CN115195138A - 用于通过激光透射焊接来接合热塑性工件的系统 - Google Patents

Abstract

用于通过激光透射焊接来接合热塑性工件的系统。本发明涉及一种用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件（11，12）的系统，该系统包括用于生成激光辐射的至少一个设备和具有第一光轴的成像光学器件（10，21），其中由用于生成激光辐射的设备发射的激光辐射（5）被引导到接合区中，并且其中成像光学器件（10，21）被配置用于从接合区中的接合平面（13）到辐射检测设备（23）的检测平面（22）的光学成像。根据本发明，偏转镜（9）被布置在平行于第一光轴延伸的第二光轴上的耦合点（24）处，用于从与第二光轴封围成非零角度、优选为直角的入轴（6）偏转激光辐射（5）到沿着第二光轴的方向上。

Description

用于通过激光透射焊接来接合热塑性工件的系统

技术领域

本发明涉及一种用于借助于激光透射焊接来接合由热塑性材料制成的至少两个工件的系统，该系统包括用于生成激光辐射的至少一个设备和具有第一光轴的成像光学器件，其中由用于生成激光辐射的设备发射的激光辐射被引导到接合区中，并且其中成像光学器件被配置用于从接合区中的接合平面到辐射检测设备的检测平面进行光学成像。

背景技术

用于接合由热塑性材料制成的至少两个工件的装置、系统和设备或方法一般以各种形式从现有技术中已知。

DE 10 2009 049 064 A1公开了一种用于在热塑性塑料的激光焊接期间检测接合温度的设备。该设备包括激光加工头、高温计和成像光学器件，该成像光学器件对激光光斑在高温计的检测平面的接合平面中所占据的区域进行成像。选择成像光学器件，使得检测平面中的接合平面中的激光光斑所占据的区域的图像大于高温计的检测区域。该设备可以用于可靠地检测接合工艺期间的温度，使得该测量可以用于工艺控制。

DE 10 2005 000 002 A1描述了一种用于检测在塑料的激光透射焊接工艺期间在接合伙伴之一的光束进入侧上可能形成的烧伤的方法。为此目的，提出了通过相应的元件检测从烧伤发出的辐射，并且因此使能实现排出受损的部件。

JP 2016-155319 A公开了一种用于在通过激光透射焊接的热塑性材料的接合工艺期间非接触连续监视材料状况和接缝质量的系统。该系统包括发射具有在0.4 μm和1.1μm之间波长的激光辐射的激光辐射源；光学系统，用于将由激光辐射源发射的激光辐射重定向和聚焦到安装在加工台上的待接合的两个工件之间的边界处的接合区中；用于控制系统的相应元件的构件，诸如激光辐射源和用于以非接触和非破坏性方式监视材料状况和/或接缝质量的监视元件。监视元件的辐射温度计被提供用于检测具有在1.8μm和2.5μm之间波长的近红外（NIR）范围内的电磁辐射，当执行接合工艺时，该电磁辐射经由成像光学器件从接合区到达辐射温度计。接合区中的温度根据辐射温度计检测到的红外电磁辐射的强度来确定。

WO 2018/019809 A1涉及一种用于接合待接合的两个零件的接合方法，特别是激光焊接工艺，其中由控制单元以开环或闭环方式控制的光束生成单元生成的至少一个工作光束以材料软化或材料熔化的方式作用在待接合的至少一个零件的表面上的照射光斑上，其中在光束生成单元和待接合零件之间布置对工作光束的辐射不可透过的屏蔽构件。为了准许在接合工艺期间实行接合质量检查，提出了借助于热辐射测量单元测量照射光斑的温度，该热辐射测量单元布置在屏蔽构件的背离两个接合零件的一侧上，并且屏蔽构件基本上吸收工作光束的波长范围和热辐射测量单元的测量范围内的辐射。此外，该公开涉及一种用于实行根据该公开的接合方法的接合设备。

