CN107660168A - 接合装置和接合方法 - Google Patents

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Abstract

一种接合装置和接合方法，其中接合装置(1)用于基于激光发射将至少两个构件(B1、B2)接合到一起，接合装置具有：第一激光射线源(10)；第一射线导体(11)，其与第一激光射线源(10)相连，以便将第一激光射线源发出的第一激光射线(LS1)接入第一射线导体中；第二激光射线源(20)；至少一个第二射线导体(21、25)，其与第二激光射线源相连，以便将第二激光射线源发出的第二激光射线(LS2)接入第二射线导体中；以及聚焦件(40)，其耦合在第一和第二射线导体处，安装聚焦装置，以便第一激光射线和第二激光射线彼此间隔开地聚焦在构件的接合区域中。为了减少安装费用安装聚焦件，用于通过共同的光路聚焦第一和第二激光射线，并且设置耦合装置(30)，其在入口侧与第一和第二射线导体相连并且在出口侧与聚焦件相连，安装耦合装置，以便将第一和第二激光射线接入共同的光路中。

Description

接合装置和接合方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的接合装置和一种根据权利要求8的前序部分的接合方法。
背景技术
开头提到的接合装置和接合方法例如由DE 10 2006 038 422A1公知。根据该公开文件，第一激光射线源的激光射线用于在由两个构件形成的接合区域中对两个构件进行材料耦合。第二激光射线源的激光射线用于沿着第一激光射线源的激光射线的接合方向在接合区域中预先对两个构件进行预热、即进行接合预处理。从独立的激光射线源发出的第一和第二激光射线在此借由各自的聚焦装置和透镜聚焦在接合区域，这就会形成高昂的安装费用。
发明内容
本发明的目的在于改进一种根据权利要求1的前序部分的接合装置和一种根据权利要求8的前序部分的接合方法，从而降低安装费用。
本目的通过具有权利要求1的特征部分的接合装置和具有权利要求8的特征部分的接合方法达到。本发明的扩展方案在相应的从属权利要求中给出。
根据本发明，提供接合装置用于基于激光发射将至少两个构件接合到一起。接合装置具有预设了功率配置的第一激光射线源、第一射线导体、预设了功率配置的第二激光射线源、至少一个第二射线导体以及聚焦件。
第一射线导体与第一激光射线源相连，以便将第一激光射线源发出的第一激光射线接入第一射线导体中。至少一个第二射线导体与第二激光射线源相连，以便将第二激光射线源发出的第二激光射线接入至少一个第二射线导体中。聚焦件耦合在第一和第二射线导体处(优选在第一和第二射线导体各自的射线出口端)，安装聚焦件，以便第一激光射线和第二激光射线彼此间隔开地聚焦在两个构件的接合区域中。
根据本发明的接合装置的特征在于：安装聚焦件，用于通过共同的光路聚焦第一和第二激光射线；设置耦合装置，其在入口侧与第一和第二射线导体相连(优选与第一和第二射线导体各自的射线出口端相连)并且在出口侧与聚焦件相连，安装耦合装置，以便将第一和第二激光射线接入聚焦件的共同的光路中。
根据本发明能够通过共同的光路聚焦第一和第二激光射线，因此无需为两个激光射线各自单独设置用于聚焦的光路，从而能够降低接合装置的安装费用。
优选地，聚焦件包括唯一的透镜，其用于聚焦第一和第二激光射线。透镜确定了唯一的光路，通过唯一的光路能够将第一和第二激光射线共同引导并在此以多个彼此间隔开的焦点聚焦在两个构件的接合区域中。
根据本发明的实施方式，至少一个另一个第二射线导体，其与第二激光射线源相连，以便将第二激光射线接入至少另一个第二射线导体中。有利的是，这样就能使第二激光射线分布在接合区域中的两个工作点上。
根据本发明的另一个实施方式，耦合装置具有多芯光纤，其具有相应于第一和第二射线导体的总数的、特别是彼此平行延伸的、用于传导射线的光纤芯。光纤芯一方面与第一和第二射线导体的射线出口端一一相连另一方面与聚焦件相应耦合。换句话说，在多芯光纤中，第一和第二射线导体(光导体)耦合在共同的光缆(多芯光纤)中，该光缆与聚焦件耦合。替代光缆或多芯光纤地也可设置相应的光纤耦合件，其能够像多芯光纤那样通过唯一的光路或利用唯一的透镜形成多个焦点。
