激光焊接方法和激光焊接装置的制作方法

专利名称：激光焊接方法和激光焊接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用激光焊接金属的激光焊接技术，特别是涉及用两种波长的激光束叠加并照射焊接工件的激光焊接方法和装置。
背景技术：
近年来，激光已用于制造业，特别是焊接、切割和表面处理领域。激光焊接技术的重要性日益增加，这是因为可以实现高精度且高速的加工，而且工件上的热应变较小，可以实现高速自动化。目前，常用于激光焊接的固态激光器是产生波长约为1μm的激光束的YAG激光器。YAG激光器是这样一种激光器用作母质的YAG(Y3Al5O12)晶体涂有稀土元素的激活离子(Nd3+、Yb3+等)，典型的NdYAG激光器的基波波长为1064nm。YAG激光器通过调节Q开关能够连续振动和巨脉冲的振动，并可产生脉宽为100μs(一般为1到10ms)或更大的长脉冲。
在激光焊接中，激光与焊接材料的光耦合特性是重要的。如果光耦合特性不好，则反射率高，激光能的吸收效率就低，因此较难获得良好的焊接连接。在这点上，基波波长(例如，1064nm)的YAG激光的光耦合特性对于铜和金来讲不好。已知的是，第二谐波(532nm)的YAG激光对于这些金属具有更好的光耦合特性。作为一种有效焊接铜和金的激光焊接方法，本申请的申请人已在日本专利申请公报(JP-A)No.2002-28795中公开了一种激光焊接方法，该方法用YAG基波脉冲激光和YAG第二谐波Q开关激光叠加并照射焊接材料。
然而，该传统激光焊接方法的问题在于，穿孔和熔深仍然不足，并且该方法较难适用于厚板焊接(特别是铜厚板焊接)，这是因为用作间歇重复脉冲的YAG第二谐波(532nm)Q开关激光与焊接材料的光耦合时间较短。

发明内容
本发明是针对上述现有技术中的问题而构想的，本发明的目的是提供这样一种激光焊接方法和激光焊接装置，即，用叠加YAG基波和YAG谐波两个波长的方法实现深熔透焊接，并提高再现性和质量。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种方法，其叠加可变脉宽的YAG基波脉冲激光和可变脉宽的YAG谐波脉冲激光并用它们照射焊接区，从而用YAG基波脉冲激光和YAG谐波脉冲激光的能量来焊接焊接区，该方法包括以一时间差来叠加两种脉冲激光，使所述YAG谐波脉冲激光的激光输出到达其峰值在所述YAG基波脉冲激光的激光输出到达其峰值之前。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种激光焊接装置，该装置包括第一激光振荡单元，其通过脉宽改变而产生YAG基波脉冲激光；第二激光振荡单元，其通过脉宽改变而产生YAG谐波脉冲激光；发射单元，其叠加YAG基波脉冲激光和YAG谐波脉冲激光并用它们照射期望的焊接区；和控制单元，其控制第一和第二激光振荡单元之间的激光振荡操作，以使YAG谐波脉冲激光的激光输出到达其峰值在YAG基波脉冲激光的激光输出到达其峰值之前。
在该构造中，YAG谐波是作为可变脉宽的脉冲激光来施加的。因此，与焊接工件的作用时间显著地比Q开关的脉冲激光长，并且因与YAG基波的倍增效应可以实现深熔透。此外，因为YAG谐波脉冲激光的激光输出到达其峰值在YAG基波脉冲激光的激光输出到达其峰值之前(优选地早0.05ms到0.3ms)，所以在焊接点附近顺利地开始小孔形成，从而获得良好再现性的恒定熔深。
本发明的特征还在于，在叠加YAG基波脉冲激光和YAG谐波脉冲激光并用它们照射焊接区的激光焊接方法中，将YAG基波脉冲激光的下降控制成下斜坡波形。根据该下斜坡波形控制，脉冲激光的照射能量逐渐减小，从而熔化材料在小孔内逐渐扩散，并获得无隆起的熔核表面(焊接外形)。在优选实施例中，YAG基波脉冲激光的下降时间选择为处于相对于YAG基波脉冲激光的峰值持续时间的20％到50％的范围内。
