借助透射焊接连接两个带不同特性区域的工件部分的设备的制作方法
【专利摘要】一种借助透射焊接连接两个带不同特性区域的工件部分的设备，具体地，通过以预先给定的焊缝模版在工件部分的不同特性的区域（B1、B2）延伸的焊缝（13）将两个工件部分（11、12）连接为一个工件。该设备具有激光辐射源（2）和后置的均光器（3），其中，该激光辐射源由多个可单个驱控的沿x方向并排布置的具有不同功率的激光辐射发射器（21.1、21.2）构成；在该均光器中设置有至少两个在y方向上彼此平行延伸且在z方向上以通道深度（T）完全穿过均光器（3）的反射通道（33）。
【专利说明】借助透射焊接连接两个带不同特性区域的工件部分的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助透射焊接通过焊缝连接优选为大面积伸展的工件部分的设备，如其按类属在未在先公开的DE102011055203.0中所描述的那样。
【背景技术】
[0002]原则上，为了透射焊接将两个彼此待连接的工件部分彼此接合，使得这两个工件部分沿着至少一个接触区域直接触碰。只有在这个接触区域中工件部分才可以相互焊接起来。产生的焊接连接可以是点式、线式或面式的。在其上产生焊接连接的区域经常也被称为接合区域。
[0003]在透射焊接时，第一工件部分能透射激光射线并且朝向激光源。第二工件部分能吸收激光射线。激光射线穿过第一工件部分到达第二工件部分的表面上，在与表面邻接的区域中被吸收并转化成热能。第二工件部分的相关区域熔化，其中，由于热传导这也导致了第一工件部分的邻接区域的熔化并进而导致了两个工件部分材料锁合地(stoffschliissig)连接成一个工件。
[0004]如果两个工件部分要通过小于接触区域的接合区域彼此连接，那么激光射线的到达必须限定在接合区域上，以便避免也焊接了接触区域内的其他区域。
[0005]在专利文件EP997261B9中公开了以下方法，用该方法使两个工件部分通过透射焊接在接合区域中彼此连接。在此，能透射的工件部分的自由表面由不能被激光射线穿透的遮罩覆盖，并且该遮罩以激光帘幕(Laservorhang)形式的激光射线来加载,该激光帘幕通过对一个或多个激光源的激光射线的校准和对焦来产生。遮罩与接合区域对应地被贯穿，其中，接触区域的不应该彼此连接的区域被遮住。由遮罩遮住的激光射线被反射。
[0006]激光射线沿着激光线到达能吸收的工件部分的表面上，其中，激光线可以由遮罩的设计方案被分成线区段。如果遮罩与线区段对应地被贯穿，那么该线区段以激光射线的全部功率来照射；对于未贯穿的遮罩，相关的线区段保持不被照射。工件部分和激光线相对彼此运动，其中，激光线在接合区域上被导引。在此，激光线持续地与在某个时间点上扫过的接合区域的伸展和位置相匹配。激光帘幕的伸展以及进而激光线的最大伸展可以通过改变激光源与遮罩的工作间距来调整。此外，激光线的能量密度通过改变激光射线的功率来匹配。
[0007]在能量方面不利的是，发出的激光射线的一部分没有被利用并且此外还或多或少被漫射地反射，这意味着提高了激光源或设备的热载荷并且需要附加的工作保护措施。此夕卜，对于不同的应用可能不利的是，没有设置如下机构，借助该机构可以影响激光射线在工作表面上的功率密度分布。
[0008]由公开文件DE10007391A1公知了一种克服了上述缺点的设备。借助在这里介绍的设备不仅可以影响功率密度分布而且还影响在工件上产生的焦斑的形状。
[0009]为此，在激光辐射源与工件之间布置有用于生成可预先设定的功率分密度分布的面式的或空间分辨式的辐射调制器。通过辐射调制器达到的空间分辨率通过由可单个驱控的单元组成的布置在平面中的矩阵来实现，这些单元在激光辐射源的光路上垂直于该平面布置。根据这些单元的数量，将来自激光辐射源的激光射线分成各个部分射线。利用这些不彼此依赖的单元中的每一个都可以影响相应的部分射线的透射。因此，在激光射线到达工件上之前，在矩阵的区域中可以有针对性地调整出全部激光射线在通道横截面上的功率密度分布。
[0010]为了将部分辐射调制器化，这些单元要么具有可运动的显微镜要么具有微型偏振光器，或者将这些单元实施为液晶单元。利用这些装置，每个单元的透射率都可以无级地从最大穿透直至完全中断射线地调整。由此得到针对顺次或同时进行材料加工的多种可能性。在该设备的实施方案中，例如同时对在由辐射调制器限定的面上的工件进行加工以如下方式来实现，即，同时仅释放用于加工面式地布置在工件上的轮廓所需的部分射线。通过对各个释放的单元的透射率彼此进行分级同时实现了在整体轮廓的分布中调整出均匀的功率密度分布。
[0011]因为辐射调制器直接布置在光路中，所以用于构造它的材料必须具有尽可能高的
毁坏阈值(26^访011^55(:11\￥6丨16)。为了阻止到达辐射调制器上的通常在其射线特征方面