根据本发明的另一个实施方式，第一激光射线源的功率配置与第二激光射线源的功率配置不同。优选地，第一激光射线源的激光发射功率大于第二激光射线源的激光发射功率。有利的是，通过两个激光射线源的不同的功率配置能够在接合过程中利用接合装置完成不同的任务。
因此优选确定第一激光射线源的功率配置，以便利用聚焦的第一激光射线通过引入热量对两个构件进行材料耦合。另一方面优选地，确定第二激光射线源的功率配置，以便在接合区域中利用聚焦的第二激光射线对两个构件中的至少一个进行表面预处理、即进行接合预处理。特别地，确定第二激光射线源的功率配置，以便在接合区域中利用聚焦的第二激光射线使得在两个构件中的至少一个上的涂层脱落和/或熔化、即进行接合预处理。优选地，确定第二激光射线源的功率配置，以便利用聚焦的第二激光射线对两个构件同时进行接合预处理。
有利的是，这样能够使像板这样的有涂层的构件、特别是镀锌的构件的激光接合过程更可靠。迄今为止，在常见的基于激光的接合装置将有涂层的构件接合到一起时，可以观察到典型的缺陷，如喷溅、气孔、耦合缺陷或者粗糙的无缝表面。特别是在激光焊接镀锌构件时，过程窗口会收缩并且例如产生接合区域的焊缝的边缘耦合呈波纹状。迄今为止还无法使例如用于汽车外壳构件的激光射线接合耦合具有观感品质，要达到的观感品质与例如在汽车的外壳区域中使用镀锌构件(例如板)相冲突。
有利的是，根据本发明的接合装置能够在激光接合有涂层的构件时解决现有问题，其中除了基于第一激光射线对构件进行材料耦合的接合过程，还利用第二激光射线对构件表面进行照射用以改变构件的表面特性。
通过根据本发明的接合装置能够利用第二激光射线使接合区域中的构件的涂层(特别是锌层表面)熔化和/或有选择地脱落。有利的是，第二激光射线聚焦在接合区域中，使得接合预处理直接插入利用第一激光射线进行的接合过程中预先发生，由此能够提高产生的接合缝的观感品质。
特别地，在激光焊接时，通过先于第一激光射线被引入构件的热量，除了能达到更高的焊料装料量还能够使构件处的焊料的耦合长度更长。最终通常都可降低基于激光的接合过程的关于干扰量(例如激光功率波动或构件涂油)的敏感度，从而能够基于激光将镀锌构件或有其他涂层的构件过程可靠地接合到一起。
根据本发明还提供一种接合方法，其用于借由激光射线将至少两个构件接合到一起。优选地，将接合装置的根据本发明的前述一个、多个或所有实施方式以任意可能的方式组合起来从而实现或实施本接合方法。为了避免重复，在此明确，以上根据本发明的接合装置示出的优点和变形同样适用于根据本发明的接合方法。
接合方法包括以下方法步骤：布置两个构件，从而确定出用于将构件接合到一起的接合区域；将第一激光射线源发出的第一激光射线以激光点的形式聚焦在构件的接合区域中，从而能够在第一激光射线的激光点区域中通过引入热量实现两个构件的材料耦合；并且沿着接合方向先于第一激光射线的激光点地将第二激光射线源发出的第二激光射线以至少一个激光点的形式聚焦在构件的接合区域中，从而能够在第二激光射线的至少一个激光点区域中对接合区域中的两个构件中的至少一个进行接合预处理。根据本发明的接合方法的特征在于，通过共同的光路将第一和第二激光射线聚焦在接合区域中。
根据本发明的接合方法，通过第二激光射线的至少一个激光点对接合区域中的两个构件中的至少一个进行表面预处理、即进行接合预处理。优选地，通过第二激光射线的至少一个激光点使得接合区域中的两个构件中的至少一个上的涂层脱落和/或熔化、即进行表面预处理。
根据本发明的另一实施方式，接合方法包括焊接或熔焊过程，通过直接先于接合过程地使用多芯光纤、特别是三芯光纤有选择地照射接合区域，焊接或熔焊过程能够实现镀锌材料和有其他涂层的材料的激光接合。包含两个、三个或更多个光纤芯的多芯光纤能够将多个光导体耦合在光缆中。这就能够使来自多个激光射线源的激光射线借助唯一的透镜处理，从而将接合预处理、特别是锌层的脱落和/或熔化整合到焊接或熔焊过程中。由于两个激光射线仅需一个透镜，可以根据本发明调整常见的透镜和设备继续使用。由于表面预处理直接插入发生，所以无需额外的工作位置。
特别地，例如具有三个光纤芯的多芯光纤用于引导多个(例如三个)激光射线，激光射线借助多芯光纤进入商业透镜中。这能够例如针对镀锌板做出过程调整并在此继续使用现有的焊接透镜。在待接合到一起的构件上在此会形成来自不同激光射线源的多个激光点、例如三个激光点。