在本发明激光焊接装置的优选实施例中，采用了将YAG基波脉冲激光从第一激光振荡器传输到激光发射单元的第一光纤，和将YAG谐波脉冲激光从第二激光振荡器传输到激光发射单元的第二光纤，用于YAG基波的第一光纤具有比用于YAG谐波的第二光纤的芯直径略大(优选地为1.3倍到2倍)的芯直径。根据该构造，可以使YAG基波脉冲激光的照射直径比YAG谐波脉冲激光的照射直径略大，从而可以在激光照射期间稳定小孔周围的熔化部分，并且可以使熔核(特别是边缘部分)在凝固后成为光滑表面。
根据本发明的激光焊接方法和激光焊接装置，由于上述构造和作用，可以用叠加YAG基波和YAG谐波两种波长的方法来实现深熔透，并且还可以提高再现性和质量。


本发明的上述和其它目的、方面、特点和优点将从下面结合附图的详细描述中变得更加明显，附图中图1是示出根据本发明实施例的叠加两种波长的激光焊接装置的构造的图；图2是示出该实施例中的YAG基波脉冲激光振荡器的构造的图；图3是示出该实施例中的YAG第二谐波脉冲激光振荡器的构造示例的图；图4是示出该实施例中的波长变换方法的基本原理的图；图5是示出该实施例中的波长变换方法的图；图6是示出该实施例发射单元中的光学系统主要部分的构造的图；图7是示出该实施例的YAG基波脉冲激光和YAG第二谐波脉冲激光的一般激光器输出波形的波形图；图8是示出该实施例中的脉冲激光上升沿的放大波形图；图9是示出该实施例中的脉冲激光上升沿的一修改示例的放大波形图；图10是示意性地示出该实施例中得到的焊接熔核的平面图和横截面图；图11是示意性地示出比较示例中得到的焊接熔核的平面图和横截面图；图12是用于描述该实施例中的激光焊接的基本原理的横截面图；图13是示意性地示出比较示例中得到的焊接熔核的横截面图；图14是示意性地示出该实施例中得到的焊接熔核的横截面图；图15是示意性地示出该实施例中得到的焊接熔核的外观的平面图；图16是用于描述比较示例中的激光焊接方法的行为的横截面图；图17是示意性地示出比较示例中得到的焊接熔核的外观的平面图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的优选实施例。
图1示出根据本发明实施例的叠加两种波长的激光焊接装置的构造。该激光焊接装置包括两个YAG脉冲激光振荡器10和12；分别电连接到脉冲激光振荡器10和12的激光器电源单元14和16；通过激光器电源单元14和16来控制两个脉冲激光振荡器10和12的激光振动操作的控制单元18；叠加两种波长并设置在期望加工位置的发射单元20；以及光纤传输系统22，其将由两个脉冲激光振荡器10和12产生的YAG脉冲激光分别传输到发射单元20。
这里，YAG脉冲激光振荡器10振荡/输出可变脉宽的(长脉冲)YAG基波(1064nm)脉冲激光LB，YAG脉冲激光振荡器12振荡/输出可变脉宽的(长脉冲)YAG第二谐波(532nm)脉冲激光SHG。如下所述，发射单元20将YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG叠加在同一或公共光轴上，并用公共聚焦透镜聚焦YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG，并用YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG照射焊接工件(W1和W2)上的焊接点K。焊接工件(W1和W2)可包括可选择的金属，但是本发明的作用和效果在Cu金属或Au金属的情况下能够最显著地显示出来。