在激光透射焊接中，由热塑性材料制成的两个工件借助于激光辐射的照射和机械压力的施加而接合在一起。该机械压力例如由其中将待接合的工件夹紧在一起的夹紧设备产生，或者由待接合的工件的压配合（press fit）产生。在激光透射焊接中，两个工件中的一个通常对所使用的激光辐射几乎完全透明，并且激光辐射（几乎）不受阻碍地透射通过该部件，而另一第二工件对所使用的激光辐射高度吸收。透明工件通常不仅对于所使用的激光辐射在很大程度上是透明的，而且原则上对于至少来自电磁光谱的可见部分的电磁辐射在很大程度上是透明的，下文称为光学透明。可选地，光学透明性还可以包括相对于被称为近红外的电磁光谱部分的透明性——其与电磁光谱的可见部分的长波长端相邻，和/或对于UV光谱部分的透明性——其与电磁光谱的可见部分的短波长端相邻。吸收所使用的激光辐射并且因此不透明的工件也是光学不透明的。

由于激光辐射在第二工件中的吸收，因此第二工件升温并且第二工件的热塑性材料在第二工件中被激光辐射照射的区域的特定附近处熔化。由于工件中的热传导和/或热传输，因此塑料材料在与第二工件中被激光辐射直接照射的区域相邻的区域中也熔化。同样，由于热传导和/或热传输，塑料材料在第一透明工件的激光辐射所穿过的区域中熔化，所述区域位于第二吸收工件的被激光辐射照射的区域的特定附近处。在其中第二工件和相邻的第一工件的被激光辐射直接照射的区域附近由于激光辐射的照射而使相应塑料材料熔化的所有区域的整体限定了相应的接合区。在这样的接合区内，两个工件的塑料材料混合，使得在施加机械压力下熔化的塑料材料冷却之后，工件耦合在一起（“接合”）。在冷却和（再）凝固之后，在激光透射焊接工艺中由两个工件的接合产生的复合工件上的所有接合区的整体产生焊缝，或者如果接合区没有全部连接，则在复合工件上产生焊缝。

也可能的是通过激光透射焊接来接合两个工件，其中第二工件也至少在很大程度上是光学透明的。当焊接由光学（很大程度上）透明的塑料形成的两个工件时，具有在1μm范围内波长的激光辐射可以用作与化学吸收剂组合的辅助，化学吸收剂基本上吸收激光辐射，并且通过作为吸收结果的热量生成来熔化在接合区中待接合的工件的塑料材料。化学吸收剂在该工艺中褪色，使得通过激光透射焊接将两个光学（很大程度上）透明的工件接合而形成的复合工件也是光学（很大程度上）透明的。替代地，在2 μm波长范围内的激光辐射可以用于通过激光透射焊接来接合两个光学（很大程度上）透明的工件，并且可以利用待接合工件的塑料材料中的体积吸收。这里的目的是在没有化学添加剂（诸如前述化学吸收剂）的情况下进行焊接，例如生产可以使用光学方法（例如试剂的颜色改变）进行评估的用于医疗技术分析的试剂盒。

使用激光透射焊接工艺接合光学（很大程度上）透明的工件在技术上高要求。由于激光辐射在这样的工件的塑料材料中的低吸收率，因此用于生成激光辐射的设备的输出功率必须对应地高，以便根本能够在接合区中熔化待接合的工件。即使塑料材料中或至少在接合区中的塑料材料的界面上的微小杂质（诸如小的灰尘颗粒）也可能由于利用激光的照射而强烈升温或甚至点燃，并因此导致在接合工艺中待接合的工件的损坏或在接合工艺中形成的复合工件的大量质量缺陷（不良品或故障产品）。此外，在曲率区域以及边缘或拐角中在两个工件待接合或进行焊接的不同点处的不同材料厚度、或者更一般地待接合的光学（很大程度上）透明工件的复杂几何形状是成问题的。在这种情况下，激光辐射的照射特性可以在激光透射焊接工艺期间改变。

在激光辐射例如由在激光透射焊接工艺中待接合的工件的塑料材料吸收期间，塑料材料在接合区中升温。作为加热的结果，电磁辐射、热辐射至少从接合区发射。热辐射可以由被配置为检测相应电磁辐射的合适辐射检测设备来检测。这样的辐射检测设备包括例如高温计。在激光透射焊接工艺的执行期间对从接合区发射的热辐射的检测使得该工艺能够被控制，其特别是通过依据合适且适当配置的辐射检测设备的测量信号来调整用于生成激光辐射的设备的输出功率。

