專(zhuān)利名稱(chēng)：用于同步激光焊接的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的設(shè)備，它包括許多激光源。
背景技術(shù)：
在過(guò)去的年代里已經(jīng)選擇與由現(xiàn)有技術(shù)已知的拼接連接例如螺栓或粘接不同地構(gòu)成一般的激光焊接和特殊的所謂透射焊接。
對(duì)于透射焊接，激光透穿一個(gè)可透過(guò)激光的工件并且在一個(gè)第二工件的表面上被吸收，由此局部熔化第二工件的表面。由于在焊接過(guò)程期間相互頂壓的兩個(gè)工件的表面接觸也使可透過(guò)激光的工件局部熔化，由此在冷卻后在兩個(gè)工件之間的界面區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)激光焊縫。
除了上述的一個(gè)激光源沿著所期望的焊縫輪廓移動(dòng)的周圈環(huán)焊以外，還已知使兩個(gè)工件同步地相互焊接。為此在一個(gè)上述形式的設(shè)備中在工件上方布置激光二極管，由此可以同步地產(chǎn)生整個(gè)焊縫。但是這種用于通過(guò)激光同步透射焊接工件的設(shè)備的結(jié)構(gòu)是非常耗費(fèi)的并且由于必需的激光源數(shù)量也是成本昂貴的。此外只能局限地產(chǎn)生彎曲的、曲線形式的焊縫走向。此外，對(duì)于由現(xiàn)有技術(shù)已知的設(shè)備，在改變焊縫輪廓時(shí)總是需要新的二極管固定座，它們必須總是適配于所期望的焊縫輪廓的走向。

發(fā)明內(nèi)容
在此提出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的是，提出一種上述形式的設(shè)備供使用，借其可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生在極大程度上任意的尤其是彎曲的焊縫。
這個(gè)目的通過(guò)上述形式的具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)。按照本發(fā)明建議，所述激光源以這種方式設(shè)置在至少一個(gè)圓上，使得由激光源發(fā)射的分射束產(chǎn)生至少一個(gè)具有局部基本恒定的能量密度的徑向內(nèi)部區(qū)域，工件可以置入到該區(qū)域里面。在這個(gè)徑向位于更內(nèi)部的、即位于所述至少一個(gè)圓內(nèi)部的區(qū)域中置入要被相互焊接的工件，并且沿著一個(gè)在很大程度上任意選擇的焊縫相互焊接。在焊接過(guò)程期間，一個(gè)可透過(guò)激光的工件面對(duì)至少一部分激光源。具有局部基本恒定的能量密度的區(qū)域由從激光源發(fā)出的分射束強(qiáng)度的疊加產(chǎn)生。恒定能量密度區(qū)域的均勻性尤其通過(guò)所使用激光源的數(shù)量確定。如果使用足夠多的激光源，則可以使恒定能量密度的區(qū)域例如幾乎是圓形的。
由于對(duì)稱(chēng)的原因，所述激光源最好在所述至少一個(gè)圓的圓周上基本相互等距地設(shè)置。通過(guò)這種方式能夠使能量密度的數(shù)量級(jí)和能量密度基本恒定的區(qū)域在實(shí)踐中易于估計(jì)和預(yù)計(jì)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述激光源由半導(dǎo)體激光元件構(gòu)成。該半導(dǎo)體激光元件最好可以包括至少一個(gè)激光二極管棒。這些激光二極管棒發(fā)射出波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)在約800至1000nm之間的光線，它適合于焊接工件、尤其是塑料工件。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，為每個(gè)激光源配設(shè)透鏡裝置，其中至少一個(gè)透鏡裝置可以起使分射束快軸準(zhǔn)直的作用。所述透鏡裝置、尤其是那個(gè)在慢軸方向上的透鏡裝置的更換可以使至少一個(gè)具有局部基本恒定能量密度的區(qū)域側(cè)向放大和/或縮小。
為了使按照本發(fā)明的設(shè)備不只用于在激光源的徑向輻射方向上焊接工件，而是還可以在軸向?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)工件的焊接，本設(shè)備的一個(gè)改進(jìn)方案規(guī)定，所述設(shè)備具有至少一個(gè)第一反射鏡元件，它在徑向上比所述至少一個(gè)在其上設(shè)置激光源的圓設(shè)置在更內(nèi)部，并且該反射鏡元件可以將至少一些分射束反射到一個(gè)軸向上。由此例如可以焊接一個(gè)可透過(guò)激光的具有一個(gè)外殼的外殼蓋，其材料吸收激光。此外本所述的設(shè)備的這個(gè)改進(jìn)方案也可以用于所謂的對(duì)頭焊接。在對(duì)頭焊接時(shí)，對(duì)接部件均勻地吸收激光并且沿著所期望的焊縫曲線有針對(duì)性地被加熱、局部地熔化并相互焊接。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述設(shè)備具有用于改變?cè)诘谝环瓷溏R元件與至少其中一個(gè)工件之間的軸向間距的機(jī)構(gòu)。由此可以改變工作間距、即第一反射鏡元件與工件之間的間距，由此根據(jù)這個(gè)工作間距可以有針對(duì)性地改變焊縫的寬度。
