CN108883498A - 用于激光透射焊接环形焊缝的装置 - Google Patents

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Abstract

装置包括具有管件(3)的焊接单元、沿管件轴线(3.0)的方向照射的激光束单元(1)以及经由例如通过两个间隔元件(5.1)形成的保持单元与管件(3)连接且相对管件(3)同轴地布置在管件内的芯轴(4)。管件(3)和芯轴(4)的周面对于激光束单元(1)的激光辐射来说是反射的，从而使激光辐射通过在管件(3)与芯轴(4)之间的多次反射朝射束离开侧的管件端部(3.2)偏转并且被环形地成形。

Description

用于激光透射焊接环形焊缝的装置
技术领域
本发明涉及一种用于激光透射焊接的装置，如其按类属由DE 100 05 593 C1所公知。
背景技术
不依赖于构成两个所要焊接的构件的材料地，在焊接时重要的是，这两个构件都要经由焊接连接部的预设的数量、布置方式、形状和尺寸来持久且牢固地彼此连接。此外，在许多应用情况下，尤其是当焊接作为对塑料的激光透射焊接实施时，不应当在吸收激光的构件侧能察觉到焊接连接部。
因此，除了对工具装置的诸如维护成本低、轻便、适用材料广泛和成本少的通常的要求之外，适用于工业用途的用于激光透射焊接的装置还对辐射能量在焊接连接部中的均匀分布有所需求。
这方面对于表现为环形焊接轮廓的例如用来将具有环绕的凸缘的套筒形的构件焊接到扁平的构件上的焊接连接部来说，通常通过所谓的轮廓焊接来实现，在其中，激光束被连续不断地一次或多次沿着焊接轮廓引导。环形的焊接轮廓在本发明的意义下表示为闭合的环或共同地形成环的形状的多个环形区段。环的横截面可以是圆形、椭圆形或多边形。
由DE 10 2009 053 261 A1公知了一种用于激光透射焊接的装置，通过该装置也可以同时焊接由多个焊接点形成的环形焊接轮廓。该装置由与焊接点的数量和布置方式相应的一定数量和布置的焊接单元组成，其中，焊接点在本发明的意义下可以表现为环形区段。焊接单元具有光轴以及构件容纳部，沿着该光轴布置有高功率二极管激光器、射束生成光学器件和管件，所要焊接的构件彼此间并且相对焊接单元地定位在构件容纳部中。高功率二极管激光器、射束生成光学器件和管件分别经由壳体彼此被牢固地布置，并且管件的内周面对于激光束是反射的。射束生成光学器件如下这样地设计，即，使其将来自高功率二极管激光器的激光束变换成发散的激光束，在其中，通过在管件的内部的周边上的多次反射使射束横截面与管件的空腔的横截面相匹配，并且使激光束在射束横截面上的激光束辐射强度分布变得均匀。理想的是，射束生成光学器件使激光束如下这样地匹配管件，即，使它在管件内部通过完全反射来继续传输。
还提出的是，管件的由多个焊接单元的布置得到的布置能通过设有一定数量的穿孔的金属块来替代，其中，这些穿孔的数量、布置和规格与焊接点的数量、布置和规格相应。
指出的是，通过对管件或穿孔的横截面的尺寸和形状进行选定来预设焊接点的尺寸和形状，并且对于焊接点来说，代替常规的圆形的形状地也可以实现矩形的形状，这是因为管件能够很容易地被制造成相应匹配的形状。管件的长度应当如下这样地选择，即，经由多次在管件内部的反射进行足够好的均匀化，这保证了在焊接点内部的均匀牢固的焊接连接。
各个焊接单元的管件端部被按压到所要焊接的构件上。为了增加用于此的按压面而提出的是，与所选择的管件横截面无关地在管件的自由的管件端部上安装有按压体。作为对此的示例提出了环形的平面盘、封闭了自由的管件端部的平面板或十字型元件。