图2示出YAG基波脉冲激光振荡器10的构造示例。激光振荡器10设置有包括例如NdYAG杆的固态激光介质24、用激发光照射固态激光介质24的电光激发单元26、以及一对光学谐振腔反光镜28和30，该对光学谐振腔反光镜28和30使从固态激光介质24产生的激光谐振/放大，并去除YAG基波(1064nm)脉冲激光LB。这里，电光激发单元26包括激发灯或激光二极管，例如接收由激光器电源单元14供给的脉冲波形激发电流，发光，并用脉冲波形激发光泵浦(pump)固态激光介质24。而后，在轴向上从固态激光介质24的两端面出现的光在光学谐振腔反光镜28和30之间反复地被反射和放大，并从输出反光镜28移到光学谐振腔外面作为YAG基波脉冲激光LB。从激光振荡器10振荡/输出的YAG基波脉冲激光LB发射到光纤传输系统22中的第一入射单元60(图1)，该第一入射单元60将在下面描述。
在该实施例中，设置了用于接收漏到全反射镜30背面的脉冲激光LB的漏光MLB的光电转换元件或光电传感器32，以对YAG基波脉冲激光LB进行电源反馈控制。测量电路34根据光电传感器32的输出信号输出表示基波脉冲激光LB的激光器输出测量值的电信号(激光器输出测量值信号)。激光器电源单元14将来自测量电路34的激光器输出测量值信号与来自控制单元18的第一参考脉冲波形信号进行比较，例如根据比较偏差通过脉宽调制(PWM)对内部开关元件执行开关操作，控制供给到电光激发单元26的脉冲激发电流，从而使从激光振荡器10振荡/输出的YAG基波脉冲激光LB的激光器输出波形类似第一参考脉冲波形。
图3示出YAG第二谐波脉冲激光振荡器12的构造示例。激光振荡器12包括一对终端镜(terminal mirror)36和38、固态激光器激活介质40、波长变换晶体42、偏振元件44和谐波分离输出镜(harmonic-dividing outputmirror)46，这些都以直线布置设置成一行。终端镜36和38相互面对，并构成光学谐振腔。终端镜36包括涂覆有对基波波长(1064nm)具有高反射率的薄膜的反射表面36a。终端镜38包括涂覆有对基波波长(1064nm)具有高反射率的薄膜和对第二谐波(532nm)具有高反射率的薄膜的反射表面38a。
激活介质40包括例如NdYAG杆，并接近终端镜36设置，并由电光激发单元48进行光学泵浦。电光激发单元48包括用于产生朝向激活介质40的激发光的激发光源(例如，激发灯或激光二极管)，并使激发光源被来自激光器电源单元16的脉冲波形激发电流点亮，并用该脉冲波形激发光泵浦激活介质40。由激活介质40产生的基波波长脉冲束被限制在终端镜36和38之间并在终端镜36和38之间放大。以该方式，产生基波波长(1064nm)脉冲激光的基波脉冲激光振荡单元由终端镜(光学谐振腔)36和38、激活介质40以及电光激发单元48构成。
偏振元件44包括例如偏振器或布鲁斯特板(Brewsterplate)，并设置为相对于光学谐振腔的光路或光轴成一预定倾斜角，以使来自激活介质40的基波波长光束以非法线方向入射。来自激活介质40的基波波长光束的P偏振光直接透过偏振元件44并入射在波长变换晶体42上，而S偏振光被偏振元件44反射在预定方向上。这里，P偏振光和S偏振光是线性偏振分量(电场分量)，其振动方向在垂直于基波波长光束传播方向的平面中相互正交。例如，P偏振光是在垂直方向上振动的线性偏振分量，S偏振光是在水平方向上振动的线性偏振分量。优选地，将偏振滤光特性选择成，对于基波波长(1064nm)，P偏振光的透射率基本为100％，S偏振光的反射率基本为100％。
波长变换晶体42包括诸如KTP(KTiOPO4)晶体或LBO(LiB3O5)晶体的非线性光学晶体，并设置成接近终端镜38，与光学谐振腔激发的基模进行光学耦合，并因与基波波长的非线性光学作用而在光学谐振腔的光路上产生第二谐波(532nm)光束SHG。
从波长变换晶体42向终端镜38发射的第二谐波光束SHG被终端镜38反射回，并通过波长变换晶体42。从波长变换晶体42向终端镜38的相反侧发射的第二谐波光束SHG入射在相对于光学谐振腔的光路或光轴以预定角度(例如，45°)设置的谐波分离输出镜46上，并被镜子46反射或分离/输出到预定方向，即向着转向镜(bend mirror)50。而后，从谐波分离输出镜46分离/输出的第二谐波光束SHG的光轴在转向镜50的作用下转向，第二谐波光束SHG被送到光纤传输系统22中的第二入射单元66(图1)。
