CN102648070A - 使用传感器并借助填充材料用于材料接合式连接的接合设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助填充材料(18)用于材料接合式连接的接合设备(14)，其具有将线材(18)作为填充材料的供给装置，所述供给装置被设计为，在接合设备(14)工作时以预设的进给速度供给线材(18)，并且所述接合设备(14)还具有用于包含至少两条分射束(26)的使线材(18)熔化的能量射束的导向装置(21)。所述接合设备(14)具有第一传感器用于测取线材(18)的侧向偏移以及第二传感器用于测取与线材(18)的进给相关联的量，其中能量射束的导向装置(21)与第一和第二传感器连接并配置为，根据第一和第二传感器的输出信号偏移和/或聚焦能量射束。

Description

使用传感器并借助填充材料用于材料接合式连接的接合设备
本发明涉及一种借助填充材料用于材料接合式连接的接合设备，其具有将线材作为填充材料的供给装置，所述供给装置被设计为，在接合设备工作时以预设的进给速度供给线材，并且所述接合设备具有包含至少两条分射束的使线材熔化的能量射束的导向装置。
由DE102006056252A1已知一种设备，用于沿着通过能量射束使工件连接的工件接口对能量射束进行导向。此外具有导向发生装置(Führungfinder)，其在接口上预施加一个压紧力。
由EP1568435A1已知一种具有聚焦装置的激光加工机。在此借助传感器监测工件的加工区。
DE102006060116A1示出一种激光加工头。其为线材配设一个传感器并借助传感器测量作用在线材上的力。
例如由DE102004025873A1已知一种前述类型的设备。在所述设备中将激光束分割成多条分射束，它们由聚焦透镜聚焦在工作区内。聚焦透镜有中心孔，填充材料穿过它导引。亦即存在一个同轴的通孔。
采用这种设计，当接合缝的位置例如基于工件公差改变时，由熔化的线材制成的接缝并不能准确地沿两个工件的接合缝产生具有相同接缝质量的接缝。接合设备在持续工作时不能足够准确地相对于即使仅发生最微小变化的接合缝进行定位，也就是说，分射束和线材在沿着和横向于接合设备的进给方向上以及在垂直方向上(亦即图1中的x、y和z方向上)无法发生或仅发生可忽略的极微小的位移。这导致无法产生最佳的接缝深度和连接截面。
本发明的目的是拥有一种可产生最佳接缝的接合设备。
本发明为此目的采用一种如前述类型的接合设备，其中接合设备有第一传感器用于测取线材的侧向偏移，以及第二传感器用于测取与线材的进给相关联的量，其中，能量射束的导向装置与第一和第二传感器相连接并被配置为，根据第一和第二传感器的输出信号偏移和/或聚焦能量射束。
按本发明，当线材在接合缝内的位置改变时，并不改变整个接合设备相对于要连接的工件及接合缝的位置，而仅修正能量射束相对于线材的位置。能量射束根据线材的位置(亦即沿图1中的x和/或y方向)偏移和/或沿z方向聚焦。特别是将能量射束偏移和/或聚焦，使线材位于所述至少两个分射束之间。当线材处于此位置时获得最佳接缝。根据本发明，通过之后对能量射束在工作期间进行可能的偏移和/或聚焦，补偿要连接工件的公差。由此实现可复制的高接缝质量并提高过程可靠性。
优选地，第一传感器包含与供给装置或线材相连接的传感器，该传感器被设计为能测取由线材的侧向偏移引发的力，由此测取线材相对于接合缝的侧向位置。在此，所使用的术语“侧向”偏移在整个申请中应理解为沿x或y方向的偏移。对于与取向无关的实施方式，探测沿x和y方向的力。
在此可以在接合设备上安装光学传感器，例如摄像头。摄像头安装在接合设备上，其在线材后方摄影并且线材在光学元件上成像，用于检测线材的光学重心。作为使线材在其上成像的光学元件，例如可使用四象限光电二极管(简称QPD)、位置灵敏探测器(简称PSD)或光电二极管单元(简称PDA)。由此探测线材相对于接合缝的侧向位置(亦即线材沿x或y方向的位置)和特别是由面向接合缝的压紧力而造成的线材变形。通过观察接合缝相对于由能量射束的分射束所形成的光斑的相对位置，还可以探测接合缝的侧向位置。
可选的是，传感器是一种发出电磁场的电感传感器，其在延展导电材料内，此处为线材内引起涡流。振荡器识别涡流的变化。由此可以探测出由于抵靠在接合边棱上的压紧力而造成线材的变形，并且获得线材的侧向位置。传感器也可以是一种力传感器。
