專利名稱：激光點焊方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于激光點焊的一種方法及一種裝置，在本發(fā)明的方法中將激光束導(dǎo)向待焊材料。激光點焊是一種接合技術(shù)，其利用激光束來局部加熱兩個待連接零件的材料。從而將激光束聚焦到材料表面的一個有限區(qū)域上(下文稱為“焊點”)，其中激光束的功率密度很高，因而兩個零件的材料的熔化和熔融得以在短時間內(nèi)實現(xiàn)。當(dāng)該技術(shù)用于在小型產(chǎn)品上作微焊接時，將其稱為“激光微點焊”。由此，處理時間非常短，例如在0.5-20ms(毫秒)的數(shù)量級。
小焊點與短處理時間的結(jié)合導(dǎo)致有限的熱影響區(qū)，使該技術(shù)對于接合那些需要良好控制的物理尺寸和/或幾何穩(wěn)定性的小型精巧零件，以及對于板狀材料不同部分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，成為很好的候選技術(shù)。激光點焊可用于焊接多種金屬和金屬合金，例如銅以及多種類型的鋼和不銹鋼。
倘若在點焊操作開始之前，已經(jīng)確切地知道待焊零件的屬性、狀態(tài)和尺寸，則點焊操作的有效控制是可能的。在此情況下，如果使焊接操作的控制適合于所述屬性、狀態(tài)和尺寸，則該焊接可具有預(yù)定的質(zhì)量和尺寸。然而，在大多數(shù)情況下，并不確切知道待接合零件的材料屬性和/或條件和/或尺寸。這樣，焊接的質(zhì)量發(fā)生變化，并應(yīng)通過隨后的檢查來判斷。
本發(fā)明的一個目的是一種借助于激光束的點焊操作，從而以這樣的方式監(jiān)視該操作，以使在點焊操作過程中，探測所形成的點焊的質(zhì)量，和/或使所述質(zhì)量得以提高。
為達(dá)到該目的，在焊接操作過程中，探測在焊點處所述材料的表面溫度。因而焊接操作包括一個時間段，該時間段包括將激光束導(dǎo)向待焊材料的時間，以及切斷激光束后材料冷卻下來的時間。為測量焊點處有限區(qū)域中材料的表面溫度，可通過例如InGaAs光電二極管或另一個紅外探測傳感器來測量來自該有限區(qū)域的紅外發(fā)射。
所施加的激光能量將穿過待接合零件的材料而擴(kuò)散，在材料中形成一定的溫度梯度分布。該分布很難測量到，但是可通過測量其表面溫度的動態(tài)響應(yīng)(即隨時間變化的特性)來提取關(guān)于該熱量分布的信息。例如，可探測到兩個待接合零件之間的金屬接點的實際存在。驗證試驗表明，已知的InGaAs光電二極管傳感器可令人滿意地探測來自焊點表面的紅外發(fā)射。
優(yōu)選的是，激光束在其射向焊點的途中被鏡子反射，而來自焊點的紅外輻射穿過所述鏡子，并由傳感器對其進(jìn)行測量，以確定焊點處的表面溫度。傳感器可被置于鏡子后面。因而，欲利用傳感器測量的紅外發(fā)射沿著與該激光束相同的路徑行進(jìn)，盡管沿相反方向。由此，保證了測量到的紅外發(fā)射僅來自該焊點區(qū)域。
在一個優(yōu)先實施例中，依據(jù)焊接工藝的冷卻階段中所探測到的焊點表面溫度來確定焊接，尤其是好的焊接的存在與否。在焊接操作的這個最后階段，可切斷激光束，或大幅降低激光束的功率。因而焊點處材料的表面溫度下降，這主要是因為熱量將穿過材料而擴(kuò)散。在兩零件的熔化材料已形成良好熔合的情況下，這種擴(kuò)散會更快地發(fā)生。然后兩零件之間的焊接可充當(dāng)一個熱傳導(dǎo)的橋梁，由此，熱擴(kuò)散將通過兩零件的材料而發(fā)生。于是，切斷激光束后，表面溫度相對較快的下降可得到“形成了正確焊接”的結(jié)論，而相對較慢的溫度下降可得到“未形成焊接或未形成良好焊接”的結(jié)論。
