CN111757804B - 用于窄型同步激光塑料焊接的波导 - Google Patents

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Abstract

窄的波导(306)使从激光器模块的激光源行进穿过包括至少一个光纤束腿部(304)的多个激光输送束的激光均匀化，从而沿比光纤束腿部(304)的宽度(322)窄的焊接线(314)对多个工件(308，310)进行焊接。该窄的波导(306)具有与每个光纤束腿部(304)相关联的部分(316)，该部分比与波导(306)的该部分相关联的光纤束腿部(304)窄。反射性反弹平面(312)使光纤束腿部(304)的不会行进通过窄的波导(306)的激光转向。

Description

用于窄型同步激光塑料焊接的波导
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月22日提交的美国临时申请No.62/620,168的权益。上述申请的全部公开内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及塑料焊接，且更具体地涉及在塑料焊接应用中沿焊接线提供窄的焊缝宽度。
背景技术
本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
激光焊接通常用于在焊接区域处接合塑料或树脂部件，比如热塑性部件。
众所周知，激光器以特定频率提供半聚焦的电磁辐射束(即相干单色辐射)。存在多种类型的可用的辐射源。激光焊接的一个示例是红外透射(TTIr)焊接，这是用于焊接塑料或树脂部件的优选技术。TTIr焊接采用穿过第一塑料部件并进入到第二塑料部件中的红外光。在许多方面，TTIr组件的工具包括用于将红外光从光源引导至待焊接的塑料部件的波导和光纤束。在许多TTIr焊接方法和其他激光焊接方法的情况下，使用波导是普遍的。众所周知，波导使红外光均匀化。焊缝的宽度尤其取决于光纤束的端部的直径以及波导的内部特性(比如波导的角度斜率)、来自光纤的激光的角展度(angular spread)及待焊接的透射部件的厚度。
一种类型的TTIr是同步红外透射焊接，在本文中称为STTIr。在STTIr中，比如通过多个诸如激光二极管的激光源的协调对准，整个焊接路径或区域(在本文中被称为焊接路径)同时暴露于激光辐射。在US 6,528,755“Laser Light Guide for Laser Welding(用于激光焊接的激光光导)”中描述了STTIr的示例，该申请的全部公开内容通过参引并入到本文中。在STTIr中，激光辐射通常通过一个或更多个光学波导从一个或更多个激光源传输至被焊接的部件，这些光学波导符合沿焊接路径接合的部件表面的轮廓。
图1示出了现有技术的STTIr激光焊接系统100的示例。STTIr激光焊接系统100包括激光支持单元102，该激光支持单元102包括一个或更多个控制器104、接口110、一个或更多个电源106以及一个或更多个冷却器108。STTIr激光焊接系统100还可以包括致动器、一个或更多个激光器模块(laser bank)112以及上部工具/波导组件35和固定在支承台上的下部工具20。每个激光器模块112包括一个或更多个激光沟道113，其中，每个激光沟道113具有激光源122。激光支持单元102联接至致动器和每个激光器模块112并且经由电源(或多个电源)106和冷却器(或多个冷却器)108向激光器模块112提供能量和冷却，并经由控制器104来控制致动器和(多个)激光器模块112。致动器联接至上部工具/波导组件35，并且在控制器104的控制下将该上部工具/波导组件移动至下部工具20以及从下部工具20移开。在操作中，激光器模块112引导经由激光辐射源产生的激光能量通过多个激光输送束10。每个激光输送束10可以进一步分裂为腿部，并且每个腿部包括至少一个激光输送光纤。如果激光输送束10未分裂为腿部，则每个激光输送束10包括至少一个激光输送光纤。每个激光输送光纤通过波导30将激光能量从激光器模块112的激光辐射源输送至待焊接在一起的多个工件60。波导30使通过每个激光输送光纤输送至工件60的激光能量均匀化。
在一些激光焊接应用中，波导可以定形状为呈线性形式，以接收来自成排的一系列光纤束的分散的激光。在一些激光焊接应用中，期望波导的宽度是纤细的，例如用以适应形状会阻挡较宽的波导的工件，或用以提供较窄的焊缝。光纤束的直径存在实际下限。进一步地，波导具有实际最小尺寸；即，波导的尺寸应该被定尺寸成大于或等于由光纤束发射的激光路径的宽度，以防止由光纤束发射的激光溢出波导的边缘。此外，由于焊缝的宽度也取决于光纤的角展度，所以使波导渐缩不会在所有情况下均使焊缝的最终宽度变窄。
