CN102131614B - 带光纤激光器的激光焊接工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接工具，该激光焊接工具用于产生用于连接工件的焊缝，该激光焊接工具的激光束(11)可以借助于线性驱动装置(12)沿焊缝运动。针对激光焊接工具提出：-激光器是光纤激光器，该激光器包括用于导光的光纤(8)、用于将辐射源的激光辐射耦合到光纤(8)内的光学器件和用于使激光束(11)的分布聚焦的、与光纤连接的准直光管(9)，-准直光管(9)设置在可以使准直光管(9)沿预先给定的运动路线(13)运动的线性驱动装置(12)上，-线性驱动装置(12)连同准直光管(9)设置在具有用于激光束(11)的出射狭缝(17)的壳体(18)内，其中，准直光管(9)的运动路线(13)平行于出射狭缝(17)地分布，并且准直光管(9)以如下方式取向，即，使激光束(11)仅穿过出射狭缝(17)从壳体(18)中射出，以及，只有在壳体(18)的出射狭缝(17)置于工件(10)中的至少一个工件上时，才能激活光纤激光器。

Description

带光纤激光器的激光焊接工具
技术领域
本发明涉及一种激光焊接工具，该激光焊接工具用于产生用于连接工件的焊缝，该激光焊接工具的激光束可以借助于线性驱动装置沿焊缝运动。
背景技术
在汽车工业以及配件工业中，一如既往占优势的是，在车身制造中大多借助于机器人所引导的焊钳来实施电阻焊接。电阻焊接是基于流过连接部位的电流的焦耳电热的、用于导电材料的一种焊接方法。通过电热将待连接的工件加热直至熔化。通过熔液的重新凝固形成焊接连接。通常通过焊钳在电流流动期间和电流流动之后将待相互连接的工件压在一起，由此支持紧密连接的形成。
但同时激光束焊接的重要性日益增长。激光束焊接主要用于焊接必须以很高的焊接速度、窄的和细长的焊缝以及很少热变形的方式接合的工件。激光束焊接或者也称为激光焊接（如电阻焊接那样）一般情况下无需输送焊料地实施。
激光辐射借助于准直光管来聚焦。待焊接的工件的接合边或接缝的工件表面直接靠近准直光管的焦点，该焦点在激光束焊接中也称为焦斑。焦斑具有0.5至1.0mm的典型直径，由此形成非常高的能量集中。通过吸收激光功率，在工件表面上，温度极其迅速地升高超过金属的熔化温度，从而形成熔液。然而，对激光焊接的优点来说，对立的是高购置成本、很差的效率以及用于安全装置的高开支。此外，当前在工业上使用的气体激光焊接设备或者固体激光焊接设备的尺寸很大并且不适合在汽车工业中使用。激光焊接系统的例子例如由JP2004-243393公知，该激光焊接系统的激光束可以借助于线性驱动装置沿焊缝运动。
发明内容
从该现有技术出发，本发明的目的在于，为汽车制造业中的焊接过程提供一种激光焊接工具，该激光焊接工具可以与用于进行电阻焊接的现有基础结构一体化，该激光焊接工具尤其能够实现存在的构件工具和操作装置的继续使用，该激光焊接工具保证在汽车制造业中常用的激光焊接功率（在2KW以内）的情况下的人身安全并且减少工业激光焊接工具的设计所引起的缺陷，特别是降低高购置成本、很差的效率以及高安全开支。
该目的在一种开头所提及类型的激光焊接工具中通过如下方式得以实现，即，
-激光器是光纤激光器，该激光器包括用于导光的光纤、用于将辐射源的激光辐射耦合到光纤内的光学器件和用于使激光束的分布（Verlauf）聚焦的、与光纤连接的准直光管，
-准直光管设置在可以使准直光管沿预先给定的运动路线运动的线性驱动装置上，
-线性驱动装置连同准直光管设置在具有用于激光束的出射狭缝的壳体内，其中，准直光管的运动路线平行于出射狭缝地分布，并且准直光管以如下方式取向，即，使激光束仅穿过出射狭缝从壳体中射出，以及，
-只有在壳体的出射狭缝置于工件中的至少一个工件上时，才能激活光纤激光器。