為了能夠獲得一個(gè)封閉的、尤其是基本圓形的焊縫曲線，一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例規(guī)定，所述第一反射鏡元件至少局部地構(gòu)成為錐形反射鏡元件。由于對(duì)稱(chēng)性的原因，通過(guò)使用一個(gè)這樣的錐形反射鏡元件可以獲得一個(gè)基本上圓形的焊縫。這個(gè)焊縫在相應(yīng)地形成錐形反射鏡元時(shí)也可以是橢圓的。但是原則上可以使用許多不同的反射鏡元件，它們只需適配于所相應(yīng)期望的焊縫走向。
為了借助于按照本發(fā)明的所述的設(shè)備也可以使工件相互焊接，其中可透過(guò)激光的工件設(shè)置為徑向位于更內(nèi)部而吸收激光的工件設(shè)置為徑向位于更外部，一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例規(guī)定，所述的設(shè)備具有至少一個(gè)第二反射鏡元件，它在軸向上與第一反射鏡元件隔開(kāi)距離，并且將由第一反射鏡元件反射的分射束至少部分地徑向向外反射。
所述第二反射鏡元件最好至少局部地構(gòu)成為錐形的反射鏡元件。由此同樣能夠產(chǎn)生圓形或橢圓形的焊縫。
為了使能量密度和所述至少一個(gè)具有基本上恒定能量密度的區(qū)域的光照有針對(duì)性地適配和改變，一個(gè)特別有利的實(shí)施例規(guī)定，每個(gè)激光源可以與其它激光源獨(dú)立地運(yùn)行。
通過(guò)本發(fā)明提供一種用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的所述的設(shè)備供使用，此外它也能夠?qū)崿F(xiàn)至少局部圓弧形的焊縫輪廓的同步焊接，其中可透過(guò)激光的材料是否設(shè)置為徑向位于更內(nèi)部或徑向位于更外部是無(wú)關(guān)緊要的。


借助于下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例的描述給出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。附圖中圖1示出按照本發(fā)明第一實(shí)施例的用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的所述的設(shè)備的簡(jiǎn)化的示意俯視圖；圖1a示出圖1中的細(xì)節(jié)Ia；
圖1b示出按照本發(fā)明第一實(shí)施例的激光焊接過(guò)程的簡(jiǎn)化的示意側(cè)視圖；圖2示出按照本發(fā)明第二實(shí)施例的按照本發(fā)明的所述的設(shè)備的簡(jiǎn)化的示意側(cè)視圖；圖3示出按照本發(fā)明第三實(shí)施例的按照本發(fā)明的所述的設(shè)備的簡(jiǎn)化的示意側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1。其中示出按照本發(fā)明的用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的所述的設(shè)備的簡(jiǎn)化示意俯視圖。該所述的設(shè)備包括許多激光源1，它們?cè)O(shè)置在一個(gè)圓上并且徑向向內(nèi)輻射激光。所有激光源1分別與圓的中心點(diǎn)具有一致的間距。必要時(shí)可以在圍繞一個(gè)公共的中心點(diǎn)的其它同心圓上設(shè)置附加的激光源，這些圓的半徑可以與圖1中所示圓的半徑不同?？梢钥闯?，在這個(gè)實(shí)施例中，由于對(duì)稱(chēng)性的原因激光源1在該圓的圓周上等距地設(shè)置。在按照?qǐng)D1的視圖中，出于簡(jiǎn)化的原因只示出八個(gè)激光源1。所述激光源1最好可相互獨(dú)立地運(yùn)行，以便能夠有針對(duì)性地用激光輻射工件。
在圖1a中以一個(gè)俯視圖示出激光源的結(jié)構(gòu)。該激光源1可以設(shè)計(jì)成半導(dǎo)體激光元件且尤其設(shè)計(jì)成具有激光射出面11的激光二極管棒(Laserdiodenbarren)10。除了激光二極管棒10以外，在這個(gè)實(shí)施例中每個(gè)激光源1包括兩個(gè)透鏡裝置12、13。在此第一透鏡裝置12用于快軸準(zhǔn)直。第二透鏡裝置13具有一個(gè)凹下的光學(xué)功能的界面。結(jié)合圖1還可以看出，由激光源1發(fā)出的分射束2、2’分別相對(duì)于激光二極管棒10的激光射出面11的法線以相對(duì)等同的角傳播。
