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Stand der Technik:
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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.
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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 wird eine stoffschlüssige
Verbindung erreicht.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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Generell
nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die beschriebene Mechanik
sehr empfindlich ist und bei Kollisionen mit dem Bauteil nichtreparabel beschädigt wird.
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Aufgabe:
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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.
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Lösung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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Beschreibung
einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele:
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
werden im folgenden an Hand von Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1:
eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Laserstrahllöten gemäß bekanntem
Stand der Technik;
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2:
eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Vorrichtung,
ebenfalls gemäß bekanntem
Stand der Technik;
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3a bis 3c:
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
in verschiedenen Stellungen zur Justage
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4a bis 4c:
Ausschnittsvergrößerungen
aus 3;
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5a bis 5c:
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
bei der Nachführung;
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6a bis 6c:
Ausschnittsvergrößerungen
aus 5;
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7a und 7b:
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
bei der Kompensation unterschiedlicher Nahtformen;
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8a und 8b:
Ausschnittsvergrößerungen
aus 7;
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9a bis 9c:
zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
für verschiedene
Positionen des Laserfokus relativ zum Draht in Form einer schematischen
Draufsicht der Bearbeitungszone;
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10:
zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
in perspektivischer Ansicht.
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In 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.
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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.
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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.
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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 4 gezeigt sind.
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In 3 ist
an einem Ausführungsbeispiel das
Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
dem erfindungsgemäßen Verfahren
der Justage dargestellt.
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In 3a liegt
der Draht 1 mittig zur Mittellinie M und die Fokussierlinse 5 ist
ebenfalls mittig zur Mittellinie M angeordnet. In der 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 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 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.
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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 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 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.
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In 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 6 gezeigt sind. In den Ausschnittsvergrößerungen
in 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.
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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.
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In 5a ist
die Fokussierlinse 5, der Draht 1 und die Fuge 53 symmetrisch
zur Mittellinie M angeordnet. In der Ausschnittsvergrößerung in 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.
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In 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 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 5b ist
betragsmäßig gleich
oder nahezu gleich wie der Abstand a zwischen Mittellinie M und
der Laserfokus-Mitellinie ML in 6b. Die
beschriebene Arbeitsposition führt
bei vielen Lötapplikationen
zu qualitativ hochwertigen Lötnähten.
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In 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.
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In 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 8 gezeigt sind.
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In 7a ist
die Bearbeitung eines Bördelstoßes gezeigt.
Die Fokussierlinse ist symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet.
In der Ausschnittsvergrößerung 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.
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In 7b ist
die Bearbeitung einer asymmetrischen, bördelähnlichen Stoßgeometrie
dargestellt. In der Ausschnittsvergrößerung in 8b sind
der linke Bindepartner 54, der rechte Bindepartner 55, die
zusammen die asymmetrische, bördelähnliche Stoßgeometrie
bilden, und die Fuge 53 gezeigt.
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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.
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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 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 7b der
Draht 1 und die Fuge 53 vom Laserfokus 12 nicht
mehr mittig getroffen werden.
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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.
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In 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.
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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.
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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.