贵金属板的激光焊接装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种贵金属板的激光焊接装置及激光焊接方法，尤其是贵金属坩埚的激光焊接装置及激光焊接方法，属于机械加工领域。


背景技术：

2.作为晶体生长装置所用的坩埚，通常使用金属制的坩埚。特别是在蓝宝石(单晶氧化铝)等高熔点材料的晶体生长中，已知有由贵金属，例如铂、铱、钼、钨和以它们为主成分的合金形成的贵金属坩埚，例如铂金坩埚。
3.目前对于贵金属坩埚的常用加工方法为，底部采用磨具冲压工艺，坩埚外沿部分则采用焊接工艺(例如参照jp2006
‑
205200)。该方法加工难度小，加工效率高，然而大而壁薄的铂金板在焊接时极容易出现漏焊或在使用中焊缝容易开裂而容易出现渗漏等现象，由此，在实际使用中往往需要采用双层铂金坩埚，而且坩埚的服役期短。然而，一方面，铂等贵金属价格昂贵，另一方面基于目前晶体生长效率的需求也要求将坩埚大型化，这些都要求制得的铂金坩埚服役期长，能耐受多次重复使用。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种贵金属板的激光焊接装置，所述激光焊接装置包括模具单元、多重下压单元以及激光器单元；所述模具单元用于支承贵金属板，所述多重下压单元用于压住所述贵金属板的焊接部分，所述激光器单元用于对所述贵金属板的焊接部分进行激光焊接；其中所述多重下压单元包括：第一重下压单元，所述第一重下压单元用于将所述贵金属板的第一端定位在所述模具单元上；第二重下压单元，所述第二重下压单元用于将所述贵金属板的第二端以叠放在所述贵金属板的第一端上方的形式定位在所述模具单元上；以及第三重下压单元，所述第三重下压单元用于拍压所述贵金属板；其中，所述第一重下压单元的第一重下压板和第二重下压单元的第二重下压板在下压时位于预设焊缝位置的一侧，所述第三重下压单元的第三重下压板在下压时覆盖所述预设焊缝位置并能被拖移至预设焊缝位置的另一侧。
5.较佳地，所述第一重下压单元的第一重下压板、第二重下压单元的第二重下压板分别由第一重下压动力机构和第二共用重下压动力机构驱动，并由第一第二重下压公用支架支撑。
6.较佳地，所述第三重下压单元的第三重下压板由第三重下压机构驱动并由第三重下压支架支撑。
7.较佳地，所述第三重下压单元还包括使支撑有第三重下压板的第三重下压支架水平移动的水平移动机构。
8.较佳地，所述第三重下压单元还包括引导支撑有第三重下压板的第三重下压支架进行水平移动的水平移动导轨，所述第三重下压支架的下端设置于水平移动导轨上。
9.较佳地，所述第三重下压支架的下端设置有弹簧。
10.较佳地，所述第三重下压支架包括多个扇环形片。
11.较佳地，所述第一重下压板、第二重下压板和/或第三中下压板由多个串联的压块组成。
12.较佳地，所述模具单元包括模子和模子固定顶夹。
13.有益效果：本实用新型在常规的直线压板单元的基础上增加一套直线压板单元，该增加的直线压板单元既能进行下压动作，又能进行拖移动作，可以通过拍压进一步将贵金属板的待焊接部分(预设焊缝位置)压实，且能在拍压后拖移至预设焊缝位置的另一侧，确保预设焊缝位置的两侧均处于被压实的状态。
附图说明
14.图1为本实用新型的激光焊接装置的结构示意图。
15.图2示出第一重下压单元、第二重下压单元的结构示意图。
16.图3示出第三重下压单元的结构示意图。
17.图4为中本实用新型的激光焊接装置中重下压单元的下压示意图。
18.图5为中本实用新型的激光焊接装置中重下压单元的焊接时示意图。
19.图6示出了示例焊接图样示意图(直线型，光斑为实心圆点)。
20.图7示出了示例焊接图样示意图(直线型，光斑为空心环)。
21.图8示出了示例焊接图样示意图(z字折线型，光斑为实心圆点)。
22.图9示出了示例焊接图样示意图(波浪线型，光斑为实心圆点)。
23.图10示出了示例焊接图样示意图(螺旋型，光斑为实心圆点)。
具体实施方式
24.本实用新型提供一种贵金属板的激光焊接装置，可包括模具单元、多重下压单元以及激光器单元。模具单元用于支承贵金属板。例如包括支撑贵金属板并确定坩埚外形的模子以及将缠绕有贵金属板的模子固定至机床的模子固定顶夹。多重下压单元用于压住贵金属板的焊接部分。所述激光器单元用于对贵金属板的焊接部分进行激光焊接。