相反，在激光的角展度增大焊缝的有效宽度之前，波导能够渐缩而达到的狭窄程度存在实际下限。根据光学扩展量的原理，波导渐缩程度越大，激光的出射角展度就越大。因此，焊缝的宽度(例如，焊点的宽度，或由多个工件待焊接的路径限定的焊缝的长度的宽度)存在实际下限。参照图2作为一个示例。在左侧，示出了焊点202，其中，激光行进穿过光纤束腿部204、穿过渐缩的波导206并且穿过待焊接的透射塑料部件208到达待焊接的吸收性部件210。在右侧，示出了焊点202’，其中，激光行进穿过光纤束腿部204’、穿过渐缩程度更大的波导206’并且穿过待焊接的透射塑料部件208’到达待焊接的吸收性部件210’。应注意，即使使用如右图所示的渐缩程度更大的波导206′而非使用渐缩波导206，焊点202和焊点202′的尺寸也是大致相等的。这是因为，由于光学扩展量的性质，焊缝的宽度存在实际下限。换句话说，可以通过使波导渐缩来实现的焊缝宽度存在实际下限。然而，在某些应用中，期望提供焊缝宽度甚至比使用传统的光纤束和渐缩波导所能实现的焊缝宽度更窄的焊缝。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概述，而不是本公开的全部范围或本公开的所有特征的全面公开。
本技术提供了用于在同步激光焊接系统中沿焊接路径将多个工件焊接在一起的方法，该同步激光焊接系统具有多个激光输送束和波导，其中，每个激光输送束包括至少一个光纤束腿部，该波导布置在光纤束腿部与多个工件之间。该方法包括：将来自至少一个激光源的激光引导通过每个光纤束腿部到达波导的与该光纤束腿部相关联的部分，并将波导的每个部分的宽度设置为窄于与波导的该部分相关联的光纤束腿部的宽度。该方法还包括：在光纤束腿部的出口处设置用于每个光纤束腿部的反射性反弹平面，并以用于每个光纤束腿部的反射性反弹平面来反射来自该光纤束腿部的激光的第一部分，并使来自该光纤束腿部的激光的第二部分行进穿过波导的与该光纤束腿部相关联的部分而到达焊接路径，以提供焊缝，在该焊缝处，激光的第二部分以比光纤束腿部的宽度窄的宽度而冲击焊缝路径。
在一方面，来自每个光纤束腿部的、穿过波导的与该光纤束腿部相关联的部分的激光的第二部分被均匀化。
在一方面，对光纤束腿部和波导进行定位提供了连续的焊接线。
在一方面，对光纤束腿部和波导进行定位提供了线性的焊接线。
在一方面，对光纤束腿部和波导进行定位提供了曲线形的焊接线。
在一方面，对光纤束腿部和波导进行定位提供了不连续的焊接线。
在一方面，通过每个反射性反弹平面反射激光的第一部分包括将激光的第一部分反射远离激光源。
本技术还提供了用于沿焊接路径将多个工件焊接在一起的同步激光焊接系统。该同步激光焊接系统包括：激光器模块，该激光器模块具有光源；多个激光输送束，其中，每个激光输送束包括至少一个光纤束腿部；以及波导，该波导布置在光纤束腿部与多个工件之间。该波导具有与每个光纤束腿部相关联的部分，且波导的每个部分的宽度窄于与波导的该部分相关联的光纤束腿部的宽度。光纤束腿部在激光器模块与波导之间延伸，且来自激光器模块的激光源的激光被引导通过光纤束腿部到达所述波导。反射性反弹平面与每个光纤束腿部相关联且布置在光纤束腿部的出口处，并且构造成反射来自与该反射性反弹平面相关联的光纤束腿部的激光的第一部分。波导的每个部分构造成提供来自与该部分相关联的光纤束腿部的激光行进穿过的路径，并且将该激光引导至焊接路径，其中，该激光的第二部分冲击焊接路径的位置处的焊缝的宽度窄于该光纤束腿部的宽度。
在一方面，波导的每个部分使行进穿过该部分的激光均匀化。
在一方面，沿焊接路径的焊缝是连续的焊接线。
在一方面，沿焊接路径的焊缝是线性的焊接线。
在一方面，沿焊接路径的焊缝是曲线形的焊接线。
在一方面，沿焊接路径的焊缝是不连续的焊接线。
在一方面，每个反射性反弹平面将激光反射远离激光源。
根据本文提供的描述，其他适用领域将变得明显。该发明内容中的描述和具体示例仅意在用于说明的目的，并且不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于对所选实施方式而非所有可能的实施方案的说明性目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1是示出了现有技术的激光焊接系统的示意图；
图2是示出可以通过使波导渐缩而实现的焊缝的宽度的实际下限的放大示意图；
图3是示出根据本公开的实施方式的示意图；以及
图4是示出根据本公开的实施方式的放大等距视图。
贯穿附图中的若干视图，相应的附图标记标示相应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方式。
提供了示例性实施方式，使得本公开将会是透彻的，并将充分地将范围传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，比如特定的组合物、部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显的是：无需采用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同的形式体现并且不应当被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方式中，未详细描述周知的过程、周知的装置结构以及周知的技术。