具有非均匀性的激光射线，该非均匀性可能在某些点上已经接近毁坏阈值，并且为了提高辐射调制器的动态区域，需要附加的措施，这些措施使激光射线在到达辐射调制器上之前就已经均匀化了。对于材料特性以及辐射调制器的功能性构造的较高的要求、用于使到达辐射调制器上的激光射线均匀化的附加光学系统的使用以及对所需控制的调整使得在制造设备时高昂的费用是可以想象的。除此之外，在此所应用的原理仅在加工较小的工件时可以合理地来应用。
[0012]在公开文 件DE102010007717A1中公开的设备描述了一种明显更简单的可能性，利用该设备在大面积伸展的接触区域上的两个面式工件部分在多个接合区域中的连接可以借助呈线状的由多个可单个驱控的单个辐射器构成的激光辐射源在无需应用遮罩的情况下实现。
[0013]该设备包括支架(在此为容纳部)、朝向容纳部沿X方向定向的线性阵列(在此为激光辐射源)、用于将线性阵列在y方向上向容纳部相对运输的装置以及用于单个辐射器的空间分辨式运行的控制装置，该支架设计用于使两个在X方向和I方向上面式伸展的工件部分彼此定位，该线性阵列由多个可单个驱控的单个辐射器，优选为共同形成了线性阵列的激光辐射发射器构成。根据该实施例，线性阵列由如下激光二极管构成，这些激光二级管在他们的慢光轴(slow-axis)方向上并排布置，并且它们的激光射线在快光轴(fast-axis)方向上通过在相应于z方向的射出方向上前置的柱面透镜校准。
[0014]在伸展方向上完全延伸跨过接触区域的线性阵列产生激光帘幕，该激光帘幕相对于工件部分进行相对运动，并且在此在其两个伸展方向上扫过整个接触区域。通过在相对运动期间有针对性地驱控各个激光二极管仅给在接触区域内部的接合区域加载相应的激光功率。在接合区域之外的区域保持不受激光功率的影响并且因此不需要遮罩。
[0015]由此，可以找到一种用于焊接较大工件的在能量方面比较有利的解决方案。但是，激光射线不受影响地到达工件部分上，因此工件部分通常具有非均匀的呈高斯分布形式的功率密度分布。由此不能产生具有均匀的例如狭窄的闭合的焊缝形式的焊接部的轮廓分明的接合区域。当接合区域是可看到的并且参与决定了工件的外观时，通常需要轮廓分明地限定的接合区域。当工件部分应当彼此密封地连接时，需要均匀的焊接部。
[0016]在未在先公开的专利DE102011055203.0中描述了一种用于借助透射焊接将两个工件部分连接的设备，其中，均光器在射线方向上布置在激光辐射源之后，该均光器具有至少一个在z方向上通穿的反射通道，该反射通道在其横截面形状和布置方案中与所期望的焊缝的分布相应，如该焊缝应当被引入到两个待彼此连接的定位在均光器下方的工件部分中那样。激光辐射源包括多个形成线性阵列的并且可单个驱控的单个发射器。线性阵列在X方向上定向并且可相对均光器在I方向上移动。
[0017]均光器本身对于激光射线是不能透射的，从而均光器仅通过反射通道将激光射线传导到工件部分上。有利的是，单个发射器在其射线被耦入反射通道期间应当被暂时驱控。
[0018]反射通道具有彼此平行的或倾斜地放置的通道壁。均光器可以充当压紧体以产生在两个工件部分之间的焊接压力。
[0019]从前面提到的设备中不能得出，它们适合或被设置用于焊接如下工件部分，这些工件部分在它们的伸展尺寸上具有不同的材料厚度或由不同的材料构成，或者具有在不同平面中的并进而相对激光辐射源有不同间距的焊缝。
【发明内容】
[0020]本发明的任务在于提供一种用于透射焊接优选为大面积伸展的、具有不同的材料厚度和/或由不同材料构成的工件部分的设备，利用该设备可以制造出具有轮廓分明的边界和均匀的焊接部的可重复的焊缝。
[0021]优选为大面积伸展的工件部分也应当可以通过所提到的质量的焊缝在不同的焊接平面中被连接起来。
[0022]此外，设备应当具有简单的构造并且可以实现通过以激光射线扫过工件部分一次的方式快速执行焊接过程。
[0023]针对用于借助透射焊接，通过以预先给定的焊缝模版在工件部分的不同特性的区域中延伸的焊缝将两个工件部分连接为一个工件的设备，该设备具有容纳部、以其射出方向指向容纳部并进而指向定位在容纳部中的工件部分的激光辐射源、用于将激光辐射源相对容纳部沿y方向相对运输的运输装置以及存储控制单元，其中，该容纳部设计成使两个在X方向和I方向上伸展的工件部分彼此定位在笛卡尔坐标系的X方向I方向和Z方向上，该激光辐射源包括多个可单个驱控的、沿X方向并排布置的激光辐射发射器，本发明的任务通过如下方式来解决，即，均光器在射出方向上布置在激光辐射源之后，在该均光器中设置有至少两个在y方向上彼此平行延伸的、在Z方向上以通道深度完全穿过均光器的反射通道，这些反射通道相应于预先给定的焊缝模版地确定规格并相互布置，并且给至少两个反射通道配设具有不同激光功率的激光辐射发射器。
