專利名稱：用激光束連接三維形狀的塑料工件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑料工件的一種連接方法和裝置，其中面向一個(gè)激光源的上工件由一種對(duì)激光束透明的材料制成，而下工件則用一種對(duì)激光束吸收的材料制成，這樣就可熔化這兩個(gè)工件的鄰接的接觸面，并隨即在冷卻時(shí)在壓力作用下實(shí)現(xiàn)相互連接。
背景技術(shù)：
這種用激光束焊接塑料的方法是人們熟知的，也叫做透射焊接。對(duì)這種塑料焊接方法來(lái)說(shuō)，工件在焊接過(guò)程中相互夾緊乃是重要的，因?yàn)橛眉す馐旰煤附铀芰系囊粋€(gè)重要前提不單是正確的能量計(jì)量，而且還要求兩個(gè)要相互連接的接縫面之間的完好的機(jī)械接觸。它們特別是在大面積的工件時(shí)可產(chǎn)生足夠大的壓力。
對(duì)二維的焊接輪廓來(lái)說(shuō)，完好的夾緊條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但在三維的工件上制造三維形狀的焊接輪廓，特別是在工件的形狀總是不斷變化時(shí)，則在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)要相互連接的工件的機(jī)械接觸。其中，既有夾緊力均勻分布到整個(gè)輪廓上的問(wèn)題，又有夾緊壓力的計(jì)量問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種不需要特殊夾具就能實(shí)施三維形狀的塑料工件的輪廓焊接的方案。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的是通過(guò)一種具有獨(dú)立權(quán)利要求所述方法和裝置的諸多特征的方法和裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其他的優(yōu)選實(shí)施例可從相關(guān)的各項(xiàng)從屬要求中得知。
根據(jù)本發(fā)明的方法，激光束在要連接部位的控制和工件的機(jī)械壓合是同時(shí)通過(guò)一個(gè)加工頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，工件的壓合或者是在激光束對(duì)準(zhǔn)部位的一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行，也可在激光束對(duì)準(zhǔn)部位周圍區(qū)域的面上進(jìn)行。工件也可沿一條垂直于激光束和激光束所在的工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的線進(jìn)行壓合。
這就是說(shuō)，本發(fā)明原則上提供了這樣的可能性，所需的夾緊力同時(shí)用激光束沿規(guī)定的焊接輪廓連續(xù)地、但總是點(diǎn)狀地、沿一條線或在實(shí)施焊接過(guò)程的部位周圍的一個(gè)確定的區(qū)域內(nèi)來(lái)產(chǎn)生，而且該夾緊力是實(shí)際需要的。這個(gè)特殊的焊接功能和施壓功能是通過(guò)一個(gè)加工頭來(lái)傳遞的，該加工頭既可進(jìn)行機(jī)械施壓又可進(jìn)行能量傳遞。
根據(jù)本發(fā)明，由于該加工頭和要焊接的工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)總是在機(jī)械接觸下進(jìn)行，所以工件最好在激光的聚焦部位被壓合在一起，而且激光束最好通過(guò)一個(gè)適當(dāng)旋轉(zhuǎn)的、對(duì)紅外線輻射透明的、例如用玻璃或塑料制成的球或輥來(lái)聚焦到接觸面上。這種球可在所有的方向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以防止不必要的機(jī)械摩擦。這個(gè)可旋轉(zhuǎn)的球不斷對(duì)上工件施壓，并象一個(gè)透鏡那樣可把激光束精確地聚焦到接觸部位。在焊接一條線尤其是直線時(shí)，或在波紋狀的表面上焊接一條寬線(帶)時(shí)，一個(gè)輥可在表面上運(yùn)動(dòng)。其中，激光束本身可作為線在進(jìn)給方向或垂直于進(jìn)給方向聚焦。激光束的聚焦平面最好用一個(gè)集成在加工層中的透鏡系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)。
這個(gè)加工頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的有關(guān)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離以及加工頭的停止可由一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)精確控制。要求的夾緊力可通過(guò)可編程的機(jī)器人位置來(lái)確定。形狀的最小誤差可通過(guò)一個(gè)集成在加工頭中的彈簧體來(lái)補(bǔ)償。實(shí)際的壓力則通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)的扭矩測(cè)定來(lái)調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選方案，焊接方法通過(guò)兩個(gè)步驟這樣進(jìn)行在第一步驟中，用加工頭通過(guò)點(diǎn)焊把工件固定在一或多點(diǎn)上；緊接著在第二步驟中進(jìn)行完整連接的輪廓。