发明内容

在此基础上，本发明的目的是提供一种用于通过激光透射焊接来接合由热塑性材料制成的至少两个工件的布置，该布置使能在激光透射焊接期间以简单的方式取决于接合区中的热显影（heat development）来同时控制激光强度。

根据本发明，该目的可以通过根据权利要求1的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统来解决。在相应的从属权利要求中描述了本发明的另外有利实施例。

因此，在根据本发明的用于借助于激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统中，建议在平行于第一光轴延伸的第二光轴上的耦合点处布置偏转镜，用于从与第二光轴封围成非零角度（优选为直角）的入轴偏转激光辐射到沿着第二光轴的方向上，其中耦合点和接合平面之间沿着第二光轴的距离小于从检测平面到接合平面沿着第一光轴的距离，其中偏转镜的直径适于激光辐射的横截面形状和横截面大小，并且当偏转镜投影到垂直于第一光轴的投影平面上时，该镜在投影平面中的投影表面完全布置在成像光学器件的光束路径中的最小孔径内并且仅部分覆盖该最小孔径。

第二光轴是激光束辐射从耦合点沿着其传播的轴。如果在为激光辐射提供的光束路径中，至少一个另外的光学元件跟随偏转镜，这引起激光辐射的传播方向的改变，则激光辐射在穿过该另外的光学元件之后的传播方向一般不再与由第二光轴指定的传播方向重合。这样的另外的光学元件可以是例如聚焦光学器件（例如，透镜），其将激光辐射聚焦到接合区内的焦平面中，以便将激光辐射的功率密度或辐照度集中到特定区域。因此，接合区围绕激光辐射的辐照度的该集中区域形成。这样的聚焦光学器件同时可以是成像光学器件的至少一部分，用于从接合区成像到辐射检测设备的检测平面。一般地，第一光轴和第二光轴不重合。

成像光学器件的光学路径中的最小孔径可以指代光学路径中的最小孔径，并且同时是成像光学器件的部分，由此也将必须考虑该最小孔径的精确形状，特别是关于孔径到垂直于第一光轴的投影平面上的投影。成像光学器件的光学路径中的最小孔径或最小开口也可以有利地选择为尽可能大。最小孔径或最小开口可以是根据术语孔径的孔径，但是也可以是作为成像光学器件的部分的一些其他元件、部件、设备等，其具有对应于孔径的效果的效果，诸如透镜的框架或波长选择性元件（滤波器）。

接合平面位于接合区内，由此，然而没有一般性限制，相应的接合平面可以位于在接合区中彼此相邻的待接合的两个工件的边界处的接合区中。激光辐射的焦点可能一般不一定位于接合平面中。激光辐射的焦点所位于的焦平面可以与接合平面形成一个角度——这取决于激光辐射进入接合区到焦点的所选光束导向，使得平面相交。如果焦点、即激光辐射的焦点的中心点也位于接合平面中，则焦点位于接合平面和焦平面的相交线上。在“相当厚”的第一工件（即激光辐射主要穿过的工件）的情况下，激光辐射在接合区中的焦点通常不在待接合的两个工件的边界处，而是在一定程度上在相应的第二工件中。在“相当薄”的第一工件的情况下，接合区中激光辐射的焦点通常位于待接合的两个工件的边界处。作为粗略的准则，但在不限制一般性的情况下，这里可以提到大约0.5 mm的材料厚度或厚度，以在“相当薄”的工件、特别是塑料薄膜与“相当厚”的工件之间进行区分。

如在先前的部分中已经提到的，由于在接合区中吸收激光辐射，因此待接合的工件的加热导致热辐射的发射。该热辐射的一部分可以沿着光束路径穿过成像光学器件到达辐射检测设备。热辐射在与导入接合区中的激光辐射相反的方向上从接合区传播到耦合点，由此偏转镜由于其在成像光学器件的光束路径中的布置而阻挡热辐射的部分到检测器的另外路径，或者在激光辐射入射到偏转镜上的方向上偏转热辐射的部分，并且其因此不再可能到达检测平面或辐射检测设备。没有明确规定偏转镜一方面在第二光轴的方向上沿着入轴偏转入射的激光辐射，并且另一方面（同时）在与激光辐射相反的方向上沿着平行于第二光轴延伸的第一光轴透射入射的热辐射。偏转镜专门根据所使用的激光辐射来配置，并且针对所使用的激光辐射来配置。结果，与在偏转镜被配置为对热辐射在很大程度上有透射性或者根本不存在（在成像光学器件的光束路径中）的情况下相比，更少的热辐射到达检测平面。然而，反过来，不存在对于制造起来昂贵的部分透明或波长选择性镜的需要。

