專利名稱：特別在焊接或激光表面硬化中使細(xì)小流體射流對(duì)準(zhǔn)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)領(lǐng)域是用激光束進(jìn)行焊接、機(jī)加工或表面加工(表面處理，堆焊)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，尤其是在用于汽車的氣缸筒(bore)或鍍層金屬板的裝配領(lǐng)域，激光焊接取得了很大的發(fā)展。該工藝涉及在各個(gè)方面使用氣體射流-與激光束共軸(同軸)或在激光束側(cè)向的噴嘴，該噴嘴允許以15到30l/min的速度供給氣體。該氣體的作用是保護(hù)高溫下的液態(tài)金屬和固化區(qū)域，使熔池不被破壞。
-在激光焊接過(guò)程中，該氣體的另一個(gè)作用是驅(qū)除光束和材料之間相互作用而產(chǎn)生的等離子體(金屬蒸氣和電離氣體)。該等離子體不能透過(guò)放射線，能夠吸收高達(dá)70％的光束能量，從而大大降低了焊透深度。因此，通過(guò)控制等離子體，可以更高的速度進(jìn)行焊接并在焊接后得到改善的焊縫外觀。在這種情況下，通過(guò)小直徑-幾個(gè)毫米的數(shù)量級(jí)-的噴嘴以高的流速供給該氣體。噴嘴僅與包含激光束的(設(shè)備)頭部連接，但能在焊接方向上沿縱向移動(dòng)到該頭部的后部。噴嘴是傾斜的，以便氣體射流與光束作用區(qū)域一致。
-此外，在對(duì)鍍層鋼板進(jìn)行激光焊接的情況下，經(jīng)由偏置噴嘴的細(xì)小氣體射流的吹送有利地對(duì)熔融液體中的金屬蒸氣的排氣產(chǎn)生作用，因此減少了孔隙。
經(jīng)驗(yàn)表明，有必要使氣體射流相對(duì)于該作用區(qū)域精確定位-在對(duì)接焊中，氣體射流的軸線的交點(diǎn)必須在板件表面上方0.5mm處離板件太近，氣體射流會(huì)妨礙金屬蒸氣從毛細(xì)孔(或“小孔”)里噴出。離得太遠(yuǎn)，氣體射流對(duì)等離子體的流動(dòng)不再有機(jī)械作用。因此，在激光焊接中，等離子體的控制調(diào)節(jié)是特別棘手的問題。
-在激光搭接焊中，可以使氣體射流噴射到液池的后部，以便對(duì)液池施加壓力并減少孔隙的形成，但該射流的定位精確度必須優(yōu)于1毫米。
因此，這幾種示例說(shuō)明，對(duì)從相對(duì)于光束偏置的噴嘴中出來(lái)的氣體射流的精確定位或?qū)?zhǔn)是獲得令人滿意的質(zhì)量的激光焊接接頭的一個(gè)關(guān)鍵因素。
當(dāng)前，通過(guò)下列方法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)-為了相對(duì)于光束限定氣體射流及其沖擊點(diǎn)，在噴嘴內(nèi)插入一根金屬線，以便(射流)相對(duì)穩(wěn)定。
-還可通過(guò)將一很輕的元件(金屬線等)緊固到噴嘴的出口來(lái)限定該氣體射流；所述元件朝向該氣體射流方向；以及-在對(duì)接焊中，還可看到，焊縫上的固化波紋的對(duì)稱性表明噴嘴相對(duì)于激光束移動(dòng)的縱向軸線在側(cè)向定位。
但是，所有的這些方法都有嚴(yán)重的缺陷它們不夠精確、可重復(fù)性不高并很大程度上依賴操作者。這些困難也使很多激光焊接使用者放棄了上述控制等離子體的有利方法。
盡管以上說(shuō)明的問題是關(guān)于激光焊接的，但其它利用流體(液體、氣體、可能含有細(xì)小微粒的流體)的細(xì)小射流的技術(shù)也需要對(duì)射流的沖擊進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)例如，某些氣體焊接工藝、機(jī)加工工藝(鉆孔、切削)和表面處理，特別是表面加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問題。具體地說(shuō)，本發(fā)明的目的是特別在用激光束進(jìn)行焊接、機(jī)加工或表面加工操作過(guò)程中，以精確的且可重復(fù)的方式展示細(xì)小的流體射流對(duì)一個(gè)區(qū)域或物體的沖擊。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明的主題是一種特別是在激光焊接、機(jī)加工或表面加工中使細(xì)小的流體射流對(duì)準(zhǔn)一個(gè)區(qū)域或物體的方法，該射流從一吹送噴嘴里噴出，該噴嘴具有包含一端部的噴射通道，該端部具有直徑不超過(guò)5mm的基本圓形的橫截面，一光源在沿流體通量流動(dòng)方向的噴嘴上游布置在噴射通道的軸線上，該光源產(chǎn)生單色或多色非發(fā)散光束，該光束的至少一個(gè)波長(zhǎng)在400到760納米(毫微米)之間，該光束與該噴射通道共軸并且沿流體的流動(dòng)方向在通道內(nèi)傳播，其中，在使流體的流動(dòng)暫時(shí)中斷的情況下，并通過(guò)物體或區(qū)域或光束的相對(duì)移動(dòng)，使光束對(duì)準(zhǔn)在該物體或區(qū)域上，并且將細(xì)小的流體射流發(fā)送到該區(qū)域或物體上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，該流體是氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，該流體含有細(xì)小微粒。