這樣，就不需要實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難而又花錢的附加機(jī)械固定。第一步驟的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，特別是在薄材料時(shí)，在三維輪廓焊接過(guò)程中避免了由于工件材料變形而可能帶走要焊接的工件，這對(duì)焊接過(guò)程的精度而言，是不希望出現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的方法，在點(diǎn)焊之前，上工件可通過(guò)第二個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)定位。在這個(gè)方法中，加工頭的姿勢(shì)對(duì)焊接質(zhì)量極其重要。就機(jī)械施壓和準(zhǔn)確的能量傳遞的功能而言，加工頭必須始終與接觸平面保持垂直。這個(gè)空間姿勢(shì)可通過(guò)多軸的機(jī)器人系統(tǒng)精確地進(jìn)行編程。
本發(fā)明裝置包括上述加工頭，該加工頭具有把激光束聚焦到接觸面上的聚焦裝置和壓合工件用的施壓裝置。該加工頭最好具有一個(gè)空腔，一根光導(dǎo)纖維的一端可伸入該空腔中，以輸入激光束。在這個(gè)空腔中設(shè)置有光學(xué)裝置來(lái)形成并控制激光束。透明的球或輥裝在其下端而可旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)加工頭中，最好接入一個(gè)測(cè)溫裝置，例如一個(gè)高溫計(jì)。
所以本發(fā)明可在三維焊接時(shí)達(dá)到焊接質(zhì)量的可靠性，并同時(shí)對(duì)不同的焊接過(guò)程具有很高的靈活性，而不需要費(fèi)錢和費(fèi)時(shí)的夾具。
下面結(jié)合附圖的一些實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。


圖1通過(guò)加工頭和要加工的工件剖開的斷面圖；圖2具有附加測(cè)溫可能性的、相當(dāng)于圖1的另一種方案；圖3在焊接過(guò)程中用機(jī)器人和示出加工頭姿勢(shì)的三維焊接方法的原理圖；圖4一個(gè)在要焊接的工件上例如薄膜上的輥與一條線狀激光束在進(jìn)給方向(圖4A)和一條線狀激光束在垂直于進(jìn)給方向(圖4B)的原理配置以及一個(gè)波紋輪廓(圖4C)。
具體實(shí)施例方式
圖1表示具有一個(gè)圍成一個(gè)空腔16的機(jī)械卡筒5的加工頭15。在這個(gè)實(shí)施例中，空腔16沿機(jī)械卡筒5的縱向延伸。在機(jī)械卡筒5的上端，激光束14通過(guò)一根光導(dǎo)纖維1進(jìn)入該空腔中。在該空腔中，設(shè)置了一個(gè)會(huì)聚透鏡2。并在下端設(shè)置一個(gè)玻璃球3。玻璃球3支承在該機(jī)械卡筒中而可在所有方向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并在這個(gè)實(shí)施例中對(duì)激光束14透明的工件6的上表面施壓。通過(guò)會(huì)聚透鏡2和玻璃球3把激光束14聚焦到透明工件6和吸收工件7之間的聚焦部位12。機(jī)械卡筒5在上端支承在一個(gè)圓筒形的導(dǎo)向套13中，在該圓筒導(dǎo)向套朝工件6、7的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，便可通過(guò)彈簧4施加力。這樣就補(bǔ)償了機(jī)械誤差。原則上，也可在卡筒中為玻璃球3集成一個(gè)清潔裝置。這樣就可較長(zhǎng)時(shí)間地保證玻璃球3的光學(xué)功能。
由于只需要一個(gè)會(huì)聚透鏡2，所以這種加工頭可做得很小巧。通過(guò)會(huì)聚透鏡2的位置的變化即可實(shí)現(xiàn)聚焦平面的調(diào)節(jié)。如果玻璃球3上的輻射面明顯小于玻璃球3的直徑，則聚焦平面主要由會(huì)聚透鏡2的焦距來(lái)確定。
圖2表示具有一個(gè)附加溫度監(jiān)控裝置的加工頭15。在這種情況中，在空腔16內(nèi)設(shè)置有另一個(gè)會(huì)聚透鏡8。這個(gè)會(huì)聚透鏡被用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)直的光路，以便耦合別的光學(xué)元件。在會(huì)聚透鏡8后面的對(duì)準(zhǔn)的光通過(guò)會(huì)聚透鏡2聚焦到玻璃球3下面的聚焦部位12上。焊接部位的熱輻射通過(guò)位于準(zhǔn)直光路中的光部分經(jīng)分光器9偏轉(zhuǎn)并通過(guò)設(shè)置在機(jī)械卡筒下面的會(huì)聚透鏡10聚焦到高溫計(jì)11上。