當(dāng)激光束打開后，由于材料中能量的吸收，表面溫度將升高。通過測量表面溫度，可探測到材料表面處固-液相變的時刻，這是由于材料的相變溫度(熔化溫度)是一個已知參數(shù)。
因而，在一優(yōu)選實施例中，當(dāng)探測到預(yù)定的表面溫度水平時，減小激光束的功率，該表面溫度水平為固-液相變溫度(熔化溫度)或一個接近于該溫度，特別是剛好高于熔化溫度的溫度。特別是，當(dāng)焊接銅材時，液態(tài)材料中激光功率的吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于固態(tài)材料中的吸收系數(shù)。因此，當(dāng)材料開始熔化時，通過減小激光束功率，可使焊接工藝保持穩(wěn)定。
優(yōu)選的是，依據(jù)探測到的焊點處材料的表面溫度來控制激光束的功率。這種反饋控制通過在表面溫度升高至所述預(yù)定水平以上時減小激光束功率，以及在表面溫度降低至所述預(yù)定水平以下時增加激光束功率，來將例如在一定時段中的表面溫度保持在一個預(yù)定水平。并且，可選取期望的設(shè)定點輪廓(該時段中設(shè)定點的變化)，從而使表面溫度遵循所述輪廓。
在一優(yōu)選實施例中，在表面溫度已達(dá)到預(yù)定水平之后，啟動導(dǎo)向焊點的激光束的功率的反饋控制，所述預(yù)定水平優(yōu)選地為與待焊材料熔化溫度接近的溫度。因而能夠以有效方式控制激光點焊操作的熔化階段。
于是，當(dāng)測量焊點處的表面溫度時，可使用該溫度的值和/或其變化來判斷焊接質(zhì)量，尤其是判斷一個良好焊接的存在與否，和/或用于確定材料開始熔化的時刻，和/或用于通過反饋控制來控制激光束的功率。所有這三種方法可被看作單獨的發(fā)明，因為這三種方法中的每一種均可獨立于其它兩種方法使用。
在一優(yōu)選實施例中，探測從焊點反射的激光輻射，以便計算待焊材料吸收的激光功率。在入射到焊點的激光束的功率中，僅有一部分功率由待焊材料吸收，而其余部分由焊點處的材料表面反射。
在一優(yōu)選實施例中，依據(jù)待焊材料吸收的激光功率來控制激光束的功率，因而，優(yōu)選在表面溫度已達(dá)到預(yù)定水平之后啟動反饋控制，該預(yù)定水平優(yōu)選為與待焊材料熔化溫度接近的溫度。
所吸收的激光功率是用于控制入射到待焊材料的激光束的功率的一個重要參數(shù)。所吸收的激光功率可對時間積分，以計算待焊材料吸收的激光能量。優(yōu)選的是，為了計算所吸收的激光功率，應(yīng)確定所反射的激光輻射的功率，以便從入射到材料表面的激光束的功率中將其減去。
在一優(yōu)選實施例中，當(dāng)待焊材料吸收預(yù)定的激光能量后，切斷激光束，或減小激光束的功率。似乎當(dāng)所吸收的能量保持在一恒定值時，可獲得良好質(zhì)量的焊接，該值可通過實驗輕易確定。
優(yōu)選的是，所反射的激光輻射如下確定。所反射的激光功率從焊點表面沿不同方向輻射。光學(xué)系統(tǒng)捕捉到一定部分(小部分)的反射的激光輻射，激光束正是通過該光學(xué)系統(tǒng)被導(dǎo)向焊點的。可用一個傳感器，例如一個鍺光電二極管來測量該一定部分的功率。感應(yīng)到的激光輻射功率與反射的功率成正比，于是，總反射激光輻射可通過將感應(yīng)到的功率乘以一定的系數(shù)來計算，該系數(shù)可通過實驗輕易確定。
入射到焊點的激光束的功率可根據(jù)激光裝置的數(shù)據(jù)來計算，但也可根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)中的測量值來計算，正如下文將進(jìn)一步解釋的那樣。
在一優(yōu)選實施例中，激光束在其到達(dá)焊點的途中被鏡子反射，一部分來自該焊點的反射激光輻射穿過所述鏡子并由傳感器對其進(jìn)行測量。
入射到待焊材料的激光束功率的反饋控制，依據(jù)所吸收的激光功率，可被看作一個單獨的發(fā)明，因為它也可獨立于本說明書中描述的其它方法而應(yīng)用。
