CN101022914A - 用于将激光能量输送给接合件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接一对管状件的方法和装置。夹紧该对管状件的第一和第二端部，以便围绕其轴线转动。使得该对管状件围绕轴线转动并且使激光束沿径向对准该对管状件，从而把它们焊接在一起。

Description

用于将激光能量输送给接合件的方法和装置

技术领域

本发明总的来说涉及把激光能量输送给诸如由塑料、金属或其他材料构造成的接合件的方法和装置的领域。更具体地说，本发明涉及诸如血管整形外科的囊体导管部分这样的管状中心件的接合。

背景技术

这部分叙述本发明的公开实施例的背景，我们无意表明或暗示在这部分所谈论的背景技术在法律上构成现有技术。

激光焊接已经成功地应用在需要提供接合件焊接的许多应用场合。名称为“激光焊接方法”的美国专利4,990,741的目的在于沿着一条焊接路线焊接第一和第二金属零件，该焊接在由惯性保护气体的小紊度流聚焦的相干电磁能激光束沿着该路线的一部分的情况下进行。该激光束由连续波二氧化碳激光器提供，并且具有至少约1000瓦的功率。该激光束可将其厚度在约0.02英寸至0.1英寸范围内的零件焊接在一起。这种焊接方法的一个缺点是该激光束可能是功率太大了以致不能焊接薄型零件，即，在某些应用场合下的厚度在0.01英寸的范围内或者更薄的零件。由于激光束的能量可以在约0.03英寸宽和0.5英寸长的焊接区中分布，这种焊接方法的另一个缺点是它不能形成一个狭窄的焊缝，即，在某些应用场合下的宽度小于0.5毫米的焊缝。

在由Bondybey等人提交的美国专利3,974,016中，公开了一种利用激光能量使圆柱形电缆与塑料罩相焊接的方法。更具体地说，该方法公开了一种利用激光能量使钢丝绳和玻璃纤维绳与塑料罩相焊接的方法。

在美国专利4,069,080和6,465,757中也公开了利用激光能量来焊接塑料零件的方法。这些方法可用来焊接塑料薄膜，但是并没有谈到与焊接管状塑料件有关的问题。

谈到利用激光能量来焊接管状塑料件的专利是其名称都为“整形外科囊体导管的激光焊接”的美国专利5,267,959和5,501,759。这些专利公开了一种在聚合物管状件之间形成一个狭窄的热熔合部分的方法。该焊接是通过使用某种波长的单色激光能量而建立的，该波长应选定为至少近似地与聚合材料的最大的光谱吸收的波长相匹配。

附图说明

通过阅读下面对本发明的某些实施例的描述，并参照附图使得对本发明的这些特征及其获得方法清楚且明确地呈现出来，并且可更好地理解本发明本身，在附图中：

图1是激光焊接装置的立视图，该焊接装置是按照本发明的一个实施例制造的；

图2是图1中的焊接装置的平面图；

图3是图1中的焊接装置的激光发生器的放大的图像；

图4是图1中的激光焊接装置的弹性夹头的放大的平面图，图中示出了它处于管子夹紧位置时的情况；

图5是图4中的弹性夹头的放大的平面图，图中示出了它处于完全关闭位置时的情况；

图6是图1中的焊接装置的激光发生器的激光焊接零件的图像；

图7是图6中的焊接零件的剖面图；以及

图8是用于图1中的焊接装置的另一种激光发生器的框图，该焊接装置是按照本发明的另一个实施例制造的。

具体实施方式

应当理解的是，大体上与本文中所描述并且在附图中示出的实施例的相同的零件可以以配置和使用在各种不同的结构中。因此，下面对本发明的装置，零件和方法的实施例(如在附图中所示出的)的详细说明不是用来限制本发明的范围(如权利要求书中所规定的)，它仅仅是本发明的实施例中的典型例子而已。

本文公开了用来焊接一对管状件的方法和装置。先将管状件的第一和第二端部夹住，以便围绕其轴线转动。然后使管状件围绕轴线转动并且将激光束沿径向对准管状件，从而把它们焊接在一起。

根据本发明的另一个实施例，激光束可以沿轴向相对于转动的管状件运动，以便获得所需的焊接特性。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种用来将具有选定波长的激光束输送给待焊接的转动件的方法和装置。

