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的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
技术领域
[0001]本发明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。【背景技术】[〇〇〇2] 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 D1de Pumped Pulsed Nd:YAG Laser^,Physics Procedia，2012，Heft 39，S.577-584被已知。
[0003]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(彡 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。
[0004]在用所谓的混合激光来激光焊接时，同时用具有红外波长(l〇64nm)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。
[0005]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， 焊入深度最大约为〇.2mm。
[0006]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。
【发明内容】
[0007]相对地，本发明的任务是，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〇.5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。
[0008]根据本发明，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。
[0009]根据本发明，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。根据本发明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。
[0010]即根据本发明，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派物。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。[〇〇11]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。
[0012]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親入。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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。[0〇16] 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。
[0017]本发明在另一方面也涉及适用于实施根据本发明的点焊方法的、具有权利要求11 特征的激光焊接装置。
[0018]即根据本发明设置有脉冲功率，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。[〇〇19]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。
[0020]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。照射直径在此处于〇.2至0.8mm之间，并且工件位于焦点附近。
[0021]本发明的其他优点从权利要求书，说明书和附图得到。之前提到的特征以及之后还会举出的特征同样可单独地使用或针对多个特征的情况以任意组合使用。示出和描述的实施方式不视为穷举，而是仅具有用于描述本发明的示例性特性。【附图说明】[〇〇22] 附图示出:[〇〇23]图la，lb根据本发明的激光焊接装置(图la)，其用于借助波长为500至540nm的激光脉冲进行点焊，以及工件表面上的、按位置的功率密度分布(图lb);
[0024]图2a_2c根据本发明的不同的激光脉冲的功率在时间上的脉冲走向，所述激光脉冲用于以〇.8mm(图2a)，1mm(图2b)以及1.3mm(图2c)的焊入深度点焊工件；[〇〇25]图3根据本发明的点焊方法中的不同阶段。
[0026]在后面的附图描述中，对于相同或功能相同的构件使用相同的附图标记。【具体实施方式】[〇〇27]在图la中示出的激光焊接装置1用于借助具有500至540nm绿光波长的激光脉冲3 点焊两个尤其由铜、铜合金、金或首饰材料构成的工件2。该激光焊接装置1包括用于产生激光脉冲3的激光射束产生器4和光导纤维5,该光导纤维将激光脉冲3从激光射束产生器4引导向工件2。激光射束产生器4可为频率加倍的固体激光器(例如波长为1064nm的Nd: YAG激光器)，该固体激光器在频率加倍后射出532nm的绿光波长。光导纤维5例如可为阶跃光纤， 具有顶帽轮廓的激光脉冲3从该阶跃光纤中射出。该激光脉冲3具有lms至20ms之间的脉冲时长，0.5kW至6kW之间的脉冲功率并且在单个脉冲(Einzelpuls)之间具有0至600W之间的平均功率。[〇〇28]在图2a_2c中示出不同激光脉冲、32、33的功率的在时间上的脉冲走向，这些激光脉冲由激光焊接装置1产生，用于以不同的焊入深度进行激光焊接。图2a示出用于0.8mm焊入深度的激光脉冲3i的在时间上的脉冲走向，图2b示出用于1mm焊入深度的激光脉冲32的在时间上的脉冲走向，而图2c示出用于1.3mm焊入深度的激光脉冲33的在时间上的脉冲走向。 [〇〇29]所述激光脉冲、32、33的在时间上的脉冲走向包括: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2中产生熔化温度并接着产生蒸发温度;在时间上的第二脉冲区段(主脉冲区段)6b，其呈高的脉冲高台的形式，用于在工件2中产生带蒸发通道(锁眼，keyhole)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;和在时间上的第四脉冲区段6d，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，所述第四脉冲区段用于使熔液的振动衰减。
