专利名称：用于借助激光束进行点焊的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助激光束进行点焊的方法，如从DE 10005593C1中已知这 种类型的方法。
背景技术：
与制成两个待焊接的构件的材料无关，在点焊接中取决于两个构件通过预先设定 的数目、配置、形状和大小的焊接点而持久地彼此连接。在多种应用情况中，特别是当点焊 作为塑料的激光透射焊接实施时，导致焊接点在吸收激光的构件方面是不可觉察的。因此，对于工业适用的用于点焊的设备，除了对工具设备的常规的要求如少维护、 轻便、适用材料广泛以及成本小以外，还得出辐射能量均勻地分布在焊接点上的要求。对于本领域的技术人员来说清楚的是，焊接点不理解为数学上理想的点，而是一 个具有预定轮廓的延伸的表面，其通常是圆形的，但例如也可以是矩形。从DE 10005593C1已知一种手动导引或机器导引的独立的用于点焊的设备。所述 设备包含产生激光束的单元，沿辐射方向在所述单元的下游设置射束生成镜组，其这样地 形成激光束，使得在激光束的横截面上能形成环状的或尽量均勻的能量分布并且扩大焊接 点。在射束生成镜组的下游设置一个能在辐射方向上移动的、具有多个功能的空心圆筒。在所述设备处于静止状态时并因此在将所述设备放到两个待焊接的构件上时，空 心圆筒伸出并且因此处于离射束生成镜组尽可能远的地方。在射束生成镜组一侧，空心圆筒在静止状态时通过活门在压力弹簧的作用下封 闭，所述活门用作射束阀门(Strahlfalle)并通过回转铰链固定在设备的壳体上。通过安放具有空心圆筒的自由开口的所述设备，空心圆筒在壳体内克服压力弹簧 的力朝射束生成镜组方向移动。因此，一方面通过空心圆筒将一个增强的力施加到构件上， 这样它们在焊接区域内出现窄的面接触，而另一方面活门同时打开。在空心圆筒处于完全 缩回的状态时，施加到构件上的力这样大，使得它与预定的、专用于待焊接构件的压紧力相 应，并且克服压力弹簧的力，使活门完全打开，因此激光束可以无阻挡地通过空心圆筒射到 构件上。通过使活门到达打开的位置，它操作启动激光束生成单元的开关。在以下描述的发明的意义上，空心圆筒是具有圆环状横截面的管件，因此，所述空 心圆筒用作为机械的构件，通过它的推移最终来操纵一个开关。它也用于在焊接时使得没 有激光束的部分向外到达并且它用作为压紧体，压紧力经由该压紧体作用到构件上。所期望的射束形成通过特定的射束生成镜组来实现。在DE 10005593C1中所述的实施例的区别在于所选择的激光束生成单元的组合 以及构成射束生成镜组的光学元件的选择，以便获得在焊接点中的期望的辐射能量分布。可选择地，对此建议特定的光学元件，例如展象透镜(Axikon)或菲涅尔透镜，确 切地说是特定的激光束生成单元，如内部抽空的大功率纤维激光器。对于自动地引导和操作所述设备，为了双重保险使得当所述单元没有按规定安装 时也没有激光束从单元中射出，激光闸的开启和关闭连同所述设备的安装和取下以及与此CN 102059454 A
说明书
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相关的开关操作是不必要的技术花费。按DE 10005593设备的缺点是，通过确定压力弹簧的尺寸来预先设定所述单元的 压紧力，亦即所述单元对于特定的构件组合是优化的，并且因此不能毫无困难地用于其他 的构件组合，亦即由其他材料或其他尺寸、特别是焊接区域内不同的材料厚度构成的构件。 同样，焊接点的大小是通过射束生成镜组预先规定并且不能改变。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于借助激光束进行点焊的设备，其能够容易制造且 能灵活地适配不同的应用，因为压紧力能够可变地调节并且焊接点大小和形状能够只通过 略微地改变所述设备而改变。该目的通过用于借助激光束进行点焊的设备实现，所述设备包括至少一个焊接单 元，所述焊接单元具有一个光轴，沿着该光轴设置一个大功率二极管激光器、射束生成镜组 和管件以及构件接纳装置，待焊接的构件能够相对于焊接单元定位在所述构件接纳装置 上。此外，所述设备还包括用于在光轴方向上在背离射束生成镜组的管件自由端和待焊接 的构件之间产生压紧力的机构。大功率激光器、射束生成镜组和管件通过一个壳体相互固 定地设置，并且管件的内圆周表面对于激光束是反射的。