根据上述的DE 10 2009 053 261 A1的装置已被证明尤其不利的是，焊接轮廓要用非常大量的焊接点来建立，这些焊接点应当尤其仅具有尽可能小的间隔，以便形成几乎闭合的环形的焊接轮廓。实际上闭合的环形的焊接轮廓却无法利用此处所阐明的装置来实现。在此未详细实施的构件容纳部(所要焊接的构件相对彼此并且相对焊接单元地定位在该构件容纳部中)不仅需要将所要焊上的构件相对被焊在其上的构件进行定位和固定的器件，而且需要用来将焊接单元相对构件进行定位的器件。
发明内容
本发明的任务是：提供一种结构相对不太复杂的装置，利用该装置可以焊接环形的焊接轮廓，该环形的焊接轮廓不仅通过闭合环来形成，而且通过多个形成环的环形区段来形成。
该任务通过用于激光透射焊接第一与第二构件之间的环形焊缝的装置来解决。该装置包括有焊接单元和激光束单元。
焊接单元具有管件，该管件具有管件轴线、射束进入侧的管件端部和射束离开侧的管件端部。在射束进入侧的管件端部上布置有具有沿管件轴线的方向的照射方向的激光束单元。管件的内周面对于由激光束单元发射的激光辐射是反射的。
对于本发明重要的是，在管件中，同轴地布置有经由保持单元与该管件连接的芯轴。该芯轴具有朝向射束进入侧的管件端部的第一芯轴部分和朝向射束离开侧的管件端部的第二芯轴部分。第一芯轴部分具有直圆锥、直截顶圆锥、直棱锥或直截顶棱锥的形状，它们具有向射束离开侧的管件端部敞开的小于90°的锥角(Mittelpunktswinkel)。第二芯轴部分具有直圆柱或直棱柱的形状。第一芯轴部分的第一基面和第二芯轴部分的第二基面彼此相匹配。芯轴的朝向管件的周面对于激光辐射来说是反射的，从而激光辐射通过形成在管件与芯轴之间的间隙中的多次反射朝向射束离开侧的管件端部偏转并且被环形地成形。
有利地，在第二芯轴端部上朝向射束离开侧的管件端部地存在有针对与第一构件的力锁合且形状锁合(kraft-formschlüssig)的插塞连接的配对件，从而能够利用装置容纳第一构件。
为了有利地实施力锁合且形状锁合的插塞连接，从射束离开侧的管件端部出发，第二芯轴部分通过环形槽部分地被分成反射体套筒和同轴的容纳芯体。例如实施为具有凸缘和套管部分的套管形的构件的第一构件因此能够经由套管部分插入环形槽中，从而能够给凸缘加载以激光辐射。容纳芯体在此表现为力锁合且形状锁合的插塞连接部的配对件。
有利的是，射束离开侧的管件端部探伸超出反射体套筒，从而使插入的套管形的构件的凸缘能够借助管件被按压到向套管形的构件相对进给的第二构件上。
也有利的是，容纳芯体探伸超出辐射离开侧的管件端部，从而通过将容纳芯体插入套管部分中能够通过装置从托盘接过套管形的构件，并且能够利用该装置使套管形的构件向第二构件相对进给。
另外，有利的实施方案在从属权利要求中说明。
附图说明
参考附图，下面示例性地结合具有环绕的凸缘的套管形的构件地详细阐述该装置，凸缘被焊在扁平的构件上。
其中：
图1a以侧向剖视图示出根据本发明的装置的第一实施例的原理图；
图1b至图1g以俯视剖视图示出管件和芯轴的不同的横截面的原理图；
图2以侧向剖视图示出根据本发明的装置的第二实施例的原理图；以及
图3a至图3d示出利用根据第三实施例的根据本发明的装置的对套管形的构件的处理过程。
具体实施方式
在图1a中以侧向剖视图示出了根据本发明的用于激光透射焊接第一构件7与第二构件8之间的环形焊缝的装置的第一实施例，该第一实施例能够与图1b至图1g中所示的俯视剖视图中的每个相组合。
该装置的在图1b至图1g中示例性地示出的横截面形状影响了被反射到其上的激光辐射的散射并且确定了能利用该装置所建立的焊缝的形状。这些横截面形状同样能够与装置的其他所有的实施方案组合，也就是还能与图2中所示的第二实施例或在图3a至图3d中所示的第三实施例组合。
