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Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten von Zähnen – vorzugsweise aus Hartmetall oder Stellit – auf ein Sägeblatt oder ein Sägeband nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 8 und 9.
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Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass zum Löten von Hartmetallzähnen und dem damit verbundenen Erwärmen des Plattensitzes, des Zahnes und des Lotmittels, Induktionsspulen verwendet werden.
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Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, dass das Löten von Hartmetallzähnen an einen Grundkörper eines Sägeblattes mittels Laserlicht bewerkstelligt wird. Aus dem Artikel
„Ohne Verzug" der Fachzeitschrift „MM Das Industriemagazin – 10/2005 (Seite 30 und 31)" wird das Löten von Hartmetallzähnen mittels Laserlicht beschrieben. In einer ersten Variante wird dort mittels einer Laserquelle der Wärmeeintrag über die Oberfläche der Schneide eingebracht. In einer zweiten Variante wird das Laserlicht von beiden Seiten – also im Wesentlichen im rechten Winkel zu den Stammblatt-Planflächen – auf die Lötzone aufgebracht. Da das Laserlicht defokussiert auf die Lötflächen gebracht wird – das heißt, der Brennpunkt liegt nicht auf der Stammblattoberfläche – stellt die bestrahlte Fläche einen Kreis dar. Wird die Laserquelle etwas zur Stammblattoberfläche (ggf. unter Zuhilfenahme eines Umlenkspiegels) geneigt, so ergibt sich nach den Gesetzen der Geometrie eine elliptische, bestrahlte Fläche.
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Aus verschiedenen, zum Teil gemeinsamen Veröffentlichungen des „Instituts für Werkzeugforschung und Werkstoffe” in Remscheid und dem „Laser Zentrum Hannover” in Hannover ist auch bekannt, dass das Laserlicht von einem Dioden-Lasergenerator erzeugt wird, dann in einen Lichtwellenleiter eingespeist und dann wiederum über eine abschließenden Laserkopf (Kollimator und/oder Optik) zu den Lötfläche geleitet wird. Weiterhin ist auch dort bekannt, dass das Laserlicht jeweils auf beide Seiten des Stammblattes zur Lötfläche gelenkt wird.
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Die Vorteile im Löten von Sägeblättern/-Bändern mittels Laserlicht bestehen darin, dass der Energieeintrag geringer wird, das Stammblatt weniger Verzug erfährt, die Lötzeit und die Abkühlzeit pro Zahn kürzer werden und dass die Lötfläche anschließend sauberer ist, so dass gegebenenfalls das Reinigen der Lötfläche, oder das Sandstrahlen und/oder Bürsten entfallen können, oder auch das Richten des Stammblattes überflüssig wird.
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Wie bereits ausgeführt, wird im Stand der Technik eine kreisrunde oder ovale Fläche – hier fortan als Heizfläche bezeichnet – mit Laserlicht bestrahlt. Dadurch werden auch Regionen im Umfeld der Lötfläche erwärmt, die nicht erwärmt werden müssten. Auf der anderen Seite werden Randbereiche der – in der Regel L-förmigen – Lötfläche möglicherweise nicht mit genügend Wärmeenergie versorgt.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Wärmeeintrag in die Lötfläche zu optimieren und ggf. zu verringern, den Verzug, die Lötdauer und die Nachbearbeitung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird gemäß der Ansprüche 1, 8 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es muss hier vorausgeschickt werden, dass ein Dioden-Lasergenerator bzw. Lasergenerator im Rahmen dieser hier vorliegenden Anmeldung dasjenige Gerät oder diejenige Einheit darstellt, welches aus der elektrischen Energie das Laserlicht erzeugt. In einer ersten Lösung wird ein Dioden-Lasergenerator verwendet, dessen matrixförmig angeordnete Laserdioden (eine Zeile von Laserdioden ist zu so genannten Barren zusammengefasst) auch matrixförmig angesteuert werden können. Auf diese Weise können beliebige Laserbilder entworfen werden, die dann durch den nachfolgenden Strahlenverlauf auf der Lötstelle projiziert werden. Mit dieser Methode ist dann auch eine beispielsweise L-förmige Lötfläche zu bestrahlen. L-förmig heißt in der hier vorliegenden Erfindung aber nicht, dass es sich um eine reine, abgewinkelte Linie handelt, sondern um ein im Wesentlichen L-förmiges, dreidimensionales Gebilde, welches durch den L-förmigen Querschnitt und seine Tiefe bestimmt wird. Für das Entstehen einer guten Lötverbindung müssen z. T. auch Nachbarbereiche der Lötfläche mit Wärme versorgt werden, damit z. B. die Wärme nicht zu schnell von der Lötfläche abfließt. Deshalb kann man in den Bereichen der L-förmigen Heizfläche eine Verbreiterung der Lötfläche vornehmen, so dass dann eine polygonale Heizfläche zustande kommt. Die Ecken eines solchen Polygons sind hierbei aus optischen Gründen gegebenenfalls abgerundet. Anstelle von einer polygonalen, kann man auch von einer amorphen oder Freiform-Heizfläche sprechen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden ein Festkörperlaser oder ein Gaslaser als Laserquelle verwendet. Der Laserlichtstrahl hat dann zunächst einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der dann gemäß der Erfindung zu einem polygonalen Querschnitt umgeformt wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird statt eines Dioden-Lasergenerators ein Faserlaser verwendet. Der Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Ein dotierter Kern einer optischen Faser bildet bei einem Faserlaser das aktive Medium. Ein Faserlaser wird im Allgemeinen optisch gepumpt. Meist sorgt hierbei ein Diodenlaser für die Pumpleistung. Auch hier hat das Laserlicht zunächst wiederum einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt.
