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
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
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
In der
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:
In der Darstellung gemäß
Die beiden Werkstücke
In dem Speicher
Die von den Laserquellen
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
Die Laserquellen
Die in ihrer Lage zueinander fixierten Werkstücke
Beim Überstreichen einer Anzahl zusammenhängender Streifenelemente
Das Linienarray
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß
In einer weiteren Ausführung kann der Träger
Der Kontaktbereich
Es ist ferner möglich, dass der fügefreie Bereich
Die zum dargestellten Zeitpunkt von den Laserquellen
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
Nachteilig ist dabei, dass Anteile der Laserstrahlenbündel
In der oben dargestellten Ausführung gemäß
In weiteren Ausführungen können die Umlenkeinrichtungen
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die präzise Verbindung von einzelnen Werkstücken
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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- EP 997261 B9 [0005] EP 997261 B9 [0005]
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