本發(fā)明還涉及一種用于激光點焊的設(shè)備，其包括用于將激光束導(dǎo)向待焊材料的裝置，其特征在于存在溫度探測裝置，用于在焊接操作過程中探測焊點處所述材料的表面溫度。優(yōu)選的是，存在控制裝置，用于依據(jù)所探測到的表面溫度來控制激光束的功率。
優(yōu)選的是，存在用于計算由待焊材料所吸收的激光能量的裝置，并且存在用于依據(jù)所吸收的激光能量來控制激光束功率的控制裝置。
現(xiàn)將參照附圖來進(jìn)一步闡釋本發(fā)明，該附圖包括多幅圖，其中

圖1A-C表示了不同的激光點焊幾何形狀；圖2A-D表示了一個點焊操作的不同階段；圖3表示了激光功率隨時間的吸收率；圖4表示了具有不同傳感器的激光點焊機(jī)構(gòu)的實例，以及圖5表示了用于激光點焊的控制策略。
激光點焊是一種接合技術(shù)，它可用于多種形狀的多種材料的連接，特別是板狀金屬材料的連接。例如，它可用于小型產(chǎn)品的微焊接。該接合技術(shù)的典型特點是在激光束工藝操作的過程中，激光束保持聚焦在同一點上。在微點焊的情況下，這種工藝操作時間很短，例如0.5-20ms(毫秒)。工業(yè)中采用幾種不同的焊接類型，其中直立邊焊(standing edge weld)、搭接角焊(overlap fillet weld)和搭接熔透焊(overlap penetration weld)為最重要的類型。
圖1A、1B和1C表示了這些激光點焊的幾何形狀。板1通過點焊3、4、5連接到板2。在圖1中，兩板1和2彼此相隔一定距離，然而，實際上它們可以相互接觸，因而經(jīng)常在兩板1和2之間包裹有灰塵或其它物質(zhì)。因為這些板通常并不完全平坦，在相互緊靠的兩板1和2的表面之間經(jīng)常會有未知的小間隙。圖1A表示了一個連接兩板1和2的兩個邊緣的“直立邊”點焊3。圖1B表示了一個“搭接角”點焊4，由此，焊接4將板1的邊緣連接到板2的表面上。圖1C表示了一個“搭接熔透”焊接5，由此，兩板1和2的表面通過焊接5連接起來。在圖1A、1B和1C中，箭頭6表示激光束的方向。
搭接熔透焊是最為關(guān)鍵的幾何形狀，因為激光能量在工件上的分布受兩金屬零件之間的界面影響很大。圖2A、2B、2C和2D表示了在搭接熔透焊幾何形狀中點焊工藝的不同階段。這幾幅圖示出了兩塊金屬板1、2，其中箭頭6表示垂直入射到上板1的激光束6。激光束反射和紅外輻射用箭頭7表示。
圖2A表示熔化前的階段，這里，對于很多材料來說，激光功率(能量)的吸收率隨著溫度上升而增大，于是在加熱過程中，工藝或多或少地加速。圖2B表示熔化階段，這里，在焊點區(qū)域內(nèi)，板1的材料起初為部分固體和部分液體，而在熔化階段末尾成為完全的液體。液態(tài)材料用數(shù)字8表示。圖2C表示完成的熱傳導(dǎo)焊接。幾乎不存在任何蒸發(fā)，且板1的表面或多或少地?zé)o變形并且是平坦的。在更強(qiáng)激光束的情況下，將出現(xiàn)圖2D中所示的情形，即所謂的鎖孔點焊(keyhole spotwelding)，因而，蒸發(fā)材料的反沖壓力將液體推到一邊從而接觸激光束。
在點焊過程中，吸收系數(shù)有變化，而且例如熱導(dǎo)熱系數(shù)的其它參數(shù)也可能改變，其取決于材料的溫度和材料的相態(tài)(固態(tài)或液態(tài))。而且，依據(jù)待焊材料和該材料的狀況，初始吸收系數(shù)可變化。例如在銅材的情況下，在材料表面加熱過程中，激光束的吸收率緩慢增大，但在熔化開始時刻，吸收系數(shù)幾乎加倍。因此，在熔化時刻，立即減小激光功率對于保持工藝處于穩(wěn)定操作很重要。然而該時刻依賴于起始階段中的功率吸收量，即使10％的變化(其可從正常氧化預(yù)測到)也足以造成穩(wěn)定性問題。借助于一種像氧化、蝕刻、噴砂或涂覆那樣的預(yù)處理，通過提高和保證“初始”材料的吸收率，可使問題化小。該預(yù)處理的影響在熔化階段一開始后將馬上消失。當(dāng)工藝進(jìn)入鎖孔狀態(tài)時，吸收率的另一變化將開始，在深鎖孔工藝中，將激光吸收率提高至幾乎100％。
