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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere einer Temperatur, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Sensorelement umfasst, welches mit mindestens einer Sensorelementanschlussleitung verbunden ist, welche Sensorelementanschlussleitung wiederum mit einem Leiterelement verbunden ist, wobei zum Verschweißen der Sensorelementanschlussleitung mit dem Leiterelement ein Laser-Schweißverfahren verwendet wird.
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Industrielle Temperatur-Messgeräte oder die für die Messung relevanten Bestandteile werden insbesondere für höhere Einsatztemperaturen häufig unter Verwendung so genannter mineralisolierter Leitungen (eine andere Bezeichnung ist: Mantelleitungen) aufgebaut. Solche Leitungen enthalten, umgeben von einem Metallmantel, in ihrem Inneren zwei, vier oder auch mehr massive metallische Leiterelemente aus Kupfer, Nickel, Nickelchrom o. ä., welche in ein sehr kompaktes Keramikpulver (MgO, Al2O3) eingebettet sind, welches die Leiterelemente elektrisch isoliert. Eine solche mineralisolierte Leitung wird dann zum Aufbau eines Thermometer-Messeinsatzes auf die entsprechende Länge gebracht. Die Leiterelemente werden auf einer gewissen Länge freigelegt. Dann wird ein entsprechendes Temperatur-Sensorelement (z. B. ein Pt 100) passend in Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung hart angelötet oder angeschweißt und dann mittels zusätzlichen Rohrstücken oder Metallkappen, die über das Sensorelement geschoben und an die Mantelleitung angeschweißt werden, verschlossen.
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Die Schwierigkeiten für eine Automatisierung liegen vor allem im definierten Ausrichten und präzisen Positionieren der relativ dicken Mantelleitungsdrähte und der deutlich dünneren Sensorelementanschlussleitung des Sensorelements zueinander, sowie deren Halterung, um eine ausreichend stabile Schweiß- oder Lötverbindung herstellen zu können. Dies gilt umso mehr für den Fall, dass – wie beispielsweise bei Widerstandstemperatursensoren – in Drei- oder Vierleiterschaltung jeweils zwei der kontaktierenden Leiterelemente zuvor definiert zueinander zu biegen sind, bevor sie mit der dritten dünnen Sensorelementanschlussleitung verschweißt werden können.
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Aus dem Stand der Technik ist es bspw. aus der
DE 10 2009 026 402 A2 bekannt geworden, o. g. Sensorelementanschlussleitung und Leiterelement mittels Laserschweißen miteinander zu verbinden.
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Dabei hat es sich als problematisch erwiesen, eine reproduzierbare Schweißverbindung herzustellen. Dies ist u. a. darin begründet, dass die Leiterelemente der Mantelleitung durch sogenanntes Ziehen entstehen, d. h. ein Draht mit einem gewissen Durchmesser wird, bspw. durch ein Zieheisen, gezogen und dadurch der Draht verlängert, wodurch aber sein Durchmesser verkleinert wird. Diese Umformung des Drahtes hat zur Folge, dass die Oberfläche des Drahtes Unebenheiten aufweist, wodurch ein definiertes Einkoppeln eines Laserstrahls erschwert oder gar verhindert wird.
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Bei hoch reflektierenden Werkstoffen wurde bisher bspw. zum Nahtschweißen eine hohe Pulsspitzenleistung verwendet, um eine Schmelzung des verwendeten Materials zu erzeugen, vgl. SONNEMANNS F., DORRESTEIN S. „Anspruchsvolle Mikroschweißanwendungen – Lösungen und Parameterentwicklung speziell für gepulste Nd:YAG-Laser", WWW: http://www.miyachieurope.com/cmdata/documents/FrSonSoDo_White_Paper 03-09_GER.pdf (30.06.2010).
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Des Weiteren besteht bei Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit das Problem, dass sich das durch den beim Laserschweißen verwendeten Laserstrahl an einem Schweißpunkt erzeugte Schmelzbad eben aufgrund der hohen Wärmeableitung nicht ausreichend ausdehnen kann. Dies wirkt sich dann Nachteilig auf die Laserschweißverbindung aus.
