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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbindungssysteme und im Spezielleren
ein verbessertes System und Verfahren zum Laserstrahlhartlöten einer
Vielzahl von Werkstücken.
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Der
Prozess einer Materialverbindung und -behandlung ist eine notwendige
Bedingung für
industrielle/n Fortschritt und Konstruktionen. Ein solcher Prozess,
allgemein bekannt als lasergestütztes Hartlöten, wurde
entwickelt, um präzise
Nahtstöße bereitzustellen,
und wird üblicherweise
z. B. in der Automobilindustrie verwendet, um eine Vielzahl von Werkstücken zu
verbinden. Diese Technologie verwendet einen Lötdraht, um das Verbindungsmaterial bereitzustellen,
und einen herkömmlichen
Laser, um den Lötdraht
in die zu verbindende Fuge hinein zu schmelzen. Die Verwendung von
Lasern als die Quelle von Wärmeenergie
ermöglicht
eine genauere Anwendung von Energie, was dadurch in dem Vorteil resultiert,
dass das Werkstück
eine geringere Warmverformung erfährt, als es bei traditionelleren
Formen des Hartlötens
wie z. B. Ofenhartlöten
der Fall ist. Unter anderen Vorteilen stellt lasergestütztes Hartlöten schnellere
Verbindungsgeschwindigkeiten bereit und erzeugt eine stärkere Schweißverbindung
als eine traditionelle Naht aus Punktschweißverbindungen. Als Ergebnis
geringerer Schmelztemperaturen und Schmelzwärmen nutzt Laserstrahlhartlöten weniger
Wärmeenergie
während
des Verbindens, als dies andere herkömmliche Schweißtechniken
tun.
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Lasergestütztes Hartlöten gibt
jedoch auch Anlass für
verschiedene Bedenken. Während
schnelle Abkühltemperaturen
verbunden mit einem Laserstrahlhartlöten für stärkere Verbindungen sorgen,
resultieren sie auch in einem Verlust an Duktilität in bestimmten
Materialien. Der relativ kurze Temperaturzyklus erhöht die Wahrscheinlichkeit
von Korngrenzenrissen und Porenbildung, die das Oberflächenerscheinungsbild
und die Funktionalität
der Verbindung verschlechtern. Diese Poren entstehen typischerweise,
wenn gasförmige
Emissiorien von verdampften Verunreinigungen (z. B. Schmierstoffe)
während
des Prozesses nicht aus der schmalen Hartlötstelle entweichen: Die notwendige
Behandlung dieser Risse und Poren führt ferner zu deutlichen Erhöhungen von Kosten
in Zusammenhang mit einer Oberflächenbehandlung
nach einem Hartlöten.
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Teilweise
aus diesen Gründen
resultiert im Stand der Technik ein Bedarf an einem effizienteren Hartlötprozess,
der die Wahrscheinlichkeit von Unzulänglichkeiten im Aufbau, die
Porosität
umfassen, reduziert.
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In
Antwort auf diese und weitere Bedenken, die von herkömmlichen
Laserstrahlhartlötsystemen verursacht
werden, sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes Hartlötsystem
zum Verringern der Wahrscheinlichkeit von Unzulänglichkeiten im Aufbau wie
z. B. eine Porenbildung innerhalb der Hartlötverbindung vor. Diese Verwendung
ist unter anderem nützlich,
um Kosten in Zusammenhang mit einer Überprüfung und Behandlung einer Hartlötverbindungsporosität zu reduzieren.
Beispielsweise ist als Ergebnis des erfindungsgemäßen Systems
und Verfahrens eine Oberflächenbehandlung
nach einem Hartlöten
zum Entfernen von Poren bei einer Vorbereitung für ein Lackieren minimiert.
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Die
Erfindung sieht ein Verfahren zum Hartlöten von Werkstücken unter
Verwendung mehrerer Beträge
von Wärmeenergie
für ein
Verbinden in Reihe vor. Im Spezielleren betrifft ein erster Aspekt
der vorliegenden Erfindung ein System zum Verbinden einer Vielzahl
von Werkstücken
zum Bilden einer hartgelöteten
Verbindung, wobei die Werkstücke
zusammenwir kend eine offen liegende schmale Nut präsentieren.
