DE10151828A1

DE10151828A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten

Info

Publication number: DE10151828A1
Application number: DE10151828A
Authority: DE
Inventors: Matthias Negendanck; Juergen Schwab; Peter Kugler
Original assignee: ERLAS ERLANGER LASERTECHNIK GM
Current assignee: ERLAS ERLANGER LASERTECHNIK GM
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2001-10-20
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-21
Also published as: DE10151828B4; WO2003035318A1; EP1439931A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten, beschrieben. Beim Laserstrahllöten ist die relative Lage von Laserfokus, Draht und Fuge zueinander entscheidend für ein qualitativ hochwertiges Lötergebnis. Bei bekannten Bearbeitungsköpfen wird diese Relativlage durch eine Mechanik an der Drahtzuführung und/oder durch adaptive Strahlnachführung erreicht. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist eine Bewegungsvorrichtung, die es erlaubt, den Laserfokus unabhängig vom Bearbeitungskopf und somit auch von der Lage des Drahts (1) und der Bearbeitungsbahn zu positionieren. DOLLAR A Dies wird durch Linearverschiebeeinrichtungen (13) und (14) erreicht, die die Fokussierlinse (5) und damit simultan den Laserfokus relativ zum Bearbeitungskopf bewegen. Die Vorrichtung erlaubt eine sehr genaue Justage der Relativlage zwischen Draht (1) und Laserfokus oder kann mit motorischen Antrieben an den Linearverschiebeeinrichtungen (13) und (14) in einem Stell- oder Regelkreis eingesetzt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten gemäß Patentanspruch 16.

Das Laserstrahlhartlöten ist z. B. in der Offenlegungsschrift DE 197 50 586 A1 beschrieben. Bei dem Laserstrahlhartlöten handelt es sich um ein Fügeverfahren, das als Verbindungstechnik beispielsweise im Karosseriebau zum Verbinden von zwei Blechen eingesetzt wird, um im Sichtbereich überlackierbare Nähte zu erzeugen. Der Laserstrahl dient hierbei als Wärmequelle und erhitzt gleichzeitig die beiden Bindepartner und den zugeführten Lotwerkstoff. Durch das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs und das Fliessen der Schmelze in die Fuge werden eine stoffschlüssige Verbindung erreicht.

Bearbeitungsköpfe zum Laserstrahllöten haben die Aufgaben den Laserstrahl derart zu formen, so daß ein geeignetes Intensitätsprofil des Laserstrahls am Bearbeitungsort erzeugt wird, und den Lotwerkstoff mit Hilfe einer Zuführeinrichtung zu diesem Bearbeitungsort zu bringen. Ein solcher bekannter Aufbau ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Die Strahlformung erfolgt beispielsweise bei einem Bearbeitungskopf für fasergekoppelte Nd:YAG-Laser durch eine Kollimierung mittels einer Linse 6 des Strahls nach der Faser 7 und einer Fokussierung mittels einer Linse 5 des Laserstrahls. Der Laserstrahl wird derart geformt, daß der Laserfokus 12 am Bearbeitungsort, der durch die Oberfläche des Werkstücks 8 und den Auftreffort des Laserstrahls gebildet wird, einen Durchmesser von kleiner 5 mm besitzt. Die Bearbeitung kann aber auch im divergierenden oder konvergierenden Teil der Strahlkaustik stattfinden. Der Lotwerkstoff in Form von Draht 1 wird zum Bearbeitungsort über ein Röhrchen 3 mit einer Düse 2 gelenkt.

Es ist typisch für den Prozess, dass Abweichungen von wenigen 0.1 mm des Laserstrahls von der Fuge oder bei einigen Nahtgeometrien auch bei Abweichungen des Lotdrahts von der Fuge zu einem Abreißen des Lötprozesses führen. Somit muss bei diesem Verfahren sichergestellt sein, dass der Lotdraht relativ zum Laserstrahl sehr genau positioniert ist und, dass die Position des Laserstrahls sehr genau zur Fuge eingestellt ist.

