CN114619143A - 在重叠工件的激光焊接期间施加主动接合力的方法和设备 - Google Patents

在重叠工件的激光焊接期间施加主动接合力的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光焊接设备的按压装置，该按压装置包括具有相反的安装端部和按压端部的臂构件。按压端部处的按压垫具有用于允许激光束照射正被按压装置按压的工件组件的开口。安装端部具有用于将按压装置可拆卸地固定至激光焊接设备的安装结构。臂构件被定形状成使开口定位在距激光焊接设备的激光源已知固定的距离处。按压垫在其面向工件侧具有按压表面以用于在焊接位置处向工件组件施加接合力。按压表面的尺寸、形状和平滑度中的至少一者允许按压表面在施加按压力期间沿着工件组件的表面滑动接触地运动。本发明还涉及用于将工件组件焊接在一起的激光焊接设备及方法。

Description

在重叠工件的激光焊接期间施加主动接合力的方法和设备
技术领域
本公开总体涉及用于对由塑料或者另一种合适材料制成的工件进行激光焊接的方法和设备。更特别地，本公开涉及使用按压臂向正在焊接的位置施加接合力的方法和设备。
背景技术
用于借助激光束将塑料工件接合在一起的方法是已知的并且被称为透射焊接。塑料工件通过待接合的区域中的夹紧力或者接合力保持在一起，同时激光束相对于工件移动。激光束穿过对激光辐射透明的第一(例如，顶部)工件，并且在与第一工件接触的第二(例如，底部)工件的表面处被吸收。当激光辐射被吸收时，在第二工件的表面处产生热，并且这些产生的热中的一些热在施加的夹紧力作用下传递至第一工件的与第二工件紧密接触的表面。这种加热导致第一工件和第二工件的表面处的材料熔化。当施加足够的夹紧力时，两个工件之间的间隙足够小以允许熔化的材料混合，并且在接合区域中的材料的随后冷却和固化时形成可靠的结合。
重要的是，在焊接操作期间将工件夹紧在一起，因为借助于激光辐射产生塑料的良好质量的焊接接合的关键要求不仅是能量定量，而且是要彼此连接的两个接合表面之间的清洁和机械的接触。为此目的，已知能够施加足够的接触力的各种方法和装置，但是对于在正常焊接条件下的大尺寸模制零件，难以一致地实现该要求。
一种现有方法使用一种具有一体的滚子元件的激光处理头、比如在CN102079135和CN101486255中所描述的。滚子元件由对焊接操作期间使用的激光辐射的波长透明的材料制成。经由滚子元件向正被焊接在一起的工件施加足以闭合各个工件之间的间隙的按压力，同时激光束穿过滚子元件并且在邻近间隙的表面处引起加热。当激光处理头沿着焊接方向移动时，滚子元件沿着工件滚动，使得压力始终施加在正发生焊接的位置处。有利地，滚子元件可以沿着不同的路径被操纵或导引以用于将不同形状和尺寸的部件接合在一起。这种方法的缺点是需要复杂的安装结构将滚子元件以不干扰激光束穿过滚子元件的透射的方式旋转地安装。此外，安装结构必须足够坚固，以允许滚子元件在处于夹紧力的载荷下时滚动。
另一种现有方法使用一种设计成将一特定组的工件焊接在一起的固定装置、比如在CN110814518中所描述的。待焊接在一起的工件夹在承载件与压力块组件之间。压力块组件构造成将工件按压在一起并且具有限定在压力块组件的内部部分与外部部分之间并与期望的焊接位置对准的激光束通道。在使用期间，激光束被引导到激光束通道中并且从激光束通道的镜像表面朝向待焊接在一起的位置反射，同时经由压力块组件施加接合力以确保工件之间的紧密接触。有利地，可以在待焊接在一起的整个工件组件上施加力。不幸地，必须为待成形的每个不同产品生产不同的固定装置。此外，压力块组件的内部部分和外部部分经由一对接合件连接，所述一对接合件阻断通槽并且因此在形成的焊缝中产生不连续部。此外，这种类型的夹紧机构的有效性限于具有相对简单的几何形状的工件组件。
提供克服上述缺点和/或限制中的至少一些缺点和/或限制的方法和设备将是有益的。
发明内容
根据至少一个实施方式的方面，提供了一种用于将工件组件焊接在一起的激光焊接设备，该工件组件包括与第二工件以至少部分重叠的关系布置的第一工件，该设备包括：激光光学单元，该激光光学单元用于提供形成工件组件中的第一工件与第二工件之间的焊接接合部的激光光束；臂构件，该臂构件具有按压垫，该按压垫具有穿过该按压垫限定的开口，该臂构件被定形状成使得按压垫中的开口布置在距激光光学单元已知固定的距离处，从而在激光光学单元与工件组件之间提供光路，按压垫在其面向工件侧具有按压表面以用于在激光焊接期间在焊接位置处向工件组件施加接合力；以及用于使按压垫相对于工件组件沿焊接方向移动的装置；其中，按压表面的尺寸、形状和平滑度中的至少一者构造成支持按压表面在同时施加接合力期间沿着工件组件的表面滑动接触地运动。
在实施方式中，臂构件由耐磨材料制成，并且其中，按压表面的至少一部分由臂构件的耐磨材料的抛光的面向工件的表面限定。
在实施方式中，耐磨材料是硬金属。
在实施方式中，耐磨材料选自包括工具钢和陶瓷材料的组。
在实施方式中，按压表面被包含在单个平面中并且围绕开口连续延伸。