在该实施例中，设置了用于接收漏到转向镜50背面的YAG第二谐波脉冲激光SHG的漏光MSHG的光电转换元件或光电传感器52，以对YAG第二谐波脉冲激光SHG进行电源反馈控制。测量电路54根据光电传感器52的输出信号产生表示第二谐波脉冲激光SHG的激光器输出测量值的电信号(激光器输出测量值信号)。激光器电源单元16将来自测量电路54的激光器输出测量值信号与来自控制单元18的第二参考脉冲波形信号进行比较，例如根据比较偏差通过脉宽调制(PWM)对开关元件执行开关操作，控制供给到电光激发单元48的脉冲激发电流，从而使从激光振荡器12振荡/输出的YAG第二谐波脉冲激光SHG的激光器输出波形类似第二参考脉冲波形。
图4示出用在该实施例中的波长变换方法的基本原理。该波长变换方法使用II型相位匹配角切割的非线性光学晶体作为波长变换晶体42，以通过II型相位匹配将波长从基波转换成第二谐波。更具体地，由诸如YAG脉冲激光器(未示出)的固态激光器产生的基波(例如，1064nm)脉冲激光以椭圆偏振光(优选地为圆偏振光)或随机偏振光的形式入射在非线性光学晶体42上。而后，仅入射光的基波波长的垂直偏振的分量和水平偏振的分量通过非线性光学晶体42成为线性偏振光。非线性光学晶体42与基波YAG脉冲激光进行光学耦合，并通过非线性光学效应产生在与基波光的垂直偏振分量相同的方向上线性偏振的长脉冲的第二谐波脉冲激光SHG(532nm)。
然而，在该波长变换方法中(图4)，如果基波脉冲激光的偏振分布中存在偏向或各向异性，则有时波长变换效率下降，并且第二谐波脉冲激光SHG的激光器输出下降或波动。特别是当电光激发单元48对激活介质40的泵浦(照射激发光)不均匀时，基波脉冲激光的偏振分布中就出现偏向或各向异性。
图5示出该实施例中的波长变换方法。在该波长变换中，反射S偏振光同时透过基波的P偏振光的偏振元件44设置成，其线性偏振方向(P偏振光的振动方向)相对于非线性光学晶体42的光轴倾斜45°。在该实施例的YAG第二谐波脉冲激光振荡器12(图3)中，如图5所示，偏振元件44的线性偏振方向设定在垂直方向，并且非线性光学晶体42设置成其光轴相对于垂直方向倾斜45°。
根据偏振元件44的线性偏振方向与非线性光学晶体42的光轴以此方式相对倾斜45°的构造，来自偏振元件44的P偏振光在非线性光学效应中用作等强度的两个基波光分量，在非线性光学晶体42的坐标系中观察，该两个基波光分量是正交的。假设省去偏振元件44，则与P偏振光正交的S偏振光也将入射在非线性光学晶体42上，从而破坏了非线性光学晶体42的坐标系中的垂直偏振分量和水平偏振分量之间的平衡，并且II型波长变换效率将会下降。因此，由于偏振元件44的线性偏振，可以实现高效率的II型波长变换，并且可以稳定地且高输出地产生长脉冲的第二谐波脉冲激光SHG。
在光纤传输系统22中，第一入射单元60容纳聚焦透镜62，从YAG基波脉冲激光振荡器10振荡/输出的YAG基波脉冲激光LB由聚焦透镜62聚焦，并入射在第一光纤64的一个端面(入射端面)上。第二入射单元66还容纳聚焦透镜68，从YAG第二谐波脉冲激光振荡器12振荡/输出的YAG第二谐波脉冲激光SHG由聚焦透镜68聚焦，并入射在第二光纤70的一个端面(入射端面)上。
第一和第二光纤64和70终止于发射单元20。第一光纤64包括例如阶跃折射率(SI，step-index)光纤，其将来自第一入射单元60的YAG基波脉冲激光LB传输到发射单元20。第二光纤70包括例如SI光纤，并将来自第二入射单元66的YAG第二谐波脉冲激光SHG传输到发射单元20。在该实施例中，用于传播基波的光纤64的芯直径1选择为略大于(优选地为1.3倍到2倍)用于传播第二谐波的光纤70的芯直径2的值。从而，如下面描述的，可以实现焊接质量的提高(特别是防止在边缘部分出现隆起)。
