[发明专利]激光束焊接装置以及激光束焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的激光束焊接装置以及一种按权利要求11前序部分所述的激光束焊接方法。

背景技术

在现有的激光束焊接装置中，激光束源产生的激光束被聚焦到两个工件之间的接缝区上。其中，聚焦的激光束的横截面呈圆形，聚焦直径在常规使用情况下的波动范围为150和600微米之间。在材料内吸收的激光束导致接缝区的加热和熔化。熔液的混匀及其固化后两个焊件的连接都与接缝几何形状和材料性能密切相关。为了制造焊缝，在激光束或激光焊接聚焦和焊具之间产生相对运动，也即或者是激光束或者是工件以一定的进给速度进行运动。为了例如在两个圆柱形工件的外表面制造环形焊缝(径向焊缝)，用旋转装置使该工件围绕其对称轴旋转，而激光束源和圆形激光束焊接聚焦则保持固定。加工时间尤其是由于随加工速度的不断增加而变大的离心力的影响受到了限制，因为这种离心力会导致熔液从接缝区的不希望的甩出。现有激光束焊接装置的另一个问题是，如果要求被制成的环形焊缝的密封性，也即环形焊缝在圆周方向内必须封闭时，则必须旋转360°以上。这样，焊接角度大于360°，这导致一个焊缝重叠区，该区是通过第二次激光束焊接聚焦来形成的。由于这种焊缝的不对称性，工件产生翘曲，这导致工件的同心度误差甚至弯折，由此可能引起工件的功能受损甚至失效，特别是在该工件涉及喷油阀时。

此外，DE 20 2005 015 263 U1公开了一种环形布置许多激光二极管来产生激光束焊接聚焦的激光束焊接装置，其缺点是需要大量的激光二极管，而且实际上很难实现激光束焊接聚焦区的均匀的强度分布，所以在制造环形焊缝时不可能省去两个焊接工件或激光二极管的旋转。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光束焊接装置以及一种激光束焊接方法，借助于这种装置和方法可优先只用一个激光束源来产生具有环形横截面的激光束，该激光束具有至少接近均匀的强度分布。该装置和方法特别适用于制造圆周密封的径向焊缝而不存在重叠区，从而避免了不对称的焊缝结构所引起的工件翘曲。

上述目的是通过具有权利要求1所述特征的激光束焊接装置以及具有权利要求11所述特征的激光束焊接方法来实现的。本发明的诸多有利改进可从各项从属权利要求中得知。在说明书中、权利要求中和/或附图中给出的至少两个特征的全部组合也属于本发明的范畴。

本发明的原理在于：借助于光学装置把激光束源产生的一般具有圆形强度分布的激光束转换成具有环形强度分布即环形横截面面积的激光束。为此，优先只用一个激光束源，这样用光学装置转换的带有环形横截面的激光束在其整个有效横截面面积上都具有均匀的强度分布。环形横截面面积应优选圆环形，但这不是绝对必要的，视光学器件的构成而定。例如也可呈椭圆环形。

根据本发明的改进，有利于光学装置产生的环形激光束基本上在径向内对准两个工件的焊接区，以便由此产生环形焊缝或径向焊缝。在这种情况下，无须按精确的径向即按与激光束源产生的激光束的光轴或按与被焊工件的纵轴或对称轴成90°的角度进行偏转，而是可按0°＜α＜180°的角度范围进行偏转-视几何形状给定条件而定。重要的是，激光束被侧向偏转到至少一个工件(即其外表面)上。应优先使在圆周方向内闭合的激光束至少大致垂直入射到接缝区。用这样构成的激光束焊接装置即可制成周边闭合的环形焊缝而没有重叠区，从而避免了工件翘曲。可均匀地并同时沿着焊缝的整个长度将能量输入接缝区。此外，可省去在激光束源或激光束聚焦和至少一个工件之间的相对运动，从而可提升加工速度，因为不存在离心力的负面影响。这种激光束焊接装置尤其适用于焊接容易翘曲的、直径＜60毫米的圆柱形工件，但在使用相应大功率的激光时，焊接更大直径的工件也是不成问题的。

根据本发明的一个优选实施方式，偏转激光束用的尤指偏转到至少一个工件外表面上的偏转装置设计成锥形反射镜。这时把反射镜面布置在锥形内侧是有利的，因为锥形反射镜可至少部分地外部包围至少一个工件布置并由此便于调节。锥形反射镜最好从锥底的方向反射。但也可附加地或用另一个具有外反射镜面的锥形反射镜，该反射镜最好可移入至少一个工件的内部，从而可在工件内侧上制造周边闭合的环形焊缝。这样，锥形反射镜就可优先从锥顶方向射出。通过圆锥角的选择可侧向在至少一个工件上调节环形激光束的入射角。锥形反射镜最好与激光束焊接装置的光轴同轴布置。优先选用旋转对称的锥形。因为锥形的偏差可能产生不是圆形的接缝区。

通过锥形反射镜在轴向内的移动，可改变激光束聚焦环的直径，所以该聚焦环可调节到至少一个被加工的特别是旋转对称的工件上。