使用具有紧凑的尺寸和可以灵活地构造的激光源的光纤激光器允许将激光焊接工具与用于汽车工业的传统的电阻焊接装置的基础结构一体化。激光辐射可以借助于用于导光的光纤按照电缆的方式引导到待制造的焊缝附近，从而激光焊接也可以在狭窄的情况下，正如在汽车工业中使工件接合时经常遇到的那样，得到应用。同时，光纤激光器的突出之处在于，与气体激光器和固体激光器相比更高的射束质量、目前高于30%的更高的效率、更低的维修成本以及同时更低的购置成本。
光纤的、特别是玻璃光纤的掺杂的芯在光纤激光器中形成工作介质。耦合到光纤内并且穿过该光纤引导的激光辐射由于光纤的很长的长度而得到很大程度的增强。光纤激光器被光学地泵浦，其中，激光二极管的激光辐射平行于光纤芯地耦合或者耦合到光纤内。
为了在生成焊缝（无论现在是连续式焊缝还是点焊缝）时保证所要求的人身安全，准直光管以如下方式可运动地在壳体内设置和取向，即，使激光束可以仅穿过出射狭缝从壳体中射出。此外，只有在出射狭缝置于工件上时，才激活光纤激光器的激光功率。通过这些措施的组合，焊缝可以沿预先给定的运动路线产生，而即使激光焊接工具固定在机械臂上，该激光焊接工具也不会对处于机器人作业环境内的人员造成任何危险。
使由于壳体棱边而妨碍焊接过程基本得以避免的是，壳体在出射狭缝的方向上漏斗形地变细。
点焊焊钳形式的传统电阻焊接装置在汽车工业中通常借助于焊接机器人来运动。为了可以使这种工作过程维持不变，激光焊接工具优选构造为如下焊钳，该焊钳具有钳架、设置在钳架上的特别是呈C形的下部工具和使壳体相对于钳架运动的移动单元，其中，与下部工具对齐的压力件处于该下部工具的自由端部上，并且压力件和与该压力件对齐的出射孔可以借助于移动单元朝向彼此和彼此分离开地运动。压力件在壳体和下部工具适应于力地互碰（Zusammenfahren）时形成配对支座。
通过如下方式在焊钳互碰时实现优化的负荷传递（Lastabtragung），即，压力件与出射狭缝的形状相应。
为了使依据本发明的激光焊接工具组件化并因此降低成本，移动单元具有保持在钳架上的调整驱动装置、壳体容纳部以及用于壳体容纳部的线性引导装置。壳体容纳部优选以如下方式产生，即，使不同的壳体可以在短时间内固定在壳体容纳部上。因此可以毫无问题地与不同的焊接条件相适应。
壳体至少包括准直光管、配属于准直光管的线性驱动装置以及激光束的特别是呈漏斗形的包套（Umhausung）。为了可以精确地控制准直光管的均匀运动并因此精确地控制激光束的均匀运动或者为了可以针对准直光管到达或维持预先给定的位置，用于准直光管的线性驱动装置具有与调整驱动装置连接的、单轴的线性滑架。调整驱动装置尤其实施为伺服马达。可以考虑电动马达和液压马达。
在出射狭缝置于工件之一上时对光纤激光器的激活尤其通过设置在壳体上的开关件来产生，该开关件在出射狭缝置上时接通光纤激光器的电源。开关件可以是与出射狭缝直接相邻的触点、传感元件或者按键开关。可供选择地，包括出射狭缝的、可运动的壳体部分可以同时作为开关件起作用。
为了可以使打开的激光焊钳利用机器人迅速地在待焊接的工件上就位，在本发明的具有优点的构造方式中设置的是，钳架设置在平衡组件上，该平衡组件允许钳架相对于用于使激光焊接工具运动的机械臂进行轻微的平衡运动。在到达焊接位置时，下部工具的压力件位于与工件之一相距例如2至3mm的限定的间距处。激光器组件的出射狭缝在焊钳打开的情况下与待焊接的工件相距例如150mm。只有在到达焊接位置后，下部工具才首先借助于平衡组件与工件接触，并且然后壳体（上部工具）与工件接触。因此，待焊接的工件的以焊钳的限定的焊接位置为参考的略微不同的位置，对于到达焊接位置来说不是问题。