在圖1中，對(duì)于每個(gè)激光源1分別示出兩個(gè)分射束2、2’?？梢钥闯?，所述分射束2、2’在一個(gè)徑向位于更內(nèi)部的圓區(qū)域3上相切，在其上在按照本發(fā)明的所述的設(shè)備中設(shè)置激光源1，由此在區(qū)域3中使分射束2、2’的強(qiáng)度疊加。以這種方式在所述的設(shè)備內(nèi)部形成區(qū)域3，在該區(qū)域內(nèi)激光的能量密度基本恒定。這個(gè)區(qū)域3在比較少的激光源1時(shí)是多角形的。如果增加所使用的激光源數(shù)量，則這個(gè)能量密度恒定的區(qū)域3也可以幾乎是圓形的。為了產(chǎn)生恒定能量密度的區(qū)域3，在實(shí)踐中例如可以使用例如30個(gè)激光源。所述透鏡裝置12、13尤其是局部凹下成形的透鏡裝置13在慢軸方向上的更換在此可以使恒定能量密度的區(qū)域3被側(cè)向放大或縮小。
在該區(qū)域3中，在按照本發(fā)明的所述的設(shè)備運(yùn)行期間可以置入要被相互焊接的工件，其中激光焊縫的走向原則上可以是任意的并且取決于工件的形狀、尤其是工件之間的界面的走向。在此，在激光源1與可以置入要被相互焊接工件的區(qū)域3之間的工作間距尤其取決于激光源1的數(shù)量和透鏡裝置12，13的光學(xué)特性。因?yàn)樵谕哥R裝置12后面只產(chǎn)生一個(gè)限制衍射的快軸發(fā)散，借助于按照本發(fā)明的所述的設(shè)備可以產(chǎn)生焊縫，它們可以具有數(shù)量級(jí)約2mm的寬度。
在圖1b中以側(cè)視圖再一次簡(jiǎn)示出借助于在圖1中所示所述的設(shè)備進(jìn)行的焊接過(guò)程。在透射焊接時(shí)，分射束2、2’首先透穿一個(gè)可透過(guò)激光的工件W1，該工件一般具有一個(gè)大于60％的透射性。接著分射束2、2’射中一個(gè)第二工件W2，該工件本身靠近表面地吸收分射束2、2’。這種吸收導(dǎo)致在工件W1、W2之間的界面處工件W2的局部熔化。在此，兩個(gè)工件W1、W2以一個(gè)確定的頂壓力相互頂壓，由此使它們沿著一個(gè)公共的焊縫相互焊接。例如所有熱塑性以及所有由熱塑性彈性體構(gòu)成的塑料都適合作為可通過(guò)按照本發(fā)明的所述的設(shè)備相互焊接的工件。
經(jīng)常需要焊接例如一個(gè)由可透過(guò)激光的材料制成的具有一個(gè)外殼部件的蓋板，外殼部件至少局部地吸收激光。這一點(diǎn)通過(guò)在圖1中所示的本發(fā)明第一實(shí)施例不能毫無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)。
圖2簡(jiǎn)示出按照本發(fā)明所述的設(shè)備的一個(gè)第二實(shí)施例，它例如將一個(gè)透明蓋板焊接在一個(gè)吸收激光的外殼部件上。為此將一個(gè)在本實(shí)施例中設(shè)計(jì)成錐形反射鏡元件的第一反射鏡元件4這樣置入到按照?qǐng)D1的本發(fā)明所述的設(shè)備的光路里面，使得來(lái)自第一反射鏡元件4反射面40的分射束2、2’至少部分地作為分射束2a、2a’在軸向反射到透明的工件W1、例如一個(gè)外殼蓋板上。所述分射束2a、2a’透射透明的工件W1并且在工件W2的表面上被吸收。在工件W1、W2之間的界面上如上所述重又產(chǎn)生一個(gè)激光焊縫。通過(guò)改變第一反射鏡元件4與工件W1之間在軸向上的間距可以改變焊縫的寬度。此外也可以通過(guò)使用一個(gè)錐形反射鏡元件來(lái)改變焊縫的輪廓，該反射鏡元件的鏡面具有一個(gè)與在圖2中所示反射面(verspiegelte Flaechen)不同的斜度。通過(guò)使用在圖2中所示的錐形反射鏡元件4可以使工件W1、W2沿著一個(gè)基本圓形的焊縫同步地相互焊接。焊縫的形狀可以由此有針對(duì)性地改變，即，代替一個(gè)錐形的反射鏡元件使用一個(gè)任意成形的反射鏡元件。按照?qǐng)D2的所述的設(shè)備除了用于透射焊接以外也可以用于對(duì)吸收激光的這些工件進(jìn)行對(duì)頭焊接。
使用按照?qǐng)D1和圖1b的本發(fā)明所述的設(shè)備的前提是，徑向位于更外部的工件W1可透射所使用的激光而徑向位于更內(nèi)部的工件W2吸收相應(yīng)波長(zhǎng)的激光。但是經(jīng)常期望，可以相互焊接兩個(gè)不同的工件，其中徑向位于更外部的工件吸收激光，而徑向位于更內(nèi)部的工件可透射激光。通過(guò)在圖1和2中所示的結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)這種配置的同步激光焊接。
