CN103221174A - 借助激光束和可动压紧元件来接合工件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助激光束（7）来接合工件（3、5）的方法和装置（1），其中，所述装置（1）具有：用于导引所述激光束（7）的光学扫描器（33）；压紧元件（13，15，21，23），所述压紧元件在接合过程中沿压紧方向对至少一个所述工件（3，5）进行压制从而将所述工件（3，5）固定；外壳（11），所述外壳将所述光学扫描器（9）和从所述光学扫描器出发朝所述工件（3，5）延伸的所述激光束（7）封闭在内；其中，所述压紧元件（13，15，21，23）构成所述外壳（11）的一个部件且可相对所述多余的外壳（11）以至少一个运动自由度进行运动。

Description

借助激光束和可动压紧元件来接合工件的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种借助激光束来接合工件的激光焊接装置以及相应方法。

背景技术

激光束焊接工艺尤其应用于需要对焊接速度较高、焊缝较窄和热变形较小的工件进行接合的地点。举例而言，借助专用的安装及固定装置将需要接合的工件固定在期望位置，再用激光束焊接使其相连。

采用激光焊接时的光强较高，因而通常在独立的安全腔室内操作激光焊接装置，以免激光辐射对环境造成影响。这种安全腔室一般而言将整个激光处理装置封闭在内，这样就增大了这种装置的体积，也就增大了腔室的操作难度和成本。

EP2149421A1描述一种借助激光束焊接工件的装置，其中，借助布置在外壳中的准直仪来聚焦纤维激光器的激光束。该外壳的压力段或压力元件中设有出口缝隙，该准直仪借助一线性驱动装置平行于该出口缝隙移动，使得激光束能经由出口缝隙从外壳射出，并在固定在外壳的该压力元件与第二压力元件之间的工件上产生一条直线型焊缝。

但上述线性导引方案只能产生直线型射束导引，为产生弯曲焊缝就需要为需要焊接的工件重新定位，这样非常耗时。此外，线性驱动装置所提供的激光工艺进给速度是给定的，这个进给速度例如因为准直仪***的机械稳定性而受到限制，且这类准直仪通常具有敏感型光学组件，因而难以承受过大的加速度。

此外，EP2149421A1并未涉及待加工工件的形状或结构；例如，该案所提供的装置及相应压力元件未考虑以下情况：待固定工件的形状可能各不相同以及/或者可能需要加工不规则形状（例如，并不平面平行，而是略微呈三维拱起或三维阶梯状）的工件。加工这种不规则形状的工件时可能出现以下情况：外壳的出口缝隙可能并未完全被工件覆盖，此时，激光辐射可能绕过工件射出外壳并照射到人员。

发明内容

本发明的目的在于提供一种借助激光束来接合工件（如金属板）的激光焊接装置以及一种相应的方法，所述装置及方法以较高的焊接速度对不同几何结构或形状的工件进行激光加工，同时也可靠地防止激光辐射射出。

本发明用于达成上述目的的解决方案为权利要求1所述的装置以及权利要求10所述的方法；本发明的有利改进方案参见从属权利要求。

本发明提供一种借助激光束来接合工件（如金属板或塑料工件）的激光焊接装置，其中，所述激光焊接装置具有用于（朝所述工件）导引所述激光束的光学扫描器和至少一个压紧元件，所述压紧元件在接合过程中沿相应压紧方向对至少一个需要接合的工件进行压制或压紧从而将所述工件固定。所述激光焊接装置还具有（例如复合式）外壳，所述外壳将所述光学扫描器和从所述光学扫描器出发朝所述工件延伸的所述激光束（至少局部或者全部）封闭在内。所述压紧元件构成所述外壳的一个部件且可相对多余的外壳以至少一个运动自由度-主动和/或被动地-进行运动。所述压紧元件例如可以活动布置在所述多余的外壳（所述“剩余外壳”）上，亦即，与所述剩余外壳活动连接；所述压紧元件也可以以与所述剩余外壳分离并相对所述剩余外壳运动的方式布置。可以设置多个上述类型的压紧元件。