Das System umfasst ein schmelzbares Material, das im Wesentlichen
neben der Nut angeordnet werden kann, und eine Vielzahl von Wärmeenergiequellen.
Ein Teil der Vielzahl von Quellen ist derart ausgebildet, dass er
zumindest einen Teil des Materials in die Nut hinein schmilzt, so
dass das geschmolzene Material mit in Eingriff stehenden, durch die
Werkstücke
definierten Flächen
in Kontakt tritt, sich mit diesen verbindet und von diesen gehalten wird.
Schließlich
sind die Quellen zusammenwirkend derart ausgebildet, dass sie die
Verbindung erzeugen.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Verbinden einer Vielzahl von Werkstücken zum Bilden einer hartgelöteten Verbindung.
Die Werkstücke
präsentieren
zusammenwirkend eine offen liegende schmale Nut und benachbarte
mit der Verbindung in Eingriff stehende Flächen. Ein erster Betrag von
Wärmeenergie
wird auf zumindest einen Teil der Flächen angewendet, um Oberflächenverunreinigungen
darauf zu verdampfen. Ein schmelzbares Material wird in einer Position
relativ zu dem Mindestteil der Flächen angebracht, so dass das
Material in die Nut fließt
und mit dem Mindestteil der Flächen
in Kontakt tritt, wenn es geschmolzen ist. Ein zweiter Betrag von
Wärmeenergie,
der ausreicht, um den Mindestteil von Material zu schmelzen, wird
auf zumindest einen Teil des Materials angewendet. Ein dritter Betrag
von Wärmeenergie
wird auf den Mindestteil von Material angewendet, um den Wärmezyklus
des Mindestteils von Material weiter zu erwärmen und zu vergrößern oder
zumindest einen Teil des Metalls erneut zu schmelzen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben. In diesen ist:
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1 eine
prospektive Ansicht einer Vielzahl von Werkstücken und eines Hartlötsystems
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die im Speziellen ein System mit drei Heizquellen
veranschaulicht, wobei die optionale Natur der ersten oder dritten
Quelle (aber nicht beider) in einer verdeckten Linie gezeigt ist;
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2 eine
Draufsicht der/des in 1 gezeigten Werkstücke und
Systems;
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3 eine
Querschnittsansicht der/des in den 1 und 2 gezeigten
Werkstücke
und Systems entlang der Linie A-A;
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4 eine
Querschnittsaufrissansicht der/des in den 1 und 2 gezeigten
Werkstücke
und Systems entlang der Linie B-B;
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5a eine
Querschnittsaufrissansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems, die insbesondere ein System mit drei Laserstrahlen
veranschaulicht, wobei die Laserstrahlen von einem anfänglichen
Strahl abgespalten sind;
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5b eine
Querschnittsaufrissansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems, die insbesondere ein System mit zwei Laserstrahlen
und einer Plasmalichtbogen-Schweißmaschine veranschaulicht,
wobei die Laserstrahlen von einem anfänglichen Strahl abgespalten
sind;
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5c eine
Querschnittsaufrissansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems, die insbesondere ein System mit zwei Laserstrahlen
und einer Elektrode veranschaulicht, wobei die Laserstrahlen von
einem anfänglichen
Strahl abgespalten sind;
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5d eine
Querschnittsaufrissansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems, die insbesondere den ersten Lauf einer sich hin- und
herbewegenden oder kreisenden Wärmequelle
und einen voraussichtlichen in verdeckter Linie gezeigten zweiten
und dritten Lauf veranschaulicht;
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6a eine
pädagogische
Darstellung eines Verfahrensablaufs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die insbesondere ein System mit drei
Wärmequellen
veranschaulicht;
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6b eine
pädagogische
Darstellung eines Verfahrensablaufs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die insbesondere eine Vorschmelzwärmequelle
veranschaulicht;
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6c eine
pädagogische
Darstellung eines Verfahrensablaufs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die insbesondere eine Nachschmelz-Wärmequelle
veranschaulicht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Hartlötsystem 10 zum
Verbinden einer Vielzahl (d. h. zwei oder mehrere) von Werkstücken wie z.
