通过激光焊接沿焊缝结合的两个热塑性部分的方法和装置与流程

本发明涉及一种通过激光焊接由热塑性合成材料制成的、沿着焊缝被结合的两个部分的方法和装置，该方法和装置具有分别在权利要求1和12的前序部分中说明的特征。

例如从DE 10 2004 056 782 A1或DE 10 2007 049 362 A1中已知这种结合技术。大体上在这种情况下，沿着将被产生的焊缝在操作场使用激光束照射将被结合的两个适当安装和夹紧的部分，其中，使用与将被产生的焊缝路线相对应的控制数据，通过相应的控制方法来控制激光束的光束方向。另外，在这里已知可以使用所谓的轮廓焊接实现沿着焊缝的照射，其中，通过激光束照射每个焊缝位置一次。作为替代，也可以实现准同期焊接，其中，在短时间间隔内在焊缝路线上方多次引导激光束。

另外，从所提出的文献中已知焦点区域，即特别是结合平面上的光束直径，比将被产生的焊缝的宽度小。为了产生具有相应的宽度的焊缝，上述DE 10 2004 056 782 A1提出：以沿着将产生的焊缝的路径的主要顺向进给方向的第一运动分量和以具有摆动幅度宽度的与第一运动分量叠加的第二摆动运动分量移动激光束及其焦点区域，以覆盖横向于主要顺向进给方向的焊缝宽度。例如，在圆形的摆动运动分量叠加到沿着主要顺向进给方向的直线运动上的情况下，由此得到激光焦点的螺旋形延伸路径，其中，根据摆动频率和顺向进给速率之间的比例，连续的螺旋形画线更加强烈地或更加不强烈地彼此覆盖。总而言之，通过在结合平面上的激光焦点照射的区域上供应热量，两个将被结合的部分中的至少一个的热塑性材料被熔化，通过将被结合的第二部分的热传导和熔化，在两个将被结合的部分之间实现焊接。

关于焊接设备技术，大体上使用对光束偏转的检流计扫描仪实现上述焊接方法，可以通过相应的偏转在确定的操作场上方引导激光束通过该检流计扫描仪。在这种情况下，在成像光学中使用所谓的f-θ透镜，该f-θ透镜具有将通过透镜射下的光束聚焦到光轴侧面，从而焦点位置布置在与光束直接在光轴上延伸的情况下相同的平面上的性能。这种f-θ透镜典型地由2至4个非球面透镜的组合构造成，这些非球面透镜被设计成具有一个形状，使得焦点位置调节对于给定的波长运行良好。

在激光焊接的情况下，过程管理和控制希望将诸如高温计那样的测量装置联接到光束路线中。然而，由于f-θ透镜，如果扫描仪偏转越来越大，则焊点和高温计的光轴可能发生侧向偏移远离。在这种情况下，不再保证通过高温计检测焊点。

现在，如果省略f-θ透镜，则出现这样的问题，随着与激光设备的光轴的偏转的增大，即随着激光束在结合平面上的入射角的增大，激光束布置成其焦点在结合平面之外并由此散焦，焊点由此变得更大。

另外，如果结合平面相对于焦点位置移动，例如，如果两个将被结合的部分沿着焊缝呈现至少轻微台阶式的路线，则也观察到激光束的散焦。

实际上，上述散焦现象本身关于对结合平面的能量输入是可容许的，然而，在给定摆动幅度宽度的情况下，由于焊点随着与光轴的偏转增大而变宽，横向于主要顺向进给方向的照射区域变大，从而焊缝也变得更宽。

因此，本发明的目的是提供一种焊接两个将被结合的部分的方法和相应的装置，其中，在不使用f-θ透镜的情况下保证限定的焊缝宽度，而不论激光束在结合平面上的偏转角度和/或焦点位置与结合平面的相对位置。

通过在权利要求1的特征部分中说明的控制方法实现该目的，根据权利要求1，根据结合平面上的光束尺寸(特别是光束直径)相反地调节摆动幅度宽度，使得激光束扫描的光束场的宽度与焊缝宽度相对应，而与沿着关于具有焊缝宽度的主要顺向进给方向的横向方向的光束尺寸无关。