圖3示出本發(fā)明的第三實(shí)施例，它能夠?qū)崿F(xiàn)工件W1、W2的同步焊接，其中徑向位于更內(nèi)部的工件W1透射激光而徑向位于更外部的工件W2吸收激光。為了借助于在這里所示的所述的設(shè)備也可以使工件W1、W2以這種配置相互焊接，按照本發(fā)明的第三實(shí)施例使按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)如下擴(kuò)展，一個(gè)第二反射鏡元件5在軸向設(shè)置在第一反射鏡元件4的下方。與第一反射鏡元件4一樣，第二反射鏡元件5在這個(gè)實(shí)施例中也設(shè)計(jì)成錐形反射鏡元件。由激光源1發(fā)出的分射束2、2’首先射中第一反射鏡元件4的反射面40，并且至少部分地作為分射束2a、2a’由第一反射鏡元件4沿軸向反射。接著，所反射的分射束2a、2a’射中第二反射鏡元件5的反射面50，由該反射面使分射束至少部分地徑向向外反射(分射束2b、2b’)。分射束2b、2b’重又透穿透明的工件W1并接著由吸收激光的工件W2吸收。在工件W1、W2之間的界面處又產(chǎn)生所期望的焊縫。第二反射鏡元件5與第一反射鏡元件4一樣不必一定是錐形的。第二反射鏡元件5的形狀仍然取決于要被焊接的焊縫輪廓。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的設(shè)備，包括許多激光源(1)，其特征在于，所述激光源(1)在至少一個(gè)圓上以這種方式設(shè)置，使得由激光源(1)發(fā)射的分射束(2、2’)產(chǎn)生至少一個(gè)具有局部基本恒定能量密度的徑向位于更內(nèi)部的區(qū)域(3)，工件可以置入到該區(qū)域里面。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述激光源(1a)在所述至少一個(gè)圓的圓周上基本相互等距地設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述激光源(1)設(shè)計(jì)成半導(dǎo)體激光元件。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光元件包括至少一個(gè)激光二極管棒(10)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，為每個(gè)激光源(1)配設(shè)透鏡裝置(12，13)，其中至少一個(gè)透鏡裝置(12，13)可以起到一個(gè)使分射束(2、2’)快軸準(zhǔn)直的作用。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該所述的設(shè)備具有至少一個(gè)第一反射鏡元件(4)，它在徑向上比所述至少一個(gè)在其上設(shè)置激光源(1)的圓位于更內(nèi)部地設(shè)置，并且該反射鏡元件可以將至少一些分射束(2、2’)反射到軸向上。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，該所述的設(shè)備具有用于改變?cè)诘谝环瓷溏R元件(4)與其中至少一個(gè)工件之間的軸向間距的機(jī)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征在于，所述反射鏡元件(4)至少局部地構(gòu)成為錐形反射鏡元件。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該所述的設(shè)備具有至少一個(gè)第二反射鏡元件(5)，它在軸向上與第一反射鏡元件(4)隔開(kāi)距離并且將由第一反射鏡元件(4)反射的分射束(2b)至少部分地徑向向外反射。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二反射鏡元件(5)至少局部地構(gòu)成為錐形反射鏡元件。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)激光源(1)可以與其它激光源(1)獨(dú)立地運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過(guò)激光射束同步焊接工件的設(shè)備，包括許多激光源(1)，其中所述激光源(1)在至少一個(gè)圓上以這種方式設(shè)置，使得由激光源(1)發(fā)射的分射束(2、2’)射中至少一個(gè)具有局部基本恒定能量密度的徑向位于更內(nèi)部的區(qū)域(3)，工件可以置入到該區(qū)域中。
文檔編號(hào)B23K26/06GK1910007SQ200580003082
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月24日
發(fā)明者A·米哈伊洛夫 申請(qǐng)人:翰茲-利索茲切科專(zhuān)利管理有限公司及兩合公司