本发明的实施例涉及一种非常适合于用来把激光能输送给焊接和/或整形管状件(例如塑料或金属件)的方法和装置的领域。

在一个实施例中，该装置包括至少一个激光发生器，该激光发生器是用来加热待焊接和/或整形的管状接合件的功率源。该激光器可以是其波长范围在300毫微米至15微米内的二氧化碳(CO2)、钇铝石榴石(YAG)、准分子(Excimer)、或二极管激光器。特别是，可以将具有不同波长的多种激光发生器相组合，以便提供各种类型的聚合物，聚合物混合体和具有按特定配方制造的吸收剂涂层的聚合物的较大的作用范围。在一个使用了多种激光器发生器的实施例中，一个用于各个激光器发生器的光束组合器可以用来将各个光束导入主激光束内。此外，可以对各个激光发生器的波长独立地进行调整。对于这样一种多激光发生器的多波长系统来说，最后的激光束可以包括单独的一个单色光束或者多波长的组合。

根据本发明的其他的实施例，该装置可以包括对少一个光束输送系统，该系统用来将由激光器发生器产生的激光束整形和聚焦，并且将该激光束输送到预定的位置。根据本发明的一个最佳实施例，该激光束输送系统可以包括一个用来导引激光束的小功率二极管激光指向器；一组用来防止操作者接近激光束的光束通路套管；一个或更多反光镜基座(倘若它们对于改变激光束的方向是必要的或者是重要的话)；一个用来扩大光束的腰部的光束扩展器；一个用来使得该扩展的光束平行的准直仪；以及一个用来在预定位置上使用该准直后的激光束整形和聚焦的整体式聚焦透镜。对于各种管接合件的焊接/整形用途来说，这种激光束输送系统便于对激光束光点直径和激光束聚焦距离进行调整。特别重要的是，圆柱形聚焦透镜可以用来建立激光谱线而不是激光光点。

该激光系统的运动硬件可以使该激光系统在一个或多个方向运动，从而使焊接/整形可以按照特定的型式进行。在本发明的一个典型的实施例中，激光系统的运动硬件可以包括一个移动板，至少一个用来驱动该移动板的线型致动器，一个底板，以及至少一个设置在移动板与底板之间的导轨。该移动板可以使激光发生器和激光束输送系统安置就位，并且可以按照预定的方向，速度和运动距离进行运动。对导轨可以进行校准，以便建立激光系统的单轴或多轴运动。

本发明的一个实施例的该装置的转动夹具可以将待焊接的试件固定就位，并且可以使该试件转动，从而获得环焊缝。转动夹具可以包括以相同速度转动的左和右主轴。每个主轴可以包括一个允许长试件从其中穿过的空心轴，一个可以固定和转动试件而不会损伤它们的试件夹持装置，以及一个驱动主轴的电机。主轴的转动可以是连续的，或者可以是间歇的。间歇运动可以用来建立不连续的定型的环形熔合部分。

根据本发明的一个实施例，该装置可以包括一个安全罩，该安全罩可以是包括一个或更多内腔的固定装置，其中封装有电气的，机械的和光学的元件。

根据本发明的一个实施例，设置有一个用于在线加工过程监视的加工过程监视系统。该系统可以包括一个数字式摄像机，一个高分辨率的监视器，一个透镜装置，以及一个摄像机安装装置。

根据本发明的其他实施例，控制系统硬件可以包括用于该激光装置实现其功能的硬件支持。该硬件支持可以包括PLC(程序逻辑控制器)、直流电源、电机驱动装置、激光器控制电路、包括有控制面板的操作员接口、以及合适的液晶显示器等。该控制系统软件可以是在PLC上运行的软件程序，它可以控制该激光焊接装置的所有动作。

在一个最佳实施例中，可以为该激光焊接装置编制程序，以便在手控方式、静态方式、动态方式、和多步方式下运行。在手控方式中，可以预先设定激光束的功率密度和主轴的转速。该实施例的激光焊接装置可以使用户能人工操纵激光束的运动和激光束的持续时间。该手控方式可用于焊接/再整形的工艺探索。在静态方式中，激光束的功率密度，激光束的持续时间，以及主轴的转速都可以预先设定。激光束可以不需要运动而直接作用在给定位置上。这类程序可用于建立一个可能是最小的或至少是大大减小的焊接区。在动态方式中，激光束的功率密度，激光束的运动距离，激光束的运动速度，以及主轴的转速都可以预先设定。激光束可以在运动的同时发射，它可以建立几个延伸的焊接区，或者帮助管接合件再整形(例如末端锥度)。多步方式可以是静态和动态方式的一种组合。利用多步程序，就可以开发出具有适用于各种焊接用途的精度的简单的焊接/再整形工艺。