所述外壳例如可以采用某种构造方案，使得所述外壳朝所述工件张开，以及-在所述压紧元件作为所述外壳的一个部件放置在所述工件上的情况下-所述外壳连同所述工件将所述激光束完全封闭在内，其中，所述工件此时将所述外壳的开口闭合。

所述至少一个压紧元件-为将所述工件固定而-沿相应压紧方向（即固定所述工件时压紧元件所施加的压力的方向）对至少一个所述工件进行压制，其中，所述工件例如被夹在所述压紧元件与相应止推轴承（例如另一压紧元件）之间，从而得到固定。所述压紧元件同时还用作所述外壳的用来屏蔽激光辐射的部件（即屏蔽部件），这样就能实现一种节省空间的布置方案。

所述压紧元件以可以相对所述剩余外壳运动的方式布置，这样就能在不透光封闭所述外壳的同时可靠地固定不同三维形状的工件，举例而言，在所述压紧过程中利用所述至少一个运动自由度并根据所述待固定工件的表面形状来对所述压紧元件进行定向，这样就能将所述压紧元件无缝放置在所述工件上。

为防止造成人身伤害，可使得所述激光束的接通和切断操作与所述压紧元件的放置和抬升同步进行，亦即，只有当所述压紧元件放置到所述金属板上时或者随后才接通所述激光器，只有当所述压紧元件重新抬升时或者之前（很短时间）才将其切断。例如可以通过相应开关或传感器来同步操作激光器。

优选由布置在所述外壳内部和/或外部且整合于一安全电路中的传感器来检测（例如在所述工件上）散射的激光辐射的强度。例如可以以电子方式对所述散射辐射强度进行检测和分析，其中，可在超过极限值时触发警报以及/或者中断接合制程。

根据一种实施方式，所述光学扫描器具有至少一个用于导引所述激光束的可动扫描镜。

所述激光束例如可以由布置在所述外壳内部的激光器产生，或者由布置在所述外壳外部的激光器产生，并借助光导光学元件（例如，光导纤维、镜子、透镜等等）被导引至所述外壳中的光学扫描器，其中，所述光导元件以及从所述激光器至所述光学扫描器的射束导引优选均受到不透光封闭。

所述光学扫描器例如可以具有一用于调节所述激光束的聚焦位置的聚焦装置以及至少一个（例如借助检流计驱动装置而）以可转动方式布置的扫描偏转镜，所述扫描偏转镜用于对所述激光束（或其聚焦位置）进行导引或重新定位。这类偏转镜可能相对较小，质量惯性矩通常较低，因此，很快就能被重新定位到另一旋转角位置上，从而迅速为所述激光束重新定位。所述光学扫描器也可以具有例如两个扫描镜，它们围绕相互垂直的（检流计）轴线转动式布置，以便通过镜子反射和相应改变镜子的旋转角位置来对激光束进行二维导引，从而及时产生弯曲的焊缝而无需对待加工工件进行重新定位。

根据一种实施方式，所述至少一个压紧元件以可围绕一（大体）垂直于压紧方向的轴线转动或翻转的方式布置在所述多余的外壳上。

根据该实施方式，在应用具有直线型或平坦压紧区段的压紧元件且所述待夹紧或待固定工件具有楔形（和并不平面平行）的形状时，所述压紧元件在放置到所述工件上的过程中围绕所述楔形工件的张角翻转，使得所述压紧元件的压紧区段平坦地放置在楔形表面上，从而防止激光从所述压紧元件与所述工件之间穿过。

所述压紧元件也可以-借助一截球面-以可围绕多个轴线或围绕两个相互垂直的轴线转动或翻转的方式布置。

根据一种实施方式，所述至少一个压紧元件以可沿所述压紧方向（相对所述多余的外壳）运动（如移动）的方式布置或安装在所述多余的外壳上。

例如可以设置多个可沿所述压紧方向移动的压紧元件，其中，在夹紧阶梯式工件时，每个所述压紧元件均可以其压紧区段移动到一对应于所述工件的相应阶梯的高度，从而将该阶梯式工件不透光夹紧。