25.所述多重下压单元可包括两套直线压板单元。具体而言，第一重下压单元和第二重下压单元为基础压板单元，以及第三重下压单元为增强压板单元。第一重下压单元用于将所述贵金属板的第一端定位在所述模具单元上；第二重下压单元用于将所述贵金属板的第二端以叠放在所述贵金属板的第一端上方的形式定位在所述模具单元上；所述第三重下压单元用于拍压所述贵金属板。
26.所述第一重下压单元的第一重下压板和第二重下压单元的第二重下压板在下压时位于预设焊缝位置的一侧，所述第三重下压单元的第三重下压板在下压时覆盖所述预设焊缝位置并能被拖移至预设焊缝位置的另一侧。
27.在一个实施例中，所述第一重下压单元、第二重下压单元和第三重下压单元各自包括用于对所述贵金属板进行拍压的直线压板、用于驱动所述直线压板的重下压动力机构以及用于支撑所述直线压板和下压动力机构的重下压支架。
28.在一个实施例中，所述第一重下压单元的第一重下压板、第二重下压单元的第二重下压板分别由第一重下压动力机构和第二共用重下压动力机构驱动，并由第一第二重下
压公用支架支撑。
29.在一个实施例中，所述第三重下压单元的第三重下压板由第三重下压机构驱动并由第三重下压支架支撑。
30.在优选的实施例中，所述第三重下压单元还包括使支撑有第三重下压板的第三重下压支架水平移动的水平移动机构。
31.在更优选的实施例中，所述第三重下压单元还包括引导支撑有第三重下压板的第三重下压支架进行水平移动的水平移动导轨，所述第三重下压支架的下端可移动地设置于水平移动导轨上。
32.在优选的实施例中，所述第三重下压支架的下端设置有弹簧。
33.在优选的实施例中，所述第三重下压支架包括多个扇环形片。
34.在优选的实施例中，所述第一重下压板、第二重下压板和/或第三中下压板由多个串联的压块组成。
35.本实用新型还提供一种贵金属板的激光焊接方法，包括：下压第一重下压板将所述贵金属板的第一端定位在模子上以形成焊接重叠面的内层；下压第二重下压板使其挨着第一重下压板并将所述贵金属板的第二端以叠放在所述贵金属板的第一端上方的形式定位在所述模子上以形成焊接重叠面的外层，其中所述第一重下压板和第二重下压板在下压时均位于预设焊缝位置的同一侧；下压第三重下压板使其挨着第二重下压板并覆盖预设焊缝位置；采用所述第三重下压板对所述贵金属板进行拍压；拖移所述第三重下压板使其离开所述第二重重下压板并位于所述预设焊缝位置的另一侧；以及采用激光器单元根据预设焊接路线在预设焊缝位置进行焊接。
36.在优选的实施例中，所述第一重下压板的左沿距离预设焊缝位置3.0
‑
4.0mm。
37.在优选的实施例中，拖移所述第三重下压板使其右沿离开预设焊缝位置0.1
‑
3mm。
38.在优选的实施例中，第一重下压板的下压压力为190～300n。
39.在优选的实施例中，第二重下压板的下压压力为200～350n。
40.在优选的实施例中，第三重下压板的下压压力为100～180n。
41.在优选的实施例中，第三重下压板的拍压压力为290～500n。
42.在优选的实施例中，第三重下压板的拍压压力大于第三重下压板的下压压力。优选地，第三重下压板的拍压压力为第三重下压板的下压压力的2～4倍。
43.在优选的实施例中，所述激光焊接的光斑为空心环。
44.在优选的实施例中，所述激光焊接的焊接路径为直线型、z字折线型、波浪线型或螺旋型。
45.本实用新型还提供一种多重下压单元，包括第一重下压单元、第二重下压单元和第三重下压单元；所述第一重下压板单元和第二重下压单元各自包括能够进行下压动作的第一重下压板和第二重下压板，所述第一重下压板和第二重下压板在下压时均位于预设焊缝位置的一侧；所述第三重下压单元包括可进行能够进行下压动作和拖移动作的第三重下压板，支撑所述第三重下压板的第三重下压支架，使所述第三重下压板进行下压动作的第三重下压动力机构，以及使所述第三下压板进行拖移动作的水平移动机构；所述第三重下压板在下压时覆盖所述预设焊缝位置，并能被拖移至预设焊缝的另一侧；所述第三重下压支架包括多个扇环形片。
