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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserverschweißen
von Werkstücken, insbesondere zum Lasermikroverschweißen
und Fügen von dünnen, flexiblen Werkstücken,
sowie ein Verfahren zum Laserverschweißen von Werkstücken.
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Stand der Technik
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Bei
Vorrichtungen zum Laserverschweißen, insbesondere zum Lasermikroverschweißen,
bei dem mit einem Laserpuls, der im Millisekundenbereich liegt eine
Verbindung hergestellt werden muss, sind die Positionierung und
die Spanntechnik zum Fixieren der beiden zu verbindenden Fügepartner
von großer Bedeutung, da meist bereits ein minimaler Spalt
zwischen den Fügepartnern nicht zulässig ist und/oder
den Fügeprozess so stark beeinflusst, dass die Reproduzierbarkeit
der Verbindung abnimmt, die Ausschusszahlen steigen und die Verbindung
nicht bei einer Serienproduktion hergestellt werden kann. Aus diesem
Grunde kommt es insbesondere beim Fügen von dünnen,
flexiblen und bei immer kleiner werdenden Werkstücken,
wie beispielsweise in der Elektronik, der Elektrik oder der Mechatronik,
der Spanntechnik eine große Bedeutung zu und stellt hohe
Anforderungen an die entsprechende Spanntechnik. Bislang werden
die zu verbindenden Werkstücke über Spannmittel
fixiert und geklemmt. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass
die Spannmittel bei jedem Schweißprozess immer wieder neu
an die jeweiligen Werkstücke angepasst werden müssen, dabei
konstruktiv sehr aufwändig sind und sich die Wartung und
Reinigung während des Betriebes als sehr schwierig erweist.
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Aus
der
DE 100 36 901
C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
einer Laserschweißverbindung zwischen einer flexiblen Metallfolie,
insbesondere Cu-Folie, und einem metallischen Kontaktpartner bekannt,
bei dem eine spaltfreie Anlage der Metallfolie an die Verbindungsfläche
des Kontaktpartners durch eine spezielle Niederhalttechnik sichergestellt
werden kann. Hierbei erweist sich allerdings als nachteilig, dass,
insbesondere bei derart kleinen und filigranen Werkstücken,
der Laserfokus bei jedem Schweißprozess immer wieder neu
an die jeweiligen Werkstücke angepasst und positioniert werden
muss, wobei insbesondere die Fokuslage, d. h. die Lage des Laserfokus
relativ zur Werkstückoberfläche, exakt eingestellt
und im Serienprozess eingehalten werden muss. Aufgrund dessen sind derzeit
bei Serienproduktionen in der Industrie exakte Fokuslageneinstellung
und/oder deren Überprüfung während eines
Schweißprozesses nicht oder nur mit erheblichem Aufwand
möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Somit
ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zum Laserverschweißen von Werkstücken bereitzustellen,
mit dessen Hilfe eine schnelle und einfache Fokuslageneinstellung auch
bei industriellen Serienprozessen ermöglicht werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung zum Laserverschweißen mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laserverschweißen
von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserverschweißen
eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück,
mit dessen Hilfe insbesondere ein Lasermikroschweißen durchgeführt
werden kann, weist eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls
und einen Laserbearbeitungskopf mit einer Halterung auf, wobei ein
Anpresselement vorgesehen ist, das in den Laserbearbeitungskopf
integriert ist.
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Das
Anpresselement ist insbesondere an einer ersten Seite über
mindestens ein Stellelement beweglich mit der Halterung verbunden,
so dass beim Aufsetzen des Laserbearbeitungskopfes die beiden Werkstücke über
das bewegliche Anpresselement aufeinander gepresst/gespannt werden
können. Vorteilhaft kann das Anpresselement verschiedene
Formen aufweisen, wobei beispielsweise eine mögliche Form
des Anpresselementes ein Kegelstumpf ist, der wiederum eine Durchgangsbohrung für
den Laserstrahl aufweist.
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Vorzugsweise
ist das erste Werkstück zwischen dem zweiten Werkstück
und dem Anpresselement über eine Anpresskraft fixierbar,
wodurch ein Spalt an der Fügezone zwischen den Werkstücken deutlich
reduziert werden kann, wobei am vorteilhaftesten die Fixierung der Werkstücke
im Wesentlichen spaltfrei zueinander ist. Beispielsweise kann das
Anpresselement die Werkstücke entweder flächig,
in Linienberührung oder nur punktuell aufeinanderpressen.