在根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的优选实施例中，规定偏转镜的投影（在垂直于第一光轴的投影平面上）覆盖成像光学器件的最小孔径的至多三分之二、特别是不多于一半。这确保了来自接合区的足够的热辐射可以到达辐射检测设备的检测平面，以在辐射检测设备处生成可靠地可评估的输出信号或测量信号。

根据用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的根据本发明的系统的优选实施例，第一光轴和第二光轴重合，即激光辐射沿着成像光学器件的（第一）光轴在耦合点与接合区中的接合平面之间传播。耦合点与接合平面之间的激光辐射的光束路径和成像光学器件的光束路径——继之以热辐射沿着耦合点从接合平面在与激光辐射相反的方向上去往检测平面——因此是同轴的。

根据用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的根据本发明的系统的优选实施例，至少一个波长选择性元件被布置在沿着检测平面和耦合点之间的第一光轴的区域中。波长选择性光学元件可以被配置成用于（基本上）抑制电磁光谱的一个或多个特定波长范围的滤波器，由此精确地来自这个或这些波长范围的电磁辐射将不沿着成像光学器件的光束路径进入辐射检测设备的检测平面。这特别地涉及激光辐射的散射部分。

在根据本发明方面用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的优选实施例中，波长选择性元件被配置成短通滤波器、长通滤波器、带通滤波器或陷波滤波器。优选地，波长选择性元件特别地被配置为抑制激光辐射（尽可能远）。

根据用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的根据本发明的系统的另外特别优选的实施例，偏转镜由偏转镜架保持，其中偏转镜架包括至少一个保持器底座和保持器元件，该保持器底座具有自由空间，该自由空间至少部分地周向围绕第一光轴被保持器底座界定或封围，并且该自由空间到垂直于第一光轴的投影平面上的投影完全封围成像光学器件的最小孔径，其中至少一个支架从保持器底座以直线延伸或弯曲到自由空间中，并且将保持器底座连接到保持器元件，并且其中保持器元件被配置为保持偏转镜。

偏转镜架的座架或保持器底座至少部分地并且围绕间隙或自由空间（凹部、开口）围绕第一光轴周向延伸，其中自由空间（凹部、开口）沿着第一光轴完全穿过座架底座延伸。相对于其在垂直于第一光轴的平面中的延伸，自由空间至少与成像光学器件的最小孔径一样大，使得当自由空间被投影到垂直于第一光轴的平面上时，自由空间的投影区域至少完全包含成像光学器件的最小孔径。在自由空间（凹部、开口）中布置保持器元件，该保持器元件通过至少一个笔直的或弯曲的支架连接到保持器底座。保持器元件被配置用于可选地经由用于将偏转镜附接到保持器元件的附加紧固构件非破坏性可释放或破坏性可释放地保持偏转镜。优选地，保持器元件进一步被配置为使得保持器元件到垂直于第一光轴的投影平面上的投影在叠加在偏转镜的对应投影上时完全覆盖保持器元件的投影。这意味着对于成像光学器件的光学路径中的热辐射，保持器元件不表示附加的障碍（除了偏转镜以其本身已经表示的障碍之外）。保持器底座、至少一个支架和保持器元件可以各自形成在一个或多个零件中。优选地，保持器底座、（一个或多个）支架和保持器元件分别形成在一个工件中。特别优选的是，保持器底座、（一个或多个）支架和保持器元件一起形成在一个工件中，即整个偏转镜架形成为一个工件。

在根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的另外优选实施例中，辐射检测设备被配置为检测电磁光谱的近红外范围内的电磁辐射。

根据用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的根据本发明的系统的另外优选实施例，辐射检测设备被配置为在电磁光谱的子范围内的检测范围内检测电磁辐射，该电磁光谱在中心区域中包括激光辐射的波长。以这种方式配置的辐射检测设备优选地与至少一个陷波滤波器（在成像光学器件的光束路径中）相组合，然后陷波滤波器被配置为抑制对应于所使用的激光辐射的电磁辐射。