[0024]在此反射通道具有对置的能反射的通道壁面，在这些通道壁面上来自所配设的激光辐射发射器的激光射线中的至少一部分被多次来回反射。具有不同的激光功率的激光辐射发射器至少包括具有比较低的激光功率的激光辐射发射器和具有比较高的功率的激光辐射发射器。因此在各发射出的激光射线的相同的作用持续时间内，可以在工件部分的不同特性的区域内同时产生相同质量的平行的焊缝。
[0025]有利的是，通道壁面相对激光辐射源的射出方向成角度地布置，从而在通道壁面上反射的激光射线具有很陡的反射角，由此可提高激光射线的反射次数。
[0026]同样有利的是，将直接彼此邻接且成角度的通道壁面逐渐变窄地布置成与激光辐射源的射出方向反向取向的共同的逐渐变尖的棱边以避免激光功率损失。
[0027]有利的是，在均光器中形成反射通道的通道壁面可单个地更换且能自由定位。
[0028]同样有利的是，均光器具有由结构组件构成的模式化的构造，这些结构组件匹配不同特性的区域。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]在下文中将结合实施例对本发明进行详细说明。在附图中:
[0030]图1示出根据本发明的设备的原理结构图；
[0031]图2示出用于焊接具有不同材料区域的工件部分的设备的原理结构图；并且
[0032]图3示出用于焊接具有在不同的焊接平面内的区域的工件部分的设备的原理结构图。
【具体实施方式】
[0033]该设备能够以简单的方式与两个待彼此连接的工件部分的不同特性相匹配，两个工件部分中的一个是对于所挑选的激光辐射源2的激光射线22能透射的工件部分，而另一个是能吸收激光射线22的工件部分。
[0034]为了能够描述在工件部分11或12上的不同的特性，在下文中将工件部分11、12划分成第一区域BI和第二区域B2，其中，这些工件部分能够以至少一个或也能够以多个特性相互区别。
[0035]两个工件部分11、12可以分别或仅它们中的一个由不同材料的区域B1、B2构成，这些不同材料的区域具有不同的导热能力，和/或不同的热容量和/或针对所应用的激光射线22的吸收不同。为了在不同材料的区域B1、B2中制造出相同质量的焊缝13，那么需要不同大小的能量输入。
[0036]工件部分11、12可以分别是或仅它们中的一个是所谓的3D部分，它们布置在设备的容纳部中并在激光射线22的方向上具有至少两个如下区域B1、B2，这两个区域要么具有不同的厚度要么具有相对设备的激光辐射源2的不同的间距。对于首先提到的能透射的工件部分11，由于在能透射的工件部分11中的不同的透射使激光射线22以不同的强度到达能吸收的工件部分12上。对于第二个提到的能吸收的工件部分12，由于相对激光辐射源2的不同距离使激光射线22同样以不同的强度到达能吸收的工件部分12上。
[0037]为了将具有至少两个不同特性的区域B1、B2如前面提到的那样由相同质量的焊缝13连接，必须使相同强度的激光射线22通过不同的作用持续时间，或不同强度的激光射线22通过相同的作用持续时间射向不同特性的区域B1、B2。为了在一次相对运动R期间以相同的方向在激光射线22与在相对彼此且相对激光射线22定位于容纳部4中的工件部分
11、12之间制造出焊缝13，将焊缝13实施为多个直线式的、彼此成直角且平行延伸的焊缝13，其中，每条焊缝13仅在不同特性的区域B1、B2中的一个区域上延伸。为了这个目的，在下文中详细描述的均光器3具有至少两条在设备的y方向上彼此平行延伸的反射通道33，该均光器在设备的z方向上与激光辐射源2的辐射方向同向地布置在激光辐射源2之后。所有反射通道33 —起形成与通过所有焊缝13形成的模版相同的焊缝模版。
[0038]用上述这种方式，激光辐射源2要么可以通过不同强度的激光射线22以相同的作用持续时间，要么可以通过相同强度的激光射线22以不同的作用持续时间将相同质量的焊缝13引入到工件部分11、12的不同特性的区域B1、B2中，该激光辐射源由多个可单个驱控的、在X方向上并排布置的激光辐射发射器构成。
[0039]为了将平行于y方向延伸的焊缝13制造到区域B1、B2中，激光辐射源2被设计成使其具有针对不同的激光功率所设计的激光辐射发射器。也就是说，激光辐射源2具有至少两组具有不同激光功率的激光辐射发射器21.1,21.2，即具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1和具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2，其中，在这里一组也可以仅由单个的激光辐射发射器21.1或21.2构成。
[0040]为了用这种激光辐射源2在不同特性的区域B1、B2中制造出在X方向上直线延伸的焊缝12，沿焊缝13在各组单个激光辐射发射器21.1、21.2的不同的接通持续时间上使用均匀的能量输入。
[0041]下面描述用于根据本发明的设备的有利实施例，其用于在不同特性的区域B1、B2中制造出多个彼此平行和多个与之成直角延伸的焊缝13。