本发明的实施例还可以提供焊接和/或整形管接合件的方法。在一个最佳实施例中，该方法包括以下步骤：a)将待焊接的管接合件放入转动夹具内；b)将激光指向器配置在该待焊接或待再整形位置；c)调整用于不同的管接合件材料和尺寸的激光束聚焦距离，激光束光点直径，以便获得所需的焊缝尺寸和焊缝强度；d)根据需要使管接合件以预定的转速转动，以便获得环形的焊缝区；e)选定建立激光焊接的程序；以及f)使激光束指向给定位置，开始焊接或再整形过程。

现在参看附图，图1和图2是本发明的一个实施例的激光焊接装置10的正视图和顶视图，其中单个激光发生器15，二极管指示器16和激光束输送系统17倚靠并支承在移动板18上，而该移动板又安装在两个或更多导轨19上，以便于移动。包括该移动板和机械导轨的整个激光系统安装在安全罩20的顶部。在该安全罩的内部有一个左主轴23和一个右主轴24。该左主轴与一个空心轴21一起延伸，以便用于长试件的支承。左和右主轴都安装成能沿着机械导轨25移动。该右主轴可以沿着导轨可调整地左和右移动。

控制系统硬件包括一个可编程逻辑控制器(PLC)22，该控制器具有至少两个步进运动控制输出的通道。用来作为主机器接口的液晶显示器(LCD)22A使得用户可以为激光焊接装置编制程序并且可以获得运行信息。控制系统软件是一组梯形逻辑程序代码，它可以提供以下四种类型的程序：a)手控焊接程序，其中激光功率和试件转速的百分数是预置的，而焊接的持续时间和激光束的运动则是由操作员人工控制的；b)静态焊接程序，其中激光系统在静态焊接时是不运动的。在该类程序中，激光功率，转速和焊接时间的百分比必须预先设置；c)动态焊接程序，其中激光系统在激光发射的同时进行运动，在该类程序中，激光功率，转速，激光运动速度和运动距离的百分比必须预先设置；d)多步焊接程序，该程序是静态和动态焊接程序的组合。

图5是一个形成主轴24的一部分的多瓣块弹性夹头26，主轴23具有一个类似的弹性夹头29(图1)。每个夹头具有三个或更多相同的瓣，例如瓣块27。这些瓣块装配在一个多角形壳体28内，该壳体允许这些瓣块沿着壳体的各边移动。因此，对由瓣块内侧所形成的孔可以进行连续地调整。这种结构比在机床中使用的夹头装置的优越之处在于，本发明中的夹头装置在瓣块之间不会有任何间隙存在。这样就消除了挤压被夹在间隙内的管子的可能性。它还具有能对该孔提供更大的调整范围的优点。

现在参看附图中的图6和图7，囊体导管34支承在夹头26与29之间。该囊体导管包括导管38和同心地围绕在导管38周围的膨胀囊体42，并且管形件41置于囊体42的近端与导管38之间。收缩管47宽松地围绕在囊体42的远端(或末端)和导管38的周围。

心轴48穿过导管38的内部伸出，其右手端被夹紧在夹头26内。夹头29将管形件41，导管38和心轴48的组合件夹紧。夹头26和29以相同的速度同步地转动，从而在激光束从聚焦透镜140发射到收缩管47上时，可使囊体导管34围绕其轴线转动。由此，当囊体导管围绕轴线转动时，它本身被牢固地固定就位，从而有助于在囊体42的远端与内导管38的远端之间提供精确的焊缝。

根据本发明的一个实施例，当使导管34转动以便提供所需的各种焊接或整形操作时，包括聚焦透镜140的该激光系统适合于沿着一个大体上与导管34的轴线相平行的方向运动。

图3是本发明中所使用的激光束输送系统15的一个立体图。该系统包括一个安装架80，一个光束收集器90，一个光束分离器100，一个或更多光束偏转器110，一个准直仪120，一个调整隔套130，以及预先安装的聚焦透镜140。在该特定的装置中，光束分离器100将主激光束分离成两部分。一部分光束沿主激光束通路朝着焊接位置向前运动。另一部分光束从主激光束分出来并且对准光束收集器。收集部分的百分比约在50％与90％之间。光束偏转器110用来改变激光束的方向。准直仪120用来扩张激光束，它有效地改变了聚焦的光点直径。调整隔套130用来调整聚焦点的位置。在该特定的装置中，可以在1.25英寸的范围内调整该隔套。聚焦透镜140用来把激光束聚焦在焊接位置上。该聚焦透镜可以是圆形或圆柱形。圆形透镜可在焊接位置上产生一个激光光点，而圆柱形透镜可在焊接位置上产生一条激光谱线。

