用于焊接工件的激光接合方法和激光接合装置与流程

本发明涉及一种用于连接不同工件的激光接合方法，所述工件由塑料或带有其它材料的塑料构成，其中，面向激光源的第一工件由对于激光射束而言透明的材料构成，并且另一个第二工件由对于激光射束而言起吸收作用的材料或由对于激光射束而言透明的带有起吸收作用的覆层或带有起吸收作用的中间薄膜的材料构成，从而使得这两个工件的彼此毗邻的连接接触面在激光的作用下熔化并且在紧接着的冷却的情形中在施加压力的情况下相互连接，并且为了施加压力而借助于夹紧设备将待连接的工件彼此挤压，为此，工件布置在支撑元件与可加载以夹紧力的、搭接第一工件的以及对于激光而言绝大部分透明的夹紧元件之间，并且其中，使用具有掩膜结构的掩膜(maske)，所述掩膜仅在连接接触面的区域中对于激光而言是可透过的，以便在第二工件的情形中仅使连接接触面塑化，其中，所述掩膜结构大于激光射束的所使用的波长，并且所述激光射束或者线形地成形且相对于工件和掩膜运动或者面型地成形且静止地朝着工件和掩膜指向，并且其中，至少面向激光源的第一工件由三维的成形部件形成，其至少在面向夹紧元件的第一轮廓侧上和/或在面向第二工件的第二轮廓侧上是不平的，并且夹紧元件在其贴靠侧处与第一工件的第一轮廓侧相匹配。

此外，本发明涉及一种用于连接由塑料或带有其它材料的塑料构成的不同工件的激光接合装置，所述激光接合装置带有专利权利要求6的前序部分的特征，所述激光接合装置适用于执行前面所描述的方法。

背景技术

利用使用掩膜(掩膜焊接)用于遮掩不需焊接的区域的激光透射焊接(laserdurchstrahlschweißen)是现有技术并且尤其在2d工件中或在相对平坦的3d工件中被成功使用。在此，借助于线形的激光射束将结构化的掩膜的信息传递到处于其下方的工件上。激光射束在掩膜的结构化的面的区域中传送并且击到工件上，而与此相对，工件在掩膜的未结构化的表面的区域中被遮掩，且因此激光射束不到达工件。在此，经常将经金属化的玻璃板用作为掩膜，通过结构化将焊接轮廓的信息带入到所述玻璃板中。这能够例如通过腐蚀或者通过激光烧蚀来发生。

由文件ep0997261a1已知一种这种类型的激光接合方法和一种用于连接由塑料或带有其它材料的塑料构成的不同工件的装置，其中，面向激光源的上方的工件由对于激光射束而言透明的材料构成，并且第二工件由对于激光射束而言起吸收作用的材料构成，从而使得这两个工件的彼此毗邻的接触面熔化并且在紧接着的冷却的情形中在压力下相互连接。在此，为了在接触面的确定的接合区域中连接所述工件，在激光源与待连接的工件之间布置或布置有由不可透激光的材料构成的掩膜，所述掩膜的掩膜结构大于激光射束所使用的波长，其中，使所述激光源如此适应于接触面或所述激光源对于接触面是如此适应的，使得在该接触面处出现线，并且激光射束和掩膜与工件一起运动或激光射束与掩膜和工件一起运动。

如果至少透明的第一3d工件不是构造得相对平坦，而是具有若干厘米的高度，并且待连接的工件尤其具有成型的相对于水平线斜倾的自由成形面，那么由文件ep0997261a1已知的传统的掩膜焊接却碰着限制。这由如下引起，即，在该传统的掩膜焊接的情形中，掩膜处于自由成形面的最高点的上方，并且通常相对于该最高点以高度间距布置。由于激光射束的不可完全避免的发散而适用于，掩膜远离焊接平面越远，掩膜的结构就必须选择得越小，以便呈现出所需要的成像(abbildung)。此外适用于，掩膜远离焊接平面越远，通过在掩膜与焊接平面之间不同材料处的折射所产生的成像就更容易受干扰。即，成像精度随着掩膜与焊接平面之间的增加的间距而变差，并且附加地与射束源的发散有关。由此，在传统的掩膜焊接的情况下，结构大小、遮掩和工件高度起重要作用并且呈现出涉及可应用性的重要限制。