在实施方式中，按压表面被包含在单个平面中并且围绕开口以在所述按压表面中具有至少一个不连续部的方式延伸，至少一个不连续部沿着按压垫的相对于焊接方向而言的后边缘布置。
在实施方式中，至少一个不连续部包括形成在臂构件的耐磨材料的面向工件的表面中的通道状凹部，并且其中，通道状凹部为在激光焊接期间产生的焊道提供空隙。
在实施方式中，至少一个不连续部包括缺口，该缺口形成在臂构件的耐磨材料中，使得按压垫呈大致U形形状或大致C形形状。
在实施方式中，按压垫包括设置在开口内的光学部件。
在实施方式中，光学部件是透镜，该透镜具有与臂构件的耐磨材料的抛光的面向工件的表面齐平地对准的抛光的面向工件的表面，并且其中，按压表面的至少另一部分由透镜的抛光的面向工件的表面限定。
在实施方式中，按压垫包括设置在开口内的光学部件。
在实施方式中，光学部件是柱形透镜，该柱形透镜具有从按压垫的面向工件侧突出的抛光的、弯曲的表面，并且其中，按压表面由抛光的、弯曲的表面的一部分限定。
在实施方式中，该设备包括用于将激光焊接设备作为铰接臂型自动机械的端部执行器安装的安装件，并且其中，用于使按压垫相对于工件组件沿焊接方向移动的装置是铰接臂型自动机械。
在实施方式中，该设备包括设置在安装件与包括激光光学单元的子组件之间的线性致动器，其中，线性致动器用于使子组件相对于安装件伸出及缩回，以用于以可控制的方式改变施加至工件组件的接合力。
在实施方式中，线性致动器是气缸或者液压缸。
在实施方式中，臂构件经由可释放的安装结构可拆卸地固定以支持臂构件与不同的臂构件的换用。
在实施方式中，臂构件能够在施加超过工件组件的预定最大接合力的接合力时可逆地偏转。
根据至少一个实施方式的方面，提供了一种方法，该方法包括：将第一工件与第二工件以至少部分重叠的关系布置以形成待接合在一起的工件组件；使用激光焊接设备的按压装置在焊接位置处施加接合力，该按压装置包括具有按压垫的臂构件，该按压垫具有穿过其限定的开口，该臂构件被定形状成使得按压垫中的开口布置在距激光焊接设备的激光光学单元已知固定的距离处，从而在激光光学单元与工件组件之间提供光路，按压垫在其面向工件侧具有按压表面以用于在激光焊接期间在焊接位置处向工件组件施加接合力；在接合力的施加期间，通过将来自激光光学单元的激光光束经由按压垫中的开口朝向焊接位置引导，对焊接位置进行照射；以及使按压垫相对于工件组件沿着焊接方向以在按压表面与工件组件的接触表面之间滑动接触地运动的方式移动，同时施加接合力并进行照射，以形成第一工件与第二工件之间的沿着焊接方向的连接。
在实施方式中，第一工件由塑料材料制成，并且其中，激光束传播穿过第一工件以在第一工件与第二工件之间的界面处引起加热，从而通过激光透射焊接将第一工件和第二工件接合。
在实施方式中，第二工件由选自以下组中的材料制成，该组包括：吸收激光辐射的塑料材料；不吸收激光辐射但具有由吸收激光辐射的材料制成的表面涂层的塑料材料；陶瓷；金属或者金属合金。
在实施方式中，按压表面在照射期间与工件组件的接触表面保持连续接触，以形成第一塑料工件与第二塑料工件之间的沿着焊接方向的连续连接。
根据至少一个实施方式的方面，提供了一种用于激光焊接设备的按压装置，该按压装置包括：臂构件，该臂构件具有安装端部和相反的按压端部，按压端部限定具有开口的按压垫，该开口延伸穿过按压垫，以允许激光光束撞击在正被按压装置按压的工件组件上，安装端部具有用于将按压装置可拆卸地固定至激光焊接设备的安装结构，臂构件被定形状成使按压垫中的开口定位在距激光焊接设备的激光光学单元已知固定的距离处，并且按压垫在其面向工件侧具有按压表面以用于在激光焊接期间在焊接位置处向工件组件施加接合力；其中，按压表面的尺寸、形状和平滑度中的至少一者构造成支持按压表面在施加按压力期间沿着工件组件的表面滑动接触地运动。
在实施方式中，臂构件由耐磨材料制成，并且其中，按压表面的至少一部分由臂构件的耐磨材料的抛光的面向工件的表面限定。
在实施方式中，耐磨材料是硬金属。
在实施方式中，耐磨材料选自包括工具钢和陶瓷材料的组。
在实施方式中，按压表面被包含在单个平面中并且围绕开口连续延伸。
在实施方式中，按压表面被包含在单个平面中并且围绕开口以在所述按压表面中具有至少一个不连续部的方式延伸，至少一个不连续部沿着按压垫的相对于焊接方向而言的后边缘布置。
在实施方式中，至少一个不连续部包括形成在臂构件的耐磨材料的面向工件的表面中的通道状凹部，并且其中，通道状凹部为在激光焊接期间产生的焊道提供空隙。
在实施方式中，至少一个不连续部包括缺口，该缺口形成在臂构件的耐磨材料中，使得按压垫呈大致U形形状或者大致C形形状。
在实施方式中，按压垫包括设置在开口内的光学部件。
在实施方式中，光学部件是透镜，该透镜具有与臂构件的耐磨材料的抛光的面向工件的表面齐平地对准的抛光的面向工件的表面，并且其中，按压表面的至少另一部分由透镜的抛光的面向工件的表面限定。
在实施方式中，按压垫包括设置在开口内的光学部件。
在实施方式中，光学部件是柱形透镜，该柱形透镜具有从按压垫的面向工件侧突出的抛光的、弯曲的表面，并且其中，按压表面由抛光的、弯曲的表面的一部分限定。
附图说明