图6示出该实施例中发射单元20内的光学系统的相关部分的构造。
如图6所示，分色镜72和75设置成在发射单元20内的中心部分处相对于垂直轴(该单元的纵轴)倾斜45°。第一光纤64终止于发射单元20的下端部侧，第一光纤64的终止端面(即，发射端面)垂直向下面对分色镜72的下表面。第二光纤70终止于发射单元20的上端部侧，第二光纤70的终止端面(即，发射端面)水平向内面对分色镜75的下表面。第一准直透镜74设置在第一光纤64的发射端面和分色镜72之间，第二准直透镜76设置在第二光纤70的发射端面和分色镜75之间。聚焦透镜78直接设置在分色镜72的下方。分色镜72采用透明基底作为其母质，该基底涂覆有对于基波波长(1064nm)具有反射性的薄膜，以及对于第二谐波(532nm)和可见光具有透射性的薄膜。分色镜75采用透明基底作为其母质，该基底涂覆有对于第二谐波(532nm)具有反射性的薄膜，以及对于可见光具有透射性的薄膜。
从第一光纤64的发射端面在水平方向放射式地发射出的YAG基波脉冲激光LB被第一准直透镜74准直，被分色镜72以直角垂直向下反射，并入射在聚焦透镜78上。从第二光纤70的发射端面在水平方向放射式地发射出的YAG第二谐波脉冲激光SHG被第二准直透镜76准直，被分色镜75以直角垂直向下反射，透过分色镜72，并入射在聚焦透镜78上。被分色镜72垂直向下反射的基波光束LB和被分色镜75垂直向下反射并透过分色镜72的第二谐波光束SHG叠加在大致同一光轴上，并在其叠加状态下由聚焦透镜78聚焦。发射单元20也可构造成使光纤64和70的发射端面与准直透镜74和76之间的距离可以随着焦点的调节而可变地进行调节。
监视用CCD照相机77附接于发射单元20的上端部。从焊接工件的加工点K进入发射单元20的可见光透过分色镜72和75，并由CCD照相机77中的成像元件接收。
在该实施例中，如上所述，YAG基波系统的光纤64的芯直径1选择为略大于(优选地为1.3倍到2倍)用于传播第二谐波的光纤70的芯直径2的值，发射单元20内的YAG基波与YAG第二谐波的图像信息比选择成1∶1。因此，焊接工件(W1和W2)的焊接点K受到聚束点或照射直径的照射，其中YAG基波脉冲激光LB略大于(1.3倍到2倍)YAG第二谐波脉冲激光SHG。
关于在发射单元20内叠加YAG第二谐波脉冲激光SHG和YAG基波脉冲激光LB的方法，一般地，LB的能量显著大于SHG的能量。因此，如图6所示，叠加该两种激光优选的是，LB在顶部，SHG在底部。而还可以相反地叠加该两种激光，使SHG在顶部，LB在底部，并且第一和第二光纤64和70的发射端部的位置以及CCD照相机77的位置可以有选择地选择成在发射单元20的内部。
控制单元18通过激光器电源单元14和16来控制YAG脉冲激光振荡器10和YAG第二谐波脉冲激光振荡器12的激光振荡操作，并且特别是在预定时刻为激光器电源单元14和16提供分别定义YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG的激光输出波形的第一和第二参考脉冲波形信号。
图7示出该实施例中的YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG的典型激光输出波形。脉冲激光LB和脉冲激光SHG的激光输出波形分别对应于由控制单元18提供的第一和第二参考脉冲波形。如图7所示，该实施例的一个特征是，在脉冲激光LB的上升和脉冲激光SHG的上升之间存在较小的时间差；换言之，YAG第二谐波脉冲激光SHG的上升比YAG基波脉冲激光LB的上升略早一些。
更具体地，如图8所示，重要的是，YAG第二谐波脉冲激光SHG的激光输出到达设定峰值PSHG的时刻tSHG比YAG基波脉冲激光LB到达设定峰值PLB的时刻tLB要略早一些(优选地为0.05ms到0.3ms)。从这点上来讲，上升起点之间的前后关系可以选择。例如，如图9所示，LB的上升开始也可以比SHG的上升开始早。
