使用激光束的点焊方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种用于在两个连续的步骤中执行点焊的激光点焊方法，即准备所要焊接材料的表面状态的第一步骤和执行所指焊接的第二步骤。由材料的焊接区域反射的光能（ＢＲ）在第一步骤过程中被实时测量，然后由连接至激光源（３１）的控制电路（３０）上的控制电路（３７）进行处理。这样，激光束的特性（ＬＭ）就作为相关影响的函数而实时调整，从而允许对所获焊接质量尤其是其尺寸进行有效的控制。本发明专利技术还涉及用于实施该方法的焊接设备。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的领域为使用激光束的点焊方法和设备。更确切而言，本专利技术涉及使用激光束的点焊方法，其中至少一个点的焊接至少包括准备所要焊接材料的第一步骤和其后在焊接过程中至少部分可操作地保持所述激光束的焊接的第二步骤。第一步骤用于改变所要焊接材料至少一个焊接区域中的表面状态以获得适于实施第二步骤的预设条件，在第二步骤结束时可获得点焊。
技术介绍
第一步骤对于最终焊接结果至关重要，因为材料的表面在焊接方法中会经受某些物理变化，这些物理变化有时候发生的很突然并且可能会对所得焊接的质量产生无法预料的结果。目前，此类方法是通过在处理所指焊接之前使用不同的准备焊接区域表面的方法来例行实施的。例如，美国专利5,681,490描述了一种用于监控在激光束作用下的焊接质量的方法。为此，该文献讲授了测量和分析随焊接进度而变化的不同的物理参数的值，即由所要焊接的材料的表面反射能量、通过材料传递的能量，还可能有所用激光束的参数。然而，在上述专利所描述的方法中存在重大的技术缺陷。这是因为由完成的分析所获得的结果用于构成已实现的焊接的“标记”数据库，其中包括相关的焊接参数，且标记提供了相应焊接质量级别的示值。实现该方法的设备在后面的焊接操作中查阅该数据库，以再次使用已生产出高质量焊接的焊接参数，并力图再现相应的质量级别。该方法的主要缺陷缘于这样的事实所要焊接的材料的原始表面状态会无法预料地变化。因此，对于可以使给定材料的第一个样品获得高质量焊接的焊接参数未必会使同一材料的第二个样品获得高质量的焊接。这就是美国专利5,681,490进一步检测刚刚完成的焊接的质量以在其被证明为低质量焊接时对其进行校正的原因。因为校正焊接自身并非总是能够实现，尤其是在出现导致形成穿透材料的孔的过热情形中，所以就要准备在损坏的第一个焊接点附近执行新的焊接。就焊接所需的可视外观而言，此类解决方案并非总是可以接受的，尤其是在其位于相应最终产品的可看见的部分中时。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是通过提出一种同现有技术相比可以更好地控制所得焊接质量的焊接方法来减少上文所述的现有技术的缺陷。为此，本专利技术提供了一种上述类型的焊接方法，其特征在于第一步骤包括下列操作，以在执行第二步骤之前获得预设条件a)将激光束引导至所要焊接材料的焊接区域上，b)测量至少一个作为焊接区域中所要焊接材料表面状态特性的物理参数以监视其变化，和c)调整作为在操作b)中确定的物理参数的值的变化函数的激光束的特性。优选在操作b)之前执行校准阶段，在该阶段中确定物理参数的初始值，操作b)还包括处理特别与初始值相关的每个物理参数测量值的步骤以定义一个在第一步骤过程中其变化与该物理参数值相关的参数。因此在操作c)过程中调节作为所述参数的变化函数的激光束的特性。由于这些特征，本专利技术的焊接方法可以有效地监视焊接的过程以使激光束的参数适应每个焊接区域的状态。这样就可以获得所实施的高质量焊接的良好的再现性。特别地，该方法可以控制所获得点焊的尺寸。在根据本专利技术方法的一个优选实施例中，测量了由所要焊接材料反射的能量级别并相应而实时地调节发射的激光束的能量。还以能够更好地调节其值并因此提高焊接监视水平的方式测量了用于照射所要焊接材料的激光束的能量。据本专利技术的方法尤其适用于焊接金属零件，例如铜零件，而铜是一种难于焊接的金属。本专利技术还提供了一种用于实施上述方法的设备。附图说明阅读下面的说明并参照通过非限制性实例提供的附图，本专利技术的其它特征和优点将变得更加显而易见，其中-图1图示了两个将进行焊接的构件；-图2是解释根据本专利技术的焊接方法第一个步骤中所用策略的示意图；-图3图示了用于实施根据本专利技术方法的设备的一个实施例；-图4是表示根据本专利技术的焊接方法第一步骤过程中发射到所要焊接材料上激光能量级别的实例的图形；和-图5显示了与图4中激光束相对应的在焊接方法第一步骤中由所要焊接材料表面反射的能量级别。