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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier
metallischer Teile mit Hilfe von Laserstrahlung. Es ist besonders
geeignet zur Fertigung kleiner Präzisionsteile mit hohen
Anforderungen an Dichtheit der Schweißnaht und Genauigkeit der
Ausrichtung der Teile zueinander.
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Stand der Technik
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In
der
US 5,451,742 ist
ein herkömmliches Verfahren zum Verschweißen zweier
Teile beschrieben. Ein Laser wird entlang der Stoßkante
der beiden Teile geführt. Der Laser wird gepulst betrieben
und erzeugt entlang der Stoßkante einzelne, sich überlappende
Schweißpunkte. Der Nachteil dieser Methode ist die lange
Prozessdauer. Außerdem können sich die Teile durch
die ungleichmäßige Erhitzung verziehen, was vor
allem für Präzisionsanwendungen von Nachteil ist.
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Die
EP 1 414 612 A1 beschreibt
ein Verfahren bei dem die zu verschweißenden Teile sehr schnell
relativ zu einem Laserstrahl bewegt werden. Dadurch entsteht eine
langgezogene Schweißnaht. Die Prozesszeit wird dadurch
zwar stark verkürzt, aber auch hier findet eine ungleichmäßige
Aufheizung statt.
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In
der
JP 2003-094190 wird
das Problem der ungleichmäßigen Erhitzung und
dem damit verbundenen Verziehen der Teile eines Spindelmotors bei einer
kreisförmigen Schweißnaht dadurch umgangen, dass
zwei oder mehr gepulste Laserstrahlen in regelmäßigen
Winkelabständen an der Stoßkante der zu verschweißenden
Teile entlang geführt werden, wie in
3 dargestellt
ist. Dabei entsteht eine Schweißnaht, die aus einzelnen
von jeweils einem Laserpuls erzeugten Schweißpunkten aufgebaut
ist. Die Prozesszeit dieses Verfahrens ist relativ lang.
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Nachteile des Stands der Technik
und Lösung durch die Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung ein neuartiges Laserschweißverfahren
zur Herstellung von kreisförmigen Schweißnähten
anzugeben, das besonders zum Verschweißen von Präzisionsteilen
mit hohen Anforderungen an Dichtheit der Naht und die Genauigkeit
der relativen Ausrichtung der verschweißten Teile zueinander
geeignet ist, da es die im Stand der Technik auftretende ungleichmäßige
Erhitzung der Bauteile vermeidet, und das außerdem wesentlich
verkürzte Prozesszeiten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass eine Anzahl von n, mindestens jedoch zwei Laserstrahlen zum
Einsatz kommen, die in regelmäßigen Winkelabständen
entlang einer kreisförmigen Stoßkante zweier zu
verschweißender Bauteile angeordnet werden. Die zu verschweißenden Bauteile
werden nun sehr schnell, und zwar mindestens um einen Winkel von
360°/n während einer Laserpulsperiode T, relativ
zu den Laserstrahlen rotiert, und zwar um den Mittelpunkt der kreisförmigen
Stoßkante, so dass eine durchgehende kreisförmige Schweißnaht
bestehend aus n Abschnitten entsteht.
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Dadurch
verkürzt sich Prozessdauer und es treten keine Verformungen
durch ungleichmäßige Erhitzung auf.
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Vorzugsweise
kann durch gezielte Überlappung der Abschnitte der Schweißnaht
eine Energiemodulation an bestimmten oder allen Positionen entlang
der Schweißnaht erzielt werden. Durch teilweise Überlappung
der Abschnitte der Schweißnaht kann beispielsweise die
eventuell geringere Laserleistung zu Beginn und Ende eines jeweiligen
Laserpulses kompensiert werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung überlappen
sich die Abschnitte der Schweißnaht komplett. Dadurch wird
die Schweißnaht weiter in ihrer Dichtheit verbessert.
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Es
ist auch denkbar den Schweißprozess über eine
Anzahl von z Laserpulsen zu wiederholen, so dass jeder Abschnitt
einer Schweißnaht mehrmals (z-mal) von einem Laserstrahl überstrichen
wird. So wird die Festigkeit und Dichtheit der Schweißnaht weiter
verbessert. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die jeweiligen
Laserpulse eine unterschiedliche Leistung aufweisen. So kann an
jedem Punkt der Schweißnaht eine Modulation des Energieeintrags erreicht
werden, wodurch beispielsweise gezielt Metallspritzer vermieden,
und eine verbesserte Dichtheit der Schweißnaht erreicht
werden können. Dieses Verfahren ist damit allgemein vorteilhaft
für schwer zu schweißende Materialien.
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Statt
z Abschnitte mit einem Winkel 360°/n mit z Pulsen unterschiedlicher
Leistung zu schweißen, kann in einer anderen vorteilhaften
Ausführung der Erfindung auch mittels „Pulse-Shaping” ein
einziger Puls verwendet werden, der in z Stufen (jeweils Dauer T/z)
in seiner Leistung moduliert wird.
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Allgemein
ist jede Kombination von einer Anzahl n von Laserstrahlen und einer
Anzahl z von Laserpulsen denkbar. Dabei kann ein einzelner Laserpuls
in seinem Energieverlauf im Wesentlichen konstant sein oder moduliert
werden.