第一传感器优选地具有摄像头和分析装置，其中分析装置分析由摄像头产生的图像，以测取线材相对于接合缝的位置。尤其是，借助像点的灰度值特征，亦即像点的亮度或强度值和/或色度特征，测取接合缝的位置。
第二传感器优选包含与供给装置或线材相连接的传感器，该传感器被设计为能测取与线材的进给相关联的量。
在此，线材尤其在鲍登索或软轴(Bowdenzug)内导引，其中软轴例如弯转90°，由此消除推动线材的力。软轴在供给装置区域内固定在支架上，从而基于线材的进给力而从接合缝上被挤开。所述的力可例如借助安装在支架区内的行程传感器测取。这种行程传感器可以是弹簧弹性元件，作用在线材上的进给力决定它的弹簧压缩量。线材也可以装在管路内，以取代软轴。可选地，在支架区域内可以设置用于测取作用在线材上力的滚轮。通常，可以采用电阻应变片、力传感器、行程传感器，用于测取与线材的进给相关联的量。
优选地，设置有传感器用于测取线材或供给装置的垂直(亦即沿z方向)偏移。
在此可以使用一种电容传感器，其优选地处于线材喷嘴内。电容传感器一般借助高频振荡回路工作，振荡回路借助电容器产生电场。若一种固体材料靠近此电场，则导致电容改变并由此在振荡回路内造成强度的改变。一旦此强度超过阀值，便发出开关信号。
同样优选地，是一种安装在摄像头内用于测取垂直偏移的自相关传感器。自相关传感器定位在同轴的射束轨迹内并且将光学元件调整为，使其始终清晰灵敏。由此，可以沿z方向光学调整设备。
按优选实施方式，能量射束的所述至少两条分射束基本上相对于线材被对称地导向，其中，在能量射束一个分射束与线材之间存在至少为5°的夹角。因为在分射束中央供给线材，由此可以有效地供给线材并得到有足够接缝深度的高质量的接缝。线材或供给装置位移的垂直作用方向沿接合设备的z轴延伸。这一作用方向也可以倾斜一个角度，从而使线材沿倾斜的能量射束位移。
优选地，设置有至少一个根据第一和第二传感器的输出信号聚焦的自动聚焦模块。通过自动聚焦模块，有目的地改变能量射束，因而改变能量射束的分射束。在此，还可以彼此独立地改变各分射束。此外，自动聚焦模块可例如设计为聚光透镜、球面透镜或彼此交叉的圆柱形透镜。可以改变透镜系统的焦点位置，亦即焦点，使焦点或处于要连接工件表面的上方，或处于其下方。尤其是，所述至少两条分射束各自的焦点离线材的距离保持恒定。
可以设一个或多个以反射镜和/或平面平行板形式的作用装置，它们偏移和/或分割能量射束。反射镜和/或平面平行板相对于能量射束设置成一个角度，由此改变能量射束的射束轨迹。同样优选的是，在钎焊或熔焊过程前或在此过程期间，有目的地将反射镜和/或平面平行板旋转到不同位置。在这种情况下使分射束相对于线材末端定向。
按一种实施方式，在接合设备上设置有促动器，其可使部分接合设备沿垂直方向(亦即z方向)位移。由此改变接合设备相对于要连接工件的距离。
部分接合设备优选地可以绕回转轴旋转。为此在激光准直器与激光聚焦器之间安装有回转驱动器。回转驱动器用于校正侧向位置。
尤其设有探测元件，其可以探测作用在探测元件上的垂直和/或侧向力。
优选地，线材被促动器或弹簧弹性元件施加朝向所要产生的接缝的作用力。由此在线材的末端朝所要产生接缝的方向作用一个近似恒定的力，从而可以产生均匀的接缝。
按一种实施方式，设有带有切口的喷嘴，借助该喷嘴供给线材。在此，切口沿进给方向(x方向)开设在喷嘴内。因此，当线材具有较长自由长度时，允许线材沿x方向运动。
能量射束的导向装置优选地设置为，使能量射束横向于和沿进给方向，亦即沿y和x方向偏移。因此原则上可以沿两个方向测量和偏移。
此外，依据本发明，能量射束可以根据第一和第二传感器的输出信号在加工平面内保持离线材命中点有恒定的距离。
可以同轴于线材和/或能量射束向接合过程输送保护气体或空气。输送的气体用作过程气体和/或在紧随所述过程地冷却受热负荷的工件。
由从属权利要求表明其他特征和优点。
以下借助附图所示的实施方式描述本发明。在附图中：
图1示出附带坐标系的两个要连接的构件的示意图；
图2示出本发明所述接合设备的侧视图；
图3示出本发明所述具有探测元件的接合设备的局部透视图；
图4示出能量射束和线材的俯视图；
图5示出接合设备的侧视示意图；
图6示出图1中用X标示区域的放大图；以及
图7示出用于供给线材的喷嘴的放大图。
图1示出两个部分搭接的工件10，所述两个工件10应在接合缝11的区域内互相连接。坐标系表明了方向，其中所产生的接缝12沿x方向延伸，垂直方向用z表示并且用y表示垂直于所产生的接缝的方向，即垂直于x方向。