为了使激光焊接工具的下部工具始终在工件上浮置地（schwimmend）取向而无需改变工件的位置，在本发明的构造方式中设置的是，平衡组件具有平衡基架，以便固定在机械臂上，在平衡基架上设置有具有与用于壳体容纳部的线性引导装置一致的运动方向的、用于钳架的线性引导装置，并且平衡组件具有作用于钳架的短行程线性驱动装置，弹簧压力单元接入到该短行程线性驱动装置的直线地起作用的力流（Kraftfluss）中。
为了铺置具有缝宽的较宽的焊缝，在本发明的构造方式中设置的是，在准直光管与线性驱动装置的能沿预先给定的运动路线移动的支承件之间设置摆频发生器（Wobbelgenerator）。摆频发生器（也称为摇摆机（Wobbler））是用于产生（摆动）振荡的电子装置，其中，所产生的频率在两个可调整的终值之间周期性地变化。摆动振荡例如能够以电磁的、电动的或者压电的方式产生。通过有针对性地控制摆频发生器，准直光管可以垂直于预先给定的运动路线进行振幅和频率可变的摆动运动。用于摆频发生器的支承件例如形成可移动的基板。
附图说明
下面借助附图对本发明进行详细说明。其中：
图1a示出依据本发明的激光焊钳在打开状态下的透视图；
图1b示出在闭合状态下的按图1a的激光焊钳；
图2a示出按图1的打开的激光焊钳的侧视图和俯视图；
图2b示出按图1的闭合的激光焊钳的侧视图和俯视图；以及
图3示出按图1和图2的激光焊钳的工作原理的示意图。
具体实施方式
图1示出激光焊钳1，该激光焊钳具有实施为板的钳架2、设置在钳架2上的基本上呈C形的下部工具3，其中，处于下部工具3的自由端部4上的是压力件5。在钳架2上设置有整体采用6标注的移动单元，该移动单元使整体采用7标注的激光组件7朝向压力件5的方向运动或从该压力件离开地运动。
参照图3中的示意图，首先对激光组件7的结构和工作方式进行详细说明。激光器构造为光纤激光器。激光二极管的激光辐射通过在图3中未示出的、用于耦合激光辐射的光学器件耦合到光纤8内，该光纤作为柔性导体导入到封装的激光组件7中。在那里，光纤8与用于将激光辐射11聚焦的准直光管9连接。用于准直光管9的、整体采用12标注的线性驱动装置具有可在唯一的轴线的方向上运动的线性滑架14，该线性滑架在所示的实施例中通过牵引机构传动装置15与构造为伺服马达的调整驱动装置16连接。
线性驱动装置12连同准直光管9包括光纤8的一部分在内设置在具有用于激光辐射11的出射狭缝17的壳体18内，该壳体在出射狭缝17的方向上在壳体凸起部21的区段19上漏斗形地变细。
正如从图3中的俯视图可看到的那样，激光辐射11完全由壳体18，特别是由具有漏斗形区段19的壳体凸起部21所包围。由此保证激光辐射11只能从出射狭缝17中射出。
用于激活光纤激光器的激光能量通过设置在变细区段19的端侧上的压力件22来激活，该压力件在安置在工件之一上和可选地形成限定的力时引起这种释放。只要同时充当触点的、金属的出射狭缝17置于工件上，就闭合了如下电路，在该电路中，例如通过光电耦合器来激活激光能量。附加地，激活可以取决于在焊钳的压力件5、22之间足够的压力的形成。力测量借助于在焊钳的力流内的，例如下部工具3的延长部上或者延长部内的，力传感器来实现。
前面介绍的激光组件7以如下方式设置在移动单元6上，即，使激光组件7的压力件22与下部工具3的压力件5对齐。
同样借助图3来详细介绍移动单元6的结构和工作方式。移动单元6具有保持在钳架2上的伺服马达形式的调整驱动装置23、壳体容纳部24以及构成为导轨的用于壳体容纳部24的线性引导装置25。调整驱动装置23借助于保持装置26固定在钳架2上。
正如特别是从图1a和图1b所看到的那样，壳体容纳部24构造为矩形型材，在该壳体容纳部的面向下部工具的端侧上固定有保持角铁27，伺服马达23的传动杆28作用于该保持角铁上。在壳体容纳部24的底侧上设置有引导元件29，该引导元件嵌接到导轨25的相应的槽31内。借助于移动单元6的调整驱动装置23，激光组件7可以经由能自由编程的路径32一直移动到工件上。