现在参看图8，图中示出了一个具有多个激光发生器的激光系统151。系统151是根据本发明的一个实施例建造的，除了它包括多个激光发生器以外，系统151与图1中的系统相类似。在该特定的装置中，一个二氧化碳(CO2)激光发生器151A，一个钇铝石榴石(YAG)激光发生器151B，一个二极管激光发生器151C，以及一个准分子激光发生器151D组合在一起形成一个能提供具有多种波长的激光束的激光能源。该CO2激光发生器与主激光束相对准。总的以标号162表示的光束组合器与各个其他类型的激光发生器相连接，以便把相应的激光束导入主激光束内。该光束组合器与总的以标号175表示的激光束通路套管相连接。在该多波长激光发生器的末端，可以包括一个二极管指示器(未示出)，该指示器用来提供一个用于试件对准的小功率的可见导向光束。元件164是一个光束收集器，它用来从主激光束分出一定百分比的激光功率，从而使有效功率减小。然后将激光束的剩余部分通过一个准直仪186进行光束扩张和准直。然后再将它通过一个聚焦透镜187进行聚焦。

虽然已经公开了本发明的一些特定的实施例，但是应当指出，在后附权利要求书的精神实质和范围内，可能和可以预期有各种不同的修改方案。例如，本发明的装置和方法可以以各种不同的方式实现，包括不使用相关内容的技术。

Claims (30)

1.一种用于焊接一对导管件的方法，包括：

夹紧该对管状件的一个端部，以便围绕其轴线转动；

夹紧该对管状件的对置的端部，以便围绕其轴线进行与该最初说到的端部的转动同步的转动；

使该对管状件围绕轴线转动；以及

使激光束沿径向对准该对管状件，以便把它们焊接在一起。

2.权利要求1所述的方法还包括：使该激光束沿轴向运动。

3.一种用于输送激光能量和使用该能量焊接和/或再整形管状接合件的装置，包括：

一个包括有一个或更多具有不同波长的激光发生器的激光源；

一个激光束输送系统；

激光系统运动硬件；

一个转动夹具和试件夹持装置；

一个安全罩；以及

一个加工过程监视系统。

4.权利要求1所述的装置，其中，所产生的激光是选自其波长在约300毫微米至约15微米范围内的由CO2，YAG，或二极管激光组成的一组激光中的一种激光，在使用多种激光发生器的场合，可以提供具有不同波长的激光发生器的组合，以便提供各种类型的聚合物，聚合物混合体，以及具有按特定配方制造的吸收剂涂层的聚合物的更大的覆盖范围，还包括一个用于各激光发生器的光束组合器，该光束组合器用来将该光束导入主激光束内。每个激光发生器的波长可以独立地进行调整，使得最后的激光束只包含一个单色光束或者包含多波长的组合。

5.权利要求4所述的装置，其中，由每个激光器所产生的最大激光功率小于约10瓦。

6.权利要求4所述的装置，其中，该激光输送系统包括一个用来导引激光束的二极管激光指示器，一组光束通路套管，一个或更多反光镜基座，一个光束分离器和一个光束收集器，一个用来扩大光束腰部的光束扩展器，一个焦点调整隔套，以及一个或更多用来整形和聚焦激光束的聚焦透镜。

7.权利要求6所述的装置，其中，二极管激光指示器是一个波长范围在550-700毫微米之间的小功率指示器，它包括一个用来把二极管激光束结合到主激光束中的光束组合器。

8.权利要求6所述的装置，其中，光束分离器将主激光束分离成两个光束，一个光束沿该光束通路运动，并且输送到焊接位置上，另一个光束从主激光束通路分出来并且对准光束收集器，该光束收集器起着一个具有或不具有冷却的黑色金属块的作用，用来控制过大的激光功率排出，激光束的分离百分比的范围约在0％至100％之间，因此，大致没有或大致全部激光功率被排出，最佳的分离百分比约在40％与95％之间。

9.权利要求6所述的装置，其中，光束扩展器使来自激光发生器的原始的激光束的腰部扩张到一个较大的尺寸，膨胀比的范围约在2与10之间，其中，该光束膨胀比是可以调整的。