46.本实用新型还提供一种模子固定顶夹，包括：固定在机床上的夹具底座，以及朝向模子进行伸缩的螺柱，所述螺柱包括螺纹连接的第一螺柱和第二螺柱，所述夹具底座上端设置有具有内螺纹的内腔用于容纳第一螺柱；所述第一螺柱设置有调整第一螺柱螺入夹具底座的内腔的深度的第一调节螺母以及调整第一螺柱和第二螺柱螺接部分的长度的第二调节螺母。
47.在优选的实施例中，第二螺柱朝向模子的一侧端面设置为匹配模子外表面。
48.以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。应理解，以下附图和实施例用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
49.参见图1，其示出本实用新型的激光焊接装置的结构示意图，包括设置在机床上的模具单元、重下压单元(直线压板单元)以及激光器单元。
50.参见图1及图2，模具单元具有用于支撑贵金属板的模子1，以及将模子固定到机床的模子固定顶夹2。以下以模子1长度方向为前后方向，其中朝向纸面外的方向为前方，朝向纸面内的方向为后方。垂直于机床水平面的方向为上下方向，以机床水平面为基准，模子左侧(纸面左侧的方向)为左方，模子右侧(纸面右侧的方向)为右方。
51.模子1作为确定坩埚形状的模具，可以为空心圆柱状，也可以为截面为矩形的柱状等。焊接之前，将贵金属板沿着模子1外表面进行弯曲，并使贵金属板贴合模子1外表面。然后将包裹有贵金属片的模子1放入工位并通过模子固定顶夹2进行固定。贵金属板例如采用铂金板(以下均以铂金板(铂片)制备铂金坩埚作为示例，但应理解，可采用其他贵金属板，例如铱、钼、钨等。铂金板(铂片)的厚度可以为0.06～0.50mm，优选为矩形状，可根据所需坩埚的尺寸选取合适大小铂片，例如宽度可为10～600mm以形成坩埚的深度，长度为30～600mm以形成坩埚外周面的周长。
52.模子固定顶夹2可以是左右成对位于模子左右两侧的可伸缩的夹具，例如包括固定在机床上的夹具底座，以及可朝向模子1进行伸缩的螺柱。在一个示例中，螺柱包括螺纹连接的第一螺柱和第二螺柱，夹具底座上端设置有具有内螺纹的内腔用于容纳第一螺柱；第一螺柱可螺入夹具底座上端的内腔，第一螺柱设置有调整第一螺柱螺入夹具底座的内腔的深度的第一调节螺母以及调整第一螺柱和第二螺柱螺接部分的长度的第二调节螺母。例如，当模子放入工位后，先调整第一调节螺母使第一螺柱向模子伸进直到接触模子外表面进行粗调，然后调节第一调节螺母，进一步使第二螺柱压紧模子。借助于两步调整，可以更可靠地夹紧模子。又，优选的第二螺柱朝向模子的一侧端面设置为匹配模子外表面。
53.在一个示例中，使一对螺柱朝向机床外侧(靠近夹具底座的方向)缩进，打开夹具，放入包裹有铂片的模子，再使该对螺柱朝向机床内侧(模子的方向)伸进，夹紧模子1，达到固定模子1的作用。应理解，模子固定顶夹2可以沿着模子长度方向设置多对。例如，在模子两端处各设置一对，或者附加地在模子中央处再设置一对。
54.多重下压单元包括第一重下压单元、第二重下压单元和第三重下压单元，各重下压单元可分别包括动力机构、压板和支架。第一重下压单元用于将铂片的一端定位在模子上形成焊接部分(焊接重叠面)的内层。第二重下压单元用于将铂片的另一端定位在模子上形成焊接部分(焊接重叠面)的外层，以此，确保铂片围绕并包裹模子外表面以确定坩埚的周面。第一重下压单元包括第一重下压板3，第二重下压单元包括第二重下压板4，第一重下压板3和第二重下压板4可以采用共用重下压动力机构进行下压、拍打、施压等动作，例如图
2中示出的第一第二重下压气动机构5。应理解，也可分开使用相互独立的下压动力机构分别操作第一重下压板3和第二重下压板4。也可以采用共用重下压支架支撑第一重下压板3和第二重下压板4及其动力机构，例如图2中示出的第一第二重下压支架6。同样，应理解，也可采用相互独立的多重下压支架分别支撑第一重下压板3和第二重下压板4及其动力机构。
55.预设焊缝位置，焊缝位置优选沿着模子长度方向设置，并位于平行于模子的纵轴但与机床水平面垂直的中心面内。将包裹有铂片(铂金属板)的模子1固定在工位，并使铂片的第一端面(焊接重叠面的内层)贴合在模子正上方并跨过预设焊缝位置规定距离，例如过预设焊缝位置0.1～1mm，以确保焊接后内层余边控制在0.1～1mm，借助于此，可以确保坩埚的密闭性同时尽可能减小铂金损耗。
