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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Laserstrahlverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Eine derartige Laserstrahlschweißvorrichtung bzw. ein derartiges Laserstrahlschweißverfahren sind aus der
DE 10 2007 035 717 A1 der Anmelderin bekannt. Bei der bekannten Laserstrahlschweißvorrichtung wird mittels einer Optikeinrichtung, die einen Ringspiegel umfasst, ein im Querschnitt ringförmiger Laserstrahl erzeugt, der auf eine Fügezone zweier insbesondere zylindrisch ausgebildeter Bauteile gerichtet wird. Ferner ist es in der
DE 10 2007 035 717 A1 erwähnt, dass in den Strahlengang zwischen einem Kollimator und einem Axikon ein Strahlenteiler angeordnet sein kann, der gegebenenfalls zur Verstellung einzelner Optikelemente in dem Strahlengang des Laserstrahls dienen kann. Mittels einer derartigen Laserstrahlschweißvorrichtung lassen sich insbesondere geschlossene bzw. ringförmige Schweißnähte an den Bauteilen erzielen. Problematisch ist jedoch der Einsatz einer derartigen Laserstrahlschweißvorrichtung bei Bauteilen bzw. bei Fügezonen, die Unterbrechungen, z. B. in Folge von Kabeldurchbrüchen oder ähnlichem, aufweisen müssen. Daher ist mittels der bekannten Laserstrahlschweißvorrichtung der Einsatz bei derartigen Teilen beschränkt, bzw. die Bauteile müssen konstruktiv an die Möglichkeiten der Laserstrahlschweißvorrichtung angepasst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlschweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Laserstrahlschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 derart weiterzubilden, dass auch Bearbeitungen an einem Bauteil bzw. Schweißnähte komplexerer Form, insbesondere unterbrochene Schweißnähte erzielt werden können. Dadurch ist es möglich, die Bauteile weitgehend unabhängig von der Laserstrahlschweißvorrichtung konstruktiv auszulegen, so dass diese funktionell oder bezüglich sonstiger Eigenschaften, z. B. hinsichtlich einer kostengünstigen Herstellbarkeit oder besonders hoher Kompaktheit, ausgelegt werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Laserstrahlschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Laserstrahlschweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, die optische Einrichtung, die zur Bildung bzw. Formung des im Querschnitt ringförmigen Laserstrahls dient, derart auszubilden, dass diese im Bereich der Bearbeitungszone einen Laserstrahl mit Bereichen unterschiedlicher Intensität bzw. zueinander versetzt angeordnete Abschnitte bzw. laserstrahlfreie Bereiche erzeugt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Umlenkelement als Spiegel mit einer Reflexionsfläche ausgebildet ist und, dass die Reflexionsfläche unterschiedliche geformte Bereiche aufweist. Somit lässt sich die Erfindung bereits mittels einer besonderen Gestaltung des Spiegels verwirklichen, ohne, dass zusätzliche Bauteile der optischen Einrichtung verändert werden müssen.
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Besonders bevorzugt ist hierbei, dass die Bereiche als Segmente ausgebildet sind, wobei in jedem Segment die Reflexionsfläche eben ausgebildet ist. Dadurch lässt sich der Fertigungsaufwand des Ringspiegels insoweit verringern, als die einzelnen Segmente beispielsweise dadurch hergestellt werden können, dass bei einem bestehenden Spiegel Kreissegmente ausgetrennt werden und radial an anderen Orten angeordnet werden. Dadurch ändert sich, bezogen auf eine Längsrichtung des Strahlengangs des Laserstrahls auf den Spiegel, der Eintrittswinkel des Laserstrahls auf den Spiegel und somit auch dessen Austrittswinkel.
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Zur Erzielung versetzt angeordneter Bereiche des Laserstrahls im Bereich der Bearbeitungszone ist es dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass sich die Bereiche hinsichtlich ihres Neigungswinkels unterscheiden.
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Um Bereiche in der Bearbeitungszone auszubilden, an denen kein Laserstrahl auf das Bauteil bzw. die Bauteile auftritt, um damit beispielsweise Bereiche von Kabeldurchbrüchen oder ähnliches nicht zu bearbeiten, ist es in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass Bereiche vorhanden sind, die eine Ablenkung oder einen Durchgang des auf den Spiegel auftreffenden ringförmigen Laserstrahls derart bewirken, dass der ringförmige Laserstrahl nach Passieren des Bereichs an dem Bauteil bzw. den Bauteilen vorbeigeleitet wird.
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Um eine breitere bzw. schmalere Schweißnaht zu erzielen, die beispielsweise in Abhängigkeit von Bauteilegeometrien sinnvoll gewählt wird, ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn der Spiegel Bereiche aufweist, die den eintreffenden ringförmigen Laserstrahl fokussieren oder defokussieren.