根据本发明的装置的在图1a中所示的第一实施例示出了非常简单的实施方案，该装置被直接放置到已经相对彼此定位的、相互要经由平坦的环形焊缝焊接起来的两个构件，也就是第一和第二构件7、8上，以便实施焊接。
装置的该实施例和所有另外的实施例一样地包括有具有管件3的焊接单元，该管件具有管件轴线3.0、射束进入侧的管件端部3.1和射束离开侧的管件端部3.2。在射束进入侧的管件端部3.1上布置有具有沿管件轴线3.0的照射方向的激光束单元1。激光束单元1在此由单个的激光束源1.1和沿其照射方向前置的光学结构组件1.2形成。激光束单元1也可以仅是已经以高发散量照射的激光束源1.1，或者也可以是多个如下激光束源1.1的设施，它们的激光辐射优选通过光学的结构组件1.2或各一个光学的结构组件1.2进行扩展。管件3的内周面对于由激光束单元1发射的并且耦入管件3中的激光辐射来说是反射的。
在管件3中，同轴地布置有经由保持单元与该管件连接的芯轴4。在该实施例中，保持单元由间隔元件5.1形成。芯轴4包括朝向射束进入侧的管件端部3.1的第一芯轴部分4.1和朝向射束离开侧的管件端部3.2的第二芯轴部分4.2。
在此，第一芯轴部分4.1具有直圆锥或直棱锥的形状，其锥角α小于90°。圆锥或棱锥的顶点指向激光束单元1。第一芯轴部分4.1仅具有的任务是，将入射来的激光辐射反射到管件3上，使得激光辐射在那里以一定的角度入射，从那里进一步地被反射朝向射束离开侧的管件端部3.2。
第二芯轴部分4.2具有直圆柱或直棱柱的形状，其中，圆柱或棱柱的第二基面4.2.0和圆锥或棱锥的第一基面4.1.0相互间协调。也就是说，在芯轴4表现为圆锥和圆柱的组对或棱锥和棱柱的组对的情况下，基面4.1.0和4.2.0分别全等。在芯轴4由棱锥和圆柱形成的情况下，棱锥的原则上表现为多边形的，优选是等边多边形的基面4.1.0与多边形的内圆进而是圆柱的第二基面4.2.0相匹配。同样地，在芯轴4由圆锥和棱柱形成的情况下，圆锥的表现为圆的第一基面4.1.0与棱柱的表现为多边形的，优选是等边的多边形的第二基面4.2.0相匹配。两个最后提及的组合引起了激光辐射在通向射束离开侧的管件端部3.2的途中更好地分散，并且因此导致辐射密度更好地均匀化。
芯轴4垂直于其与管件轴线3.0重合的纵向轴线的横截面的尺寸在其从射束进入侧的管件端部3.1至第一芯轴部分4.1到第二芯轴部分4.2的过渡部的长度上递增，并且然后保持恒定。芯轴4的横截面形状可以与管件3的横截面的形状相匹配，如在图1b-1e中所示，或者也可以与该横截面不同，如图1f至图1g中所示
间隔元件5.1跨接了管件3与芯轴4之间的垂直的间隔，该间隔确定了所得的焊缝的宽度。焊缝的宽度优选是恒定的，如在图1b至图1f中所示，但也可以是不同的，如在图1g中所示。
芯轴4的朝向管件3的周面对于激光辐射来说是反射的，从而使激光辐射通过管件3与芯轴4之间的多次反射朝向射束离开侧的管件端部3.2偏转并且被环形地成形。在射束离开侧的管件端部3.2上的芯轴4与管件3之间的间隙的形状确定了焊缝的形状并且在任意情况下都是环形的。
有利地，限界了射束离开侧的管件端部3.2和芯轴4的朝向射束离开侧的管件端部3.2的端部的端面位于一个平面中，从而可以使它们共同地被放置到两个已经相对彼此定位的构件7、8上。这些端面于是限界了环形的面，激光辐射被导入到其中。沿管件轴线3.0被导入到焊接单元中的按压力经由端面被传递到构件7、8上，从而使构件7、8之间出现了用于焊接所必要的挤压力。
