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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung sowie ein Laserstrahlschweißverfahren nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche.
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Eine derartige Laserstrahlschweißvorrichtung bzw. ein derartiges Laserstrahlschweißverfahren sind aus der
DE 10 2007 035 717 A1 der Anmelderin bekannt. Mittels der bekannten Laserstrahlschweißvorrichtung lassen sich insbesondere zylindrisch ausgebildete Werkstücke verbinden, die stirnseitig aneinander stoßen, wobei die Verzugsneigung durch den ringförmig ausgebildeten Laserstrahl zumindest weitgehend reduziert ist. Es hat sich in der Praxis jedoch herausgestellt, dass die Einschweißtiefe mittels der bekannten Laserstrahlschweißvorrichtung relativ gering ist. Dies rührt insbesondere daher, dass die Energiedichte des ringförmigen Laserstrahls im Bereich der Fügezone begrenzt ist. Somit lassen sich insbesondere konzentrisch zueinander angeordnete Bauteile nur begrenzt miteinander verschweißen, besonders, wenn das äußere Bauteil eine relativ große Wanddicke aufweist. Um relativ große Einschweißtiefen zu erzielen wird allgemein das sogenannte Lasertiefschweißverfahren angewandt, bei dem zur Erzielung eines Tiefschweißeffektes die Ausbildung einer sogenannten Dampfkapillare erforderlich ist, die sich aufgrund der oben beschriebenen Problematik mit den üblicherweise verwendeten Laserstrahlschweißeinrichtungen nicht ausbilden lässt.
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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 sowie ein Laserstrahlschweißverfahren nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden, dass damit ein Laserstrahlschweißen mit vergrößertem Energieeintrag in die Fügezone der Bauteile ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bei einer Laserstrahlschweißvorrichtung sowie einem Laserstrahlschweißverfahren mit den Merkmalen der beiden unabhängigen Ansprüche gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, durch eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen und dem ringförmigen Laserstrahl lokal eine Intensitätserhöhung und somit eine vergrößerte Energiedichte des ringförmigen Laserstrahls zu bewirken, welcher zur Ausbildung der erforderlichen bzw. gewünschten Dampfkapillare führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung sowie des Laserstrahlschweißverfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen dabei sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Mittel eine Verstelleinrichtung für die beiden Bauteile umfassen, die die beiden Bauteile gemeinsam bewegt. Dadurch, dass die Bauteile in der Regel eine viel geringere Masse aufweisen als die Optikeinrichtung und zusätzliche Einflüsse vermieden werden sollen, die gegebenenfalls entstehen, wenn die Optikeinrichtung bewegt wird, können mit den vorgeschlagenen Mittel besonders günstige bzw. einfache Bewegungen erzielt werden.
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Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Verstelleinrichtung wenigstens zwei Piezoaktoren aufweist, die getrennt voneinander ansteuerbar sind und die Bauteile in zueinander senkrecht angeordneten Richtungen bewegen. Mittels einer derartigen Anordnung der Piezoaktoren können insbesondere auf relativ einfache Art und Weise beliebige Bewegungsbahnen in einer Ebene erzielt werden.
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Gleichzeitig wird durch den Einsatz der Piezoaktoren eine hochgenaue und schnelle Verstellung bzw. Relativbewegung der Bauteile bewirkt.
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Unter wirtschaftlichen Aspekten hinsichtlich der Investitionskosten der Laserstrahlquelle hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, wenn die Laserstrahlquelle als gepulste Laserstrahlquelle ausgebildet ist.
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Bei einem erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahren ist es besonders bevorzugt, dass die Bewegung entlang einer der Querschnittsform der Bauteile im Bereich der Fügezone angepassten Bewegungsbahn erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass im Laufe des Schweißprozesses in der gesamten Fügezone der miteinander zu verbindenden Bauteile stets überall dieselbe Energiedichte vorgeherrscht hat, so dass sich Bauteilverzüge mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit vermeiden lassen und eine gleichmäßige Einleitung des Laserstrahls in die zu verbindenden Werkstücke erleichtert bzw. ermöglicht wird.
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Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Bewegungsbahn besonders bevorzugt geschlossen ausgebildet ist und die maximale Bewegungsamplitude insbesondere zwischen 0,01 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, beträgt. Bereits bei derart geringen Bewegungsamplituden lässt sich dabei die benötigte hohe Energiedichte des Laserstrahls in der Fügezone erzeugen.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren für zylindrische Bauteile, insbesondere mit einem Durchmesser kleiner 10 mm eingesetzt.
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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 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung in einer Seitenansicht,
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2 eine perspektivische, vereinfachte Darstellung zweier zu verbindender Bauteile unter Verwendung eines ringförmigen Laserstrahls und
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3 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahrens.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit der gleicher Funktion sind in den Figuren mit denselben Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung 10 zum Verbinden zweier Bauteile 1 und 2 dargestellt. Die Bauteile 1 und 2 können dabei insbesondere zylindrisch ausgebildet sein und weisen einen Durchmesser von maximal 10 mm auf. Es ist jedoch auch denkbar, mittels der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung 10 Bauteile 1 und 2 beliebiger Form bzw. Außen kontur miteinander zu verschweißen. Die Bauteile 1 und 2 können dabei, wie in der 1 dargestellt, entweder stumpf miteinander verbunden werden, oder aber es handelt sich um zwei Bauteile 1 und 2, von denen wenigstens ein Bauteil 1, 2 hohlzylindrisch ausgebildet ist, während das andere Bauteil 2, 1 innerhalb des ersten Bauteils 1, 2 unter Anlagekontakt angeordnet ist. Erfindungswesentlich hierbei ist lediglich, dass das Verbinden der beiden Bauteile 1 und 2 unter Anwendung eines Laserstrahltiefschweißens erfolgen soll, bei der sich typischerweise eine sogenannte Dampfkapillare ausbildet.