最后，在板状的钳架2的底侧上设置有可相对于钳架2运动的平衡组件33，该平衡组件允许钳架2相对于机械臂34进行轻微的平衡运动。机械臂34与钳架1的平衡组件33通过交换式法兰（Wechselflansch）35连接。
现参照图3中的示意图详细介绍平衡组件33的结构。在交换式法兰35上固定的是具有用于钳架2的线性引导装置37的平衡基架36。线性引导装置37具有与用于壳体容纳部24的线性引导装置25一致的运动方向。
在钳架2的与下部工具3对置的端部上设置有固定法兰38。在固定法兰38与平衡基架36之间中间连接有作用于钳架2的短行程缸39以及弹簧压力单元41。弹簧压力单元41以如下方式与短行程缸39的活塞杆一体化，即，使直线地起作用的力流不受影响。为此目的，由套管包围的压力弹簧可以作为弹簧压力单元与活塞杆一体化。
下面借助图2a、图2b详细介绍依据本发明的激光焊钳1以及平衡组件33的工作方式。图2a示出：怎样使打开的激光焊钳1，由机器人的机械臂34保持地，在待相互连接的工件10上就位。固定在钳架2上的下部工具3在平衡组件33未被激活的情况下，与工件具有例如2至3mm的限定的间距42。该间距42以如下方式来选择，即，使得在包括可能的工件位置波动的情况下，通过机器人可以随时快速地到达焊接位置。激光组件7与工件的间距43在移动单元6的总行程之内是可以自由编程的并且例如为150mm。
随着激光焊钳1在工件10上的定位，启动激光焊钳1的焊接功能。在此，首先激活平衡组件33，方法是：激活短行程缸39并且将带有压力件5的下部工具3以限定的力压向待焊接的工件10之一。所述力以如下方式来设定，即，使下部工具3在工件上浮置地取向，但不改变工件的位置。在限定的力下的浮置取向即使在工件位置波动的情况下通过弹簧压力单元41也得以保证。激活平衡组件33的同时启动移动单元6。由于与工件10的较大间距43而决定地，带有出射狭缝17的激光组件在相同的运动速度下略迟地碰上另一工件10。在互碰期间，将下部工具3的压力件5以及激光组件7的压力件22彼此对齐地置于工件10上并且配合精确地将待焊接的工件10拼合在一起。只有在激光组件7的压力件22安置以后，才能开始焊接过程。
通过准直光管9沿线性滑架14的运动，使在出射狭缝17的方向上聚焦的激光束11平行于准直光管的运动路线13地运动。沿工件10的由出射狭缝17包围的表面区域，可以在出射狭缝的长度上铺置点焊焊缝或者连续式焊缝。
为了铺置较宽的焊缝，可以在准直光管9与线性滑架14的可沿预先给定的运动路线13移动的支承件之间设置摆频发生器13a。摆频发生器13a使可以环绕旋转轴线转动地得以支承的准直光管9产生摆动振荡。旋转轴线平行于准直光管9的运动路线13地分布。摆动振荡使激光束11在出射狭缝17上以最大程度地与其宽度相应的振幅振荡并且由此产生在2mm以内扩宽的焊缝。
附图标记列表
编号 名称 编号 名称
1. 激光焊钳 23. 调整驱动装置
2. 钳架 24. 壳体容纳部
3. 下部工具 25. 线性引导装置
4. 自由端部 26. 保持装置
5. 压力件 27. 保持角铁
6. 移动单元 28. 传动杆
7. 激光组件 29. 引导元件
8. 光纤 30. ---
9. 准直光管 31. 槽
10. 工件 32. 行程
11. 激光辐射 33. 平衡组件
12. 线性驱动装置 34. 机械臂
13. 运动路线 35. 交换式法兰
14. 线性滑架 36. 平衡基架
15. 牵引机构传动装置 37. 线性引导装置
16. 调整驱动装置 38. 固定法兰
17. 出射狭缝 39. 短行程缸
18. 壳体 40. ---
