借助绿光波长的激光脉冲点焊尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成的工件的方法和装置制造方法及图纸

技术编号:13766207 阅读:133 留言:0更新日期:2016-09-28 19:24
在用于借助波长为500至540nm的激光脉冲(31)点焊尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成的工件以产生大于0.5mm、优选0.8至1.3mm、特别优选大于1.3mm的焊入深度的方法中,其中,所述激光脉冲(31)具有时长在约1ms至约20ms之间的主脉冲区段(6b),该主脉冲区段具有处于约1600W至约6000W之间的脉冲峰值功率,所述激光脉冲(31)的功率分别具有在时间上的脉冲走向,该在时间上的脉冲走向具有:在时间上的第一脉冲区段(6a),其呈上升的脉冲边沿的形式,用于在工件中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;作为在时间上的第二脉冲区段的主脉冲区段(6b),用于在工件中产生带蒸发通道的熔池;在时间上的第三脉冲区段(6c),其呈脉冲边沿的形式,该脉冲边沿首先垂直地下降到所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的至少3/4并且接着较平缓地下降,该第三脉冲区段用于回填蒸发通道;和在时间上的第四脉冲区段(3d),其呈低的脉冲高台的形式,该低的脉冲高台的高度处于所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的1/3至1/4之间,该第四脉冲区段用于使熔液的振动衰减。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种根据权利要求1和权利要求10的前序部分所述的用于借助波长为500至540nm的激光脉冲来点焊工件的方法和装置,所述工件尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成。
技术介绍
这种方法和这种装置例如通过S.Nakashiba等人的文章,,Micro-welding of Copper Plate by Frequency Doubled Diode Pumped Pulsed Nd:YAG Laser\,Physics Procedia,2012,Heft 39,S.577-584被已知。铜和金的吸收在绿光波长(500至540nm)的情况下比在常见激光类型的波长(≥1064nm)的情况下高。在用具有红外波长(1064nm)的激光脉冲对铜进行激光焊接时,该激光脉冲的功率典型地具有梯形的“在时间上的脉冲走向”,该梯形的在时间上的脉冲走向具有:笔直上升的脉冲边沿,用于在工件中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;平的脉冲高台,用于在工件中产生带蒸发通道的熔池;和笔直下降的脉冲边沿,用于结束焊接过程。但是所焊接的工件表面具有熔化喷溅物。在用所谓的混合激光来激光焊接时,同时用具有红外波长(1064nm)的激光脉冲和具有绿光波长(532nm)的激光脉冲进行焊接,以便改善能量向铜材料中的耦入。对于铜的所谓的微焊连接,使用具有绿光波长(500至540 nm)的激光脉冲,其中,焊入深度最大约为0.2mm。使用者有时具有新的(光亮的)铜部件,有时具有经过几天或数周的(氧化的)铜部件。因此在红外激光加工的情况下必须使加工参数适配于工件的新旧或者说适配于表面情况。此外,在铜的新磨的表面之内,红外激光辐射的耦入的变化强到出现焊点区别的程度。
技术实现思路
相对地,本专利技术的任务是,提供一种用于借助波长为500至540mm的激光脉冲来点焊工件的方法和装置,以便尤其在焊入深度为0.5至1.3mm时实现尺寸(焊入深度和宽度)尽可能均匀的焊点并且避免工件表面上的喷溅物并且实现尽可能与工件表面无关的焊入深度和焊点宽度。根据本专利技术,该任务通过具有权利要求1特征的用于点焊工件的方法解决,所述工件尤其是由铜、铜合金、金或首饰材料构成的工件。根据本专利技术,所述激光脉冲的功率可具有矩形或梯形的在时间上的脉冲走向。根据本专利技术的激光焊接方法适用于所有在绿光波长情况下吸收特别好的金属。