现在将仅通过示例并且参照附图来描述实施方式，其中，贯穿若干视图，类似的附图标记表示类似的元件，并且在附图中：
图1是示出使用激光透射焊接将两个塑料件接合在一起的原理的简化图。
图2是根据实施方式的设备的简化立体图。
图3是示出根据实施方式的具有按压垫的按压臂的简化立体图。
图4是图3的按压臂在使两个塑料工件焊接在一起期间的简化侧视图。
图5是根据实施方式的具有包括柱形透镜的按压垫的按压臂的简化立体图。
图6a是从图5的按压臂移除的柱形透镜的简化立体图。
图6b是用于安装在按压臂的开口内的替代性光学部件的简化立体图，该光学部件呈具有大体上平坦的、抛光的表面的透镜的形式。
图7a是图5的按压臂在使两个塑料工件焊接在一起期间的简化侧视图，其中，在按压垫的开口中安装有图6a的柱形透镜。
图7b是图5的按压臂在使两个塑料工件焊接在一起期间的简化侧视图，其中，在按压垫的开口中安装有图6b的透镜。
图8是根据实施方式的具有侧部敞开式按压垫的按压臂的简化立体图。
图9是图8的按压臂在使两个钣金工件焊接在一起期间的简化侧视图。
图10是图8的按压臂在使两个钣金工件焊接在一起期间的简化俯视图。
图11是具有按压垫的按压臂在使两个钣金工件焊接在一起期间的简化侧视图，其中，该按压垫包括具有呈通道状凹部形式的不连续部的下表面。
图12是具有按压垫的按压臂在使两个钣金工件焊接在一起期间的简化俯视图，其中，该按压垫包括具有呈通道状凹部形式的不连续部的下表面。
图13是通过将两个热塑性零件接合在一起形成的组件的立体图。
图14是图13的组件的另一视图，该图示出了在接合操作期间形成的焊接的位置。
具体实施方式
以下描述旨在使本领域技术人员能够制作和使用本发明，并且是在特定应用及其要求的背景下提供的。对所公开的实施方式的各种改型对于本领域技术人员来说将是很明显的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所限定的普遍原理可以应用于其他实施方式和应用。因此，本发明并不旨在限于所公开的实施方式，而是要符合与本文所公开的原理和特征一致的最广泛的范围。
图1是示出了使用激光透射焊接将两个工件接合在一起的原理的简化图。在图1中所示的示例中，激光束10包括电磁波谱的红外(IR)区域内的辐射。由IR透明材料制成的第一(例如，顶部)工件12相对于由IR吸收材料制成的第二(例如，底部)工件14布置。在图1中所示的具体和非限制性的示例中，第一工件和第二工件为塑料工件。第一工件12的下表面16与第二工件14的上表面18以面对的关系布置以形成搭接接合部。激光束10穿过第一工件12并且在两个工件之间的界面处的焊接位置20处撞击在第二工件14的上表面18上。激光辐射在第二工件14的上表面18处被吸收从而产生热，并且这些热中的一部分被传递至第一工件12的下表面16。第二工件14的上表面18和第一工件12的下表面16在被照射的同时通过施加接合力22而彼此紧密接触，该接合力22允许来自表面16和表面18的熔化和/或软化的材料混合。在冷却时，混合材料在第一工件12与第二工件14之间形成牢固的连接。接合过程沿着焊接方向24继续以在第一工件12与第二工件14之间形成期望的连接。
第二工件14可以大体上全部由IR吸收材料制成，在这种情况下，第一工件12和第二工件14由不同的材料制成。替代性地，通过另一非限制性示例，第二工件可以大体上全部由例如与第一工件12相同的IR透明材料制成并且仅具有由IR吸收材料制成的表面层。根据该替代性构型，第一工件12和第二工件14可以大体上全部由类似的材料制成，其中，仅在第一工件12和第二工件14的面对的表面之间提供薄的IR吸收层，以用于产生形成工件之间的连接所必需的热。另外替代性地，通过又一非限制性示例，第二工件可以由非塑料、但IR吸收的材料制成，第二工件比如说例如为陶瓷工件或者金属工件。本领域普通技术人员还可以设想其他合适的构型。
图1中所图示的过程仅以非常普通的方式描绘了接合力22的施加。实际上，用于提供接合力22的装置应该满足许多标准。更特别地，接合力22应该以这样的方式施加：使第一工件12与第二工件14之间在焊接位置20处的间隙足够小从而形成良好的连接。接合力22还应该以这样的方式施加：当焊接位置20沿着焊接方向24移动时，第一工件12与第二工件14之间的间隙继续足够小。此外，接合力22还应该以这样的方式施加：焊接过程沿着焊接方向24不被中断，即，用于施加接合力22的装置不应沿着焊接轮廓设置。优选地，用于施加接合力22的装置简单、坚固且易于维修。
实际上，当尝试使用图1中所图示的过程将工件、比如例如两个塑料工件接合在一起时、尤其是在将可能具有较大尺寸变化或者形状偏差的大型模制的热塑性部件接合在一起时可能会遇到困难。这种尺寸变化对于将工件沿着待焊接的整个轮廓彼此紧密接触地放在一起提出了特别的挑战。如上文所讨论的，可能需要复杂的固定装置来将工件夹紧在一起，这可能涉及沿着待焊接的轮廓的许多夹紧点。因此，夹紧机构可能会干扰焊接路径或者阻止激光束到达接合界面。另一方面，使用光学透明滚子压靠工件同时激光束穿过光学透明滚子的系统也存在各种缺陷，因为安装滚子所需的结构可能体积庞大，并且因此阻止进入狭窄的焊接空间。
