DE102010007717A1 - Connecting two workpieces using transmission welding, comprises contacting both workpieces over a contact area extending in x-y direction, where the contact area has a joining area, and directing a laser line to the joining area - Google Patents

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Abstract

The method for connecting two workpieces (1, 2) using transmission welding, comprises contacting both workpieces over a contact area (10) extending in x-y direction, where the contact area has a joining area (3), and directing a laser line having certain width and extending in the x-y direction to the joining area, which is formed from line sections having equal lengths, where the lie sections and the joining area are completely illuminated by a laser beam bundle from a laser source, and moving the laser line relative to the joining area with a relative velocity in y-direction. The method for connecting two workpieces (1, 2) using transmission welding, comprises contacting both workpieces over a contact area (10) extending in x-y direction, where the contact area has a joining area (3), and directing a laser line having certain width and extending in the x-y direction to the joining area, which is formed from line sections having equal lengths, where the lie sections and the joining area are completely illuminated by a laser beam bundle from a laser source, moving the laser line relative to the joining area with a relative velocity in y-direction, and welding both workpieces with one another over the entire joining area. The contact area is defined as a strip matrix (31) extending in the x-y direction, where the strip matrix is formed from strips with a strip width in x-direction equal to the length of the line sections. The contact area is defined as an arrangement of strip elements (32) assigned to the strips, where the strip elements are detected and stored with respect to their positions and strip elongations in y-direction. The line sections are individually illuminated under the use of the stored data and the relative velocity to illuminate the strip elements of the strips with the laser beam bundle. The control of the laser beam bundle of the associated laser source takes place over a controller, so that the laser source is switched on when the line sections caused by it completely lie inside the strip elements in y-direction and remains switched-on so long as the line sections caused by it completely lie inside the strip elements in y-direction. The laser beam bundle of each laser source is formed, so that the distribution of the power of the laser beam bundle in each line sections corresponds to a top-hat distribution. The laser line is formed in a broken manner, where the disruptions are distributed over the length of the laser line in a regular or irregular manner and in same and different lengths. An independent claim is included for a device for connecting two workpieces using transmission welding.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verbindung von Materialien mittels Durchstrahlschweißen, wobei strukturierte Fügebereiche mit einer hohen räumlichen Auflösung miteinander verbunden werden können, wie dies gattungsgemäß in der EP 0 997 261 B9 beschrieben ist.The invention relates to a method and apparatus for connecting materials by means of transmission welding, wherein structured joining areas can be connected to one another with a high spatial resolution, as generically described in US Pat EP 0 997 261 B9 is described.

Zur Durchführung des Durchstrahlschweißens werden zwei miteinander zu verbindende Werkstücke so zusammengelegt, dass sich diese entlang eines Kontaktbereiches unmittelbar berühren. Innerhalb des Kontaktbereiches liegt der Fügebereich. Ein erstes Werkstück ist für Laserstrahlen transmittierend und einer Laserquelle zugewandt. Das zweite Werkstück ist für die Laserstrahlen absorbierend. Die Laserstrahlen durchdringen das erste transmittierende Werkstück, treffen auf die oberen Schichten des zweiten Werkstückes, werden dort absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die oberen Schichten des zweiten Werkstückes schmelzen auf, wobei es durch Wärmeleitung auch zu einer Aufschmelzung der angrenzenden Schichten des ersten Werkstückes und zu einer stoffschlüssigen Verbindung beider Materialien der Werkstücke kommt.In order to carry out the through-beam welding, two workpieces to be joined together are folded together so that they touch each other directly along a contact region. Within the contact area lies the joining area. A first workpiece is transmissive to laser beams and faces a laser source. The second workpiece is absorbing for the laser beams. The laser beams penetrate the first transmitting workpiece, hit the upper layers of the second workpiece, are absorbed there and converted into heat energy. The upper layers of the second workpiece melt, whereby by thermal conduction also to a melting of the adjacent layers of the first workpiece and a cohesive connection of both materials of the workpieces comes.

Sollen beide Werkstücke entlang eines Fügebereiches, der über seine Ausdehnung verschiedene Abmaße aufweist, also strukturiert ist, miteinander verbunden werden, so muss das Auftreffen der Laserstrahlen auf die Bereiche des strukturierten Fügebereiches begrenzt werden, um ein Verschweißen auch anderer Bereiche innerhalb des Kontaktbereiches zu vermeiden.If both workpieces are to be connected to one another along a joining region, which has different dimensions over its extent, that is, the impact of the laser beams on the regions of the structured joining region must be limited in order to prevent welding of other regions within the contact region.

Eine Möglichkeit hierfür ist die Verwendung eines punkt- oder linienförmig auf den Fügebereich zweier Werkstücke fokussierten Laserstrahls, wie dies in der EP 1 405 713 B1 beschrieben ist. Eine den Laserstrahl fokussierende, als Rolle oder Kugel ausgebildete und auf der Oberfläche des transmittierenden Werkstückes aufsetzende optische Linse, wird synchron mit dem Laserstrahl über den Fügebereich bewegt. Dabei werden die zu verschweißenden Werkstücke durch die Linse lokal zusammengepresst. Mit der Umsetzung der Offenbarungen der EP 1 405 713 B1 können Werkstücke präzise über strukturierte Fügebereiche miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung größerer Flächen sich allerdings als sehr zeitintensiv darstellt.One possibility for this is the use of a point or line focused on the joining region of two workpieces laser beam, as in the EP 1 405 713 B1 is described. A laser lens focusing, designed as a roller or ball and placed on the surface of the transmitting workpiece optical lens is moved synchronously with the laser beam over the joint area. The workpieces to be welded are locally compressed by the lens. With the implementation of the disclosures of EP 1 405 713 B1, workpieces can be connected to one another precisely over structured joining areas, although the connection of larger areas is very time-consuming.

In der EP 997 261 B9 ist ein Verfahren offenbart, in dem zwei Werkstücke mittels Durchstrahlschweißen miteinander in einem strukturierten Fügebereich verbunden werden.In the EP 997 261 B9 discloses a method in which two workpieces are connected by means of transmission welding together in a structured joining region.

Dabei wird die freie Oberfläche des transmittierenden Werkstückes von einer laserlichtundurchlässigen Maske abgedeckt und die Maske durch Laserstrahlen (nachfolgend Laserstrahlenbündel genannt) in Form eines Laservorhangs beaufschlagt, der durch Kollimation und Fokussierung von Laserstrahlenbündeln einer oder mehrerer Laserquellen erzeugt wird. Die Maske ist korrespondierend zum strukturierten Fügebereich durchbrochen, so dass diejenigen Bereiche des Fügebereiches abgeschattet werden, die nicht miteinander verbunden werden sollen. Die durch die Maske abgeschatteten Laserstrahlenbündel werden reflektiert.In this case, the free surface of the transmitting workpiece is covered by a laserlichtundurchlässigen mask and the mask by laser beams (hereinafter laser beam called) applied in the form of a laser curtain, which is generated by collimation and focusing of laser beams of one or more laser sources. The mask is perforated corresponding to the structured joint area, so that those areas of the joint area are shaded, which should not be connected to each other. The shadowed by the mask laser beams are reflected.

Die Laserstrahlenbündel treffen in einer Laserlinie auf der Oberfläche des absorbierenden Werkstückes auf, wobei die Laserlinie durch die Gestaltung der Maske in Linienabschnitte untergliedert wird. Ist die Maske korrespondierend zu einem Linienabschnitt durchbrochen, so wird der Linienabschnitt mit der vollen Leistung der Laserstrahlen beleuchtet; bei nicht durchbrochener Maske bleibt der betreffende Linienabschnitt unbeleuchtet. Werkstücke und Laserlinie werden relativ zueinander bewegt, wodurch die Laserlinie über den Fügebereich geführt wird. Dabei wird die Laserlinie ständig an die Ausdehnung des zu einem Zeitpunkt überstrichenen Fügebereiches angepasst. Die Ausdehnung des Laservorhangs, und damit die maximale Ausdehnung der Laserlinie, kann durch eine Änderung des Arbeitsabstandes von Laserquelle und Maske eingestellt werden. Zudem kann die Energiedichte der Laserlinie dadurch angepasst werden, dass die Leistung der Laserstrahlenbündel verändert wird.The laser beams impinge in a laser line on the surface of the absorbing workpiece, the laser line being subdivided into line segments by the design of the mask. If the mask has been perforated corresponding to a line segment, the line segment is illuminated with the full power of the laser beams; if the mask is not broken, the respective line segment remains unlit. Workpieces and laser line are moved relative to each other, whereby the laser line is guided over the joint area. The laser line is constantly adapted to the extent of the swept over at a time joining area. The extension of the laser curtain, and thus the maximum extension of the laser line, can be adjusted by changing the working distance of the laser source and the mask. In addition, the energy density of the laser line can be adjusted by changing the power of the laser beam.

