專利名稱：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。
對于透射焊接，激光透穿一個可透過激光的工件并且在一個第二工件的表面上被吸收，由此局部熔化第二工件的表面。由于在焊接過程期間相互頂壓的兩個工件的表面接觸也使可透過激光的工件局部熔化，由此在冷卻后在兩個工件之間的界面區(qū)域內(nèi)形成一個激光焊縫。
除了上述的一個激光源沿著所期望的焊縫輪廓移動的周圈環(huán)焊以外，還已知使兩個工件同步地相互焊接。為此在一個上述形式的設(shè)備中在工件上方布置激光二極管，由此可以同步地產(chǎn)生整個焊縫。但是這種用于通過激光同步透射焊接工件的設(shè)備的結(jié)構(gòu)是非常耗費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，對于由現(xiàn)有技術(shù)已知的設(shè)備，在改變焊縫輪廓時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，借其可以通過簡單的方式產(chǎn)生在極大程度上任意的尤其是彎曲的焊縫。
這個目的通過上述形式的具有獨立權(quán)利要求特征的設(shè)備得以實現(xiàn)。按照本發(fā)明建議，所述激光源以這種方式設(shè)置在至少一個圓上，使得由激光源發(fā)射的分射束產(chǎn)生至少一個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。在這個徑向位于更內(nèi)部的、即位于所述至少一個圓內(nèi)部的區(qū)域中置入要被相互焊接的工件，并且沿著一個在很大程度上任意選擇的焊縫相互焊接。在焊接過程期間，一個可透過激光的工件面對至少一部分激光源。具有局部基本恒定的能量密度的區(qū)域由從激光源發(fā)出的分射束強度的疊加產(chǎn)生。恒定能量密度區(qū)域的均勻性尤其通過所使用激光源的數(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。
由于對稱的原因，所述激光源最好在所述至少一個圓的圓周上基本相互等距地設(shè)置。通過這種方式能夠使能量密度的數(shù)量級和能量密度基本恒定的區(qū)域在實踐中易于估計和預(yù)計。
在一個優(yōu)選的實施例中，所述激光源由半導體激光元件構(gòu)成。該半導體激光元件最好可以包括至少一個激光二極管棒。這些激光二極管棒發(fā)射出波長數(shù)量級在約800至1000nm之間的光線，它適合于焊接工件、尤其是塑料工件。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，為每個激光源配設(shè)透鏡裝置，其中至少一個透鏡裝置可以起使分射束快軸準直的作用。所述透鏡裝置、尤其是那個在慢軸方向上的透鏡裝置的更換可以使至少一個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)兩個工件的焊接，本設(shè)備的一個改進方案規(guī)定，所述設(shè)備具有至少一個第一反射鏡元件，它在徑向上比所述至少一個在其上設(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軸向上。由此例如可以焊接一個可透過激光的具有一個外殼的外殼蓋，其材料吸收激光。此外本所述的設(shè)備的這個改進方案也可以用于所謂的對頭焊接。在對頭焊接時，對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性地被加熱、局部地熔化并相互焊接。
在一個優(yōu)選的實施例中，所述設(shè)備具有用于改變在第一反射鏡元件與至少其中一個工件之間的軸向間距的機構(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)這個工作間距可以有針對性地改變焊縫的寬度。
為了能夠獲得一個封閉的、尤其是基本圓形的焊縫曲線，一個優(yōu)選的實施例規(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。由于對稱性的原因，通過使用一個這樣的錐形反射鏡元件可以獲得一個基本上圓形的焊縫。這個焊縫在相應(yīng)地形成錐形反射鏡元時也可以是橢圓的。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，一個優(yōu)選的實施例規(guī)定，所述的設(shè)備具有至少一個第二反射鏡元件，它在軸向上與第一反射鏡元件隔開距離，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具有基本上恒定能量密度的區(qū)域的光照有針對性地適配和改變，一個特別有利的實施例規(guī)定，每個激光源可以與其它激光源獨立地運行。
通過本發(fā)明提供一種用于通過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關(guān)緊要的。


借助于下面結(jié)合附圖對優(yōu)選的實施例的描述給出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。附圖中圖1示出按照本發(fā)明第一實施例的用于通過激光射束同步焊接工件的所述的設(shè)備的簡化的示意俯視圖；圖1a示出圖1中的細節(jié)Ia；
圖1b示出按照本發(fā)明第一實施例的激光焊接過程的簡化的示意側(cè)視圖；圖2示出按照本發(fā)明第二實施例的按照本發(fā)明的所述的設(shè)備的簡化的示意側(cè)視圖；圖3示出按照本發(fā)明第三實施例的按照本發(fā)明的所述的設(shè)備的簡化的示意側(cè)視圖。
具體實施例方式
首先參照圖1。其中示出按照本發(fā)明的用于通過激光射束同步焊接工件的所述的設(shè)備的簡化示意俯視圖。該所述的設(shè)備包括許多激光源1，它們設(shè)置在一個圓上并且徑向向內(nèi)輻射激光。所有激光源1分別與圓的中心點具有一致的間距。必要時可以在圍繞一個公共的中心點的其它同心圓上設(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?，在這個實施例中，由于對稱性的原因激光源1在該圓的圓周上等距地設(shè)置。在按照圖1的視圖中，出于簡化的原因只示出八個激光源1。所述激光源1最好可相互獨立地運行，以便能夠有針對性地用激光輻射工件。