56.操作模子固定顶夹2固定住模子1，接着操作第一第二重下压支架6使第一重下压板3位于模子的正上方，下压第一重下压板3使其压住铂片的第一端面(焊接重叠面的内层15)，此时第一重下压板3的左沿(靠近焊缝的一边沿)距离焊缝位置约3.0～4.0mm，以确保还能在焊缝位置和第一重下压板3之间放置第二重下压板4。将铂片的另一端面(第二端面)绕过模子压在铂片的第一端面上形成焊接重叠面的外层。同样，铂片的第二端面(焊接重叠面的外层16)贴合在模子正上方并跨过设定的焊缝位置17规定距离，例如过焊缝位置3.0～4.0mm，以确保焊接后外层余边控制在3.0～4.0mm，借助于此，可以确保坩埚的密闭性同时尽可能减小铂金损耗。接着操作第一第二重下压支架6使第二重下压板4位于模子的正上方，下压第二重下压板4使其压住铂片的第二端面(焊接重叠面的外层)。此时第二重下压板4的右沿靠近(优选紧挨着)第一重下压板的左沿(参见图4)，且第二重下压板4的左沿距离焊缝位置约1.0～3.0mm。应理解，可以预先调整第一重下压板3和第二重下压板4位置，使其紧挨着位于模子1上方一定距离，然后依次在模子1和第一重下压板3和第二重下压板4位置插入铂片的第一端面和第二端面，再分别下压第一重下压板3和第二重下压板4。
57.第一重压下压板3和第二重压下压板4可以使铂片端面贴合模子外周面从而可以确定坩埚的周长，但第一重压下压板3和第二重压下压板4均位于焊缝的同一侧，只能压实焊缝位置一边(图示的右边)的铂片。在此，将第一重下压单元和第二重下压单元的组合成为基础重下压单元。
58.由此，本实用新型在焊缝位置的另一侧(左侧)再增加一套直线压板机构，即第三重下压单元，也称为增强重下压单元。第三重下压单元包括第三重下压板7、第三重下压动力机构(例如第三重下压气动机构8)、第三重下压支架9、水平移动导轨10和水平移动机构11。水平移动导轨10可以固定在机床上，并垂直于模子长度方向设置。第三重下压支架9用于支承第三重下压板7、第三重下压动力机构，并可沿水平移动导轨10水平移动。水平移动机构11可以是手动移动旋钮或者手动推拉杆等使支撑有第三重下压板7和第三重下压动力机构的第三重下压支架9在水平移动导轨10上水平(左右)移动。应理解，水平移动机构也可采用电动机构。
59.如图1及图3所示，第三重下压支架9可形成扇环形片，其内径大于模子外径，优选为模子外径的2.0～3.0倍，由此可以使第三重下压支架9及其支撑的部件无障碍地靠近模子1或远离模子1。
60.在一个示例中，借助水平移动机构11，使第三重下压支架9向右行进靠近模子1并使第三重下压板7位于模子上方，操作第三重下压气动机构9下压第三重下压板7，并使其紧
挨着第二重下压板3(此时第三重下压板7)完全覆盖预设的焊缝位置，操作第三重下压气动机构9进行拍压(使第三重下压板7重复行进下压、释放动作)2～4次。然后，借助水平移动机构11，使第三重下压支架9向左行进规定距离，以露出预设焊缝的位置用于激光焊接，优选地，使第三重下压板的右沿距离焊缝0.1～3mm，优选0.1～1mm(参见图5)。
61.优选地，第三重下压支架9的扇环形片的下端可以设置弹簧，这样在进行下压或释放时，都能使第三重下压支架9保持在水平移动导轨10内。又，第三重下压支架9可由3～6片等间距设置的扇环形片组成。
62.在一个示例中，第一重下压板3、第二重下压板4以及第三重下压板7均为相互平行的长条状且平行于模子1的长度方向。第一重下压板3、第二重下压板4以及第三重下压板7可分别由多个小块状组合形成，这样可以方便维修替换损坏部分而不必整体更换。第一重下压板3的下压压力可为190～300n，第二重下压板的下压压力可为200～350n，第三重下压板7的下压压力可为100～180n。第三重下压板7的拍压压力为290～500n。第三重下压板7的拍压压力大于第三重下压板7的下压压力，例如前者可为后者的2～4倍。应理解，上述示出采用气动机构来操作第一重下压板3、第二重下压板4以及第三重下压板7的下压或者拍压动作，但第一重下压板3、第二重下压板4以及第三重下压板7的动力机构不限于此，例如可采用磁动机构(如采用电泳磁铁)。