本发明的将在下面更详细地讨论的实施方式经由具有按压垫的按压臂施加接合力。按压垫具有按压表面，在将工件接合在一起的过程期间，该按压表面可以与工件组件的顶部表面接触。穿过按压垫限定了开口，该开口被定尺寸成允许激光束穿过该开口并且撞击在工件组件的顶部表面上。在开口内可以容纳有透明元件、比如例如柱形透镜，在这种情况下，按压表面可以是柱形透镜的从开口向外突出的抛光的表面。替代性地，开口可以只是空心部，在这种情况下，按压表面可以是按压臂的邻近开口并且围绕开口的抛光的材料。另外替代性地，在开口内可以容纳有透镜，其中，该透镜的表面与按压臂的抛光的材料齐平地对准，使得按压表面部分地由透镜表面限定并且部分地由按压臂的邻近开口并且围绕开口的抛光的材料限定。
在使用期间，按压表面被压靠在工件组件的表面上，以提供减小工件之间的间隙的尺寸需要的所需接合力，并且激光束被引导穿过按压垫中的开口以形成工件之间的连接。已经发现的是，模制热塑性工件的表面通常足够光滑以允许按压垫随着滑动接触运动而沿着该表面移动，即使当使用按压垫在工件上施加高的按压力时也是如此。可以使用自动机械或者其他合适的系统使按压垫沿着焊接方向上的期望接合轮廓滑动，同时继续施加接合力并同时将激光束引导穿过按压垫的开口。在沿着正被激光照射的接合轮廓的瞬时位置处，经由按压垫施加的接合力足以减小正在接合在一起的工件之间的界面处的间隙的尺寸，从而确保工件之间的良好质量的连接。
现在参照图2，示出了根据实施方式的设备200的简化立体图。特别地，设备200包括具有光束成形光学器件的组件的光学单元202，该光学单元从例如未示出的耦接至光纤连接器204的光纤接收激光并且形成准直激光束10。准直激光束10被引导穿过臂构件、即按压臂210的按压垫208中的开口206。按压臂210在光学单元202与按压垫208之间保持已知的、固定的间隔距离。有利地，光束成形光学器件可以构造成对用于焊接过程的激光束10的光斑尺寸进行优化和/或构造成使该光斑尺寸完全适配在按压垫208的开口206内。当然，光束成形光学器件的组件和光纤在激光透射焊接领域中是公知的，并且因此本文不再对其详细讨论。
设备200还包括自动机械安装件212，该自动机械安装件用于将设备200作为端部执行器安装在铰接臂型自动机械上或者安装在另一合适类型的自动机械上，以用于自动化操作。例如，设备200可以作为端部执行器安装在具有五个或更多个运动轴的机械臂上。使用这样的自动机械系统，设备200可以在三个相互垂直的方向上移动以将具有复杂三维形状的零件接合在一起。在自动机械安装件端部与设备200的按压臂端部之间设置有气缸214或者另一合适的致动器、比如例如微型液压缸。如将会明显的是，光学单元202和按压臂210一起移动，使得该光学单元与按压臂之间的距离保持恒定。气缸214可以延伸以促使按压垫208与正在焊接在一起的塑料工件接触，以用于提供形成塑料工件之间的良好连接所必需的主动接合力。此外，主动接合力允许在不修改过程路径的情况下改变零件的尺寸。
按压臂210是可更换的部件，并且因此按压臂210比如例如使用多个(例如，三个)机械紧固件(例如，机械螺栓)216可拆卸地安装在设备200中。当按压臂210磨损时，或者替代性地，当需要使用不同形状/尺寸的按压臂来执行不同的焊接操作时，可以移除机械紧固件216并且可以拆卸按压臂210并用不同的按压臂替换。为了良好的耐磨性，按压臂210优选地由硬金属、比如例如工具钢或者陶瓷材料制成。可选地，按压臂210的至少一部分由允许按压臂210在施加的接合力超过用于正被处理的工件组件的预定最大接合力时挠曲的材料形成。替代性地，用于将按压臂210安装在设备210中的安装结构包括用于使按压臂210偏转/缩回、或者用于以其他方式限制施加于正在被处理的工件组件的接合力的机构。
在至少一些实施方式中，设备200可以包括可选的用于感测所施加的接合力的大小的力传感器218(在图2中使用虚线示出)。例如，力传感器218安装在设备200的212的表面上以连接自动机械端部执行器。力传感器218构造成监测施加的接合力并且向自动机械提供反馈信号以用于调整施加的接合力。对施加的接合力的基于反馈的调整可以用于避免由于施加过大的力而对工件组件造成损坏，或者可以用于在焊接过程期间随着按压垫208沿着焊接方向移动而改变施加的接合力，例如以适应工件组件沿着焊接方向的结构和/或材料特性差异。
现在参照图3，示出了根据实施方式的按压臂210的立体图。按压臂210在其安装端部具有第一臂部300，该第一臂部构造有用于将按压臂可拆卸地安装在设备200中的安装结构302。在图3中所示的示例中，安装结构302包括用于接纳机械螺栓或者其他合适的机械紧固件的三个通孔或者开口。按压臂200还具有相对于第一臂部300成角度的第二臂部304。在第二臂部304的端部处形成有按压垫208，并且穿过所述按压垫208限定了开口206。第一臂部300和第二臂部304的长度以及第一臂部与第二臂部之间形成的角度确定了按压垫208相对于光学单元202(图3中未示出)的固定位置。