19. 区段 41. 弹簧压力单元
20. --- 42. 间距
21. 壳体凸起部 43. 间距
22. 压力件

Claims (11)

1.激光焊接工具，用于产生连接工件的焊缝，所述激光焊接工具的激光束能够借助于线性驱动装置沿所述焊缝运动，其特征在于，
激光器是光纤激光器，所述激光器包括用于导光的光纤（8）、用于将辐射源的激光辐射耦合到所述光纤（8）内的光学器件和用于使所述激光束（11）的分布聚焦的、与所述光纤连接的准直光管（9），
所述准直光管（9）设置在能够使所述准直光管（9）沿预先给定的运动路线（13）运动的所述线性驱动装置（12）上，
所述线性驱动装置（12）连同所述准直光管（9）设置在具有用于所述激光束（11）的出射狭缝（17）的壳体（18）内，其中，所述准直光管（9）的所述运动路线（13）平行于所述出射狭缝（17）地分布，并且所述准直光管（9）以如下方式取向，即，使所述激光束（11）仅穿过所述出射狭缝（17）从所述壳体（18）中射出，以及，
只有在所述壳体（18）的所述出射狭缝（17）置于所述工件（10）中的至少一个工件上时，才能激活所述光纤激光器。
2.按权利要求1所述的激光焊接工具，其特征在于，所述壳体（18）向所述出射狭缝（17）的方向漏斗形地变细。
3.按权利要求1或2所述的激光焊接工具，其特征在于，所述激光焊接工具构造为焊钳（1），所述焊钳具有钳架（2）、设置在所述钳架（2）上的下部工具（3）和使所述壳体（18）相对于所述钳架（2）运动的移动单元（6），其中，压力件（5）处于所述下部工具（3）的自由端部上，并且所述压力件（5）和与所述压力件对齐的出射狭缝（17）能够借助于所述移动单元（6）朝向彼此和彼此分离开地运动。
4.按权利要求3所述的激光焊接工具，其特征在于，所述压力件（5）与所述出射狭缝（17）的形状相应。
5.按权利要求3所述的激光焊接工具，其特征在于，所述移动单元（6）具有保持在所述钳架（2）上的调整驱动装置（23）、壳体容纳部（24）以及用于所述壳体容纳部（24）的线性引导装置（25）。
6.按权利要求1或2所述的激光焊接工具，其特征在于，用于所述准直光管（9）的所述线性驱动装置（12）具有与调整驱动装置（16）连接的单轴的线性滑架（14）。
7.按权利要求1或2所述的激光焊接工具，其特征在于，在所述壳体（18）上设置有开关件，所述开关件在所述出射狭缝（17）置于所述工件（10）之一上时接通所述光纤激光器的电源。
8.按权利要求5所述的激光焊接工具，其特征在于，所述钳架（2）设置在平衡组件（33）上，所述平衡组件允许所述钳架（2）相对于用于使所述激光焊接工具运动的机械臂（34）进行轻微的平衡运动。
9.按权利要求8所述的激光焊接工具，其特征在于，所述平衡组件（33）具有平衡基架（36），用于固定在所述机械臂（34）上，在所述平衡基架（36）上设置有用于所述钳架（2）的线性引导装置（37），所述用于所述钳架（2）的线性引导装置（37）具有与所述用于所述壳体容纳部（24）的线性引导装置（25）一致的运动方向，并且所述平衡组件（33）具有作用于所述钳架（2）的短行程线性驱动装置（39），弹簧压力单元（41）接入到所述短行程线性驱动装置的直线地起作用的力流中。
10.按权利要求1或2所述的激光焊接工具，其特征在于，在所述准直光管（9）与所述线性驱动装置（12）的能沿预先给定的所述运动路线（13）移动的支承件之间设置摆频发生器。
11.按权利要求3所述的激光焊接工具，其特征在于，所述钳架（2）设置在平衡组件（33）上，所述平衡组件允许所述钳架（2）相对于用于使所述激光焊接工具运动的机械臂（34）进行轻微的平衡运动。
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