Nachteilig an einer solchen Lösung ist die Notwendigkeit der kostenintensiven Anfertigung von werkstückspezifischen Masken. Eine unmittelbare Korrektur oder Nachjustierung in einem laufenden Herstellungsprozess ist daher nicht möglich.A disadvantage of such a solution is the need for the cost-intensive production of workpiece-specific masks. An immediate correction or readjustment in an ongoing manufacturing process is therefore not possible.

Eine Änderung der Strukturierung des Fügebereiches bedarf der Anfertigung und Verwendung einer neuen Maske. Diese muss zumeist auch bei jedem zu verbindendem Werkstückpaar erneut aufgelegt und positioniert werden.A change in the structuring of the joining area requires the preparation and use of a new mask. This usually has to be re-applied and positioned at every workpiece pair to be connected.

Es ist weiterhin energetisch ungünstig, dass ein Teil der emittierten Laserstrahlenbündel nicht genutzt und außerdem mehr oder minder diffus reflektiert wird, was eine erhöhte Materialbelastung der Vorrichtung bedeutet und zusätzliche Arbeitsschutzmaßnahmen erforderlich macht.It is also energetically unfavorable that a portion of the emitted laser beam is not used and also more or less diffusely reflected, which means an increased material load on the device and additional occupational safety measures required.

Ferner ist keine Lösung bekannt, mit deren Hilfe die Verteilung der Leistungsdichte entlang einer Laserlinie gesteuert werden kann, außer das Abschnitte der Laserlinie, ganz im Sinne einer Binärsteuerung, entweder nicht oder aber mit voller Leistung beleuchtet werden. Eine Veränderung der Leistungsparameter der Laserstrahlenbündel wirkt sich dabei immer gleichmäßig auf mehrere oder alle Linienabschnitte der Laserlinie aus. Eine abschnittsweise Justage der Leistung ist nicht bekannt.Furthermore, no solution is known by means of which the distribution of the power density along a laser line can be controlled, except that sections of the laser line are illuminated in the sense of a binary control, either not or at full power. A change in the power parameters of the laser beam always has the same effect on several or all Line segments of the laser line off. A section-wise adjustment of the service is not known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum Verbinden von Werkstücken mittels Durchstrahlschweißens entlang frei wählbar strukturierter Fügebereiche ohne die Verwendung einer Maske zu schaffen. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die auf einem Linienabschnitt einer Laserlinie auftreffende Leistung der Laserstrahlenbündel abschnittsweise eingestellt werden kann.The invention has for its object to provide a way to connect workpieces by Durchstrahlschweißens along freely selectable structured joining areas without the use of a mask. It is also an object of the invention to show a possibility of how the incident on a line section of a laser line power of the laser beam can be adjusted in sections.

Unter Laserquellen werden nachfolgend alle ein Laserstrahlenbündel emittierende, technische Einrichtungen verstanden, und zwar unabhängig davon, ob in diesen Einrichtungen das Laserstrahlenbündel unmittelbar selbst erzeugt und emittiert wird oder das Laserstrahlenbündel durch diese Einrichtungen von einem Emitter weggeleitet und mittelbar emittiert wird. Mittelbare Emittenten können beispielsweise Anordnungen von Lichtwellenleitern sein.In the following, laser sources are understood as meaning all technical devices emitting a laser beam, independently of whether the laser beam is generated and emitted directly in these devices or the laser beam is conducted away from an emitter and indirectly emitted by these devices. Indirect emitters may be, for example, arrangements of optical waveguides.

Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Verbinden von zwei Werkstücken mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke über einen in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich berühren, der wenigstens einen Fügebereich umfasst, bei dem eine in x-Richtung ausgedehnte Laserlinie bestimmter Breite auf den Fügebereich gerichtet wird, die aus einer Vielzahl von Linienabschnitten gleicher Länge gebildet wird, die jeweils durch ein Laserstrahlenbündel, jeweils von einer Laserquelle kommend, ausgeleuchtet werden, die Laserlinie mit einer Relativgeschwindigkeit in y-Richtung relativ zum Fügebereich bewegt wird, wodurch der Fügebereich durch die Laserstrahlenbündel vollständig ausgeleuchtet wird und die beiden Werkstücke über den gesamten Fügebereich miteinander verschweißt werden, dadurch gelöst, dass der Kontaktbereich als eine in x-y-Richtung ausgedehnte Streifenmatrix definiert wird, gebildet aus Streifen mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte, dass der Fügebereich als eine Anordnung von jeweils einem Streifen zugeordneten Streifenelementen definiert wird, die bezüglich ihrer Lage und ihrer Streifenausdehnung in y-Richtung erfasst und abgespeichert werden und dass die Linienabschnitte unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit einzeln ausgeleuchtet werden, um jeweils die Streifenelemente eines Streifens mit einem Laserstrahlenbündel auszuleuchten.The object is achieved by means of a method for joining two workpieces by means of transmission welding, wherein the two workpieces touch each other over a contact area extended in the xy direction, which comprises at least one joining area in which a laser line of a certain width extended in the x direction points towards the joining area is formed of a plurality of line sections of equal length, each by a laser beam, each coming from a laser source, illuminated, the laser line is moved relative to the joining region at a relative speed in the y-direction, whereby the joining region through the laser beam completely is illuminated and the two workpieces are welded together over the entire joining area, achieved by the contact area is defined as a striped strip matrix in the xy direction, formed from strips with a strip width in the x direction equal to the Length of the line sections that the joining area is defined as an array of strip elements associated with a strip, which are detected and stored with respect to their position and stripe extent in the y direction and the line sections are individually illuminated using the stored data and the known relative speed to illuminate each of the strip elements of a strip with a laser beam.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die virtuelle Aufteilung des Kontaktbereiches in eine Streifenmatrix mit zu einem Fügebereich korrespondierenden Streifenelementen und durch die Erzeugung einer in ihrer Ausdehnung aus Linienabschnitten zusammengesetzten und hinsichtlich der Leistung der ein Streifenelement beleuchtenden Laserstrahlenbündel abschnittsweise aktiv einstellbaren Laserlinie gebildet.The core of the method according to the invention is formed by virtue of the virtual division of the contact region into a strip matrix with strip elements corresponding to a joining region and by generating a laser line which is composed in sections of line sections and which can be actively adjusted in sections as regards the power of the laser beam illuminating a strip element.

Unter einer aktiven Einstellung werden steuerungstechnische Maßnahmen verstanden, die durch entsprechende Steuerbefehle gezielt durchgeführt werden können. Passive Einstellungen sind dagegen solche, die nicht durch steuerungstechnische Maßnahmen erreicht werden können. Unter passiven Maßnahmen in diesem Sinne wird die bloße Verwendung von abschattenden Mitteln, wie die oben angeführten Masken, verstanden.An active setting is understood to be control-technical measures that can be carried out in a targeted manner by means of corresponding control commands. Passive settings, on the other hand, are those that can not be achieved by control measures. By passive measures in this sense is meant the mere use of shading means, such as the masks mentioned above.

Die Lage eines jeden virtuellen Streifenelementes in einem Streifen und dessen Ausdehnung in Richtung des Streifens (Streifenausdehnung) kann frei gewählt werden.The position of each virtual strip element in a strip and its extension in the direction of the strip (stripe extent) can be chosen freely.

Die Aufteilung des Kontaktbereiches erfolgt nach einer Regel, die beispielsweise als Programm zur Verfügung gestellt wird.The division of the contact area is carried out according to a rule, which is provided for example as a program.

Denjenigen virtuellen Streifenelementen, über die eine Verbindung erfolgen soll, wird jeweils ein Wert zugewiesen, der sie als zum Fügebereich gehörig kennzeichnet.Those virtual strip elements over which a connection is to be made are each assigned a value that identifies them as belonging to the joining area.

Die Daten zur Lage und Ausdehnung von Kontaktbereich und Fügebereich werden wiederholt abrufbar und in einer für eine Analyse geeigneten Form gespeichert.The data on the position and extent of contact area and joining area are repeatedly retrievable and stored in a form suitable for analysis.