仍然参照图3，开口206是在按压垫208的上表面306与下表面308之间延伸的空心部。在使用期间，围绕开口206的大致环形的下按压表面308压靠在工件组件上，以用于施加接合力22。按压垫208具有斜面边缘310和在下表面308与第二臂部304之间的弯曲的跟部312，这消除了可能在工件组件的表面上留下痕迹的锋利边缘，并且这另外使下表面308与工件组件的表面接触的总表面面积最小化。下表面308的表面面积、形状和光滑度被构造或者被优化成增强按压垫208在焊接方向上移动同时向正在被接合在一起的工件组件的表面连续地施加接合力的能力。
图4是示出图3的按压臂200在将两个塑料工件焊接在一起期间的侧视图。接合力22经由按压垫208的下表面308施加至工件12的表面，这将工件12和工件14在接合位置20处按压成紧密接触。同时，激光束10穿过按压垫208中的开口206，并且随后传播穿过工件12以在接合位置20中撞击在工件14的表面上。来自工件12和工件14中的每一者的表面材料在接合位置20混合并且在冷却后形成工件12与工件14之间的连接。焊接在连续施加接合力的情况下沿着垂直于图4中的纸面平面的焊接方向继续进行。可选地，比如例如为了适应工件组件沿着焊接方向的结构和/或材料特性差异，接合力随着按压垫208沿着焊接方向移动而变化。
现在参照图5，示出了根据实施方式的另一按压臂210a的立体图。按压臂210a在其安装端部处具有第一臂部500，该第一臂部构造有用于将按压臂210a可拆卸地安装在设备200中的安装结构502。在图5中所示的示例中，安装结构502包括用于接纳机械螺栓或者其他合适的机械紧固件的三个开口。按压臂210a还具有相对于第一臂部500成角度的第二臂部504。在第二臂部504的端部处形成有按压垫506，并且穿过所述按压垫506限定了开口508。在该示例中，在开口508内安装有呈柱形透镜510(在图6a中更详细地示出)形式的光学部件。第一臂部500和第二臂部504的长度以及第一臂部与第二臂部之间形成的角度确定了在按压臂210a安装在图2的设备200中时按压垫506相对于光学单元202的固定位置。
图6a示出了与按压臂210a的其余部分分开的柱形透镜510。柱形透镜510具有弯曲的、抛光的表面600，该弯曲的、抛光的表面从开口508突出并且突出到按压垫506的下表面512下方，从而限定了大致弯曲的接触表面或者按压表面。在使用期间，柱形透镜510的抛光的表面600压靠在工件组件上以用于施加接合力22。光学单元202的光束成形光学器件设计成考虑柱形透镜510的任何聚焦或者其他光学效应。
现在参照图6b，示出了用于安装在开口508内的呈具有大体上平面的、抛光的表面652的透镜650形式的替代性光学部件。在该示例中，透镜650安装在开口508内，使得抛光的表面652与按压垫506的下表面512齐平。在使用期间，透镜650的抛光的表面652和围绕开口508的下表面512共同形成按压表面，该按压表面压靠在工件组件上以用于施加接合力22。光学单元202的光束成形光学器件设计成考虑透镜650的任何聚焦或者其他光学效应。
图7a是示出图5的按压臂210a在将两个塑料工件焊接在一起期间的侧视图。接合力22经由安装在按压垫506的开口508内的柱形透镜510的抛光的表面600施加至工件12的表面，以将工件12和工件14按压成在接合位置20处紧密接触。同时，激光束10穿过安装在开口508内的柱形透镜510并且传播穿过工件12以在接合位置20处撞击在工件14的表面上。来自工件12和工件14中的每一者的表面材料在接合位置混合，从而在冷却后形成工件12与工件14之间的连接。焊接沿着垂直于图7中的页面平面的焊接方向继续进行。
有利地，柱形透镜510在激光透射焊接操作期间用于至少两个目的。首先，该柱形透镜用作用以将激光透射至图1中的激光焊接位置20的光学部件，该激光焊接位置位于正在焊接在一起的塑料工件之间。其次，抛光的表面600用作用于将接合力施加至一个塑料工件的表面的接触表面，以提供使塑料工件之间的间隙最小化并且由此能够形成高质量的焊接所需的夹紧力或者接合力。柱形透镜510的抛光的表面600的表面面积、形状和光滑度被构造或者被优化成增强按压垫506在焊接方向上移动同时向正在接合在一起的工件组件的表面连续施加接合力的能力。可选地，比如例如为了适应工件组件沿着焊接方向的结构和/或材料特性差异，接合力随着按压垫506沿着焊接方向移动而变化。
图7b是示出了图5的按压臂210a在将两个塑料工件焊接到一起期间的侧视图，但是其中，在按压垫506的开口508内安装有替代性透镜650。由于透镜650在开口508内安装成使得抛光的表面652与按压垫506的下表面512齐平，因此透镜650的抛光的表面652和围绕开口508的下表面512共同形成按压表面，该按压表面压靠在工件组件上以用于施加接合力22，从而将工件12和工件14按压成在接合位置20处紧密接触。同时，激光束10穿过安装在开口508内的透镜650并且传播穿过工件12以在接合位置20处撞击在工件14的表面上。来自工件12和工件14中的每一者的表面材料在接合位置混合，从而在冷却后形成工件12与工件14之间的连接。焊接沿着垂直于图7b中的页面平面的焊接方向继续进行。