根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的另外有利实施例包括辐射检测设备的适配，该辐射检测设备用于在电磁光谱的子范围内的检测范围内以使得激光辐射的波长仅包括在外围区域中或者根本不包括在内的方式检测电磁辐射。取决于所使用的激光辐射的波长是位于辐射检测设备的检测范围的下限区域内还是位于检测范围的上限区域内，相应适配的辐射检测设备优选地与至少一个长通滤波器或至少一个短通滤波器组合（在成像光学器件的光束路径中）。倘若所使用的激光辐射的波长（进一步）在辐射检测设备的检测范围之外，则滤波器可以可选地不是必需的，倘若辐射检测设备可以不被所使用的激光辐射从根本上损坏，即使激光辐射没有被检测到或者不能被辐射检测设备检测到亦如此。以这种方式适配的辐射检测设备也可以与至少一个带通滤波器相组合，该至少一个带通滤波器只允许（仅）对应于辐射检测设备的检测范围和/或对应于当用激光照射时预期来自接合区的热辐射的电磁辐射通过。

在根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的附加的特别优选实施例中，辐射检测设备包括至少一个光电二极管，优选为铟镓砷光电二极管。因此，在该实施例中，光电二极管是辐射检测设备的实际检测元件。辐射检测设备可以仅包括单个光电二极管，即形成为具有一个像素的光电检测器。然而，辐射检测设备也可以被配置成具有沿着（直的）线布置的几个像素的光电二极管线阵列，或者被配置成其中几个像素以图案布置在（平的）表面中的光电二极管阵列。像素被理解为被提供或形成用于检测入射到辐射检测设备上的电磁辐射的检测区域，作为辐射检测设备的检测平面的部分区域。辐射检测设备的替代实施例可以是作为实际辐射检测元件的测辐射热计或微测辐射热计，其中这样的辐射检测设备进而可以用一个像素形成，作为具有多个像素的线，或者以阵列的形式形成。除了（一个或多个）实际辐射检测元件之外，辐射检测设备可以包括例如用于驱动实际辐射检测元件的构件、用于例如由入射在实际辐射检测元件上的可检测电磁辐射引起的实际辐射检测元件的信号的信号处理的构件，等等。

基本上，诸如光电二极管的辐射检测设备提供诸如电信号的物理信号作为输出信号或测量信号，该输出信号或测量信号与从辐射检测设备上的接合区入射并由辐射检测设备检测的电磁辐射（热辐射）具有明确定义的关系，并且因此使得能够得出关于由辐射检测设备检测的电磁辐射、特别是关于检测的电磁辐射的功率密度的结论。一般来说，经由从接合区发出并由辐射检测设备检测的热辐射来确定将在接合区中接合的工件的被加热且可能熔化的塑料材料的绝对温度在最好情况下是困难的，这是由于在该工艺中要考虑众多参数，包括材料和工件参数。然而，这也绝不是绝对必要的。它可以在如下情况下是充足的：例如，借助于由辐射检测设备检测的热辐射和辐射检测设备的对应输出信号，可以限定阈值，在该阈值内，可以在待接合的两个工件的激光透射焊接期间确保足够的接合结果，并且可以根据这些阈值来控制用于生成激光辐射的设备（的输出功率）。然而，控制也可以涉及例如激光辐射的焦点在待接合工件内（例如相对于接合平面）的位置。此外，控制可以涉及在待接合的两个工件之间的边界处的预期接合区或焊接区中的特定区域的照射持续时间。对应的控制然后例如涉及激光头或加工头沿接合区或焊接区移动的速度，激光辐射从激光头或加工头被导向到接合区或焊接区中。

以上在描述中提到的特征和特征的组合、以及以下在附图描述中提到的和/或仅在附图中示出的特征和特征的组合不仅可以分别在指示的组合中而且还可以在其他组合中或以其自身使用。为了实行本发明，不需要实现权利要求1的所有特征。权利要求1的个体特征也可以被其他公开的特征或特征的组合所替换。