[0042]借助该设备的第一实施方式，工件例如可以被焊接，其中，呈矩形地在X方向和y方向上面式伸展的工件部分11、12的不同特性的区域B1、B2通过能透射的工件部分11的不同的厚度形成。能透射的工件部分11包括具有比较大的厚度dl的第一区域BI和具有比较小的厚度d2的第二区域B2。
[0043]在图1中示出根据第一实施例的根据本发明的设备。该设备的所有实施方式基本上都包括激光辐射源2、均光器3、用于保持待连接的工件部分11、12的容纳部4、运输装置5和存储控制单元6。这些实施方式的不同之处在于均光器的设计方案以及激光辐射源2的实施方案。
[0044]如图1所示，该设备具有均光器3，该均光器用于产生焊缝13的模版。均光器3是通常呈长方体状的模具，该模具相应于工件部分11、12的立体形状和伸展尺寸以及焊缝13的模版来设计。该均光器布置在沿z方向射向容纳部4的激光辐射源2与处于容纳部4之中的能透射的工件部分11之间，并且该均光器通过反射通道33相应于焊缝13的模版将由激光辐射源2发出的激光射线22引导到工件部分11、12上。
[0045]均光器3按照焊缝I的模版具有相应数量的反射通道33。反射通道33在z方向上从均光器3的面向激光辐射源2的上侧31直至该均光器的朝向能透射的工件部分11的下侧32地贯穿均光器3，从而使同样沿z方向射出的激光射线22射入反射通道33中并可以到达工件部分11、12上。均光器3的所有其他区域对于所应用的激光射线22而言是不能透射的，并且遮住工件部分11、12不受激光射线22影响。出于这个原因，均光器3也至少实施成能以其X伸展尺寸和I伸展尺寸遮盖住工件部分11、12那么大。
[0046]均光器3在反射通道33的开口之间保留在下侧32上的面可以放置在能透射的工件部分11上。由此，均光器3可以同时作为压紧装置用于两个工件部分11、12，利用它在工件部分11、12的上下叠在一起且待焊接的表面之间调整出用于实现焊接连接所需的零空隙，并且利用它工件部分11、12固定在容纳部4中。
[0047]为了使工件部分11、12彼此且相对于激光辐射源2定位在限定且稳定的位置中，容纳部4具有加深部，该加深部带有平的底面以及垂直于该底面竖立的围边，在该加深部中首先安置能吸收的工件部分12并在其上安置能透射的工件部分11。
[0048]相应于不同特性的区域B1、B2，均光器3在图1中由两个与之相应匹配的结构组件构成。
[0049]因此，匹配于区域BI的第一结构组件35确定了均光器3的外廓尺寸并且同时形成用于其他结构组件的支架，借助该第一结构组件产生环绕工件部分11、12的边缘区域的焊缝13。在该设备的其他实施方案中均光器3的外部结构组件通常也用作支架，因为这保证了激光射线22不受阻碍地接近其他结构组件。
[0050]第一结构组件35由竖直的内通道壁35.2和外通道壁35.1构成，其中，内通道壁35.2布置在外通道壁35.1内部，并且在通道壁35.1与35.2之间留有环绕的间距。通过第一结构组件35的平行对置的通道壁35.1,35.2在区域BI中形成了用于环绕形的焊缝13的反射通道33。通道壁35.1,35.2具有很高的表面质量并且实施为反射激光射线22的通道壁面34。在第一结构组件35的两个相间隔的通道壁35.1,35.2之间的机械连接通过四个狭窄的接片35.3建立起来，这些接片直接邻接到均光器3的表面31上地布置在反射通道33的内部。
[0051]相应于工件部分11、12的矩形形状和在图1中示出的焊缝模版，第一结构组件35的反射通道基本上由两个平行的在X方向上取向的以及两个平行的在y方向上取向的线性区段构成，它们以端部彼此相遇并且以半径状的过渡部连接。在此半径尽可能实施成使它们在下文描述的激光射线22在不同特性区域B1、B2之间的过渡部上的强度或作用持续时间的匹配中不必再被考虑那么小。
[0052]第一结构组件35的上侧31暴露于激光射线22的面由非热敏的辐射吸收器39遮盖，以便避免均光器3变热。为了焊缝13的尽可能轮廓分明地限定的构造，通道壁面34被引导直至紧贴到能透射的工件部分11的上侧上。在均光器3的下侧32上的通道壁面34之间的间距确定了焊缝13的宽度。
[0053]为了将均光器3容纳在设备中，外通道壁35.1的位于外部的周侧面具有水平布置的环绕的凸台37，均光器3可以借助凸台被紧固。为了容纳其他结构组件通道壁35.2的指向第一结构组件35的中心的内面同样设有水平布置的环绕的凸台37，该凸台作为用于其他结构组件的支架。
[0054]借助布置在第一结构组件35内部的第二结构组件36产生匹配工件部分11、12的区域B2的焊缝13。
[0055]第二结构组件36包含框架36.3，该框架放置并紧固在第一结构组件35的内通道壁35.2的内面上的凸台37上。在区域B2内部的焊缝13的外边界通过第二结构组件36的竖直且相应于框架36.3环绕的外通道壁36.1来实现，该外通道壁从框架36出发在z方向上延长至能透射的工件部分11的表面。第二结构组件36的外通道壁36.1形成了一种光井，通过该光井激光射线22可以在区域B2中到达在工件部分11、12上。在此，第二结构组件36的外通道壁36.1的内侧构造成用于对于激光射线22高反射的通道壁面34。