图2示出两个部分搭接的工件10，所述两个工件10在图2所示的右段中已经通过接缝12互相连接。为了连接这两个工件使用接合设备14沿接合缝11在x方向(见图1)上移动。
接合设备14具有固定组件15、构件16和包含探测元件46和供给装置19的组件17，其中在固定组件15与构件16之间是具有回转驱动器40的回转轴42。构件16和组件17可以绕回转轴42旋转。
在构件16与组件17之间是可在z方向上移动的伸缩臂29。在组件17上安装供给装置19，通过供给装置19以预设的进给速度供给填充材料，尤其是线材18。同时，探测元件46与供给装置19固定连接。
此外，接合设备14具有用于至少一条使填充材料熔化的能量射束的导向装置21。填充材料在工件10接合时熔化。
在图2中以虚线箭头标示出，导向装置21与供给装置19的运动相耦合，以下就此详细说明。
能量射束优选地是激光束，并且通过准直透镜形式的第一自动聚焦模块20、多个反射镜22、24(图2中表示三个)和透镜形式的第二自动聚焦模块25进行聚焦和/或偏移，使之形成两条分射束26，所述分射束26在从接合设备14射出后基本对称地延伸至线材18，其中在能量射束的一条分射束26与线材18之间存在一个至少为5°的夹角α。尤其是，第一自动聚焦模块20(示意表示在图2中)形成一条直径可调的平行定向的激光束。激光束的直径可以沿着箭头所示的平行于光学轴线的方向通过移动第一自动聚焦模块20进行调整。在激光束借助第一反射镜22转向后，通过两个错开设置的反射镜24进行射束分割。为此目的，这两个错开设置的反射镜24仅将一半伸入激光束内，并且只引导一条分射束26，亦即半条激光束，转向到第二自动聚焦模块25上确定位置。第二条半条激光束，亦即第二分射束26，同样被错开设置的第二个反射镜24反射至第二自动聚焦模块25上，并由此射向第二自动聚焦模块25的另一个位置。通过所述错位设置，为加工点形成两条独立的分射束26。在分割射束的转向装置内固定反射镜24的支架，可以在装配时在任意方向上校准反射镜24。此外，借助这种校准机构可以就两条分射束调整其强度分配。这一系统既可以对称调整，亦即将两条分射束调整为相同强度，也可以使每条分射束具有不同强度。
也就是说，此光学镜片系统有两个自动聚焦模块。第一自动聚焦模块20用于使发散的激光束准直，亦即使激光束平行定向，以及用于调整射束光斑尺寸。第二自动聚焦模块25是聚光透镜，借助它使两条分射束26聚焦并偏移，从而使它们彼此叠加地移动。为此，第二自动聚焦模块25用于聚焦。
第二自动聚焦模块25沿z方向与供给装置19的运动相耦合。尤其是，在图2中以虚线箭头标示出，供给装置19通过伸缩臂29与导向装置21连接。固定有探测元件46的伸缩臂29可以沿z方向调整(见图2中的箭头)。第二自动聚焦模块25也可以沿z方向调整(见图2中的箭头)。第二自动聚焦模块25根据伸缩臂29的偏移进行移动。由此保证，以一个角度相互汇聚的分射束26始终沿x和y方向以及相对于线材18具有相同的位置。调整时尤其使用电动促动器45。
图3用透视侧视图表示能量射束的两条分射束26，在此可以看出，每条分射束26在俯视图(见图4)中呈半圆形或半壳形，其中线材18沿进给方向x处于两个半圆形或半壳形分射束26之间。在此位置，当接合设备14工作时达到接缝12期望的深度。在加工光学系统处于装配状态时，使用者可以设定半圆或半壳沿x方向相对于线材的位置，以及同样设定两个半月体在x方向上彼此的间距。
在图5示意地示出，能量射束的导向装置21与第一传感器28和第二传感器30连接，以下就此详细说明。导向装置21被设计为，使能量射束的分射束26根据两个传感器28、30的信号偏移和/或聚焦。尤其是，通过改变一个或多个自动聚焦模块的位置和/或一个或多个反射镜22的位置，使分射束2侧向偏移。例如通过调整自动聚焦模块，改变分射束26的焦点。通过一条或多条分射束26的侧向偏移，校正能量射束的位置。如图4所示，分射束26可以相对于线材18的末端定位，以使所述线材18精确地定位在两条分射束26之间。
