DE10020820A1 - Laserstrahl-Schweißvorrichtung und Verfahren zum Laserstrahlschweißen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit einer Anpressvorrichtung (1) zur Fixierung der zu schweißenden Bauteile (3, 4), wobei die Anpressvorrichtung (1) ein Anpresselement (2) beinhaltet, das von einer Ruheposition in eine Anpressposition bewegbar ist, wobei das Anpresselement (2) elastisch verformbar ausgebildet ist und die Anpressvorrichtung (1) derart ausgelegt ist, dass in der Anpressposition eine Fixierung der zu schweißenden Bauteile (3, 4) durch eine aus einer Verformung des Anpresselementes (2) resultierende Kraft erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit einer Anpressvorrichtung zur Fixierung der zu schweißenden Bauteile, wobei die Anpressvorrichtung ein Anpresselement beinhaltet, dass von einer Ruhe­ position in eine Anpressposition bewegbar ist. Außerdem betrifft die Erfin­ dung ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen, wobei ein An­ presselement eine Anpressvorrichtung zur Fixierung der zu schweißenden Bauteile von einer Ruheposition in eine Anpressposition bewegt wird.

Solche Anordnungen oder Verfahren sind aus dem Stand der Technik bereits aus EP 0 687 519 A1 und aus US 4,847,467 bekannt. Hierbei wird jeweils ein massives Anpresselement auf die zu verschweißenden Bauteile aufgepresst, wodurch die Bauteile zusammengehalten und teilweise deformiert werden. Solche Anordnungen oder Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass es zu Schädigungen der zu verschweißenden Bauteile kommen kann, insbeson­ dere dann, wenn besonders empfindliche Bauteile verschweißt werden sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Anordnung und ein verbessertes Verfahren zum Laserstrahlschweißen bereit zu stellen, bei dem insbesondere Schädigungen von Bauteilen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9.

Bei der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Schweißvorrichtung ist das Anpress­ element elastisch verformbar ausgebildet und die Anpressvorrichtung derart ausgelegt, dass in der Anpressposition eine Fixierung der zu schweißenden Bauteile durch eine aus einer Verformung des Anpresselementes resultieren­ de Kraft erfolgt. Es wird somit nicht mehr, wie im Stand der Technik, ein starres, massives Anpresselement vorgesehen, welches die hauptsächliche Ursa­ che für Schädigungen der Bauteile ist. Durch die Flexibilität des Anpressele­ mentes, die sich aus seiner elastischen Verformbarkeit ergibt, kann eine möglichst materialschonende Fixierung der Bauteile erreicht werden.

Das Anpresselement kann grundsätzlich in jeder möglichen Art an der An­ pressvorrichtung angeordnet sein, um eine Fixierung der zu verschweißenden Bauteile relativ zur Laserstrahl-Schweißvorrichtung zu garantieren. Bevorzugt ist jedoch das Anpresselement möglichst nahe am Strahlengang des Laser­ strahls angeordnet, idealerweise direkt im Strahlengang des Laserstrahls. Im letzteren Fall weist das Anpresselement eine Öffnung auf, die so ausgebildet ist, dass ein Durchtreten des Laserstrahls durch das Anpresselement in Rich­ tung der zu schweißenden Bauteile zumindest in der Anpressposition möglich ist. Aufgrund der Flexibilität des Anpresselements muss somit die Öffnung nicht in jeder Position, das heißt zum Beispiel nicht unbedingt auch in der Ru­ heposition im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein. Es ist lediglich erforderlich, dass die Öffnung nach dem Anpressen der Bauteile, das heißt, nach der Verformung des Anpresselements, im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist. Eine Anordnung des Anpresselements im Strahlengang des Laserstrahls ist besonders vorteilhaft, da damit eine Fixierung der zu schwei­ ßenden Bauteile direkt im Bereich der Schweißstelle erfolgen kann.