對材料引入一個預(yù)處理，將在熔化前階段中提供一個更好的限定的吸收率。一旦熔化后，像待焊零件之間距離那樣的其它工藝參數(shù)的干擾效應(yīng)仍然影響著工藝。實時反饋技術(shù)可處理吸收率變化以及其它工藝參數(shù)變化，例如影響焊接動態(tài)學(xué)性質(zhì)的間隙(零件之間距離)變化，該焊接動態(tài)學(xué)性質(zhì)例如為通過該結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散。
圖3表示了在相繼的各階段中，銅零件點焊工藝的吸收率發(fā)生變化。該圖表示了激光能量的最初吸收率對后繼過程的影響。該圖顯示出在熔化前階段中高吸收率的情況下，熔化階段以及鎖孔階段將相對更早地開始(實線9)。當(dāng)材料表面成黑色時，這種高吸收率將會發(fā)生。當(dāng)表面磨光時，將有較低的初始吸收率，如實線10所示。在該情況下，熔化階段和鎖孔階段將更晚地開始。兩實線9、10之間的線代表介于10％和80％之間的不同的初始吸收率。于是，臨界相變的確切時刻發(fā)生變化，這就是反饋控制技術(shù)可以幫助調(diào)節(jié)激光源輸出到展開工藝的地方。
圖4表示了激光點焊機(jī)構(gòu)的實例，它具有用于監(jiān)視焊接操作的不同的傳感器，旨在一種有效的工藝控制，特別是反饋控制。圖4僅示意性地表示了該機(jī)構(gòu)，并未顯示可以采用的更多的透鏡、濾光器和光闌。
兩個金屬板1、2必須利用搭接穿透焊來相互點焊到一起。激光束經(jīng)由一個400微米玻璃纖維15發(fā)出。來自玻璃纖維15的發(fā)散激光束16穿過透鏡17，以獲得平行激光束18。第一鏡子19將激光束18導(dǎo)向可移動鏡子20。鏡子20可繞兩根軸線稍微轉(zhuǎn)動，如箭頭21所示，于是可將激光束(以箭頭23表示)準(zhǔn)確地導(dǎo)向金屬板1的表面的期望位置。在激光束23入射到板1的表面之前，該激光束通過透鏡22，以使激光束23會聚而聚焦在焊點上。
第一鏡子19反射激光束18的主要部分，然而，激光束18的一個預(yù)定部分未被鏡子19反射，而是穿過鏡子19。這種鏡子本身為已知的。穿過鏡子19的激光束26，在被鏡子27反射并穿過透鏡28以獲得朝向傳感器25的會聚激光束之后，其功率(能量)由傳感器25探測到。傳感器25是鍺光電二極管。激光束26的功率與激光束23的功率成比例，因而在利用傳感器25測量激光束26的功率之后，可輕易地計算出入射到焊點的激光束23的功率。
激光束23功率的一部分由板1的材料吸收，因此在激光束23入射到板1的點上材料被局部加熱。然而，該激光束的其余部分由板1的表面反射，并從該表面放射開來，如箭頭29所示。為了計算激光束23被板1吸收的功率，所反射的激光輻射的功率被如下探測到。
將所反射的激光輻射(箭頭29)的一定部分導(dǎo)向透鏡22。該所反射的激光輻射在穿過透鏡22后，形成一激光束，該激光束遵循與激光束23相同的路線，盡管沿相反方向。該激光束在被鏡子21反射后到達(dá)鏡子19。如前所述，該激光束的一部分(一定部分)穿過鏡子19。該部分形成激光束30。為形成會聚光束，激光束30穿過透鏡31，且將該會聚光束導(dǎo)向鏡子32。激光束30的一定部分穿過鏡子32，正如鏡子19的情況，于是到達(dá)傳感器34的激光束33的功率與經(jīng)板1的表面反射的激光輻射功率成比例。因而，在傳感器34測量激光束33的功率之后，可以很容易地計算出所反射的激光輻射29的功率。激光束34也是鍺光電二極管。