技术实现要素：

由此出发，本发明基于以下任务，即如此进一步开发已知的掩膜焊接方法，使得未相对平坦地构造的专门地带有成型的自由成形面的3d工件也尤其能够有效地且可靠地焊接在透明的工件的、面向激光的上侧上。

根据本发明，该任务通过一种带有独立专利权利要求1的特征的激光接合方法以及通过一种带有并列的独立专利权利要求6的特征的激光接合装置来解决。

在所提出的用于连接由塑料或带有其它材料的塑料构成的不同工件的激光接合方法中，根据本发明，掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处和/或构造在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处。

在此，使用如下工件，从其中面向激光源的第一工件由对于激光射束而言透明的材料构成，并且另一个第二工件由对于激光射束而言起吸收作用的材料或由对于激光射束而言透明的带有起吸收作用的覆层或带有起吸收作用的中间薄膜的材料构成，从而使得这两个工件的彼此毗邻的连接接触面在激光的作用下熔化并且在紧接着的冷却的情形中在施加压力的情况下相互连接。为此，为了施加压力而借助于夹紧设备将待连接的工件彼此挤压，其中，工件布置在支撑元件与可加载以夹紧力的、搭接第一工件的以及对于激光而言绝大部分透明的夹紧元件之间。

在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处的和/或在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处的掩膜结构仅在连接接触面的区域中对于激光而言是可透过的，以便在第二工件的情形中仅使连接接触面塑化，其中，掩膜结构大于激光射束的所使用的波长。在根据本发明的激光接合方法中，使用线形地或面型地成形的激光射束。在第一情况下，激光射束相对于工件和掩膜运动，在第二情况下，静止地朝着工件和掩膜指向。在两个前面提及的情况下，使用面向激光源的第一工件，所述第一工件构造为三维的成形部件。该三维的成形部件在面向夹紧元件的第一轮廓侧上和/或在面向第二工件的第二轮廓侧上是不平的，也就是说其在该处具有突出部和/或凹口。在此，夹紧元件在其用于第一工件的贴靠侧处与第一工件的第一轮廓侧(也就是说在背离第二工件的侧上)相匹配。如果第一工件在相对激光源指向的侧上构造成没有凹陷部和隆起部，从而使得相应的第一轮廓侧是平面的，那么夹紧元件的所关联的贴靠侧优选同样平坦地构造。如果第一工件在相对激光源指向的侧上具有凹陷部和隆起部，那么夹紧元件的关联于这个第一轮廓侧的贴靠侧优选相应地不平地构造。这促使，一方面夹紧元件完全地贴靠在第一工件处，并且另一方面第一工件均匀地被加载以夹紧力，且因此这两个工件被如此夹紧在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间，使得在工件的连接接触部位处到处都存在在很大程度上相同的接触压力，并且所述接触压力能够被维持。

通过使掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处和/或构造在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处，所述掩膜结构布置在第一工件的自由成形面的最高点处和/或布置在所述最高点下方。尽管激光射束的不可完全避免的发散，由此仍减少了在掩膜与焊接平面之间不同材料处的可能的折射的危险，并因此改善了在工件的连接接触部位的区域中的成像精度。

优选地，夹紧元件到第一工件的所面向的第一轮廓侧处的贴靠侧至少部分地实施为第一工件的所面向的第一轮廓侧的阴模。由此实现了，夹紧元件和第一工件在夹紧元件的整个贴靠侧以及第一工件的整个相对激光源指向的第一轮廓侧上相对彼此支撑，从而使得通常相对于夹紧元件更屈服的第一工件保持形状稳定。