原则上，射束离开侧的管件端部3.2也可以探伸超出芯轴4的端部，从而仅有射束离开侧的管件端部3.2贴靠到构件7、8上，或者也可以是只有芯轴4的端部探伸超出射束离开侧的管件端部3.2，从而经由其将按压力带入到构件7、8中。然而在此，出现了对焊缝的其中一个边缘的不期望的过度辐射，并且因此出现了不期望的加热，但是当高度差较小时，这是相对可忽略的。
这种例如由圆锥或棱锥的第一基面4.1.0给定的经限定的几何形状不是绝对必要的。理论上，芯轴4和管件3的横截面也可以是自由形状面，然而这在其光学反射特性方面却无法预测，因此并不实用。利用所提到的限定的横截面形状则可以产生各种各样的环形焊缝，这些焊缝允许了针对所要焊接的构件7、8的较高的设计自由度。
间隔元件5.1视焊接轮廓是闭合的环或是共同地形成环的形状的多个环形区段而定地进行规格确定和布置。
对于是闭合的环的焊接轮廓来说，间隔元件5.1要尽量不遮挡激光辐射，因此这些间隔元件尽可能在射束进入侧的管件端部3.1处围绕芯轴4分布地布置。这些间隔元件优选是窄的并且对于激光辐射来说是反射的。如果激光辐射从多个激光束源1.1的系统进而从多个定位出来射入到装置中，则间隔元件5.1有利地恰好居中地布置在激光射入定位之间。
对于由多个环形区段构成的焊接轮廓来说，间隔元件5.1有利地延伸直到射束离开侧的管件端部3.2的和/或芯轴4的端部的端面，并且在此承担了按压的功能。
图2中所示的第二实施例与第一实施例的不同之处主要在于激光束单元1和保持单元的实施方案。
激光束单元1在此由多个激光束源1.1形成，它们例如布置在圆形线或多边形的周边线上，其中，在每个激光束源1.1之前优选地布置有光学结构组件1.2，用于射束扩展。并排布置多个激光束源1.1而没有前置的射束成形部也是可行的，例如并排布置有多个横档的激光阵列。各个光学结构组件1.2相应于激光束源1.1的布置地来布置。收嵌(Fassen)和布置光学结构组件1.2并且同轴于管件3地保持芯轴4的功能在此有利地通过保持板5.2来解决，该保持板代替间隔元件5.1地被当作保持单元。与间隔元件5位于激光辐射的照射区域之内的第一实施例相比，保持板5.2在此位于激光辐射的照射区域之外。因为在该情况下激光辐射的射入并不在管件的整个横截面上分布地进行，所以第一芯轴部分4.1只实施为截顶圆锥或截顶棱锥，以此有利地通过所得到的顶面形成了针对保持板5.2的装配面。
根据第三实施例(参见图3a至图3d)，装置除了用于将激光辐射引导到构件7、8上的光学功能和用于传递按压力的机械功能之外还应当承担用于相对装置进而相对焊缝以及相对第二构件8容纳和定位第一构件7的功能。
对于后一种情况，第二芯轴部分4.2通过如下方式被利用，即，其朝向射束离开侧的管件端部3.2的端部与第一构件7相协调地配备有力锁合且形状锁合的插塞连接部的配对件，其中，第一构件7具有针对该连接部的另外的配对件。只有当芯轴4被用作按压器件时，为此要利用的端面才可以被限制成环的形状，并且在被端面包入的内部区域之内可以构造有针对力锁合且形状锁合的插塞连接部的配对件。
第一构件7可以已经具有能够被用作针对力锁合且形状锁合的插塞连接部的配对件的形状。该第一构件在此可以是套管形的构件7.1，其具有套管部分7.1.2和构造在套管部分上的凸缘7.1.1。
第三实施例涉及被设计成用于焊接这种套管形的构件7.1的装置。
在芯轴4的朝向射束离开侧的管件端部3.2的端部上构造有填充套管部分7.1.2的下文也被称为容纳芯体4.2.1的芯体。套管部分7.1.2和容纳芯体4.2.1表现为力锁合且形状锁合的插塞连接部。为了使套管部分7.1.2不被加载以激光辐射，容纳芯体4.2.1通过环形槽6同轴地包围，从而与反射体套筒4.2.2分开。环形槽6延伸进第二芯轴部分4.2中，从而使得套管形的构件7.1的套管部分7.1.2可以至少几乎完全容纳在环形槽6中。