[0056]由于包围第二结构组件36的形成光井的外通道壁36.1的很大的面，在区域B2中需要多个用于在工件部分11、12之间建立起焊接连接的焊缝13。该模版由多个在y方向上取向的线性焊缝13构成，它们以均匀的间距分布在区域B2的面上。因为模版的焊缝13总是彼此成直角地布置，所以只要通过焊缝13的模版设计方案可以实现焊接连接的所期望的坚固性，那么这些焊缝是否在X方向或在I方向取向原则上并不重要。
[0057]为了在区域B2中产生以均匀的间距平行于y方向延伸的焊缝13，光井被分割成单个的反射通道33。该分割借助竖直的沿y方向定向的内通道壁36.2来实现。第二结构组件36的内通道壁36.2相应于要产生的各个占满区域B2的焊缝13的模版要么从上侧31开始悬挂在光井中并紧固在框架36.3上，要么从下侧32开始插入光井中并与第二结构组件36的外通道壁36.1连接。通过这种分割可以实现焊缝13的模版在区域B2中简单且灵活的设计方案。
[0058]反射的通道壁面34借助抛光的板材来实现，利用该板材覆盖第二结构组件36的充当支撑结构的内通道壁36.2。通过两个内通道壁36.2的对置的通道壁面34在第二结构组件36的下侧32上之间留下的间距来调整焊缝13在区域B2中的宽度。
[0059]相应于能透射的工件部分11在区域BI中的比较大的厚度dl与在区域B2中的比较小的厚度d2的差，第二结构组件36的通道壁36.1和36.2在下侧32上沿z方向凸出于第一结构组件35。因为第二结构组件36位于第一结构组件35内部，所以第二结构组件36的上侧31相比于第一结构组件35的上侧31离激光辐射源2更远。
[0060]第二结构组件36的两个内通道壁36.2的对置的通道壁面34并不是竖直地延伸，而是稍微成角度的。由此反射通道33的朝向上侧31的进口大于朝向下侧32的出口。因此，反射通道33在第二结构组件36的内通道壁36.2之间在x方向上和z方向上构造出的横截面呈漏斗形。第二结构组件36在反射通道33的出口之间具有闭合的下侧32，均光器3以该下侧放置在能透射的工件部分11的表面上，并且能透射的工件部分11固定在能吸收的工件部分12上。
[0061]在均光器3的上方，激光辐射源2紧固在运输装置5上，借助该运输装置激光辐射源2可以实施在y方向上延伸的相对于工件部分11、12和均光器3的相对运动R。如已描述的那样，激光辐射源2由可单个驱控的具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1和具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2构成，它们在X方向上并排布置。在激光辐射源2中的激光辐射发射器21.1、21.2相应于工件部分11、12上的不同特性的区域B1、B2来布置。在X方向上各个激光辐射发射器21.1、21.2之间的间距以如下方式选择，S卩，给每个在I方向上延伸的反射通道33配设至少一个激光辐射发射器21.1或21.2。
[0062]在z方向上激光辐射源2与工件部分11、12之间的间距至少选择成使各个激光辐射发射器21.1,21.2的激光射线22直接彼此接邻地或重叠地到达能吸收的工件部分12的表面上那么大，从而在激光射线22在通道壁面34上没有反射的情况下就已经可以尽可能均匀地施加沿X方向延伸的焊缝13。
[0063]由于比较大的厚度dl使得能透射的工件部分11的区域BI相比于具有比较小的厚度d2的区域B2具有针对激光射线22的较小的透射性，从而在穿过能透射的工件部分11时，激光射线22在区域BI中相比于在区域B2中具有较高的强度损失。为了可以补偿强度损失，并且为了可以在激光辐射源2在y方向上的相对运动R期间使得两个区域B1、B2可以尽可能速度优化且同时地被焊接，在区域BI中应用具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1，而在区域B2中应用具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2。
[0064]因为在区域BI中环绕的焊缝13也具有沿X方向延伸的区段，该区段在区域B2的整个宽度上延长，所以理论上激光辐射源2必须仅由具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1构成，该激光辐射发射器的强度在区域B2中必须被降低。但是仅应用激光辐射发射器21.1会使制造出成本提高。