示例性地，当在先直接插入的表面预处理与在后的焊接组合在一起时，由此能够实现三焦点焊接。有利的是，在焊条的两侧将用于对构件进行表面预处理的、特别是用于使构件涂层脱落和/或熔化的第二激光射线引导至接合区域中的构件表面上。在此，用于材料耦合或焊接的第一激光射线后于第二激光射线地被引导至接合区域上。
优选地，第一激光射线源连续地发射以便进行材料耦合或焊接。第二激光射线源既可以脉冲式发射也可以持续发射，以便对构件进行表面预处理或者改变构件的表面特性。
本发明还具体地涵盖了那些由并不与权利要求精确对应的特征组合得出的实施方式，因此只要本发明公开的特征在技术上是有意义的，就能够彼此任意组合。
附图说明
接下来根据优选实施方式并参考附图对本发明进行描述。
图1示出了根据本发明的实施方式的接合装置的示意性侧视图；
图2示出了图1中的接合装置的聚焦装置的示意性俯视图；
图3示出了两个构件的被图1中的接合装置照射的接合区域的立体图。
具体实施方式
接下来将参考图1至3对用于基于激光将至少两个构件B1、B2(见图3)接合到一起的接合装置1进行描述，并根据本发明的实施方式对用于接合装置1的接合方法进行描述。
如图3所示，两个构件B1、B2相应地相对彼此布置，从而形成用于将构件B1、B2接合到一起的条状接合区域FZ。接合区域FZ在此例如可由两个构件B1、B2的两个彼此对接的边缘形成。此外，两个构件B1、B2的边缘在接合区域FZ中例如可确定用于形成槽缝的槽。
在本实施方式中，两个构件B1、B2中的每一个都形成用于汽车车身的外壳构件，其中为了防止锈蚀对两个构件B1、B2进行彻底镀锌，换言之，通过镀锌在每个构件B1、B2上形成锌层。
如图1至3所示，接合装置1具有第一激光射线源10、第一射线导体11、第二激光射线源20、一对第二射线导体21、25、耦合装置30、作为聚焦件的聚焦装置40和用于将焊条51和保护气体(未示出)供给至接合区域FZ的辅料供给装置50。
第一射线导体11与第一激光射线源10相连，以便将第一激光射线源10发出的第一激光射线LS1接入第一射线导体11中。两个第二射线导体21、25分别与第二激光射线源20相连，以便将第二激光射线源20发出的第二激光射线LS2接入两个第二射线导体21、25的每一个中。第一和第二射线导体11、21、25例如设计成彼此独立的光纤。
耦合装置30在入口侧与第一和第二射线导体11、21、25各自的射线出口端(未单独示出)相连并且在出口侧与聚焦装置40相连，以便将第一和第二激光射线LS1、LS2导入聚焦装置40。
聚焦装置40通过耦合装置30耦合在第一和第二射线导体11、21、25各自的射线出口端处，聚焦装置包括透镜(未单独示出)，其用于聚焦第一和第二激光射线LS1、LS2。聚焦装置40的透镜确定了唯一的光路，通过唯一的光路能够将第一和第二激光射线LS1、LS2共同引导并在此以多个彼此间隔开的焦点聚焦在两个构件B1、B2的接合区域FZ中。
耦合装置30具有多芯光纤(未单独示出)，其具有相应于第一和第二射线导体11、21、25的总数(在此是三个)的、彼此平行延伸的、用于传导射线的光纤芯(未单独示出)。换句话说，在多芯光纤中，第一和第二射线导体11、21、25(光导体)耦合在共同的光缆(多芯光纤)中。多芯光纤的光纤芯一方面与第一和第二射线导体11、21、25的射线出口端一一相连另一方面与聚焦装置40相应耦合。结果是，安装耦合装置30将第一和第二激光射线LS1、LS2接入聚焦装置40的透镜的共同的光路中。
第一激光射线源10的预设的功率配置与第二激光射线源20的预设功率配置互不相同。在接合装置1的所述实施方式中，第一激光射线源10的激光发射功率大于第二激光射线源20的激光发射功率。
详细来说，确定第一激光射线源10的功率配置，以便利用聚焦的第一激光射线LS1通过引入热量对两个构件B1、B2进行材料耦合。换言之，第一激光射线源10用作接合射线源，在将两个构件B1、B2接合到一起时，借由接合射线源使辅料供给装置50供给的焊条51熔化并且至少在焊条51的熔化区域中将两个构件B1、B2位于接合区域FZ中的边缘加热至焊接温度。
确定第二激光射线源20的功率配置，以便利用聚焦的第二激光射线LS2在接合区域FZ中对两个构件B1、B2进行表面预处理，即接合预处理。在接合装置1的所述实施方式中确定第二激光射线源20的功率配置，以便在接合区域FZ中利用聚焦的第二激光射线LS2使得通过镀锌在两个构件B1、B2上相应形成的锌层脱落和/或熔化、即进行表面预处理。