在根据本发明的激光接合方法的一种优选的实施方式中，为了构造掩膜结构，将对于激光而言不可透过的材料施加到夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧上或施加到第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧上。不可透激光的材料促使工件在工件的连接接触部位旁边被遮掩，并且激光射束的激光至少保持远离第二工件，该第二工件由对于激光射束而言起吸收作用的材料或由对于激光射束而言透明的带有起吸收作用的覆层或带有起吸收作用的中间薄膜的材料构成。对于不可透激光的材料能够例如使用吸收激光的或使激光散射或反射的材料。优选地，为了构造掩膜结构使用反射激光的材料。这具有如下优点，通过激光射束既不使夹紧元件又不使第一工件在该处被局部加热。

在根据本发明的激光接合方法的一种有利的实施方式中，夹紧元件的面向激光源的侧面平面地构造，并且激光射束几乎垂直地朝着该侧面指向。这有助于激光射束穿透夹紧元件并且防止激光射束的激光在夹紧元件的面向激光源的侧面处发生不期望的回反射、散射和衍射。

根据本发明，在所提出的用于连接由塑料或带有其它材料的塑料构成的不同工件的激光接合装置中，掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处和/或构造在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处。在此优选地，夹紧元件到第一工件的所面向的第一轮廓侧处的贴靠侧至少部分地实施为第一工件的所面向的第一轮廓侧的阴模。已证明为特别适宜的是，所构造的掩膜结构具有不可透激光的材料，所述不可透激光的材料布置在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处和/或布置在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处。反射激光的材料特别适用于所构造的掩膜结构。此外有用的是，夹紧元件的面向激光源的侧面平面地构造，并且激光射束几乎垂直地朝着该侧面指向。

根据本发明的激光接合方法或根据本发明的激光接合装置尤其覆盖以下三种情况，即一方面在带有3d成形的、透明的工件的平面中的焊接和在平面中的压靠，另一方面在带有3d成形的、透明的工件的平面中的焊接和通过3d成形的透明的工件所产生的压靠，以及此外还有，自由成形面在起吸收作用的和透明的工件中的焊接和经由3d成形的透明的工件所产生的压靠。

本发明基于以下三个彼此作用的核心构思。

第一，夹紧设备的夹紧元件实施为3d冲头(stempel)，所述3d冲头由对于激光射束而言透明的塑料构成。该冲头被设计为用于透明的第一工件的带有脱模公差和正交于激光进入侧的平面的面的阴模。但是代替在上面类似于传统的掩膜焊接在夹紧装置的面向激光源的侧上布置掩膜，所述工件的不需焊接的面直接在3d夹紧元件的阴侧上优选设有反射覆层。由此，焊接信息直接在焊接平面上并由此理想地传递。同时，直接压靠在焊接平面上。3d冲头由此被扩展成3d掩膜。

第二，夹紧设备的夹紧元件实施为3d冲头，所述3d冲头由对于激光射束而言透明的塑料构成。该冲头被设计为用于透明的第一工件的带有脱模公差和正交于激光进入侧的平面的面的阴模。但是代替在上面类似于传统的掩膜焊接在夹紧装置的面向激光源的侧上布置掩膜，工件的不需焊接的面直接在对于激光而言透明的3d工件的面向起吸收作用的第二工件的侧上、也就是说在第一工件的背离3d冲头的侧上优选设有反射覆层。第一3d工件由此被扩展成3d掩膜。

第三，对于第一工件由在相对激光源指向的侧上完全平面地构造的3d工件形成这一情况，夹紧设备的夹紧元件实施为2d冲头，所述2d冲头由对于激光射束而言透明的材料构成。该2d冲头对于透明的第一工件相应于正交于激光进入侧的平面的面而设计。但是代替在上面类似于传统的掩膜焊接在夹紧装置的面向激光源的侧上布置掩膜，所述工件的不需焊接的面直接在对于激光而言透明的3d工件的面向起吸收作用的第二工件的侧上、也就是说在第一工件的背离2d冲头的侧上优选设有反射覆层。第一3d工件由此被扩展成3d掩膜。

本发明的优点是一种改善的掩膜焊接方法，所述掩膜焊接方法尤其设置成用于连接由塑料或带有其它材料的塑料构成的不同工件，在所述掩膜焊接方法中，至少面向激光源的第一工件是对于激光而言透明的3d工件，通过所述掩膜焊接方法实现比传统的掩膜焊接更高的速度，因为成像信息所处离吸收激光的第二工件较近，所述第二工件能够构造为2d或3d工件。