[0065]因为用于施加焊缝13的沿X方向取向的区段所需的路程在相对运动中的份额仅是非常小的，所以在这些区段中应用具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1是不合理的。因此在区域BI中仅在焊缝13的沿y方向延伸的区段上应用具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1。焊缝13在区域BI中沿X方向延伸的区段通过强度或作用持续时间的匹配以具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2来焊接，这些激光辐射发射器设置用于在具有比较小的厚度d2的区域B2中的焊缝13。与之相应，可应用于该焊缝模版的激光辐射源2由两个在外部的与区域BI的焊缝13的沿y方向取向的区段对置的具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1以及在这些激光辐射发射器21.1之间与焊缝13的数量相应数量的具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2构成。
[0066]为了可以依赖于在X方向和在y方向上伸展的焊缝模版来影响强度或作用持续时间，需要对各激光辐射发射器21.1或21.2选择性地进行驱控并控制运输装置5的相对运动R。在此，驱控通过存储控制单元6来进行。
[0067]为了在区域B1、B2中同时且速度优化地制造出相同质量的焊缝13，有利的是，以激光射线22的不同的作用持续时间来加载工件部分11、12。对此，在区域BI和B2中进行对相对运动R的速度的相应匹配。
[0068]对此，在相对运动R开始时以如下程度降低速度，即，使由具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2发出的激光射线22达到与该激光射线由具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1发出所达到的同样高的强度。以该速度经过第一结构组件35的反射通道33的沿X方向取向的区段。具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1在该时间点上还没运行。在经过该第一区段之后具有较高激光功率的激光辐射发射器21.1被接通，同时相对运动R提高到正常的速度。然后激光辐射发射器21.1和21.2以优化的速度经过结构组件35和36的沿y方向取向的反射通道33。直到激光辐射发射器21.2到达第一结构组件35的反射通道33的沿X方向取向的区段，激光辐射发射器21.1才再次断开，同时相对运动R直到该区段也被焊接起来地减速。
[0069]延伸通过第一结构组件35的反射通道33具有特定的沿z方向延伸的通道深度T。该通道深度以如下方式选择，即，使通常分散地进入到反射通道33中的激光射线22通过在反射的且平行的通道壁面34上的多次来回反射充分混合，并且由此在焊缝13的区域中特别均匀分布地到达工件部分11、12上。焊缝13由此同样被非常均匀地构造。
[0070]由于安设在第一结构组件35的内部，第二结构组件36的反射通道33的通道深度T明显小于在第一结构组件35中的反射通道33的通道深度。但因为在第二结构组件36中的通道壁面34是成角度的，所以在焊缝13与第一结构组件35的反射通道33近似的宽度的情况下可以达到同样的均匀化作用。通过反射通道33呈漏斗形的横截面提高了所期待的激光射线22来回反射的次数，从而在此也可以实现足够的充分混合。这尤其适用于将以快光轴在y方向上定向的直接辐射的高功率二级管激光用作为激光辐射源2。那么，在沿X方向定向的慢光轴上，激光射线22仅达到大约0.5°的单一的散射角，对于在具有很小的通道深度T的反射通道33中的足够的均匀化而言该散射角过小。[0071]除此之外，借助成角度的通道壁面34实现，通过反射通道33的较大的进口可以将激光射线22的较大的份额集中到焊缝13上。因此，相比于竖直的通道壁面可以以相同的激光功率取得较高的强度。
[0072]第二结构组件36的上侧31上处于各个反射通道33之间的区域同样被激光射线22触及。为了使第二结构组件36在该区域中不被加热，用成角度且能反射的辐射偏转器38遮盖住该区域，该辐射偏转器使不可用的激光射线22相对激光射线22的方向偏转大于45°并且将其导入辐射吸收器39中。
[0073]对于区域B2的平行的焊缝13之间的间距足够小的情况，在上侧31上的通道壁面34也可以被汇聚成共同的狭窄的棱边，从而反射通道33的进口在X方向上无间隙地直接彼此排列。由此可以取消辐射偏转器38的应用，并且不可用的激光射线22的份额剩得微乎其微。
[0074]在图2中示出的另一实施例中，均光器3的第二结构组件36和第一结构组件35的下侧32的所有表面处于共同的平面中。由此，均光器3可以放置在所有具有平的表面的能透射的工件部分11上。
