專利名稱：激光腔、激光焊接裝置及改變激光焊點尺寸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光腔，其特別(但不限于)適用于執(zhí)行點焊處理的激光焊接裝置，尤其適用于如牙科或金飾工藝領(lǐng)域所需的極小且受控的點和較大尺寸點的焊接。
背景技術(shù)：
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，針對某些特定應(yīng)用來說，激光焊接具有很 多優(yōu)于傳統(tǒng)焊接處理的優(yōu)勢，例如激光焊接可以根據(jù)所欲焊接材料的局部鑄件所需的熱量 而產(chǎn)生較低熱量，有可能在使用具有不同物理特征或不能根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)焊接的材料時也能 以高精確度和高生產(chǎn)率(相對高的運行率，約為lOm/min)執(zhí)行高品質(zhì)焊接，還可以在不具 有焊接材料的情況下在空氣中焊接。經(jīng)設(shè)計在焊接裝置中應(yīng)用的激光腔通常具有由固體材料制成的激光棒，固體材料 優(yōu)選地包括摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)或摻釹玻璃，其安裝于激光諧振器內(nèi)部。為在激光焊 接處理中獲得小尺寸焊接點，激光諧振器應(yīng)盡可能在TEMtltl模式下工作，即橫向激光模式應(yīng) 盡可能類似于高斯分布(Gaussian distribution)。如果諧振器根據(jù)TEMcitl模式操作，有可能首先借助于定位于激光腔內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng) (例如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡)擴大所產(chǎn)生的激光束的直徑，并接著使激光束以高精確度聚焦于所欲 焊接的工件上。首先，通過TEMcitl上的衍射損失分布和較高級模式確定激光腔的橫向模式。適合 于確定這一分布的參數(shù)是菲涅爾數(shù)(Fresnel number)N = a2/λ L，其中L是激光腔長度， a是激光束直徑，且λ是波長。因為菲涅爾數(shù)等于或稍微小于I(NSl)，所以每個來回行 程TEMcitl模式僅具有小于的損失，而所有其他模式具有大于10%的損失。因此，理想的 TEMtltl操作要求菲涅爾數(shù)略低于1。對于高級模式，也就是TEMm，激光點尺寸可定義為整個激光束的圓周，其含有能量 的90%。TEMm模式的模式寬度ωΜ= (2p+q+l)1/2X (Oci，其中ω ^是相應(yīng)TEMtltl模式的寬度， 其中P、q(即模式TEMm指數(shù))指示模式輪廓中角和徑向結(jié)點的數(shù)目。由于高級橫向模式導(dǎo)致的光束直徑D的增加可表述為D = MDtl，其中Dtl是TEMtltl模 式操作中的激光束直徑。對于TEMw模式操作，光束發(fā)散性為0^ = 4X7^。這一多模式光束將以與高斯光束相同的形式傳播一定距離，但雷利范圍 (Rayleigh range)變?yōu)棣?κ = π ω2。/Μ2λ。如果這一光束經(jīng)由一組F數(shù)為F = f/D的透鏡 在激光腔外聚焦，其中f為總體焦點長度，D為透鏡上的光束直徑，則最小點尺寸DSD = FM2 0。％。因此點尺寸由于與TEMcitl模式操作相關(guān)的因數(shù)M2得以增加。橫向模式輪廓可通過增加激光腔的長度L或減小光束直徑從而使所述模式更類 似于高斯分布而得以改良。激光腔長度是給定的，且因此受到諸如焊接系統(tǒng)的最大尺寸的 實施考慮因素限制。典型激光腔長度約為50 IOOcm(19. 68 39. 37英寸)。光束直徑由 激光棒直徑確定，其實際上應(yīng)當(dāng)更大一些，(通常約為4 IOmm(0. 16-2. 54英寸))以獲得 焊接光束所需的功率。其產(chǎn)生具有高輸出功率的腔室，且具有在N = 20 100范圍內(nèi)的較大菲涅爾數(shù)，這意味著強多模式行為，即腔室必須支持多種橫向模式。因此最終點尺寸D受 菲涅爾數(shù)限制?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)提到通過具有配備校準(zhǔn)通孔的固定激光束屏蔽構(gòu)件的激光腔來改 良焊接點尺寸，激光束經(jīng)設(shè)計通過所述通孔。這一校準(zhǔn)通孔經(jīng)設(shè)計有效消除與較高級側(cè)向 激光腔模式相關(guān)的激光束損失。因此獲得參數(shù)M的降低，結(jié)果使得焊接點尺寸降低，獲得這 一結(jié)果的同時降低了激光束輸出功率，但這一降低卻并非所希望得到的，且在長期運行中， 會使得通孔輪廓發(fā)生破壞性磨損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種基于新穎概念的激光腔，尤其用于激光焊接裝置， 其適于消除或顯著減少傳統(tǒng)激光焊接系統(tǒng)所遇到的上述缺點。