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Die Laserstrahlschweißvorrichtung 10 weist eine Laserstrahlquelle 11 auf. Die Laserstrahlquelle 11 ist insbesondere als gepulste Laserstrahlquelle 11 ausgebildet und erzeugt einen Laserstrahl 3. Der Laserstrahl 3 wird mittels einer Optikeinrichtung 15, welche unter anderem einen Ringspiegel 16 umfasst, zu einem im Querschnitt ringförmigen Laserstrahl 5 umgeformt. Der ringförmige Laserstrahl 5 trifft dabei auf eine Fügezone 6 der beiden Bauteile 1 und 2, wobei die Verschweißung der beiden Bauteile 1 und 2 im Bereich der Fügezone 6 erfolgt.
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Erfindungswesentlich ist, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 und dem ringförmigen Laserstrahl 5 in einer Ebene parallel zum ringförmigen Laserstrahl 5 ermöglichen. Hierzu ist es vorgesehen, dass die beiden Bauteile 1 und 2 mittels einer im Einzelnen nicht näher dargestellten Versteileinrichtung 17 in den in der 1 mit X und Y bezeichneten Richtungen verstellbar ist, wobei die Y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1 verläuft. Hierzu weist die Verstelleinrichtung 17 zwei Piezoaktoren 18 und 19 auf, die jeweils mit der X- bzw. Y-Richtung ausgerichtet sind. Mittels der Piezoaktoren 18 und 19 wird eine Bewegung der beiden Bauteile 1 und 2 in Richtung der X- bzw. Y-Richtung ermöglicht, wobei die Bewegungsamplitude dabei insbesondere zwischen 0,01 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, beträgt. Die Ansteuerung der beiden Piezoaktoren 18 und 19 erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 20.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahrens wird nunmehr zunächst auf die 2 verwiesen. Man erkennt in der 2 insbesondere die beiden stirnseitig aneinander stoßenden Bauteile 1 und 2, welche im Bereich der Fügezone 6 miteinander verschweißt werden sollen. Hierbei wird zunächst davon ausgegangen, dass die (zylindrischen) Bauteile 1 und 2 mit ihrer gemeinsamen Längsachse 22 konzentrisch zum Ringspiegel 16 (nicht dargestellt) ausgerichtet sind. Daraus folgt, dass der ringförmige Laserstrahl 5 im Bereich der Außenflächen der beiden Bauteile 1 und 2 mit gleichmäßiger Energiedichte auf die beiden Bauteile 1 und 2 auftrifft, was durch die im selben Abstand zueinander angeordneten Pfeile 23 dargestellt bzw. illustriert sein soll.
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Bezüglich des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahrens wird zur Erläuterung nunmehr auf die 3 verwiesen: Man erkennt hierbei zum einen die Anordnung der beiden Bauteile 1 und 2 (identisch zur 2) sowie andererseits die Anordnung der beiden Bauteile 1' und 2' (wovon der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich das Bauteil 1' dargestellt ist), welche um einen Abstand a in einer Ebene parallel zum ringförmigen Laserstrahl 5 verschoben sind. Insbesondere erkennt man hierbei, dass durch die außermittige Anordnung der beiden Bauteile 1' und 2' in dem Bereich 25 an den Mantelflächen der beiden Bauteile 1 und 2 eine (im Vergleich zu 2) engere Anordnung der Pfeile 23 auftritt. Damit einhergehend ist somit auch eine höhere Energiedichte des ringförmigen Laserstrahls 5, welche derart hoch ist, dass sich im Bereich 25 die gewünschte Dampfkapillare ausbilden kann.
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Zur Erzeugung einer umlaufenden Dampfkapillare bzw. einer umlaufenden Lasertiefverschweißung werden die beiden Piezoaktoren 18 und 19 der Laserstrahlschweißvorrichtung 10 derart angesteuert, dass diese die beiden Bauteile 1 und 2 entlang einer geschlossenen Bewegungsbahn, vorzugsweise kontinuierlich, bewegen. Das bedeutet, dass die Dampfkapillare bzw. der Bereich 25 mit der Bewegung der beiden Bauteile 1 und 2 mit auf der Bewegungsbahn umläuft. Falls zylindrische Bauteile 1 und 2 miteinander verschweißt werden, ist die Bewegungsbahn dabei kreisförmig ausgebildet. Jedoch ist es, wie oben erläutert, prinzipiell auch möglich, Bauteile 1 und 2 beliebiger Querschnittsflächen bzw. -formen miteinander zu verschweißen, wobei die Bewegungsbahn entsprechend angepasst sein muss.
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Die soweit beschriebene Laserstrahlschweißvorrichtung 10 lässt sich in vielfältiger Art und Weise abwandeln bzw. modifizieren, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 und dem ringförmigen Laserstrahl 5 derart auszubilden, dass sich lokal in der Fügezone 6 ein Bereich 25 erhöhter Energiedichte des Laserstrahls 5 erzeugen lässt, der zur Bildung einer Dampfkapillare führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007035717 A1 [0002]