[0075]不同特性的区域B1、B2由能吸收的工件部分12的材料形成。对于所应用的激光射线22而言，相比于在具有比较低的吸收度a2的B2中该材料在区域BI中具有比较高的吸收度al。能透射的工件部分11由均匀的、在透射率上没有差别的材料构成。区域B2由均光器3的第二结构组件遮盖而区域BI由第一结构组件35遮盖。
[0076]如图2所示，均光器3具有与第一区域BI相应匹配的第一结构组件35以及与第二区域B2相应匹配的第二结构组件36，通过该第一结构组件，反射通道33针对闭合的且与工件部分11、12的边缘区域连接的焊缝13来实现；通过该第二结构组件，反射通道33针对多个平行布置的且与工件部分11、12的中心连接的焊缝13来实现。
[0077]由于比较高的吸收度al，相比于在具有比较小的吸收度a2的区域B2中，在能吸收的工件部分12的区域BI中需要较小强度的激光射线22以构造焊缝13。为了补偿这个强度差，并且为了可以在激光辐射源2的相对运动R期间将两个区域B1、B2尽可能速度优化且同时地焊接起来，激光辐射源2由两个在外部的与第一结构组件35的反射通道33的沿I方向取向的区段对置的具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2构成。在此，在这些激光辐射发射器21.2之间构造有与第二结构组件36的反射通道33的数量相应数量的具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1。
[0078]为了在不同的激光辐射发射器21.1和21.2在不同的区域BI和B2中在优化的加工时间内保持不变的强度的情况下仍然可以制造出相同质量的焊缝13，工件部分11、12必须以激光射线22的不同的作用持续时间来加载。对此，在区域BI和B2中进行相对运动R的速度的相应匹配。
[0079]对此，在相对运动R开始时以如下程度提高速度，即，从具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1发出的激光射线22仅达到相应于从具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2发出的强度。以该速度经过第一结构组件35的反射通道33的沿X方向取向的区段。经过该区段之后相对运动R下降到正常的速度。然后激光辐射发射器21.1和21.2以优化的速度经过结构组件35和36的沿y方向取向的反射通道33。直到激光辐射发射器21.1到达第一结构组件35的反射通道33的沿X方向取向的第二区段，相对运动R才再次提高，直至该区段被焊接起来。
[0080]同样可行的是，在相对运动R有恒定速度的情况下以降低从具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1发出的激光射线22的强度的方式来工作。在另一在图3中示出的实施例中，均光器3的下侧在第一结构组件BI相对激光辐射源2与第二结构组件B2的相对激光辐射源2的间距之间具有明显的差别。这种的均光器3可以用于沿z方向立体成型的工件部分11、12。
[0081]工件部分11、12的不同特性的区域B1、B2通过焊缝13的位置在不同的焊缝平面中形成，其中，焊缝平面通过焊缝13相对激光辐射源2在z方向上的间距来限定。区域BI具有相对激光辐射源2比较短的间距Si，而区域B2具有相对激光辐射源2比较长的间距s20
[0082]为了容纳这样的工件部分11、12，在图3中未示出的容纳部4具有加深部、止挡部、面或类似机构，它们相应于工件部分11、12的立体形状地成型或布置，并且工件部分11、12在所有三个空间方向上都固定在它们上。
[0083]相比于离激光辐射源2较远的具有较长的间距s2的焊缝平面，由于在第一区域BI中的焊缝平面的较短的间距Si，激光射线22以较高的强度到达工件部分11、12上。为了制造出相同质量的焊缝13必须补偿在不同的间距sl、s2中出现的强度差。对此，给区域BI配设具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2，而给区域B2配设具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1。与之相应，激光辐射源2由两个在外部的与第一结构组件35的反射通道33的沿y方向取向的区段对置的具有比较低的激光功率的激光辐射发射器21.2以及在这些激光辐射发射器21.2之间与第二结构组件36的反射通道33的数量相应数量的具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1构成。
[0084]以具有比较高的激光功率的激光辐射发射器21.1对在区域BI中的焊缝13的沿X方向取向的区段的焊接如在上文所描述的实施例中那样进行。