本發(fā)明的主題還是一種實(shí)施本發(fā)明中所述方法的裝置，該裝置包括一用于噴送流體的噴嘴和向該噴嘴供應(yīng)流體的裝置，該噴嘴具有包含一端部的噴射通道，該端部具有直徑不超過(guò)5mm的基本圓形的橫截面，一激光源在沿流體通量流動(dòng)方向的噴嘴上游布置在該噴射通道的軸線上，該光源產(chǎn)生單色非發(fā)散光束，該光束的至少一個(gè)波長(zhǎng)在400到760納米之間，該光束與噴射通道共軸并沿所述流體流動(dòng)方向在通道內(nèi)傳播。
根據(jù)本發(fā)明的裝置可以有利地具有一個(gè)或多個(gè)下列特征-該光源由一個(gè)不可滲透的隔離件與流體射流分隔開；-該流體噴射通道端部的長(zhǎng)度大于或等于該噴射通道端部的直徑的五倍；-該裝置包括用以確保流體射流和光通量(光流)共軸的對(duì)齊裝置。
本發(fā)明的目的還在于提供一種焊接、機(jī)加工或表面加工設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的對(duì)準(zhǔn)裝置。
優(yōu)選地，該焊接、機(jī)加工或表面加工設(shè)備的焊頭、機(jī)頭或表面加工頭牢固地連接在一支架上，該支架上安裝有至少一個(gè)本發(fā)明所述的裝置，該支架能夠旋轉(zhuǎn)或平移地定向，以便精確地使流體射流對(duì)準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選特征，該設(shè)備用激光束進(jìn)行焊接、機(jī)加工或表面加工。


下面結(jié)合附圖1更準(zhǔn)確地但非限定性地說(shuō)明本發(fā)明，圖1示意性地示出具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的吹送噴嘴。該裝置包括兩部分-組件1，其包括流體通量入口；-組件2，其包括光源3。
具體實(shí)施例方式
從光源發(fā)出的對(duì)操作者可見的放射線至少部分地落在從400到760納米的光譜范圍內(nèi)。為了精確對(duì)準(zhǔn)不同距離處的物體，該光束是非發(fā)散的，該光束通過(guò)例如本身已知的合適的透鏡而得到。
有利地使用二極管激光器作為光源，以便在很深的地方仍然可獲得具有良好的可見性的十分類似點(diǎn)狀的光束。
流體經(jīng)由輸送管4進(jìn)入組件1。該流體可以是氣體或液體，或由多相組成的，如其中有懸浮的細(xì)小固體微粒的流體。然后噴射通道10對(duì)該流體射流定向。為了獲得更高的對(duì)準(zhǔn)精度，噴射通道的基本呈圓形的端部11的直徑不超過(guò)5mm。該噴射通道的端部的長(zhǎng)度，即流體流與光束共軸且與光束同向的部分的長(zhǎng)度，優(yōu)選地大于其直徑的五倍，以便確保流體射流的穩(wěn)定性，同時(shí)將任何紊流降至最少。
組件1和組件2通過(guò)本身已知的合適的機(jī)械裝置相互牢固地連接在一起。一均衡調(diào)整裝置確保該氣體和光束完美的共軸性。為此，該裝置可如圖1所示包含雙頭螺栓6和7，以便確保組件1和2完美地且可重復(fù)地共軸對(duì)齊。
如果希望確保光源3相對(duì)于該流體密封，則在合適的位置布置一不可滲透的隔離件8，該隔離件能透過(guò)從光源發(fā)出的光通量。該隔離件放置在組件1或組件2上加工出的座上。例如，可以用O形密封圈9密封。
當(dāng)上述裝置用于在焊接、機(jī)加工或表面加工操作中使流體束-特別是氣體束-對(duì)準(zhǔn)時(shí)，上述整個(gè)對(duì)準(zhǔn)裝置有利地安裝在與焊頭、機(jī)頭或表面加工頭牢固連接的一支架(本身是已知的，但圖1中沒有示出)上。該支架可以被平移和旋轉(zhuǎn)地定向，以便可以容易地且準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)光束和氣體通量的定向。
首先，從光源發(fā)出的光束在流體射流的目標(biāo)區(qū)域或物體的方向上被大致定向，此時(shí)流體的流動(dòng)被中斷。通過(guò)更精細(xì)地調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)裝置支架的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或調(diào)節(jié)目標(biāo)物體的移動(dòng)，該光束被十分精確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域或物體。然后流體噴射被觸發(fā)，從而細(xì)小的射流精確地指向該區(qū)域或物體。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)通過(guò)預(yù)先展示很細(xì)小的流體射流的沖擊，該對(duì)準(zhǔn)方法和對(duì)準(zhǔn)裝置可以避免使用某些很昂貴的氣體的高流速射流，這種射流的沖擊可能妨礙某些工藝。使光源一體地結(jié)合在實(shí)際的流體噴嘴內(nèi)可以確保高的對(duì)準(zhǔn)精度，并且在焊接時(shí)，可以在發(fā)生金屬蒸氣污染時(shí)保護(hù)該光源。由于對(duì)準(zhǔn)精度高，所以可大大降低缺陷并提高焊接、機(jī)加工或表面加工設(shè)備的效率。
