[发明专利]用于实施和监控塑料激光透射焊接工艺的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于实施和监控塑料激光透射焊接工艺的装置和方法，分别具有如在权利要求1或11前序部分中所述的技术特征。

背景技术

塑料激光透射焊接技术在多篇文献中已有所公开，例如EP 1 575 756B1或者DE 10 2004 036 576 B4。

通常说来，激光工艺光束的透射性的接合元件被放置在吸收所述光束的接合元件上。当位于该两个接合元件之间的相应的接合区域被暴露至穿过透射性的接合元件而发射的光束中时，会在吸收性的接合元件中产生熔池。由于与透射性的接合元件的接触，相应量的热能会被传送至透射性的接合元件中，导致透射性的接合元件也在焊接区域中熔融，其结果导致相应的材料混合发生在两个接合元件之间。当材料已被冷却时，焊缝形成在两个接合元件之间，该焊缝在横向于焊缝方向的方向上具有结块状轮廓。由于两个接合元件以及焊缝区域中的混合材料的不同的折射能力，因此在接合元件中结块状轮廓相对于其周围区域的界面是能够反射光束的光学活性界面。

根据DE 101 21 923 C2，通过激光照射的方式来制造和监控焊缝的方法利用了下述特征：将该文献中称为控制光束的光束发射至包括焊缝的测量区域中，并且将通过界面反射后的测量光束传送至用于检测的检测单元。

在焊缝上实施的该现有的监控方法仅允许确定由焊缝内的缺陷所导致的、检测到的被反射测量光束内的扰动，这被认为会引起反应。这种类型的反应可能导致确定为有缺陷的工件被拒收。该监控方法中没有提供对于焊缝的更细致的说明。

发明内容

基于这些现有技术的方法，本发明的目的在于提供用于实施和监控塑料激光投射焊接方法的装置和方法，其允许接合元件内在焊缝与其周围区域之间的界面的检测被极为明显地改善。

该目的通过装置权利要求1的特征部分所述的涉及装置的方面以及方法权利要求11的特征部分所述的步骤方面而实现。据此，装置和方法构造成使得由检测单元所检测到的被反射的测量光束被传送至相应的评价单元，从而通过检测到的被反射的测量光束来确定接合元件内的界面的深度位置。这就允许更加精确的焊接工艺检查，因为利用界面的深度位置不仅能够确定两个接合元件之间的接合区域内的焊缝的绝对深度位置，而且能够确定两个接合元件之间是否存在足够的焊缝横截表面或者是否存在焊缝本身。

在下文中称为“焊接深度监控”的用于确定界面深度位置的光学技术过程可以通过不同的装置和方法而实现。例如在权利要求2或12中，提出使用点光源来产生测量光束，该测量光束能在测量区域上通过设置在测量光束的光路内的聚焦光学系统可变地聚焦。光检测装置被用作为检测单元以检测取决于焦点相对于界面的位置的、被反射的测量光束的强度。如果焦点位于界面内，则反射强度高。因此，聚焦光学系统的位置和被反射的测量光束的强度之间的相关性使得能够确定界面的深度位置。

根据分别在权利要求4至7或13中所描述的用于确定深度位置的另一种替换实施方式，可以使用彩色共焦测量系统。据此，测量光束源为多色点光源，其通过设置在测量光束的光路内的聚焦光学系统以按距离编码的方式聚焦在测量区域上，并根据各自的波长聚焦至数个部分测量光束内。用作检测单元的光谱敏感光检测装置检测取决于焦点相对于界面的位置的、被反射的具有最高强度的局部测量光束，从而确定界面的深度位置。部分测量光束的按距离编码可以使用距离编码透镜、特别是构造为菲涅耳透镜来实施。在根据权利要求6的优选实施方式中，光谱敏感光检测装置还可以通过分光计／光谱仪来形成，该分光计包括在其前方设置的孔。

根据权利要求7的优选实施方式，为了简化对于工艺和测量光束的光束引导，分别提供光学波导以将测量光束引导至聚焦光学系统和将被反射的测量光束引导至检测单元，这些光学波导随后通过光纤耦合器而被结合，从而在聚焦光学系统和测量区域内形成一公共光路。

用于焊接深度监控的光学系统的另一种替换实施方式分别在权利要求8或14中表征。据此，采用了测量光束源和检测单元的三角测量布置，该布置自身是已知的。据此，测量光束通过被发射至焊接区域内的三角测量激光束而产生，其中，根据界面的深度位置而被反射的测量光束由图像传感器形式的检测单元进行检测。其结果被用于根据激光三角测量原理来确定界面的深度位置。