激光束23的能量與激光輻射29的能量之差即是板1吸收的能量。于是，可通過持續(xù)地探測激光束23的功率和所反射的激光輻射29的功率，并通過計算兩者的能量而計算出任意時刻吸收的能量。
由板1的表面所吸收的能量的計算不能以極高的精度進(jìn)行。實際機(jī)構(gòu)不允許探測到全部的反射激光功率。如圖4所示，僅僅測量出返回光學(xué)系統(tǒng)的孔徑的反射功率。然而，在一些實際實驗后，可對反射激光輻射中到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的部分(分?jǐn)?shù))作出合理的估計。另一方面，用第1鏡子19后面的傳感器25可靠地探測到輸入激光功率，該傳感器25探測一個已知的、固定分?jǐn)?shù)的、穿過鏡子19的入射激光功率。
所吸收的激光能量將通過待焊零件而擴(kuò)散，在所述零件中形成一定的溫度梯度分布。該分布很難通過在線測量來獲取，但關(guān)于熱量分布的信息可通過觀察在焊點處材料表面溫度的動態(tài)特性來提取。值得注意的是，可以探測到兩金屬板1、2之間良好的金屬接觸的實際存在。
為了測量焊點處的表面溫度，通過所述光學(xué)系統(tǒng)的孔徑捕獲來自該表面的紅外輻射的一部分，也用箭頭29來表示，于是它穿過透鏡22，并被鏡子20朝向第一鏡子19反射。該紅外輻射的一定部分穿過鏡子19和透鏡31，并被鏡子32反射。然后它將穿過所謂Nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)濾光器36，該濾光器阻擋該激光輻射。鏡子37將足夠的紅外輻射38導(dǎo)向傳感器39，以使傳感器39能夠測量焊點的表面溫度。傳感器39是所謂的InGaAs光電二極管。
在依據(jù)圖4的機(jī)構(gòu)中，通過CCD相機(jī)40來觀察焊點。因而，來自該焊點的由CCD相機(jī)探測到的可見光遵循著與反射激光輻射相同的路線穿過該光學(xué)系統(tǒng)，假如該光在到達(dá)CCD相機(jī)40的途中穿過鏡子37。
在依據(jù)所述機(jī)構(gòu)的實施例中，所有傳感器25、34、39都具有局部前置放大器，被放大的信號饋送給濾光器單元。該濾光器單元對所有傳感器信號進(jìn)行直接的防混疊過濾。除此之外，用梳狀濾光器處理來自這些光學(xué)傳感器的信號，該濾光器抑制了通向激光器閃光燈的開關(guān)式供電電流的基頻和所有高次諧波。這樣，在傳感器信號中完全抑制由該斬波頻率造成的激光功率調(diào)制，并且該激光功率調(diào)制將不會干擾控制環(huán)。在該應(yīng)用中選用硬件過濾，這是因為對于這樣的控制行為，預(yù)計需要控制器的完全處理性能。
在本例中的控制器硬件是來自Microstar Laboratories的DAP5200a單采集處理器板。該板向8個模擬輸入信道提供兩個AD轉(zhuǎn)換器，該AD轉(zhuǎn)換器具有14位分辨率和高達(dá)400kHz(當(dāng)使用所有信道時，50kHz/信道)的采樣頻率。提供兩個模擬輸出信道來驅(qū)動致動器。在該實施例中，僅僅一個模擬輸出信道用于激光器單元的功率設(shè)定點。在板上的處理器上運行輸入數(shù)據(jù)的處理和輸出信號的產(chǎn)生。
圖5表示了用于銅板激光點焊的控制策略，這里，水平軸表示時間。線42代表在焊點處所期望的表面溫度。在熔化前階段中，直到時刻t0，所期望的表面溫度為T0，即是銅材開始熔化的溫度。必須將材料從室溫加熱到剛好高于熔化溫度的一個溫度，而不存在由于如前所述的固-液相變困難而使工藝變得不穩(wěn)定的過程。這是在直到時刻t0的熔化前階段中實現(xiàn)的。一旦測量溫度超過預(yù)設(shè)的閾值T0，那么就完成了熔化前階段，并開始了熔化階段。在該階段中，將激光功率如此控制，以使測量到的表面溫度遵循線42，由此PI控制器將溫度從溫度T0升高到所期望的熔融溫度T1，并保持一段時間(線42的水平部分)，直到時刻t1，該時刻t1即是由板1、2的材料吸收預(yù)定激光能量的時刻。時刻t1為熔化階段的末尾。在時刻t1，激光束功率下降或甚至被關(guān)斷，于是焊接溫度依據(jù)線42的最后部分下降到室溫。對于銅，該冷卻曲線并不十分嚴(yán)格。