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Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren auch andere Laserschweißverfahren wie bspw. aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 063 456 A1 oder der Offenlegungsschrift
DE 2922563 A1 bekannt geworden, die jedoch auch keine befriedigende Lösung der o. g. Problematiken bereitstellen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine reproduzierbare und zuverlässige Laserschweißverbindung herzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und einen entsprechenden Apparat zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass vermittels wenigstens einer Laserstrahlquelle zumindest ein Laserstrahl erzeugt wird, der auf einen Schweißpunkt aufgebracht wird, und dazu dient, eine Laserpunktschweißverbindung zwischen der Sensorelementanschlussleitung und dem Leiterelement herzustellen, wobei zunächst eine erste Laserstrahlleistung und danach eine zweite Laserstrahlleistung auf den Schweißpunkt aufgebracht wird, und die erste Laserstrahlleistung geringer ist als die zweite Laserstrahlleistung.
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Als Laserstrahlquelle, durch welche der Laserstrahl erzeugt wird, kann insbesondere ein Gaslaser wie bspw. ein CO2-Laser oder ein Festkörperlaser wie bspw. ein Nd-YAG-Laser dienen. Es können auch mehrere Laserstrahlquellen verwendet werden, die Laserstrahlen bspw. unterschiedlicher Laserstrahlleistung erzeugen. Es kann aber auch eine einzige Laserstrahlquelle verwendet werden, die eben Laserstrahlen unterschiedlicher Laserstrahlleistung oder einen einzigen Laserstrahl mit angepasstem Leistungsverlauf erzeugt. Ein bzw. mehrere so erzeugter Laserstrahl(en) kann dann zum Aufbringen entweder der ersten und/oder der zweiten Laserstrahlleistung auf den Schweißpunkt verwendet werden.
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Der Schweißpunkt kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Laserpunktschweißen durch den Aufpunkt des zum Schweißen verwendeten Laserstrahls auf dem zu verschweißenden Material gebildet werden. Wird eine Fokussiereinrichtung, wie bspw. eine Linse verwendet, so stimmt der Schweißpunkt dabei vorzugsweise mit einem durch die Fokussiereinrichtung erzeugten Brennpunkt überein. Durch das Laserpunktschweißen können die Sensorelementanschlussleitung und das Leiterelement dann miteinander verbunden werden. Vorzugsweise wird ein Leiterelement über einen einzigen Schweißpunkt mit einer Sensorelementanschlussleitung verbunden.
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Besonders bevorzugt wird die Laserpunktschweißverbindung zwischen der Sensorelementanschlussleitung und dem Leiterelement nur vermittels der ersten und der zweiten Laserstrahlleistung, die auf den Schweißpunkt aufgebracht werden, hergestellt. Es wird also bspw. außer der erwähnten ersten und der zweiten Laserstrahlleistung keine andere Laserstrahlleistung verwendet und auf den Schweißpunkt aufgebracht, um die Laserpunktschweißverbindung herzustellen. Dabei kommt es aber nicht unbedingt auf die von der Laserstrahlquelle erzeugte Leistung an, sondern vielmehr ist die am Schweißpunkt aufgebrachte und bspw. durch Fokussierung erzeugte Laserstrahlleitung ausschlaggebend.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die erste Laserstrahlleistung und die zweite Laserstrahlleistung vermittels eines einzigen Laserstrahlimpulses, insbesondere vermittels eines geformten Laserstrahlimpulses, auf dem Schweißpunkt aufgebracht. Unter einem geformten Laserstrahlimpuls wird dabei ein Laserimpuls verstanden, dessen Leistung sich während seiner Impulsdauer verändert. Vorgenannte Fokussiereinrichtung kann dabei bspw. zum Verändern der Laserstrahlleistung am Schweißpunkt verwendet werden. Dadurch kann bspw. die Intensität des verwendeten Laserstrahls am Schweißpunkt verändert werden.