换句话说，在结合平面上的光束尺寸变宽的情况下，即例如在相对较大的光束直径的情况下(其中激光束更加强烈地偏转)，摆动幅度宽度减小，从而激光束扫描的通路(在该通路中产生焊缝)的最大宽度与目标焊缝宽度一致。

关于装置技术，使用这种控制方法在其扫描仪装置中控制根据权利要求12所述的本身已知的焊接装置。

根据本发明的焊接系统的特征在于在合成材料焊接的情况下，在多种不同的要求场合中灵活使用的可能性。通过与已知系统相比较，通过使用具有高光束质量的激光可以实现增大的操作场，同时具有小的焊点。不仅可以特别地实现对散焦的补偿，而且通常可以经由对摆动幅度宽度的控制容易地实现对焊缝宽度的灵活调节。最后，例如通过高温计的智能过程控制可以容易地集成在相应的焊接系统中，因为不存在与如所描述的那样在现有技术中使用的f-θ透镜相关的限制。

从属权利要求说明了根据本发明的方法的优选的进一步发展。因此，通过圆形运动产生叠加在第一直线运动分量上的激光束的第二摆动运动分量是有利的。可以大体上通过纯圆运动、椭圆循环运动或例如竖直的或水平的数字8形的封闭的摆动曲线产生该摆动运动分量。在各种情况下，根据结合平面中出现的光束直径调节摆动幅度宽度，使得产生恒定的目标焊缝宽度。

由于激光束关于给定的焊接系统的光束方向与结合平面上的焦点尺寸存在已知的关系，因此可以在对激光束的光束方向的控制数据的基础上，使用简单的控制技术根据激光束的光束方向调节相应的摆动幅度宽度。因此，可以使用激光束的偏转角度作为指定摆动幅度宽度的基础，该偏转角度是确定光束方向的参数。

对摆动幅度宽度的上述说明附加地或替代地，使用根据本发明的方法，也可以补偿将被结合的部分的有限的三个维度，例如也可以在结合平面的台阶路线的情况下补偿，以对应于光束直径在由台阶导致的结合平面中的变化调节摆动幅度宽度。然后可以使用存储在焊接系统的控制器中的将被结合的两个部分的形状数据来指定摆动幅度宽度。

按照根据本发明的方法的另一优选实施例，可以调节将在结合平面处被结合的两个部分之间的结合平面下方的操作场的中心区域或分别的将在结合平面处被结合的两个部分之间的结合平面上方的操作场的边缘区域的焦点位置。因此，沿着两个方向实现光束尺寸在整个操作场上的最小的可能的变化。

第二运动分量的优选的摆动频率布置在kHz范围内，优选地介于0.25kHz和12kHz之间，特别的优选方案介于3kHz和6kHz之间。

关于在根据本发明对摆动幅度宽度进行补偿的情况下省略f-θ透镜的可能性，操作场可以包括介于约500×500mm²和1200×1200mm²之间，优选地约650×650mm²的面积。

激光光学仪器的设计是优选的，使得激光束的焦点包括从0.3mm至0.7mm，优选地是0.4mm的最小光斑直径。该尺寸允许足够大的加工窗口来通过叠加顺向进给和摆动运动产生具有毫米范围内的焊缝宽度的焊缝。

以一种有利的方式，使用具有在M²＝1.0-1.4的范围内的高光束质量的光束产生光束。因此创造出在结合平面的区域实现较高的辐射的条件。

按照根据本发明的方法的另一优选的进一步发展，由于准直和聚焦光学仪器沿着光束方向布置在扫描仪装置上游，激光束的光束直径布置在介于3mm和10mm之间的范围内，使得大体上在反射光束直径区域中使用的扫描镜可以经受受限制的光照。

本发明还涉及一种用于优选地使用激光传输过程焊接由热塑性合成材料制成的沿着焊缝被结合的两个部分的装置，该装置具有：

激光源，

用于将被结合的部分的夹持装置，

光学激光束调节器，尤其包括准直和聚焦透镜光学仪器，和

扫描仪装置，该扫描仪装置用于沿着在将被结合的两个部分之间形成的焊缝，在操作场上方引导激光束。

根据本发明的装置的特征在于扫描仪装置受根据本发明的控制方法控制，使得根据结合平面上的光束尺寸相反地调节摆动幅度宽度，使得沿着关于主要顺向进给方向的横向方向的激光束扫描的光束场的宽度与焊缝的目标宽度相对应。