在该第三实施例中，第一构件7，在这里具体地是套管形的构件7.1的凸缘7.1.1，视射束离开侧的管件端部3.2是否探伸超出反射体套筒4.2.2或者反射体套筒4.2.2是否探伸超出射束离开侧的管件端部3.2或者两个端面是否位于一个平面而定地，也可以通过一个或两个端面来按压。
在图3a至图3d示出了套管形的构件7.1怎样通过装置来容纳并且为了焊接使套管形的构件7.1相对装置并相对至少在焊缝的区域中是板状的第二构件8怎样定位。
根据图3a，套管形的构件7.1在凸缘7.1.1上地被平放在托盘9中，从而使套管部分7.1.2竖直向上探伸。如图3b所示地，装置从上方竖直地被放置到套管形的构件7.1上，从而使容纳芯体4.2.1插入套管部分7.1.2中。在此导致了套管部分7.1.2的轻微膨胀，其中，该膨胀引起了复位力并且形成了容纳芯体4.2.1与套管部分7.1.2之间的力锁合且形状锁合的插塞连接。该装置现在以插好的套管形的构件7.1向第二构件8进行相对进给，套管形的构件7.1应当被焊到第二构件8上并且被下放到该第二构件8上。在此，套筒形的构件7.1被进一步推移到容纳芯体4.2.1上并被推移到环形槽6中，直到凸缘7.1.1贴靠在管件3或反射体套筒4.2.2或两者上。有利地，在第二构件8上存在有定位辅助件。定位辅助件可以是出于其他原因所存在的如下孔眼8.1，凸缘7.1.1应当被焊到该孔眼周围，并且必要时同样将容纳芯体4.2.1插入该孔眼中，如示于图3d中所示，或者定位辅助件还可以是构造在第二构件8上的如下环(图中未示出)，凸缘7.1.1在装置被下放时被压入到该环中。
如已经说明的那样，焊缝的形状由管件3以及芯轴4在辐射离开侧的管件端部3.2上的所选择的横截面来确定。该形状可以是正多边形，尤其是正方形，如图1b所示，或六边形，如图1c所示，但也可以是不规则的多边形。此外，其例如可以是圆环，如图1d所示，或者可以是椭圆形的环，如图1e所示。
附图标记列表
1 激光束单元
1.1 激光束源
1.2 光学结构组件
3 管件
3.0 管件轴线
3.1 射束进入侧的管件端部
3.2 射束离开侧的管件端部
4 芯轴
4.1 第一芯轴部分
4.1.0 第一基面
4.2 第二芯轴部分
4.2.0 第二基面
4.2.1 容纳芯体
4.2.2 反射体套筒
5.1 间隔元件
5.2 保持板
6 环形槽
7 第一构件
7.1 套管形的构件
7.1.1 (套管形的构件7.1的)凸缘
7.1.2 (套管形的构件7.1的)套管部分
8 第二构件
8.1 (第二构件8的)孔眼
9 托盘
α 锥角

Claims (9)

1.用于激光透射焊接第一构件(7)与第二构件(8)之间的环形焊缝的装置，所述装置包括：带有管件(3)的焊接单元，所述管件具有管件轴线(3.0)、射束进入侧的管件端部(3.1)和射束离开侧的管件端部(3.2)；以及布置在所述射束进入侧的管件端部(3.1)上的激光束单元(1)，所述激光束单元具有沿所述管件轴线(3.0)的方向的照射方向，其中，所述管件(3)的内周面对于由所述激光束单元(1)发射的激光辐射来说是反射的，其特征在于，
在所述管件(3)中同轴地布置有经由保持单元与所述管件连接的芯轴(4)，所述芯轴具有朝向所述射束进入侧的管件端部(3.1)的第一芯轴部分(4.1)和朝向所述射束离开侧的管件端部(3.2)的第二芯轴部分(4.2)，所述第一芯轴部分具有第一基面(4.1.0)，所述第一芯轴部分呈具有向所述射束离开侧的管件端部(3.2)敞开的小于90°的锥角(α)的直圆锥、直截顶圆锥、直棱锥或直截顶棱锥的形状，所述第二芯轴部分具有第二基面(4.2.0)，所述第二芯轴部分呈直圆柱或直棱柱的形状，其中，所述第一基面(4.1.0)和所述第二基面(4.2.0)彼此相匹配，并且所述芯轴(4)的朝向所述管件(3)的周面对于激光辐射来说是反射的，从而使所述激光辐射通过在所述管件(3)与所述芯轴(4)之间的多次反射朝向所述射束离开侧的管件端部(3.2)偏转并且被环形地成形。
