的范圍內(nèi)。
如上所述，該實(shí)施例的一個特征是還將用于傳播基波的光纖64的芯直徑1選擇成略大于(優(yōu)選地為1.3倍到2倍)用于傳播第二諧波的光纖70的芯直徑2的值。即，通過使YAG基波脈沖激光LB的照射直徑略大于YAG第二諧波脈沖激光SHG的照射直徑，可以減小小孔直徑與熔核直徑的比，并可以穩(wěn)定小孔周圍的熔化部分，如圖15中示意性地示出的，凝固后的熔核(特別是邊緣部分)可成一平滑表面。
與本實(shí)施例進(jìn)行對比，當(dāng)使光纖64和70的芯直徑1和2相同，并且脈沖激光LB和脈沖激光SHG的照射直徑相同時，如圖16所示，小孔直徑與熔核直徑的比較大。因此，強(qiáng)烈地受到金屬蒸氣部分的影響，外圍的熔化部分變得不穩(wěn)定，如圖17中示意性地示出的，凝固后的熔核表面(特別是邊緣部分)容易受到干擾，在邊緣部分容易出現(xiàn)隆起HP。
上面已經(jīng)描述了優(yōu)選實(shí)施例，但是本發(fā)明決不限于該實(shí)施例，而是可以在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)作各種修改。例如，在上面的實(shí)施例中，定義YAG基波脈沖激光LB和YAG第二諧波脈沖激光SHG的激光輸出波形的第一和第二參考脈沖波形信號由控制單元18產(chǎn)生并傳輸?shù)郊す馄麟娫磫卧?4和16。然而，控制單元18還可以構(gòu)造成僅產(chǎn)生時序信號或開始信號，而參考脈沖波形可以在激光器電源單元14和16的內(nèi)部產(chǎn)生。
此外，在上面的實(shí)施例中，第二諧波(532nm)用作YAG諧波，但也可以使用第三諧波(355nm)或第四諧波(266nm)等。此外，對于用于產(chǎn)生YAG諧波的固態(tài)介質(zhì)24或激活介質(zhì)40，除了NdYAG晶體以外還可以使用NdYLF晶體、NdYVO4晶體或YbYAG晶體等。本發(fā)明的激光焊接方法適用于各種接縫形式，例如搭接接縫、對接接縫和角接接縫。
雖然這里已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的示意性的和目前優(yōu)選的實(shí)施例，但是要理解，發(fā)明構(gòu)思還可以有各種體現(xiàn)和應(yīng)用，并且所附權(quán)利要求解釋為包括除了由現(xiàn)有技術(shù)限定的范圍以外的變型。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接方法，其疊加具有可變脈寬的YAG基波脈沖激光和具有可變脈寬的YAG諧波脈沖激光并用它們照射焊接區(qū)，從而用所述YAG基波脈沖激光和所述YAG諧波脈沖激光的能量來焊接所述焊接區(qū)，所述方法包括以一時間差來疊加兩種脈沖激光，使所述YAG諧波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值在所述YAG基波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值之前。
2.如權(quán)利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述時間差選擇成在0.05ms到0.3ms的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光焊接方法，其中，將所述YAG基波脈沖激光的下降控制成下斜坡波形。
4.一種激光焊接方法，其疊加具有可變脈寬的YAG基波脈沖激光和具有可變脈寬的YAG諧波脈沖激光并用它們照射焊接區(qū)，從而用所述YAG基波脈沖激光和所述YAG諧波脈沖激光的能量來焊接所述焊接區(qū)，所述方法包括將所述YAG基波脈沖激光的下降控制成下斜坡波形。
5.如權(quán)利要求3或4所述的激光焊接方法，其中，將所述YAG基波脈沖激光的下降時間選擇為處于相對于所述YAG基波脈沖激光的峰值持續(xù)時間的20％到50％的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的激光焊接方法，其中，將所述YAG基波脈沖激光和所述YAG諧波脈沖激光分別通過第一和第二光纖傳輸?shù)郊す獍l(fā)射單元，并且將分別從所述第一和第二光纖的終端面發(fā)射出的所述YAG基波脈沖激光和所述YAG諧波脈沖激光疊加在所述激光發(fā)射單元內(nèi)的同一軸上。
7.如權(quán)利要求6所述的激光焊接方法，其中，所述第一光纖的芯直徑大于所述第二光纖的芯直徑。
8.如權(quán)利要求7所述的激光焊接方法，其中，所述第一光纖的芯直徑選擇成是所述第二光纖的芯直徑的1.3倍到2倍。
9.如權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的激光焊接方法，其中，所述焊接工件包括Cu金屬或Au金屬。
10.一種激光焊接裝置，其包括第一激光振蕩單元，其通過脈寬改變而產(chǎn)生YAG基波脈沖激光；第二激光振蕩單元，其通過脈寬改變而產(chǎn)生YAG諧波脈沖激光；發(fā)射單元，其疊加所述YAG基波脈沖激光和所述YAG諧波脈沖激光并用它們照射期望的焊接區(qū)；和控制單元，其控制所述第一和第二激光振蕩單元之間的激光振蕩操作，以使所述YAG諧波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值在所述YAG基波脈沖激光的激光輸出到達(dá)其峰值之前。
11.如權(quán)利要求10所述的激光焊接裝置，其中，其還包括波形控制單元，所述波形控制單元將所述YAG基波脈沖激光的下降控制為下斜坡波形。
12.如權(quán)利要求10或11所述的激光焊接裝置，其中，其還包括第一光纖，其將所述YAG基波脈沖激光從所述第一激光振蕩單元傳輸?shù)剿黾す獍l(fā)射單元，和第二光纖，其將所述YAG諧波脈沖激光從所述第二激光振蕩單元傳輸?shù)剿黾す獍l(fā)射單元。
13.如權(quán)利要求12所述的激光焊接裝置，其中，所述第一光纖的芯直徑大于所述第二光纖的芯直徑。
14.如權(quán)利要求13所述的激光焊接裝置，其中，所述第一光纖的芯直徑選擇成是所述第二光纖的芯直徑的1.3倍到2倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光焊接方法和激光焊接裝置。YAG脈沖激光振蕩器(10)振蕩/輸出可變脈寬的YAG基波脈沖激光(LB)，YAG脈沖激光振蕩器(12)振蕩/輸出可變脈寬的YAG第二諧波脈沖激光(SHG)。發(fā)射單元(20)將脈沖激光(LB)和脈沖激光(SHG)疊加在同一光軸上并聚焦，并用脈沖激光(LB)和脈沖激光(SHG)照射焊接工件(W
文檔編號B23K26/06GK1850417SQ20051013752
公開日2006年10月25日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者長嶋崇弘, 加瀬純平 申請人:宮地技術(shù)株式會社