63.接着进行激光焊接。激光器单元包括激光器支架12、激光器导轨13、和激光器14。激光器支架12起到将激光器14及其关联部件(例如激光器导轨13、激光器运动丝杆、激光器马达等)安装到机床并支撑这些部件的作用。激光器运动丝杆安装在激光器导轨13的内部，在激光焊接的程序指令下，马达带动运动丝杆从而使激光器13沿激光器导轨13的方向行进进行焊接动作。激光器14接受程序指令输出给定功率的激光束，熔化上层铂片和下层铂片40～80％的厚度从而达到焊接铂片的目的。焊接形成的筒状的坩埚壁。
64.激光器例如可采用ipg的qcw150w(光斑直径是200um)或者单模激光器(聚焦后的光斑28um)，但不限于此。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高。如图6
‑
图10所示，焊接路径(图样)可以是直线型、z字折线型、波浪线型、螺旋型等。光斑可以为实心圆点或者空心环。
65.本实用新型制备的坩埚壁与冲压形成坩埚底部进行焊接，形成铂金坩埚。
66.下面进一步例举实施例以详细说明本实用新型。同样应理解，以下实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
67.实施例1
68.裁取铂金板(厚度：0.16mm宽度：550mm，长度150mm)，弯曲铂金板并将右端面(形成焊接面内层)插入模子和第一重压下压板之间，焊接面内层右沿跨过焊缝并距离预设焊缝位置(焊缝)1mm，下压第一重压下压板(下压压力为220n)，第一重下压板的右沿距离焊缝4.0mm。将铂金板绕过模子并将铂金板的左端面(形成焊接面内层)覆盖在右端面上(形成焊接面外层)，焊接面外层跨过焊缝并距离焊缝3.0
‑
3.5mm，下压第二重压下压板(下压压力为260n)，此时第二重压下压板右沿紧挨着第一重下压板的左沿，且第二重压下压板的左沿距
离焊缝2.0mm。推动第三重下压支架使第三重下压板位于模子上方，下压第三重下压板(下压压力为140n)，使其紧挨下压第二重下压板，拍压第三重下压板3次(拍压压力为420n)。拉动第三重下压支架，露出焊缝位置接着进行激光焊接，激光焊接的工艺参数为：功率150w，焊接图样(图6，实心光斑，光斑直径为28μm)，焊接速度为60mm/s。
69.实施例2
70.除了焊接图样(图7，直线型，光斑为空心环，外径为0.15mm，内径为0.05mm)不同于实施例1，其他参数与实施例1相同。
71.实施例3
72.除了焊接图样(图8，z字折线型，实心光斑，光斑直径为28μm)不同于实施例1，其他参数与实施例1相同。
73.实施例4
74.除了焊接图样(图9，波浪线折线型，实心光斑，光斑直径为28μm)不同于实施例1，其他参数与实施例1相同。
75.实施例5
76.除了焊接图样(图10，螺旋型，实心光斑，光斑直径为28μm)不同于实施例1，其他参数与实施例1相同。
77.对比例1
78.不设置第三重下压板，其他参数与实施例1相同。
79.对比例2
80.第三重下压压板不进行拍压，其他参数与实施例1相同。
81.将上述实施例和对比例形成的坩埚壁与冲压形成坩埚底部进行焊接，形成铂金坩埚，计算损耗率，进行水密性测试。
82.严格依照铂金激光焊接检验规程，对委托样品进行检验：
83.一、检验条件：
84.1、焊缝检验应在一定强度光线下进行；
85.2、铂金坩埚有封底(有底略，无底加底或折边密封)。
86.二、检验方法：
87.1、铂金坩埚内加入常温水至埚口10mm，静置5min；
88.2、肉眼仔细观察焊缝有无渗漏；
89.3、铂金坩埚内常温水中按0.1％比例加入盐酸，静置5min。
90.4、用ph试纸擦拭焊缝，仔细观察ph试纸有无颜色变化。
91.三、判定标准：
92.若肉眼观察无渗漏且ph试纸无变色，判断为合格。采用形成的坩埚在600
‑
1500℃下进行坩埚晶体生长。观察服役7天、15天、30天的损耗率及渗漏情况。测试结果如下表1所示。
93.表1
94.