圖5的下部表示了激光束的功率(虛線43)被依據(jù)所期望的表面溫度(線42)而控制。并且該圖示出了焊點的實際表面溫度(線44)和反射的激光輻射(線45)。
焊接工藝與待焊材料的熱變化以及材料的相態(tài)(固態(tài)或液態(tài))有直接關(guān)系。當(dāng)材料從固相轉(zhuǎn)變到出現(xiàn)材料熔融的液相時，焊接工藝劇烈地變化。因而，已定義了不同的工藝階段，其中，一方面必須確定一個不同的模型，另一方面，必須確定一個不同的控制器。如前所述，可定義以下工藝階段。
在熔化前階段，可保持激光功率恒定，直到材料開始熔化(僅有一個P規(guī)則起作用)。接下來，在熔化階段，根據(jù)熔化表面溫度使用一個真實的控制方案來調(diào)節(jié)工藝(在該階段中，使用PID調(diào)節(jié)器)。最后，在一定時刻(t1)結(jié)束熔化階段，在此開始冷卻。下文將更詳細(xì)地描述這些不同階段。
熔化前階段涉及加熱材料，直到熔化階段開始。根據(jù)探測到的焊點處的表面溫度來確定該時刻t0(見圖5)。也可依據(jù)待焊材料，從反射激光信號的變化來確定該時刻。
熔化階段是一個重要階段，因為在該階段中發(fā)生實際的焊接。該階段中的目的可為保持溫度恒定，直到熔化已達(dá)到一個足夠的穿透深度的時刻。通常，該階段的長度決定了焊接的質(zhì)量和再現(xiàn)性。因而，可實施一個巧妙的規(guī)則，以適應(yīng)性地控制該階段的長度。
在該階段中，可監(jiān)視由材料吸收的激光能量。因而，可以按照使所吸收的能量保持恒定的方式控制熔化過程的長度。通過所吸收激光功率的積分來計算所吸收的能量，該所吸收激光功率即是入射到材料的激光束功率與反射激光輻射功率之間的差值，兩者都被測量過，即根據(jù)測量值計算得出，如上所述。
在熔化后階段，利用一定的冷卻曲線來結(jié)束激光點焊操作。對于銅材來說，冷卻曲線對于接合(焊接)質(zhì)量并不太重要。然而，對于其它應(yīng)用場合，冷卻溫度曲線可能對于焊接操作的質(zhì)量至關(guān)重要。
已進(jìn)行了驗證試驗，以比較利用某一固定脈沖形狀的現(xiàn)有技術(shù)中的激光點焊與新式反饋控制點焊技術(shù)。該試驗已經(jīng)在潔凈銅板以及臟銅板上做過。在板間使用過20、40和60微米厚的隔片，以便在各板之間形成相應(yīng)的間隙。將100微米厚的銅板焊接到50微米厚的銅板上。該實驗表明在新式反饋控制點焊操作中，間隙的實際尺寸并未帶來很大區(qū)別。
表1顯示了該實驗的“潔凈”版本，表2顯示了針對臟板的類似實驗的結(jié)果。第三列表示在接合板底部測得的焊接直徑的擴(kuò)張。該數(shù)字是對焊接工藝再現(xiàn)性的一個較好的度量。第四列簡單地給出了不良(或失敗)焊接的百分比。
表1100微米潔凈銅板焊接到50微米的驗證試驗
表2100微米臟銅板焊接到50微米的驗證試驗表1表明在零件之間無間隙的情況下，開環(huán)操作工藝表現(xiàn)良好。反饋控制工藝有效地處理間隙的干擾效應(yīng)(通過板的熱分布的變化)。在使用臟銅板情況下，可觀察到類似效應(yīng)，同時帶來一附加干擾。使用反饋控制工藝獲得了接合技術(shù)的顯著改善。
上述方法可同樣良好地應(yīng)用于銅以外的材料，特別是反射率較高和/或?qū)嵝阅茌^好的材料。
在關(guān)斷激光束后，焊點處材料表面溫度的衰減特性顯示出兩種截然不同類型的曲線，該曲線表示良好焊接的存在與否。通過測量在冷卻階段中的信號電平，可監(jiān)視焊接質(zhì)量，這里激光束的功率顯著降低或被關(guān)斷。