现在参照图8，示出了根据实施方式的另一按压臂210b的立体图。按压臂210b适用于在如前面段落中所描述的塑料工件的激光透射焊接中使用，以及适用于将其他合适的材料比如例如钣金工件接合在一起。特别地，按压臂210b通过在其按压表面中提供不连续部被调整成适应沿着工件的非光滑表面、比如说例如在焊接过程期间形成的突出到钣金工件的表面上方的焊道的运动。
按压臂210b在其安装端部处具有第一臂部800，该第一臂部构造有用于将按压臂210b可拆卸地安装在图2的设备200中的安装结构802。在图8中所示的示例中，安装结构802包括用于接纳机械螺栓或者其他合适的机械紧固件的三个开口。按压臂210b还具有相对于第一臂部800成角度的第二臂部804。在第二臂部804的端部处形成有按压垫806，并且穿过所述按压垫806限定了开口808。更特别地，按压垫806绕开口808形成不连续的侧壁，使得沿着按压垫806的一个侧部限定了呈缺口810形式的不连续部。缺口810被定尺寸成大于将在焊接操作期间形成的焊道的预期宽度，并且导致按压垫806呈大致C形形状(如图10中所示)或者甚至呈大致U形形状。第一臂部800和第二臂部804的长度以及第一臂部与第二臂部之间形成的角度确定了在按压臂210b安装在图2的设备200中时按压垫806相对于光学单元202的固定位置。
仍然参照图8，开口808是在按压垫806的上表面812与下表面814之间延伸的空心部。在使用期间，围绕开口808的非连续的但大致环形的下按压表面814压靠在工件组件上以用于施加接合力22。按压垫806具有斜面边缘816和在下表面814与第二臂部804之间的弯曲的跟部818，这消除了可能在工件组件的表面上留下痕迹的锋利边缘，并且这此外使下表面814与工件组件的表面接触的总表面面积最小化。下表面814的表面面积、形状和光滑度被构造或者被优化成增强按压垫806在焊接方向上移动同时向正在被接合在一起的工件组件的表面连续施加接合力的能力。
图9是示出图8的按压臂210b在将两个钣金工件900和902焊接在一起期间的侧视图。当然，按压臂210b也可以用于将两个塑料工件焊接在一起。如图9中所示，接合力22经由按压垫806的下表面814施加至工件900的表面，这将工件900和工件902按压成紧密接触。同时，激光束10穿过开口808并且产生包括来自工件900和工件902两者的材料的焊池904。现在还参照图10，随着焊接沿着框箭头1000所指示的焊接方向继续进行，形成了焊道1002，并且从而将两个工件900和902接合在一起。焊道1002破坏了工件900的表面，从而导致表面不规则，该表面不规则将阻止按压垫208或者按压垫506沿着焊接方向1000的滑动运动。如图10中清楚地示出的，缺口810被定尺寸并且被定位在按压垫806内，使得当按压垫在焊接方向1000上推进时焊道不与按压垫806接触。特别地，缺口810沿着按压垫806的后边缘布置，该后边缘是在沿着焊接方向1000焊接期间按压垫在熔池904后面的一侧。
现在参照图11，示出了另一按压臂210c在将两个钣金工件900和902焊接在一起期间的侧视图。按压臂210c具有第一臂部1100，该第一臂部构造有用于将按压臂210c可拆卸地安装在图2的设备200中的安装结构1102。通过具体且非限制性的示例，安装结构1102包括用于接纳机械螺栓或者其他合适的机械紧固件的三个开口。按压臂210c还具有相对于第一臂部1100成角度的第二臂部1104。在第二臂部1104的端部处形成有按压垫1106，并且穿过所述按压垫1106限定了开口1108。开口1108是在按压垫1106的上表面1110与下表面1112之间延伸的空心部。第一臂部800和第二臂部804的长度以及第一臂部与第二臂部之间形成的角度确定了当按压臂210b安装在图2的设备200中时按压垫1106相对于光学单元202的固定位置。
按压垫1106的下表面1112具有限定在其中的呈通道状凹部1114形式的不连续部，以便形成非连续的但大致环形形状的下按压表面1112。按压表面1112被包含在图11中所示的单个平面PS内，并且如此按压垫1106的位于通道状凹部内的面向工件的表面不是按压表面1112的一部分。下按压表面1112的表面面积、形状和光滑度被构造或者被优化成增强按压垫1106在焊接方向上移动同时向正被接合在一起的工件组件的表面连续施加接合力的能力。
现在还参照图12，通道状凹部1114被定尺寸成大于在焊接操作期间形成的焊道1002的预期的宽度和高度。在使用期间，接合力22经由按压垫1106的下表面1112施加至工件900的表面，这将工件900和工件902按压成紧密接触。同时，激光束10穿过开口1108并且产生容纳来自工件900和工件902两者的材料的焊池904。随着焊接沿着焊接方向1000继续进行，形成了焊道1002，并且从而将两个工件900和902接合在一起。焊道1002破坏工件900的表面，从而导致表面不规则，该表面不规则将阻止按压垫208或者按压垫506沿着焊接方向1000的滑动运动。如图12中所示，通道状凹部1114在按压垫1106内被定尺寸并且定位成使得当按压垫在焊接方向1000上推进时焊道1002不与按压垫1106接触。特别地，通道状凹部1114沿着按压垫1106的后边缘布置，该后边缘是在沿着焊接方向1000焊接期间按压垫的在焊池904后面的一侧。