[0030]在激光脉冲34P32的情况下，第一脉冲区段6a的上升的脉冲边沿具有两个带有不同斜度的边沿段6a1;6a2,即:较陡地上升的第一边沿区段6ai，用于在工件2中产生熔化温度;和不那么陡地上升的第二边沿区段6a2,用于在工件2中产生蒸发温度。而在激光脉冲33 的情况下，第一脉冲区段6a的上升的脉冲边沿连贯地具有相同的斜度。[〇〇31]然后，第一脉冲区段6a的上升的脉冲边沿转变成主脉冲区段6b的高的脉冲高台， 具体地说或者如在激光脉冲31、32的情况下那样转变成水平的高台或者如在激光脉冲33的情况下那样转变成上升的高台。主脉冲区段6b的时长越长，则焊入深度越深。优选地，主脉冲区段的时长为约lms至约20ms之间。所述高的脉冲高台结束时的脉冲功率很大程度上取决于焦点位置并且优选为1600W至6000W之间。[〇〇32]在全部的激光脉冲3^3^33的情况下，第三脉冲区段6c都具有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的边沿区段6C1，该边沿区段随后转变成较平缓地下降的边沿区段6c2。第三脉冲区段6c的时长优选处于约0.3ms至约4ms之间，而第四脉冲区段 6d的最短时长优选处于约0.5ms至约3ms之间。第四脉冲区段6d的更长的时长是可能的，但是不起作用。[〇〇33]如在图lb中示出的那样，激光脉冲3^3^33以钟形功率密度分布成像到工件表面7 上，该钟形功率密度分布导致逐渐地(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7上形成喷溅物或仅形成少量喷溅物。为了实现工件表面7上的钟形的功率密度分布，将激光脉冲3散焦为具有扩宽到光纤直径的至少二至四倍的直径地到成像工件表面7上。即在光纤直径为约100-200M1时，激光脉冲3以200-800wii的直径成像到工件表面7上。在光导纤维5和工件2之间布置有扩宽光具8(例如具有准直透镜和聚焦透镜的透镜光具)。以顶帽分布从光导纤维5射出的激光脉冲3的直径扩宽通过将激光脉冲3的焦点相应远地布置在工件表面7的上方，即通过激光脉冲3相对于工件表面7的散焦来进行。
[0034]图3示意性地示出在根据本发明的点焊方法中工件2的不同阶段(a)至(e):[〇〇35]通过涉及的第一脉冲区段6a将上面的工件2首先从工件表面7开始熔化，使得形成熔液9(阶段(a))，然后该熔液也开始蒸发。[〇〇36]第二脉冲区段6b在熔液9中附加地构成蒸发通道(锁眼)10(阶段(b))并且构成用于产生熔池的、真正的主脉冲。所述蒸发通道10延伸直到下面的工件2中。
[0037]所述主脉冲通过第三脉冲区段6c的垂直的脉冲边沿6C1终止，并且第三脉冲区段 6c的较平缓地下降的脉冲边沿6c2引起蒸发通道10经过较长的时间段回复原状(阶段(c)， 由此仅出现熔液9弱的喷发并且仅出现少量的喷溅物。
[0038]通过第四脉冲区段6d的低的高台使熔液9经过较长的时间段冷却(阶段(d))，由此在没有喷溅物的情况下实现熔液9的缓慢的振动衰减和凝固(阶段(e))。[〇〇39]在按位置和在时间上的温度引导的组合，与通过激光的波长使能量被可靠地接收到工件2中相结合，使得能实现无喷溅物的、并且产生在尺寸方面可重复的焊点11的激光焊接方法。如试验已进一步示出的那样，不同于“红外”焊点，“绿光”焊点11与工件表面的情况无关并且具有高的直径恒定性。在所述激光焊接的情况下，在熔化温度下构成另一表面，确切地说在用红外激光辐射焊接时构成很好的并且完全光滑的镜面，而在用绿色的激光辐射焊接时构成不那么好的并且拱曲的镜面，该镜面与原始的表面情况无关。
【主权项】
1.用于借助波长为500至540nm的激光脉冲(3^ 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(3i，32，33)具有时长在约lms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(，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(3i， 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(3^32,33)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)产生，所述透镜光具在焦点中由所述激光脉冲(3l，32,33)的顶帽分布产生所述 工件表面(70)上的钟形分布。9.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，在光导纤维(5)中被 引导的激光脉冲(3^32,33)在其射到工件表面(7)上之前被扩宽到光纤直径的至少二至四倍。10.根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，从所述光导纤维(5)射出的激光 脉冲(3^32,33)的所述直径扩宽通过将该激光脉冲(3^32,33)的焦点相应远地布置在工件 表面(7)的上方来进行。11.用于对工件(2)进行激光焊接的激光焊接装置(1)，所述工件尤其是由铜、铜合金、 金或首饰材料构成的工件，所述激光焊接装置具有用于产生激光脉冲(3^32,33)的激光射 束产生器(4)，所述激光脉冲具有500至540nm的波长并且具有时长在约lms至约20ms之间的 主脉冲区段(6b)，该主脉冲区段的脉冲峰值功率处于约1600W至约6000W之间，其特征在于，所述激光脉冲(，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(6b)的所述主脉冲区段(6b)，其呈高的脉冲高台的形式，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;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(9)的振动衰减。12.根据权利要求11所述的激光焊接装置，其特征在于，设置有光导纤维(5)，其用于将 所述激光脉冲(，32，33)从所述激光射束产生器(4)引导向所述工件(2)。13.根据权利要求12所述的激光焊接装置，其特征在于，所述激光脉冲(3^32,33)以散 焦成具有扩宽到光纤直径的至少二至四倍的直径的方式射到所述工件表面(7)上。14.根据权利要求13所述的激光焊接装置，其特征在于，在所述光导纤维(5)之后布置 有扩宽光具(8)，所述扩宽光具将射到所述工件表面(7)上的激光脉冲(，32，33)的直径扩 宽到光纤直径的至少二至四倍。
【文档编号】B23K103/12GK105980100SQ201580006776
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】E·D·凯泽
【申请人】通快激光有限责任公司