B. Autoblechen und Motorträgerteilen,
um eine hartgelötete
Verbindung 12 zu bilden. In den in den 1 bis 3 veranschaulichten
Ausführungsformen
ist eine Vielzahl von zwei Werkstücken 14, 16 mit
gleicher Dicke gezeigt; das System 10 kann jedoch verwendet
werden, um eine größere Vielzahl von
Konstruktionselementen mit verschiedener Dicke zu verbinden. Die
Werkstücke 14, 16 sind
derart angeordnet, dass sie eine schmale, offen liegende Nut 18 bilden.
Die Werkstücke 14, 16 können aus
einem weiten Bereich von Materialien umfassend Industriestähle, Eisenlegierungen,
Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Titan und Molybdän gebildet
sein. Obwohl hierin in Bezug auf eine lineare Verbindung und ein
flaches Metall beschrieben, liegt es wohl innerhalb des Umfangs
der vorliegenden Erfindung, das System 10 für das Kreisverbinden
rohrförmiger
Elemente oder anderer komplexer Konfigurationen zu verwenden.
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Wendet
man sich der Konfiguration des Systems 10 wie in den 1 bis 4 gezeigt
zu, ist eine Vielzahl von drei Wärmequellen 20, 22, 24 vorgesehen,
die zusammenwirkend eine hartgelötete Verbindung 12 bilden.
Ein schmelzbares Material 26, vorzugsweise in Form eines
gewickelten Hartlötdrahtes
wie z. B. ein Silizium-Bronze-Draht mit einem Durchmesser von 1,6
mm, stellt den Lötdraht
für die Verbindung 12 bereit.
Wie beim herkömmlichen
Hartlöten
ist die Wärmequelle 22 derart
ausgebildet, dass sie zumindest einen Teil des Materials 26 in
die Nut 18 hinein schmilzt, so dass das geschmolzene Material
mit Flächen 14a, 16a,
die mit der Verbindung in Eingriff stehend und durch die Werkstücke 14, 16 definiert
sind (siehe 1 und 4), in Kontakt
tritt, sich mit diesen verbindet und von diesen gehalten wird. In
der vorliegenden Erfindung ist jedoch, bevor das Material geschmolzen
wird, die erste Wärmequelle 20 derart
ausgebildet, dass sie mit den Flächen 14a, 16a mit
einer ausreichenden Energie in Eingriff tritt, um Oberflächenverunreinigungen 28 wie z.
B. ein Schmiermittel oder Oxid, welches bei industriellen Anwendungen
typischerweise darauf zu finden ist, abzutragen. Die dritte Wärmequelle 24 ist derart ausgebildet,
dass sie das geschmolzene Material 26 weiter erwärmt, um
den Temperaturzyklus desselben zu erweitern. Schließlich sind
die Wärmequellen 20–24 vorzugsweise
in Bezug auf die Werkstücke 14, 16 translatorisch
bewegbar und können händisch gesteuert
oder durch ein elektromechanisches Mittel (nicht gezeigt) gesteuert
sein. Bevorzugter ist das System 10 robotergesteuert entlang
mehrerer Achsen und programmierbar einstellbar.
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Es
ist einzusehen, dass ein Erwärmen
der Flächen 14a, 16a und
ein weiteres Erwärmen
des geschmolzenen Materials 26 nützlich ist, um, unter anderem,
eine Porosität
innerhalb der Verbindung 12 zu reduzieren. Wie zuvor erwähnt entfernt
die erste Wärmequelle 20 Oberflächenverunreinigungen
vor dem Prozess, was in weniger gasförmigen Emissionen während eines
Hartlötens
resultiert. Die dritte Wärmequelle 24 verzögert die
Bildung der Verbindung durch Erhöhen
der Temperatur des geschmolzenen Materials. Die längere Schmelzperiode
stellt eine zusätzliche
Gelegenheit bereit, damit die verbleibenden gasförmigen Emissionen, die von
nicht abgetragenen Oberflächenverunreinigungen
oder von einem Draht stammenden Verunreinigungen herrühren, entweichen
können.