Das elastisch verformbare Anpresselement kann aus jedem geeigneten Mate­ rial geformt sein, dass eine genügende Flexibilität aufweist. Es sind hierbei beispielsweise entsprechende Kunststoffmaterialien denkbar. Allerdings sind die beim Schweißvorgang gegebenen Randbedingungen, insbesondere an die Temperaturbeständigkeit des Anpresselements, zu beachten. Bevorzugt ist somit das Anpresselement als Federelement aus Metall, beispielsweise als geformter Metallstreifen, ausgebildet. Ein solcher Metallstreifen ist zumindest an einem Ende mit der Anpressvorrichtung zu verbinden. Um eine ausrei­ chende elastische Verformbarkeit bzw. Federwirkung aufzuweisen, kann der Metallstreifen gebogen vorgeformt sein oder durch die Montage an die An­ pressvorrichtung gebogen werden. So kann der Metallstreifen beispielsweise entweder halbkreisförmig vorgebogen sein oder ein gerader Metallstreifen unter Durchbiegung an beiden Enden an der Anpressvorrichtung befestigt werden.

Für das Anpresselement sollte in jedem Fall ein Material gewählt werden, bei dem möglichst kein Anhaften auf den zu verschweißenden Bauteilen auftritt. Ist das Anpresselement beispielsweise als Federelement aus Metall ausgebil­ det, so wird bevorzugt als Material für das Anpresselement Wolfram oder Fe­ derbandstahl gewählt.

Zu einer möglichst exakten Überwachung des Schweißvorganges kann ein Pyrometer vorgesehen sein, dass zur Erfassung der von der Schweißstelle emittierten Wärmestrahlung dient. Das Pyrometer ist folglich so anzuordnen, dass die von der Schweißstelle emittierte Wärmestrahlung das Pyrometer di­ rekt oder durch entsprechende Umlenkeinrichtungen erreicht. Es kann bei­ spielsweise hierzu vorgesehen sein, dass ein dichroitischer Strahlteiler im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist, der so ausgebildet ist, dass die von der Schweißstelle emittierte Wärmestrahlung durch den Strahlteiler zu dem Pyrometer gelenkt wird. Somit kann einerseits die bereits vorhandene Optik zur Fokussierung des Laserstrahls auch für die Erfassung der Wärme­ strahlung genutzt werden und das Pyrometer muss nicht in direkter Sichtlinie zur Schweißstelle angeordnet werden, sondern kann an geeigneter Stelle an der Laserstrahl-Schweißvorrichtung angebracht werden.

Als Laserstrahlquelle ist bevorzugt ein Hochleistungs-Diodenlaser vorgese­ hen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bau­ teilen ist vorgesehen, dass

• - ein elastisch verformbares Anpresselement so mit der Anpressvorrich­ tung verbunden wird, dass es im Strahlengang des Laserstrahls ange­ ordnet ist,
• - das Anpresselement in die Anpressposition gebracht wird und unter ei­ nem definierten Anpressdruck in der Anpressposition gehalten wird,
• - mit Hilfe des Laserstrahls eine Öffnung in das Anpresselement einge­ bracht wird und
• - beim Schweißvorgang das Anpresselement mit demselben definierten Anpressdruck zur Fixierung der Bauelemente in der Anpressposition gehalten wird.

Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird auf besonders einfache Wei­ se eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit einem flexiblen Anpresselement bereitgestellt und ein Laserstrahlschweißen von Bauteilen durchgeführt, wo­ bei einerseits durch die elastische Verformbarkeit des Anpresselements eine Schädigung der Bauteile vermieden wird und andererseits eine aufwendige Justierung der Vorrichtung dadurch entbehrlich wird, dass die Öffnung im An­ presselement selbstjustiert unter den in der Anpressposition gegebenen Be­ dingungen eingebracht wird. Es ist damit sichergestellt, dass sich die Öffnung in der Anpressposition automatisch im Strahlengang des Laserstrahls befin­ det.

Um außerdem während des Schweißvorgangs eine möglichst exakte Einstel­ lung der Schweißparameter durchführen zu können, um beispielsweise die Schweißtemperatur möglichst exakt einstellen und konstant halten zu kön­ nen, kann vorgesehen werden,

• - dass während des Schweißvorgangs eine Erfassung der Wärmestrahlung der Schweißstelle erfolgt und
• - in Abhängigkeit davon eine Regelung der Leistung des Laserstrahls er­ folgt.