如所述内容，导向装置20接收第一传感器28的信号。第一传感器28测取线材18的侧向偏移，亦即线材18沿y方向的偏移。第一传感器28具有图2中示意表示的摄像头32。摄像头32安装在接合设备14上并产生线材18的图像。所产生的图像由分析装置34借助灰度值特征进行分析，以测取线材18相对于接合缝11的位置并由此测取线材18的侧向偏移量。然后，根据所获得的线材18的侧向偏移量，使能量射束偏移(沿x和/或y方向)和/或聚焦(沿y方向)。由此，当线材18离接合边缘的距离改变时，不必改变整个接合设备14相对于接合边缘的距离，而是只须改变能量射束相对于线材末端的位置。
可选的是，安装在接合设备14上的摄像头32可在线材18后方为其摄影。之后，线材18的图像在一个光学元件(未表示)上成像并且分析装置34可以测取线材18的侧向偏移。作为使线材18在其上成像的光学元件，可使用例如四象限光电二极管(简称QPD)、位置灵敏探测器(简称PSD)或光电二极管单元(简称PDA)。
线材18的侧向偏移也可以借助电感式传感器测取。这种电感式传感器发出一个在线材18内引起涡流的电磁场。预设的振荡器可以识别涡流的变化。由此可以测取线材18的侧向偏移并向导向装置21发出相应的信号。
同样优选的是，可以借助激光三角测量法测取线材18的位置。在激光三角测量法中，从光源射出的射束射向线材，接着反射的射束被接收器接收。因为光源与接收器之间的距离保持不变而且是已知的，所以由此可以获得线材的位置并向导向装置21发出相应的信号。
此外，如所述内容，导向装置21还收到第二传感器30的信号。第二传感器30检测与线材18的进给相关联的量并且具有一个在图6放大图中所示的传感器35。传感器35被设置用于测取作用在线材18末端的力。线材18在软轴36内导引，其中软轴36弯转90°，以达到消除使线材18移动的作用力的目的。软轴36的端部固定在支架38上，从而基于线材18的进给力将其从要产生的接合缝12处推开。所述力可例如借助传感器35测取。传感器35例如是一个弹簧弹性元件，在接合边缘区域内作用在线材上的进给力决定其弹簧压缩量。还可以使用电阻应变片取代弹簧弹性元件，以测取与线材的进给相关联的量。
线材18也可以装在一个特殊形状的管内并且沿z轴轴向抵触在接合过程平面上。为此特殊形状的细管可以以较小的摩擦力导引线材，但与此同时可以传递由于沿z方向距离的变化所产生的力。所述线材导引模块被设计为，可以沿任意方向(x、y和z方向)进行设置。同样可以设置线材的自由长度。此外，所述线材导引模块可以固定在伸缩臂上并且具有用于探测z方向上的位移和位置的传感器。通过抵触在加工面上的线材18传递所述位移。所述信号用于为透镜系统20、24预先设定位移量。
可选的是，也可以设置能测取作用在线材18上力的滚轮。
如所述内容，能量射束的分射束26根据两个传感器28、30的信号偏移和/或聚焦，为的是如图4所示使线材18的末端在分射束26之间准确定位。
较长的自由长度使线材18弯折。因此线材18在通过分射束26形成的空隙内游动，而这又促成了最佳熔化。由此，线材18可基于其较长的自由长度在x方向上略有前后弹动。
图2中示出回转驱动器40，借助它可使部分接合设备14绕回转轴42旋转，以改变线材18和分射束26的侧向位置。侧向的过程控制或导向(y方向)通过回转驱动器40实现。通过力的控制实现所述导向。在此，线材18侧面支靠在接缝上。在这种情况下产生的力由力传感器测量，并通过相应的调整再传给回转驱动器40用于预先设定位移量。在接合设备14上还具有促动器44，可使部分接合设备14沿垂直方向(亦即沿z方向)运动。此外，可借助另一个促动器45对第二自动聚焦模块25如所述在垂直方向上进行调整。设置在线材18前方的探测元件46(见图2和3)测取作用的垂直和/或侧向(亦即沿z方向和沿y方向的)力，并由此测取接合设备14相对于要连接工件10的位置。
探测元件可以沿任意方向调整并可具有一个通道(未表示)，在产生连接期间可通过该通道供给助焊剂和/或添加气体。
供给装置19借助促动器48(示意性地表示在图2中)被施加朝向所要制造的接缝12的作用力，由此将线材18贴靠在要连接的工件10上。
图7示出喷嘴50，通过其供给线材18。在喷嘴50内沿进给方向(x方向)开设有一个隙缝或切口52。所述切口52使线材18在x方向上具有较长的自由长度或较大的自由度并使其可沿进给方向位移，与此同时由于线材18在y方向上具有较短的自由长度，故可以沿此方向更准确地定位线材18。
在加工过程中，可以同轴于线材和/或能量射束输送保护气体或空气(未表示)。输送的气体用作过程气体和/或紧随所述过程地冷却受热负荷的工件。