举例而言，这种压紧元件可以沿所述压紧方向主动和/或被动地缩入所述剩余外壳（即所述多余的外壳）或者朝待固定工件伸出。例如可将所述压紧元件以借助弹簧（如盘簧或气动弹簧）被动活动的方式安装在所述多余的外壳上，使得在所述压紧元件放置到工件上的过程中对放置运动进行缓冲。

这种压紧元件此外还可以以例如借助电动或液压致动器主动运动的方式设置在所述多余的外壳上，使得所述压紧元件能够以与所述多余的外壳的运动无关的方式朝所述工件运动或者离开所述工件。该实施方案的优点在于，改变装置位置或者补充需要接合的工件时不一定要从工件上拿开整个外壳，而只需要借助相应致动器将用作压紧元件的外壳部件拿开即可。此外还能在发现起动位置与规定位置存在偏差的情况下识别出工件上或装置（如压紧元件）上的不规则性。这样就能识别出工件上出现焊珠、金属板褶皱过多或者板厚有误等错误。

所述致动器还能确保所述压紧元件以规定的压紧力施加于金属板，例如通过用电动机电流分析装置、电容式传感机构和/或超声波传感机构对这些元件的位置和压紧力进行测定和监测来实现这一点。也可以以相同的方式测量张开压紧元件所需的作用力，这样就能检测压紧元件在工件上的吸附性从而避免该装置受损。

根据一种实施方式，所述至少一个压紧元件具有由柔性（即弹性变形）材料构成的压紧区段。

根据该实施方案，所述压紧区段（即压紧元件的在工件固定过程中接触该工件的区段）或者所述压紧元件的正面例如可以具有由一柔性（且耐热）材料制成的密封元件或者例如可以由一柔性材料构成。整个压紧元件也可以由一柔性材料构造而成。通过这种方式，所述压紧元件（或其形状）就能在压紧工件时与该工件的表面形状匹配并在压紧元件与工件之间实现不透光封闭，其中，压紧元件借助其弹性变形而获得一定运动自由度；此外，这种柔性材料还能防止在工件上产生印记。

所述压紧元件的前述运动自由度-转动或翻转、直线移动以及弹性变形-也可以任意组合，其中，例如可以借助一以可转动和可（直线）移动方式布置在所述剩余外壳上且具有柔性压紧区段的压紧元件来可靠地为工件与该压紧元件建立不透光封闭。

根据另一实施方式，所述外壳具有多个压紧元件，这些压紧元件分别构成所述外壳的一个用于屏蔽激光辐射的部件并能以至少一个运动自由度（例如各自独立地）相对所述多余的外壳进行运动，其中，可以为每个所述元件设置一或多个前述自由度。

之前曾以阶梯式工件为例作过说明，根据该实施方案，例如可以使得每个所述压紧元件均接触工件表面的单独一个可视为大体平坦的分区，而不必覆盖整个不规则成型（例如弧形拱起）的工件表面，这样就能在为压紧元件与相应工件表面建立不透光封闭的同时可靠地固定不规则成型的三维工件。

根据一种实施方式，所述光学扫描器被构造为，所述光学扫描器可将所述激光束朝其中一所述压紧元件和被这个压紧元件固定的工件偏转。

所述压紧元件例如可以同时夹紧多个工件。根据该配置方案，例如可以通过在不同射束导引光学装置之间进行针对性射束导引切换或者通过一可控的射束导引光学装置来将射束朝相应压紧元件或者被这些压紧元件固定的工件偏转，其中，可以用单独一个装置同时加工不同几何结构的工件以及/或者在单独一个夹紧过程中产生多个焊缝和/或工件。

根据另一实施方式，所述激光焊接装置实施为焊枪（下文也称作“焊枪”），其中，所述外壳的至少一个压紧元件构成所述焊枪的一臂部，包含至少另一压紧元件的支架构成所述焊枪的第二臂部。与前述配置方案类似，构造于所述支架上的压紧元件也可以以至少一个运动自由度（主动和/或被动地）相对所述支架进行运动。

根据另一实施方式，所述激光焊接装置实施为某种焊枪，其每个臂部均具有一包含至少一个压紧元件的外壳，这些外壳内各设有一用于导引激光束的光学扫描器。这些外壳内可以安装有可个别受控的光学扫描器，其中，这种装置例如可以用来同时对金属板进行双面接合。