除了區(qū)分良好焊接與失敗的焊接以外，該技術(shù)也可用于監(jiān)視發(fā)展中的點焊工藝。它可探測何時在待接合零件之間建立了有效的物理接觸(傳熱特性的變化)，因而，在追求最佳結(jié)果的過程中，可改正工藝條件，這樣例如補償了零件之間的間隙效應(yīng)。
以上僅描述了用于激光點焊的方法的一些例子；該方法的很多其它實施例都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種用于激光點焊的方法，其中將激光束導(dǎo)向待焊材料，其特征在于，在焊接操作過程中，探測在焊點處所述材料的表面溫度。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該激光束在其射向焊點的途中被鏡子反射，并且來自焊點的紅外輻射穿過所述鏡子，并由傳感器對該紅外輻射進(jìn)行測量。
3.一種如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，依據(jù)在焊接工藝的冷卻階段中所探測到的焊點表面溫度來確定焊接的存在。
4.一種如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，依據(jù)探測到的焊點處材料的表面溫度來控制激光束的功率。
5.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，當(dāng)探測到預(yù)定的表面溫度水平時，減小激光束的功率。
6.一種如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，依據(jù)由待焊材料吸收的激光功率來控制激光束的功率。
7.一種如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過從入射到材料表面的激光束的功率中減去所反射的激光輻射的功率來計算由材料吸收的激光功率。
8.一種如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，當(dāng)待焊材料吸收預(yù)定的激光能量后，切斷激光束，或減小激光束的功率。
9.一種如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在表面溫度已達(dá)到預(yù)定水平之后開始對導(dǎo)向焊點的激光束功率進(jìn)行反饋控制，該預(yù)定水平優(yōu)選為與熔化溫度接近的溫度。
10.一種用于激光點焊的設(shè)備，其包括用于將激光束導(dǎo)向待焊材料的裝置，其特征在于存在溫度探測裝置，用于在焊接操作過程中探測焊點處所述材料的表面溫度。
11.一種如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，存在用于計算由待焊材料所吸收的激光能量的裝置，并且存在用于依據(jù)所吸收的激光能量來控制激光束功率的控制裝置。
全文摘要
一種激光點焊方法，其中將激光束導(dǎo)向待焊材料，并且在焊接操作過程中，探測在焊點處所述材料的表面溫度?？梢罁?jù)關(guān)斷激光束之后，所探測到的表面溫度來確定焊接是否成功。并且，可依據(jù)探測到的表面溫度來控制激光束功率。為了控制焊接操作，還可探測來自焊點的反射激光輻射。
文檔編號B23K26/03GK1729076SQ200380107084
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者P·杜尼亞斯, A·H·M·布洛姆, P·G·范恩根, C·海恩克斯, C·J·G·M·德科克, W·霍溫格, D·K·迪肯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司