激光点焊方法及装置制造方法及图纸

一种用于激光点焊的方法，其中将激光束导向待焊材料，其特征在于，在焊接操作过程中，探测在焊点处所述材料的表面温度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于激光点焊的一种方法及一种装置，在本专利技术的方法中将激光束导向待焊材料。激光点焊是一种接合技术，其利用激光束来局部加热两个待连接零件的材料。从而将激光束聚焦到材料表面的一个有限区域上(下文称为“焊点”)，其中激光束的功率密度很高，因而两个零件的材料的熔化和熔融得以在短时间内实现。当该技术用于在小型产品上作微焊接时，将其称为“激光微点焊”。由此，处理时间非常短，例如在0.5-20ms(毫秒)的数量级。小焊点与短处理时间的结合导致有限的热影响区，使该技术对于接合那些需要良好控制的物理尺寸和/或几何稳定性的小型精巧零件，以及对于板状材料不同部分的复杂结构，成为很好的候选技术。激光点焊可用于焊接多种金属和金属合金，例如铜以及多种类型的钢和不锈钢。倘若在点焊操作开始之前，已经确切地知道待焊零件的属性、状态和尺寸，则点焊操作的有效控制是可能的。在此情况下，如果使焊接操作的控制适合于所述属性、状态和尺寸，则该焊接可具有预定的质量和尺寸。然而，在大多数情况下，并不确切知道待接合零件的材料属性和/或条件和/或尺寸。这样，焊接的质量发生变化，并应通过随后的检查来判断。本专利技术的一个目的是一种借助于激光束的点焊操作，从而以这样的方式监视该操作，以使在点焊操作过程中，探测所形成的点焊的质量，和/或使所述质量得以提高。为达到该目的，在焊接操作过程中，探测在焊点处所述材料的表面温度。因而焊接操作包括一个时间段，该时间段包括将激光束导向待焊材料的时间，以及切断激光束后材料冷却下来的时间。为测量焊点处有限区域中材料的表面温度，可通过例如InGaAs光电二极管或另一个红外探测传感器来测量来自该有限区域的红外发射。所施加的激光能量将穿过待接合零件的材料而扩散，在材料中形成一定的温度梯度分布。该分布很难测量到，但是可通过测量其表面温度的动态响应(即随时间变化的特性)来提取关于该热量分布的信息。例如，可探测到两个待接合零件之间的金属接点的实际存在。验证试验表明，已知的InGaAs光电二极管传感器可令人满意地探测来自焊点表面的红外发射。优选的是，激光束在其射向焊点的途中被镜子反射，而来自焊点的红外辐射穿过所述镜子，并由传感器对其进行测量，以确定焊点处的表面温度。传感器可被置于镜子后面。因而，欲利用传感器测量的红外发射沿着与该激光束相同的路径行进，尽管沿相反方向。由此，保证了测量到的红外发射仅来自该焊点区域。在一个优先实施例中，依据焊接工艺的冷却阶段中所探测到的焊点表面温度来确定焊接，尤其是好的焊接的存在与否。在焊接操作的这个最后阶段，可切断激光束，或大幅降低激光束的功率。因而焊点处材料的表面温度下降，这主要是因为热量将穿过材料而扩散。在两零件的熔化材料已形成良好熔合的情况下，这种扩散会更快地发生。然后两零件之间的焊接可充当一个热传导的桥梁，由此，热扩散将通过两零件的材料而发生。于是，切断激光束后，表面温度相对较快的下降可得到“形成了正确焊接”的结论，而相对较慢的温度下降可得到“未形成焊接或未形成良好焊接”的结论。当激光束打开后，由于材料中能量的吸收，表面温度将升高。通过测量表面温度，可探测到材料表面处固-液相变的时刻，这是由于材料的相变温度(熔化温度)是一个已知参数。因而，在一优选实施例中，当探测到预定的表面温度水平时，减小激光束的功率，该表面温度水平为固-液相变温度(熔化温度)或一个接近于该温度，特别是刚好高于熔化温度的温度。特别是，当焊接铜材时，液态材料中激光功率的吸收系数远高于固态材料中的吸收系数。因此，当材料开始熔化时，通过减小激光束功率，可使焊接工艺保持稳定。优选的是，依据探测到的焊点处材料的表面温度来控制激光束的功率。