本文所使用的术语仅用于描述特定的示例性实施方式的目的，而不意在进行限制。除非上下文另外明确指出，否则如本文所使用的单数形式的“一”、“一个”以及“该”也可以意在包括复数形式。术语“包括”、“包括有”、“包含”以及“具有”是囊括性的，并且因此指明所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增添一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。除非特别地指明为执行的顺序，否则本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求其以所论述或所说明的特定顺序执行。还应理解的是，除非另外指出，否则可以采用附加的或替代性的步骤。
当部件、元件或层被称为“位于另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一元件或层时，该部件、元件或层可以直接位于其他部件、元件或层上以及直接接合至、直接连接至或直接联接至其他部件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他用语(例如，“位于……之间”与“直接位于……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)应当以类似的方式来解释。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列举项中的一者或更多者的任意组合和所有组合。
尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各个步骤、元件、部件、区域、层和/或部段，但是除非另有说明，否则这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部段不应受这些术语限制。这些术语可以仅用来区分一个步骤、元件、部件、区域、层或部段与另一步骤、元件、部件、区域、层或部段。除非上下文明确指出，否则本文中使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语并不暗指顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施方式的教示的情况下，以下所论述的第一步骤、元件、部件、区域、层或部段可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部段。
在本文中可以使用诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等与空间或时间相关的术语以便于说明书对如附图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系进行描述。与空间或时间相关的术语可以意在涵盖装置或系统在使用或操作中除了附图中描绘的取向之外的不同取向。
应理解的是，对于“包括”某些步骤、成分或特征的方法、组合物、装置或系统的任何叙述，在某些替代变型中，也可以设想这样的方法、组合物、装置或系统还可以“基本上包括”所列举的步骤、成分或特征，以从其中排除可能实质性地改变本发明的基本特征和新颖特征的任何其他步骤、成分或特征。
根据本公开的技术提供了用于在同时激光焊接应用中使用的方法和设备。
在许多方面，根据本公开描述的实施方式可以用作STTIr激光焊接系统、比如根据图1描述的STTIr激光焊接系统100中的一部分。
现在转至图3，示出了根据本公开的实施方式。在该实施方式中，每个光纤束腿部304引导来自激光源(比如激光源122)的激光通过波导306穿过待焊接的透射性塑料部件308，其中，激光由待焊接的吸收性塑料部件310吸收，以在沿着塑料部件被焊接在一起的焊接路径的点处形成焊点302。应理解的是，在沿着焊接路径的下述每个点处形成焊点302：在这些点处，来自单个光纤束腿部304的激光在行进穿过波导之后冲击焊接路径。各焊点302共同限定了焊缝的焊接线314(在图4中以虚线示出)。如本文中所使用的，术语“宽度”或“焊缝宽度”在涉及焊缝时意指沿着焊接线的焊缝的在任何合适的点处的宽度，即，在任何合适的点处横跨焊接线的焊缝的宽度。
如本文中所使用的，术语“光纤束腿部”意指多个激光输送光纤，并且可以包括具有多个激光输送光纤的腿部(比如激光输送束的腿部)以及/或者具有多个腿部和/或具有多个激光输送光纤的激光输送束。应理解的是，在这种背景下，存在波导306的与每个光纤束腿部304相关联的部分316(尽管部分316在图4中以虚线直接地图示出，但应注意该部分根据波导的形状可能呈现为圆形、椭圆形或其他形状)，该部分是来自该光纤束腿部304的激光行进穿过波导306的位置。当以下论述涉及波导306和相关联的激光输送光纤304时，这指的是波导306的部分316，在该部分处，来自该激光输送光纤304的激光行进穿过波导306。还应理解的是，波导306的部分316可以替代性地由单独的波导提供。
