用于塑料焊接的波导、装置和利用波导的焊接方法及波导的制造方法与流程

本发明涉及一种用于塑料焊接(特别是用于激光透射焊接)的弯曲且单侧敞开的波导、包括该波导的用于塑料焊接的装置、使用具有该波导的装置进行塑料焊接的方法以及该波导的制造方法。

背景技术：

1、一般地，已知多种类型的用于塑料焊接的激光用波导。通常，在激光源的激光进入待焊接的部件之前，塑料焊接装置的最后一个元件设为波导。波导具有尤其使激光分布均匀化的目的，使得激光的能量尽可能均匀地进入待焊接的部件并且避免多个单个的焦点。

2、为此，区分了两种类型的波导，即正波导和负波导。正波导包括根据全内反射定律来引导内部的激光的实心体。de 102004058221a1中描述了这种正波导的一个示例。负波导具有通道的空腔的特征，该空腔覆盖有反射层且激光在其中引导。de112007002109t5中描述了这种负波导的一个示例。此处所描述的负波导具有产生非圆形焊接区的非圆锥形纵向截面。此外，具有圆锥形纵向截面的负波导也是已知的。

3、对于波导，其通常是在待相互焊接的部件之前焊接装置的最后一个元件，因此期望由波导引起的能量损失保持尽可能小。

4、在这方面，ep 3533589 a1还描述了一种用于塑料焊接的波导、用于塑料焊接的装置、焊接方法以及波导的制造方法。这里，用于塑料焊接的波导包括限定激光的入射面的入射端、限定激光的出射面的出射端以及布置在入射端和出射端之间的第一内表面和第二内表面，这两个内表面彼此相对布置并且通过它们可以反射激光。入射端和出射端之间的第一距离限定波导的长度，且第一内表面和第二内表面之间的第二距离限定波导的厚度。在第一实施例中，出射端与入射端相对布置，并且波导的中心平面从入射端居中地延伸到出射端。第一内表面包括连续弯曲的凹形形状，使得第一内表面和波导的中心平面之间的第三距离从入射端向出射端的方向连续变化。在替代的实施例中，第一内表面包括连续弯曲的凹形形状，该连续弯曲的凹形形状是第一螺线、尤其是第一自然螺线的一部分，使得第一螺线的半径从第一螺线的原点到第一内表面沿着波导连续变化。

5、因此，本发明的一个问题是提供一种在制造工艺以及成本方面优化的波导。同时，与已知波导相比，本波导的效率应保持不变。

技术实现思路

1、上述目的通过根据独立权利要求1的用于塑料焊接的弯曲且单侧敞开的波导、根据独立权利要求5的用于塑料焊接的装置、根据独立权利要求7的用于塑料焊接的方法以及根据独立权利要求8的波导的制造方法来实现。进一步的优选实施例和拓展源于以下描述、附图以及所附权利要求。

2、本发明的用于塑料焊接、特别是用于激光透射焊接的弯曲且单侧敞开的波导，包括具有反射面的第一反射元件，该第一反射元件能够反射激光，其中该反射面限定一接收端和一输出端，在所述接收端处可接收来自激光源、特别是光导或多个光导的激光，在该输出端处激光可被引导到激光透射工件中，并且所述反射面由接收端和输出端之间的曲线限定，使得第一反射元件的反射面在横截面中观察时具有连续弯曲的凹形形状，并且第一反射元件不与第二反射元件相对，使得波导在垂直于反射面的方向上是敞开的。

3、下面描述了作为在塑料焊接的装置中、尤其是在用于激光透射焊接的装置中使用的一部分的本发明的波导。激光透射焊接是一种一步式工艺，其中待焊接部件的加热和接合过程几乎同时发生。对于这一过程，待焊接的部件之一必须在激光波长范围内具有高的透射率或透射度，而另一个部件必须具有高的吸收率或吸收性。在焊接过程之前，将两个部件定位在所需的最终位置并施加接合压力。激光束辐射或照射穿过透明或透射部件，不会产生大量的热量。首先，在吸收部件中，激光束在近层的表面被吸收，其中激光能量被转换为热能，且吸收部件在这些地方被熔化。由于热传导过程，透射部件也在接合区域被塑化。借助于从外部施加的接合力以及塑料熔化膨胀产生的内部接合压力，两个部件实现粘合连接。这里，特别优选的是使用本发明的波导作为同步激光透射焊接的一部分，该同步激光焊接随后也称为同步焊接。