[0085]显然也可以实现的是，当与激光辐射源2的相应匹配以及对相对运动R以及各个激光辐射发射器21.1,21.2的开关时间点的相应控制通过存储控制单元6来实现时，可以借助该设备焊接如下工件部分11、12，这些工件部分具有多于仅两个的不同特性的区别或由所有三个前面提到的不同特性的区域的组合。
[0086]附图标记列表
[0087]11 能透射的工件部分
[0088]12 能吸收的工件部分
[0089]13 焊缝
[0090]BI 工件部分的第一特性区域
[0091]B2 工件部分的第二特性区域
[0092]dl 比较大的厚度
[0093]d2 比较小的厚度
[0094]Si 比较短的间距
[0095]s2 比较长的间距
[0096]al 比较高的吸收度
[0097]a2 比较低的吸收度[0098]2激光辐射源
[0099]21.1具有比较高的激光功率的激光辐射发射器
[0100]21.2具有比较低的激光功率的激光辐射发射器
[0101]22激光射线
[0102]R相对运动
[0103]3均光器
[0104]31均光器的上侧
[0105]32均光器的下侧
[0106]33反射通道
[0107]34通道壁面
[0108]35第一结构组件
[0109]35.1第一结构组件的外通道壁
[0110]35.2第一结构组件的内通道壁
[0111]35.3接片
`[0112]36第二结构组件
[0113]36.1第二结构组件的外通道壁
[0114]36.2第二结构组件的内通道壁
[0115]36.3框架
[0116]37凸台
[0117]38辐射偏转器
[0118]39辐射吸收器
[0119]T通道深度
[0120]4容纳部
[0121]5运输装置
[0122]6存储控制单元
【权利要求】
1.一种用于借助透射焊接，通过焊缝(13)将两个工件部分(11、12)连接为一个工件的设备，所述焊缝以预先给定的焊缝模版在所述工件部分的不同特性的区域(B1、B2)中延伸，所述设备包括: 容纳部(4)，所述容纳部设计成使两个在X方向和y方向上伸展的工件部分(11、12)彼此定位在笛卡尔坐标系的X方向、y方向和z方向上； 激光辐射源(2)，所述激光辐射源以所述激光辐射源的射出方向指向容纳部(4)并进而指向在所述容纳部中定位的工件部分(11、12)，所述激光辐射源由多个能够单个驱控的沿X方向并排布置的激光辐射发射器构成； 运输装置(5)，所述运输装置用于将激光辐射源(2)相对于容纳部(4)沿y方向相对运输；以及 存储控制单兀(6)， 其特征在于， 沿射出方向在所述激光辐射源(2)之后布置均光器(3)，在所述均光器中设置有至少两个反射通道(33)，所述反射通道在y方向上彼此平行延伸且在z方向上以通道深度(T)完全穿过所述均光器(3)，所述反射通道以相应于预先给定的焊缝模版的方式确定规格并相互布置，并且给所述至少两个反射通道(33)分别配设具有不同激光功率的所述激光辐射发射器(21.1、21.2)中的一个， 所述反射通道(33)具有对置的反射的通道壁面(34)，来自所配设的激光辐射发射器(21.1,21.2)的激光射线(22)中的至少一部分在所述通道壁面上被多次来回反射，并且具有不同的激光功率的所述激光辐射发射器(21.1,21.2)至少包括具有比较低的激光功率的激光辐射发射器(21.2)和具有比较高的激光功率的激光辐射发射器(21.1),以便在各发射出的激光射线的相同的作用持续时间内能够在工件部分(11、12)的不同特性的区域(B1、B2)内同时产生相同质量的平行的焊缝(13)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通道壁面(34)相对于激光辐射源(2)的射出方向成角度地布置，从而使在通道壁面(34)上反射的激光射线(22)具有很陡的反射角，由此能够提高激光射线(22)的反射次数。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，将直接彼此邻接且成角度的通道壁面(34)布置成与激光辐射源(2)的射出方向反向取向的共同逐渐收窄为尖端的棱边，以避免激光功率损失。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在均光器(3)中形成反射通道(33)的通道壁面(34)能够单个地更换且能够自由定位。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，均光器(3)具有由与不同特性的区域(B1、B2)相匹配的结构组件(35、36)构成的模式化构造。
【文档编号】B23K26/06GK103770324SQ201310508531
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】维尔纳·沃尔曼, 克里斯多佛·斯坦纳, 维尔弗里德·克拉默, 亚历山大·福伊特席 申请人:詹诺普蒂克自动化技术有限公司