具体实施例方式图1显示了适于焊接在一起的两个构件的传统布置。例如，这两个构件可能是两个金属板或片。第一板1置于第二板2之上并且激光束3以法向入射被引导至第一板的上面4以进行焊接。作为非限制性实例，板1和2通常为厚度E为几十μm的铜，且激光束具有量级为200μm的直径D。在板1和2的焊接方法中，在激光束3影响的区域6中，在第一板1上形成熔融金属区域5。在保持激光束时，供给第一板1的热量传递到第二板2，并且熔融金属区域5沿着板1和2的厚度方向延伸直至到达第二板2的下表面7，如图1所示。激光束3的能量在其后通常会逐步减少以允许熔融金属区域5固化以形成焊接，而不会导致在焊接点中出现拉伸应力。应当指出，在熔融金属区域5形成期间，激光束3的能量越高，传递到板1和2的热量就越大。因此在该焊接步骤中较高的激光束能量可以形成具有更大横向尺寸的熔融金属区域，至少在板1中是如此。在进行多次试验之后，申请人发现焊接在第二板2的下表面7的水平面上的横向尺寸D2与其在第一板1的上表面4的水平面上的横向尺寸D1直接相关。因此，在第一板表面的水平面上焊接的横向尺寸D1构成重要的焊接质量依据，必需考虑它且它自身取决于在第二板下表面水平上的焊接尺寸D2。因此，申请人已经研发出根据本专利技术的焊接方法，该焊接方法可靠地控制在形成焊接时在第一板1的表面4的水平面上焊接尺寸D1。申请人发现，特别是焊接方法的第一步骤在调节在第一板表面的水平上的最终焊接尺寸D1上具有支配作用。因此，研发出图2所示策略以执行根据本专利技术的焊接方法，特别是关于第一个焊接步骤，换句话说是准备所要焊接材料的步骤。图2显示了在第一个焊接步骤中作为时间函数的激光束3(曲线LM)的能量的优选图形以及由所要焊接的材料反射的束的相应图形的实例。根据本专利技术的焊接方法的第一个步骤优选包括四个阶段(a)到(d) (图2)，后跟对应于适当焊接的第二个步骤(e)。阶段(a)和(b)构成准备所要焊接材料表面的初步阶段，在该过程中所要焊接的材料由激光束在低于融化金属所需最小能量的能量下进行加热。例如，如果所要焊接的金属为铜，则在阶段(a)和(b)中激光束的能量被限定为0.5KW。在对应于阶段(a)的第一个时间阶段，这一初步的加热会通过去除沉淀的杂质或氧化物的方式清洁所要焊接材料的表面。具有1毫秒量级持续时间的阶段(b)构成校准阶段，该阶段也通常用于测量所要焊接材料仍位于显著低于其熔点的温度下时的表面的反射率。BR(t)/LM(t)之比在阶段(b)中的平均值R0被计算且用在焊接方法的第一个步骤的剩余阶段中以定义与标准比值NR(t)对应的参数，该参数等于R(t)/R0，即*1/R0。所获得的R0值用于定义曲线LM(t)的斜度(图2中的角α)，该曲线表示激光束发射的作为时间函数的能量。因此，具有低反射率即具有较高吸收入射激光束能量的能力的材料，会比具有较高反射率的材料在发射的激光束的能量方面具有较慢的增长，即具有较低的α值。这样，根据本专利技术的焊接方法的第一个步骤就适用于所要焊接材料的“真实”物理特性而不是适用于材料物理性质的数据库。另外，应当指出，该策略保持了实质上为恒定值的加热所需焊接材料所需的时间，而不管其表面的物理特性如何，因此在材料具有较高反射率的情况下并不会显著地减缓该过程。一旦确定了R0值，激光束的能量就以实质上线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用激光束（３，３２）的焊接方法，其中至少一个点的焊接至少包括准备所要焊接材料的第一步骤和其后焊接的第二步骤，所述第二步骤期间保持所述激光束至少部分地可操作，所述第一步骤用于改变所述所要焊接材料至少一个焊接区域（３３）中的表面状态（４）以获得适于实施所述第二步骤的预设条件，所述第一步骤包括下列操作：ａ）将激光束（３，３２）引导至所要焊接材料的所述焊接区域（３３）上，ｂ）测量作为焊接区域（３３）中所要焊接材料表面状态（４）特性的至少一个物理参数（ＢＲ）的值， 以监视其变化，和ｃ）调节作为在操作ｂ）中确定的所述物理参数（ＢＲ）值的变化函数的激光束（３，３２）的特性（ＬＭ），从而在实施所述第二步骤之前获得所述预设条件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S阿莫罗西，R贾诺蒂，HP施沃布，T西德勒，C维辛，
申请(专利权)人：拉萨格股份公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]