Die Justage des Drahts relativ zum Laserstrahl wird vor dem Lötvorgang durchgeführt. Die Justage erfolgt bei den kommerziell erhältlichen Bearbeitungsköpfen durch eine mechanische Justiervorrichtung 4 des Zuführröhrchens für den Lotdraht, die meist mit translatorischen und rotatorischen Justagemöglichkeiten mit Klemmeinrichtungen versehen sind. Für die translatorische Justage wird meist eine Langlocheinrichtung eingesetzt. Bei der Justage stellt der Bearbeiter die Position des Röhrchens und somit die Relativlage des Drahtes zum Laserstrahl durch Lösen von einer oder mehreren Schrauben, Neueinstellung des Röhrchens und Festdrehen der Schrauben ein. Bei diesem Vorgang wird der Draht vor dem Löten meistens mittig zum Laserstrahl positioniert. Es handelt sich hierbei um eine starre Einstellung.

Es ist nachteilig, dass mit einem derartigen Vorgehen und einer groben Mechanik die benötigte Genauigkeit der Einstellung der Relativlage von wenigen 0.1 mm nur schwer erreicht werden kann.

Die Nachführung der Position des Laserstrahls relativ zur Fuge während des Lötens kann im bekannten Stand der Technik durch adaptive Bearbeitungsköpfe erreicht werden, deren Funktionsweise in Fig. 2 skizziert ist. Bei diesen Systemen ist das Röhrchen 3 mechanisch mit einem Umlenkspiegel 10 und mit der Fokussierlinse 5 gekoppelt. Durch die starre mechanische Kopplung der Komponenten ist die relative Lage von Laserfokus und Draht unveränderlich. Die Funktionsweise der Nachführung beruht dabei darauf, dass der Draht 1 durch die Fuge geführt wird. Weicht die Position des Drahts 1 von der Lage der Fuge ab, so entstehen Querkräfte, die über die mechanische Kopplung auf eine Drehachse 9 übertragen werden, die parallel zur Vorschubrichtung liegt. Der Draht 1 wird durch die Fuge nachgeführt und über die gekoppelte Bewegung werden der Umlenkspiegel 10 und die Fokussierlinse 5 um die Drehachse 9 gedreht und somit der Laserfokus 12 mitgeführt.

Generell nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die beschriebene Mechanik sehr empfindlich ist und bei Kollisionen mit dem Bauteil nichtreparabel beschädigt wird.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine mechanisch robuste Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten vorzuschlagen, die es gestatten Änderungen der Laserkaustik nach der Fokussiereinrichtung, vorzugsweise eine sehr genaue Lageänderungen des Laserfokus relativ zum Lötdraht und/oder zum Fügestellenverlauf, durchzuführen.

Lösung

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Patentanspruch 16. Die Unteransprüche umfassen zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Es wird eine Vorrichtung mit einem Bearbeitungskopf mit einer Laserstrahlzuführungseinrichtung und Fokussiereinrichtung und mit einer Lotwerkstoffzuführung vorgeschlagen, bei der durch die Relativbewegung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung von der Fokussiereinrichtung zur Strahlzuführungseinrichtung eine Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung in Bezug auf den Bearbeitungskopf, vorzugsweise mit dem Ergebnis einer sehr genauen Verschiebung des Laserfokus, ermöglicht wird. Der Bearbeitungskopf verfügt über eine Laserstrahlzuführungseinrichtung, die die Aufgabe hat den Laserstrahl bis zur Fokussiereinrichtung zu führen und aus einer Einleitvorrichtung für den Laserstrahl und gegebenenfalls zusätzlich aus einer Kollimiervorrichtung, beispielsweise bei Einsatz eines fasergekoppelten Nd:YAG- Lasers aus einer Befestigungeinrichtung für die Lichtleitfaser und einer Kollimiereinrichtung, bestehen kann, und eine Fokussiereinrichtung, die beispielsweise aus Fokussierlinsen, einem System aus Linsen oder Fokussierspiegeln gebildet wird. Die Lotwerkstoffzuführeinrichtung ist am Bearbeitungskopf befestigt oder im Bearbeitungskopf integriert. Vorzugsweise führt eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, die gleich der Richtung des Poynting'schen Vektors des Laserstrahls ist, während die Strahlzuführungseinrichtung unbewegt bleibt und somit stationär zum Bearbeitungskopf ist zu einer längenmäßig gleichen oder ähnlichen Bewegung des Laserfokus.

Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 wird beispielsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten eingesetzt, wobei vorgesehen ist, dass ein Laserstrahl mit einer Fokussiereinrichtung unter Ausbildung eines Laserfokus fokussiert wird und im Bereich des Laserfokus ein Lotwerkstoff zugeführt wird und, daß beim Laserstrahllöten und/oder Justieren von Laserstrahl zu Lotwerkstoff die Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung relativ zum Laserstrahl bewegt wird. Die Relativbewegung bezieht sich auf den auf die Fokussiereinrichtung einfallenden Laserstrahl. Es sind unterschiedliche Nahtformen wie z. B. die Naht am Bördelstoß oder die Kehlnaht am Überlappstoß realisierbar.

Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ist, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage vor der Bearbeitung erfolgt und damit vorzugsweise eine hochgenaue Justage von Laserfokus zu Lotwerkstoff ermöglicht. Bei Nahtformen, wie z. B. der Kehlnaht am Überlappstoß, bei der zwei Bleche mit Versatz aufeinander gespannt werden, wobei die Kehle, die zwischen Seitenfläche des oberen Bindepartners und der Oberfläche des unteren Bindepartners entsteht, mit Lot gefüllt wird, muss die Relativlage von Laserfokus zu Lotwerkstoff auf wenige 0,1 mm genau eingestellt werden. Vorzugsweise führt eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, die gleich der Richtung des Poynting'schen Vektors des Laserstrahls ist, während der Laserstrahl unbewegt bleibt, zu einer längenmäßig gleichen oder ähnlichen Bewegung des Laserfokus. Durch die Bewegung des Laserfokus kann die gewünschte Relativlage zwischen Laserfokus und Lotwerkstoff eingestellt werden. Mit dem vorgestellten Verfahren wird die benötigte Genauigkeit sehr gut erreicht, da die Bewegung der Komponenten von Fremdeinflüssen geschützt innerhalb des Bearbeitungskopfs ausgeführt werden kann und an dieser Position hochgenaue Verschiebeeinrichtungen eingesetzt werden können. Diese Justageeinstellungen können hochgenau in eine oder mehrere Richtungen erfolgen. Eine weitere vorgeschlagene Ausführung des Verfahrens besteht darin, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück in eine oder mehrere Richtungen erfolgt. Die Änderung der Relativlage von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung wird erfindungsgemäß auch eingesetzt, um während der Bearbeitung den Laserfokus zu bewegen. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise zu einer Nachführung des Laserfokus entlang der Fügelinie. In der Serienfertigung kommt es zu herstellungsbedingten Toleranzen der Bauteile und somit zu Toleranzen im Verlauf der Fügelinie. Derartige Abweichungen werden durch eine Korrekturbewegung in Form einer Nachführung des Laserfokus kompensiert. Während der Lötbearbeitung kann eine derartige Nachführbewegung bislang nur durch den im Stand der Technik vorgestellten adaptiven Bearbeitungskopf oder durch eine Korrekturbewegung der Führungsmaschine, beispielsweise ein 6-Achsen Industrieroboter, der den Bearbeitungskopf über das Werkstück entlang der Bearbeitungsbahn bewegt, durchgeführt werden. Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, dass sie einen modularen Aufbau aufweist, das bedeutet, dass die vorgestellte Vorrichtung unabhängig von der verwendeten Führungsmaschine einsetzbar ist. Lässt man die Nachführbewegung beispielsweise durch einen Roboter durchführen, so ist man auf diesen Robotertyp mit dem jeweiligen Betriebssystem festgelegt. Eine Übertragung des Verfahrens auf andere Führungsmaschinen ist nur durch einen großen zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu realisieren. Des weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb des Lötvorgangs Teilabschnitte mit und ohne Nachführung zu löten, d. h. die Nachführung zu- und abschaltbar ist. Dies ist vorteilhaft, wenn es sich herausstellt, dass technologisch anspruchsvoll zu lötende Passagen des Nahtverlaufs besser ohne Nachführung bearbeitet werden, beispielsweise der Nahtanfang oder das Nahtende, bei denen der Bearbeitungsprozess nicht im eingeschwungenen und quasistationären Zustand verläuft.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist durch ein Verfahren gegeben, bei dem die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen erfolgt. Nahtformen können sich durch die geometrische Form, durch den Werkstoff, aber auch durch unterschiedliche Wärmeableitungen unterscheiden. Unterschiede in den Nahtformen bedingen eine angepasste Bearbeitungsstrategie, die wie folgt umgesetzt werden kann. Die Weiterbildung des Verfahrens ermöglicht es bei verschiedenen Nahtformen an einem Bauteil innerhalb eines Bearbeitungsvorgangs die laterale Lage des Laserfokus gesteuert zu verändern, um beispielsweise gezielt den Laserfokus mehr auf einen der beiden Bindepartner zu richten oder den Überlappungsbereich zwischen Draht und Laserstrahl während des Lötvorgangs gesteuert zu verändern, um auf den Prozess Einfluß zu nehmen.