优选在所述焊枪的支架或者在相应外壳上设置一用于对处理地点进行观察的传感器（如热释电传感器）。利用所述传感器来控制相应加工激光器，能够可靠地防止发生焊断、热输入过大导致焊缝坍塌，或者输入接合点的热量过小导致焊缝过小。采用这种控制方案的优点在于，可直接在工件上进行间接功率测量。采用这种传感器辅助的功率控制方案能够实现受到质量监控的处理过程。通过了解所需的激光功率还能增大制程宽容度。此外还能及时地对光学***上的变化（如保护玻璃受污染）加以识别和量化。

采用这种传感器后，通过对该传感器进行相应信号处理并将其应用于激光器安全电路来可靠地防止出现焊断，这样就允许实施单面加工而无需设置起激光保护作用的对应垫片。该方案具有单面可接触性，这样就大大增加了用途，因而特别有利。

例如为了制造较短或中断的焊缝，可以在所述焊枪的两臂上同步张开和闭合所述压紧元件，其中，在重新闭合所述压紧元件前（例如）为了计算（betragen）此前所产生的焊缝而沿进给方向移动整个装置（或者需要接合的工件）。可以同步化接通和切断所述加工激光器，以防激光束在焊枪的张开状态下射出。

例如为了制造较长的不间断焊缝，也可以在接合制程中通过所述压紧元件将超声波脉冲导入所述工件，使得所述装置（或者需要接合的工件）即使在所述工件上放置有压紧元件的情况下也能轻易移动；这样就不需要将压紧元件张开和闭合或者中断接合制程。

可以借助相互卡合的压紧元件来固定所述工件，其中，每个外壳或者相应焊枪的每个臂部均具有一外压紧元件和一被该外压紧元件包围的内压紧元件，且这两个压紧元件相互嵌合。根据该配置方案，例如实施接合制程时，其中一压紧元件紧贴该工件并连同被其固定的该工件一起在与激光制程的进给方向相反的方向上与该激光制程同步移动，而另一压紧元件则从该工件上抬升并沿激光制程的进给方向运动，其中，该压紧元件的进给速度大于激光制程的进给速度。当紧贴所述工件的压紧元件到达其规定的最终位置时或者之前（很短时间），该一直保持抬升状态的压紧元件放置到所述工件上并连同该工件一起在与激光制程的进给方向相反的方向上与该激光制程同步移动，而该一直放置在所述工件上的压紧元件则抬升并沿进给方向运动。上述方案实现了所述装置或者工件的连续进给以及较长焊缝的不间断接合。

所述接合装置如果应用于需要输送附加材料的接合制程（例如用附加线路实施钎焊和铝焊），则可通过所述压紧元件来输送附加材料。在保护气体下进行焊接时，可在所述压紧元件中整合用于输入保护气体的吸嘴，以便用该保护气体填满压紧元件内的整个空间，从而实现焊缝的最佳覆盖。可用一吸取单元吸取接合制程中所产生的浓烟。

作为防止激光辐射射出的额外防护措施，所述压紧元件可包含纺织品、塑料或者刷毛，这些材料在压紧元件处于放置状态时同样放置在所述工件上（或者突出于工件以外）并已不透光的方式覆盖压紧元件与工件间可能残留的间隙。

所述压紧元件可呈阶梯状或角形，其中，该压紧元件的正面设有相对另一区段突出或凸起的区段。该配置方案尤其适用于制造紧挨工件末端（如金属板边缘）的焊缝，其中，就朝所述工件移动的压紧元件而言，该突起区域放置在其对面的压紧元件的正面上，非突起（凹进）区域放置在工件上。利用该压紧元件的这个相对该突起区域有所凹进的区域来压紧金属板从而将其固定。

所述压紧元件还可构造为从相应储料槽取出粉状材料或微粒并将其定位至接合点。所述压紧元件中可能出现大幅升温，因此，也可以为所述压紧元件配置例如供冷却水流动的冷却通道。

