本申請(qǐng)要求于2014年4月17日按照35U.S.C.§119(e)提交的、序列號(hào)為61/980,985的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開總體上涉及用于焊接工件的裝置，并且更具體地涉及一種用于在工件上形成環(huán)形周向焊接的激光器裝置。

背景技術(shù)：

通過(guò)使用激光束將兩件工件熔合在一起是本領(lǐng)域中所公知的。常規(guī)的激光焊接系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射致密的光子束來(lái)產(chǎn)生精確的結(jié)合，該光子束熔化工件的靶向區(qū)域，用于結(jié)合。激光束的光射線立即加熱靶向區(qū)域，使得兩件工件熔合在一起成為一個(gè)單元。這種激光焊接系統(tǒng)提供用于熔合較厚材料的連續(xù)光束，或用于結(jié)合較薄材料的光束的脈沖串(pulsing burst)。

常規(guī)激光束的光射線是小的且聚焦的。因此，這樣的焊接系統(tǒng)以生產(chǎn)線所需的高體積產(chǎn)生精確的焊接。為此原因，焊接工業(yè)已經(jīng)由于激光器的速度、精度和功率而利用激光器。然而，常規(guī)激光束通常具有線性軌跡，并且不容易彎曲以重定向光射線。因此，取決于每個(gè)靶向區(qū)域的幾何形狀，到達(dá)一些靶向區(qū)域可能是復(fù)雜的任務(wù)，特別是對(duì)于在周向表面上包括圓化或彎曲區(qū)域的圓柱形工件或管狀工件。

常規(guī)地，作為示例，為了實(shí)現(xiàn)圍繞管狀工件的360°(或度)的周向焊接，發(fā)射激光束的激光頭通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置圍繞管狀工件的縱向軸線橫向旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)選項(xiàng)是：管狀工件被以成角度的方式安裝到可旋轉(zhuǎn)的軸，使得當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，工件的外部周向表面面對(duì)激光頭，用于進(jìn)行焊接。采用激光頭和/或工件的這種旋轉(zhuǎn)移動(dòng)使生產(chǎn)線復(fù)雜化，并且進(jìn)一步要求比旋轉(zhuǎn)裝置和可旋轉(zhuǎn)軸所必要的更多的空間。

作為示例，管狀工件能夠縱向地布置在圍繞工件的凹形圓反射鏡的中心處。然后，激光束圍繞工件上方的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，將激光束引導(dǎo)圍繞工件的整個(gè)周向外表面。這種常規(guī)技術(shù)不適合在制造環(huán)境中，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)圓形反射鏡的中心的工件的操縱是非常困難的，并且在高生產(chǎn)設(shè)定中是繁重的。

作為另一個(gè)替代，使用一組復(fù)雜的光學(xué)反射器在工件的相對(duì)側(cè)上重定向激光束。多個(gè)凹面和平坦的反射鏡的組合，例如圓錐形、球形和平面反射鏡，用于在焊接期間將激光束朝向工件的相對(duì)的并且橫向的側(cè)偏轉(zhuǎn)。然而，這種復(fù)雜和回旋的光學(xué)系統(tǒng)非常昂貴，并且難以在維護(hù)期間修復(fù)。

因此，存在對(duì)于改進(jìn)激光焊接系統(tǒng)的需求，其促進(jìn)更簡(jiǎn)單、更節(jié)省空間的技術(shù)，并且用于以成本效益的方式在焊接期間容納不規(guī)則成形的工件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開涉及激光器裝置，該激光器裝置被配置使用一組光學(xué)反射器在工件上形成環(huán)形周向焊接。本發(fā)明的激光器裝置被設(shè)計(jì)用于容納具有圓化或彎曲外表面的不規(guī)則成形的工件。如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣，本發(fā)明的激光器裝置焊接不規(guī)則成形的工件，而不旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)工件或激光頭。使用單個(gè)激光束通過(guò)以預(yù)定角度與工件相鄰地放置至少兩個(gè)光學(xué)反射器來(lái)實(shí)現(xiàn)圍繞工件的完整的360°周向焊接。

本發(fā)明的激光器裝置的一個(gè)方面是：激光束沿著橫向于正被焊接的工件的縱向軸線的路徑橫向行進(jìn)。焊接不需要激光頭的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。具體地，當(dāng)激光束沿著其線性路徑移動(dòng)時(shí)，光射線被成角度的光學(xué)反射器圍繞工件漸進(jìn)地反射。因此，工件保持在固定位置，而不必相對(duì)于激光束改變其位置。在一個(gè)實(shí)施例中，激光束的這種簡(jiǎn)化的線性掃描在醫(yī)療裝置中的各種熱塑性管狀組件上產(chǎn)生完整的周向焊接，而不需要工件的旋轉(zhuǎn)。