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Um insbesondere bei Verwendung zum Beispiel eines Scanners die Vorschubgeschwindigkeit auf den Spiegel und den Bahnradius innerhalb eines Umlaufs oder innerhalb mehrerer Umläufe auf dem Spiegel zu verändern ist es darüber hinaus in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Relativbewegung zwischen den Werkstücken und dem Laserstrahl erzeugen.
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Die Erfindung ist nicht nur für den Einsatz zum Verbinden zweier zylindrisch ausgebildeter Bauteile ausgebildet. Vielmehr ist es darüber hinaus möglich, die Erfindung bei nahezu eine beliebige Querschnittsform aufweisenden Bauteilen einzusetzen. Hierzu ist es vorgesehen, dass der Spiegel eine der Form der Bauteile in der Bearbeitungszone angepasste Form aufweist oder so ausgebildet ist, dass der Fokus auf den Bauteilen eine prozessangepasste Intensitätsverteilung bzw. Geometrie aufweist.
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Mittels der Erfindung lassen sich in Längsrichtung der Bauteile betrachtet auch mehrere ringförmige Schweißnähte gleichzeitig erzeugen. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Umformeinrichtung ein Axikon aufweist und, dass das Axikon zumindest auf der der Laserstrahlquelle zugewandten Seite Flächen mit unterschiedlichen Eintrittswinkeln für den Laserstrahl aufweist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung zur Erzeugung unterbrochener Schweißnähte,
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2 einen Querschnitt durch die Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß 1 im Bereich der Fügezone,
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3 eine perspektivische Darstellung zweier Bauteile, das mittels einer Laserstrahlvorrichtung gemäß den 1 und 2 bearbeitet sind,
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4 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung zur Erzeugung unterbrochener Schweißnähte,
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5 einen Querschnitt im Bereich der Fügezone durch die zweite erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß der 4,
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6 eine dritte erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung zur Erzeugung von zueinander versetzt angeordneten Nahtschweißabschnitten in perspektivischer Ansicht,
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7 eine perspektivische Darstellung zweier mittels der Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß der 6 bearbeiteten Bauteile,
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8 einen Querschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung zur Bearbeitung von im Querschnitt quadratischer Bauteile und
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9 eine vereinfachte Darstellung einer fünften erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung unter Verwendung eines modifizierten Axikons, welches die Erzeugung zweier ringförmiger Laserstrahlen ermöglicht.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erste erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung 10 dargestellt. Die Laserstrahlschweißvorrichtung 10 umfasst eine Laserstrahlquelle 11, die einen Laserstrahl 1 erzeugt, der mittels einer optischen Einrichtung 12 umgeformt wird. Hierzu weist die optische Einrichtung 12, neben anderen Bauteilen, insbesondere ein Axikon 13 und einen Ringspiegel 14 auf. Der Ringspiegel 14 ist im Bereich zweier miteinander zu verbindender Bauteile 2 und 3 angeordnet. Die beiden Bauteile 2 und 3 werden hierbei im Bereich einer als Fügezone 5 ausgebildeten Bearbeitungszone miteinander verbunden. Die beiden, im Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildeten Bauteile 2 und 3 können hierbei entweder stumpf aufeinandertreffen bzw. sollen im Bereich der Fügezone 5 stumpf miteinander verschweißt werden, oder aber, eines der Bauteile 2 bzw. 3 ist hohlzylindrisch ausgebildet, so dass das andere Bauteil 3 bzw. 2 innerhalb des ersten Bauteils 2 bzw. 3 angeordnet werden kann.
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Da die Anordnung bzw. Ausbildung der Bauteile 2, 3 in diesem Zusammenhang nicht erfindungswesentlich ist, sind die Bauteile 2 und 3 in den Figuren daher nur vereinfacht bzw. symbolisch dargestellt. Weiterhin ist wesentlich, dass die Erfindung im Rahmen der Ausführungsbeispiele anhand der Verbindung zweier Bauteile 2, 3 dargestellt ist. Die Erfindung kann jedoch auch Bearbeitungen an nur einem einzigen Bauteil 2, 3 mittels eines Laserstrahls 1 umfassen. In diesem Fall wird dann anstatt einer Fügezone von einer Bearbeitungszone gesprochen.
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Mittels der soweit vereinfacht dargestellten und beschriebenen optischem Einrichtung 12 wird der Laserstrahl 1 zu einem im Querschnitt ringförmigen Laserstrahl 7 umgeformt, der der Bearbeitung bzw. dem Verbinden der beiden Bauteile 2 und 3 dient.