附图说明

图1为一闭合式焊枪的示意图，该焊枪包含可沿压紧方向移动的压紧元件；

图2为图1所示焊枪处于张开状态；

图3A、3B为翻转式压紧元件的工作原理；

图4为压紧元件的带橡胶唇的区段；

图5为压紧元件的带刷毛的区段；

图6为压紧元件的带纺织密封唇的区段；

图7为阶梯式压紧元件的带纺织密封唇的区段；

图8为阶梯式压紧元件的带活动连接件的区段；以及

图9为被阶梯式压紧元件夹紧的金属板。

附图标记说明

1       焊枪

3       上工件

5       下工件

7       激光束

9       光学扫描器

11      上臂

13、15  上压紧元件

17      支架

19      下臂

21、23  下压紧元件

25      导引单元

27      外壳

29      剩余外壳

31      加工激光器

33      扫描镜

35、37  上致动器

39、41  下致动器

43、45  散射光传感器

47      高温计

49      检流计驱动装置的轴线

50      压紧方向

51      翻转式压紧元件

53      柔性材料构成的压紧区段55      楔形工件

57      不平坦表面

59      正面

61      橡胶唇

63      刷毛

65      柔性纺织布料

67      凹进区段

69      凸起区段

71      连接件

具体实施方式

下面借助图1至9所示实施例对本发明进行说明，其中，相同或类似特征用同一参考符号表示。

图1为本发明的一实施方式中实施为焊枪1的激光焊接装置1，其正在借助激光束7接合两个工件3、5，其中，借助光学扫描器9来导引及定位该激光束7。焊枪1具有两个布置在焊枪1的上臂11上的上压紧元件13、15，和两个布置在焊枪1的下臂19的支架17上的下压紧元件21、23。臂部11、19以可转动方式连接导引单元25，且通过压紧元件13、15、21、23将需要接合的工件3、5-这里是金属板3、5-压在一起。上臂11构成外壳27，该外壳将光学扫描器9和从光学扫描器9出发朝工件3、5延伸的激光束7封闭在内。上压紧元件13、15构成外壳27的一个部件且可相对该多余的外壳即剩余外壳29进行运动，且在图1所示配置方案中，压紧元件13、15在此例如借助电动致动器35、37以大体沿压紧方向运动的方式安装在剩余外壳29上。下压紧元件21、23以类似方式借助致动器39、41以活动方式安装在支架17上，使得压紧元件13、15、21、23能够以与臂部11、19的压紧运动无关的方式压向金属板3、5或者从金属板3、5上松开。

如图1所示，上工件3为阶梯状金属板，亦即，各区段具有不同板厚。所述上压紧元件13、15能够彼此独立地运动，因此，这些上压紧元件能够沉降到相应金属板区段的高度从而（连同工件3）将外壳27不透光地封闭。

激光束7由加工激光器31产生，该激光束通过贯通外壳27的该光学扫描器的透镜和镜子并借助光学扫描器9的扫描镜33到达上工件3的表面，该扫描镜33以可转动方式安装在一（未绘示）检流计驱动装置的轴线49上。

利用散射光传感器43检测从工件3、5反射到光学扫描器9的激光，利用散射光传感器45来检测穿过工件3、5与上压紧元件13、15间的间隙而射出的散射光。如果散射光传感器45检测到散射光辐射，则立即切断加工激光器31以免造成人身伤害。图1示出一安全单元S及一激光器控制单元L，该安全单元可对散射光传感器43、45和高温计47所测得的强度进行分析，该激光器控制单元连接安全单元S以及激光器31。举例而言，在检测到过高强度的情况下，安全单元S可向激光器控制单元L发送断路信号。布置在下臂19中的高温计47用于从远离处理过程一侧测量下金属板5的温度。

图2为图1所示焊枪中的臂部11、19处于张开状态，压紧元件13、15、21、23处于缩回状态；其中，加工激光器31随着臂部11、19张开而自动断路（可从图2中用虚线表示的激光束变化看出这一点）。如图2所示，焊枪1张开时，焊枪的两臂11、19偏出其闭合位置（即在焊枪1闭合时的位置）。也可以使得焊枪1的具有包含光学扫描器9的外壳27的臂部保持不动，而在张开或闭合焊枪1时仅使另一臂部（此处係下臂19）进行运动，这样例如能够防止光学扫描器9受到震动。

