DE102008041774A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laserverschweißen - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Laserverschweißen, insbesondere zum Laser-Mikroverschweißen, eines ersten Werkstücks (10) mit einem zweiten Werkstück (15) sowie ein Verfahren zum Laserverschweißen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls (20), und einen Laserbearbeitungskopf (30) mit einer Halterung (40) aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Anpresselement (50) vorgesehen, das in den Laserbearbeitungskopf (30) integriert ist.

Description

  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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.
  • Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer erfindungsgemäße Vorrichtung;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Messsystem; und
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf einer erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Anpresselement und einer Führung für ein Werkstück.
  • Beschreibung der Abbildung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10036901 C2 [0003]

Claims (15)

  1. Vorrichtung zum Laserverschweißen, insbesondere zum Laser-Mikroverschweißen, eines ersten Werkstücks (10) mit einem zweiten Werkstück (15) umfassend eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls (20), und einen Laserbearbeitungskopf (30) mit einer Halterung (40), dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpresselement (50) in den Laserbearbeitungskopf (30) integriert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (50) an einer ersten Seite (51) über mindestens ein Stellelement (55) beweglich mit der Halterung (40) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (10) zwischen dem zweiten Werkstück (15) und dem Anpresselement (50) fixierbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der Werkstücke (10, 15) im Wesentlichen spaltfrei zueinander ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (50) an die Form des ersten Werkstücks (10) und/oder des zweiten Werkstückes (15) angepasst werden kann.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (50) eine Führung (53) zur Aufnahme des ersten Werkstücks (10) und/oder des zweiten Werkstücks (15) aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (10, 15) bei einer im Wesentlichen optimalen Fokuslage (22) des Laserstrahls (20) fixiert werden.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (55) eine Feder, insbesondere eine vorgespannte Feder ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung des Stellelementes (55) auf das Anpresselement (50) mechanisch, elektrisch, hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung des Stellelementes (55) individuell regulierbar ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (55) selbstjustierend ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft des Anpresselementes (50) auf die Werkstücke (10, 15) messbar und/oder regulierbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Messsystem (70) die Fokuslage (22) des Laserstrahls (20) gemessen werden kann.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (70) eine Differenz zwischen einer gemessenen Ist-Fokuslage und einer festlegbaren Soll-Fokuslage ermittelt.
  15. Verfahren zum Laserverschweißen, insbesondere Laser-Mikroverschweißen von einem ersten Werkstück (10) mit einem zweiten Werkstück (15) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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