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Abhängig
von der Anwendung kann es weiterhin vorteilhaft sein, das Verfahren
ganz oder zeitweise unter Schutzgas durchzuführen.
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Das
Verfahren eignet sich besonders für die Verbindung von
Teilen eines Spindelmotors für Festplattenlaufwerke.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
im Schnitt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf Teilen eines Spindelmotors.
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2a–c
stellen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines Ausführungsbeispiels mit drei Laserstrahlen
dar:
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2a zeigt
die Ausgangsposition,
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2b zeigt
die Anordnung während des Schweißvorgangs,
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2c zeigt
die fertige Schweißnaht mit Überlappbereichen.
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3 stellt
ein Laserschweißverfahren nach dem Stand der Technik dar.
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4a zeigt
schematisch den Verlauf der Abschnitte der Schweißnaht
bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4b zeigt
schematisch den Temperaturverlauf und die Laserleistung an einem
beliebigen Punkt P auf einer nach dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung erzeugten Schweißnaht.
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Ausführungsbeispiele
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Am
Beispiel einer mit einer Nabe zu verschweißenden Welle
für einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager zum Antrieb
eines Festplattenlaufwerks soll die Erfindung näher beschrieben
werden. In 1 ist schematisch ein Schnitt
durch eine entsprechende Anordnung dargestellt. 2 zeigt schematisch
eine Aufsicht der entsprechenden Bauteile.
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Eine
Welle 10, die drehbar in einer Laserbuchse 14 gelagert
ist, soll mit einem Nabenbauteil 12 verschweißt
werden. Das Nabenbauteil trägt weiterhin ein Rotorbauteil 16,
das später die Magnetspeicherplatten (nicht dargestellt)
aufnimmt. Die Welle 10 weist am oberen Ende eine axiale
Bohrung 15 auf. Die Welle ist 10 ist an ihrem
oberen Ende durch eine Presspassung mit dem Nabenbauteil 12 verbunden.
Durch das zusätzliche Verschweißen der Stoßkante
von Welle 10 und Nabenbauteil 12 soll die Verbindung
verstärkt und abgedichtet werden. In dieser speziellen
Anwendung sind die Anforderungen an die Dichtheit der Schweißnaht
sehr hoch, da kein Lagerfluid durch die Schweißnaht nach
außen dringen darf, was die Magnetplatten verschmutzen
würde. Auch dürfen beim Schweißvorgang
keine Partikel entstehen.
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Wie
in 2a dargestellt, ist die Stoßkante 24 und
spätere Schweißnaht zwischen Welle 10 und Nabenbauteil 12 kreisförmig.
Der Strahl 20 eines Lasers wird durch eine geeignete Optik 18 in
mehrere (in 1 in zwei, in 2a in
drei) Laserstrahlen 20', 20'', 20''' gleicher
Energie aufgeteilt. Die Laserstrahlen 20', 20'', 20''' werden
in regelmäßigen Winkelabständen, entsprechend
360°/n, wobei n die Anzahl der Laserstrahlen ist, entlang
des Umfangs 24 der Stoßkante etwa senkrecht zu
den Werkstücken platziert. Der Laser wird gepulst betrieben,
die Laserpulsdauern T betragen typischerweise wenige Millisekunden.
Neben einer Laserstrahl-Aufteilung durch eine refraktive Optik ist
auch eine Austeilung mittels Spiegeln oder Prismen möglich.
Alternativ können auch mehrere Laser eingesetzt werden,
die synchron betrieben werden.
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Während
einer Laserpulsperiode werden die zu verschweißenden Bauteile 10 und 12,
die sich in einer entsprechend gelagerten Halterung (nicht dargestellt)
befinden, um ihre Mittelachse 30 relativ zu den Laserstrahlen 20', 20'', 20''' rotiert.
Der Rotationswinkel während der Dauer eines Laserpulses
T entspricht dabei erfindungsgemäß mindestens 360°/n,
wobei n die Anzahl der Laserstrahlen 20', 20'', 20''' ist.
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Der
Ablauf des Schweißvorgangs ist in den 2a–c
schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
mit drei Laserstrahlen 20', 20'', 20''' rotieren
die Bauteile 10, 12 also um mindestens 120°. Damit
wird der komplette Umfang der Stoßkante 24 abgefahren
und durch eine Schweißnaht bestehend aus mehreren Abschnitten 22', 22'', 22''' verbunden die
jeweils dem zurückgelegten Weg der Laserstrahlen 20', 20'', 20''' entsprechen.
Dies ist schematisch in 2b (während
des Schweißens) und 2c (nach
Beendigung des Schweißvorgangs) dargestellt. Alternativ
können die Bauteile 10, 12 auch feststehen,
währen sich die Laserstrahlen 20', 20'', 20''' während
der Dauer eines Laserpulses bewegen.