射束生成镜组设计成使得它将来 自大功率二极管激光器的激光束转变成发散的激光束，其中通过在管件内圆周上的多次反 射使射束横截面与管件的空腔的横截面相匹配，以及使所述激光束在射束横截面上的辐射 强度分布变得均勻。理想的是，射束生成镜组使激光束这样地匹配管件，使得它在管件内部通过完全 反射来继续传输。有利的是，所述设备包括多个焊接单元，所述焊接单元的数目和配置与焊接点的 数目和配置相互匹配，待焊接的各构件要经由所述焊接点应彼此连接，由此所有的焊接点 能够同时制造。这种构件专用的设备当然只适合用于特定的焊接点图案，所述焊接点图案 由焊接点的数目和配置构成。与只包含一个焊接单元的设备和通过所述设备相应地只能一个接着另一个地制 造各个焊接点相比，当然例如具有两个焊接单元或三个设置在一条直线上的焊接单元的设 备也是有利的。借助这种设备，可以成组地依次制造焊接点，或者只要同时使用多个设备， 就可以成组地同时制造焊接点。因此就可以制造不同的焊接点图案，其当然不会产生各焊 接点的距离的变化，这在具有仅仅一个焊接单元的设备上一直是可能的。有利的是，管件的由多个焊接单元的配置得出的配置能通过一个设有一定数量的 穿孔的金属块来构成，所述穿孔的数目和配置与焊接点的数目和配置相同。特别有利的是，通过选择管件横截面的大小和形状预先设定焊接点的大小和形 状。对于焊接点，代替常规的圆形，矩形经常是更合适的。管件可以低成本地制造，而与它 的横截面形状和大小无关。长度这样地选择，使得通过在管件内的多次的反射进行足够好 的均勻化，这导致在焊接点内部的均勻牢固的焊接连接。为了使管件末端压在待焊接的构件上的压紧面与所选择的管件横截面无关地构 成，有利的是在管件自由端上安装一压紧体。有利的是，压紧体可以是环形的一个扁平圆盘、一个封闭管件自由端的平板或一个十字型元件。借助环形的扁平圆盘，压紧面的大小和形状可以相对于裸露的管件末端而改变， 其中，射束可以毫无阻碍地穿过环中心。也就是说在焊接点的中间区域，待焊接的两个构件 不是彼此紧压的。通过使用十字型元件作为压力元件，待焊接的各构件在中间区域也根据十字形状 局部地压在一起。在十字型元件上的附加的反射进一步均勻地起作用。借助封闭管件末端的、由激光束能透过的材料制成的平板，待焊接的构件通过焊 接点整面地压在一起，这特别是在焊接薄膜时可以是有利的。有利的是，用于产生压紧力的机构是具有压力腔室和缸活塞的气动缸。特别有利的是，压力腔室通过管件构成，所述管件在射束生成镜组的一侧通过激 光能透过的平板来密封，且连同壳体一起与机架固定地保持。在管件内导引的、也同样用激 光能透过的材料制成的缸活塞通过在压力腔室调节的超压而产生的压紧力而紧贴在待焊 接的构件上。有利的是，压力腔室也能够与机架固定地安装在壳体的上方，并且缸活塞通过推 杆与压紧板固定地连接，所述压紧板与壳体相连，所述壳体在机架上通过直线导向装置能 沿光轴的方向移动。与机架固定地安装是指例如固定地安装到横梁或机器人臂，它在焊接过程中是固 定的且能承受反作用力。有利的是，用于产生压紧力的机构也可以仅仅是安放到待焊接的构件上的、用超 压加载的管件，所述管件在射束生成镜组的一侧通过激光能透过的平板来密封。在这种情 况下，所述设备并且因此管件也与机架固定地保持。
下面借助附图示例性地详细地阐述所述设备。其中图1示出用于具有一个焊接单元的用于点焊的设备的第一实施例的原理简图；图2示出具有多个焊接单元的第二实施例的零件分解图；图3a_3c示出管件的不同横截面；图4a_4d示出用于构成压紧面的不同实施例；图5a4b示出用于产生压紧力的机构的不同实施例。
具体实施例方式在图1中示出了用于借助激光束进行点焊的设备的第一实施例。该设备主要包括发射激光束6的大功率二极管激光器1、沿射束方向设置在下游 的射束生成镜组2以及管件3，它们共同设置在一个光轴4上并且通过壳体5彼此固定地连接。有利的是，大功率二极管激光器1可以是由多个单独的激光二级管组成的二极管 激光器条，它总体上构成为例如IxlOmm的发射列并且在其上游设置有一个准直镜组。预准直的激光束6通过设置在下游的射束生成镜组2这样地扩张，使得它完全射 进管件3中并且具有一个发散角度，所述激光束在穿过管件时导致多重反射。为了具有尽可能小的辐射损失，应该有利地通过完全反射来实现多重反射。为了实施该方法，将该设备安装到两个按规定彼此接合的待焊接的构件7. 1,7. 2 上，它们这样地保持在构件接纳装置8中，使得与光轴4相同的管件轴线垂直地竖立在第一 构件7. 1的表面上。借助于预先规定的压紧力F将管件3压到待焊接的构件7. 1、7. 2上，其中，压紧力 F在这里示出的第一实施例中通过气动缸9产生。