Bei Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen vorgesehen ist, dass die Relativbewegung mit einer bewegbaren Laserstrahlzuführungseinrichtung und einer stationären Fokussiereinrichtung ausgeführt wird, werden Komponenten der Laserstrahlzuführungseinrichtung in der Lage geändert, während die Fokussiereinrichtung selbst unbewegt verbleibt. Bei Ausführungen, bei denen vorgesehen ist, dass die Relativbewegung mit einer bewegbaren Laserstrahlzuführungseinrichtung und einer bewegbaren Fokussiereinrichtung ausgeführt wird, führt das Zusammenspiel der Einzelbewegungen der Komponenten zu der gewünschten Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung vorzugsweise zur Verschiebung des Laserfokus.

Ausführungen bei denen die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung translatorisch ist, bieten die Möglichkeit die Fokussiereinrichtung horizontal in einer Ebene, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung steht, zu verschieben.

Für Ausführungen bei denen die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung translatorisch ist, werden beispielsweise bei Einsatz eines fasergekoppelten Nd:YAG-Lasers die Befestigungeinrichtung für die Lichtleitfaser und/oder die Kollimiereinrichtung horizontal in einer Ebene, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung steht, in der Lage verändert. Die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung kann auch rotatorisch erfolgen. Bei diesen Ausführungen werden die jeweiligen Komponenten um einen Winkel um eine Achse gedreht, die entweder innerhalb oder außerhalb der jeweiligen Komponente liegt.

Die beschriebenen Möglichkeiten der Bewegung ermöglichen in den verschiedenen Ausführungsformen eine sehr genau einzustellende Anordnungslage der einzelnen Komponenten, um die jeweils benötigte Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung, vorzugsweise die Relativlage zwischen Laserfokus, Bauteil und dem Draht zu erreichen.

In weiteren vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung sind die Laserstrahlzuführungseinrichtung und/oder die Fokussiereinrichtung in jeweils zwei oder mehr Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegbar. Dadurch wird es der Vorrichtung ermöglicht die Strahlkaustik mit zwei oder mehr Freiheitsgraden zu ändern, vorzugsweise den Laserfokus in zwei oder mehr Richtungen zu bewegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit eine sehr hohe Flexibilität. Die Bewegung, die zu einer relativen Lageänderung von Laserfokus zu Lotdraht oder von Laserfokus zur Naht führt, bringt den Nutzen, dass der Strahl zum Draht hochgenau justiert werden kann oder, dass der Laserfokus dem Nahtverlauf des zu bearbeitenden Bauteils während der Bearbeitung nachgeführt werden kann. Diese Bewegungen findet meist senkrecht zur Drahtrichtung bzw. senkrecht zur Vorschubrichtung statt. Weitere Vorteile bietet aber eine Verschiebung des Laserfokus parallel zum Draht bzw. parallel zur Vorschubrichtung in oder gegen die Draht- bzw. Vorschubrichtung und/oder die Laserstrahlausbreitungsrichtung, wobei eine Verschiebung in Richtung des Drahts zu einer Vergrößerung der Überlappung von Draht und Laserfokus und eine Verschiebung in Gegenrichtung zu einer Verkleinerung der Überlappung führt. Durch die unterschiedliche Überlappung von Draht und Laserfokus kann der Prozess gesteuert werden. So führt eine größere Überlappung zu einem thermisch wärmeren Prozess als eine kleinere Überlappung. Der Prozessparameter "Überlappung" wird im bisherigen Stand der Technik nicht verwendet und ist nicht bekannt.

Die einfachste Ausführung stellt eine Vorrichtung dar, bei der der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung manuell ist. Diese Vorrichtung wird vorteilhaft vor der Materialbearbeitung zur Einstellung des Parameters "Überlappung" verwendet. Des weiteren wird eine Justage der relativen Lage von Laserfokus zum Draht ermöglicht. Ist die zu fügende Nahtgeometrie einheitlich asymmetrisch kann ein Versatz des Laserfokus relativ zum Draht mit der Vorrichtung erreicht werden.