附图说明

根据权利要求、以下优选实施例的描述以及根据附图，本发明的另外优点、特征和细节是清楚的，在附图中，相同的或具有相同功能的元件被提供有相同的附图标记。从而示出：

图1 根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的实施例的示意性概览；和

图2 以三维立体表示的根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的与偏转镜一起的示例性偏转镜架。

具体实施方式

图1示出了根据本发明各方面的系统的实施例的示意性概览，该系统用于借助于以具有（加工头）外壳2的加工头1形式的激光透射焊接来接合由热塑性材料制成的至少两个工件。除了以光波导4的形式——在光波导4的一端具有通向加工头1的外壳2的光纤连接器3——指示的激光辐射5的馈送部，该系统的所有其他元件都布置在外壳2内部。在根据图1的表示中，光纤连接器3横向连接到外壳，并且具有用于被引导到加工头1的激光辐射5的扩束器（未进一步详细示出）。根据光线光学器件或几何光学器件的原理，从光纤连接器3进入加工头1的外壳2内部的激光辐射5的光束路径在图1中借助于虚线指示为激光辐射5的示意性外部光束边界，其垂直于激光辐射5的传播方向。在进入外壳2之后，激光辐射5最初沿着入轴6传播。

用于生成激光辐射的设备（即激光辐射源或简称为“激光器”）——其原则上也可以是根据本发明的用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件的系统的部分——在根据图1的示例性实施例表示中未示出，特别是因为“激光器”可以布置在加工头1的外部。结果，加工头1可以制造得紧凑得多。此外，加工头1可以至少沿着一个空间轴在一定程度上可移动，并且如果必要，可以附加地至少围绕一个（另外的）空间轴可旋转和/或可枢转。作为图1中所示示例性实施例中的“激光器”，可以提供具有200 W的最大输出功率、1940 nm的波长和

衍射系数的连续波光纤激光器。

在分束器7处，激光辐射5的一部分（入射在分束器7上的激光辐射5的功率密度的大约1%到2%）垂直于入轴6偏转，并且被导向到用于激光功率测量的设备8。用于激光功率测量的设备8可以包括被配置用于检测激光辐射的光电二极管和用于衰减被导向到用于激光功率测量的设备8的激光辐射以便不过载或者甚至损坏光电二极管的一个或多个滤波器（图1中未详细示出）。用于激光功率测量的设备8允许在操作期间监视“激光器”的功率，并且因此对于控制“激光器”的输出功率也是重要的。

激光辐射5的主要部分穿过分束器7并沿着入轴6进一步传播，直到激光辐射5撞击偏转镜9。偏转镜9将沿着入轴6入射的激光辐射5偏转90°。然后，激光辐射5沿着光轴15在待接合的两个光学透明工件11和12的方向上传播。光轴15和入轴6彼此垂直对准，并在耦合点24处相交。耦合点24位于偏转镜9的镜面的中心。激光辐射5由第一透镜10聚焦。在根据图1的实施例中，激光束5的焦平面在待接合的两个相邻工件11和12之间的边界处与接合平面13重合。图1中的示意性表示遵循光束或光线光学器件的原理，由此焦点以高度简化的方式表示为点状。实际上，激光辐射5的焦点在焦平面/接合平面13中具有不为零或非零的延伸，即，它是有限大小的区域，参见高斯光束的概念，其作为电磁辐射束的“实际”焦点的更真实的近似。

一方面并且主要地，第一透镜10用于聚焦激光辐射5。然而，另一方面并且其次，第一透镜10也是成像光学器件10、21的部分，基本上由前述第一透镜10和第二透镜21组成。第一透镜10由此安装在框架26中，框架26是加工头1的外壳2的部分并且因此也是外壳窗口。成像光学器件10、21将接合平面13成像到辐射检测设备的检测平面22，该辐射检测设备在图1中的图示中指示为光电二极管23。光电二极管23被配置成具有一个像素的InGaAs光电二极管。光电二极管23的检测范围的重点是在1500 nm和2500 nm之间波长处的近红外中。激光辐射5的波长然后恰好位于光电二极管23的检测范围的中心。为了将光电二极管23例如从在第一透镜10或工件11、12的光学界面处反射/散射的部分激光辐射5屏蔽，陷波滤波器20被布置为成像光学器件10、21的光束路径中的波长选择性元件，其（几乎）完全抑制（“滤波”）具有对应于