以这样的方式，YAG第二谐波脉冲激光SHG的激光输出到达其峰值PSHG比YAG基波脉冲激光LB到达其峰值PLB早，这样在焊接点K附近顺利地开始(触发)形成小孔，随即YAG基波脉冲激光LB的激光输出到达峰值PLB，这样因脉冲激光LB和脉冲激光SHG的叠加或倍增效应，小孔向里扩展/生长，从而在不同的焊接点K1、K2、K3等处获得良好再现性的恒定深度的熔透或焊接熔核N1、N2、N3等，如图10所示。实际上，在本发明中，已经证实在0.3mm厚或更厚的铜板中得到高再现性的稳定焊接。当铜或金熔化时，其很好地吸收YAG基波。因此，YAG第二谐波脉冲激光SHG的照射时间(脉宽)可以比YAG基波脉冲激光LB的照射时间(脉宽)短(这对焊接质量没有影响)。
与本发明进行对比，当脉冲激光LB和脉冲激光SHG到达其峰值的时刻tLB和tSHG之间的前后关系相反时(即，当tLB在tSHG之前时)，焊接熔核N1、N2、N3等出现变化，如图11所示。这是因为当YAG基波脉冲激光LB的激光输出在YAG第二谐波脉冲激光SHG到达峰值PSHG之前到达峰值PLB时，在YAG第二谐波的作用下的小孔开始形成受到叠加YAG基波的干扰，从而小孔的扩展/生长以及熔透不稳定。
该实施例的另一特征在于，将YAG基波脉冲激光LB的激光输出的下降控制为下斜坡波形，如图7所示。由于该下斜坡控制，可以有效地防止对焊接熔核N1、N2、N3等的外观的干扰，并且特别是中心部分的隆起(瘤子)。
即，在脉冲激光LB的照射期间，如图12所示，金属蒸气J出现在焊接点附近形成的小孔内，金属在小孔周围熔化，激光束反复被吸收并被小孔的侧壁反射。而后，当脉冲激光LB的照射停止时，熔化的材料流入孔并凝固。此时，当脉冲激光LB的照射突然停止时，熔化的材料快速聚集在中心部分并随之凝固。从而，如图13所示，容易在熔核N的中心部分形成类似瘤子的隆起HP。
根据该实施例的下斜坡控制，激光束LB的照射能量逐渐减小，从而熔化的材料逐渐在小孔内扩散，并获得无隆起的熔核表面(焊接外形)，如图14所示。根据本发明的下斜坡的倾斜角度θDS或倾斜时间TDS可以适当地根据焊接规范设定，而对于焊接普通的厚铜板，优选地将倾斜时间TDS选择为相对于YAG基波脉冲激光LB的峰值持续时间TP的20％到50％的范围内。
如上所述，该实施例的一个特征是还将用于传播基波的光纤64的芯直径1选择成略大于(优选地为1.3倍到2倍)用于传播第二谐波的光纤70的芯直径2的值。即，通过使YAG基波脉冲激光LB的照射直径略大于YAG第二谐波脉冲激光SHG的照射直径，可以减小小孔直径与熔核直径的比，并可以稳定小孔周围的熔化部分，如图15中示意性地示出的，凝固后的熔核(特别是边缘部分)可成一平滑表面。
与本实施例进行对比，当使光纤64和70的芯直径1和2相同，并且脉冲激光LB和脉冲激光SHG的照射直径相同时，如图16所示，小孔直径与熔核直径的比较大。因此，强烈地受到金属蒸气部分的影响，外围的熔化部分变得不稳定，如图17中示意性地示出的，凝固后的熔核表面(特别是边缘部分)容易受到干扰，在边缘部分容易出现隆起HP。
上面已经描述了优选实施例，但是本发明决不限于该实施例，而是可以在本发明的技术思想的范围内作各种修改。例如，在上面的实施例中，定义YAG基波脉冲激光LB和YAG第二谐波脉冲激光SHG的激光输出波形的第一和第二参考脉冲波形信号由控制单元18产生并传输到激光器电源单元14和16。然而，控制单元18还可以构造成仅产生时序信号或开始信号，而参考脉冲波形可以在激光器电源单元14和16的内部产生。
此外，在上面的实施例中，第二谐波(532nm)用作YAG谐波，但也可以使用第三谐波(355nm)或第四谐波(266nm)等。此外，对于用于产生YAG谐波的固态介质24或激活介质40，除了NdYAG晶体以外还可以使用NdYLF晶体、NdYVO4晶体或YbYAG晶体等。本发明的激光焊接方法适用于各种接缝形式，例如搭接接缝、对接接缝和角接接缝。