接下来参考上述根据本发明的接合装置1的结构对用于接合装置1的接合方法进行描述，接合方法用于借由激光射线将两个构件B1、B2接合到一起。
根据接合方法首先将两个构件布置在接合装置1的安装位置处，从而确定了用于将构件B1、B2接合到一起的条状接合区域FZ，如图3所示。然后调整用于供给焊条51和保护气体的辅料供给装置50使其倾斜于接合区域FZ。
此外，使第一和第二激光射线源10、20对准接合区域FZ并开始工作。第一激光射线LS1和第二激光射线LS2通过聚焦装置40的透镜的共同的光路聚焦在接合区域FZ中。
详细来说，从第一激光射线源10发出的第一激光射线LS1以激光点LS1’(其直径例如约为3.2mm)的形式沿着宽度方向大致居中地聚焦在构件B1、B2的条状接合区域FZ中，从而在第一激光射线LS1的激光点LS1’区域中能够通过引入热量对两个构件B1、B2进行材料耦合。在此，辅料供给装置50供给的焊条51在第一激光射线LS1的激光点LS1’区域中熔化，并且两个构件B1、B2的边缘被加热至焊接温度。
沿着接合方向FR以一定间隔先于第一激光射线LS1的激光点LS1’地，第二激光射线源20发出的第二激光射线LS2以两个彼此间隔开的激光点LS2’的形式聚焦在构件B1、B2的接合区域FZ中，以便在第二激光射线LS2的两个激光点LS2’区域中对接合区域FZ中的两个构件B1、B2进行表面预处理、即进行接合预处理。在表面预处理情况下，通过第二激光射线LS2的两个激光点LS2’使接合区域FZ中的两个构件B1、B2上的锌层脱落，第二激光射线LS2的两个激光点LS2’的直径小于在后的激光点LS1’的直径。
当在先直接插入的表面预处理与在后的焊接组合在一起时，由此能够实现三焦点焊接。如图3所示，在焊条51的两侧将用于表面预处理的、特别是用于使锌层脱落和/或熔化的第二激光射线LS2引导至接合区域中的构件B1、B2的表面上。用于材料耦合或焊接的第一激光射线LS1被后于第二激光射线LS2引导至接合区域FZ上。
优选地，第一激光射线源10连续地发射以便进行材料连接或焊接。第二激光射线源既可以脉冲式发射也可以持续发射，以便对构件B1、B2进行表面预处理或者改变构件的表面特性。
通过本发明能够使有涂层的或者是镀锌的构件(特别是板)的激光接合过程、特别是激光焊接过程更可靠。在常见的解决方案中，例如在激光焊接镀锌构件时，过程窗口会收缩并且出现典型缺陷，例如接合区域FZ的焊缝的边缘连接呈波纹状。根据本发明的解决方案能够改变构件B1、B2的表面特性，其中在用焊条51的焊料连接构件B1、B2时先行照射构件表面。
特别地，通过本发明能够使在接合区域FZ区域中的涂层(特别是锌层表面)熔化和/或有选择地脱落。通过直接插入发生的、先于接合过程的接合预处理能够提高产生的焊缝的观感品质。在焊接时，通过预先被引入构件B1、B2的热量，除了能达到更高的焊料装料量还能够使构件B1、B2处的焊料的连接长度更长。最终通常都可降低基于激光的接合过程的关于干扰量(例如激光功率波动或构件涂油)的敏感度，从而能够基于激光将镀锌构件或有其他涂层的构件过程可靠地接合到一起。
附图标记说明
1 接合装置
10 第一激光射线源
11 第一激光导体
20 第二激光射线源
21 第二激光导体
25 第二激光导体
30 耦合装置
40 聚焦装置
50 辅料供给装置
51 焊条
B1 构件
B2 构件
FR 接合方向
FZ 接合区域
LS1 第一激光射线
LS1’ 激光点
LS2 第二激光射线
LS2’ 激光点

Claims (10)

1.一种接合装置(1)，其用于基于激光发射将至少两个构件(B1、B2)接合到一起，所述接合装置具有：
预设了功率配置的第一激光射线源(10)，
第一射线导体(11)，其与所述第一激光射线源(10)相连，以便将所述第一激光射线源(10)发出的第一激光射线(LS1)接入所述第一射线导体(11)中，
预设了功率配置的第二激光射线源(20)，
至少一个第二射线导体(21、25)，其与所述第二激光射线源(20)相连，以便将所述第二激光射线源(20)发出的第二激光射线(LS2)接入所述至少一个第二射线导体(21、25)中，以及