Vorrichtungen, bei denen vorgesehen ist, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung mit Fremdenergie motorisch ist, erlauben neben den Vorteilen des manuellen Antriebs noch weitere Anwendungsmöglichkeiten. So kann eine einmal eingestellte Position gespeichert und immer wieder verwendet werden. Dies ist vorteilhaft bei der Fertigung von verschiedenartigen Bauteilen, so dass die genannten Parameter von der CNC- Steuerung der übergeordneten Führungsmaschine eingestellt werden können. Als übergeordnete Führungsmaschinen kommen z. B. 6-Achsen-Knickarm oder karthesische Roboter zum Einsatz. Sie hat die Aufgabe den Bearbeitungskopf entlang der Fügelinie über das Bauteil zu verfahren.

Außerdem ist es von Vorteil, dass die Änderung der Lage des Laserfokus relativ zum Draht oder zum Bauteil dynamisch während der Bearbeitung durchgeführt werden kann. Dadurch können während der Bearbeitung entweder die Prozessparameter geändert oder eine Nachführung des Laserfokus erreicht werden.

Bei Ausführungen, bei denen vorgesehen ist, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Strahlzuführungseinrichtung eine Steuerung, insbesondere eine übergeordnete Steuerung der Führungsmaschine oder Regelung ist, ist es möglich Bearbeitungsstrategien in den Prozessablauf einzubringen. Beispiele für Bearbeitungsstrategien, die über genannte Steuerungen oder Regelungen eingebracht werden, sind die gesteuerte Kompensation von asymmetrischen Stössen oder die geregelte Nachführung des Laserfokus, oder eine Prozesstemperaturregelung über den Parameter "Überlappung".

Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden im folgenden an Hand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Laserstrahllöten gemäß bekanntem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Vorrichtung, ebenfalls gemäß bekanntem Stand der Technik;
Fig. 3a bis Fig. 3c eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in verschiedenen Stellungen zur Justage
Fig. 4a bis Fig. 4c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 3;
Fig. 5a bis Fig. 5c eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels bei der Nachführung;
Fig. 6a bis Fig. 6c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 5;
Fig. 7a Fig. 7b und eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels bei der Kompensation unterschiedlicher Nahtformen;
Fig. 8a und Fig. 8b Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 7;
Fig. 9a bis Fig. 9c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für verschiedene Positionen des Laserfokus relativ zum Draht in Form einer schematischen Draufsicht der Bearbeitungszone;
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht.
In Fig. 3 sind schematische Seitenansichten eines Ausführungsbeispiels in verschiedenen Einstellungen zur Justage dargestellt. Der illustrierte Justagevorgang ist ein Teil des Laserstrahllötverfahrens und erfolgt vor der Materialbearbeitung.
Dabei sind eine Faser 7, ein Laserstrahl 11, eine Kollimierlinse 6, eine Fokussierlinse 5, ein Laserfokus 12 und der Draht 1 dargestellt. Der Laserstrahl 11 wird über die Faser 7 zugeführt und tritt daraus divergierend in die Anordnung ein. Er wird durch die Kollimierlinse 6 parallel ausgerichtet und durch die Fokussierlinse 5 in Richtung des Drahtes 1 fokussiert. Der Bearbeitungskopf besteht bei dieser vorgeschlagenen Vorrichtung aus der Laserstrahlzuführungseinheit mit der Faser 7 und der Kollimierlinse 6 sowie der Fokussierlinse 5.
Der Abstand d zwischen Fokussierlinse 5 und der Position des Drahts 1 sei in dieser beispielhaften Ausführung der Bearbeitungsabstand. In anderen Ausführungen wird der Draht vor dem Laserfokus 12 oder auch nach dem Laserfokus 12 eingeführt. Der Bearbeitungsabstand sei dann der jeweilige Abstand d zwischen Fokussierlinse 5 und der Position des Drahts 1.
Die Mittellinie M wird in diesem Ausführungsbeispiel als Symmetrieachse von der Strahlzuführungseinrichtung, bestehend aus der Faser 7 und der Kollimierlinse 6 gebildet. Die Linie MF ist die Mittellinie der Fokussierlinse 5. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 4 gezeigt sind.
In Fig. 3 ist an einem Ausführungsbeispiel das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Justage dargestellt.
In Fig. 3a liegt der Draht 1 mittig zur Mittellinie M und die Fokussierlinse 5 ist ebenfalls mittig zur Mittellinie M angeordnet. In der Fig. 4a ist die dazu korrespondierende Ausschnittsvergrößerung A mit dem Laserfokus 12, dem Draht 1 und der Mittellinie M abgebildet. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 bei dieser Einstellung mittig. Diese Justageeinstellung der relativen Lage zwischen Laserfokus 12 und Draht 1 führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten. In Fig. 3b befindet sich der Draht 1, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Beschädigung der Lotdrahtzuführeinrichtung oder einem ungenauen Zusammenbau der Anordnung, nicht mehr auf der Mittellinie M, die Fokussierlinse 5 ist aber symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der dazu korrespondierenden Ausschnittsvergrößerung A in Fig. 4b befindet sich der Draht 1 in dieser Anordnung somit nicht mehr mittig zum Laserfokus 12. Diese relative Lage ist für die meisten Lötapplikationen nicht geeignet und die relative Lage zwischen Draht 1 und Laserfokus 12 muss justiert werden.
Die Justage erfolgt erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel durch Verschieben der Fokussierlinse 5 in der Darstellung in der Figur nach rechts während die Strahlzuführungseinrichtung bestehend aus der Kollimierlinse 6 und der Faser 7 unbewegt bleibt. Das Ergebnis der Justage ist in der Fig. 3c gezeigt. Durch die Verschiebung haben die Mittellinie M und die Mittellinie MF der Fokussierlinse 5 einen Abstand x. Das Ergebnis der Justage und die Wirkung auf den Verlauf des Laserstrahls 11 nach der Fokussierlinse 5 sind in der Fig. 4c schematisch abgebildet. Die Linie ML ist die Mittellinie zum Laserfokus. Durch die Verschiebung x der Fokussierlinse 5 folgt eine Verschiebung des Laserfokus 12 um den gleichen oder einen ähnlichen Betrag a in die gleiche Richtung, sodass der Laserfokus 12 den Draht 1 wieder mittig trifft. Diese justierte Einstellung der Vorrichtung und somit die justierte Einstellung der relativen Lage zwischen Laserfokus 12 und Draht 1 führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten. Anhand der beispielhaften Ausführung wird aufgezeigt, wie die Einstellung des Laserfokus 12 relativ zum Draht 1 erfolgt. Soll die Einstellung geändert werden, um eine mittige oder auch eine asymmetrische Positionierung von Laserfokus 12 zu Draht 1 zu erwirken, geschieht dies erfindungsgemäß durch eine translatorische Bewegung der Fokussierlinse 5.
In Fig. 5 sind schematische Seitenansichten des gleichen Ausführungsbeispiels in verschiedenen Arbeitseinstellungen bei der Nachführung beim Löten dargestellt. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 6 gezeigt sind. In den Ausschnittsvergrößerungen in Fig. 6a-c sind der Laserfokus 12, der Draht 1, ein Bördelstoß, der aus dem linken Bindepartner 51 und dem rechten Bindepartner 52 gebildet wird, mit einer Fuge 53 und der Mittellinie ML des Laserfokus 12 gezeigt.
In der Nahtgeometrie des Bördelstoßes wird der Draht 1 zwangsgeführt, das bedeutet, dass der Draht 1 während des Lötvorgangs durch die seitliche Begrenzung, bestehend aus dem linken Bindepartner 51 und dem rechten Bindepartner 52, in der Fuge 53 formschlüssig geführt wird.
In Fig. 5a ist die Fokussierlinse 5, der Draht 1 und die Fuge 53 symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der Ausschnittsvergrößerung in Fig. 6a liegt der Laserfokus 12 ebenfalls symmetrisch zur Mittellinie M und der Draht 1 wird vom Laserfokus 12 mittig getroffen. Diese Arbeitsposition führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten.