另一個(gè)重要的方面是，本發(fā)明的激光器裝置比旋轉(zhuǎn)激光頭和/或工件的常規(guī)激光器系統(tǒng)需要更少的空間。在一個(gè)實(shí)施例中，激光頭布置在工件正上方，用于使激光束橫向于工件的縱向軸線地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。與常規(guī)激光器焊接系統(tǒng)相比，本發(fā)明的配置需要在激光頭和工件之間的較少的空間和復(fù)雜性，從而減少在焊接期間由圍繞激光頭和工件的旋轉(zhuǎn)元件引起的干擾。

本發(fā)明的裝置的又一個(gè)方面是：提供至少兩個(gè)光學(xué)反射器用于重定向激光束，其中每個(gè)反射器包括平面反射表面，該平面反射表面用于將激光束相對(duì)于激光頭偏轉(zhuǎn)到工件的相對(duì)側(cè)上。標(biāo)準(zhǔn)平坦的光學(xué)反射器可以以比復(fù)雜的凹面反射器更低的成本廣泛地得到，并且能夠用于在工件的周向表面上實(shí)現(xiàn)環(huán)形焊接。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供激光器裝置，用于對(duì)工件執(zhí)行環(huán)形周向焊接，并且包括具有激光源的激光頭，該激光頭配置用于發(fā)射激光束，以圍繞工件的外部周向目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行焊接。還包括的是光學(xué)反射器組件，該光學(xué)反射器組件具有至少兩個(gè)光學(xué)反射器，所述至少兩個(gè)光學(xué)反射器與工件間隔開，用于反射從激光頭發(fā)射的激光束。反射器彼此間隔開，布置在工件的相對(duì)的橫向側(cè)上，并且相對(duì)于橫向于工件的縱向軸線的軸線傾斜，使得周向焊接通過(guò)單個(gè)周期的激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的以光學(xué)反射器組件為特征的激光器裝置的俯視透視圖；和

圖2是使用兩個(gè)光學(xué)反射器組件用于同時(shí)焊接兩個(gè)工件的本發(fā)明的激光器裝置的示意性前視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在參考圖1和2，本發(fā)明的激光器裝置通常表示為10，并且設(shè)計(jì)用于在不規(guī)則成形的工件14的周向表面12上實(shí)現(xiàn)360°環(huán)形焊接?？梢栽O(shè)想，周向表面12不僅包括圓化或彎曲的輪廓，而且還有平面或不規(guī)則的外部。包括在裝置10中的是激光頭或激光掃描頭16，其具有開口18，該開口18尺寸設(shè)定和構(gòu)造用于從激光源20(示出為隱藏)發(fā)射激光束，以用于焊接。示例性激光源20包括2微米銩激光器，并且示例性激光掃描頭16包括2軸激光掃描頭?？梢栽O(shè)想其它類型的激光器。應(yīng)當(dāng)理解，附圖不一定按比例并且不是旨在為了說(shuō)明本發(fā)明的激光器裝置10的優(yōu)選實(shí)施例的目的。

激光源20運(yùn)動(dòng)學(xué)地連接到往復(fù)或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)22(示出為隱藏)，以用于相對(duì)于工件14以往復(fù)或樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)激光束。優(yōu)選地是，激光頭16連接到框架(未示出)，以用于將激光頭保持在工件14的垂直上方，使得激光頭16沿著框架相對(duì)于工件14可調(diào)節(jié)地移動(dòng)。還可以設(shè)想，激光源20能夠在水平方向上插入到布置在工件14正上方的激光頭16中。在激光頭16中是一組兩個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡(未示出)，所述兩個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡然后能夠?qū)⒓す馐怪毕蛳碌匾龑?dǎo)到工作區(qū)域上，并且使激光束繞反射鏡上的軸線樞轉(zhuǎn)，以橫跨工件14來(lái)回掃描。作為替代，例如在生產(chǎn)環(huán)境中，激光源20可選地可相對(duì)于工件14沿著框架側(cè)向前后移動(dòng)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，將本發(fā)明的激光器裝置10放置在較大的激光機(jī)(未示出)中，并且將工件14布置在裝置上。如下面更詳細(xì)地描述的那樣，優(yōu)選地是，將本發(fā)明的激光器裝置10的操作過(guò)程作為功能步驟或模塊輸入到計(jì)算機(jī)軟件中。當(dāng)激光機(jī)接通電源時(shí)，軟件使激光束以預(yù)定焦距來(lái)回移動(dòng)，該預(yù)定焦距使得激光束在工作區(qū)域處偏離焦點(diǎn)。