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Allgemein wird beim Laserstrahlschweißen die Schweißtiefe im Wesentlichen durch die Laserstrahlleistung vorgegeben. Wohingegen die durch einen Laserstrahl abgegebene Energie im Wesentlichen das Schmelzbadvolumen bestimmt. Somit kann durch die Länge, d. h. zeitliche Dauer, eines verwendeten Laserstrahlimpulses auch das Schmelzbadvolumen vorgegeben werden. Durch die erste Laserstrahlleistung kann am Schweißpunkt eine definierte Oberfläche geschaffen werden, wodurch dann ein definiertes Verhalten, d. h. ein definierter Schweißprozess, durch die zweite Laserstrahlleistung erreicht wird. Die Oberfläche muss somit nicht anderweitig vorbehandelt, d. h. geglättet, werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird dann im Vergleich zu Laserschweißverfahren aus dem Stand der Technik auch die zur Herstellung einer Laserpunktschweißverbindung erforderliche Energie reduziert, da die relativ hohe im Stand der Technik zur Überwindung des Reflexionsvermögens des zu verschweißenden Materials, in diesem Fall des Leiterelements und/oder der Sensorelementanschlussleitung, eingesetzte Laserstrahlleistung entfällt. Die zweite Laserstrahlleistung kann somit zum Verbinden der Sensorelementanschlussleitung und dem Leiterelement durch Tiefenschweißen verwendet werden. Beim Tiefenschweißen wird auch unterhalb der Werkstoffoberfläche, d. h. bspw. unterhalb der Oberfläche des Leiterelements, Wärme eingebracht. Dabei bildet sich eine Dampfkapillare, durch welche die typische schlanke Laserschweißverbindung erfolgt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Herstellung der Laserpunktschweißverbindung mehrere Laserstrahlimpulse auf den Schweißpunkt aufgebracht, und die erste Laserstrahlleistung und die zweite Laserstrahlleistung werden vermittels voneinander getrennten Laserstrahlimpulsen auf den Schweißpunkt aufgebracht. Durch den ersten Laserstrahlimpuls und die erste Laserstrahlleistung kann das bereits erwähnte Schmelzbad erzeugt werden. Dadurch, dass die erste und die zweite Laserstrahlleistung zeitlich versetzt auf den Schweißpunkt aufgebracht werden, kann das durch den ersten Laserstrahlimpuls mit der ersten Laserstrahlleistung erzeugte Schmelzbad abkühlen, bevor die mit der zweiten Laserstrahlleistung auf den Schweißpunkt übertragene Energie auf den Schweißpunkt aufgebracht wird. Dadurch kann das Verdampfen des Materials, aus dem die Leiterelemente und/oder die Sensorelementanschlussleitungen bestehen, reduziert oder gar ganz vermieden werden. Durch den zweiten Laserstrahlimpuls kann dann die zweite Laserstrahlleistung auf den Schweißpunkt aufgebracht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vermittels der ersten Laserstrahlleistung also ein Schmelzbad hergestellt, das zur Herstellung der Laserpunktschweißverbindung zwischen der Sensorelelementanschlussleitung und dem Leiterelement dient. Wie bereits erwähnt, kann durch die Laserstrahlleistung die Schmelzbadtiefe vorgegeben werden. Um aber eine definierte Oberfläche, insbesondere des Leiterelements zu schaffen, kann hier eine vorzugsweise im Vergleich zur zweiten Laserstrahlleistung geringere erste Laserstrahlleistung verwendet werden. Die Laserstrahlleistung des verwendeten Laserstrahls kann dabei durch Fokussieren des Laserstrahls oder durch Änderung der Intensität des verwendeten Laserstrahls im Verhältnis zur Oberfläche des Schweißpunkts verändert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die erste Laserstrahlleistung über eine vorgegebene erste Zeitspanne im Wesentlichen konstant.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei der Laserpunktschweißverbindung zwischen der Sensorelementanschlussleitung und dem Leiterelement um eine Überlappverbindung, bei der die Sensorelementanschlussleitung und das Leiterelement so angeordnet sind, dass der Laserstrahl zunächst auf das Leiterelement trifft.
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Insbesondere können das wenigstens eine Leiterelement und die wenigstens eine Sensorelementanschlussleitung aus ähnlichen Materialien, insbesondere Materialien ähnlicher Wärmeleitfähigkeit bestehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die zweite Laserstrahlleistung über eine vorgegebene zweite Zeitspanne im Wesentlichen konstant.