气动缸9由压力腔室10和通过推杆12与压紧板13固定连接的缸活塞11构成。压力腔室10在壳体5的上方固定在机架17上，并且压紧板13通过沿光轴4方向 导引的推杆12压在壳体5上，所述壳体在机架17上能够沿着直线导向装置18在光轴4的 方向上移动。通过调节在压力腔室10中的设定的超压，两个构件7. 1,7. 2以预先选定的压 紧力F压在一起。机架17应该理解为一个刚性的立柱、横梁(所述设备在该横梁上能水平移动)或 者是机器人的臂。图2示出了用于点焊的设备的第二实施例。在这里示出的待焊接的构件7. 1,7. 2要制造出例如十二个焊接点，它们相互间具 有同样的间距并且位于形成矩形的一条线上。焊接点本身具有同样的大小并且是矩形的， 以便能够例如在两个在第一构件7. 1上构成的接片之间制造一个足够大延伸的焊接点。焊 接点以其形状、大小以及配置彼此间构成焊接点图案。按在这里示出的实施例的设备构件专用地与焊接点图案相匹配并且相应地包括 与设置用于连接两个特定的构件7. 1,7. 2的焊接点数目相同的焊接单元。所述焊接单元安 置在一个共同的壳体5内，并且与在图1中所示的实施例一样，压紧板13作用在壳体5上， 该压紧板通过推杆12与气动缸9的在这里没有示出的缸活塞11相连接。属于焊接单元的 管件3以其自由端从壳体5中伸出来并固定在一个共同的保持框架14中。所述共同的保持框架14与管件的自由端的距离足够大，以便不会妨碍安装到第 一构件7. 1上，尽管有伸出一定高度的接片。代替具有管件的保持框架14，所述管件通过为此设置的穿孔导引，也可以使用整 体的金属块，在所述金属块中按照与焊接点图案相应的配置和横截面制出各穿孔。虽然这 样的金属块相对更重，但是其生产尤其是安装却更简单。该设备总体来说是较牢固的，并且 代替通过管件末端或固定在所述管件末端上的压紧体构成的多个压紧面，可能存在仅仅一 个包含所有焊接点的压紧面。在图3a至3c中示例性地示出了管件3的可能的实施方式的三种横截面形状。如 图2所示，如果用于焊接点的空间是受到限制的，则不同于圆形的横截面形状可以是特别 有利的。图如至4d示出了不同的可能性，如原则上通过管件的横截面预先规定的压紧面 可以通过所接合的不同形状和大小的压紧体来改变，以便影响焊接点的质量。根据图4a，压紧面通过管件横截面本身来确定。根据图4b，套装一个扁平圆盘15. 1，而根据图4c，扁平圆盘15. 1插入到管件自由端中。图4d示出了能嵌入到管件自由端上的十字型元件15. 2。
图fe和恥示出了用于产生压紧力F的机构的其他的实施可能性。而在图fe中，管件3构成为朝构件7. 1,7. 2开口的腔室，所述腔室通过安装到第 一构件7. 1上而被封闭，从而在用压缩空气填充时，所述压缩空气直接压到第一构件7. 1的 表面上，在图恥中所示的通过管件3构成的压力腔室10中，在用压缩空气填充时激光能透 过的缸活塞11作用在构件7. 1,7. 2上。在这两种情况下，所述设备与机架固定地保持，以 便能够承受与所产生的压紧力F相等的反作用力。在上述的实施例中，构件接纳装置8相应地固定地定位，并且与壳体5固定连接的 管件3或在其中导引的部件压到待焊接的构件上。同样地，壳体5可通过管件3固定地定位并且待焊接的构件(接合对)压到管件自 由端上，也就是说压紧力F然后通过构件接纳装置8传递到待焊接的构件7. 1、7. 2上。然 后构件接纳装置8在直线导向装置18中可沿光轴4的方向移动，以便构件7. 1、7. 2以预先 设定的压紧力F压到管件3上。按本发明的设备是相对较轻且非常紧凑的。作为介质供给，它只需要电流和冷却 水。这些介质可以灵活地借助于电线和软管供给。由此，所述设备可以通过机器人或轴系 统以高的动力学性能(也就是说短的循环时间)和高的定位精度引导到相应的焊接点位置 上，并且使一个或多个管件末端与待焊接的构件相匹配。附图标记列表1大功率二极管激光器2射束生成镜组3 管件4 光轴5 壳体6激光束7. 1待焊接的第一构件7. 2待焊接的第二构件8构件接纳装置9气动缸10压力腔室11缸活塞12 推杆13压紧板14保持框架15. 1扁平圆盘15. 2十字型元件16 平板17 机架18直线导向装置F压紧力
权利要求