Die Laserlinie besitzt in x-Richtung eine Länge und in y-Richtung eine Breite. Die Länge der Laserlinie ist vorzugsweise nicht geringer als die Ausdehnung des Fügebereiches in x-Richtung.The laser line has a length in the x direction and a width in the y direction. The length of the laser line is preferably not less than the extension of the joining region in the x direction.

Zu jedem Zeitpunkt sind die Lage und Länge der Laserlinie sowie die Lage und Ausdehnung des zu diesem Zeitpunkt von der Laserlinie überstrichenen Fügebereiches bekannt. Diese Informationen werden miteinander verglichen und bilden die Grundlage der Ansteuerung der Laserquellen, der Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung und der gegebenenfalls vorhandenen sonstigen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Mittel.The position and length of the laser line as well as the position and extent of the joining area swept by the laser line at this time are known at all times. This information is compared with each other and form the basis of the control of the laser sources, the means for generating the relative movement and any other means necessary for carrying out the method according to the invention.

Die Ausrichtung der Laserstrahlen erfolgt unter Verwendung bekannter strahlformender optischer Mittel. Werden Laserquellen verwendet, deren Laserstrahlenbündel entlang der verschiedenen Dimensionen der Öffnung der Laserquellen auf verschiedenen Achsen und mit verschiedenen Divergenzwinkeln emittiert wird, ist es eine bevorzugte Ausführung, wenn die Laserstrahlenbündel aller Achsen zusammengeführt und kollimiert werden.Alignment of the laser beams is accomplished using known beamforming optical means. When laser sources are used whose laser beams are emitted along the different dimensions of the aperture of the laser sources on different axes and with different divergence angles, it is a preferred embodiment when the laser beams of all axes are brought together and collimated.

In vorteilhafter Weise wird durch eine kollimierte, also zueinander parallel ausgerichtete, Strahlführung erreicht, dass solche Bereiche des Fügebereiches, die sich in weiteren Ausführungsformen der Erfindung zwar senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlenbündel, jedoch entlang der z-Achse in unterschiedlichen x-y-Ebenen befinden, mit gleicher Energie beaufschlagt werden. Advantageously, by a collimated, so parallel aligned, beam guidance is achieved that those regions of the joining region, which are in other embodiments of the invention, although perpendicular to the propagation direction of the laser beam, but along the z-axis in different xy planes, with the same energy are applied.

Eine parallele Strahlführung erlaubt es daher, auf eine Fokussierung der Laserstrahlenbündel zur Erzeugung der Laserlinie zu verzichten. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann jedoch eine Fokussierung vorgesehen und entsprechende technische Mittel vorhanden sein.A parallel beam guidance therefore makes it possible to dispense with focusing the laser beam for generating the laser line. In further embodiments of the invention, however, a focus may be provided and appropriate technical means may be present.

In jedem Linienabschnitt der Laserlinie folgt die Verteilung der Leistung der Laserstrahlenbündel einer Normalverteilung, die jedoch durch die Eigenschaften der eingesetzten optischen Mittel modifiziert werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sich die Verteilung der Leistung sowohl über die Länge als auch über die Breite eines Linienabschnittes einer Top-Hat-Verteilung (Rechteckverteilung) annähert, die steile Anstiege und einen plateauhaften Verlauf der Amplitude besitzt. Durch eine solche Verteilung der Leistung innerhalb der Abschnitte der Laserlinie wird eine flächenscharfe gegenseitige Abgrenzbarkeit der Linienabschnitte und deren gleichmäßige Beleuchtung gewährleistet.In each line segment of the laser line, the distribution of the power of the laser beam follows a normal distribution, which however can be modified by the properties of the optical means used. In particular, it is advantageous if the distribution of the power approaches both the length and the width of a line segment of a top hat distribution (rectangular distribution), which has steep rises and a plateau-shaped course of the amplitude. Such a distribution of the power within the sections of the laser line ensures a sharp-cut mutual delimitation of the line sections and their uniform illumination.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Leistung der emittierten Laserstrahlenbündel jeder einzelnen Laserquelle über eine Ansteuerung individuell einzustellen. Die Leistung der Laserstrahlenbündel wird dadurch gesteuert, dass die elektrische Leistungsaufnahme der einzelnen Laserquellen eingestellt wird. Der Bereich, in dem die Leistung der Laserstrahlenbündel eingestellt werden kann, wird durch die technischen Eigenschaften der jeweiligen Laserquelle bestimmt und reicht von einer Leistung gleich Null bis zur maximal möglichen Leistung der betreffenden Laserquelle.According to the invention, it is possible to set the power of the emitted laser beams of each individual laser source individually via a drive. The power of the laser beams is controlled by adjusting the electrical power consumption of the individual laser sources. The range in which the power of the laser beam can be adjusted is determined by the technical characteristics of the respective laser source and ranges from zero power to the maximum possible power of the laser source in question.

Insbesondere bei der Verwendung von Laserdioden als Laserquellen ist es von Vorteil, wenn die sich entlang der sogenannten „schnellen Achse” ausbreitenden Laserstrahlenbündel, durch geeignete optische Mittel kollimiert werden. Vorzugsweise sind die Laserstrahlenbündel jeweils so angeordnet, dass die kollimierten Laserstrahlenbündel der schnellen Achse die Breite der Laserlinie bestimmen.In particular, when using laser diodes as laser sources, it is advantageous if the laser beam propagating along the so-called "fast axis" are collimated by suitable optical means. Preferably, the laser beams are each arranged so that the collimated laser beams of the fast axis determine the width of the laser line.

Die Laserlinie kann unterbrochen ausgebildet werden, wobei die Unterbrechungen gleich oder unterschiedlich lang und regel- oder unregelmäßig über die Länge der Laserlinie verteilt sein können.The laser line can be formed interrupted, the interruptions can be the same or different lengths and regularly or irregularly distributed over the length of the laser line.

Eine individuelle Einstellung der Leistung der Laserstrahlenbündel ist jederzeit aktiv möglich. Sie ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Durchlässigkeit des transmittierenden Werkstückes aufgrund seiner Oberflächengestaltung oder aus herstellungstechnischen Gründen variiert.An individual adjustment of the power of the laser beam is always active. It is useful, for example, if the permeability of the transmitting workpiece varies due to its surface design or manufacturing reasons.

Die erreichbare räumliche Auflösung der entlang des Fügebereiches zu erzeugenden Schweißverbindung hängt hauptsächlich von den Abmaßen der Linienabschnitte der Laserlinie ab. Werden Laserquellen mit geringen Abmaßen verwendet, z. B. Lichtleitfasern, können die Linienabschnitte der Laserlinie klein gehalten und dadurch eine hohe Auflösung erreicht werden. Die Auflösung kann darüber hinaus erhöht werden, wenn mehrere Laserlinien angeordnet sind und sich deren Linienabschnitte in Richtung der x-Achse um einen bestimmten Betrag überlappen. Der Betrag der Überlappung kann in weiteren Ausführungen einstellbar sein.The achievable spatial resolution of the welded joint to be created along the joint area mainly depends on the dimensions of the line segments of the laser line. If laser sources are used with small dimensions, z. As optical fibers, the line sections of the laser line can be kept small and thereby high resolution can be achieved. In addition, the resolution can be increased if a plurality of laser lines are arranged and their line segments overlap in the x-axis direction by a certain amount. The amount of overlap can be adjustable in further embodiments.

Eine Anpassung der Leistung der Laserstrahlenbündel je Linienabschnitt kann in zwei vorteilhaften Weisen erreicht werden. Zum einen kann die Leistung jeder Laserquelle mittels einer geeigneten Ansteuerung individuell von einem Wert gleich Null bis zur maximalen Leistung der Laserquelle eingestellt werden.An adjustment of the power of the laser beams per line section can be achieved in two advantageous ways. On the one hand, the power of each laser source can be adjusted individually by means of a suitable control from a value equal to zero to the maximum power of the laser source.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung verbleiben die Laserquellen im eingeschalteten Zustand. Es ist vorteilhaft, wenn die Laserquellen auch hier hinsichtlich ihrer emittierten Leistung individuell steuerbar sind. Um Abschnitte der Laserlinie mit einer Leistung von Null zu beleuchten, werden die betreffenden Laserstrahlenbündel durch in den Strahlengang der Laserstrahlenbündel eingreifende Mittel an einer Beleuchtung des ihnen zugeordneten Streifens gehindert. Der Vorteil dieser Ausführung liegt in der Reduzierung von regelungstechnisch ungünstigen Effekten, wie sie durch eine schnelle und wiederholte Änderung der Leistungsaufnahmen elektrotechnischer Bauteile auftreten können.In a further advantageous embodiment, the laser sources remain in the on state. It is advantageous if the laser sources can also be individually controlled with respect to their emitted power. In order to illuminate portions of the laser line with a power of zero, the respective laser beams are prevented by engaging in the beam path of the laser beam means to illumination of their associated strip. The advantage of this design lies in the reduction of unfavorable control effects, as they can occur by a rapid and repeated change in the power consumption of electrical components.