圖3表示加工頭15具有兩個(gè)不同位置的三維焊接過(guò)程的原理圖，該加工頭在兩個(gè)結(jié)構(gòu)不同的、不是平整的工件6、7上沿一條焊縫17進(jìn)行導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，并在接觸部位通過(guò)玻璃球3把透明的工件6壓合到吸收2件7上。加工頭15的運(yùn)動(dòng)方向用箭頭表示，作用力的方向用F表示。從圖中加工頭15的兩個(gè)不同的位置可以清楚看出，加工頭15總是必須垂直到表面上，所以加工頭15的位置是一個(gè)不同于加工頭15’的位置。如前所述，加工頭15的導(dǎo)向是用一個(gè)相應(yīng)的機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行的。
圖4A表示一個(gè)對(duì)紅外線輻射可穿透的輥18，該輥可在箭頭方向內(nèi)在要焊接的材料19上運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)實(shí)施例中，激光束20呈線狀，并在聚光區(qū)相應(yīng)的長(zhǎng)度與輥18的曲率匹配。這樣就可沿圖3所示的波形輪廓產(chǎn)生一條窄焊縫21。在這里，激光束最好也與表面保持垂直。在圖4B中，束光束20旋轉(zhuǎn)了90°，所以產(chǎn)生一條相當(dāng)寬的焊縫22。在兩種情況中，上材料都沿一條垂直于進(jìn)給方向延伸的線即輥18的接觸線與材料19壓合。輥18也可用實(shí)心材料制成，或者也可呈管狀。激光束20按公知的方式方法形成一條具有一聚光線的幕狀激光束。根據(jù)此圖的配置組成一個(gè)如圖1或2所示的加工頭，且輥18相應(yīng)可旋轉(zhuǎn)地支承。
權(quán)利要求
1.塑料工件的連接方法，其中面向一個(gè)激光源的上工件由一種對(duì)激光不透明的材料制成，而下工件則由一種對(duì)激光束吸收的材料制成，這樣就可熔化這兩個(gè)工件的鄰接的接觸面，并隨即在冷卻時(shí)在壓力作用下出現(xiàn)相互連接，其特征為，激光束聚焦到要焊接的部位和工件的機(jī)械壓合同時(shí)都用一個(gè)激光頭(15)來(lái)進(jìn)行。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征為，工件在激光束(14)的聚焦部位(12)呈點(diǎn)狀或沿一條線壓合。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其特征為，接觸上工件的加工頭沿焊接輪廓運(yùn)動(dòng)。
4.按權(quán)利要求2或3的方法，其特征為，加工頭的聚焦平面由一個(gè)紅外線可穿透的施壓元件(3、18)最好是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的施壓元件和一個(gè)集成的透鏡系統(tǒng)(6、8)來(lái)確定，并由集成的透鏡系統(tǒng)(6、8)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
5.按權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)的方法，其特征為，在第一個(gè)步驟中，用加工頭(15)把工件局部定位在一個(gè)或多個(gè)確定的部位，緊接著在第二個(gè)步驟中，進(jìn)行完整連接的輪廓。
6.塑料工件的連接裝置，其中面向一個(gè)激光源的上工件由一種對(duì)激光束透明的材料制成，而下工件則由一種對(duì)激光束吸收的材料制成，這樣就可熔化這兩個(gè)工件的鄰接的接觸面，并隨即在冷卻時(shí)在壓力作用下出現(xiàn)相互連接，工件具有至少一個(gè)支承面，其特征為，加工頭(15)具有聚光裝置(2、8)來(lái)把激光束(14)聚焦到接觸面上，并具有施壓裝置(4)來(lái)壓合工件(6、7、19)。
7.按權(quán)利要求6的裝置，其特征為，加工頭(15)在面向工件(6、7、19)的一端上具有一個(gè)對(duì)激光束(14)透明的球(3)或輥(18)。
8.按權(quán)利要求7的裝置，其特征為，球(3)或輥(18)是可旋轉(zhuǎn)支承的。
9.按權(quán)利要求8的裝置，其特征為，加工頭(15)具有一個(gè)空腔(16)，一根光導(dǎo)纖維(1)的一端引入該空腔中，以便輸入激光束，在該空腔中，設(shè)置有光學(xué)裝置(2、8)來(lái)形成和控制激光束，并在其下端可旋轉(zhuǎn)地支承球(3)或輥(18)。
10.按權(quán)利要求9的裝置，其特征為，在空腔(16)中可接入一個(gè)測(cè)溫裝置(11)。
11.按權(quán)利要求6至9任一項(xiàng)的裝置，其特征為，加工頭(15)做成彈性的。
全文摘要
本發(fā)明涉及塑料工件的連接方法，其中，面向一個(gè)激光源的上工件用一種對(duì)激光束透明的材料制成，而下工件則用一種對(duì)激光束吸收的材料制成，這樣就可熔化這兩個(gè)工件的鄰接的接觸面，并隨即在冷卻時(shí)在壓力作用下實(shí)現(xiàn)相互連接。相應(yīng)的裝置包括一個(gè)加工頭，該加工頭具有把激光束聚焦到接觸面上的聚焦裝置和壓合工件用的施壓裝置。一個(gè)旋轉(zhuǎn)支承的玻璃球或輥特別適用作施壓裝置。本發(fā)明在焊接過(guò)程靈活的情況下達(dá)到了焊接質(zhì)量的可靠性，而不需要昂貴的夾具。
文檔編號(hào)B29C65/14GK1496817SQ0313266
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
發(fā)明者陳杰偉, A·尼德爾伯格, 露 申請(qǐng)人:萊斯特加工技術(shù)公司