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Wie schon im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert, wird das von einer Laserquelle kommende Licht zwar gebündelt, aber der Brennpunkt liegt nicht auf der zu erwärmenden Oberfläche, der hier so genannten Heizfläche, um eine flächige Bestrahlung zu erreichen. Um in Verbindung mit einem Festkörperlaser, Gaslaser oder Faserlaser eine polygonale Heizfläche zu erzielen, werden Anteile des noch nicht gebündelten Laserstrahles mittels Umlenkspiegel in die anderen Anteile des Laserstrahles hinein gespiegelt. Dadurch kann man die Leistung des Laserstrahles auf eine polygonale Heizfläche konzentrieren.
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Entscheidend für die richtige Wahl der Laserquelle ist die von ihr produzierte Wellenlänge, denn von der Wellenlänge hängt ab, wie viel Laserlicht auf der Heizfläche absorbiert wird und damit die Heizfläche erwärmt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Blende zwischen einem Laserkopf und der Lötfläche bzw. der Heizfläche angeordnet. Diese Blende ist dann beispielsweise mit einem L-förmigen Durchbruch versehen, durch den das Laserlicht zur Heizfläche gelangen kann. Das auf dem Blendenrand auftreffende Laserlicht – besonders bei Laserlicht mit einem kreisförmigen Strahlquerschnitt – wird dann von dem Blendenmaterial absorbiert. Je nach Form des Durchbruches kann dann jede beliebige polygonale Heizfläche erzeugt werden. Das Material der Blende sollte aber einen hohen Absorptionsgrad aufweisen, damit das möglicherweise reflektierte Laserlicht nicht den aussendenden Laserkopf beschädigt. Außerdem muss hier dafür gesorgt werden, dass die in der Blende sich ansammelnde Wärmeenergie abgeführt werden kann. Die Ausgestaltung mit der Blende hätte den Vorteil, dass auch bisher verwendete Laser-Generatoren eine polygonale Heizfläche erzeugen können.
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Im Stand der Technik wurde bisher nicht beschrieben, dass bei der Anordnung von zwei gegenüber liegend angeordneten Laserquellen, die also zu beiden Seiten des Stammblattes angeordnet sind, beim Weiterdrehen des Stammblattes, also beim „Weitertakten” zur nächsten Lötposition durch den Spanraum hindurch, der eine Laserstrahl kurzzeitig den Laserkopf des anderen Strahles treffen kann. Dieses kann zu sehr teuren Beschädigungen der Lasertechnik führen. Deshalb ist es wichtig, dass das Laserlicht kurzeitig unterbrochen wird. Dieses kann zum einen durch das elektrische Abschalten der Laserquelle (des Generators) oder durch eine kurzzeitige mechanische Abschirmung und/oder Umlenkung des Laserstahles in der Umgebungsluft erfolgen.
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Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Sägeblatt mit einer L-förmigen Lötfläche und einer trapezförmigen Heizfläche;
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2 eine rechteckige Heizfläche;
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3 eine L-förmige Heizfläche;
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4 eine trapezförmige Heizfläche mit abgerundeten Ecken;
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5 Draufsicht auf den Umfang eines Stammblattes mit zwei Laserquellen;
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6 Ansicht wie in 5, jedoch unter Verwendung eines Strahlenteilers;
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7 ein Löten mittels eines runden Laser Strahlquerschnittes, aber mit einer L-förmigen Relativbewegung;
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8 ein Löten mittels eines runden Laser Strahlquerschnittes, aber mit einer rotatorischen Relativbewegung.