nm范围内激光辐射5的波长的电磁辐射，但是（几乎）不受阻碍地透射具有光电二极管23的检测范围内的所有其他波长的电磁辐射。

光轴15同时是成像光学器件10、21的光轴，激光辐射在偏转镜9处偏转之后沿着光轴15在待接合的工件11、12的方向上传播。在图1中所示的示例中，与成像光学器件10、21相关联的第一光轴和在偏转镜9处偏转之后与激光辐射5相关联的第二光轴之间的区别是不必要的，因为在这种情况下两轴无论如何都重合以形成光轴15。在至少由激光辐射5的焦点附近的激光辐射5的部分吸收引起的待接合的工件11、12的加热期间，待接合的工件11、12通过激光辐射5的照射导致热辐射的发射。该热辐射14的一部分可以穿过成像光学器件10、21到光电二极管23的检测平面22。根据光线光学器件或几何光学器件的原理，接合平面23和检测平面22之间的热辐射14的光束路径以及因此成像光学器件10、21的光束路径在图1中由实线指示为垂直于热辐射14的传播方向的象征性外部光束边界。实际上，类似于激光辐射5的焦点，不存在热辐射的点状发射点，而是有限大小的空间区域，由此沿着接合平面/焦平面13穿过该区域的横截面至少完全封围激光辐射5的（实际的、有限大小的）焦点27。到达第一透镜10的热辐射14最初由此被准直。如已经提到的，在相反的方向上，被引导到第一透镜10的准直激光辐射5被聚焦。在耦合点24和接合平面13之间，激光辐射5和热辐射14的光束路径同轴延伸，其中激光辐射5和热辐射14各自沿着光轴15但是在相反的方向上传播。激光辐射5的光束横截面比热辐射14的光束横截面小得多（小于一半那么大）。然而，用于激光辐射5的偏转镜9在热辐射14的另外光束路径中切割出中心孔，因为偏转镜9与作为偏转镜架16的部分的用于偏转镜9的保持器元件18一起位于在热辐射14或相应的成像光学器件10、21的光束路径中心的光轴15上，并且因此使得热辐射14的部分不可能到达检测平面22。支架19作为保持器元件18和偏转镜架16的保持器底座17之间的连接导致热辐射14的更小的“损失”，即热辐射14没有到达检测平面22。

这样的偏转镜架16连同偏转镜9在图2中的三维立体视图中以其自身示例性示出。图1示出了通过作为加工头1的部分的这样的偏转镜架16的横截面。偏转镜架16包括保持器底座17、保持器元件18以及连接保持器底座17和保持器元件18的四个支架（撑杆）19（支架19中，图2中仅示出了三个，第四支架19几乎完全被保持器元件18隐藏）。保持器底座18在形状上是平坦的立方体，其具有延伸部31，以在两个平坦的、宽的立方体侧面之一上形成基座。保持器底座18具有拥有圆形横截面的中央自由空间（间隙、凹部、开口）25，该中央自由空间25围绕自由空间的横截面的圆的中心完全周向地由保持器底座18界定/封围。自由空间25平行于保持器底座17的最短侧完全延伸穿过保持器底座17。保持器元件18布置在自由空间25的中心或者与自由空间25的边缘同心。保持器元件18通过四个支架19连接到保持器底座17，该四个支架19从自由空间25的边缘笔直延伸到中心。支架19沿着自由空间25的边缘等距布置（彼此成90°角）。由于保持器元件18，并且另外——尽管程度小得多——由于支架19，因此自由空间25的相当大的部分被阻挡，并且在这个意义上不再是“自由的”。保持器元件18由在一侧成45°角倾斜切割的圆柱体形成，因此该侧提供与圆柱体对称轴28成45°的角。偏转镜9被固定到保持器元件18的该倾斜切割侧。偏转镜9、特别是镜面29是椭圆形的（保持器元件18的倾斜切割侧也是椭圆形的）。偏转镜9由此恰好配合在保持器元件18的倾斜切割侧上。偏转镜9的中心与保持器元件17的圆柱体对称轴28重合，该圆柱体对称轴28进而恰好穿过自由空间25的中心（自由空间25的横截面的圆心）。如图1中所示，如果偏转镜架16与偏转镜9一起被布置为根据本发明各方面的系统或加工头1的部分，则保持器元件17的圆柱体对称轴28与光轴15重合，并且椭圆形偏转镜9的镜面29的中心30（也是耦合点24）位于光轴15上。偏转镜9的椭圆形成使得，在如图1中所示的偏转镜9的布置中，当偏转镜9的镜面29投影到垂直于入轴6的投影平面上以及垂直于光轴15的投影平面上时，镜面29的相应投影是圆形的。