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In
den veranschaulichten Ausführungsformen
wird zumindest ein Teil der bevorzugten Wärmequellen 20–24 von
zumindest einem Laser 30 erzeugt. Wie in den 5b,
c gezeigt und unten stehend erläutert,
liegt es jedoch sehr wohl innerhalb des Umfangs der Erfindung, andere
konzentrierte Wärmequellen
wie z. B. eine geeignete IR-Technologie und Plasma- oder Wolframschutzgas-Schweißmaschinen
zu verwenden. Es wird für
den Fachmann einzusehen sein, dass der Laser 30 ein präzises und gleichmäßiges, herkömmliches
Mittel zum Konzentrieren von Wärmeenergie
wie gewünscht
bereitstellt. In den 1 bis 4 erzeugt
eine Vielzahl von drei Lasern 30 einzeln die drei Wärmequellen,
d. h., Laserstrahlen 30a–c. Es ist ferner einzusehen,
dass, da es sich um ein in einzelne Teile aufgespaltetes System
handelt, ein/e individuelle/r Reparatur und Austausch von Wärmequellen 20–24 und
Abwandlungen der Konfiguration auf der Basis einer besonderen Anwendung
möglich
ist. Geeignete in der vorliegenden Erfindung zu verwendende Laser 30 umfassen
CO2-, Faser- oder YAG-Laser, die unter Verwendung von Laserdioden
oder Blitzlampen gepumpt werden. Jeder von den Lasern 30 kann
auch eine unabhängige oder
gleichzeitige Verarbeitungsfunktion aufweisen. Schließlich erzeugt
jeder von den Lasern 30 vorzugsweise eine variable Leistungsabgabe.
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Wenn
eine lineare Verbindung gewünscht
ist, stehen die drei Strahlen 30a-c vorzugsweise mit den Flächen 14a, 16a und
dem Material 26 an Punkten an einer Linie, die entlang
der Längsachse
der bald auszubildenden Verbindung 12 orientiert sind,
in Eingriff. Unabhängig
von der Konfiguration müssen
jedoch nachfolgende Strahlen nicht gleich beabstandet sein. In 5a ist
ein einzelner Laser 30 derart ausgebildet, dass er mit
den Flächen 14a, 16a und
dem Material 26 mit drei Strahlen 30a–c in Eingriff
steht. Das heißt,
der Laser 30 erzeugt einen anfänglichen Strahl, der optisch
in drei gleich laufende Strahlen aufgespaltet wird. Der Laserstrahl 30a ist
derart ausgebildet, dass er mit den Flächen 14a, 16a in
Eingriff steht und die Oberflächenverunreinigungen 28 abträgt, während der
zweite und dritte Strahl 30b, c derart ausgebildet sind,
dass sie das Material 26 schmelzen und weiter erwärmen, wie
zuvor beschrieben.
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Somit
ist eine bevorzugte Form eines Hartlötens dargestellt, wobei ein
erster Laser 30 translatorisch relativ zu einer Vielzahl
von Werkstücken 14, 16 bewegt
wird, um einen Strahl 30a mit Flächen 14a, 16a der
Werkstücke
in Eingriff zu bringen. Als Nächstes
wird ein schmelzbares Material 26, d. h., ein Draht, relativ
zu einer Nut, die durch die Werkstücke 14, 16 gebildet
wird, derart angeordnet, dass das Material 26, wenn es
geschmol zen ist, in Kontakt mit den Flächen 14a, 16a fließt und zwischen
den Werkstücken
gehalten wird. Das geschmolzene Material 26 gelangt mit
den Flächen 14a, 16a in
Kontakt und verbindet sie. Nachdem das Material 26 in Position
geschmolzen ist, gelangt der dritte Strahl 30c mit dem Material 26 in
Eingriff, um das geschmolzene Bad weiter zu erwärmen, wodurch der Temperaturzyklus desselben
erweitert wird. Dieser Ablauf mit drei Quellen ist in 6a grafisch
dargestellt. Schließlich
wird, nachdem die Wärmequelle 24 angewendet
wurde, das Materialbad 26 durch die umgebenden, nicht erwärmten Werkstücke und
die Atmosphäre
abgekühlt, um
sich zu verfestigen und die hartgelötete Verbindung 12 zu
bilden.