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Um in der Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3 eine unterbrochene Schweißnaht 16 auszubilden, die wenigstens eine Unterbrechung 17 aufweist (siehe 3), ist die erste Laserstrahlschweißvorrichtung 10 besonders ausgebildet. Wie am besten aus einer Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, weist der Ringspiegel 14 ein Segment 18 auf, dessen in einer Richtung ebene, in Umfangsrichtung jedoch gekrümmte Reflexionsfläche 19 derart angeordnet ist, dass der auf das Segment 18 auftreffende Laserstrahl 7 im Bereich des Segmentes 18 radial nach außen abgelenkt wird. Dadurch wird lediglich in dem Bereich bzw. dem (größeren) Segment 21 des Ringspiegels 14, in dem die ebene Reflexionsfläche 22 eine Reflexion des Laserstrahls 7 in Richtung der Bauteile 2 und 3 ermöglicht, eine Schweißnaht 16 erzeugt. Demgegenüber ist der Bereich der beiden Bauteile 2 und 3, in denen sich das Segment 18 befindet, mit einer Unterbrechung 17 ausgebildet.
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Ergänzend wird erwähnt, dass die Reflexionsfläche 19 als separate Schicht auf dem Ringspiegel 14 oder durch eine entsprechende Bearbeitung der Oberfläche (zum Beispiel durch Polieren) des Ringspiegels 14 gebildet sein kann.
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In der 4 ist eine gegenüber der 1 modifizierte Laserstrahlschweißvorrichtung 30 dargestellt. Auch die Laserstrahlschweißvorrichtung 30 dient zum Erzeugen einer unterbrochenen Schweißnaht 16 entsprechend der 3 in der Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3. Im Gegensatz zum Ringspiegel 14 weist der Ringspiegel 14a für den Bereich der Schweißnaht 16, in der die Unterbrechung 17 ausgebildet sein soll, eine Aussparung 31 auf. Somit wird entsprechend der 4 ein auf den Ringspiegel 14a geleiteter Laserstrahl 7 im Bereich der Aussparung 31 nicht reflektiert, sondern wird geradlinig durch den Bereich des Ringspiegels 14a durchgeleitet.
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In der 6 ist eine nochmals modifizierte Laserstrahlschweißvorrichtung 40 zum Erzeugen von zueinander versetzt angeordneten Schweißnahtabschnitten bzw. Schweißnahtsegmenten 41 bis 43 (siehe 7) dargestellt. Hierzu weist der Ringspiegel 14b der Laserstrahlschweißvorrichtung 40 wenigstens ein Segment 44 auf, das gegenüber dem wenigstens einen anderen Segment 45 eine ebene Reflexionsfläche 46 hat, die den eintreffenden Laserstrahl 7 im Bereich des Segmentes 44 in einem anderen Winkel reflektiert als in dem anderen Segment 45. Dazu ist es bei dem Ringspiegel 14b vorgesehen, dass das Segment 44 gegenüber der Horizontalen um einen Winkel α gekippt angeordnet ist, so dass eine entsprechende Änderung des Reflexionswinkels des Laserstrahls 7 im Bereich des Segments 44 ermöglicht wird.
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Die Herstellung des Ringspiegels 14b kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass aus dem Ringspiegel 14b, welcher zunächst über seinen gesamten Umfang betrachtet gleichförmig bzw. mit dem gleichen Reflexionswinkel ausgestattet ist, das Segment 44 herausgetrennt und radial in einer anderen Position angeordnet wird. In der 7 sind die beiden Bauteile 2 und 3 dargestellt, welche mittels der Laserstrahlschweißvorrichtung 40 miteinander verbunden wurden. Hierbei sind die beiden Bauteile 2 und 3 insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet und das Schweißnahtsegment 42 ist in einer Ebene unterhalb der beiden anderen Schweißnahtsegmente 41 angeordnet. Mittels einer derartigen Anordnung bzw. Ausbildung der Laserstrahlschweißvorrichtung 40 lässt sich beispielsweise im Bereich oberhalb des Schweißnahtsegmentes 42 eine Durchführung eines Kabels realisieren, ohne dass die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 2 und 3 dadurch geschwächt wird bzw. eine über den Umfang der beiden Bauteile 2 und 3 gesehen laserstrahlfreie Verbindung ausgebildet werden muss.
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Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass der Ringspiegel 14b in seinen Segmenten 44 und 45 Bereiche aufweist, die eine Fokussierung oder Defokussierung des Laserstrahls 1 bewirken, so dass der Laserstrahl 7 im Bereich der Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3 Zonen mit einem Laserstrahl 7 aufweist, der bereichsweise fokussiert oder defokussiert ist, was entweder schmälere bzw. breitere Schweißnähte zur Folge hat. Dadurch lassen sich beispielsweise geometrische Ungleichmäßigkeiten der Bauteile 2, 3 bzw. konstruktiv gewollt unterschiedliche Spalte optimal miteinander verschweißen.