Eine solche Erfassung der Wärmestrahlung kann beispielsweise mit Hilfe ei­ nes Pyrometers erfolgen, wie bereits vorstehend ausgeführt wurde.

Besonders vorteilhaft kann die Erfassung der Wärmestrahlung koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls erfolgen. Wie bereits ausgeführt, kann hierfür die zur Fokussierung des Laserstrahls dienende Optik entsprechend ausge­ nutzt werden.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfol­ gend anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematischer Aufbau der Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit An­ pressvorrichtung.

Fig. 2 selbstjustiertes Einbringen der Öffnung in das Anpresselement,

Fig. 3 schematische Darstellung der Verfahrensschritte beim Laserstrahl­ schweißen von Bauteilen,

Fig. 4 schematische Darstellung der Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit Pyrometer.

Zum Laserstrahlschweißen im Überlappstoß, wie beispielsweise zum Schwei­ ßen dünner Metallfolien 3 mit einer Dicke im µm-Bereich, insbesondere mit einer Dicke kleiner 50 µm, auf eine weitere Metallfolie 4 oder auf ein Substrat 4 mit einer Metallisierung 5 wird das Laserstrahl-Wärmeleitungsschweißen angewendet. Als Strahlquelle 13 dient ein Hochleistungs-Diodenlaser, der La­ serstrahlung mit einer Wellenlänge von λ = 790 nm bis 890 nm emittiert.

Zur Erzeugung eines guten thermischen Kontakts zwischen den Bauteilen 3, 4 wird die Metallfolie 3 mittels eines speziellen Anpresselements oder Nieder­ halters 2 während des Schweißprozesses auf das darunterliegende Bauteil 4 gedrückt. Dieses kann noch auf einem Träger 9 fixiert sein. Der Niederhalter 2 besteht im wesentlichen aus einem elastisch verformbaren Metallstreifen, der Teil einer Anpressvorrichtung 1 ist. Diese kann direkt an der Fokussierop­ tik 8 oder dem Gehäuse 7 des Diodenlasers 13 befestigt sein. Der Metallstrei­ fen 2 wird dazu halbkreisförmig gebogen oder ist bereits halbkreisförmig ge­ bogen ausgeformt und, wie in Fig. 1 dargestellt, an einer an der Fokussierop­ tik 8 befindlichen Anpressvorrichtung 1 seitlich fixiert. Der Niederhalter 2 be­ findet sich somit im Strahlengang des Laserstrahls 10.

Zur Vorbereitung des Niederhalters 2 für den Schweißprozess wird mit dem Diodenlaser 7 eine Bohrung 6, beispielsweise durch einzelne Laserpulse, in den Metallstreifen 2 eingebracht, durch welche beim späteren Schweißen der Bauteile 3, 4 die Laserstrahlung auf das obere Bauteil 3 trifft. Bei der Erzeu­ gung der Bohrung 6 im Niederhalter 2 wird dieser, wie in Fig. 2 dargestellt, aus einer Ruheposition a) in eine Anpressposition b) bewegt und dabei auf eine ebene Platte 14 aufgesetzt, bis der Niederhalter 2 durch elastische Ver­ formung die gleiche Form annimmt, wie sie auch beim eigentlichen Schweiß­ prozess erreicht wird. Der Niederhalter 2 wird also von einer Ruheform 15 in eine elastisch verformte Form 16 gebracht. Durch den Laserstrahl 10 wird dann die Bohrung b im Niederhalter eingebracht. Die so erzeugte Bohrung 6 hat z. B. einen Durchmesser im Bereich von zehntel Millimeter.

Durch ein derartiges Einbringen der Bohrung b in den Niederhalter 2 ist si­ chergestellt, dass die Lage und die Form der Bohrung 6 exakt mit der Lage und Form der Strahlkaustik des verwendeten Diodenlasers 13 übereinstimmt. Dadurch wird garantiert, dass während des gesamten Schweißprozesses ein guter thermischer Kontakt der Bauteile 3, 4 gegeben ist. Eine Justierung des Niederhalters 2 relativ zum Laserstrahl 10 ist somit nicht erforderlich.