激光頭16使激光束沿著橫向于被焊接的工件14的縱向軸線的路徑橫向行進(jìn)。需要一個(gè)或多個(gè)周期的掃描激光束用于在工件14上進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕蛘哂行У暮附樱@取決于在工作中使用的材料的類型。例如，使用2微米銩激光器在2.75秒/道次(pass)下可能需要多達(dá)37個(gè)周期的掃描激光束。周期是指激光束從初始起始點(diǎn)到橫向于正被焊接的工件14的縱向軸線的路徑的行進(jìn)極限并返回到起始點(diǎn)的連續(xù)移動(dòng)。

本發(fā)明的激光器裝置10的重要方面是：僅一個(gè)激光束用于完成圍繞工件14的完整的360°周向焊接。更具體地，提供總體上表示為24的至少一個(gè)光學(xué)反射器組件，用于通過(guò)放置至少一個(gè)左光學(xué)反射器26和至少一個(gè)右光學(xué)反射器28來(lái)偏轉(zhuǎn)從激光頭16發(fā)射的單個(gè)激光束，所述至少一個(gè)左光學(xué)反射器26和至少一個(gè)右光學(xué)反射器28兩者都相對(duì)于橫向于工件的縱向軸線的軸線以預(yù)定角度α布置在工件14的相對(duì)的橫向側(cè)上。示例性角度α為約110°，并且示例性光學(xué)反射器包括鍍金鏡。

當(dāng)激光束繞激光頭16中的反射鏡處的軸線樞轉(zhuǎn)并且橫跨工件14來(lái)回掃描時(shí)，激光束被成角度的光學(xué)反射器26、28圍繞工件14逐漸反射。因此，在工件14的周向表面12上實(shí)現(xiàn)完整的360°環(huán)形焊接，而工件、激光頭16和成角度的反射器26、28保持在固定位置。如在圖2實(shí)施例中最佳地所示的那樣，例如，激光頭16以假想線示意地示出了激光束29橫跨工件14a、14b的樞轉(zhuǎn)移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)360°環(huán)形焊接。

本發(fā)明的激光器裝置10的另一個(gè)重要方面是：激光頭16以預(yù)定距離與工件14相距定位，使得激光束未聚焦或離焦(out of focus)，以用于焊接。常規(guī)地，激光束需要以恒定的激光路徑長(zhǎng)度聚焦在工件14上。然而，當(dāng)激光束在工件的周向表面12上離焦時(shí)，本發(fā)明的激光器裝置10對(duì)工件14執(zhí)行充分的焊接。在聚焦透鏡和工件14之間的示例性距離D1(圖2)為約355mm(或毫米)，但是激光束的示例性焦距由聚焦透鏡設(shè)定為260mm，以實(shí)現(xiàn)離焦效果。換句話說(shuō)，激光束在激光束接觸工件14之前行進(jìn)超過(guò)由聚焦透鏡設(shè)定的焦距，并且激光束的該長(zhǎng)度可以在接觸工件之前取決于激光束的路徑而輕微變化。此外，激光束在光束接觸工件14之前的長(zhǎng)度的變化將取決于光束是直接接觸工件14還是反射離開成角度的反射器26、28中的一個(gè)。

在焊接期間，從激光頭16發(fā)射的激光束穿透工件14的周向表面12，加熱工件的靶向區(qū)域，并且熔化靶向區(qū)域，用于結(jié)合。更具體地，激光束被輸送到未聚焦的周向表面12，使得基于在聚焦透鏡和工件之間的距離D1來(lái)控制工件14的靶向區(qū)域。這種未聚焦的激光束可用于產(chǎn)生更大的靶向熔化或加熱區(qū)域，并且降低焊接所消耗的實(shí)際能量。這種未聚焦或離焦的配置是優(yōu)選的，因?yàn)槠浼訉捔吮患す馐訜岬氖苡绊憛^(qū)域，使得受影響的區(qū)域在工件14上產(chǎn)生足夠的結(jié)合和路徑，而不會(huì)侵害地加熱工件的聚合物材料。

