用于对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的方法和设备的制作方法
【专利摘要】在用于对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的方法和设备中，经过聚焦的激光束（1）被射入待接合元件（2、3）的彼此面对的界面（4、5）的区域中的焊接区（S）中，以便在待接合元件（2、3）之间形成具有确定的焊缝深度（T）的焊缝（7），本发明提出在所述方法和设备中，在焊接过程期间，在焊接区（S）中沿焊缝深度（T）的方向（z）对激光功率密度进行调制。
【专利说明】用于对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的方法和设备，其中，经过聚焦的激光束被射入待接合元件的彼此面对的界面的区域中的焊接区中，以便在待接合元件之间形成具有确定的焊缝深度的焊缝。
【背景技术】
[0002]常用的塑料-激光焊接方法基于下列原理:借助于经过聚焦的激光束将热能输入焊接区中，这会促使待接合元件熔化和相应地在其间形成焊缝。在这种情况下常见的是所谓的透射焊接，其中，可由激光束透射的待接合元件被放置在可吸收该激光束的待接合元件上，并且激光束穿过透射性的待接合元件射到吸收性的待接合元件上。这导致该吸收性的待接合元件熔化，从而热能被传输到透射性的待接合元件上，导致该透射性的待接合元件也发生熔化，使得总体上在待接合元件的彼此面对的界面的区域中的焊接区中形成焊缝。
[0003]由US2003/0090562A1已知用于激光透射焊接的一种方法和设备，其中，为了对两个待接合元件之间的焊接面中的变形和类似缺陷进行补偿，用于加工的激光束的焦点能垂直于焊接面(z方向)移动。部件的移动是一种缓慢的运动。利用这种系统不能实现通过Z位置的高频调制而对热影响区进行适宜的调节。
[0004]DE102007036838A1公开了一种用于接合不同类型的文档材料从而形成多层的安全文档实体(例如借记卡)的方法，其中，对弓I入层结构中的电磁辐射进行调制。在此涉及的调制是振幅调制或频率调制，而该公开文献中没有给出对垂直于各层之间的界面的光束的焦点位置进行调制。
[0005]日益重要的用于塑料的激光焊接技术是所谓的对接焊接。借助于这种技术例如可以将两个相对于彼此定位在对接接头上的、激光束可透过的待接合元件相互焊接在一起，其方法是，借助于激光束使彼此面对的界面熔化并且通过使激光束沿接头区域的延伸方向(X方向)进给而产生相应的焊缝。
[0006]在对由塑料制成的待接合元件进行激光焊接时的一个基本问题是:激光束必须穿过一个或两个待接合元件的表面射入焊接区中。根据所应用的塑料的透射或吸收性能，一方面可能由于热影响而使表面受到损害。另一方面可能存在这样的问题:在彼此面对的界面的区域中的实际焊接区相对于焊缝深度方向(z方向)而言特别有限，因此焊缝的强度和质量可能需要改进。
[0007]因此也就存在这样的需要:应该能够更好地且匹配于工件地控制沿z方向的焊缝成型。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在方法技术方面通过权利要求1中所给出的特征来实现。在设备技:光光束对透射性相同的两个待接合元件进制来对焊缝区域中穿过部件厚度的能量输1、焊缝深度小的焊缝，通过沿2方向的调制.想地接近待接合元件的上接头边缘和下接[，而另一方面保持了相对于上接头边缘和
6束的优选的波长范围在0.7 4 III和2.5 4 III
激光焊接的相应设备的一个典型的设计方丨和成型装置，使得在焊接过程期间能沿焊[光束导引和成型装置包括具有准直透镜和播方向(光轴)移动准直透镜和/或聚焦透个或两个透镜。该调制技术的一个变型是的焦点位置。从而激光束I 一方面可以穿透其材料。而另一方面，材料的吸收度这样高，使得激光能量的一部分可以被吸收到待接合元件2的体积中并且被转换为用于进行焊接的热能。例如适合的激光是0.7 μ m至2.5 μ m的波长范围内、特别是2 μ m波长的红外线激光。两个待接合元件2、3在图1中以下述结构示出，S卩，其中整体用S表示的焊接区处于设置在对接接头上的待接合元件2、3的彼此面对的界面4、5的区域中。