4、在同步焊接时，优选地，同时照射待相互焊接的部件的整个焊接轮廓或接缝轮廓。这可以大大缩短加工时间，并且可以通过熔化来桥接间隙。此外，与沿着焊缝引导激光束的轮廓焊接相比，同步焊接的交互时间更长，因此焊缝更牢固。

5、在用于塑料焊接、尤其是激光透射焊接的相应装置的操作期间，激光从激光源射出，穿过通常为柔性的光导或柔性的光导束，该柔性的光导或柔性的光导束背离激光源的一端与波导、特别是波导的接收端偶联。激光从光导或光导束中射出并进入波导，即在第一反射元件的反射面上反射，从而被均匀化，并且此后照射到待焊接的部件上。因此，在激光进入透射部件之前，波导形成了激光路径上的最后一部分。

6、关于波导的设计，正如一开始所概述的，正波导的标志是实心体，其中发生全内反射，而负波导的标志是空腔，激光通过该空腔被引导。因此，负波导具有类似通道的设计或构造。

7、在本示例中，且由于波导在一侧(即，在垂直于第一反射元件的反射面的方向上)是敞开的，因此没有第二反射元件的对立，也就不存在通道状设计或构造。在这方面，并且出于安全原因，该装置必须由外壳封闭，使得在使用中激光至少不能离开外壳或封闭装置。这样，可以防止使用该装置的工人在使用该装置时受到激光的伤害。因此，本发明的波导不代表正波导，因为激光不穿过实心体，但由于缺少与第一反射元件相对的第二反射元件或表面，本发明的波导也不代表狭义上的负波导。

8、关于本发明的波导，输出端优选地与待焊接部件所需的焊缝轮廓相适应。例如，在两个纵向部件相互焊接的情况下，波导具有与激光穿过波导的方向垂直的纵向形状。波导在该方向上的延伸也被定义为宽度。因此，波导在激光穿过波导的方向上(即从接收端到输出端)的延伸被定义为长度。优选地该长度沿着反射面测量。根据另一示例并且在两个环形部件必须相互焊接的情况下，输出端也是环形的。

9、根据本发明，反射面具有连续弯曲的凹形形状。因此，在第一反射元件的横截面上，反射面向内侧弯曲。由于反射面的这种设计或形状，波导的接收端和输出端之间形成一个角度。因此，波导的接收端尤其不与输出端相对布置。决定性的一点是反射面具有连续弯曲的凹形形状。

10、在优选实施例中，本发明的波导是波导部分的一部分或波导的整体部分。例如，在接收端之前和/或输出端之后，存在有公共直线负波导。在这种情况下，接收端从反射面开始呈凹形形状的地方开始。相应地，输出端位于反射面以凹形形状结束的位置处。

11、就上述而言并且换句话说，本发明的波导相对于具有通道状空腔的负波导而言，代表不具有与第一反射元件的反射面垂直的相对反射面的部分波导。这种设计的优点是减少了部件数量，从而提高了成本效率，因为在所用材料、所需制造工艺(包括反射层或镀金的应用以及波导的组装)方面节省了资金。此外，波导的清洁也变得更加容易。不过，作为一个缺点，出于安全原因，使用本发明的波导的装置必须布置在相应的壳体中，以免工作在焊接期间受到激光的伤害。

12、该构造的具体优点在于，与已知的波导相比，通过本发明的波导，激光可以在输出端至少以相同的功率进行聚集。此外，通过本发明的波导，可以在焊缝处实现均匀的功率密度分布。这样，可以补偿波导和待焊接的部件之间的较大公差，这增加了使用本发明的波导的装置的使用便捷性。

13、根据波导的优选实施例，曲线选自以下之一：圆、抛物线、指数函数曲线或螺线。因此，弯曲的凹形形状可以是圆、抛物线、指数函数曲线或螺线的一部分。因此，波导可以以非常有效的方式适应所需的应用。

