[发明专利]激光焊接机头和工艺

说明书

发明背景

本发明涉及激光焊接领域，特别涉及激光焊接机头，还涉及使用这种焊接机头的一种焊接方法。

背景技术

激光焊接是一种技术，其能使由可熔材料(特别是金属材料)制成的多个部件通过激光束发出的能量而将它们装配到一起。激光束被聚焦在两个相邻部件之间的聚焦点上，用来将要焊接的材料局部加热到其熔点之上，从而使得两个部件在结合平面上被焊接到一起。而后，逐渐推进垂直于激光束的聚焦轴线的焊接点，从而使得两个相邻部件按照该推进方向沿焊接线而连接到一起。

为了避免焊接线上的材料氧化，本领域技术人员都清楚可将一种惰性保护气体(例如，氩气)通过位于聚焦轴线周围的环形喷嘴喷射到聚焦点上。

然而，该项技术的缺陷是用来导向和聚焦激光的光学元件性能会逐渐变差，特别是位于光路端部的聚焦镜的性能会逐渐变差。由于该镜头暴露于具有热气体、灰尘、以及熔化的金属液滴的恶劣环境中，所以其性能会很快降低。遗憾地是，这种光学元件的成本非常高，频繁更换这些光学元件会对使用激光焊接装置带来严重影响。

在聚焦镜前放置一块保护玻璃并不能完全解决这个缺陷。即使这种玻璃成本低于聚焦镜，但因为其性能降低而频繁更换也同样会带来很大成本，这不仅是因为其更换成本，而且还因为为了更换该玻璃需要停止激光焊接装置的使用。

为此，有人建议为了保护聚焦镜，让横向气体流流过镜头前端，以便阻挡热气体、灰尘和熔化金属液滴，因为这些会降低聚焦镜表面的性能。然而，这种“交叉射流(crossjet)”技术的效果受到限制。特别是，如果其与在聚焦轴线周围的喷射保护气体相结合时，横向气体流和保护气体射流之间的气动力交互作用会使得保护气体的喷射不够稳定，从而使得熔化的金属材料出现不希望有的氧化。

发明内容

本说明书旨在解决这些缺陷。特别是，本发明提出了一种固定在聚焦镜下方以便聚焦激光的激光焊接机头，该激光焊接机头包括至少一个用来喷射保护气体并设置在光轴周围的环形喷嘴，以及通过横向气体流来保护聚焦镜的保护腔，该保护腔带有进气口和排气口，二者在基本上垂直于所述光轴的平面上相互对准；而同时又可以避免在保护气体射流和横向气体流之间的有害气动力的相互作用。

在至少一个实施例中，该目的可以这样实现，即激光焊接机头设置为抵靠在所述聚焦镜上而被固定，而在聚焦镜和所述保护腔之间没有设任何侧向开口，而且，在环形喷嘴的出口和所述保护腔之间具有至少100毫米(mm)的距离。

通过这些措施，在横向气体流和保护气体射流之间的有害气动力的相互作用就可以降到最小，从而尽可能地避免热气体、灰尘、或聚焦镜附近的金属液滴通过焊接机头或从外部进入。

特别是，为了减轻激光焊接机头的重量，以便减少其惯性并更便于启动，该激光机头可在保护腔和环形喷嘴之间具有至少一个侧向开口。

特别是，为了进一步将由排气口离开的气体流与所述保护腔隔开，该激光焊接机头可以在所述排气口的下游设导风板。

为了使横向气体流过保护腔，同时向聚焦镜提供附加保护，所述保护腔可以沿轴向方向由位于所述光轴周围的至少一个环形垫圈来限定。

为了让所述环形喷嘴出口处的气体流动均匀，所述环形喷嘴可以包括位于环形出口上游的集气腔。

为了避免液体或固体颗粒进入集气腔，环形喷嘴可以在集气腔和环形出口之间设弯曲通道。环形喷嘴还可包括至少一个扩散器，作为弯曲通道的另一种形式或补充。特别是，所述弯曲通道可以位于扩散器的下游，以便保护扩散器。特别是，该扩散器可以包括至少一个多孔部件或过滤器，例如，多孔部件，或多个过滤器，彼此通过隔片隔开。该至少一个多孔部件或过滤器可以采用金属制成：举例来说，扩散器可以包括由青铜制成的多孔部件。

例如，为了保护激光焊接装置不受热冲击或电击，激光焊接机头可以包括由隔热和/或电气绝缘材料制成的部件，置于保护腔和环形喷嘴之间。

为了向推进的激光焊接机头后部依然灼热的焊接线提供保护以防止氧化，该激光焊接机头可进一步包括第二喷嘴，用来喷射保护气体，所述第二喷嘴设置在相对于激光焊接机头推进方向的环形喷嘴的后部。特别是，第二喷嘴可以集成到移动架内，后者紧固到激光焊接机头的后部，以便覆盖焊接线。

此外，为了更好地避免横向气体流和保护气体射流之间的气动力干扰，来自所述保护腔的气体排放方向可以与激光焊接机头的推进方向相反。这样就避免了推进中的激光头会碰上来自排气管下游气体流所产生的湍流。

环形喷嘴的出口和保护腔之间的距离是可调的，这样，可更好地使激光焊接机头适应各种不同工作参数。