应注意，每个焊点302的宽度显著小于提供了形成该焊点302的激光的光纤束腿部304的宽度。这种显著变窄的焊点302是通过波导306的具有宽度320的部分316实现的，宽度320显著窄于相关联的光纤束腿部304的宽度322、比如当光纤束腿部304具有诸如图3和图4的示例中的圆形横截面时光纤束腿部304的直径。由于光纤束腿部304比波导306的相关联的部分316宽，因此离开光纤束腿部的激光中仅有第一部分将进入波导306的相关联的部分316，并且其余的第二部分将溢出波导306的相关联部分316的外边缘并且不进入相关联的部分316。与每个光纤束腿部304相关联的反射性反弹平面312反射激光的第一部分，并且激光的第二部分行进穿过波导306的相关联的部分316到达焊接路径上的一点，部件308、310沿该焊接路径被焊接在一起并且形成焊点302。在一方面，至少一个反射性反弹平面被布置在每个光纤束腿部304的出口318处。在一方面，在波导306的每个部分316的相对两侧324处布置有反射性反弹平面312，使得这些反射性反弹平面312在焊接线314的相对两侧上反射激光。在一方面，反射性反弹平面312是波导306的一部分。相对两侧324横跨部分316的宽度320彼此相对。
反射性反弹平面312优选地包括反射而非吸收STTIr应用中所使用的激光的材料。因此，反射性反弹平面包括激光镜、抛光金属表面和全内反射表面。反射性反弹平面312将激光重新引导成远离待焊接的部件308、312以防止其不必要的焊接，且远离激光源122或光纤束腿部304以避免损坏激光系统。通常，反射性反弹平面312安置在每个光纤束腿部304的端部(例如，出口318)和波导306的每个部分316的入口处。
根据本公开的合适的波导共用两个主要属性。首先，波导306的每个部分316的宽度比相关联的光纤束腿部304的宽度窄。第二，波导306的每个部分316必须足够长以使行进穿过波导306的部分316的激光均匀化，从而允许均匀的焊接。在示例中，波导306的每个部分316沿其长度具有均匀的宽度。
参照图4，示出了图3所公开的实施方式的替代性视图。应理解，在STTIr应用中，多个光纤束腿部304同时将来自激光源的激光通过波导306的相关联的部分316传输穿过至待焊接的部件308、310，这产生了大致由波导306的出口侧限定的焊接区域，其中，出口侧由最近的面向待焊接的部件308、312的侧部限定。波导306的每个部分316必须在竖向方向上充分延伸以使穿过至待焊接的部件308、310的激光均匀化。
此外，在STTIr应用中，波导可以形成为提供任何期望或预定形状的焊接长度。因此，尽管在图4中波导306被示出为沿其长度呈直线，但应理解波导306可以是曲线的。类似地，尽管在图4中波导306被示出为呈平坦状，但应理解的是，波导306沿参照平面可以具有任何取向、三维性或其他扭曲。还可以设想的是，波导306不必贯穿整个波导均具有固定的宽度，其中，波导306的一个或更多个部分316与其他部分316中的一者或更多者具有不同的宽度。因此可以设想，所产生的焊接线不必具有一致的宽度，并且沿着焊接线的给定点处的宽度可以取决于波导306的与沿着焊接线的该给定点相邻的部分316的宽度、任何所产生的角展度以及光纤束腿部304的在该特定点处不被反射性反弹平面312重新定向的宽度。此外，波导输出形状可以按照焊接参数或优选条件的要求来形成，比如为三角形、点状(dot)或团状(blob)。
波导可以是正波导或负波导或两者的任意组合。正波导使用固体介质，该固体介质可以传输激光并通过全内反射来引导光。负波导通过真空、气体、液体或固体传输但依靠反射壁来引导激光。
如上所述，上述技术适于用作STTIr激光焊接系统、比如图1中所示的STTIr激光焊接系统100的一部分。在这样的改进的STTIr系统中，可以设想的是，光纤束腿部304将代替激光输送束10的腿部，并且波导306以及反射性反弹平面312将代替波导30。与使用类似尺寸的光纤束腿部的常规STTIr系统的情况下的可能的焊缝宽度相比，这种改进的STTIr系统将提供显著更窄的焊缝宽度。还可以设想，在这样的系统中，施加至待焊接部件的激光将形成下述焊接长度，该焊接长度的焊缝宽度显著在小于常规STTIr系统的情况下可能的焊缝宽度。并且如上所述，根据波导306的参数，所产生的焊接线可以以多种形式产生，所述形式包括线性、曲线形、连续、不连续、具有扭曲以及表现出三维的焊接长度。根据另一方面，这种焊接线可以利用波导来制造，该波导定形状成产生期望的形状，比如三角形、点状或团状。根据又一方面，在波导的宽度和/或相应的反射性反弹平面沿着波导变化的程度下，焊接线的宽度可以沿着焊接线的路径变化。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。其并非意在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下能够进行互换并且可以在所选实施方式中使用，即使没有具体示出或描述也是如此。特定的实施方式也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开的，并且所有这样的改型意在被包括在本公开的范围内。