權(quán)利要求
1.一種特別是在激光焊接、機(jī)加工或表面加工中使細(xì)小的流體射流對(duì)準(zhǔn)一個(gè)區(qū)域或物體的方法，所述射流從一吹送噴嘴(5)噴出，所述噴嘴具有一包含端部(11)的噴射通道(10)，該端部(11)具有直徑不超過(guò)5mm的基本圓形的橫截面，一光源(3)在沿所述流體通量的流動(dòng)方向的所述噴嘴(5)上游布置在噴射通道(10)的軸線上，該光源產(chǎn)生單色或多色非發(fā)散光束，該光束的至少一個(gè)波長(zhǎng)在400到760納米之間，該光束與該噴射通道(10)共軸且沿所述流體的流動(dòng)方向在所述通道內(nèi)傳播，其中，在使所述流體的流動(dòng)暫時(shí)中斷的情況下，通過(guò)所述物體或所述區(qū)域或所述光束的相對(duì)移動(dòng)，使所述光束對(duì)準(zhǔn)在所述物體或所述區(qū)域上，并且將所述細(xì)小的流體射流發(fā)送到所述區(qū)域或所述物體上。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，該流體是氣體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該流體包含細(xì)小微粒。
4.一種用于實(shí)施權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法的裝置，其特征在于，該裝置包括一個(gè)用于噴送流體的噴嘴(5)，所述噴嘴具有一包含端部(11)的噴射通道(10)，該端部(11)具有直徑不超過(guò)5mm的基本圓形的橫截面，一激光源(3)在沿所述流體通量的流動(dòng)方向的所述噴嘴(5)上游布置在噴射通道(10)的軸線上，該激光源產(chǎn)生單色非發(fā)散光束，該光束的至少一個(gè)波長(zhǎng)在400到760納米之間，該光束與該噴射通道(10)共軸且沿所述流體的流動(dòng)方向在所述通道內(nèi)傳播，以及-用于向所述噴嘴供應(yīng)流體的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，該光源(3)由一個(gè)不可滲透的隔離件(8)與所述流體射流分隔開。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，該流體噴射通道(10)的端部的長(zhǎng)度大于或等于該噴射通道(10)的端部(11)的直徑的五倍。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，該裝置包括用以確保所述流體射流和所述光通量共軸的對(duì)齊裝置(6)。
8.一種焊接、機(jī)加工或表面加工設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至少一個(gè)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的裝置。
9.一種焊接、機(jī)加工或表面加工設(shè)備，其特征在于，該焊頭、機(jī)頭或表面加工頭牢固連接在一支架上，該支架上安裝有至少一個(gè)如權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的裝置，所述支架能夠旋轉(zhuǎn)地或平移地定向，以便精確地使所述流體射流對(duì)準(zhǔn)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備利用激光束進(jìn)行該焊接、機(jī)加工或表面加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特別在焊接、機(jī)加工或激光表面硬化中使細(xì)小流體射流對(duì)準(zhǔn)一個(gè)區(qū)域或物體的方法，該射流從一吹送噴嘴(5)噴出，該噴嘴具有一包含端部(11)的噴射通道(10)，該端部具有直徑不超過(guò)5mm的基本圓形的橫截面，一光源(3)在沿流體通量的流動(dòng)方向的該噴嘴(5)上游布置在該噴射通道(10)的軸線上，該光源產(chǎn)生非發(fā)散的單色或多色光束，該光束的至少一個(gè)波長(zhǎng)在400到760納米之間，該光束與該噴射通道(10)共軸且沿流體的流動(dòng)方向在該通道內(nèi)傳播，其中，在使該流體的流動(dòng)暫時(shí)中斷的情況下，通過(guò)該物體或區(qū)域或光束的相對(duì)移動(dòng)，使該光束對(duì)準(zhǔn)在該物體或區(qū)域上，并將該細(xì)小的流體射流噴射到該區(qū)域或物體上。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1708360SQ200380102462
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者P·阿利普斯, F·迪布呂勒, G·韋尼埃 申請(qǐng)人:于西納公司