即根据本专利技术,所述激光脉冲的功率分别具有一在时间上的脉冲走向,该在时间上的脉冲走向具有:在时间上的第一脉冲区段,其呈上升的脉冲边沿的形式,该第一脉冲区段用于在工件中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;作为在时间上的第二脉冲区段的主脉冲区段,其呈高的脉冲高台的形式,该主脉冲区段用于在工件中产生带蒸发通道的熔池;在时间上的第三脉冲区段,其呈脉冲边沿的形式,该脉冲边沿首先垂直地下降到所述高的脉冲高台结束时的功率的至少3/4并且接着较平缓地下降,该第三脉冲区段用于回填蒸发通道;在时间上的第四脉冲区段,其呈低的脉冲高台的形式,该低的脉冲高台的高度为所述高的脉冲高台结束时的功率的1/3至1/4之间,该第四脉冲区段用于使熔液的振动衰减。即在该脉冲走向的情况下,该绿色的激光脉冲的功率并不具有如在红外激光脉冲情况下的那种矩形或梯形的在时间上的脉冲走向,而是脉冲功率在高的脉冲高台结束时首先垂直地下降并且接着较平缓地下降,由此使蒸发通道经过较长的时间段回复原状,然后转变成低的脉冲高台,由此使熔液的冷却和凝固(即熔液的振动衰减)延长经过较长的时间段。延迟的蒸发通道回复和延迟的熔液振动衰减阻碍熔液的喷发,使得不会在工件表面上形成喷溅物或仅形成少量的喷溅物。因此,热量向所述材料中的流入以及热量的回流通过特定地在时间上适配的激光脉冲功率走向来确定。优选,所述主脉冲区段构造为水平的脉冲高台或上升的脉冲高台,并且在全部的焊入深度的情况下都选择成这么高,使得刚好不形成任何喷溅
物。第二主脉冲区段的时长越长,则焊入深度越深。所述脉冲高台结束时的脉冲功率或者说脉冲峰值功率很大程度上取决于焦点位置。优选,第一脉冲区段的上升的脉冲边沿在边沿开始时具有比在边沿结束时大的斜度。因此,该走向跟随自然的向工件中的能量耦入。这意味着,较陡的走向可能也没什么不同地被接收到所述材料中,并且提供的能量可能被浪费。因此,边沿结束时的小的斜度导致节省了所述激光脉冲的能量。因为在从液相到气相相变时由于蒸发通道中形成的多重反射而使所述吸收阶跃地上升,所以只要工件中已达到蒸发温度,就可减慢地或笔直地进行为产生蒸发通道所需的进一步的功率提升。如试验已显示的那样,第三和第四脉冲区段的时长基本上与之前的脉冲区段的时长无关。取而代之地,该时长与蒸发通道的深度有关。第三脉冲区段的时长优选处于约0.3ms至约4ms之间,而第四脉冲区段的最短时长优选处于约0.5ms至约3ms之间。第四脉冲区段的更长的时长是可能的,但是不起作用。完全特别优选地,将所述激光脉冲分别以钟形的功率密度分布成像到工件表面上,该钟形的功率密度分布在工件表面上导致逐渐地(即不突然地)从内向外下降的温度轮廓。温度柔和地向外下降阻碍熔液的喷发,使得不会在工件表面上形成喷溅物或仅形成少量喷溅物。所述蒸发通道相应于该温度分布成形并且为激光提供均匀的、倾斜的吸收面。为了在工件表面上实现所述功率密度分布,将光导纤维中被引导向工件的激光脉冲在其从该光导纤维射出之后在射到工件表面上之前优选扩宽到光纤直径的至少二至四倍。在一种变型中,以顶帽分布(Top-Hat-Verteilung)从所述光导纤维中射出的激光脉冲的直径扩宽通过将该激光脉冲的焦点相应远地布置在工件表面的上方或下方、即通过激光脉冲在工件表面上的散焦,或通过有意地产生这种功率密度分布的扩宽光具,或通过使用梯度折射率光纤来进行。本专利技术在另一方面也涉及适用于实施根据本专利技术的点焊方法的、具有权利要求11特征的激光焊接装置。即根据本专利技术设置有脉冲功率,该脉冲功率的在时间上的脉冲走向具有:在时间上的第一脉冲区段,其呈上升的脉冲边沿的形式,该第一脉冲区段用于在工件中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;作为在时间上的第
二脉冲区段的主脉冲区段,其呈高的脉冲高台的形式,该主脉冲区段用于在工件中产生带蒸发通道的熔池;在时间上的第三脉冲区段,其呈脉冲边沿的形式,该脉冲边沿首先垂直地下降到所述高的脉冲高台结束时的功率的至少3/4并且接着较平缓地下降,所述第三脉冲区段用于回填所述蒸发通道;和在时间上的第四脉冲区段,其呈低的脉冲高台的形式,该低的脉冲高台的高度处于所述高的脉冲高台结束时的功率的1/3至1/4之间,用于使熔液的振动衰减。在优选实施方式中,为了将激光脉冲从激光射束产生器引导向工件而设置有光导纤维。该光导纤维例如可为阶跃光纤,具有顶帽轮廓的激光脉冲从该阶跃光纤中射出。在扩展方案中,在该光导纤维后面布置有例如呈透镜形式的聚焦光具,该聚焦光具在顶帽分布的情况下将焦点直径最大成像成相同的光纤直径或成像成较小的光纤直径。照射直径通过散焦扩宽到光纤直径的至少二至四倍。在替代的扩展方案中,钟形分布也可通过布置在后面的、例如呈透镜形式的聚焦光具成像,该聚焦光具的特性是在焦点中产生相对于所述光导纤维改变的功率密度分布。照射直径在此处于0.2至本文档来自技高网
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【技术保护点】