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Es muss vorausgeschickt werden, dass Angaben wie „rechts”, „links”, „oben” und „unten” sich nur auf die Darstellung in den betreffenden Figuren beziehen. In der Realität können diese andere Positionen einnehmen. Auch sind die Größenverhältnisse hier nicht unbedingt maßstäblich wiedergegeben.
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In der 1 ist ein Ausschnitt eines Stammblattes 1 mit einer Lötfläche 3, die hier – vereinfacht ausgedrückt – L-förmig ausgebildet ist. Ein Zahn 2 wird von einer Zange 4, die sich an einem Greifer 4 befindet, in dem Plattensitz gehalten. Das Lotband der Lötfläche ist hier als dicker Strich dargestellt. Die freien Flächen zwischen dem Lotband und dem Plattensitz, bzw. zwischen dem Lotband und dem Zahn 2 sind übertreiben dargestellt und sollen jeweils die Lage des Flussmittels veranschaulichen. Für das Bestücken des Stammblattes 1 mit Zähnen 2 muss der Greifer 5 immer wieder entlang seiner Bewegungsrichtung 6 in eine rechte Position fahren, um die Zähne 2 für die weiteren Lötpositionen dort abzuholen. In der 1 befinden sich oberhalb und unterhalb der Zeichenebene – also vor und hinter der Lötfläche 3 – je eine Laserquelle, die je eine trapezförmige Heizfläche 7 bestrahlt. Die Laserquelle wird von einem nicht dargestellten Lasergenerator mit Licht versorgt.
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In den 2, 3 und 4 werden weitere erfindungsgemäße, polygonale – also vieleckige, nicht-runde und nicht-ovale – Heizflächen 7 gezeigt. Es wird in den 1 bis 4 auch deutlich, wie individuell man die Aufheizung von Lotband, Flussmittel, Stammblatt und Zahn gestalten kann, welches zu sauberen und im Wesentlichen verzugsfreien Lötflächen führt.
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In der 5 ist eine Draufsicht auf den Umfang des Stammblattes 1 gezeigt. Zwischen dem Zahn 2 ist die Lötfläche 3 mit dem Lotband und dem Flussmittel zu sehen. Die Zange 4, die seitlich den Zahn 2 hält, ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Rechts und links von der Lötstelle 3 sind Laserköpfe 12 mit dem in die Umgebungsluft 13 austretendem Laserlicht angeordnet. Diese Laserköpfe beinhalten Kollimatoren und/oder Linsensysteme, so dass das Laserlicht in Richtung Heizfläche 7 gebündelt wird. Wäre das Laserlicht schon im Laserkopf 12 gebündelt, so gäbe es eine hohe Energiedichte in dem zuführenden Laserleitsystem (z. B. Lichtleiter oder Faserlaser), welches das Laserleitsystem möglicherweise zerstören würde. Deshalb wird die Energie des Laserlichtes erst außerhalb des Laserkopfes gebündelt. Wegen der hohen Energiedichte und damit auch hohen Wärmedichte im Laserkopf 12, wird dieser auch gekühlt (nicht dargestellt). Werden in der 5 keine optionalen Blenden 9 verwendet, so tritt der polygonalen Strahlquerschnitt bereits aus der äußeren – dem Stammblatt 1 zugewandten Linsenoberfläche des Laserkopfes 12 der polygonalen Strahlquerschnitt aus, der durch die Bündelung auf der Lötfläche 3 lediglich auf einen kleineren Maßstab gebracht wird und dadurch an Energiedichte zunimmt. Die Bündelung des Laserlichtes kann im Rahmen der Erfindung – abweichend auch von der Darstellung in 5 – auch derart erfolgen, dass der Fokus der Bündelung vor der Ebene des Stammblattes 1 liegt, so dass der Strahl sich direkt auf dem Stammblatt 1 wieder etwas aufgeweitet hat, wodurch wiederum eine flächige Bestrahlung der Lötfläche erfolgt.
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In der optionalen Ausgestaltung der 5 sind zwischen den Laserköpfen 12 und der Lötfläche 3 – bzw. dem Stammblatt 1 – Blenden 9 mit je einem Durchbruch 10 angeordnet. Mit dieser Anordnung kann man ebenfalls polygonale Heizflächen 7 erzeugen, auch wenn das Laserlicht aus den Laserköpfen 12 kreisförmig austritt, wenn die Durchbrüche 10 die Form der gewünschten polygonalen Heizfläche 7 aufweisen. Durch die Strahlengeometrie und dem mathematischen Strahlensatz ergibt sich auf der Heizfläche 7 bzw. dem Stammblatt 1 ein verkleinertes Abbild des Durchbruches 10. An den Stellen der Blenden 9, wo das Laserlicht auf die Blende 9 trifft, wird das Laserlicht absorbiert.