14、此外，由于使用上述曲线之一的一部分或区段，减少了激光束与波导的反射面之间的相互作用，尤其是与直线波导相比。

15、现在参考优选实施例，根据该优选实施例，曲线是螺线的一部分，还需注意以下几点。螺线作为二维图形的定义是，螺线的半径从其原点开始连续变化。例如，这就使螺线区别于半径始终恒定的圆。螺线的半径由于反射面的设计而从其原点到沿着波导的反射面连续地变化或改变，这将在稍后的优选实施例的详细描述中说明。

16、在波导的一优选实施例中，螺线的半径从第一螺线的原点到反射表面沿着波导从接收端到输出端连续地增加或减小。这样，波导的反射面就能获得适合于各自应用情况的曲率。

17、特别优选地，作为螺线的一部分的连续弯曲的凹形形状，可选自以下螺线类型之一：双曲螺线、阿基米德螺线、对数螺线或基于斐波那契数列的螺线。斐波那契数列是具有f1＝f2＝1，且fn+2＝fn+fn+1的(fn)n∈n数列。基于斐波那契数列的螺线是对数螺线的子集。通过这种构造，激光可以以极低的损耗由波导引导，特别是引导至待焊接部件的凹痕(undercuts)处。

18、将与从原点o开始的所有光束以相同角度α相交的曲线定义为对数螺线。在对数螺线的情况下并且如果存在螺线的子部分，则当角度α已知时，可以确定原点。由于螺线是二维图形，因此这里必须在横截面中来观察波导。在这种情况下，直线的方向矢量从反射面沿法线或垂直于反射面的方向延伸。

19、在波导的另一优选实施例中，接收端和输出端之间围成在30°至150°范围内的角度。根据各自应用情况的所需角度，例如由于待焊接的部件上存在凹痕，以及可用的安装空间，可以选择所需的曲线来实现反射面的凹形形状。

20、在波导的另一优选实施例中，曲线具有在6.0mm和14.0mm之间、优选在6.0mm和10.0mm之间并且特别优选为8.0mm的曲率半径。特别地，通过这些曲率半径范围，波导的效率可适应于所需的应用，即，待相互焊接的部件。

21、本发明的用于塑料焊接、特别是用于激光透射焊接的装置，包括激光源、光导(优选地多个光导)以及本发明的波导，其中，在该装置的操作中，激光从激光源穿过光导，并且随后在波导的反射元件的反射面处被反射至少一次。由于本发明的装置使用本发明的波导，因此关于其技术效果和优点请参考以上的说明，以避免重复。

22、在该装置的优选实施例中，光导与反射面的接收端之间的角度在7°至14°的范围内，优选地在8°至12°的范围内，并特别优选地约为10°。我们已经发现，特别地，在该角度范围，从光导出来的激光在波导的反射面处实现了有效的反射。因此，可以进一步改进两个部件的相互焊接。

23、本发明的用于塑料焊接、特别是用于激光透射焊接的方法，采用本发明的装置，该方法包括以下步骤：将两个待相互焊接的塑料部件布置在安装设备中，通过激光源产生激光，其中激光穿过光导(优选地多个光导)，随后在本发明的波导的第一反射元件的反射面处被反射至少一次，并通过由本发明的波导反射的激光将待相互焊接的塑料部件焊接。通过本发明的方法，两个塑料部件相互焊接。由于用于塑料焊接的方法使用本发明的装置，并因此使用本发明的波导，因此，关于其技术效果和优点请再次参考以上的说明。因此避免了相应的冗余。

24、本发明的波导的本发明的制造方法包括以下步骤：提供第一元件，该第一元件具有由接收端和输出端之间的曲线限定的表面，接收端在使用时接收来自激光源(特别是光导或多个光导的激光)的激光，输出端在使用时将激光导入至激光透射工件中，使得第一元件的表面在横截面中观察时具有连续弯曲的凹形形状，并在具有连续弯曲的凹形形状的表面上涂覆反射层，从而形成反射面，以及从而形成第一反射元件。该方法用于制造本发明的波导。关于本发明波导的技术效果以及各自的优点，请参见上述说明，避免重复。