图13是通过将两个热塑性零件接合在一起而形成的组件的立体图。还参照图14，零件1300(例如，IR透明的)和零件1302(例如，IR吸收的)在接合位置1304处接合在一起，该接合位置大体上沿着两个零件之间的重叠部的整个长度连续地延伸。使用上文所描述的配备有按压臂210、按压臂210a、按压臂210b或者按压臂210c中的任一者的设备200使得接合位置1304能够如图14中所图示的连续延伸，因为不需要复杂的固定或夹紧。此外，用于施加接合力的按压垫的小尺寸与按压臂的成角度的形状组合地支持沿着接合位置1304的焊接、甚至在邻近工件1300的突出特征(例如，图14中的点“A”)和穿过弯曲的或者其他非线性区域(例如，图14中的点“B”)的狭窄的重叠区域内的焊接。其他类型的组件可以使用由类似或者不同的塑料材料制成的合适形状的部件或者使用合适形状的塑料和陶瓷或金属部件等以类似的方式形成。
可选地，按压臂210、按压臂210a、按压臂210b或者按压臂210c被设计成挠性的以对当该设备被安装为自动机械的端部执行器时无法控制力的施加进行补偿。有利地，如果施加至工件组件的载荷超过预定阈值，则按压臂偏转以避免将按压臂推动穿过工件。
在本文的描述中，应当理解的是，以单数形式出现的词包含其复数对应物，并且以复数形式出现的词包含其单数对应物，除非另有隐含或明确地理解或说明。例如，除非上下文另有说明，否则单数指代、比如“一”或者“一个”表示“一个或更多个”。此外，应当理解的是，对于本文所描述的任何给定的部件或者实施方式，除非另有隐含或明确地理解或者说明，否则为该部件列出的可能的候选或者替代方案中的任何候选或替代方案通常可以单独使用或者彼此组合使用。此外，应当理解的是，除非另有隐含或明确地理解或说明，否则这些候选或者替代方案的任何列表仅是说明性的而非限制性的。还应当理解的是，在适当的情况下，为了便于理解，贯穿附图的若干视图，类似的附图标记可以指代对应的部分。
贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变型、例如“包括有”和“由……组成”等表示“包括但不限于”，并且不旨在(也不)排除其他部件。
应当领会的是，在仍然落入所附权利要求的范围内的情况下，可以对前述实施方式进行变型。除非另有说明，否则本说明书中公开的每个特征可以被用于相同、等效或者相似目的的替代性的特征替换。因此，除非另有说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等效或者类似特征的一个示例。
本文提供的任何和所有示例或示例性语言(“举例说”、“比如”、“例如”、“比方”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，并不表示对本发明的范围的限制，除非另有要求。说明书中的任何语言不应被解释为表示任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必不可少的。
本说明书中描述的任何步骤可以以任何顺序执行或者同时执行，除非另有说明或上下文另有要求。
本说明书中公开的所有特征可以以任何组合进行组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合。特别地，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面并且可以以任何组合使用。同样，在非必要组合中描述的特征可以单独使用(而不是组合使用)。

Claims (15)

1.一种用于将工件组件焊接在一起的激光焊接设备，所述工件组件包括与第二工件以至少部分重叠的关系布置的第一工件，所述设备包括：
激光光学单元，所述激光光学单元用于提供形成所述工件组件中的所述第一工件与所述第二工件之间的焊接接合部的激光光束；
臂构件，所述臂构件具有按压垫，所述按压垫具有穿过所述按压垫限定的开口，所述臂构件被定形状成使得所述按压垫中的所述开口布置在距所述激光光学单元已知固定的距离处，从而在所述激光光学单元与所述工件组件之间提供光路，所述按压垫在所述按压垫的面向工件侧具有按压表面，以用于在激光焊接期间在焊接位置处向所述工件组件施加接合力；以及
用于使所述按压垫相对于所述工件组件沿焊接方向移动的装置，
其中，所述按压表面的尺寸、形状和平滑度中的至少一者构造成支持所述按压表面在同时施加所述接合力期间沿着所述工件组件的表面滑动接触地运动。
2.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其中，所述臂构件由耐磨材料制成，并且其中，所述按压表面的至少一部分由所述臂构件的所述耐磨材料的抛光的面向工件的表面限定。