2.根据权利要求1所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，在所述第二芯轴部分(4.2)上朝向所述射束离开侧的管件端部(3.2)存在有用于与所述第一构件(7)的力锁合且形状锁合的插塞连接的配对件。
3.根据权利要求2所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，从所述射束离开侧的管件端部(3.2)出发，所述第二芯轴部分(4.2)部分地通过环形槽(6)被分成反射体套筒(4.2.2)和同轴的容纳芯体(4.2.1)，以便使实施为具有凸缘(7.1.1)和套管部分(7.1.2)的套管形的构件(7.1)的第一构件(7)能经由所述套管部分(7.1.2)插入所述环形槽(6)中，从而使所述凸缘(7.1.1)能被加载以所述激光辐射，并且所述容纳芯体(4.2.1)表现为所述力锁合且形状锁合的插塞连接的配对件。
4.根据权利要求3所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述射束离开侧的管件端部(3.2)探伸超出所述反射体套筒(4.2.2)，从而使插入的套管形的构件(7.1)的凸缘(7.1.1)能借助所述管件(3)被按压到向所述套管形的构件(7.1)相对进给的第二构件(8)上。
5.根据权利要求3所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述容纳芯体(4.2.1)探伸超出所述射束离开侧的管件端部(3.2)，从而通过将所述容纳芯体(4.2.1)插入所述套管部分(7.1.2)中而能通过所述装置从托盘(9)接过所述套管形的构件(7.1)，并且利用所述装置能使所述套管形的构件(7.1)向所述第二构件(8)相对进给。
6.根据权利要求4所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述射束离开侧的管件端部(3.2)和所述反射体套筒(4.2.2)的自由端部位于一个平面内，从而使插入的套管形的构件(7.1)的凸缘(7.1.1)也能借助所述反射体套筒(4.2.2)被按压到向所述套管形的构件(7.1)相对进给的第二构件(8)上。
7.根据权利要求1所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述激光束单元(1)由至少一个激光束光源(1.1)和前置的用于扩展激光辐射的至少一个光学结构组件(1.2)形成。
8.根据权利要求1或7所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述保持单元由至少两个间隔元件(5.1)形成，所述至少两个间隔元件布置在所述芯轴(4)的其中一个周面上。
9.根据权利要求7所述的用于激光透射焊接环形焊缝的装置，其特征在于，所述保持单元是保持板(5.2)，所述保持板布置在所述第一芯轴部分(4.1)的朝向所述射束进入侧的管件端部(3.1)的端部上，并且在所述保持板中收嵌有所述至少一个光学结构组件(1.2)。
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