In Fig. 5b ist der Bördelstoß, bestehend aus den zwei Bindepartnern 51 und 52, somit die Fuge 53 und folglich die Position des Drahtes 1 zur Mittellinie M nach rechts verschoben. Dieser Versatz kann durch eine Nachführung der Fokussierlinse 5 kompensiert werden. Die Fokussierlinse 5 wird hierfür derart nach rechts verschoben, so dass die Mittellinie MF die Fuge 53 und somit den Draht 1 mittig trifft. Diese Nachführbewegung der Fokussierlinse 5 kann durch eine Steuerung oder Regelung ausgelöst sein. In Fig. 6b ist die Wirkung der beschriebenen Nachführbewegung auf die Position des Laserfokus 12 gezeigt. Die Mittellinie ML des Laserfokus 12 ist nun fluchtend zur Fuge 53 und folglich zum Draht 1 angeordnet. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 mittig. Der Abstand x zwischen der Mittellinie M und der Mittellinie MF in Fig. 5b ist betragsmäßig gleich oder nahezu gleich wie der Abstand a zwischen Mittellinie M und der Laserfokus-Mitellinie ML in Fig. 6b. Die beschriebene Arbeitsposition führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten.
In Fig. 5c ist das Ergebnis der Nachführbewegung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren für den Fall gezeigt, dass während der Bearbeitung eine Abweichung des Bördelstoßes nach links erfolgt und der Laserfokus 12 nachgeführt wird.
In Fig. 7 sind schematische Seitenansichten des gleichen Ausführungsbeispiels in verschiedenen Arbeitseinstellungen bei der Kompensation von verschiedenen Nachformen dargestellt. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 8 gezeigt sind.
In Fig. 7a ist die Bearbeitung eines Bördelstoßes gezeigt. Die Fokussierlinse ist symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der Ausschnittsvergrößerung Fig. 8a sind die Bestandteile des Bördelstoßes, der linke Bindepartner 51 und der rechte Bindepartner 52 mit der Fuge 53, sowie der Laserstrahl 11, der Laserfokus 12, der Draht 1 und die Mittellinie M gezeigt. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 und den Bördelstoß mittig, so dass bei vielen Lötapplikationen gute Lötergebnisse zu erwarten sind.
In Fig. 7b ist die Bearbeitung einer asymmetrischen, bördelähnlichen Stoßgeometrie dargestellt. In der Ausschnittsvergrößerung in Fig. 8b sind der linke Bindepartner 54, der rechte Bindepartner 55, die zusammen die asymmetrische, bördelähnliche Stoßgeometrie bilden, und die Fuge 53 gezeigt.
Die beschriebene Stossform verlangt eine angepasste Bearbeitungsstrategie in Form einer Kompensation durch eine Verschiebung der Fokussierlinse 5 um den Betrag x, so dass der Laserfokus 12 um den gleichen oder ähnlichen Betrag a relativ zum Draht verschoben wird. Das einzustellende Versatzmaß a liegt zwischen 0 mm und dem Durchmesser des Laserfokus 12, und/oder dem Durchmesser des Laserstrahls im Bearbeitungsabstand und ist vorzugsweise wenige 0,1 mm groß.
Verschiedene Nahtformen können auch während der Bearbeitung eines einzigen Bauteils auftreten, so dass eine Kompensation der verschiedenen Nahtformen während der Bearbeitung erfolgen muss. Die Asymmetrie des Stosses kann beispielsweise durch die geometrische Form gebildet werden, aber auch durch unterschiedliche Werkstoffe der beiden Bindepartner oder auch durch unterschiedliche Wärmeableitungen in den beiden Bindepartnern. Die vergleichende Darstellung von Fig. 7a/b zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen. Durch eine Verschiebung der Fokussiereinrichtung wird der Laserfokus derart bewegt, daß bei der beispielhaften asymmetrischen Stoßform in Fig. 7b der Draht 1 und die Fuge 53 vom Laserfokus 12 nicht mehr mittig getroffen werden.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für verschiedene Positionen des Laserfokus 12 relativ zum Draht 1 in Form einer schematischen Draufsicht auf die Bearbeitungszone. Es sind der Draht 1 und der Laserfokus 12 dargestellt. In der linken Abbildung ist die Spitze des Drahts 1 symmetrisch zum Laserfokus 12, in der Mitte ist die Überlappung von Draht 1 und Laserfokus 12 minimal und in der rechten Abbildung ist die Überlappung von Draht 1 und Laserfokus 12 maximal. Die Verschiebung des Laserfokus erfolgt bei sämtlichen Fällen vorzugsweise über eine Bewegung der Fokussiereinrichtung mit oben erläuterten Aufbau und Funktion. Die Größe der Überlappung ist ein wichtiger Parameter bei der Prozessführung.
In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Bild zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahllöten als Bearbeitungskopf einen Kollimator 16 mit Kollimierlinse (nicht dargestellt), einen Lichtwellenleiterstecker 17, eine Adapterplatte 15 zur Befestigung der gesamten Vorrichtung an eine Führungsmaschine, die die gesamte Vorrichtung entlang einer programmierten Bearbeitungsbahn führt, eine Fokussierlinse 5, zwei Verschiebeeinrichtungen 13 und 14 und einer Zwischenplatte 19. An diesen Bearbeitungskopf sind ein Lotdraht 1, eine Drahtdüse 2, ein Röhrchen 3 für die Zuführung des Zusatzwerkstoffs zur Bearbeitungsstelle angebracht.
Der Lotdraht 1 wird mit dem Röhrchen 3 geführt und durch die Düse 2 an die Bearbeitungsstelle gebracht. Der Laserstrahl wird über ein Lichtwellenleiterkabel (nicht dargestellt), das im Lichtwellenleiterstecker 17 befestigt wird in die Vorrichtung gebracht. Der Laserstrahl läuft durch den Kollimator 16 und durch die im Kollimator 16 angeordnete Kollimierlinse (nicht dargestellt) und durch die Fokussierlinse 5 zur Bearbeitungsstelle.
Die Zwischenplatte 19 dient als Aufhängung für die Baugruppe, die aus den Linearverschiebeeinrichtungen 13 und 14 und der Fokussierlinse 5 besteht. Mit den Linearverschiebeeinrichtungen 13 und 14 wird die Fokussierlinse 5 in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt. Dem Grundprinzip folgend verschiebt sich der Laserfokus auf der Werkstückebene ebenfalls in die gleiche Richtung um den gleichen oder einen ähnlichen Längenbetrag. Zur Justage der relativen Lage zwischen Draht und Laserstrahl werden die beiden Lineareinheiten 13 und 14 eingestellt. Zur Nachführung des Laserfokus werden die beiden Lineareinheiten während der Bearbeitung motorisch mit Fremdenergie bewegt. Zur Kompensation verschiedener Nahtformen werden die Lineareinheiten vor dem Löten manuell eingestellt oder während der Bearbeitung motorisch mit Fremdenergie bewegt.