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Insbesondere ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren keine rampenförmige Zunahme bzw. Abnahme der Laserstrahlleistung vor dem Aufbringen der ersten Laserstrahlleistung, nach dem Aufbringen der ersten Laserstrahlleistung, zwischen der ersten und der zweiten Laserstrahlleistung, vor der zweiten Laserstrahlleistung oder nach der zweiten Laserstrahlleistung vorgesehen. Vielmehr kann ein stufenförmiger Verlauf der Laserstrahlleistung vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens liegt die erste Laserstrahlleistung zwischen 500 und 900 Watt und die erste Zeitspanne beträgt 5 bis 10 ms.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens liegt die zweite Laserstrahlleistung zwischen 500 und 1000 Watt und die zweite Zeitspanne beträgt 7 bis 10 ms.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Formteil verwendet, in welchem Formteil mindestens eine Öffnung zum Einführen der Sensorelementanschlussleitung vorgesehen ist, und in dem Formteil ist mindestens eine Öffnung zum Einführen des Leiterelements vorgesehen, wobei in dem Formteil mindestens ein Raumabschnitt vorgesehen ist, auf welchen die Öffnung zum Einführen der Anschlussleitung und die Öffnung zum Einführen des Leiterelements münden, und wobei das Formteil ferner mindestens eine Kontaktierungsöffnung aufweist, welche auf den Raumabschnitt mündet und durch welche Kontaktierungsöffnung hindurch die Sensorelementanschlussleitung und das Leiterelement durch den wenigstens einen Laserstrahlimpuls miteinander verbunden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens stehen die Sensorelementanschlussleitung und das Leiterelement in Linienkontakt miteinander und werden durch das vorgeschlagene Laserschweißpunktverfahren miteinander verbunden. Das Leiterelement und die Sensorelementanschlussleitung können insbesondere entlang einer bestimmten Länge, insbesondere in einem Endbereich des Leiterelements bzw. der Sensorelementanschlussleitung, aneinander anliegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden das Leiterelement und die Sensorelelementanschlussleitung dabei so in dem Formteil positioniert, dass das Leiterelelement, von außen durch die Kontaktierungsöffnung betrachtet, oberhalb der Sensorelementanschlussleitung positioniert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens besteht die Sensorelementanschlussleitung aus einem bis zu 1 mm, insbesondere bis zu 0,5 mm, bevorzugt bis zu 0,4 mm, und besonders bevorzugt bis zu 0,2 mm, dicken Material.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens besteht das Leiterelement aus einem bis zu 1 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 0,8 mm, dicken Material.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als Leiterelement ein durch Kaltumformen, insbesondere durch Ziehen, hergestellter Draht verwendet. Durch das vorgeschlagene Verfahren können die Unebenheiten an der Oberfläche des insbesondere gezogenen Leiterelements beseitigt und eine definierte Schweißpunkt-Oberfläche für das Aufbringen der zweiten Laserstrahlleistung geschaffen werden.
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Hinsichtlich des Apparats wird die Aufgabe durch einen Apparat zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einer der vorherigen Ausgestaltungen des Verfahrens gelöst. Der Apparat kann zu diesem Zweck eine Laserstrahlquelle oder mehrere Laserstrahlquellen umfassen, welche Laserstrahlquelle(n) zur Erzeugung eines oder mehrer Laserstrahlen dient. Ferner kann eine entsprechende Anlage zur Fokussierung des Laserstrahls vorhanden sein. Zudem kann eine Halterung für die Laserstrahlquelle(n) und/oder für das Sensorelement, für die Sensorelementanschlussleitung und/oder für das Leiterelement vorhanden sein.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit Sensorelementanschlussleitungen und Leiterelementen, die durch das vorgeschlagene Verfahren verbunden werden,
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2: zwei Laserimpulse unterschiedlicher Leistung als Funktion der Zeit, und
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3: einen Laserimpuls mit angepasstem Leistungsverlauf als Funktion der Zeit.
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1 zeigt eine schematische Darstellung von Leiterelementen 3 und Sensorelementanschlussleitungen 2 die vermittels des vorgeschlagenen Verfahrens miteinander verbunden werden. Ein Sensorelement 1, hier ein Widerstandtemperatursensor, ist dabei über zwei Sensorelementanschlussleitungen 2 angeschlossen. Der Schweißpunkt zur Herstellung der Verbindung zwischen den Leiterelementen 3 und den Sensorelementanschlussleitungen 2 kann durch eine Kontaktierungsöffnung 8 in einem zur Halterung der Leiterelemente 3 bzw. der Sensorelementanschlussleitungen 2 von außen mit einem oder mehreren Laserstrahlen in Form von einem oder mehreren Laserstrahlimpulsen L1, L2, L3 beaufschlagt werden.