為了提供光學(xué)反射器26、28的水平可調(diào)節(jié)性，兩個(gè)可調(diào)節(jié)托架30、32設(shè)置在光學(xué)反射器組件24中，用于容納相應(yīng)的反射器，并且它們是用于沿著支撐軌道36可滑動(dòng)地移動(dòng)托架的激光焊接臺(tái)34的組成部分。兩個(gè)托架30、32都定位于工件14的相對(duì)的橫向側(cè)上，并且與工件的縱向軸線以預(yù)定距離D2對(duì)稱地等距間隔開。從第一反射器26的最左邊緣38和第二反射器28邊緣的最右邊緣40相對(duì)于支撐軌道36的縱向軸線的示例性距離D2為約45毫米。此外，工件14的軸向中心42相對(duì)于橫向于工件14的縱向軸線的垂直軸線以預(yù)定距離D3與第一反射器26的頂部邊緣44相距定位。示例性距離D3為約5毫米。

雖然可以設(shè)想其它定向，但是優(yōu)選地是，本發(fā)明的激光器裝置10被配置用于將反射器26、28定位在以下布置中，即：使得每個(gè)反射器相對(duì)于支撐軌道36以預(yù)定角度α傾斜，并且也相對(duì)于激光束的縱向軸線傾斜。還可以想到，托架30、32相對(duì)于工件14的間隔是可變的，以適應(yīng)例如取決于工件的厚度的情況。

進(jìn)一步包括在反射器組件24中的是可升降板或可傾斜板46，其經(jīng)由樞銷48附接到相應(yīng)的托架30、32，以用于相對(duì)于支撐軌道36的縱向軸線樞轉(zhuǎn)地調(diào)節(jié)相應(yīng)的反射器26、28。具體地，可傾斜板46繞樞銷48徑向樞轉(zhuǎn)，以相對(duì)于支撐軌道36以預(yù)定角度α選擇性地定位，使得工件14的整個(gè)外周向表面12以漸進(jìn)的方式被偏轉(zhuǎn)的激光束處理。

在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)使橫向螺紋緊固件50旋轉(zhuǎn)穿過(guò)布置在托架30、32的側(cè)壁54上的狹槽52并且抵靠板46的頂端來(lái)控制板46的這種樞轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。雖然可傾斜托架被示出用于說(shuō)明目的，但是也可以考慮其它類型的托架來(lái)用于調(diào)節(jié)板46的角度布置。作為示例，具有角度調(diào)節(jié)緊固件的“C”形成形的托架能夠用于其它應(yīng)用中。還可以設(shè)想，通過(guò)緊固或松開角度調(diào)節(jié)緊固件來(lái)實(shí)現(xiàn)板46的斜度調(diào)節(jié)。

現(xiàn)在參考圖2，在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)布置兩個(gè)或更多個(gè)反射器組件24a、24b來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)工件14a、14b的同時(shí)焊接。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一兩個(gè)反射器26a、28a定位用于為第一工件14a提供第一環(huán)形焊接，而其它兩個(gè)反射器26b、28b類似地定位用于為第二工件14b提供第二環(huán)形焊接。在相應(yīng)的工件14a、14b的軸向中心42a、42b之間的示例性距離D4為約50毫米。雖然在圖2中示出了兩組反射器組件24a、24b，但是為了說(shuō)明的目的，還設(shè)想了反射器組件的其它變型，以適應(yīng)這種情況。

例如，在制造生產(chǎn)線中，當(dāng)存在需要在諸如靜脈注射或醫(yī)療包的醫(yī)療流體容器上密封或焊接的多個(gè)工件時(shí)，多對(duì)反射器組件的布置是特別有幫助的。因?yàn)槎鄬?duì)反射器組件并列并且用于同時(shí)地焊接或熔合多個(gè)位置，而不必旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)工件14或激光頭16，所以制造周期時(shí)間被縮短，并且因此更多的工件能夠在給定生產(chǎn)時(shí)段期間進(jìn)行加工。