10.权利要求6所述的装置，其中，焦距调整隔套用来调整激光焦点相对于焊点的位置，该调整范围在0与3英寸之间。

11.权利要求6所述的装置，其中，透镜系统包括一个或更多其焦距在0.1至10英寸范围内的凸透镜。

12.权利要求11所述的装置，其中，激光束的焦点处的光点直径可以在0.01毫米至10毫米的范围内进行调整。

13.权利要求6所述的装置，其中，透镜系统包括至少一个其焦距在0.1至10英寸范围内的圆柱形透镜。

14.权利要求13所述的装置，其中，一条聚焦激光谱线取代光点在焦点处形成，该聚焦激光谱线的厚度可以在0.01至10毫米的范围内进行调整。

15.权利要求3所述的装置，其中，激光系统具有以程序控制的方式沿着一个或更多方向运动的能力，该激光系统能够沿着接合件转动的轴线运动。

16.权利要求3所述的装置，其中，转动夹具将待焊接和/或再整形的接合件固定并且使它转动。

17.权利要求3所述的装置，其中，转动夹具包括以相同速度转动的左和右主轴。

18.权利要求3所述的装置，其中，转动夹具具有一个允许长管状接合件从其中穿过的空心轴。

19.权利要求3所述的装置，其中，转动夹具具有一个弹性夹头型的夹紧装置，该夹紧装置具有用来固定管状试件或在该管状试件内的支承心轴的两个或更多夹头。

20.权利要求19所述的装置，其中，弹性夹头装置的打开或关闭动作可以由人工，气动，或者电磁动力来操纵。

21.权利要求19所述的装置，其中，该弹性夹头装置可以用一个无间隙的瓣块式弹性夹头装置来代替。

22.权利要求1所述的装置，其中，管状接合件是由热塑性塑料制成的。

23.权利要求1所述的装置，其中，管状接合件是由热塑性塑料和激光吸收剂的混合物制成的，激光吸收剂的百分比在约0％与约30％之间的范围内。

24.权利要求1所述的装置，其中，管状接合件在焊接位置处的表面上涂有激光吸收剂，该涂层的厚度小于0.010英寸，一种这样的激光吸收剂是Clearweld，该吸收剂不含颜料并且在近红外线(NIR)范围内吸收激光能量。

25.权利要求1所述的装置，其中，对该管状接合件进行预先加压并且由一个热收缩管固定在一起，这种热收缩管是由聚烯烃或聚乙烯制成的。

26.权利要求25所述的收缩管是聚烯烃和激光吸收剂的混合物，该吸收剂的百分比在约0％与30％之间的范围内。

27.权利要求1所述的装置，其中，控制系统硬件包括一个可编程序逻辑控制器(PLC)和一个液晶显示器(LCD)，该控制器具有至少两个步进运动控制输出的通道，该显示器用来作为主机器接口，使得用户可以为激光焊接装置编制程序并且可以获得运行信息。

28.权利要求1所述的装置，其中，控制系统软件是一组可以提供下面四种类型的程序的梯形逻辑程序代码：

手控焊接程序，其中激光功率和试件转速的百分数是预置的，而焊接持续时间和激光的运动则是由操作员人工控制的；

静态焊接程序，其中激光系统在静态焊接时是不运动的。在该类程序中，激光功率，转速和焊接持续时间的百分比必须预先设置；

动态焊接程序，其中激光系统在激光发射的同时进行运动，在该类程序中，激光功率，转速，激光运动速度和运动距离的百分比必须预先设置；以及

多步焊接程序，该程序是静态和动态焊接程序的组合。

29.一种用于焊接一对导管件的方法，包括夹紧该对管状件的一个端部，以便围绕其轴线转动，其特征在于：

夹紧该对管状件的对置的端部，以便围绕其轴线进行与该第一次说到的端部的转动同步的转动；

使该对管状件围绕轴线转动；以及

使激光束沿径向对准该对管状件，以便把它们焊接在一起。

30.一种用于输送激光能量和使用该能量焊接和/或再整形管状接合件的装置，其特征在于它包括：一个包括有一个或更多具有不同波长的激光发生器的激光源；一个激光束输送系统；激光系统运动硬件，该硬件安装用来实现激光系统相对于一个转动夹具和试件夹持装置的相对运动；一个安全罩；以及一个加工过程监视系统。

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