这种反馈控制通过在表面温度升高至所述预定水平以上时减小激光束功率，以及在表面温度降低至所述预定水平以下时增加激光束功率，来将例如在一定时段中的表面温度保持在一个预定水平。并且，可选取期望的设定点轮廓(该时段中设定点的变化)，从而使表面温度遵循所述轮廓。在一优选实施例中，在表面温度已达到预定水平之后，启动导向焊点的激光束的功率的反馈控制，所述预定水平优选地为与待焊材料熔化温度接近的温度。因而能够以有效方式控制激光点焊操作的熔化阶段。于是，当测量焊点处的表面温度时，可使用该温度的值和/或其变化来判断焊接质量，尤其是判断一个良好焊接的存在与否，和/或用于确定材料开始熔化的时刻，和/或用于通过反馈控制来控制激光束的功率。所有这三种方法可被看作单独的专利技术，因为这三种方法中的每一种均可独立于其它两种方法使用。在一优选实施例中，探测从焊点反射的激光辐射，以便计算待焊材料吸收的激光功率。在入射到焊点的激光束的功率中，仅有一部分功率由待焊材料吸收，而其余部分由焊点处的材料表面反射。在一优选实施例中，依据待焊材料吸收的激光功率来控制激光束的功率，因而，优选在表面温度已达到预定水平之后启动反馈控制，该预定水平优选为与待焊材料熔化温度接近的温度。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个重要参数。所吸收的激光功率可对时间积分，以计算待焊材料吸收的激光能量。优选的是，为了计算所吸收的激光功率，应确定所反射的激光辐射的功率，以便从入射到材料表面的激光束的功率中将其减去。在一优选实施例中，当待焊材料吸收预定的激光能量后，切断激光束，或减小激光束的功率。似乎当所吸收的能量保持在一恒定值时，可获得良好质量的焊接，该值可通过实验轻易确定。优选的是，所反射的激光辐射如下确定。所反射的激光功率从焊点表面沿不同方向辐射。光学系统捕捉到一定部分(小部分)的反射的激光辐射，激光束正是通过该光学系统被导向焊点的。可用一个传感器，例如一个锗光电二极管来测量该一定部分的功率。感应到的激光辐射功率与反射的功率成正比，于是，总反射激光辐射可通过将感应到的功率乘以一定的系数来计算，该系数可通过实验轻易确定。入射到焊点的激光束的功率可根据激光装置的数据来计算，但也可根据光学系统中的测量值来计算，正如下文将进一步解释的那样。在一优选实施例中，激光束在其到达焊点的途中被镜子反射，一部分来自该焊点的反射激光辐射穿过所述镜子并由传感器对其进行测量。入射到待焊材料的激光束功率的反馈控制，依据所吸收的激光功率，可被看作一个单独的专利技术，因为它也可独立于本说明书中描述的其它方法而应用。本专利技术还涉及一种用于激光点焊的设备，其包括用于将激光束导向待焊材料的装置，其特征在于存在温度探测装置，用于在焊接操作过程中探测焊点处所述材料的表面温度。优选的是，存在控制装置，用于依据所探测到的表面温度来控制激光束的功率。优选的是，存在用于计算由待焊材料所吸收的激光能量的装置，并且存在用于依据所吸收的激光能量来控制激光束功率的控制装置。现将参照附图来进一步阐释本专利技术，该附图包括多幅图，其中附图说明图1A-C表示了不同的激光点焊几何形状；图2A-D表示了一个点焊操作的不同阶段；图3表示了激光功率随时间的吸收率；图4表示了具有不同传感器的激光点焊机构的实例，以及图5表示了用于激光点焊的控制策略。激光点焊是一种接合技术，它可用于多种形状的多种材料的连接，特别是板状金属材料的连接。例如，它可用于小型产品的微焊接。该接合技术的典型特点是在激光束工艺操作的过程中，激光束保持本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：P·杜尼亚斯，A·H·M·布洛姆，P·G·范恩根，C·海恩克斯，C·J·G·M·德科克，W·霍温格，D·K·迪肯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：