[0020]图1中示出的激光束I的焦点F的位置可能导致激光功率仅在围绕该焦点位置6的区域中、在局部的强烈受限制的体积上被吸收，并且导致焊缝深度T非常受限制的、焊缝7的相应狭窄的结构。
[0021]在此本发明以如下方式起作用:通过激光束导引和聚焦装置的在后面还要加以说明的结构设计方案，沿平行于焊缝深度T方向的z方向对焦点位置6进行调制，也就是使其以确定的频率上升和下降。这在图1中通过以虚线或点划线示出的示例性的焦点位置6’、6’’显示出来。
[0022]总体上也就可以通过沿z方向调制振幅而使焊缝深度T按规定引导至接近于待接合元件2、3的界面4、5的上边缘和下边缘8、9。
[0023]在图1中还可看出，激光束I沿在界面4、5中形成的焊缝7在X方向连续地导引，如在所谓的特形焊接工艺中的情况那样。沿X方向的进给速度Vx与焦点位置6的调制频率和移动速度Vz相互关联。根据待接合元件2、3所达到的激光能量吸收度，焦点F应该至少有一次或有多次越过整个焊缝深度T，以便产生沿z方向和X方向穿过整个焊缝深度T的、质量无缺陷的连续的焊缝7。例如,在焦点直径Df为0.1mm、焊缝深度为1mm、待接合元件2、3的厚度d为2_、以及沿X方向的进给速度Vx为100mm/S时，需要将焦点F的调制速度选择为1000mm/s，从而使焦点F至少有一次越过整个焊缝7的焊缝深度T。
[0024]根据图1还可以看出，可以通过对焊缝深度T和其沿z方向相对于焊接区S的位置进行合适的调整来保持相对于待接合元件2、3的上边缘和下边缘8、9的足够的间距，从而避免待接合元件2、3的可视面受损。
[0025]在图2a至2c和3a至3c中示出一种用于激光焊接的设备，其中，两个待接合元件
2、3在透射结构中上下相叠布置。该设备具有示意性示出的激光束源10，其激光束I经过合适的光波导11被导引到整体用12表示的激光束导引和成型装置。该激光束导引和成型装置在下面简称为激光加工头12。
[0026]在激光加工头12中设有准直透镜13，该准直透镜相应地校准从光波导11中出来的发散的激光束I并且将其继续导引到聚焦透镜14。该聚焦透镜在待接合元件2、3的区域中以确定的焦距f聚焦激光束I。
[0027]在根据图2的实施方式中，聚焦透镜14通过马达驱动器15沿透镜轴线方向可移动地驱动。因此，激光束I的焦点F可以被沿z方向调制，如参照图1详细描述的。在图2a中，焦点大致位于两个待接合元件的界面4、5的区域中。在根据图2b的位置中，聚焦透镜14被沿待接合元件2、3的方向远离准直透镜13移动，使得焦点F相应地朝向下方待接合元件3的方向转移。相应的图示当然在此是示意性的并且有相应的夸张。
[0028]根据图2c，聚焦透镜14从根据图2a的初始位置被朝向准直透镜13移动，使得焦点F沿z方向朝上方移动。
[0029]借助于驱动器15也就可以根据焦点位置6、6’、6’’的期望的调制频率和振幅来定位聚焦透镜15，以实现平行于z轴的振荡运动。
[0030]要指出的是，为了相应地控制驱动器15，在焊接过程之前或期间可以改变调制参数。因此可以例如当在一个设备上生产多种类型或多个部件时，在实际焊接过程之前改变参数。在相应的焊缝检查过程中，也可以适宜地在焊接过程期间和特别地取决于各个部件而沿进给路径沿X方向改变调制参数。
[0031]在图3a至3c中所示的变型中，聚焦透镜14保持位置固定，而准直透镜13具有驱动器15。从图3a中示出的位置出发——其中准直透镜和聚焦透镜13、14相对于彼此定位成使得焦点位置6又位于两个待接合元件2、3的界面4、5的区域中一可以通过准直透镜13的远离聚焦透镜14的运动(图3b)或接近聚焦透镜的运动(图3c)对焦点F的位置进行调制。在图3b和3c中示出的焦点位置6’和6’’在此又以夸张的方式被示出相对于焦点位置6移动。