Als Werkstoff für den Niederhalter 2 wird ein Metall verwendet, bei dem kein Anhaften der zu verschweißenden Bauteile wie z. B. der Metallfolie 3 mit dem Niederhalter 2 auftritt. Geeignete Werkstoffe sind z. B. Wolfram oder Feder­ bandstahl.

Die Bauteile 3, 4 werden vor dem Verschweißen in ihre endgültige Position gebracht, wie in Fig. 3 dargestellt. Sie können dabei auf einem Träger 9 an­ geordnet werden. Die gesamte Anordnung und damit der Diodenlaser 13 und die Anpressvorrichtung 1 mit dem Niederhalter 2 werden aus einer Ruheposi­ tion a) in eine Anpressposition b) auf die Bauteile 3, 4 abgesenkt, bis der Nie­ derhalter 2 die oben liegende Metallfolie 3 berührt und durch das weitere Ab­ senken Anordnung mit der Anpressvorrichtung 1 elastisch verformt wird. Ty­ pische Verfahrgeschwindigkeiten beim Absenken der Anordnung liegen im Bereich von einigen mm/s bis einigen hundert mm/s.

Durch die elastische Deformation des Niederhalters 2 wird der für den Schweißprozess erforderliche Anpressdruck aufgebracht. Die Wahl des Radi­ us sowie die Breite und Dicke des Metallstreifens für den Niederhalter 2 bestimmen bei gewünschtem Abstand der Fokussieroptik 8 zur Oberfläche der Metallfolie 3 den gewünschten Anpressdruck. Beispielsweise werden Me­ tallstreifen mit einer Dicke von einigen zehntel Millimetern und einer Breite von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern verwendet. Der Radius des montierten Niederhalters 2 liegt dann bevorzugt im Bereich von einigen Zen­ timetern.

Die Geometrie des Niederhalter-Metallstreifens und die Tatsache, dass die Bohrung 6 im Niederhalter 2 exakt mit der Lage und Form der Kaustik des Laserstrahls 10 übereinstimmt, ermöglichen bereits bei einer Anpresskraft von wenigen Newton einen optimalen thermischen Kontakt der Bauteile 3, 4.

Nach dem Anpressen der Metallfolie 3 auf das darunterliegende Bauteil 4 werden diese durch einen Laserpuls verschweißt. Der Laserstrahl 10 trifft da­ bei durch die Bohrung 6 im Niederhalter 2 auf das obere Bauteil 3 und schmilzt dieses auf. Durch Wärmeleitung wird das darunterliegende Bauteil, z. B. eine Metallfolie 4 bzw. eine Metallisierung 5 eines Substrats 4 ebenfalls aufgeschmolzen. Die Schmelzen vermischen sich, und es kommt zu einer dauerhaften Verschweißung. Die Prozessparameter Laserleistung, Fokuslage und Pulsdauer werden so eingestellt, dass bei einer optimalen Verschweißung eine Schädigung der Bauteile vermieden wird. Typische Prozesszeiten für das Verschweißen von Silberfolie mit einer Dicke im µm-Bereich auf Si-Substrat mit einer Metallisierungsdicke ebenfalls im µm-Bereich liegen im Bereich von zehntel Millisekunden bei einer Laserleistung in Bereich von bis zu 100 W. Nach dem Laserpuls wird die Anordnung mit dem Diodenlaser 13 und dem Niederhalter 2 vom Werkstück 3, 4 zurück in die Ruheposition c) abgehoben, und die Anordnung wird über die nächste Schweißstelle verfahren.

In bestimmten Fällen, wie z. B. bei starken Schwankungen der Absorption der Laserstrahlung, ist die Implementierung einer Temperaturregelung erforder­ lich. Diese Temperaturregelung wird dadurch realisiert, dass mittels eines Py­ rometers 11 die von der Schweißstelle emittierte Wärmestrahlung erfasst wird (Fig. 4). Das Pyrometersignal dient während des Schweißprozesses dazu, die Laserleistung so zu regeln, dass ein gewünschter Temperaturverlauf über die Prozessdauer erreicht wird.