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Vorteilhaft
kann das Anpresselement auch an die Geometrie des ersten Werkstücks
und/oder des zweiten Werkstückes angepasst werden und weist
dabei bevorzugt eine Führung zur Aufnahme des ersten Werkstücks
und/oder des zweiten Werkstücks auf. Wenn beispielsweise
Draht gefügt werden soll, ist es sinnvoll, dass das Anpresselement eine
entsprechende Führung aufweist, die an die Form des Drahtes
angepasst ist, wodurch der Draht in der Führung seitlich
nicht verrutschen oder wegrollen kann, sondern durch die Führung
und die Anpresskraft zwischen dem Anpresselement und dem zweiten
Werkstück fixiert wird, so dass der Laserstrahl optimal
positionierbar ist.
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Besonders
bevorzugt sind die Werkstücke bei einer für den
jeweiligen Schweißvorgang optimalen Fokuslage des Laserstrahls
fixierbar, wobei das erste Werkstück durch den Laserbearbeitungskopf solange
auf das zweite Werkstück gepresst wird, bis die für
den Schweißvorgang optimale Fokuslage des Laserstrahls
erreicht ist.
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Vorzugsweise
wird als Stellelement eine Feder verwendet und in einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform eine vorgespannte Feder,
so dass Bewegungen der Werkstücke und/oder des Laserbearbeitungskopfes
während des Schweißprozesses automatisch ausgeglichen
werden können. Ferner ist es möglich, das Stellelement
zu justieren, so dass beispielsweise durch eine Anpassung der Federkraft und
des Federweges, die Fokuslage optimal eingestellt werden kann, während
die Fügezone zwischen den Werkstücken im wesentlich
spaltfrei bleibt.
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Die
Kraftübertragung des Stellelementes auf das Anpresselement
kann dabei mechanisch, elektrisch, hydraulisch und/oder pneumatisch
erfolgen, wodurch ermöglicht wird, dass die Kraftübertragung durch
eine Bewegung des Anpresselementes erfolgt und somit der Laserbearbeitungskopfes
vor und/oder während der Fixierung der Werkstücke
nicht bewegt werden muss. Da auf diese Weise auch weniger Masse
bewegt und beschleunigt werden muss, kann die Fixierung der Werkstücke
schneller durchgeführt werden. Des Weiteren ist es dadurch
möglich, die Anlagentechnik einfacher und günstiger
zu gestalten.
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Vorzugsweise
ist die Kraftübertragung des Stellelementes vor und/oder
während und/oder nach dem Schweißprozess individuell
regulierbar, so dass zu jedem Verfahrenszeitpunkt eine Korrektur
der Werkstückfixierung erfolgen kann. Dabei kann die Kraftübertragung
entweder über eine Bewegung des gesamten Laserbearbeitungskopfes
oder über eine Bewegung des Stellelementes unabhängig
von einer Bewegung des Laserbearbeitungskopfes erfolgen, wobei auch
eine Kombination dieser beiden Bewegungen möglich ist.
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Vorteilhaft
kann das Stellelement und somit die Anpresskraft des Anpresselementes
vor und/oder während und/oder nach dem Schweißprozess
selbstjustierend sein, so dass auftretende Bewegungen zwischen den
Werkstücken und dem Anpresselement während des
Schweißprozesses durch das Stellelement ausgeglichen werden
können.
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Ferner
kann die Anpresskraft des Anpresselementes auf die Werkstücke
vor und/oder nach und/oder während des Schweißprozesses
messbar und/oder regulierbar sein. Dadurch kann sichergestellt werden,
dass jede Verbindung mit der optimalen, bzw. mit der notwendigen
Fügekraft gefügt wird.
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Besonders
bevorzugt kann über ein Messsystem die Fokuslage des Laserstrahls
gemessen werden, wobei auf diese Weise insbesondere der Weg des
Anpresselementes zwischen einer Ausgangslage und der optimalen Soll-Fokuslage
gemessen und gespeichert werden kann, wobei das Messsystem vorteilhaft
mit einer Bewegungsachse, die parallel zum Laserstrahl verläuft,
kombinierbar ist und anhand der gemessenen und gespeicherten Daten,
bei jedem Schweißprozess erneut, eine im wesentlichen optimale
Fokuslage des Laserstrahls, schnell und unproblematisch eingestellt
werden kann. Vorteilhaft ermittelt das Messsystem eine Differenz
zwischen einer gemessenen Ist-Fokuslage und einer festlegbaren Soll-Fokuslage,
wobei die Soll-Fokuslage, eine für das angewandte Laserschweißverfahren
optimal eingestellte und zuvor definierte Fokuslage des Laserstrahls
ist. Zusätzlich können über das Messsystem
unterschiedliche Parameter des Schweißprozesses, wie beispielsweise
der Setzweg des Anpresselementes, die Anpresskraft oder die Fokuslage
des Laserstrahls gemessen werden.