除自动聚焦模块和反射镜外，还可以设置两块平面平行的板(未表示)。借助这些平面平行的板可以偏移能量射束。

Claims (17)

1.一种借助填充材料用于材料接合式连接的接合设备，其具有将线材(18)作为填充材料的供给装置，所述供给装置被设计为，在接合设备(14)工作时以预设的进给速度供给线材(18)，并且所述接合设备(14)还具有用于包含至少两条分射束(26)的使线材(18)熔化的能量射束的导向装置(21)，
其特征在于，
接合设备(14)具有第一传感器(28)用于测取线材(18)的侧向偏移，以及第二传感器(30)用于测取与线材(18)的进给相关联的量，其中，能量射束的导向装置(21)与第一和第二传感器(28、30)连接并配置为，根据第一和第二传感器(28、30)的输出信号偏移和/或聚焦能量射束。
2.如权利要求1所述的接合设备，其特征在于，第一传感器(28)包含与供给装置(19)或线材(18)相连接的传感器，该传感器被设计用于测取由线材(18)的侧向偏移引起的力。
3.如权利要求1所述的接合设备，其特征在于，第一传感器(28)具有摄像头(32)和分析装置(34)，其中分析装置(34)分析由摄像头(32)生成的图像，以测取线材(18)的侧向偏移。
4.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，第二传感器(30)包含与供给装置(19)或线材(18)相连接的传感器(35)，该传感器被设计用于测取与线材(18)的进给相关联的量。
5.如权利要求4所述的接合设备，其特征在于，线材(18)在软轴(36)内导引，其中，面向线材末端的软轴(36)的末端固定在支架(38)上并且传感器(35)被配置和设计为，可测取作用在软轴(36)上的力。
6.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，具有用于测取线材(18)或供给装置(19)的垂直偏移的传感器。
7.如权利要求6所述的接合设备，其特征在于，用于测取垂直偏移的传感器是电容传感器。
8.如权利要求6所述的接合设备，其特征在于，用于测取垂直偏移的传感器是安装在摄像头中的自相关传感器。
9.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，能量射束的至少两条分射束(26)基本上相对于线材(18)对称地被导向，其中，在能量射束的分射束(26)与线材(18)之间存在一个至少为5°的夹角(α)。
10.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，具有至少一个自动聚焦模块(20、25)，其根据第一和第二传感器(28、30)的输出信号聚焦能量射束。
11.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，具有一个或多个以反射镜(22、24)和/或平面平行板形式存在的作用装置，用以偏移和/或分割能量射束。
12.如权利要求10所述的接合设备，其特征在于，在接合设备上具有使部分接合设备(14)可沿垂直方向位移的促动器(44、45)。
13.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，部分接合设备(14)可借助回转驱动器(40)绕回转轴(42)旋转。
14.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，具有探测元件(46)，其可以探测作用在探测元件(46)上的垂直和/或侧向力。
15.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，供给装置(19)可借助促动器(48)被施加朝向所要产生的接缝(12)的作用力。
16.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，能量射束的导向装置(21)被配置为，使能量射束横向于和沿进给方向偏移。
17.如上述任一项权利要求所述的接合设备，其特征在于，设有带有切口(52)的喷嘴(50)，借助该喷嘴供给线材(18)。
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