虽然这里已经详细描述了本发明的示意性的和目前优选的实施例，但是要理解，发明构思还可以有各种体现和应用，并且所附权利要求解释为包括除了由现有技术限定的范围以外的变型。
权利要求
1.一种激光焊接方法，其叠加具有可变脉宽的YAG基波脉冲激光和具有可变脉宽的YAG谐波脉冲激光并用它们照射焊接区，从而用所述YAG基波脉冲激光和所述YAG谐波脉冲激光的能量来焊接所述焊接区，所述方法包括以一时间差来叠加两种脉冲激光，使所述YAG谐波脉冲激光的激光输出到达其峰值在所述YAG基波脉冲激光的激光输出到达其峰值之前。
2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其中，所述时间差选择成在0.05ms到0.3ms的范围内。
3.如权利要求1或2所述的激光焊接方法，其中，将所述YAG基波脉冲激光的下降控制成下斜坡波形。
4.一种激光焊接方法，其叠加具有可变脉宽的YAG基波脉冲激光和具有可变脉宽的YAG谐波脉冲激光并用它们照射焊接区，从而用所述YAG基波脉冲激光和所述YAG谐波脉冲激光的能量来焊接所述焊接区，所述方法包括将所述YAG基波脉冲激光的下降控制成下斜坡波形。
5.如权利要求3或4所述的激光焊接方法，其中，将所述YAG基波脉冲激光的下降时间选择为处于相对于所述YAG基波脉冲激光的峰值持续时间的20％到50％的范围内。
6.如权利要求1到5中任一项所述的激光焊接方法，其中，将所述YAG基波脉冲激光和所述YAG谐波脉冲激光分别通过第一和第二光纤传输到激光发射单元，并且将分别从所述第一和第二光纤的终端面发射出的所述YAG基波脉冲激光和所述YAG谐波脉冲激光叠加在所述激光发射单元内的同一轴上。
7.如权利要求6所述的激光焊接方法，其中，所述第一光纤的芯直径大于所述第二光纤的芯直径。
8.如权利要求7所述的激光焊接方法，其中，所述第一光纤的芯直径选择成是所述第二光纤的芯直径的1.3倍到2倍。
9.如权利要求1到8中任一项所述的激光焊接方法，其中，所述焊接工件包括Cu金属或Au金属。
10.一种激光焊接装置，其包括第一激光振荡单元，其通过脉宽改变而产生YAG基波脉冲激光；第二激光振荡单元，其通过脉宽改变而产生YAG谐波脉冲激光；发射单元，其叠加所述YAG基波脉冲激光和所述YAG谐波脉冲激光并用它们照射期望的焊接区；和控制单元，其控制所述第一和第二激光振荡单元之间的激光振荡操作，以使所述YAG谐波脉冲激光的激光输出到达其峰值在所述YAG基波脉冲激光的激光输出到达其峰值之前。
11.如权利要求10所述的激光焊接装置，其中，其还包括波形控制单元，所述波形控制单元将所述YAG基波脉冲激光的下降控制为下斜坡波形。
12.如权利要求10或11所述的激光焊接装置，其中，其还包括第一光纤，其将所述YAG基波脉冲激光从所述第一激光振荡单元传输到所述激光发射单元，和第二光纤，其将所述YAG谐波脉冲激光从所述第二激光振荡单元传输到所述激光发射单元。
13.如权利要求12所述的激光焊接装置，其中，所述第一光纤的芯直径大于所述第二光纤的芯直径。
14.如权利要求13所述的激光焊接装置，其中，所述第一光纤的芯直径选择成是所述第二光纤的芯直径的1.3倍到2倍。
全文摘要
本发明公开了一种激光焊接方法和激光焊接装置。YAG脉冲激光振荡器(10)振荡/输出可变脉宽的YAG基波脉冲激光(LB)，YAG脉冲激光振荡器(12)振荡/输出可变脉宽的YAG第二谐波脉冲激光(SHG)。发射单元(20)将脉冲激光(LB)和脉冲激光(SHG)叠加在同一光轴上并聚焦，并用脉冲激光(LB)和脉冲激光(SHG)照射焊接工件(W
文档编号B23K26/06GK1850417SQ20051013752
公开日2006年10月25日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年4月22日
发明者长嶋崇弘, 加瀬纯平 申请人:宫地技术株式会社