Claims (14)

1.一种用于在同步激光焊接系统中沿焊接路径将多个工件焊接在一起的方法，所述同步激光焊接系统具有多个激光输送束和波导，其中，每个激光输送束包括至少一个光纤束腿部，所述波导布置在所述光纤束腿部与所述多个工件之间，所述方法包括：
将来自至少一个激光源的激光引导通过每个光纤束腿部到达所述波导的与该光纤束腿部相关联的部分；
将所述波导的分别与每个光纤束腿部相关联的每个部分的宽度设置为窄于与所述波导的该部分相关联的光纤束腿部的宽度；以及
在所述光纤束腿部的出口处设置用于每个光纤束腿部的反射性反弹平面，并以用于每个光纤束腿部的反射性反弹平面来反射来自该光纤束腿部的激光的第一部分，并使来自该光纤束腿部的所述激光的第二部分行进穿过所述波导的与该光纤束腿部相关联的所述部分而到达所述焊接路径，以提供焊缝，在所述焊缝处，所述激光的所述第二部分以比该光纤束腿部的宽度窄的宽度而冲击所述焊缝路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使来自每个光纤束腿部的激光的第二部分行进穿过所述波导的与该光纤束腿部相关联的部分包括：通过所述波导的相关联的所述部分来使行进穿过所述波导的激光均匀化。
3.根据权利要求1所述的方法，包括对所述光纤束腿部和波导进行定位，以通过所述焊缝沿所述焊接路径将所述多个工件焊接在一起，所述焊缝是沿焊接线连续的。
4.根据权利要求1所述的方法，包括对所述光纤束腿部和波导进行定位，以通过所述焊缝沿所述焊接路径将所述多个工件焊接在一起，所述焊缝具有线性焊接线。
5.根据权利要求1所述的方法，包括对所述光纤束腿部和波导进行定位，以通过所述焊缝沿所述焊接路径将所述多个工件焊接在一起，所述焊缝具有曲线形焊接线。
6.根据权利要求1所述的方法，包括对所述光纤束腿部和波导进行定位，以通过所述焊缝沿所述焊接路径将所述多个工件焊接在一起，所述焊缝是沿焊接线不连续的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过每个反射性反弹平面反射所述激光的所述第一部分包括将所述激光的所述第一部分反射远离所述激光源。
8.一种同步激光焊接系统，所述同步激光焊接系统用于沿焊接路径将多个工件焊接在一起，所述同步激光焊接系统包括：
激光器模块，所述激光器模块具有激光源；
多个激光输送束，其中，每个激光输送束包括至少一个光纤束腿部；
波导，所述波导具有与每个光纤束腿部相关联的部分，其中，所述波导的每个部分的宽度窄于与所述波导的该部分相关联的光纤束腿部的宽度，所述波导布置在所述多个工件与所述光纤束腿部之间；
所述光纤束腿部在所述激光器模块与所述波导之间延伸，其中，来自所述激光器模块的所述激光源的激光被引导通过所述光纤束腿部到达所述波导；
反射性反弹平面，所述反射性反弹平面与每个光纤束腿部相关联并布置在该光纤束腿部的出口处，每个反射性反弹平面用于反射来自与该反射性反弹平面相关联的光纤束腿部的激光的第一部分；
所述波导的每个部分构造成提供来自与该部分相关联的光纤束腿部的激光行进穿过的路径，并且将来自与该部分相关联的光纤束腿部的该激光引导至所述焊接路径，其中，所述激光的第二部分冲击所述焊接路径的位置处的焊缝的宽度窄于该光纤束腿部的宽度。
9.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，所述波导的每个部分使行进穿过该部分的激光均匀化。
10.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，沿所述焊接路径的焊缝是连续的焊接线。
11.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，沿所述焊接路径的焊缝是线性的焊接线。
12.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，沿所述焊接路径的焊缝是曲线形的焊接线。
13.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，沿所述焊接路径的焊缝是不连续的焊接线。
14.根据权利要求8所述的同步激光焊接系统，其中，每个反射性反弹平面将来自与该反射性反弹平面相关联的光纤束腿部的所述激光的所述第一部分反射远离所述激光源。
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