【权利要求】
1.一种用于对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的方法，其中，经过聚焦的激光束(I)被射入待接合元件(2、3)的彼此面对的界面(4、5)的区域中的焊接区(S)中，以便在待接合元件(2、3)之间形成具有确定的焊缝深度(T)的焊缝(7)，其中，在焊接过程期间，在焊接区(S)中沿焊缝深度(T)的方向(z)对激光功率密度进行调制， 其特征在于， 对激光功率密度的调制是通过沿焊缝深度(T)的方向(z)对激光束(I)的焦点位置(6、6’、6’’)的调制而进行的，其中，使激光功率密度沿焊缝深度(T)的方向(z)的调制频率与激光束(I)沿焊缝延伸方向(X)的进给速度相互关联，从而使得在激光束(I)沿焊缝延伸方向(X)进给期间，焦点(F)至少有一次越过焊缝(7)的焊缝深度(T)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对激光功率密度的调制是通过对激光束(I)在其焦点(F)处的直径(Df)的调制而进行的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将两个相对于彼此定位在对接接头上的待接合元件(2、3)通过焊缝(7)相互接合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光束(I)的波长范围在0.7 μ m 和 2.5 μ m 之间。
5.一种用于对由塑料制成的两个待接合元件进行激光焊接的设备，其中，经过聚焦的激光束(I)被射入待接合元件(2、3)的彼此面对的界面(4、5)的区域中的焊接区(S)中，以便在待接合元件(2、3)之间形成具有确定的焊缝深度(T)的焊缝(7)，所述设备特别用于对两个待接合元件进行根据权利要求1至5中任一项所述的激光焊接方法，所述设备包括: -激光束源(10)， -激光束导引和成型装置(12)以用于形成经过聚焦的激光束(I)并将其导引至焊接区(S)， 其特征在于， -激光束源(10)和/或激光束导引和成型装置(12)设计成使得:在焊接过程期间能沿焊缝深度(T)的方向(z)对激光功率密度进行调制，其中，对激光功率密度的调制是通过沿焊缝深度(T)的方向(z)对激光束(I)的焦点位置(6、6’、6’’)的调制而进行的，其中，使激光功率密度沿焊缝深度(T)的方向(z)的调制频率与激光束(I)沿焊缝延伸方向(X)的进给速度相互关联，从而使得在激光束(I)沿焊缝延伸方向(X)进给期间，焦点(F)至少有一次越过焊缝(7 )的焊缝深度(T )。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，激光束导引和成型装置(12)包括具有准直透镜(13)和聚焦透镜(14)的聚焦单元，其中，通过沿光束传播方向(z)以调制速度移动准直透镜(13)和/或聚焦透镜(14)，能沿焊缝深度(T)的方向(z)对激光束(I)的焦点位置(6、6’、6’’)进行调制。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，准直透镜(13)和/或聚焦透镜(14)能沿光束传播方向(z )借助于驱动器(15)以调制速度移动。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，激光束导引和成型装置(12)包括聚焦单元，该聚焦单元具有用于调制激光束(I)的焦点位置(6、6’、6’’)的3D扫描单元。
【文档编号】G02B26/08GK103842156SQ201280041347
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年8月20日 优先权日:2011年8月25日
【发明者】R·盖格尔, F·布吕内克尔 申请人:Lpkf激光电子股份公司