3.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其中，所述耐磨材料是硬金属或者陶瓷材料。
4.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其中，所述按压表面被包含在单个平面中并且围绕所述开口连续延伸。
5.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其中，所述按压表面被包含在单个表面中并且围绕所述开口以在所述按压表面中具有至少一个不连续部的方式延伸，所述至少一个不连续部沿着所述按压垫的相对于所述焊接方向而言的后边缘布置，并且所述至少一个不连续部包括：
通道状凹部，所述通道状凹部形成在所述臂构件的所述耐磨材料的所述面向工件的表面中，并且其中，所述通道状凹部为在所述激光焊接期间产生的焊道提供空隙，或者
缺口，所述缺口形成在所述臂构件的所述耐磨材料中，使得所述按压垫呈大致U形形状或者呈大致C形形状。
6.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其中，所述按压垫包括设置在所述开口内的透镜，所述透镜具有与所述臂构件的所述耐磨材料的抛光的面向工件的表面齐平地对准的抛光的面向工件的表面，并且其中，所述按压表面的至少另一部分由所述透镜的抛光的面向工件的表面限定。
7.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其中，所述按压垫包括设置在所述开口内的柱形透镜，所述柱形透镜具有从所述按压垫的所述面向工件侧突出的抛光的、弯曲的表面，并且其中，所述按压表面由所述抛光的、弯曲的表面的一部分限定。
8.根据权利要求1所述的激光焊接设备，包括用于将所述激光焊接设备作为铰接臂型自动机械的端部执行器安装的安装件，并且其中，用于使所述按压垫相对于所述工件组件沿所述焊接方向移动的所述装置是所述铰接臂型自动机械。
9.根据权利要求8所述的激光焊接设备，包括线性致动器，所述线性致动器设置在所述安装件与包括所述激光光学单元的子组件之间，其中，所述线性致动器用于使所述子组件相对于所述安装件伸出及缩回，以用于以可控制的方式改变施加至所述工件组件的所述接合力。
10.根据权利要求9所述的激光焊接设备，其中，所述线性致动器是气缸或者液压缸。
11.一种方法，包括：
将第一工件与第二工件以至少部分重叠的关系布置以形成待接合在一起的工件组件；
使用激光焊接设备的按压装置在焊接位置处施加接合力，所述按压装置包括具有按压垫的臂构件，所述按压垫具有穿过所述按压垫限定的开口，所述臂构件被定形状成使得所述按压垫中的所述开口布置在距所述激光焊接设备的激光光学单元已知固定的距离处，从而在所述激光光学单元与所述工件组件之间提供光路，所述按压垫在所述按压垫的面向工件侧具有按压表面以用于在激光焊接期间在所述焊接位置处向所述工件组件施加所述接合力；
在所述接合力的施加期间，通过将来自所述激光光学单元的激光光束经由所述按压垫中的所述开口朝向所述焊接位置引导，对所述焊接位置进行照射；以及
使所述按压垫相对于所述工件组件沿着焊接方向以在所述按压表面与所述工件组件的接触表面之间滑动接触地运动的方式移动，同时施加所述接合力并进行照射，以形成所述第一工件与所述第二工件之间的沿着所述焊接方向的连接。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一工件由塑料材料制成，并且其中，所述激光束传播穿过所述第一工件，以在所述第一工件与所述第二工件之间的界面处引起加热，从而通过激光透射焊接将所述第一工件和所述第二工件接合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二工件由选自以下组中的材料制成，所述组包括：吸收激光辐射的塑料材料；不吸收激光辐射但具有由吸收激光辐射的材料制成的表面涂层的塑料材料；陶瓷；金属或者金属合金。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述按压表面在照射期间与所述工件组件的所述接触表面保持连续接触，以形成所述第一塑料工件与所述第二塑料工件之间的沿着所述焊接方向的连续连接。
15.一种用于激光焊接设备的按压装置，所述按压装置包括：
臂构件，所述臂构件具有安装端部和相反的按压端部，所述按压端部限定具有开口的按压垫，所述开口延伸穿过所述按压垫，以允许激光光束撞击在正被所述按压装置按压的工件组件上，所述安装端部具有用于将所述按压装置可拆卸地固定至所述激光焊接设备的安装结构，所述臂构件被定形状成使所述按压垫中的所述开口定位在距所述激光焊接设备的激光光学单元已知固定的距离处，并且所述按压垫在所述按压垫的面向工件侧具有按压表面以用于在激光焊接期间在焊接位置处向所述工件组件施加接合力；其中，所述按压表面的尺寸、形状和平滑度中的至少一者构造成支持所述按压表面在施加所述按压力期间沿着所述工件组件的表面滑动接触地运动。
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