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Durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei dem an
jedem Schweißpunkt eine im wesentlichen optimale Fokuslage
eingestellt und fixiert werden kann, ist es möglich, Prozessschwankungen,
die häufig durch eine unzureichende Einhaltung der Fokuslage
hervorgerufen werden, im wesentlichen zu vermeiden.
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Grundsätzlich
kann sowohl ein gepulster als auch ein cw-Laser verwendet werden,
wobei das Messsystem mit gepulsten Laser vorteilhaft ausbaubar ist,
indem das Messsystem sowohl beim Absenken des Laserbearbeitungskopfes
aus der Ist-Fokuslage auf die Werkstücke als auch beim
Aufbauen der Anpresskraft sowie beim Erreichen der Soll-Fokuslagen
ein Signal an den Laser sendet und dadurch ein entsprechender Laserpuls
ausgelöst werden kann. Anschließend, nach dem
Schweißvorgang, wird der Laserbearbeitungskopf wieder angehoben.
Auf diese Weise ist es möglich, dass bei gepulsten Schweißprozessen
mit einer kurzen Pulsdauer in Bereichen von beispielsweise 1 bis
100 ms, der Schweißprozess bereits während des
Anpressvorgangs, bzw. des Absenkens des Laserbearbeitungskopfes
beginnen kann. Wobei die Absenkgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes
an den jeweiligen Schweißprozess derart anpassbar ist,
so dass während des Laserpulses nicht zu große
Abweichungen in der Fokuslage entstehen können.
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Vorzugsweise
weist das Messsystem einen Schalter oder Taster auf, der bei Erreichen
der Soll-Position den Laserpuls auslöst, so dass der Laserpuls
immer in der für den Schweißprozess optimalen
und vorgeschriebenen Fokuslage erfolgt. Ferner kann durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit einem beweglichen Stellelement sichergestellt werden,
dass die Werkstücke mit einem technischen Nullspalt aufeinander
gepresst werden können, ohne dass zusätzliche
Anpresstechniken benötigt werden.
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Des
Weiteren kann durch das Messsystem und eine mechanisch, elektrisch,
hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgte Kraftübertragung
ermöglicht werden, dass die Anpresskraft während
des Schweißprozesses veränderbar und an den Prozessfortschritt
anpassbar ist. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf und/oder
das Anpresselement entsprechend nachgesetzt werden, um während
des Schweißprozesses die Anpresskraft konstant aufrechtzuerhalten
oder an den jeweiligen Prozessfortschritt anzupassen. Ferner ist
es möglich, anhand der ermittelten und ausgewerteten Messergebnisse sowohl
auf die Fügestellenvorbereitung als auch auf das Fügeergebnis
zu schließen.
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Vorteilhaft
kann die Vorrichtung, vorzugsweise von innen, mit Schutzgas, bzw.
Prozessgas gespült werden und/oder nach dem Schweißprozess mit
einem Druckstoß gereinigt werden. Des Weiteren ist es möglich,
verschmutze Teile des Anpresselementes auszuwechseln, so dass die
Werkzeugkosten gering gehalten werden können.
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Eingesetzt
werden kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere
in den Bereichen, in denen kleine, dünne und flexible Werkstücke
gefügt werden sollen, da gerade bei dünnen Werkstücken der
Fügespalt eine sehr große Rolle spielt und bisher nur
sehr aufwendig und mittels zusätzlicher Spanntechniken
auf den technischen Nullspalt zu reduzieren war. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung ermöglicht eine einfache und reproduzierbare
Sicherstellung des technischen Nullspalts, ohne zusätzliche Spannmittel.
Desweiteren sind insbesondere beim Fügen vieler Schweißpunkte
auf engem Raum neue Designs der jeweiligen Fügestelle sowie
der Anlagen- und Systemtechnik möglich. Ferner eröffnet eine
erfindungsgemäße Vorrichtung neue Möglichkeiten
im Bereich der Automatisierbarkeit, wodurch die Vorrichtung auf
eine Vielzahl von Anwendungsfeldern, insbesondere in der Mikrotechnik
und Elektronikfertigung, flexibel angewendet werden kann.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserverschweißen
von Werkstücken, mit einer Vorrichtung, die insbesondere,
wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Anpresselement
in einen Laserbearbeitungskopf integriert, wodurch Werkstücke
schnell und unkompliziert im Wesentlichen spaltfrei zueinander fixiert
werden können.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen
zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und
diskutierten Figuren und die nachfolgende Beschreibung genauer erläutert. Dabei
ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben
und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer
erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer
erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Messsystem;
und
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3 einen
schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer
erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Anpresselement
und einer Führung für ein Werkstück.