关于根据本发明的该装置的优点，可以参考与相应的控制方法相关的相应考虑。

根据一个优选实施例，在这种情况下为焊接装置使用纤维激光器。最好通过单模光纤实现光束耦合。由于该具有良好的光束质量的激光与扫描仪装置相结合，可以同时实现较大的操作场和较小的光束直径。另外，在这种情况下也实现了光束焦点的较大的瑞利(Raleigh)长度。

原则上，可以使用摆镜装置作为扫描仪装置，该摆镜装置保证了激光束沿着焊缝方向的顺向进给运动和横向于该运动的摆动运动。这代表了在装置技术方面的合理变型。

然而，作为替代方案，可以提供用于产生激光束沿着主要顺向进给方向的第一运动分量的第一扫描仪单元和连接在第一扫描仪装置上游的用于产生横向于主要顺向进给方向的第二运动分量的第二扫描仪单元。通过负责光束偏转的部件的去耦合，可以使光束的偏转以最佳方式适应于分别所需的动态。因此，第二运动分量在kHz范围内的摆动明显更加动态，但是提供了比沿着主要顺向进给方向的运动小得多的幅度。沿着主要顺向进给方向的运动例如在每秒几百至几千毫米的量级范围内的顺向进给速率下进行。

关于用于产生第二运动分量的摆动的扫描仪单元，可以提供共振扫描仪或声光偏转器。

最后，在另一优选实施例中，在扫描仪单元中使用由石英玻璃制成的镜子。这背离了传统的由碳化硅制成的镜子，尽管由碳化硅制成的镜子更轻并且由此易于进行高频扫描运动。然而，碳化硅材料对于经过镜面层的激光的剩余辐射的吸收能力存在问题，这导致碳化硅衬底发热。这导致衬底和扫描仪装置之间的粘合点失效的风险。相比之下，石英玻璃对于在这种情况下所使用的IR辐射不具有吸收性。经过镜面层的剩余辐射在扫描仪壳体或相应的辐射捕集器中被吸收。因此，在根据本发明的焊接系统中，可以使用具有明显较高的辐射的激光。

在下文基于附图对本发明的示例性实施例的描述中指明本发明的其它特征、细部和优点。附图示出：

图1是激光焊接装置的示意图，

图2是激光焊接装置的操作场在结合平面上的高度放大平面示意图，

图3A和3B是图2的示出取决于光束直径的摆动幅度宽度的细部，和

图4A和4B是通过将在结合平面的突然变化区域被垂直于该结合平面结合的两个部分的示意性高度放大细部部段。

如图1很明显的那样，根据本发明控制的激光焊接装置包括纤维激光器1作为辐射源，该纤维激光器1的激光束2经由单模光纤3联接到系统中。在本文中，激光束2从光纤3供应到准直装置4，该准直装置4包括准直透镜5。

以这种方式瞄准的激光束2通过具有确定的焦距的聚焦透镜6聚焦。

对应于将被说明的控制方法，通过扫描仪装置7将聚焦后的激光束2引导到将被结合的两个部分8、9上，并且在该部分8、9上一方面沿着第一运动分量导向，以沿着主要顺向进给方向H在结合平面F上形成焊缝S。在本文中，两个将被结合的部分8、9通过夹持装置10保持成彼此充分接触，从而可以使用已知的激光透射焊接产生焊缝S。因此，将被结合的上部8能透过激光束2，而将被结合的下部9具有吸收性。激光束2的辐射能通过热传导导致将被结合的下部9熔化，将被结合的上部8也被熔化，并且沿着激光束2的路径形成两个将被结合的部分8、9之间的物质配合。

另一方面，由于光束直径d显著小于将被设置的焊缝的目标宽度B，为了覆盖目标宽度B，激光束2设置有横向于主要顺向进给方向H的第二摆动运动分量，该第二摆动运动分量例如可以是约介于3和6kHz之间的高频圆形运动。因此，通过叠加在沿着主要顺向进给方向H的运动上，得到了图2中容易看到的激光束2的螺旋运动。根据沿着主要顺向进给方向H的速率和横向于该方向H的摆动运动分量的摆动频率之比，连续的螺旋路径较大或较小程度地彼此覆盖。