参考符号列表

1 加工头

2 外壳

3 光纤连接器

4 光波导

5 光束路径激光辐射

6 入轴

7 分束器

8 用于激光功率测量的设备

9 偏转镜

10 第一透镜

11 第一工件

12 第二工件

13 接合平面

14 辐射路径热辐射

15 光轴

16 偏转镜架

17 保持器底座

18 保持器元件

19 支架

20 陷波滤波器（波长选择性元件）

21 第二透镜

22 检测平面

23 光电二极管（辐射检测设备）

24 耦合点

25 自由空间

26 框架

27 激光辐射的焦点

28 保持器元件的对称轴（圆柱体对称轴）

29 偏转镜的镜面

30 偏转镜的镜面中心

31 保持器底座的延伸部/插座

Claims (10)

1.一种用于通过激光透射焊接来接合至少两个热塑性材料工件（11，12）的系统，所述系统包括用于生成激光辐射的至少一个设备和具有第一光轴的成像光学器件（10，21），其中由用于生成激光辐射的设备发射的激光辐射（5）被引导到接合区中，并且其中成像光学器件（10， 21）被配置用于从接合区中的接合平面（13）到辐射检测设备（23）的检测平面（22）的光学成像，其中偏转镜（9）被提供在平行于第一光轴延伸的第二光轴上的耦合点（24）处，用于从与第二光轴封围成非零角度、优选为直角的入轴（6）偏转激光辐射（5）到沿着第二光轴的方向上，其中耦合点（24）和接合平面（13）之间相对于第二光轴的距离小于从检测平面（22）到接合平面（13）相对于第一光轴的距离，其中偏转镜（9）的直径适于激光辐射（5）的横截面形状和横截面大小，并且当将偏转镜（9）投影到垂直于第一光轴的投影平面上时，偏转镜（9）在投影平面中的投影区域完全布置在成像光学器件（10，21）的光束路径中的最小孔径内，并且仅部分覆盖所述最小孔径。

2.根据权利要求1所述的系统，其中偏转镜（9）的投影覆盖成像光学器件（10，21）的最小孔径的至多三分之二、特别是不多于一半。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的系统，其中，第一光轴和第二光轴重合以形成公共光轴（15）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，至少一个波长选择性元件（20）被布置在检测平面（22）和耦合点（24）之间沿着第一光轴的区域中。

5.根据权利要求4所述的系统，其中波长选择性元件（20）被形成为短通滤波器、长通滤波器、带通滤波器或陷波滤波器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中偏转镜（9）由偏转镜架（16）保持，其中偏转镜架（16）包括至少一个保持器底座（17）和保持器元件（18）， 保持器底座（17）具有自由空间（25），所述自由空间（25）至少部分地周向围绕第一光轴被保持器底座（17）界定或封围，并且所述自由空间（25）到垂直于第一光轴的投影平面上的投影完全封围成像光学器件（10，21）的最小孔径，其中至少一个支架（19）从保持器底座（17）以直线延伸或弯曲到自由空间（25）中，并将保持器底座（17）连接到保持器元件（18），并且其中保持器元件（18）被配置为保持偏转镜（9）。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，辐射检测设备（23）被配置为检测在电磁光谱的近红外区域中的电磁辐射。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，辐射检测设备（23）被配置为在电磁光谱的子范围内的检测范围内检测电磁辐射，所述电磁光谱在中心区域中包括激光辐射（5）的波长。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，辐射检测设备（23）被配置为在电磁光谱的子范围内的检测范围内检测电磁辐射，所述电磁光谱仅在外围区域中包括激光辐射（5）的波长或者根本不包括激光辐射（5）的波长。

10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，辐射检测设备（23）包括至少一个光电二极管、特别是铟镓砷光电二极管。

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