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于激光焊接裝置的激光腔，其具有極簡單結(jié)構(gòu)以 及高度競爭力的生產(chǎn)成本。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于激光焊接裝置的激光腔，其具有高效率且適于 以相對低的功率產(chǎn)生極小焊接點并以相對高的功率產(chǎn)生較大焊接點，如此獲得的激光焊件 具有極高通用性且對多數(shù)的實施環(huán)境具有極高的適應(yīng)性。以上這些和其他在下文中更充分表現(xiàn)的目的是通過下述激光腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。本發(fā) 明所提供的激光腔包括至少一個諧振器，諧振器具有至少一個激發(fā)光源和至少一個由所述 光源激發(fā)的激光棒；至少一個經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生至少一個輸出激光束的反射鏡構(gòu)件；所述激光 腔進一步包含至少一個具有至少一個通孔的屏蔽構(gòu)件，所述屏蔽構(gòu)件可移動的安裝于工作 位置與靜止位置之間，在所述工作位置上屏蔽構(gòu)件截斷至少一個通孔上的激光束，在靜止 位置上屏蔽構(gòu)件不干擾各激光束。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，可以通過在激光腔內(nèi)提供針對激光束的屏蔽構(gòu)件來增強 焊接點尺寸，所述屏蔽構(gòu)件裝設(shè)有激光束可通過的校準(zhǔn)通孔。校準(zhǔn)通孔經(jīng)配置可有效消除 與激光腔的高級側(cè)向模式相關(guān)的激光束損失。因此，會獲得參數(shù)M的降低，從而降低焊接點 尺寸。


本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢，還可以通過以下附圖予以表現(xiàn)圖1為傳統(tǒng)激光腔的原理圖；圖2為第一操作線上本發(fā)明激光腔的俯視圖；且圖3為在不同操作線上圖2所示激光腔的示意圖。
具體實施例方式參考圖1，說明了一種根據(jù)先前技術(shù)的激光腔，該激光腔包括激發(fā)光源SE以及可 由所述光源SE激發(fā)的激光棒R、反射鏡M。、固定通孔A、激光束L的輸出耦合器M0。 圖2和圖3表示了特別用于激光焊接裝置或焊機的激光腔CL的具體實施例，其中 提供具有較大厚度的屏蔽構(gòu)件S，通常在1mm(0. 039英寸)與15mm(0. 59英寸)之間的范圍 內(nèi)，所述屏蔽構(gòu)件S如圖所示，相對于半徑L的橫向軸可移動地(例如可旋轉(zhuǎn)地)支撐，且配備有校準(zhǔn)圓形通孔A。更具體來說，屏蔽構(gòu)件S偏移支撐于支撐盤W上，其被鎖定在電子 馬達ME (例如優(yōu)選地為可逆步進型馬達(步進馬達))的輸出軸上。馬達ME受可編程電子 控制單元CU控制，所述控制單元CU可以根據(jù)激光束L的功率控制屏蔽構(gòu)件S在屏蔽構(gòu)件 S的豎立或工作位置與屏蔽構(gòu)件S的下轉(zhuǎn)或靜止位置之間的角位移，在豎立或工作位置中， 如圖3所示，屏蔽構(gòu)件S以其在光束L中心的開孔A截斷激光束的方式置放，在所述下轉(zhuǎn)或 靜止位置中，如圖2所示，屏蔽構(gòu)件S不截斷激光束L。通常，在具有相對高功率的激光束的情況下，控制單元CU驅(qū)動馬達ME以便屏蔽構(gòu) 件S位于其下轉(zhuǎn)或靜止位置，而在具有相對低功率的激光束的情況下，屏蔽構(gòu)件s將位于其 豎立或工作位置。當(dāng)屏蔽構(gòu)件S位于其工作位置時，其屏蔽激光束L的外周發(fā)散部分，即光 束L的橫向模式輪廓得到增強。利用這一解決方案，激光點焊具有極小尺寸的點，通常為約0. 15mm(0. 006英寸)。 這一尺寸迄今為止還不可利用任何傳統(tǒng)焊接系統(tǒng)獲得。本發(fā)明允許極小工作件用中等功率 的激光束L焊接，對其無損害或結(jié)構(gòu)磨損。換句話說，由于屏蔽構(gòu)件在其工作位置的存在， 使得激光束經(jīng)受的功率損失是可以接受的，且由以極小焊接點焊接極小工作件的可能性彌 補，而極小焊接點不可能損害工作件結(jié)構(gòu)。另一方面，當(dāng)焊接相對大的工作件的時候，在激光腔中產(chǎn)生的激光束L的功率將 較大，且因此控制單元⑶將驅(qū)動馬達ME以便將屏蔽構(gòu)件S移動到其靜止位置，由此允許焊 接點獲得約為0. 30mm(0. 012英寸)或更大的尺寸。上述激光腔易于進行多種在權(quán)利要求書所界定的范疇內(nèi)的修改和變化。舉例來說，屏蔽構(gòu)件S可以不同于圖示中所說明的方式支撐設(shè)置，典型的形式是 改變角位移，其可執(zhí)行圓形轉(zhuǎn)動平移或旋轉(zhuǎn)平移運動。這種解決方法在屏蔽構(gòu)件S上具有 多個通孔的情況下尤其有利，在所述多個通孔中，每一通孔具有不同于其他通孔的尺寸和 形狀以便獲得具有較多功能性的激光腔CL。
權(quán)利要求