Das eingesetzte Pyrometer 11 arbeitet bevorzugt in einem Spektralbereich von Wellenlängen im µm-Bereich und besitzt bevorzugt einen Messbereich bis etwa 1500°C. Da die Bohrung 6 im Niederhalter 2, durch welche die Wärme­ strahlung von der Schweißstelle nach oben emittiert wird, einen sehr geringen Durchmesser besitzt, kann Wärmestrahlung direkt von der Schweißstelle nur in einem geringen Raumwinkel erfasst werden. Deshalb wird die Wärme­ strahlung koaxial zur Laserstrahlung 10 aufgenommen. Dazu ist in den Strahlengang des Diodenlaser 13 ein dichroitischer Strahlteiler 12 integriert, der die von der Schweißstelle emittierte und durch die Fokussieroptik 8 des Diodenlasers 13 kollimierte Wärmestrahlung um 90° in das Pyrometer 11 umlenkt.

Claims (11)

1. Laserstrahl-Schweißvorrichtung mit einer Anpressvorrichtung (1) zur Fixie­ rung der zu schweißenden Bauteile (3, 4), wobei die Anpressvorrichtung (1) ein Anpresselement (2) beinhaltet, das von einer Ruheposition in eine An­ pressposition bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpress­ element (2) elastisch verformbar ausgebildet ist und die Anpressvorrichtung (1) derart ausgelegt ist, dass in der Anpressposition eine Fixierung der zu schweißenden Bauteile (3, 4) durch eine aus einer Verformung des Anpress­ elementes (2) resultierende Kraft erfolgt.

2. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass das Anpresselement (2) im Strahlengang des Laserstrahls (10) an­ geordnet ist, und eine Öffnung (6) aufweist, die so ausgebildet ist, dass ein Durchtreten des Laserstrahls (10) durch das Anpresselement (2) in Richtung der zu schweißenden Bauteile (3, 4) zumindest in der Anpressposition mög­ lich ist.

3. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Anpresselement (2) aus flexiblem Kunststoff oder als Federelement aus Metall, insbesondere als geformter Metallstreifen, ausge­ bildet ist, der zumindest an einem Ende mit der Anpressvorrichtung (1) ver­ bunden ist.

4. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Metallstreifen (2) halbkreisförmig gebogen ausgebildet ist und an beiden Enden mit der Anpressvorrichtung (1) verbunden ist.

5. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstreifen (2) aus Wolfram oder Federband­ stahl besteht.

6. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pyrometer (11) zur Erfassung der von der Schweißstelle emittierten Wärmestrahlung vorgesehen ist.

7. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, dass ein dichroitischer Strahlteiler (12) im Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordnet ist, der so ausgebildet ist, dass die von der Schweißstelle emittierte Wärmestrahlung durch den Strahlteiler (12) zu dem Pyrometer (11) gelenkt wird.

8. Laserstrahl-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserstrahlquelle (13) ein Hochleistungs- Diodenlaser vorgesehen ist.

9. Verfähren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen, wobei ein Anpress­ element (2) einer Anpressvorrichtung zur Fixierung der zu schweißenden Bau­ teile (3, 4) von einer Ruheposition in eine Anpressposition bewegt wird, da­ durch gekennzeichnet, dass
ein elastisch verformbares Anpresselement (2) so mit der Anpressvor­ richtung (1) verbunden wird, dass es im Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordnet ist,
das Anpresselement (2) in die Anpressposition gebracht wird und unter einem definierten Anpressdruck in der Anpressposition gehalten wird, mit Hilfe des Laserstrahls (10) eine Öffnung (6) in das Anpresselement (2) eingebracht wird und
beim Schweißvorgang das Anpresselement (2) mit demselben definier­ ten Anpressdruck zur Fixierung der Bauelemente (3, 4) in der Anpress­ position gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wäh­ rend des Schweißvorgangs eine Erfassung der Wärmestrahlung der Schweiß­ stelle erfolgt und in Abhängigkeit davon eine Regelung der Leistung des La­ serstrahls (10) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Wärmestrahlung koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls (10) erfolgt.