在给定的临界条件下，将被结合的部分8、9也都可以以其它方式大体上能透过激光束2。尽管如此，在激光束2的高度聚焦下，给定的剩余吸收能力足以实现足够的能量吸收和两个将被结合的部分8、9的熔化。EP 1 098 751 B1描述了一种相应的方法，由于在1.8-2.2μm的波长范围内的本质吸收，可以根据该方法加工两种高度透明的材料。

在扫描仪装置7中，图1仅示意性地示出了一个扫描镜11。通常，为了覆盖二维操作场A(图2)，使用两个扫描镜，各扫描镜允许激光束2分别沿着轴线x或y偏转。激光束2在扫描镜11上的光束直径s在本文中大约布置成介于3mm和10mm之间的大小。

可以再次参考图1说明如在引言中描述的本发明的潜在问题。因此，垂直地冲击在将要结合的部分8、9上的激光束2布置在焊接装置的操作场A的中心，并且包括较小的直径，即小光束直径d。

在激光束2从中心区域向外偏转，使得光束方向R与结合平面F呈现小于90°的入射角W的情况下，扫描镜到结合平面F的光学路径变长，并且——由于没有使用f-θ透镜补偿——激光束2的焦点f相对于结合平面F向上移动。因此，在两个将被结合的部分8、9之间的结合平面F的区域中的光束直径d变大，其形状至少轻微地是椭圆形。

在放大的图2中，示意性地提出在结合平面中的光束直径d随着激光束2从中心区域向外偏转的增加而变化。在操作场A的中心区域中，光束直径d很小，而在操作场的边缘区域中，光束直径d'很大。现在，为了保证增大的光束直径d'不导致更宽的焊缝S，调节摆动幅度宽度OAW(该摆动幅度宽度OAW作为图2中对应于光束直径d，即对应于由此产生的激光束2的偏转和入射角W的虚线被输入)，使得独立于操作场A中的位置和偏转，横向于主要顺向进给方向H的光束场总是由激光束2覆盖，该光束场对应于焊缝S的目标宽度B。在中心区域，由此摆动幅度宽度OAW由于较小的光束直径d而较大，在边缘区域与此相反。较小的摆动幅度宽度OAW'补偿了较大的光束直径d'。

通过说明，在图3A和B中使用激光束2的纯圆运动更加清晰地表示这一关系。图3A表示在操作场A的中心区域的情况。光束直径d较小，从而摆动幅度宽度OAW较大，以对应于焊缝S的目标宽度B调节光束场。

在图3B中，示出具有偏转的激光束2的情况，从而光束直径d'与图3A中的情况相比较大。因此，摆动幅度宽度OAW'被调节成较小，从而焊缝S的目标宽度在该焊缝S保持不变的情况下产生。

在图4A和B中，示出一种情况，该情况再现了在两个将被结合的部分8、9的表面形貌中的台阶12上的行程。在图4A中，激光束2较轻微地偏转，从而入射角W布置成约90°。原则上，在这种情况下，应当注意，焊接系统被设计成使得在不偏转的激光束即90°的入射角的情况下，焦点f布置在两个将被结合的部分之间的结合平面F的略下方。随着激光束2的偏转增加，如图4A中左侧的虚线所示，焦点f偏移到结合平面F上并且然后向上超出该结合平面F。该设计意味着与在非偏转激光束2的情况下，焦点布置在结合平面F上的系统设计相比，显著减小了光束直径d在操作场A的宽度上的变化。

现在，图4B示出在台阶12上行进之后的情况，其中，激光束2的光学路径必须行进，直到结合平面F，该光学路径至少增长台阶12的高度。除此之外，观察到通过具有入射角W'的更大的偏转的光学路径的进一步放大图，从而激光束以更大的光束直径d'冲击结合平面F。在这里同样地，为了补偿，摆动幅度宽度OAW与图4A的情况相比减小了，如通过图4A和B所插入的两个平面图的比较可以看到的那样。

在这种情况下中，一方面，经由存储在控制器中的将被结合的部分8、9的形状坐标，在激光束运动的控制中，通过软件可以将台阶12包括在其中。另一方面，还可以在通过扫描仪实现的距离测量的基础上，例如在共聚焦、色度测量或激光三角测量的基础上进行控制参数的调节。