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Beschreibung der Abbildung
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In 1 zeigt
einen Laserbearbeitungskopfes 30, welcher eine Halterung 40 und
ein Anpresselement 50 aufweist, welches mit einer ersten
Seite 51 über eine Stellelement 55 beweglich
mit der Halterung 40 verbunden ist. Das Stellelement 55 kann
dabei entweder ein mechanisch, elektrisch, hydraulisch und/oder
pneumatisch bewegbares Element sein, das entsprechend justierbar
oder besonders vorteilhaft selbstjustierend ist, wie beispielsweise
bei einer vorgespannten Feder. Über eine zweite Seite 52 des Anpresselementes 50 fixiert
das Stellelement 55 ein erstes Werkstück 10 spaltfrei
auf einem zweiten Werkstück 15. Während
eines Schweißprozesses werden die beiden Werkstücke 10, 15 mit
einem Laserstrahl 20 durch eine Durchgangsbohrung innerhalb
des Anpresselementes 50 hindurch bestrahlt, wobei durch
Senken oder Heben des Laserbearbeitungskopfes 30 und/oder über
ein Verstellen des Anpresselementes 50 über das
Stellelement 55 eine optimale Fokussierung 21 des
Laserstrahls 20 und eine exakte Fokuslage 22 des
Laserstrahls 20 auf den Werkstücken 10, 15 möglich
ist. Durch das bewegliche Stellelement 55 wird ferner eine
konstante Anpresskraft des Anpresselementes 50 auf die
Werkstücke 10, 15 aufrechterhalten, wodurch
kleinere Bewegungen während des Schweißprozesses,
wie Bewegungen der Werkstücke 10, 15 und/oder
des Laserbearbeitungskopfes 30 automatisch ausgeglichen werden
können.
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2 zeigt
den Laserbearbeitungskopfes 30 aus 1, wobei
zwischen der Halterung 40 und dem Anpresselement 50 ein
Messsystem 70 angeordnet ist. Auf diese Weise kann die
Anpresskraft des Anpresselementes 50 auf die Werkstücke 10, 15 vor und/oder
nach und/oder während des Schweißprozesses konstant
gemessen und reguliert werden. So ist es beispielsweise möglich, über
das Messsystem 70 die Fokuslage 22 des Laserstrahls 20 zu
messen, wobei insbesondere der Weg des Anpresselementes 50 zwischen
einer Ausgangslage und der optimalen Soll-Fokuslage gemessen und
gespeichert werden kann, um anhand der gemessenen und gespeicherten
Daten bei jedem weiteren Schweißprozess erneut dieselbe
und im Wesentlichen optimale Fokuslage, schnell und unproblematisch
einzustellen. Das Messsystem 70 ermittelt dabei vorteilhaft
eine Differenz zwischen einer Ausgangs- bzw. Ist-Fokuslage und einer
Soll-Fokuslage, die abhängig vom Schweißprozess
definiert werden kann. Zusätzlich können unterschiedliche
Parameter des Schweißprozesses, wie beispielsweise der
Setzweg oder die Anpresskraft gemessen werden. Ferner ist es möglich das
Messsystem 70 mit einem einfachen nicht dargestellten Schalter
oder Taster zu kombinieren, so dass bei Erreichen der Soll-Fokuslage
ein Laserpuls ausgelöst wird und so der Schweißprozess
immer in einer im Wesentlichen optimalen, bzw. zuvor definierten
Fokuslage 22 erfolgen kann.
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3 veranschaulicht,
dass das Anpresselement 50 des Laserbearbeitungskopfes 30 unterschiedliche
Formen aufweisen kann, wobei es möglich ist, das Anpresselement 50 an
die verschiedenen Werkstückformen anzupassen. So könnte
beispielsweise das erste Werkstück 10 in der 3 ein
Draht sein, welcher durch das angepasste Anpresselement 50 auf
dem platten zweiten Werkstück 15 fixiert werden
kann. Dabei weist das Anpresselement 50 eine Führung 53 und
eine Durchgangsbohrung auf, wobei das erste Werkstück 10 derart
in der Führung 53 aufgenommen werden kann, dass
es möglich ist, das erste Werkstück 10 im
Wesentlichen spaltfrei auf dem zweiten Werkstück 15 zu
fixieren und durch die Durchgangsbohrung hindurch zu bestrahlen,
ohne das es während des Schweißprozesses seitlich
wegrollen oder verrutschen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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