Erfolgt zwischen dem Fügebereich einerseits und der Laserlinie andererseits eine Relativbewegung, werden die Informationen über die relative Lage von Fügebereich und Laserlinie, über die Relativgeschwindigkeit sowie der Ausdehnung des Fügebereiches kontinuierlich oder in Zeitintervallen und/oder nach Zurücklegen eines bestimmten Betrages der Relativbewegung verglichen. Die relative Lage kann zudem anhand der Erfassung der Lage von an mindestens einem Werkstück vorhandenen Marken und/oder markanten Eigenschaftsänderungen der Werkstücke mittels bekannter optischer und/oder taktiler Verfahren erfasst und kontrolliert werden.If a relative movement takes place between the joining region on the one hand and the laser line on the other hand, the information about the relative position of the joining region and laser line, the relative velocity and the expansion of the joining region are compared continuously or at time intervals and / or after a certain amount of relative movement has been covered. The relative position can also be detected and controlled by means of the detection of the position of existing at least one workpiece marks and / or significant changes in property of the workpieces by means of known optical and / or tactile methods.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine erste Vorrichtung zum Verbinden von zwei Werkstücken mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke über einen, in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich berühren, der wenigstens einen Fügebereich umfasst, wobei mehrere, jeweils ein Laserstrahlenbündel emittierende Laserquellen sowie optische Mittel vorhanden sind, welche die Laserstrahlenbündel in y-Richtung kollimieren und zueinander so anordnen, dass sie Linienabschnitte gleicher Länge entlang einer sich in x-Richtung ausdehnenden Laserlinie auf dem Kontaktbereich ausleuchten können, ferner ein Träger zur Aufnahme der Werkstücke und ein Antrieb zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen Träger und Laserquellen vorhanden sind, dadurch gelöst, dass eine Ansteuerung vorhanden ist, die mit jeder Laserquelle verbunden ist und die Laserquellen mittels der Ansteuerung individuell ansteuerbar sind, dass ein Speicher vorhanden ist, der mit der Ansteuerung verbunden ist und der dazu ausgelegt ist, einen Fügebereich innerhalb des Kontaktbereiches als eine Anordnung von Streifenelementen, die jeweils einem Streifen mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte einer Streifenmatrix zugeordnet sind, mit ihrer Lage und Ausdehnung in y-Richtung, abzuspeichern und dass die Ansteuerung so ausgelegt ist, dass sie die Laserquellen, jeweils einem Streifen zugeordnet, unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit so ansteuert, dass jeweils die Streifenelemente eines Streifens durch ein Laserstrahlenbündel einer Laserquelle beaufschlagt werden.The object is further achieved by a first device for connecting two workpieces by means of transmission welding, wherein the two workpieces on one, in the xy direction contact extended contact area, which comprises at least one joining region, wherein a plurality of laser beams each emitting a laser beam and optical means are present, which collimate the laser beams in the y-direction and arranged to each other so that they line sections of equal length along an x-direction expands Laser line can illuminate on the contact area, further comprising a support for receiving the workpieces and a drive for generating a relative movement between the carrier and laser sources are achieved in that a drive is present, which is connected to each laser source and the laser sources by means of the control are individually controllable, that a memory is present, which is connected to the drive and which is adapted to a joining area within the contact area as an array of strip elements, each of a strip with a stripe width in x-Richtun g are equal to the length of the line sections associated with a strip matrix, with their position and extent in the y direction, store and that the drive is designed so that they the laser sources, each associated with a strip, using the stored data and the known relative speed so controls that each of the strip elements of a strip are acted upon by a laser beam of a laser source.

Als Speicher kommen alle Anlagen in Betracht, mit denen der Kontaktbereich und der Fügebereich hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung virtuell in Streifenelemente einer Streifenmatrix unterteilt, diese Informationen wiederholt abrufbar gespeichert und analysiert werden können.All systems which can be used to store the contact area and the joining area virtually in terms of their position and extent in strip elements of a strip matrix can be used as memory, and this information can be repeatedly retrievably stored and analyzed.

Laserquellen können beispielsweise Laserdioden, Nd:YAG-Laser oder jeder andere geeignete Laser sein.Laser sources may be, for example, laser diodes, Nd: YAG lasers or any other suitable laser.

Es ist auch möglich, Laserquellen durch sogenannte gekoppelte Module, also durch mit mindestens einem Emitter verbundene Lichtwellenleiter wie Lichtleitfasern oder Faserbündel, bereit zu stellen.It is also possible to provide laser sources by so-called coupled modules, that is to say by optical waveguides, such as optical fibers or fiber bundles, which are connected to at least one emitter.

Jede einzelne Laserquelle ist mit einer zentralen Ansteuerung verbunden und kann durch diese hinsichtlich der Leistung der durch sie emittierten Laserstrahlenbündel individuell angesteuert werden. Dies geschieht mittels einer geeigneten elektrischen und/oder elektronischen Schaltung.Each individual laser source is connected to a central control and can be individually controlled by it with regard to the power of the laser beam emitted by them. This is done by means of a suitable electrical and / or electronic circuit.

In weiteren Ausführungen können zusätzliche optische Mittel vorhanden sein, durch welche die Laserstrahlenbündel zueinander angeordnet und auf die Laserlinie fokussiert werden können.In further embodiments, additional optical means may be present, by means of which the laser beams can be arranged relative to each other and focused on the laser line.

Die Laserquellen sind vorzugsweise linienhaft (Linienarray) in Richtung der x-Achse angeordnet, wobei mehrere Linienarrays vorhanden sein können, die sowohl in Richtung der x- als auch der y-Achse um einen Betrag zueinander versetzt angeordnet sein können. Die Abmaße und/oder Leistungsmerkmale der einzelnen Laserquellen der Linienarrays können innerhalb und zwischen diesen unterschiedlich sein.The laser sources are preferably arranged linearly (line array) in the direction of the x-axis, wherein a plurality of line arrays may be present, which may be arranged offset in relation to one another in the direction of the x and y axes by an amount. The dimensions and / or performance characteristics of the individual laser sources of the line arrays can be different within and between them.

Die Laserquellen können auch in anderen Anordnungen zueinander stehen, solange gewährleistet wird, dass deren Laserstrahlenbündel so angeordnet werden, dass durch diese die Linienabschnitte der Laserlinie beleuchtet werden.The laser sources may also be in other arrangements with each other, as long as it is ensured that their laser beams are arranged so that they illuminate the line sections of the laser line.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine zweite Vorrichtung gelöst, bei der zusätzlich zu den für die erste Vorrichtung genannten Merkmalen jeder Laserquelle eine Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, durch die das Laserstrahlenbündel einer Laserquelle an einer Ausleuchtung des zugehörigen Linienabschnittes gehindert werden kann und eine Ansteuerung vorhanden ist, die mit jeder Umlenkeinrichtung verbunden ist und die Umlenkeinrichtung mittels der Ansteuerung individuell ansteuerbar ist.The object is further achieved by a second device in which, in addition to the features mentioned for the first device each laser source is associated with a deflection by which the laser beam of a laser source can be prevented from illuminating the associated line section and a control is present, the is connected to each deflection and the deflection is controlled individually by means of the control.

Umlenkeinrichtungen im oben genannten Sinne können beispielsweise reflektierende, strahlleitende und/oder absorbierende Mittel sein. Werden reflektierende Mittel verwendet, ist es äußerst vorteilhaft, wenn die reflektierten Laserstrahlenbündel so gerichtet werden, dass von ihnen keine Gefährdung ausgeht.Deflection devices in the above-mentioned sense can be, for example, reflective, beam-guiding and / or absorbing means. If reflective means are used, it is extremely advantageous if the reflected laser beams are directed so that they pose no danger.

Die Werkstücke sind während des Schweißvorganges in einer Spannvorrichtung gehalten, die über einen Antrieb zur Bewegung in der x-y-Ebene verfügt. Der Antrieb ist mit der Ansteuerung in signalleitender Weise verbunden.The workpieces are held during the welding process in a clamping device which has a drive for movement in the x-y plane. The drive is connected to the drive in a signal-conducting manner.