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Mit der 6 soll gezeigt werden, wie man aus dem Laserlicht eines Dioden-Lasergenerators (hier nicht dargestellt) über einen Strahlenteiler 11 zwei einzelne Laserquellen erzeugen kann, die dann auf je eine Seite des Stammblattes 1 auf die entsprechenden Lötflächen 3 treffen. Ein Strahlenteiler 11 besteht beispielsweise aus zwei Glasprismen, die mit ihren Basisseiten zusammen geklebt sind. Wenn ein Strahlenteiler 11 eine nennenswerte Wärmebelastung aushalten muss, wird er aus einem – im Wesentlichen – ausdehnungsfreien Glas (z. B. Zerodur) hergestellt. Das Besondere eines Strahlenteilers 11 ist, dass er an seiner Klebestelle einen Teil der Strahlen in eine Richtung spiegelt, während der andere Teil geradeaus hindurch geht. Auf diese Weise wird zwar auch die Laserleistung aufgeteilt, aber bei genügender Ausgangsleistung ist es dann für beide Seiten der Lötstelle 3 immer noch genug. In Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes betrachtet, wird das Licht möglichst in einem parallelen Strahlengang 17 weitergeleitet, damit keine Wärmekonzentrationen in dem vom Laserlicht durchflutetem Medium zustande kommen. Erforderliche, weitere Umlenkungen des Laserlichtes erfolgen dann über plane Umlenkspiegel. Erst kurz vor der Lötfläche 3 kommt es dann Linsen 16 zur Bündelung. Anstelle der Linsen 16 und der oberen planen Umlenkspiegel 14, kann man auch im oberen Bereich konkave Umlenkspiegel verwenden, denn ein konkaver Umlenkspiegel 15 ersetzt zugleich die Linsen 16. Anstelle eines offenen, parallelen Strahlenganges 17 (wie dargestellt) kann auch – je nach konstruktiven Gegebenheiten – je ein Lichtleiter verwendet werden, so dass dann auch gegebenenfalls der Umlenkspiegel 14 entfallen kann.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Strahlenteiler in Form eines halb durchlässigen Spiegels realisiert (hier nicht dargestellt).
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In den 7 und 8 wird mittels eines Laserstrahles mit kreisrundem Querschnitt entlang der Lötfläche 3 gefahren, wobei Heizfläche 7 erhitzt wird. Diese Bahn kommt dadurch zustande, dass das Stammblatt und der Laserstrahl sich relativ zueinander bewegen. Da im Allgemeinen die Aufnahme des Stammblattes und das Stammblatt selbst relativ schwer sind, ist es wohl in den meisten Fällen angebracht, den Laserstrahl zu bewegen. In der 7 ist die Bahn 18 L-förmig. In der 8 hingegen stellt die Bahn einen Kreisbogen um den Mittelpunkt 19 dar. Mit Hilfe dieser beiden beschriebenen Bahnformen kann man ebenfalls polygonale Heizflächen 7 erzeugen. Durch Abstimmung der Bahnen 18 und einer möglichen Kombination der Bahnen aus 7 und 8, kann man die Heizfläche 7 weiter optimieren.
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In einer weiteren (hier nicht dargestellten Ausgestaltung) werden beheizte Blöcke links und rechts an den Zahn 2 für das Löten angelegt. Diese Blöcke haben dann den gewünschten – möglicherweise polygonalen – Querschnitt. Die Blöcke können dann ebenfalls über Laserlicht oder auch über elektrische Heizungen erhitzt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können. Weiterhin können einzelne, in Verbindung mit den Figuren beschriebene Merkmale bzw. Funktionsweisen für sich allein genommen eine selbständige Erfindung darstellen. Die Anmelderin behält sich also vor, noch Weitere bisher nur in der Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren offenbarte Merkmale von erfindungswesentlicher Bedeutung zu beanspruchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stammblatt
- 2
- Zahn
- 3
- Lötfläche
- 4
- Zange
- 5
- Greifer
- 6
- Bewegungsrichtung des Greifers
- 7
- Heizfläche
- 8
- Spanraum
- 9
- Blende
- 10
- Durchbruch in der Blende
- 11
- Strahlenteiler
- 12
- Laserkopf
- 13
- Umgebungsluft
- 14
- Umlenkspiegel plan
- 15
- Umlenkspiegel konkav
- 16
- Linse, Laserkopf
- 17
- Paralleler Strahlengang
- 18
- Bahn
- 19
- Mittelpunkt
- A
- voller Strahlenquerschnitt
- B
- reduzierter Strahlenquerschnitt
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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 Nicht-Patentliteratur
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- „Ohne Verzug” der Fachzeitschrift „MM Das Industriemagazin – 10/2005 (Seite 30 und 31)” [0003]