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In der 8 ist eine weitere modifizierte Laserstrahlschweißvorrichtung 50 dargestellt. Hierbei dient die Laserstrahlschweißvorrichtung 50 der Bearbeitung von im Ausführungsbeispiel eine quadratische Querschnittsfläche aufweisenden Bauteilen 8. Wesentlich hierbei ist, dass die Laserstrahlschweißvorrichtung 50 einen Spiegel 14c aufweist, dessen Form, insbesondere Querschnittsform, im Bereich der Fügezone 5 bzw. der Bearbeitungszone der Bauteile 8 eine der Querschnittsform der Bauteile 8 angepasste Form aufweist oder so ausgebildet ist, dass der Fokus auf den Bauteilen 8 eine prozessangepasste Intensitätsverteilung bzw. Geometrie ermöglicht. Im Ausführungsbeispiel weist daher der Spiegel 14c im Querschnitt ebenfalls im Wesentlichen eine quadratische Form auf. Lediglich in den vier Eckbereichen 51 des Spiegels 14c sind Aussparungen 52 im Spiegel 14c ausgebildet, so dass ein auf den Spiegel 14c auftreffender Laserstrahl 7 in den Eckbereichen 51 nicht reflektiert wird und somit eine Bearbeitung der Ecken der Bauteile 8 vermieden wird.
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In der 9 ist ein modifiziertes Axikon 60 dargestellt. Das Axikon 60 kann sowohl in Verbindung mit einem konventionellen, d. h. eine über den Umfang betrachtet gleichmäßige Reflexionsfläche aufweisenden Ringspiegel, oder aber in Verbindung mit einem der Ringspiegel 14 oder 14a, 14b bzw. dem Spiegel 14c verwendet werden. Mittels des modifizierten Axikons 60 lässt sich ein auf das Axikon 60 auftreffender Laserstrahl 1 in zwei ringförmige Laserstrahlen 61 und 62 aufteilen bzw. umformen. Hierzu weist das Axikon 60 auf der der (nicht dargestellten) Laserstrahlquelle zugewandten Seite Eintrittsflächen 63 und 64 auf, die eine unterschiedliche Neigung, bezogen auf den eintreffender Laserstrahl 1, aufweisen. So wird mittels der einen Eintrittsfläche 63 ein ringförmiger Laserstrahl 61 erzeugt, welcher einen relativ geringen Durchmesser aufweist, während mittels der anderen Eintrittsfläche 64 der Laserstrahl 62 mit einem gegenüber dem Laserstrahl 61 vergrößerten Durchmesser erzeugt wird. Die so ausgebildeten, ringförmigen Laserstrahlen 61 und 62 werden anschließend mittels des bereits angesprochenen, z. B. konventionellen Ringspiegels, oder aber mittels eines der Ringspiegel 14 oder 14a, 14b bzw. dem Spiegel 14c auf die Fügezone 5 der Bauteile 2 und 3 umgelenkt. Mittels des Axikons 60 lassen sich in der Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3 übereinander angeordnete Schweißnähte erzeugen. Hierbei können diese Schweißnähte, wie bereits im Zusammenhang mit den Laserstrahlschweißvorrichtungen 10, 30, 40 und 50 beschrieben, Unterbrechungen oder fokussierte bzw. defokussierte Zonen bzw. Segmente aufweisen.
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Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass bei jeder der Laserstrahlschweißvorrichtungen 10, 30, 40 und 50 Mittel 70 (siehe beispielhaft 1), zum Beispiel in Form eines Scanners, vorgesehen sind, die eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen 2 und 3 und dem jeweils verwendeten Laserstrahl 7 erzeugen. Dadurch lässt sich die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls 1 auf den Ringspiegel 14, 14a, 14b bzw. den Spiegel 14c und der Bahnradius innerhalb eines Umlaufs oder innerhalb mehrerer Umläufe des Laserstrahls 1 variieren. Alternativ ist es auch möglich einen Laserstahl als Einzelstrahl auszubilden, der sich über den Ringspiegel 14, 14a, 14b bzw. den Spiegel 14c bewegt.
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Die soweit beschriebenen Laserstrahlschweißvorrichtungen 10, 30, 40 und 50 sowie das Axikon 60 lassen sich in vielfältiger Art und Weise modifizieren bzw. abwandeln, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, im Bereich der Fügezone 5 zweier Bauteile 2 und 3 einen segmentierten Laserstrahl 7 oder aber einen Laserstrahl 7 mit fokussierten oder defokussierten Bereichen oder aber einen Laserstrahl 7 mit übereinander angeordneten Segmenten bzw. Abschnitten zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007035717 A1 [0002, 0002]