1.用于借助激光束(6)进行点焊的设备，包括至少一个焊接单元，所述焊接单元具有一个光轴(4)，沿着该光轴设置大功率二极管激 光器(1)、射束生成镜组(2)和管件(3)以及构件接纳装置(8)，待焊接的构件(7. 1,7. 2) 相对于焊接单元定位在所述构件接纳装置上，用于沿光轴(4)方向在背离射束生成镜组(2)的管件自由端和待焊接的构件(7. 1、 7.2)之间产生压紧力(F)的机构，其特征在于，大功率激光器(1)、射束生成镜组(2)以及管件(3)通过一壳体(5)彼此 固定地设置，管件(3)的内圆周表面对于激光束(6)是反射的，射束生成镜组(2)设计成使得它将来自大功率二极管激光器(1)的激光束(6)转变成 发散的激光束(6)，其中通过在管件(3)内圆周上的多次反射使射束横截面与管件(3)的空 腔的横截面相匹配，以及使所述激光束在射束横截面上的辐射强度分布变得均勻。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括多个焊接单元，所述焊接单 元的数目和配置与焊接点的数目和配置相互匹配，待焊接的各构件(7. 1,7. 2)要经由所述 焊接点应彼此连接，由此能够同时制造所有的焊接点。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，各管件的由多个焊接单元的配置形成的 配置通过一个设有穿孔的金属块构成，所述穿孔的数目和配置与焊接点的数目和配置相 同。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过选择管件横截面的大小和形状预先 设定焊接点的大小和形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在管件(3)的管件自由端上安装有压紧 体，以便获得与管件横截面不同的压紧面。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，压紧体是扁平圆盘(15.1)。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，压紧体是十字型元件(15.2)。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，压紧体是封闭管件(3)的管件自由端的平 板(16)，所述平板由激光束(6)能透过的材料制成。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于产生压紧力(F)的机构是气动缸 (9)，所述气动缸具有压力腔室(10)和缸活塞(11)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，压力腔室(10)通过管件(3)构成，所述 管件在射束生成镜组(2)的一侧通过激光能透过的平板(16)来密封并且缸活塞(11)也由 激光能透过的材料制成，所述缸活塞在管件(3)中导引地紧贴在待焊接的构件(7. 1,7. 2) 上。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，压力腔室(10)与机架固定地安装在壳 体(5)的上方，且缸活塞(11)通过推杆(12)与压紧板(13)固定地连接，所述压紧板与壳 体(5)相连，所述壳体在机架(17)上通过直线导向装置(18)能沿光轴(4)的方向移动。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于产生压紧力(F)的机构是安放到待 焊接的构件(7. 1,7. 2)上的、用超压加载的管件(3)，所述管件在射束生成镜组(2)的一侧 通过激光能透过的平板(16)来密封。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助激光束(6)进行点焊的设备，其中激光束(6)通过管件(3)引导到待焊接的构件(7.1、7.2)上。通过在管件内部的反射来形成激光束(6)的射束横截面，并且使在射束横截面上的辐射强度分布变得均匀。同时通过管件(3)将压紧力(F)施加到待焊接的构件(7.1、7.2)上。借助多个激光束(6)可制成简单的、牢固的、构件专用的设备，管件(3)设置在所述激光束的下游，通过所述设备，能够同时生成多个或所有用于连接两个构件(7.1、7.2)的焊接点。
文档编号B23K26/06GK102059454SQ20101054012
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者J·朗格巴赫, S·菲施巴赫, W·克雷默, W·沃尔曼 申请人:詹诺普蒂克自动化技术有限公司