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Wie
in den 5b, c gezeigt und zuvor erwähnt, kann
das bevorzugte System 10 alternativ eine Plasmalichtbogen-Schweißmaschine 32 oder eine
Elektrode 34 sein, die derart ausgebildet ist, dass sie
einen elektrischen Lichtbogen 34a zwischen dem Material 26 oder
den Flächen 14a, 16a bildet. Die
von dem Lichtbogen 34a erzeugte Wärme ist ausreichend, um das
Material 26 zu schmelzen. Ein geeigneter Prozess verwendet
eine nicht abschmelzbare Wolframelektrode, um den Lichtbogen zu
bilden, und führt
Gas (d. h., Argon, eine Argon/Helium- oder Argon/Wasserstoff-Kombination) durch
eine Brennerdüse
zu, um den Lichtbogen und das Materialbad von äußeren reagierenden Stoffen
zu schützen.
Wie in 4 gezeigt, wo er als die anfängliche Quelle 20 zum
Abtragen von Oberflächenverunreinigungen
verwendet wird, ist ferner einzusehen, dass ein gasförmiger Strom 36 (in
Kombination mit einer beliebigen Wärmequelle) dazu dient, verdampfte Verunreinigungen
aus der Nut 18 zu entfernen. Wenn sie verwendet wird, um
das Material 26 zu erwärmen, kann
die Elektrode 34 ferner einen schmelzbaren seitlichen Teil
präsentieren,
der während
des Prozesses schmilzt. In dieser Konfiguration ist die Elektrode 34 derart
angeordnet, dass die Schmelztropfen (nicht gezeigt) in das ge schmolzene
Material 26 fallen. Ein geeigneter Prozess zur Verwendung
in dieser Konfiguration ist herkömmlicherweise
als Metall-Schutzgasschweißen
(MSG) bezeichnet.
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Alternativ
kann das System 10 durch Entfernen entweder der ersten
oder dritten Wärmequelle vereinfacht
sein. Zum Beispiel zeigt 6 einen Ablauf,
bei dem die dritte Quelle beseitigt ist und eine Porosität nur reduziert
wird, indem Oberflächenverunreinigungen
mit der anfänglichen
Quelle abgetragen werden. 6c zeigt
grafisch einen Ablauf mit zwei Quellen, wobei die erste Quelle beseitigt
ist und eine Porosität
nur reduziert wird, indem der Temperaturzyklus des geschmolzenen
Bades erhöht
wird. In einer weiteren Alternative kann eine einzelne, sich hin-
und herbewegende Vorrichtung verwendet werden, um die drei hierin
beschriebenen Wärmequellen bereitzustellen,
wobei jeder Lauf eine einzelne Wärmequelle
darstellt (5d). Während der erste Lauf die gesamten
Flächen 14a, 16a behandeln
kann, können
der zweite und dritte Lauf in Übereinstimmung
mit der Abkühlrate
des Hartlötmaterials
verkürzt
sein.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein verbessertes Hartlötsystem mit einer Vielzahl
von Wärmequellen,
das zum Hartlöten
in Reihe einer Vielzahl von benachbarten Werkstücken und zum Reduzieren einer
Porosität
in der hartgelöteten
Verbindung eingerichtet ist. Das System umfasst vorzugsweise einen
ersten Laserstrahl, der mit den Werkstücken in Eingriff steht, um
Oberflächenverunreinigungen
darauf zu verdampfen, einen zweiten Laserstrahl, der derart ausgebildet
ist, dass er das Hartlötmaterial
schmilzt, und einen dritten Laserstrahl, der derart ausgebildet
ist, dass er das Material weiter erwärmt, um so den Temperaturzyklus
desselben zu erweitern oder das Material erneut zu schmelzen.