[发明专利]激光束连接方法和激光加工光学仪器

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助激光束焊接或钎焊工件的方法和一种激光加工光学仪器。通过这种方法，除了能达到焊缝或钎焊缝的更好的边缘连接并且由此获得更高的接缝质量，还能够实现更高的工艺效率。

背景技术

已知激光焊接和激光钎焊是借助于激光束连接两个工件的。在这两种情况下，处于接合点处的工件在材料熔化的情况下彼此连接在一起。在激光焊接期间，工件或其表面熔化；而在激光钎焊期间，只有施加到接合点上或者引入到接合点中的焊丝熔化。

反过来激光焊接也能够在使用焊丝的情况下完成，例如在接合点的缝隙宽度大的情况下。焊丝被定位在接合点的缝隙上或接合点的缝隙中；从而激光束熔化处于接合点处的两个工件的边缘和焊丝，由此形成熔池。

借助激光连接两个工件期间的能量输入的特征在于，加工平面中的激光焦斑(也被称为激光光斑)的空间的辐射强度分布以及能量分布。举例而言，加工平面在对焊中通常位于待连接的两个工件的表面上的接合点处。通常使用这样的激光光斑，即在横截面中包含有旋转对称方形的或高斯式的辐射强度分布的轮廓。然而如下文所述，还已知产生非旋转对称的激光光斑的矩形或线聚焦光学仪器。能量分布在沿着激光光斑的横截面中的一条直线上基本呈矩形或者高斯式分布，也就是说沿着这条直线的能量分布几乎是均匀的以及在激光光斑的中心具有最大值。

然而，在使用焊丝进行激光焊接的情况下，这种能量分布是不利的，因为大部分激光强度照射在焊丝上并且仅有一小部分照射在待接合的工件上。一方面，通常使用低熔点的合金作为焊丝，由此相比工件来说其只需要较少的能量就能够熔化；另一方面，照射在焊丝上的激光功率的一部分未被使用地反射。

为了解决这种不良影响，例如可以在加工平面中使用用于连接的两个激光束或两个激光光斑。

DE102011016579A1示出了一种借助于不同功率密度的两个激光束进行激光焊接的方法和装置，其中激光焦斑在推进的方向上相继布置。为此，可以使用两个单独的激光器或者使用一个激光束被分离的激光器。

WO98/51442描述了一种用于焊接的具有两个激光焦斑的装置，其中，由一个激光束借助于反射镜产生两个可改变间隔的、平行延伸的部分激光束。激光焦斑在这里布置在垂直于焊缝的一条直线，也就是说，每个部分激光束分别成像在分配给它的工件上。

DE19961918C2描述了一种具有可变的透镜系统的、分离激光束的方法和装置，可变的透镜系统用于在待加工的工件上制造至少两个激光焦斑，其中激光焦斑的距离和强度能够连续地改变。在这种情况下，激光焦斑优选地布置在垂直于焊缝的直线上，还能够借助旋转装置相对于焊缝任意地改变激光焦斑的布置。DE10113471A1公开了一种借助激光双焦点进行混合焊接的方法。

DE10261422B4示出了一种激光焊接和钎焊方法以及相应的装置，其中激光束通过具有棱镜和透镜系统的可变的光学装置分成至少两个具有不同强度的可分离聚焦的部分激光束，部分激光束能够鉴于其功率分布、鉴于相对于接缝的焦点位置偏移和/或鉴于其工作点间隔进行调节，从而能够使用两个单独的激光焦斑进行连接。在这种情况下，第一部分光束聚焦在加工平面上，而第二部分光束聚焦在加工平面上方的焦平面上，从而第二部分光束在加工平面中扩展，并且具有比第一部分光束更低的能量密度。

借助于在JPH07-60470A中公开的用于焊接的装置，同样设置激光束分离为部分光束，其中分离的部分光束用于在工件的不同点处进行同时的焊接，以减少热致应力。

在DE19619339A1、WO95/11101A1、DE19751195C1和DE4316829A1中公开了用于生产两个部分激光束的其它技术以及其在材料处理中的应用，其中在这些技术中对于材料加工工艺仅具有局限的可适应性以及技术上的实施成本非常高。

所描述的方法或装置的共同点是，分别使用至少两个分离的激光光斑用于加工，其中激光束或部分激光束中的辐射强度分布沿着激光光斑的各自的横截面中的一条直线包含有典型的高斯轮廓，或者例如在光纤端的形成中包含均匀的矩形的强度分布(也被称为帽顶)。

EP1525972A2描述了一种激光焊接方法，其中激光束被分离为部分光束，其中部分光束单独地或叠加地用于焊接。该文中没有公开叠加的部分光束的总体强度分布的目标形态。