图3A和3B为压紧元件51的工作原理的示意图，该压紧元件可围绕一垂直于压紧方向50分布的转动轴转动或翻转且具有一由弹性变形材料构成的压紧区段53。压紧元件51放置到具有不平坦表面57的楔形工件55上时，压紧元件55发生翻转，柔性压紧区段53的形状匹配工件表面57的形状，从而为压紧元件51与表面57建立不透光连接。

图4为以上压紧元件13为例的压紧元件的压紧区段即正面59，该正面59中插有橡胶唇61，这样就能防止压紧元件13将印记遗留在金属板3的表面上。当工件表面不平坦时，橡胶唇61还能可靠地将压紧元件13或外壳27的内侧与外部环境光学隔离。

图5和6为将周围环境与压紧元件13的内部空间光学隔离的其他方案。图5所示配置方案中，借助固定在压紧元件13外缘的稠密的柔性刷毛63来确保光学隔离。图6所示配置方案中，压紧元件13的外表面上固定有一柔性纺织布料65，用于遮盖工件3与压紧元件13间的间隙。

图7和8以下压紧元件23为例示出一阶梯式压紧元件，具有凹进区段67和（相对）突出或凸起的区段69，其中，这类压紧元件尤其适合于在工件3、5的边缘区域内实施焊接操作。图7所示配置方案中还设有一柔性纺织布料65，在图8所示配置方案中，凹进区域67上安装有可（主动或被动）移动的连接件71，其起光学密封件作用。

图9为阶梯式上压紧元件13与非阶梯式下压紧元件23配合使用的示意图。阶梯式上压紧元件13的突出区段69放置在非阶梯式压紧元件23上。阶梯式压紧元件13的凹进区段67放置在金属板3上，其中，压紧元件13的凹进区段67与压紧元件23间的侧向间隙被柔性纺织物65光学密封。

Claims (10)

1.一种借助激光束（7）来接合工件（3、5）的激光焊接装置（1），具有：

用于导引所述激光束（7）的光学扫描器（9），

压紧元件（13，15），所述压紧元件在接合过程中沿压紧方向对至少一个所述工件（3）进行压制从而将所述工件（3，5）固定，

外壳（27），所述外壳将所述光学扫描器（9）和从所述光学扫描器出发朝所述工件（3，5）延伸的所述激光束（7）封闭在内，

其中，所述压紧元件（13，15）构成所述外壳（27）的一个部件且可相对所述多余的外壳以至少一个运动自由度进行运动。

2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中，所述光学扫描器（9）具有至少一个用于导引所述激光束（7）的可动扫描镜（33）。

3.根据权利要求1或2所述的激光焊接装置，其中，所述压紧元件（51）以可围绕一大体垂直于所述压紧方向（50）的轴线转动的方式布置在所述多余的外壳上。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的激光焊接装置，其中，所述压紧元件（13，15）以可沿所述压紧方向运动的方式布置或安装在所述多余的外壳上。

5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的激光焊接装置，其中，所述压紧元件（51）具有由柔性材料构成的压紧区段（53）。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的激光焊接装置，其中，所述外壳（27）具有多个压紧元件（13，15），这些压紧元件分别构成所述外壳的一个部件并能以至少一个运动自由度相对所述多余的外壳进行运动。

7.根据权利要求6所述的激光焊接装置，其中，所述光学扫描器（9）被构造为，所述光学扫描器可将所述激光束（7）朝其中一所述压紧元件和被这个压紧元件固定的工件偏转。

8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的激光焊接装置，其中，所述激光焊接装置实施为焊枪（1），其中，所述外壳（27）的至少一个压紧元件（13，15）构成所述焊枪的一臂部（11），包含至少另一压紧元件（21，23）的支架（17）构成所述焊枪的第二臂部（19）。

9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的激光焊接装置，其中，所述激光焊接装置实施为某种焊枪，其每个臂部均具有一包含至少一个压紧元件的外壳，这些外壳内各设有一用于导引激光束的光学扫描器。

10.一种借助激光束来接合工件的方法，其特征在于，

借助如权利要求1至9中任一项权利要求所述的激光焊接装置来接合所述工件。

Images