附图说明

下面根据多个在图纸中所示出的实施例更详细地阐释本发明。本发明的另外的特征由以下结合权利要求和附图对本发明的实施例的描述得出。本发明的各个特征能够本身单个地或多个地在本发明的不同的实施方式中实现。在示意性图示中以横截面图示：

图1示出了由现有技术已知的激光接合装置的夹紧设备，带有两个在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间夹紧的工件，其中，第一工件是3d工件，并且第二工件是2d工件，并且掩膜结构构造在掩膜处，所述掩膜布置在第一工件上方，并且其中，连接接触面处于第一工件的凹陷部的区域中；

图2示出了根据本发明的激光接合装置的夹紧设备，带有两个在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间夹紧的工件，其中，第一工件是3d工件，并且第二工件是2d工件，并且掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处，并且其中，连接接触面处于第一工件的凹陷部的区域中，并且掩膜具有可透激光的掩膜结构部位，所述掩膜结构部位处于第一工件的凹陷部的区域中；

图3示出了根据本发明的激光接合装置的夹紧设备，带有两个在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间夹紧的工件，其中，第一工件是3d工件，并且第二工件是2d工件，并且掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处，并且其中，连接接触面处于第一工件的隆起部和凹陷部的区域中，并且掩膜具有可透激光的掩膜结构部位，所述掩膜结构部位处于第一工件的隆起部和凹陷部的区域中；

图4示出了根据本发明的激光接合装置的夹紧设备，带有两个在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间夹紧的工件，其中，第一工件和第二工件是3d工件，并且掩膜结构构造在夹紧元件的面向第一工件的贴靠侧处，并且其中，连接接触面处于第一工件的凹陷部和隆起部的区域中，并且掩膜具有可透激光的掩膜结构部位，所述掩膜结构部位处于第一工件的凹陷部和隆起部的区域中；以及

图5示出了根据本发明的激光接合装置的夹紧设备，带有两个在夹紧设备的支撑元件与夹紧元件之间夹紧的工件，其中，第一工件和第二工件是3d工件，第一工件沿夹紧元件的方向平面地实施，并且掩膜结构构造在第一工件的面向第二工件的第二轮廓侧处，并且其中，连接接触面处于第二工件的相对于第一工件指向的第一工件侧的隆起部以及其旁边的区域中。

具体实施方式

图1示出由现有技术已知的激光接合装置2的夹紧设备1，带有两个在夹紧设备1的支撑元件3与夹紧元件4之间夹紧的工件5,6，其中，第一工件5是3d工件，并且第二工件6是2d工件，并且掩膜结构7构造在掩膜8中，该掩膜布置在第一工件5上方，并且其中，连接接触面9处于第一工件5的凹陷部10的区域中。线形地成形的激光射束11朝着带有掩膜结构7的掩膜8指向，该激光射束从图中未示出的激光源出发并且相对于工件5,6和掩膜8运动。面向激光源11的第一工件5由对于激光射束11而言透明的材料构成，并且另一个第二工件6由对于激光射束而言11而言起吸收作用的材料构成。掩膜8在关联于连接接触面9的区域中(在本实施例中部分地)是可透光的，从而这两个工件5,6的彼此毗邻的待连接的连接接触面9在激光射束11的作用下熔化并且在紧接着的冷却的情形中在借助于夹紧设备1施加压力的情况下相互连接，其中，形成焊缝12。夹紧元件4实施成对于激光而言可透过的并且构造为3d工件5的阴模。该夹紧元件在面向第一工件5的侧上具有贴靠侧13，该贴靠侧保持贴靠在第一工件5的第一轮廓侧14处。此外，夹紧元件4具有背离第一工件5的侧面21，该侧面平面地构造。第一工件5具有与第一轮廓侧14相对而置的第二轮廓侧15，该第二轮廓侧面向第二工件6并且该第二轮廓侧关联有第二工件6的第一工件侧16。第二工件6具有第二工件侧17，该第二工件侧与第一工件侧16相对而置，工件6以其支撑在支撑元件3上。