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Vorzugsweise
rotieren die Bauteile 10, 12 relativ zu den Laserstrahlen 20', 20'', 20''' um
etwas mehr als 360°/n, wie in 2c dargestellt,
so dass Überlappungsbereiche 26 der einzelnen
Abschnitte 22', 22'', 22''' der Schweißnaht
entstehen. Durch die teilweise Überlappung der Abschnitte 22', 22'', 22''' kann
beispielsweise die ansteigende bzw. abfallende Laserleistung zu
Beginn und Ende eines jeweiligen Laserpulses kompensiert werden.
Außerdem wird die Schweißnaht weiter in ihrer
Dichtheit verbessert.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn jeder Punkt entlang der Schweißnaht 22 im
Verlauf des Schweißvorgangs einen modulierten Energieeintrag erfährt.
Dies wird in einer besonders vorteilhaften Ausführung der
Erfindung dadurch erreicht, dass der Schweißvorgang mehrmals
hintereinander durchgeführt wird, also mehrere Laserpulse
eingesetzt werden. Durch Anpassung der Leistung der jeweiligen Laserpulse
kann in Verbindung mit Überlappung der einzelnen Abschnitte 22', 22'', 22''' der
Schweißnaht eine kontrollierte Aufheizung, Aufschmelzung
und Abkühlung der Bauteile entlang der Schweißnaht
erreicht werden. Da die einzelnen Laserpulse jedoch eine konstante
Leistung haben und nur die Gesamtleistung der einzelnen Pulse variiert
werden muss, kann auf ein aufwendiges Formen („Pulse-Shaping”) der
einzelnen Pulse verzichtet werden. Dieses Prinzip ist am Beispiel
von drei Laserstrahlen 20', 20'', 20''' (n
= 3) und eines Schweißprozesses mit drei Laserpulsen a,
b und c (z = 3) in 4a und 4b dargestellt.
Die Bauteile 10, 12 werden dabei insgesamt um
einen Winkel von 360°/n·z = 360° um die Rotationsachse 30 rotiert, so
dass jeder Punkt auf der Schweißnaht von drei Laserpulsen
erreicht wird. Jeder Abschnitt (22' strichliert dargestellt, 22'' punktiert
dargestellt, 22''' durchgezogen dargestellt) der Schweißnaht
kann demnach in drei Unterabschnitte 22'a, 22'b, 22'c; 22'a', 22''b, 22''c; 22'''a, 22'''b, 22'''c unterteilt
werden, die den jeweiligen Laserpulsen a, b und c entsprechen.
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Der
Laser wird nun so eingestellt, dass die drei Pulse jeweils unterschiedliche
Leistungen liefern. 4 zeigt eine entsprechende
Messkurve 40 des zeitlichen Verlaufs der Laserleistung
an einem beliebigen Punkt P auf der Schweißnaht. Die Messkurven
in 4b beziehen sich auf einen beliebigen Punkt P
auf der Schweißnaht und stellen die Laserpulsleistungen
der einzelnen Laserpulse a, b, c an diesem Punkt dar. Man erkennt,
dass in diesem Beispiel der erste Laserpuls a eine vergleichsweise
geringe Leistung, der zweite Laserpuls b eine hohe Leistung und
der dritte Laserpuls c wieder eine geringere Leistung besitzt. Dadurch
ergibt sich am Punkt P ein Temperaturverlauf, der in etwa der schematischen
Temperaturkurve 44 entspricht. Ein solcher Temperaturverlauf
hat den Vorteil, dass durch das langsame Aufheizen und Abkühlen
der Schweißstelle Metallspritzer vermieden werden und eine
dichtere und homogenere Schweißnaht erreicht werden kann.
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Ein
sehr ähnlicher Effekt wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel
beschrieben lässt sich auch mit einem einzelnen Laserpuls
erreichen, wenn dieser durch eine geeignete Ansteuerung so moduliert
wird, dass er drei Phasen mit unterschiedlicher Energie aufweist.
Die zu verschweißenden Bauteile werden während
der Pulsdauer um 360° rotiert. Der Energieeintrag und die
Temperatur an einem beliebigen Punkt P entlang der Schweißnaht
hat in diesem Beispiel einen Verlauf, der im Wesentlichen der 4b entspricht.
Die Prozesszeit verkürzt sich in diesem Beispiel auf die
Dauer eines Pulses.
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- 10
- Welle
- 12
- Nabe
- 14
- Lagerbuchse
- 15
- Bohrung
- 16
- Rotorbauteil
- 18
- Optik
- 20
- Laserstrahle
- 20',
20'', 20'''
- Laserstrahlen
- 22
- Schweißnaht
- 22'
22'', 22'''
- Abschnitte
der Schweißnaht
- 22'a,
22'b, 22'c; 22''a, 22''b, 22''c; 22'''a, 22'''b, 22'''c
- Abschnitte
der Schweißnaht
- 24
- Umfang
der Stoßkante
- 26
- Überlappbereich
- 30
- Rotationsachse
- 40
- Verlauf
der Laserleistung am Punkt P
- 44
- Verlauf
Temperatur am Punkt P
- a
- erster
Laserpuls
- b
- zweiter
Laserpuls
- c
- dritter
Laserpuls
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5451742 [0002]
- - EP 1414612 A1 [0003]
- - JP 2003-094190 [0004]