一種激光腔，其包含--至少一個諧振器，其具有至少一個激發(fā)光源和至少一個由所述光源激發(fā)的激光棒；--至少一個反射鏡，其經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生至少一個輸出激光束；其特征在于該激光腔還包含至少一個具有至少一個通孔(A)的屏蔽構(gòu)件(S)，所述屏蔽構(gòu)件可移動地安裝于工作位置與靜止位置之間，在工作位置上，所述屏蔽構(gòu)件截斷至少一個通孔(A)處的激光束(L)，在靜止位置上，所述屏蔽構(gòu)件不干擾所述各激光束(L)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光腔，其特征在于其包含至少一個電動馬達(ME)，該電動 馬達配備有一輸出軸、至少一個與輸出軸旋轉(zhuǎn)一體安裝以支撐各屏蔽構(gòu)件(S)的支撐構(gòu)件 (W)，以及適合于控制所述電動馬達(ME)的可編程電子控制單元(CU)，從而控制所述至少 一個屏蔽構(gòu)件(S)在靜止位置與工作位置之間移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔，其特征在于所述至少一個屏蔽構(gòu)件(S)在處于其 工作位置上時增強所述至少一個激光束(L)的橫向模式輪廓，由此允許以相對低的功率進 行焊接，且獲得具有尺寸為0. 15mm (0. 006英寸)的焊接點。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔，其特征在于所述至少一個屏蔽構(gòu)件(S)包含多個 具有不同外形和尺寸的通孔。
5.一種改變激光焊點尺寸的方法，其特征在于，該方法包含一提供至少一個諧振器，其具有至少一個激發(fā)光源和至少一個由所述至少一個光源激 發(fā)的激光棒；一提供至少一個反射鏡構(gòu)件，其經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生至少一個輸出激光束；一提供至少一個屏蔽構(gòu)件(S)，其具有至少一個通孔(A)，所述屏蔽構(gòu)件以可移動的形 式安裝；-用所述屏蔽構(gòu)件可控制地屏蔽所述激光束的至少一個外周部分，由此降低所述功率 且以極小點尺寸執(zhí)行點焊。
6.一種激光焊接裝置，其包含-通過一個輸出開口界定激光腔的構(gòu)件；-至少一個諧振器，其具有至少一個激發(fā)光源和至少一個由所述光源激發(fā)的激光棒；一至少一個反射鏡構(gòu)件，其經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生至少一個具有延伸通過所述輸出開口的光束 路徑的輸出激光束；和-至少一個屏蔽構(gòu)件(S)，其可移動地安裝于所述激光腔中以便在工作位置與靜止位 置之間移動，所述屏蔽構(gòu)件具有至少一個通孔(A)，所述屏蔽構(gòu)件安置于所述反射鏡與所述 輸出開口之間，當(dāng)所述屏蔽構(gòu)件處于所述工作位置上時，所述激光束的至少一部分通過所 述通孔，當(dāng)所述屏蔽構(gòu)件處于所述靜止位置上時，所述屏蔽構(gòu)件離開所述光束路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光焊接裝置，其特征在于其包含至少一個電動馬達(ME)， 該電動馬達配備有一輸出軸、至少一個與輸出軸旋轉(zhuǎn)一體安裝以支撐各屏蔽構(gòu)件(S)的支 撐構(gòu)件(W)，以及適合于控制所述電動馬達(ME)的可編程電子控制單元(CU)，從而控制所 述至少一個屏蔽構(gòu)件(S)在靜止位置與工作位置之間移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光焊接裝置，其特征在于所述至少一個屏蔽構(gòu)件(S)在 處于其工作位置上時增強所述至少一個激光束(L)的橫向模式輪廓，由此允許以相對低的 功率進行焊接，且獲得具有尺寸為0. 15mm(0. 006英寸)的焊接點。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光焊接裝置，其特征在于所述至少一個屏蔽構(gòu)件(S)包 含多個具 有不同外形和尺寸的通孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光腔，以及應(yīng)用該激光腔的激光焊接裝置和改變激光焊點尺寸的方法，該激光腔包括至少一個諧振器，諧振器具有至少一個激發(fā)光源和至少一個由所述光源激發(fā)的激光棒；至少一個經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生至少一個輸出激光束的反射鏡構(gòu)件；所述激光腔進一步包含至少一個具有至少一個通孔(A)的屏蔽構(gòu)件(S)，所述屏蔽構(gòu)件可移動的安裝于工作位置與靜止位置之間，在所述工作位置上屏蔽構(gòu)件截斷至少一個通孔上的激光束(L)，在靜止位置上屏蔽構(gòu)件不干擾各激光束(L)。
文檔編號B23K26/22GK101837516SQ20081000099
公開日2010年9月22日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者尼古拉斯·畢斯奧 申請人:孔雀有限責(zé)任公司