在圖1a中以一個俯視圖示出激光源的結(jié)構(gòu)。該激光源1可以設(shè)計成半導體激光元件且尤其設(shè)計成具有激光射出面11的激光二極管棒(Laserdiodenbarren)10。除了激光二極管棒10以外，在這個實施例中每個激光源1包括兩個透鏡裝置12、13。在此第一透鏡裝置12用于快軸準直。第二透鏡裝置13具有一個凹下的光學功能的界面。結(jié)合圖1還可以看出，由激光源1發(fā)出的分射束2、2’分別相對于激光二極管棒10的激光射出面11的法線以相對等同的角傳播。
在圖1中，對于每個激光源1分別示出兩個分射束2、2’?？梢钥闯?，所述分射束2、2’在一個徑向位于更內(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。這個區(qū)域3在比較少的激光源1時是多角形的。如果增加所使用的激光源數(shù)量，則這個能量密度恒定的區(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，在實踐中例如可以使用例如30個激光源。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的光學特性。因為在透鏡裝置12后面只產(chǎn)生一個限制衍射的快軸發(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)量級約2mm的寬度。
在圖1b中以側(cè)視圖再一次簡示出借助于在圖1中所示所述的設(shè)備進行的焊接過程。在透射焊接時，分射束2、2’首先透穿一個可透過激光的工件W1，該工件一般具有一個大于60％的透射性。接著分射束2、2’射中一個第二工件W2，該工件本身靠近表面地吸收分射束2、2’。這種吸收導致在工件W1、W2之間的界面處工件W2的局部熔化。在此，兩個工件W1、W2以一個確定的頂壓力相互頂壓，由此使它們沿著一個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由可透過激光的材料制成的具有一個外殼部件的蓋板，外殼部件至少局部地吸收激光。這一點通過在圖1中所示的本發(fā)明第一實施例不能毫無問題地實現(xiàn)。
圖2簡示出按照本發(fā)明所述的設(shè)備的一個第二實施例，它例如將一個透明蓋板焊接在一個吸收激光的外殼部件上。為此將一個在本實施例中設(shè)計成錐形反射鏡元件的第一反射鏡元件4這樣置入到按照圖1的本發(fā)明所述的設(shè)備的光路里面，使得來自第一反射鏡元件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)生一個激光焊縫。通過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。此外也可以通過使用一個錐形反射鏡元件來改變焊縫的輪廓，該反射鏡元件的鏡面具有一個與在圖2中所示反射面(verspiegelte Flaechen)不同的斜度。通過使用在圖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性地改變，即，代替一個錐形的反射鏡元件使用一個任意成形的反射鏡元件。按照圖2的所述的設(shè)備除了用于透射焊接以外也可以用于對吸收激光的這些工件進行對頭焊接。
使用按照圖1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)波長的激光。但是經(jīng)常期望，可以相互焊接兩個不同的工件，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。通過在圖1和2中所示的結(jié)構(gòu)不能實現(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)明的第三實施例使按照圖2的結(jié)構(gòu)如下擴展，一個第二反射鏡元件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在這個實施例中也設(shè)計成錐形反射鏡元件。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)計成半導體激光元件。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述半導體激光元件包括至少一個激光二極管棒(10)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，為每個激光源(1)配設(shè)透鏡裝置(12，13)，其中至少一個透鏡裝置(12，13)可以起到一個使分射束(2、2’)快軸準直的作用。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該所述的設(shè)備具有至少一個第一反射鏡元件(4)，它在徑向上比所述至少一個在其上設(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)備具有用于改變在第一反射鏡元件(4)與其中至少一個工件之間的軸向間距的機構(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中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該所述的設(shè)備具有至少一個第二反射鏡元件(5)，它在軸向上與第一反射鏡元件(4)隔開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中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，每個激光源(1)可以與其它激光源(1)獨立地運行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通過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B23K26/06GK1910007SQ200580003082
公開日2007年2月7日 申請日期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 申請人:翰茲-利索茲切科專利管理有限公司及兩合公司