Neben der Lagefixierung der Werkstücke ist es Aufgabe der Spannvorrichtungen, die Werkstücke zumindest im Bereich des Schweißvorganges aufeinander zu pressen, um eine gute Verbindung der aufgeschmolzenen Bereiche beider Werkstücke zu gewährleisten.In addition to fixing the position of the workpieces, it is the task of the clamping devices to press the workpieces together, at least in the area of the welding process, in order to ensure a good connection of the melted areas of both workpieces.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die Zeichnungen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and drawings. The drawings show:

1 eine schematische Darstellung von Werkstücken mit strukturiertem Fügebereich und Laserquellen, 1 a schematic representation of workpieces with structured joining area and laser sources,

2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 a perspective view of a device according to the invention, according to a first embodiment,

3 eine perspektivische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles, gemäß eines zweiten Ausführungsbeispieles. 3 a partial perspective view of an embodiment of the invention, according to a second embodiment.

In der Darstellung gemäß 1 sind als wesentliche Elemente ein für Laserstrahlung transmittierendes erstes Werkstück 1 und ein für Laserstrahlung absorbierendes zweites Werkstück 2, ein Linienarray 8 mit Laserquellen 8a bis 8h sowie eine Ansteuerung 14 und ein Speicher 15 vorhanden.In the illustration according to 1 are as essential elements for laser radiation transmitting first workpiece 1 and a laser beam absorbing second workpiece 2 , a line array 8th with laser sources 8a to 8h as well as an activation 14 and a memory 15 available.

Die beiden Werkstücke 1 und 2 berühren sich in einem Kontaktbereich 10, der virtuell in eine Streifenmatrix 31 mit parallel in y-Richtung verlaufenden und gleichweit beabstandeten Streifen 31a bis 31h aufgeteilt ist. Der Kontaktbereich 10 umfasst einen Fügebereich 3 (schraffiert dargestellt), zu dessen Lage und Streifenausdehnung in jedem Streifen 31a bis 31h korrespondierende Streifenelemente 32 vorhanden sind. Jede der Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 ist mit der Ansteuerung 14 und diese ist wiederum mit dem Speicher 15 verbunden. Durch den Speicher 15 werden alle zur Durchführung des Verfahrens benötigten Informationen wiederholt abrufbar abgespeichert und der Ansteuerung 14 zur Verfügung gestellt. Der Fügebereich 3 wird von einem fügefreien Bereich 4 durchzogen, über dessen Ausdehnung keine Beleuchtung erfolgt.The two workpieces 1 and 2 touch each other in a contact area 10 , the virtual in a strip matrix 31 with parallel in the y-direction and equally spaced strips 31a to 31h is divided. The contact area 10 includes a joining area 3 (hatched), to its location and stripe extent in each stripe 31a to 31h corresponding strip elements 32 available. Each of the laser sources 8a to 8h of the line array 8th is with the control 14 and this in turn is with the memory 15 connected. Through the store 15 All information required for carrying out the method is repeatedly retrievably stored and the control 14 made available. The joining area 3 is from a joint-free area 4 crossed over the extent of which no illumination takes place.

In dem Speicher 15 sind ferner Informationen über die virtuelle Aufteilung des Kontaktbereiches 10 in Form einer Streifenmatrix 31 und der in dieser enthaltenen Streifenelemente 32 sowie Informationen über die Streifenausdehnung des Fügebereiches 3 abgelegt. Weiterhin stehen Ansteuerung 14 und ein, eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Werkstück 1 und 2 einerseits und der Laserlinie 11 andererseits, bewirkender Antrieb 13 miteinander in solcher Verbindung, dass Informationen über die relative Lage der ersten und zweiten Werkstücke 1 und 2 und der Laserlinie 11 ausgetauscht, mit der mit zu einer jeweiligen relativen Lage korrespondierenden Ausdehnung des Fügebereiches 3 verglichen werden können und gegebenenfalls die Relativbewegung beeinflusst werden kann.In the store 15 are also information about the virtual division of the contact area 10 in the form of a strip matrix 31 and the strip elements contained therein 32 and information about the stripe extent of the joint area 3 stored. Furthermore, there are control 14 and a, a relative movement between the first and second workpiece 1 and 2 on the one hand and the laser line 11 on the other hand, effecting drive 13 with each other in such a connection that information about the relative position of the first and second workpieces 1 and 2 and the laser line 11 exchanged, with the corresponding to a respective relative position expansion of the joining region 3 can be compared and, if appropriate, the relative movement can be influenced.

Die von den Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 in Richtung des Fügebereiches 3 gesendeten Laserstrahlenbündel 12 bewirken dort eine Laserline 11, die in Richtung der x-Achse aus gleichgroßen Linienabschnitten 11a bis 11h zusammengesetzt ist. Jede Laserquelle 8a bis 8h bewirkt genau einen Linienabschnitt 11a bis 11h. Die Länge jedes Linienabschnitts 11a bis 11h ist gleich der Breite der Streifen 31a bis 31h und die Lage der Linienabschnitte 11a bis 11h entspricht der Lage der Streifen 31a bis 31h, sodass jedem Streifen 31a bis 31h genau ein Linienabschnitt 11a bis 11h zugeordnet ist, der durch je eine zugeordnete Laserquelle 8a bis 8h bewirkt wird.The of the laser sources 8a to 8h of the line array 8th in the direction of the joining area 3 transmitted laser beam 12 cause a laser line there 11 , which in the direction of the x-axis of equal-sized line segments 11a to 11h is composed. Every laser source 8a to 8h causes exactly one line section 11a to 11h , The length of each line segment 11a to 11h is equal to the width of the stripes 31a to 31h and the location of the line sections 11a to 11h corresponds to the location of the stripes 31a to 31h so every strip 31a to 31h exactly one line section 11a to 11h is assigned, each by an associated laser source 8a to 8h is effected.

In weiteren Ausführungen können weitere Linienarrays vorhanden sein, die zudem andere Anzahlen von Laserquellen beinhalten können (nicht gezeigt) und die parallel der x-y-Ebene verschiebbar sein können. Für jedes weitere Linienarray wird entsprechend der oben beschriebenen Bedingungen eine weitere Streifenmatrix definiert. Jedes weitere Linienarray wird durch die Ansteuerung 14 entsprechend der jeweils weiteren Streifenmatrix angesteuert. Die Laserquellen können auch in einem flächigen Array angeordnet werden, wodurch die Ausbildung einer Laserlinie durch entsprechende angesteuerte Laserquellen des Arrays eingestellt wird.In further embodiments, further line arrays may be present, which may also contain other numbers of laser sources (not shown) and which may be displaceable parallel to the xy plane. For each additional line array, another strip matrix is defined according to the conditions described above. Each further line array is controlled by the driver 14 controlled according to the respective further strip matrix. The laser sources can also be arranged in a planar array, whereby the formation of a laser line is adjusted by means of correspondingly controlled laser sources of the array.

Die Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 und/oder weiterer Linienarrays können sich in weiteren Ausführungen hinsichtlich ihre Abmaße und Leistungsmerkmale sowohl zwischen als auch innerhalb einzelner Linienarrays 8 unterscheiden. Weiterhin können die Linienarrays unter frei wählbaren Winkeln zu einer Arbeitsrichtung 7 stehen oder eingestellt werden.The laser sources 8a to 8h of the line array 8th and / or other line arrays can be described further in terms of their dimensions and performance both between and within individual line arrays 8th differ. Furthermore, the line arrays can be adjusted to a working direction at freely selectable angles 7 stand or be stopped.

Die in ihrer Lage zueinander fixierten Werkstücke 1 und 2 werden mit einer Relativbewegung, aufweisend eine bekannte Relativgeschwindigkeit zu dem Linienarray 8 in der Arbeitsrichtung 7, geführt. Dabei überstreichen die Laserquellen 8a bis 8h und mit ihnen die Laserlinie 11, die jeweiligen Streifen 31a bis 31h und werden dabei so durch die Ansteuerung 14 angesteuert, dass ein Linienabschnitt 11a bis 11h genau dann ausgeleuchtet wird, wenn dieser mit seiner ganzen Fläche ein Streifenelement 32 überdeckt. Dargestellt ist die Beleuchtung der Streifenelemente 32 der Streifen 31a, 31b, 31g und 31h durch Laserstrahlenbündel 12 der Laserquelle 8a, 8b, 8g und 8h in den Linienabschnitten 11a, 11b, 11g und 11h. Alle anderen Linienabschnitte 11c bis 11f sind zu dem dargestellten Zeitpunkt unbeleuchtet.The fixed in their position to each other workpieces 1 and 2 become with a relative movement, having a known relative speed to the line array 8th in the working direction 7 , guided. The laser sources sweep over 8a to 8h and with them the laser line 11 , the respective strips 31a to 31h and are doing so by the control 14 controlled that a line section 11a to 11h is illuminated exactly when this with its entire surface a strip element 32 covered. Shown is the lighting of the strip elements 32 the stripe 31a . 31b . 31g and 31h by laser beam 12 the laser source 8a . 8b . 8g and 8h in the line sections 11a . 11b . 11g and 11h , All other line sections 11c to 11f are unlit at the time shown.