用于借助波长为500至540nm的激光脉冲(31,32,33)来点焊工件(2)以产生大于0.5mm、优选0.8至1.3mm、特别优选大于1.3mm的焊入深度的方法,所述工件尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成,其中,所述激光脉冲(31,32,33)具有时长在约1ms至约20ms之间的主脉冲区段(6b),该主脉冲区段具有约1600W至约6000W之间的脉冲峰值功率,其特征在于,所述激光脉冲(31,32,33)的功率分别具有在时间上的脉冲走向,该在时间上的脉冲走向具有:在时间上的第一脉冲区段(6a),其呈上升的脉冲边沿的形式,该第一脉冲区段用于在所述工件(2)中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;作为在时间上的第二脉冲区段的所述主脉冲区段(6b),该主脉冲区段用于在所述工件(2)中产生带蒸发通道(10)的熔池;在时间上的第三脉冲区段(6c),其呈脉冲边沿的形式,该脉冲边沿首先垂直地下降到所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的至少3/4并且接着较平缓地下降,该第三脉冲区段用于回填所述蒸发通道(10);和在时间上的第四脉冲区段(3d),其呈低的脉冲高台的形式,该低的脉冲高台的高度处于所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的1/3至1/4之间,该第四脉冲区段用于使熔液(9)的振动衰减。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.31 DE 102014201715.71.用于借助波长为500至540nm的激光脉冲(31,32,33)来点焊工件(2)以产生大于0.5mm、优选0.8至1.3mm、特别优选大于1.3mm的焊入深度的方法,所述工件尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成,其中,所述激光脉冲(31,32,33)具有时长在约1ms至约20ms之间的主脉冲区段(6b),该主脉冲区段具有约1600W至约6000W之间的脉冲峰值功率,其特征在于,所述激光脉冲(31,32,33)的功率分别具有在时间上的脉冲走向,该在时间上的脉冲走向具有:在时间上的第一脉冲区段(6a),其呈上升的脉冲边沿的形式,该第一脉冲区段用于在所述工件(2)中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;作为在时间上的第二脉冲区段的所述主脉冲区段(6b),该主脉冲区段用于在所述工件(2)中产生带蒸发通道(10)的熔池;在时间上的第三脉冲区段(6c),其呈脉冲边沿的形式,该脉冲边沿首先垂直地下降到所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的至少3/4并且接着较平缓地下降,该第三脉冲区段用于回填所述蒸发通道(10);和在时间上的第四脉冲区段(3d),其呈低的脉冲高台的形式,该低的脉冲高台的高度处于所述主脉冲区段(6b)结束时的功率的1/3至1/4之间,该第四脉冲区段用于使熔液(9)的振动衰减。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述主脉冲区段(6b)构造为水平的脉冲高台或上升的脉冲高台。3.根据权利要求1或2所述的激光焊接方法,其特征在于,所述第一脉冲区段(6a)的上升的脉冲边沿在边沿开始时具有比在边沿结束时大的斜度。4.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接方法,其特征在于,所述第三脉冲区段(6c)的时长为约0.3ms至约4ms之间。5.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接方法,其特征在于,所
\t述第四脉冲区段(6d)具有约0.5ms至约3ms之间的最小时长。6.根据前述权利要求中任一项所述的激光焊接方法,其特征在于,所述激光脉冲(31,32,33)分别以钟形的、按位置的功率密度分度成像到工件表面(7)上。7.根据权利要求6所述的激光焊接方法,其特征在于,所述工件表面(7)上的钟形的、按位置的功率密度通过以所述激光脉冲(31,32,33)的顶帽分布对焦点进行散焦来产生。8.根据权利要求6所述的激光焊接方法,其特征在于,钟形的、按位置的功率密度通过透镜光具(8)产...

【专利技术属性】
技术研发人员:E·D·凯泽
申请(专利权)人:通快激光有限责任公司
类型:发明
国别省市:德国;DE

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