Claims

1. Vorrichtung zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten, mit einem Bearbeitungskopf mit Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) und Fokussiereinrichtung (5) und mit einer Lotwerkstoffzuführungseinrichtung (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (5) relativ zur Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) mindestens in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Fokussiereinrichtung (5) bewegbar ist und die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) stationär ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) bewegbar ist und die Fokussiereinrichtung (5) stationär ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) und die Fokussiereinrichtung (5) bewegbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung (5) translatorisch ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) translatorisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung (5) rotatorisch ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) rotatorisch ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (5) in eine oder mehr Richtungen bewegbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) in eine oder mehr Richtungen bewegbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung (5) oder der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) manuell ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung (5) oder der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) mit Fremdenergie motorisch ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) eine Steuerung ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtungen (6, 7) eine übergeordnete Steuerung einer Führungsmaschine ist, die den Bearbeitungskopf verfährt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) eine Regelung ist.

16. Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten, wobei vorgesehen ist, dass ein Laserstrahl mittels einer Fokussiereinrichtung unter Ausbildung eines Laserfokus fokussiert wird und im Bereich des Laserfokus ein Lotwerkstoff zugeführt wird und, dass beim Laserstrahllöten und/oder Justieren von Laserstrahl zu Lotwerkstoff die Fokussiereinrichtung relativ zur Zuführung des Laserstrahls mindestens in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung bewegt wird und der Laserstrahl stationär bleibt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl bewegt wird und die Fokussiereinrichtung stationär bleibt.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung und der Laserstrahl vorzugsweise unabhängig voneinander bewegt werden.

20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung translatorisch bewegt wird.

21. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl translatorisch bewegt wird.

22. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung rotatorisch um eine vorzugsweise außerhalb des Fokus angebrachte Achse bewegt wird.

23. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl rotatorisch um eine vorzugsweise außerhalb des Fokus angebrachte Achse bewegt wird.

24. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung in eine oder mehrere Richtungen bewegt wird.

25. Verfahren nach einem dervorangegangenen Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in eine oder mehrere Richtungen bewegt wird.

26. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung oder/und der Laserstrahl manuell in der Position verändert wird.

27. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung oder/und der Laserstrahl mit Fremdenergie motorisch in der Position verändert wird.

28. Verfahren nach Anspruch einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Laserstrahls durch eine Steuerung erzeugt wird.

29. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder des Laserstrahls durch eine übergeordnete Steuerung einer Führungsmaschine des Bearbeitungskopfs erzeugt wird.

30. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Laserstrahls durch eine Regelung erzeugt wird.

31. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage vor dem Löten erfolgt.

32. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage in eine oder mehrere Richtungen erfolgt.

33. Verfahren nach Anspruch 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück erfolgt.

34. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück in eine oder mehrere Richtungen erfolgt.

35. Verfahren nach Anspruch 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen erfolgt.

36. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen vorzugsweise in eine oder mehr Richtungen erfolgt.