Beim Überstreichen einer Anzahl zusammenhängender Streifenelemente 32 oder von Streifenelementen 32, deren Streifenausdehnung in y-Richtung größer als die Breite der Laserlinie 11 ist, wird jede Laserquelle 8a bis 8h durch die Ansteuerung 14 dann eingeschaltet, wenn der von ihr bewirkte Linienabschnitt 11a bis 11h vollständig innerhalb eines Streifenelementes 32 in y-Richtung zu liegen kommt. Sie bleibt solange eingeschaltet, wie der von ihr bewirkte Linienabschnitt 11a bis 11h vollständig innerhalb eines Streifenelementes 32 in y-Richtung zu liegen kommt. Das betreffende Streifenelement 32 wird mit der Relativgeschwindigkeit kontinuierlich durch den ihm zugeordneten Linienabschnitt 11a bis 11h der Laserlinie 11 überstrichen. In y-Richtung stellt sich daher die räumliche Verteilung der auf dem Streifenelement 32 auftreffenden Leistung als Top-Hat-Verteilung dar: mit dem Einschalten der Laserquelle wird der von einem Linienabschnitt 11a bis 11h überdeckte Bereich des Streifenelementes 32 mit einer Leistung beaufschlagt, die entsprechend der Top-Hat-Verteilung in y-Richtung verteilt ist. Mit fortschreitender Relativbewegung und einer kontinuierlichen Beaufschlagung durch das Laserstrahlenbündel 12 wird die Top-Hat-verteilte Leistung des jeweiligen Linienabschnittes 11a bis 11h entlang des dem Streifenelement 32 zugeordneten Streifens 31a bis 31h verschoben und es kommt zu einem resultierenden Leistungseintrag, der sich zu jedem Zeitpunkt und für jeden Punkt des Streifenelementes 32 durch die aufeinanderfolgenden Überlagerungen der verschobenen Top-Hat-verteilten Leistung beschreiben lässt. Bestimmende Faktoren sind dabei die konkrete mathematische Funktion der Top-Hat-Verteilung, der Betrag der Relativgeschwindigkeit und die Breite der Laserlinie 11.When passing over a number of contiguous strip elements 32 or of strip elements 32 whose strip extension in y-direction is greater than the width of the laser line 11 is, every laser source becomes 8a to 8h through the control 14 then turned on when the line section caused by it 11a to 11h completely within a strip element 32 to lie in the y-direction. It stays on as long as the line section it causes 11a to 11h completely within a strip element 32 to lie in the y-direction. The relevant strip element 32 is at the relative speed continuously through its associated line section 11a to 11h the laser line 11 painted over. In the y-direction, therefore, the spatial distribution of the on the strip element 32 incident power as a top hat distribution: when the laser source is turned on, the line segment becomes one 11a to 11h covered area of the strip element 32 with a Power distributed according to the top hat distribution in the y direction. With progressive relative movement and continuous exposure to the laser beam 12 becomes the top hat distributed power of the respective line segment 11a to 11h along the strip element 32 associated strip 31a to 31h shifted and it comes to a resulting power entry, which at any time and for each point of the strip element 32 can be described by the successive overlays of the shifted top hat distributed power. Determining factors are the concrete mathematical function of the top-hat distribution, the amount of relative velocity and the width of the laser line 11 ,

Das Linienarray 8 kann insbesondere als Laserdiodenbarren oder Laserdiodenarray sowie durch Anordnungen von Lichtwellenleitern gebildet werden. Werden Lichtwellenleiter eingesetzt, von denen mehrere durch nur eine Emissionsquelle mit Laserstrahlenbündeln 12 versorgt werden, so sind optische, elektrische, elektronische, mechanische Maßnahmen oder deren Kombinationen vorzusehen, die eine gesteuerte Emission von Laserstrahlenbündeln 12 durch die einzelnen Laserquellen 8a bis 8h ermöglichen.The line array 8th can be formed in particular as a laser diode bar or laser diode array and by arrangements of optical waveguides. Fiber optic cables are used, several of them by only one emission source with laser beams 12 are supplied, so optical, electrical, electronic, mechanical measures or combinations thereof are provided, the controlled emission of laser beams 12 through the individual laser sources 8a to 8h enable.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Linienarray 8 vorhanden, von dem im Sinne der Übersichtlichkeit nur die Laserquellen 8a bis 8d in Form von vier Laserdioden gleicher Größe und mit gleichen Leistungsparametern gezeigt sind. Vor den Laserquellen 8a bis 8d ist eine Zylinderlinse 9 angeordnet, durch welche die emittierten Laserstrahlenbündel 12 kollimiert und auf den Fügebereich 3 gerichtet werden. Die Werkstücke 1 und 2 werden auf einem Träger 5 gehalten, der so gestaltet ist, dass auf ihm die zwei Werkstücke 1 und 2 parallel einer x-y-Ebene positioniert sind. Eine Spannvorrichtung 6 ist derart angeordnet, dass erstes und zweites Werkstück 1 und 2 durch diese aufeinander gepresst werden. Der Träger 5 ist mit einem Antrieb 13 verbunden und durch diesen in Arbeitsrichtung 7 beweglich.In a first embodiment according to 2 is the line array 8th present, for the sake of clarity, only the laser sources 8a to 8d are shown in the form of four laser diodes of the same size and with the same performance parameters. In front of the laser sources 8a to 8d is a cylindrical lens 9 arranged, through which the emitted laser beam 12 collimated and on the joint area 3 be directed. The workpieces 1 and 2 be on a carrier 5 held, which is designed so that on it the two workpieces 1 and 2 are positioned parallel to an xy plane. A tensioning device 6 is arranged such that first and second workpiece 1 and 2 be pressed through each other. The carrier 5 is with a drive 13 connected and by this in the working direction 7 movable.

In einer weiteren Ausführung kann der Träger 5 auch in Richtung der x-Achse und/oder der z-Achse beweglich ausgeführt sein.In a further embodiment, the carrier 5 also be designed to be movable in the direction of the x-axis and / or the z-axis.

Der Kontaktbereich 10 wird in y-Richtung von einer Vertiefung in Form eines abgewinkelten Kanals durchzogen, der Bereiche der Streifen 31b und 31c durchzieht. Die Streifen 31a und 31d sowie die nicht von der Vertiefung durchzogenen Bereiche der Streifen 31b und 31c bilden den Fügebereich 3. Die Bereiche der Vertiefung stellen den fügefreien Bereich 4 dar.The contact area 10 is traversed in the y direction by a depression in the form of an angled channel, the areas of the strips 31b and 31c pervades. The Stripes 31a and 31d and the areas of the strips not crossed by the depression 31b and 31c form the joining area 3 , The areas of the depression provide the joint-free area 4 represents.

Es ist ferner möglich, dass der fügefreie Bereich 4 auch eine in das erste Werkstück 1 hineinreichende Erhebung des zweiten Werkstückes 2, eine in der x-y-Ebene liegende Fläche oder eine Kombination dieser Möglichkeiten ist.It is also possible that the joint-free area 4 also one in the first workpiece 1 in-reaching survey of the second workpiece 2 , an area lying in the xy plane or a combination of these possibilities.

Die zum dargestellten Zeitpunkt von den Laserquellen 8a, 8b und 8d unter einem Divergenzwinkel von 40° entlang der schnellen Achse emittierten Laserstrahlenbündel 12 werden durch die Zylinderlinse 9 kollimiert und auf den durch Streifenelemente 32 in Streifen 31a bis 31d virtuell dargestellten Fügebereich 3 gelenkt. Dabei bleibt der Linienabschnitt 11c unbeleuchtet. Um die durch die Anpassungen der Leistungen der Laserquellen 8a bis 8d hervorgerufenen Veränderungen elektrischer Parameter wie Spannungsabfälle so zu kompensieren, dass der Schweißvorgang unbeeinflusst bleibt, weist die Ansteuerung 14 eine integrierte Bypass-Schaltung auf (nicht dargestellt).The time shown by the laser sources 8a . 8b and 8d at a divergence angle of 40 ° along the fast axis emitted laser beam 12 be through the cylinder lens 9 collimated and on by stripe elements 32 in stripes 31a to 31d Virtually illustrated joint area 3 directed. The line section remains 11c unlit. To the by the adjustments of the achievements of the laser sources 8a to 8d The change in electrical parameters such as voltage drops compensated in such a way that the welding process remains unaffected is indicated by the control 14 an integrated bypass circuit (not shown).