针对以下对本发明的实施例的描述，对于相同的构件/标记使用用于现有技术的参考标号。夹紧装置1的构造和工件5,6的形状基本上相应于现有技术，然而掩膜8的位置与其不同。

图2示出根据本发明的激光接合装置2的夹紧设备1，带有两个在夹紧设备1的支撑元件3与夹紧元件4之间夹紧的工件5,6，其中，第一工件5是3d工件，并且第二工件6是2d工件，并且掩膜8的掩膜结构7在夹紧元件4处构造在用于第一工件5的第一轮廓侧14的贴靠侧13上。由此掩膜8不是(如在现有技术中那样)有间距地布置在第一工件5上方，该间距在该处通过夹紧元件4决定，而是直接在第一工件5的第一轮廓侧14附近，其中，连接接触面9在第一工件5的凹陷部10的区域中处于工件5的第二轮廓侧15处并且处于工件6的第一工件侧16处。线形地成形的激光射束11朝着带有具有掩膜结构7的掩膜8的夹紧元件4指向，该激光射束从在图中未示出的激光源出发并且相对于工件5,6和夹紧元件4运动。面向激光源11的第一工件5由对于激光射束11而言透明的材料构成，并且另一个第二工件6由对于激光射束11而言起吸收作用的材料构成。掩膜8在连接接触面9的区域中是可透光的，从而这两个工件5,6的彼此毗邻的待连接的连接接触面9在激光射束11的作用下熔化并且在紧接着的冷却的情形中在借助于夹紧设备1施加压力的情况下相互连接，其中，形成焊缝12。夹紧元件4实施成对于激光而言可透过的并且构造为3d工件5的阴模，其中，掩膜8具有可透激光的掩膜结构部位18，所述掩膜结构部位在第一工件5的第一轮廓侧14的凹陷部10的区域中处于夹紧元件4的贴靠侧13上。

图3示出根据本发明的激光接合装置2的夹紧设备1，其在很大程度上相应于前面根据图2所描述的实施方式。与其唯一的区别是，掩膜8具有可透激光的掩膜结构部位18，所述掩膜结构部位不仅处于第一工件5的凹陷部10的区域中，而且设置在第一工件5的第一轮廓侧14的隆起部19的区域中。

图4表明根据本发明的激光接合装置2的夹紧设备1，该激光接合装置由根据图2,3的前面所描述的实施方式的组合产生，其中，第一工件5和第二工件6是3d工件。在此，掩膜结构7构造在夹紧元件4的面向第一工件5的贴靠侧13处，其中，连接接触面9设置在第一工件5的凹陷部10和隆起部18的区域中。掩膜8具有可透激光的掩膜结构部位18，所述掩膜结构部位处于第一工件5的凹陷部10和隆起部19的区域中。第二工件6在相对第一工件5指向的工件侧16处具有隆起部20，所述隆起部20从第一工件5的第二轮廓侧15出来接合到第一工件5的隆起部19中。

图5示出根据本发明的激光接合装置2的夹紧设备1，当第一工件5沿夹紧元件4的方向平面地实施时、也就是说当工件5具有平面的第一轮廓侧14时，该激光接合装置(作为在图4中所描述的实施方式的变型方案)是可行的。在此，第一工件5在其第二轮廓侧15处具有凹陷部10，第二工件6的从第一工件侧16处突起的隆起部20接合到该凹陷部中。根据本发明，夹紧元件4的贴靠侧13一般在所有实施方式中与第一工件5的第一轮廓侧14相匹配，从而使得夹紧元件4的贴靠侧13同样平面地构造。由此，带有两个平面平行的侧的夹紧板能够用作夹紧元件4。然而，在这种情况下，掩膜结构7不是设置在夹紧元件4的贴靠侧13处，而且构造在第一工件5的面向第二工件6的第二轮廓侧15处，并且其中，连接接触面9处于第一工件5的凹陷部10和第二工件6的隆起部20以及其旁边的区域中。