聚焦装置(40)，其耦合在所述第一和第二射线导体(11、21、25)处，安装所述聚焦装置，以便所述第一激光射线(LS1)和所述第二激光射线(LS2)彼此间隔开地聚焦在所述两个构件(B1、B2)的接合区域(FZ)中，其特征在于，
安装所述聚焦装置(40)，用于通过共同的光路聚焦所述第一和第二激光射线(LS1、LS2)；设置耦合装置(30)，其在入口侧与所述第一和第二射线导体(11、21、25)相连并且在出口侧与所述聚焦装置(40)相连，安装所述耦合装置，以便将所述第一和第二激光射线(LS1、LS2)接入所述聚焦装置(40)的共同的光路中。
2.根据权利要求1所述的接合装置(1)，其特征在于，设置至少一个另一个第二射线导体(21、25)，其与所述第二激光射线源(20)相连，以便将所述第二激光射线(LS2)接入所述至少一个另一个第二射线导体(21、25)中。
3.根据权利要求1或2所述的接合装置(1)，其特征在于，所述耦合装置(30)具有多芯光纤，所述多芯光纤具有相应于所述第一和第二射线导体(11、21、25)的总数的、用于传导射线的光纤芯，且其中所述光纤芯一方面与所述第一和第二射线导体(11、21、25)的射线出口端一一相连另一方面与所述聚焦装置(40)相应耦合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接合装置(1)，其特征在于，所述第一激光射线源(10)的功率配置与所述第二激光射线源(20)的功率配置不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的接合装置(1)，其特征在于，确定所述第一激光射线源(10)的功率配置，以便利用聚焦的所述第一激光射线(LS1)对所述两个构件(B1、B2)进行材料耦合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的接合装置(1)，其特征在于，确定所述第二激光射线源(20)的功率配置，以便在所述接合区域(FZ)中利用聚焦的所述第二激光射线(LS2)对所述两个构件(B1、B2)中的至少一个进行表面预处理、即进行接合预处理。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的接合装置(1)，其特征在于，确定所述第二激光射线源(20)的功率配置，以便在所述接合区域(FZ)中利用聚焦的所述第二激光射线(LS2)使得在所述两个构件(B1、B2)中的至少一个上的涂层脱落和/或熔化、即进行接合预处理。
8.一种接合方法，其用于借由激光射线将至少两个构件(B1、B2)接合到一起，所述接合方法包括以下步骤：
布置两个构件(B1、B2)，从而确定出用于将所述构件接合到一起的接合区域(FZ)；
将第一激光射线源(10)发出的第一激光射线(LS1)以激光点(LS1’)的形式聚焦在所述构件(B1、B2)的接合区域(FZ)中，从而能够在所述第一激光射线(LS1)的激光点(LS1’)区域中通过引入热量实现所述两个构件(B1、B2)的材料耦合；并且
沿着接合方向(FR)先于所述第一激光射线(LS1)的激光点(LS1)地将第二激光射线源(20)发出的第二激光射线(LS2)以至少一个激光点(LS2’)的形式聚焦在所述构件(B1、B2)的接合区域(FZ)中，从而能够在所述第二激光射线(LS2)的至少一个激光点(LS2’)区域中对所述接合区域(FZ)中的所述两个构件(B1、B2)中的至少一个进行接合预处理，
其特征在于，通过共同的光路将所述第一激光射线(LS1)和所述第二激光射线(LS2)聚焦在所述接合区域(FZ)中。
9.根据权利要求8所述的接合方法，其特征在于，通过所述第二激光射线(LS2)的至少一个激光点(LS2’)对所述接合区域(FZ)中的所述两个构件(B1、B2)中的至少一个进行表面预处理、即进行接合预处理。
10.根据权利要求9所述的接合方法，其特征在于，通过所述第二激光射线(LS2)的至少一个激光点(LS2’)使得所述接合区域(FZ)中的所述两个构件(B1、B2)中的至少一个上的涂层脱落和/或熔化、即进行表面预处理。
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