雖然設(shè)想了其它合適的配置，但是本發(fā)明的激光器裝置10的示例性配置包括具有帶有一組兩個(gè)偏轉(zhuǎn)反射鏡的SCANcube 10掃描頭的IPGMid-IR Microwelder System(中紅外微焊接器系統(tǒng))。SCANcube 10可以與1類激光器安全外殼內(nèi)的260mm焦距F-θ聚焦透鏡組合。此外，包括在Microwelder系統(tǒng)中的是具有1940發(fā)射波長(zhǎng)、隨機(jī)極化的120瓦的銩光纖激光器模塊P/N TLM-120-1940-WC，以及5米饋送光纖到5mm光束直徑。準(zhǔn)直器用于創(chuàng)建目標(biāo)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)軟件、WinLase(標(biāo)記軟件)版本5.1.5.30設(shè)置用于Microwelder系統(tǒng)。Edmund光學(xué)器件是具有Mirror Alum Plano 25.4mm直徑Gold P/N 47117的光學(xué)反射器26a、26b、28a、28b。

更具體地，提供兩個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡以使激光束在X-Y方向上重定向，并且將光束聚焦到工件14上。該激光束偏轉(zhuǎn)任務(wù)由兩個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡執(zhí)行。例如，激光源20在水平方向上發(fā)射激光束，并且然后具有兩個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡的SCANcube 10將激光束從水平路徑(Y方向)重定向到垂直路徑(X方向)。通過(guò)傾斜第一偏轉(zhuǎn)鏡和第二偏轉(zhuǎn)鏡，進(jìn)入SCANcube 10的激光束通過(guò)第一反射鏡在Y方向上偏轉(zhuǎn)，并且然后激光束通過(guò)第二反射鏡在X方向上偏轉(zhuǎn)。能夠通過(guò)控制相關(guān)聯(lián)的檢流計(jì)掃描器的位置來(lái)調(diào)整所得到的偏轉(zhuǎn)角度。

F-θ聚焦透鏡設(shè)定激光束的焦距，并且激光束未聚焦的程度由工件與相對(duì)于由F-θ透鏡設(shè)定的焦距的F-θ聚焦透鏡的距離確定。激光束相對(duì)于工件14在橫向方向上行進(jìn)的距離由工件14與SCANcube 10的距離確定。也考慮其它合適類型的光束擴(kuò)展器或可變聚焦系統(tǒng)。

工件材料的示例性構(gòu)造在下面表1中提供。

表1.部件、材料和接頭尺寸

如上表1中所示，由70％聚丙烯和30％EVA構(gòu)成的藥物端口能夠滑動(dòng)地插入由70％聚丙烯和30％SEBS構(gòu)成的端口管中，創(chuàng)建用于圍繞管的360°周向焊接的工件14。在焊接期間，從激光頭16發(fā)射的激光束穿透工件14的周向表面12，加熱工件的靶向區(qū)域，并且熔化靶向區(qū)域，以將端口和管結(jié)合在一起。

現(xiàn)在返回圖圖2，用于計(jì)算機(jī)軟件的示例性參數(shù)包括設(shè)定在96％的功率，設(shè)定在630mm/秒標(biāo)記速度(即：成角度的兩端之間的單個(gè)路徑的速度)，設(shè)定在0.5Hz的頻率，設(shè)定在2000μs的脈沖寬度，設(shè)定在具有50mm的直線選項(xiàng)的標(biāo)記設(shè)計(jì)。標(biāo)記設(shè)計(jì)是指輸入到計(jì)算機(jī)軟件中的特定值，指示距SCANcube 10中的反射鏡的預(yù)設(shè)長(zhǎng)度，激光束將行進(jìn)的單個(gè)路徑的距離為50mm。在優(yōu)選實(shí)施例中，用于產(chǎn)生50mm行程的、與SCANcube 10中的反射鏡的示例性距離為255mm，并且在SCANcube 10中的反射鏡和光學(xué)反射器26、28之間的示例性距離為約420mm。由于光學(xué)反射器放置在420mm的距離處或比255mm的設(shè)定長(zhǎng)度更遠(yuǎn)的距離處，因此激光束在單個(gè)路徑中行進(jìn)的距離事實(shí)上為90mm(即D2*2)，并且光束行進(jìn)橫跨兩對(duì)光學(xué)反射器26、28的這一路徑。

可以設(shè)想，激光束的屬性和參數(shù)可以取決于工件材料而變化，以適應(yīng)其它應(yīng)用。在優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)軟件鏈接到本發(fā)明的激光器裝置10，用于控制和監(jiān)視焊接，以及也用于根據(jù)需要調(diào)整和修改激光束的屬性和參數(shù)。

雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的激光器裝置的具體實(shí)施例，但是將由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，在不偏離本公開的情況下，可以在本公開的更廣義的方面對(duì)其作出改變和修改。