Weitere Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich weiterer technischer Möglichkeiten zum Ausgleich von Spannungs- und Stromschwankungen sowie zum Ausgleich anderer nachteiliger Wirkungen bedienen.Further embodiments of the method according to the invention can be used for other technical possibilities to compensate for voltage and current fluctuations and to compensate for other adverse effects.

In einer weiteren Ausführungen der Erfindung werden die von den als Laserquelle 8a bis 8d eingesetzten Laserdioden stammenden Laserstrahlenbündel 12 der langsamen Achse nicht kollimiert und vielmehr dazu eingesetzt, um mögliche Differenzen der Leistungsdichten der einzelnen Linienabschnitte 11a bis 11h einer Laserlinie 11 in Richtung der x-Achse zu verringern. Breitet sich ein Laserstrahlenbündel 12 entlang der langsamen Achse ungehindert, also nicht kollimiert, aus, so wird durch jede Laserquelle 8a bis 8d ein Linienabschnitt 11a bis 11d abgebildet, der in Richtung der schnellen Achse scharf begrenzt, in Richtung der langsamen Achse jedoch längsoval und größer als die Austrittsöffnung der Laserquelle 8a bis 8d ist. Die Leistungsdichte des Laserstrahlenbündels 12 ist dabei zumindest in Richtung der x-Achse annähernd normalverteilt. Entlang der Laserlinie 11 werden die Anstiege der Verteilung der Leistungsdichte in Richtung der x-Achse zumindest teilweise von Anstiegsbereichen eines angrenzenden Linienabschnittes 11a bis 11d überlagert und summarisch erhöht. Daher liegt über der gesamten Laserlinie 11 eine homogenere Verteilung der Leistungsdichte vor, als sie sich aus der Betrachtung der nicht-überlagerten Verteilung in jedem einzelnen Linienabschnitt 11a bis 11d ergäbe.In a further embodiment of the invention, those of the as a laser source 8a to 8d used laser diode bundles laser beam 12 the slow axis not collimated and rather used to possible differences in the power densities of the individual line sections 11a to 11h a laser line 11 to decrease in the direction of the x-axis. Spreads a laser beam 12 unchecked, ie not collimated, along the slow axis, is determined by each laser source 8a to 8d a line section 11a to 11d imaged, which is sharply defined in the direction of the fast axis, but longitudinally oval and larger than the exit opening of the laser source in the direction of the slow axis 8a to 8d is. The power density of the laser beam 12 is approximately normally distributed at least in the direction of the x-axis. Along the laser line 11 For example, the increases in the power density distribution in the x-axis direction will be at least partially due to rising regions of an adjacent line segment 11a to 11d superimposed and summarily increased. Therefore, it lies above the entire laser line 11 a more homogeneous distribution of power density than that obtained by considering the non-superposed distribution in each individual line segment 11a to 11d would result.

Nachteilig ist dabei, dass Anteile der Laserstrahlenbündel 12 auf fügefreie Bereiche 4 auftreffen können. Dieser Nachteil kann jedoch durch eine Anpassung der emittierten Leistung einzelner Laserquellen 8a bis 8d reduziert werden.The disadvantage here is that portions of the laser beam 12 on joint-free areas 4 can hit. However, this disadvantage can be achieved by adjusting the emitted power of individual laser sources 8a to 8d be reduced.

In der oben dargestellten Ausführung gemäß 2 kann zusätzlich eine Anordnung von Umlenkeinrichtungen 16 (nur zwei Umlenkeinrichtungen 16 in Form von Mikrospiegeln dargestellt) vorhanden sein, wie sie in 3 gezeigt ist. Diese sind so angeordnet, dass durch sie in den Strahlengang der Laserstrahlenbündel 12 eingegriffen werden kann. Sie werden durch einen Spiegelantrieb 17 betätigt, welcher mit der Ansteuerung 14 verbunden ist. Eine der Umlenkeinrichtungen 16 greift beispielhaft in den Strahlengang der Laserquelle 8c ein und lenkt über die Länge ihres Eingriffs das Laserstrahlenbündel 12 als reflektiertes Laserstrahlenbündel 18 in eine Laserfalle 19. Der Linienabschnitt 11c der Laserlinie 11 wird daher nicht beleuchtet. In the embodiment shown above according to 2 In addition, an arrangement of deflection devices 16 (only two deflectors 16 represented in the form of micromirrors), as they are in 3 is shown. These are arranged so that through them in the beam path of the laser beam 12 can be intervened. They are powered by a mirror drive 17 operated, which with the control 14 connected is. One of the diverters 16 exemplifies the beam path of the laser source 8c and directs the laser beam over the length of their engagement 12 as a reflected laser beam 18 in a laser trap 19 , The line section 11c the laser line 11 is therefore not illuminated.

In weiteren Ausführungen können die Umlenkeinrichtungen 16 jedwede optische, elektro-optische oder opto-mechanische Bauteile geeigneter Dimension, Ansteuerbarkeit und optischer Eigenschaften sein. Als Umlenkeinrichtung 16 können beispielsweise (Mikro-)Linsen oder reflektierende, strahlformende und/oder absorbierende Bauteile verwendet werden.In further embodiments, the deflection can 16 any optical, electro-optic or opto-mechanical components of appropriate dimensions, controllability and optical properties. As a deflection 16 For example, (micro) lenses or reflective, beam-shaping and / or absorbing components can be used.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die präzise Verbindung von einzelnen Werkstücken 1 und 2, aber auch von endlosen Materialien bei gleichzeitig freier und jederzeit möglicher Anpassung der Laserlinie 11 an die Ausdehnung eines Fügebereiches 3. Damit können auch Werkstücke 1 und 2 mit beliebig strukturiertem Fügebereich 3 bei hoher Präzision der erreichten Verschweißung miteinander verbunden werden. Gleichzeitig wird die Möglichkeit geschaffen, korrigierend in laufende Herstellungsprozesse eingreifen zu können, ohne den Prozess unterbrechen zu müssen. Die Erfindung kann in allen Bereichen Anwendung finden, in denen das Durchstrahlschweißen eingesetzt wird. Insbesondere kann sie für die Herstellung von Bauteilen in der Mikrofluidik verwendet werden.The inventive method allows the precise connection of individual workpieces 1 and 2 , but also of endless materials with at the same time free and at any time possible adjustment of the laser line 11 to the extent of a joining area 3 , This can also workpieces 1 and 2 with arbitrarily structured joining area 3 be connected with high precision of the achieved welding. At the same time, the possibility is created of being able to intervene in current production processes without having to interrupt the process. The invention can be used in all areas in which the transmission welding is used. In particular, it can be used for the production of components in microfluidics.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erstes Werkstückfirst workpiece
22
zweites Werkstücksecond workpiece
33
Fügebereichjoining area
3131
Streifenmatrixstriped array
31a bis 31h31a to 31h
Streifenstrip
3232
Streifenelementstrip element
44
fügefreier Bereichjoint-free area
55
Trägercarrier
66
Spannvorrichtungjig
77
Arbeitsrichtungworking direction
88th
Linienarrayline array
8a bis 8h8a to 8h
Laserquellenlaser sources
99
Zylinderlinsecylindrical lens
1010
Kontaktbereichcontact area
1111
Laserlinielaser line
11a bis 11h11a to 11h
Linienabschnitteline segments
1212
Laserstrahlenbündellaser beam
1313
Antriebdrive
1414
Ansteuerungcontrol
1515
SpeicherStorage
1616
Umlenkeinrichtungdeflecting
1717
Spiegelantriebmirror drive
1818
reflektiertes Laserstrahlenbündelreflected laser beam
1919
Laserfallelaser trap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • EP 1405713 B1 [0004] EP 1405713 B1 [0004]
  • EP 997261 B9 [0005] EP 997261 B9 [0005]

Claims (9)

Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken (1, 2) mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke (1, 2) über einen in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich (10) berühren, der wenigstens einen Fügebereich (3) umfasst, bei dem eine in x-Richtung ausgedehnte Laserlinie (11) bestimmter Breite auf den Fügebereich (3) gerichtet wird, die aus einer Vielzahl von Linienabschnitten (11a bis 11h) gleicher Länge gebildet wird, die jeweils durch ein Laserstrahlenbündel (12), jeweils von einer Laserquelle (8a bis 8h) kommend, ausgeleuchtet werden, die Laserlinie (11) mit einer Relativgeschwindigkeit in y-Richtung relativ zum Fügebereich (3) bewegt wird, wodurch der Fügebereich (3) durch die Laserstrahlenbündel (12) vollständig ausgeleuchtet wird und die beiden Werkstücke (1, 2) über den gesamten Fügebereich (3) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kontaktbereich (10) als eine in x-y-Richtung ausgedehnte Streifenmatrix (31) definiert wird, gebildet aus Streifen (31a bis 31h) mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte (11a bis 11h), – der Fügebereich (3) als eine Anordnung von jeweils einem Streifen (31a bis 31h) zugeordneten Streifenelementen (32) definiert wird, die bezüglich ihrer Lage und ihrer Streifenausdehnung in y-Richtung erfasst und abgespeichert werden und – die Linienabschnitte (11a bis 11h) unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit einzeln ausgeleuchtet werden, um jeweils die Streifenelemente (32) eines Streifens (31a bis 31h) mit einem Laserstrahlenbündel (12) auszuleuchten.Method for joining two workpieces ( 1 . 2 ) by means of transmission welding, wherein the two workpieces ( 1 . 2 ) over a contact area extended in the xy direction ( 10 ) touching at least one joining area ( 3 ), in which an x-directionally extended laser line ( 11 ) of certain width on the joint area ( 3 ), which consists of a plurality of line sections ( 11a to 11h ) of equal length formed, each by a laser beam ( 12 ), each from a laser source ( 8a to 8h ), be lit, the laser line ( 11 ) with a relative velocity in the y-direction relative to the joining region ( 3 ), whereby the joining area ( 3 ) through the laser beams ( 12 ) is completely illuminated and the two workpieces ( 1 . 2 ) over the entire joining area ( 3 ) are welded together, characterized in that - the contact area ( 10 ) as a stripe matrix extended in the xy direction ( 31 ) defined by strips ( 31a to 31h ) with a strip width in the x-direction equal to the length of the line segments ( 11a to 11h ), - the joining area ( 3 ) as an arrangement of one strip each ( 31a to 31h ) associated strip elements ( 32 ), which are recorded and stored with regard to their position and their strip extent in the y-direction, and - the line segments ( 11a to 11h ) are individually illuminated using the stored data and the known relative speed to respectively scan the stripe elements ( 32 ) of a strip ( 31a to 31h ) with a laser beam ( 12 ) to illuminate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Laserstrahlenbündels (12) der jeweils zugehörigen Laserquelle (8a bis 8h) über eine Ansteuerung (14) so erfolgt, dass dann eine Laserquelle (8a bis 8h) eingeschalten wird, wenn der von ihr bewirkte Linienabschnitt (11a bis 11h) vollständig innerhalb eines Streifenelementes (32) in y-Richtung zu liegen kommt und solange eingeschaltet bleibt, wie der von ihr bewirkte Linienabschnitt (11a bis 11h) vollständig innerhalb eines Streifenelementes (32) in y-Richtung zu liegen kommt.Method according to Claim 1, characterized in that the control of the laser beam ( 12 ) of the respectively associated laser source ( 8a to 8h ) via a control ( 14 ) is carried out so that then a laser source ( 8a to 8h ) is turned on when the line segment ( 11a to 11h ) completely within a strip element ( 32 ) in the y-direction and remains switched on as long as the line section ( 11a to 11h ) completely within a strip element ( 32 ) comes to lie in the y-direction. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlenbündel (12) einer jeden Laserquelle (8a bis 8h) so geformt wird, dass die Verteilung der Leistung des Laserstrahlenbündels (12) in jedem Linienabschnitt (11a bis 11h) einer Top-Hat-Verteilung entspricht.Method according to claim 1, characterized in that the laser beam ( 12 ) of each laser source ( 8a to 8h ) is shaped so that the distribution of the power of the laser beam ( 12 ) in each line segment ( 11a to 11h ) corresponds to a top hat distribution. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlinie (11) unterbrochen ausgebildet ist, wobei die Unterbrechungen gleich oder unterschiedlich lang und regel- oder unregelmäßig über die Länge der Laserlinie (11) verteilt sein können.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser line ( 11 ) is interrupted, wherein the interruptions equal or different lengths and regular or irregular over the length of the laser line ( 11 ) can be distributed. Vorrichtung zum Verbinden von zwei Werkstücken (1, 2) mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke (1, 2) über einen in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich (10) berühren, der wenigstens einen Fügebereich (3) umfasst, wobei mehrere jeweils ein Laserstrahlenbündel (12) emittierende Laserquellen (8a bis 8h) sowie optische Mittel vorhanden sind, welche die Laserstrahlenbündel (12) in y-Richtung kollimieren und zueinander so anordnen, dass sie Linienabschnitte (11a bis 11h) gleicher Länge entlang einer sich in x-Richtung ausdehnenden Laserlinie (11) auf dem Kontaktbereich (10) ausleuchten können, ferner ein Träger (5) zur Aufnahme der Werkstücke (1, 2) und ein Antrieb (13) zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen Träger (5) und Laserquellen (8a bis 8h) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Ansteuerung (14) vorhanden ist, die mit jeder Laserquelle (8a bis 8h) verbunden ist und die Laserquellen (8a bis 8h) mittels der Ansteuerung (14) individuell ansteuerbar sind, – ein Speicher (15) vorhanden ist, der mit der Ansteuerung (14) verbunden ist und der dazu ausgelegt ist, einen Fügebereich (3) innerhalb des Kontaktbereiches (10) als eine Anordnung von Streifenelementen (32), die jeweils einem Streifen (31a bis 31h) mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte (11a bis 11h) einer Streifenmatrix (31) zugeordnet sind, mit ihrer Lage und Ausdehnung in y-Richtung, abzuspeichern und – die Ansteuerung (14) so ausgelegt ist, dass sie die Laserquellen (8a bis 8h), jeweils einem Streifen (31a bis 31h) zugeordnet, unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit so ansteuert, dass jeweils die Streifenelemente (32) eines Streifens (31a bis 31h) durch ein Laserstrahlenbündel (12) einer Laserquelle (8a bis 8h) beaufschlagt werden.Device for connecting two workpieces ( 1 . 2 ) by means of transmission welding, wherein the two workpieces ( 1 . 2 ) over a contact area extended in the xy direction ( 10 ) touching at least one joining area ( 3 ), wherein several each one laser beam ( 12 ) emitting laser sources ( 8a to 8h ) and optical means are present, which the laser beam ( 12 ) in the y-direction and arrange them in such a way that they form line sections ( 11a to 11h ) of equal length along an x-directional laser line ( 11 ) on the contact area ( 10 ), and a support ( 5 ) for receiving the workpieces ( 1 . 2 ) and a drive ( 13 ) for generating a relative movement between carriers ( 5 ) and laser sources ( 8a to 8h ) are present, characterized in that - a control ( 14 ) is present with each laser source ( 8a to 8h ) and the laser sources ( 8a to 8h ) by means of the control ( 14 ) are individually controllable, - a memory ( 15 ) is present, with the control ( 14 ) and which is adapted to a joint area ( 3 ) within the contact area ( 10 ) as an array of strip elements ( 32 ), each one strip ( 31a to 31h ) with a strip width in the x-direction equal to the length of the line segments ( 11a to 11h ) a strip matrix ( 31 ), with their location and extent in the y-direction, store and - the control ( 14 ) is designed so that it the laser sources ( 8a to 8h ), one strip each ( 31a to 31h ), using the stored data and the known relative speed so that each of the strip elements ( 32 ) of a strip ( 31a to 31h ) by a laser beam ( 12 ) a laser source ( 8a to 8h ). Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquellen (8a bis 8h) in einem Linienarray (8) angeordnet sind.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the laser sources ( 8a to 8h ) in a line array ( 8th ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Linienarrays vorhanden sind.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that a plurality of line arrays are present. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Linienarray (8) parallel zur x-y-Ebene verschiebbar ist.Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that at least one line array ( 8th ) is displaceable parallel to the xy-plane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung (14) eine Bypass-Schaltung beinhaltet.Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the control ( 14 ) includes a bypass circuit.
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