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Zumindest die Enden der Sensorelementanschlussleitungen 2 und Leiterelemente 3 sind dabei in einem Formteil 4 gehaltert, das einerseits Öffnungen 5 zum Einführen der Sensorelementanschlussleitungen 2 und andererseits Öffnungen 6 zum Einführen der Leiterelemente 3 aufweist. Das Formteil weist dabei zwei Kontaktierungsöffnungen 8 auf, die jeweils auf einen Raumabschnitt 7 enden, in dem das Leiterelement 3 und die Sensorelementanschlussleitung 2 angeordnet sind. Eine Kontaktierungsöffnung definiert dabei eine Einstrahlachse E1 bzw. E2 durch die ein Laserstrahl, wie bspw. der erste, der zweite oder der geformte Laserstrahlimpuls aus 2 bzw. 3, eingestrahlt werden kann.
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2 zeigt zwei voneinander getrennte Laserstrahlimpulse L1, L2, wie sie zur Herstellung der vorgeschlagenen Laserpunktschweißverbindung verwendet werden können. Die Laserstrahlimpulse L1, L2 sind dabei als Funktion der Zeit t gegenüber der Laserstrahlleistung P aufgetragen. Die Laserstrahlimpulse L1, L2 könne dabei nacheinander auf einen Schweißpunkt aufgebracht werden. Der erste Laserstrahlimpuls L1 weist dabei eine erste im Wesentlichen konstante Leistung P1 auf, während der zweite Laserstrahlimpuls L2 eine zweite im Wesentlichen konstante Leistung P2 aufweist. Die zweite Leistung P2 des zweiten Laserstrahlimpulses L2 ist dabei größer als die erste Leistung P1 des ersten Laserstrahlimpulses L1. Die Zeitspanne mit der der erste Laserstrahlimpuls L1 auf den Schweißpunkt einwirkt, ist im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich lang wie die Zeitspanne mit der der zweite Laserstrahlimpuls L2 auf den Schweißpunkt aufgebracht wird.
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3 zeigt einen sog. geformten Laserstrahlimpuls L3. Auch der geformte Laserstrahlimpuls L3 ist dabei als Funktion der Zeit t gegenüber der Laserstrahlleistung P aufgetragen. Die Leistung P des geformten Laserstrahlimpulses L3 ist dabei zunächst über eine erste vorgegebene Zeitspanne konstant und wird dann für eine zweite vorgegebene Zeitspanne erhöht und ist auch während der zweiten Zeitspanne im Wesentlichen konstant. Dabei können auch, wie in 3 gezeigt, die erste und die zweite Zeitspanne im Wesentlichen gleich lang gewählt werden. Das Aufbringen der ersten und der zweiten Laserstrahlleistung P1, P2 durch den in 3 gezeigten Laserstrahlimpuls L3 erfolgt dabei ohne zeitlichen Unterbruch.
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Dadurch entsteht eine im Wesentlichen stufenförmiger Verlauf der Laserstrahlleistung P. Folglich wird auch gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst die Laserstrahlleistung P1 und danach die Laserstrahlleistung P2 auf den Schweißpunkt aufgebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorelement
- 2
- Sensorelementanschlussleitung
- 3
- Leiterelement
- 4
- Formteil
- 5
- Öffnung zum Einführen der Sensorelementanschlussleitung
- 6
- Öffnung zum Einführen des Leiterelements
- 7
- Raumabschnitt
- 8
- Kontaktierungsöffnung
- E1
- erste Einstrahlachse
- E2
- zweite Einstrahlachse
- L1
- erster Laserstrahlimpuls
- L2
- zweiter Laserstrahlimpuls
- L3
- geformter Laserstrahlimpuls
- P
- Laserstrahlleistung
- P1
- erste Laserstrahlleistung
- P2
- zweite Laserstrahlleistung
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009026402 A2 [0004]
- DE 102007063456 A1 [0008]
- DE 2922563 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- SONNEMANNS F., DORRESTEIN S. „Anspruchsvolle Mikroschweißanwendungen – Lösungen und Parameterentwicklung speziell für gepulste Nd:YAG-Laser”, WWW: http://www.miyachieurope.com/cmdata/documents/FrSonSoDo_White_Paper 03-09_GER.pdf (30.06.2010) [0006]
