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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, der in Form eines Drahtes mittels einer Zuführeinrichtung zugeführt wird, wobei der Draht auch als mechanisches Tastelement verwendet werden kann. Das Verfahren bietet sich besonders für das Löten von verzinkten, insbesondere feuerverzinkten, Blechen an.
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Aus dem Stand der Technik sind Laserbearbeitungsköpfe zum Fügen, z. B. Schweißen oder Löten, von Werkstücken mittels eines Laserstrahls unter Verwendung eines mittels einer Zuführeinrichtung zugeführten Zusatzwerkstoffs in Form eines Drahtes bekannt, wobei der drahtförmige Zusatzwerkstoff auch als mechanisches Tastelement zur Nahtführung verwendet wird.
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DE 100 06 852 C5 oder
DE 10 2005 061 452 A1 offenbaren beispielsweise jeweils eine derartige Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen mittels eines Laserstrahls. Der Zusatzdraht wird hier kraftschlüssig entlang des von den zu verbindenden Werkstückteilen definierten Fügestoßes geführt. Die kraftschlüssige Führung der Drahtspitze erfolgt z. B. über eine Feder oder über Sensoren, insbesondere Kraftmomentensensoren, und damit geregelt geführte Aktoren.
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Aus
DE 10 2006 056 252 B4 ist eine Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls entlang eines Stoßes zweier mittels des Energiestrahls zu verbindenden Werkstücke bekannt, die hierfür einen Sensor an der Zuführeinrichtung des Zusatzdrahts aufweist, der die Lage des Stoßes relativ zu dem Tastelement detektiert. Eine Regelungseinrichtung steuert einen mit dem Tastelement verbundenen Aktor in Abhängigkeit der detektierten Lage des Stoßes relativ zum Tastelement so an, dass der Wirkpunkt des Energiestrahls an einer gewünschten Position am Stoß anliegt.
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Verfahren zum Fügen von Werkstücken mittels eines Energiestrahls und eines Zusatzwerkstoffs werden in jüngster Zeit zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt. Jedoch schmilzt und verdampft die korrosionsschützende Zinkschicht an Karosseriebauteilen hierbei unter Einwirkung des Energiestrahls ungleichmäßig. Besonders ausgeprägt ist dies bei feuerverzinkten Blechen aufgrund der Textur und der relativ ungleichmäßigen Beschaffenheit der Zinkschicht. Das Benetzungsverhalten der Fügepartner beim Löten wird durch die zeitlich und örtlich ungleichmäßige Phasenumwandlung der Zinkschicht negativ beeinflusst, woraus eine geometrische Ungleichmäßigkeit der Fügenaht resultiert. Feuerverzinkte Bleche lassen sich daher nur schwierig mit hoher optische Attraktivität laserlöten, da die Ränder der Lötnähte Kantenausrisse, sogenannte „Mäusezähnchen“, aufweisen. Insbesondere im Automobilbau wirken jedoch solche „ausgefransten“ Lötnähte nach dem Lackieren der Bleche sehr unschön.
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Ein Verfahren zum Löten von metallischen Werkstoffen, bei dem das Benetzungsverhalten des Lötbades gezielt beeinflusst wird, ist aus
DD 239 966 A1 bekannt. Hier werden die Werkstücke vor dem Löten im Bereich der Lötnaht mit einem Halbleitermaterial beschichtet. Nachteilig an diesem Verfahren ist der zusätzliche Zeit- und Kostenaufwand für die vor dem Löten durchzuführende Beschichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile, wie eine ungleichmäßige Randanbindung der Lötnaht, zu vermeiden, wobei ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserlöten geschaffen werden sollen, bei denen die aufgrund von ungleichmäßigem Benetzungsverhalten am Rand des Lötbades verursachten geometrischen Ungleichmäßigkeiten am Lötnahtrand beim Laserlöten von beschichteten Werkstücken, insbesondere bei feuerverzinkten Blechen, vermieden werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß umfasst das bereitgestellte Verfahren zum Laserstrahllöten eine mechanische Vorbehandlung der zu fügenden Werkstücke am Fügestoß, wobei diese Vorbehandlung zeitlich unmittelbar vor dem Fügen mittels Laserlöten in der dazu verwendeten Laserlötvorrichtung erfolgt. Hierzu wird eine Vorbehandlungseinrichtung verwendet, welche fest mit der Laserlötvorrichtung verbunden ist.
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Die mechanische Vorbehandlung kann eine spanende oder nicht-spanende Bearbeitung der Fügepartner an der Fügestelle im Bereich der zu erstellenden Lötnaht sein. Die Bearbeitung ist hierbei auf den Bereich auf der Oberfläche der zu fügenden Werkstücke begrenzt, in dem die Lötnaht ausgebildet werden soll. Insbesondere werden die Bereiche auf den Werkstückoberflächen vorbehandelt, die eine Randbegrenzung des beim Laserlöten auszubildenden Lötbades bilden sollen. Hierbei kann eine ganzflächige Vorbehandlung der Fügestelle im Bereich der Lötnaht, d. h. über die gesamte Lötnahtbreite, oder nur in zwei eng begrenzten Bereichen jeweils am Rand der vorgesehenen Lötnaht, d. h. je ein schmaler linienförmiger, parallel zur Fügestelle und in unmittelbarer Nähe zu derselben verlaufender Bereich auf jedem Werkstück, erfolgen.
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Durch diese mechanische Vorbehandlung wird also eine definierte geometrische Begrenzung des Lötbades im unmittelbar nachfolgenden Laserlötprozess bewirkt.
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Während der mechanischen Vorbehandlung kann eine an der Position der auszubildenden Lötnaht, d. h. z. B. symmetrisch um den Fügestoß, angeordnete Vertiefung in Form eines flachen „Grabens“ oder einer Rille ausgebildet werden, die beispielsweise eine Vertiefung von nur wenigen Mikrometern aufweist. Eine derartige Vertiefung kann durch Materialabtrag, d. h. spanend oder abrasiv, oder spanlos durch Druckeinwirkung, d. h. mittels Umformens (Pressen oder Eindrücken) oder Einschneidens, hergestellt werden.
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Ebenso können entlang des Fügestoßes auf jedem der beiden zu fügenden Werkstücke jeweils eine zu dem Fügestoß beabstandete Rille gezogen werden, sodass zu beiden Seiten des Fügestoßes jeweils eine Vertiefung in der jeweiligen Werkstückoberfläche ausgebildet wird. Eine derartige Rille wird z. B. durch oberflächliches Ritzen oder Einschneiden in die Werkstücke eingebracht.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die mechanische Vorbehandlung der Werkstückoberflächen im Bereich der auszubildenden Lötnaht, bzw. an deren Rändern, das (schmelzflüssige) Lötbad lokal auf die vorbehandelte Region eingeschränkt wird, die Wechselwirkung der Beschichtung am Lötnahtrand mit dem Laser bzw. dem Lötbad reduziert wird und somit „glatte“ Lötnahtränder ausgebildet werden.
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Die Vorbehandlung durch Umformen, d. h. nicht-spanend, bietet zudem den Vorteil, dass keine Späne entstehen, die vor dem Löten von den Werkstückoberflächen aus dem Bereich der Lötnaht entfernt werden müssten.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die für die Durchführung der Vorbehandlung der Werkstückoberflächen senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgeübte Kraft kleiner als die Kraft, die der Zusatzdraht in seiner Eigenschaft als Tastelement der taktilen Nahtführung senkrecht auf die Werkstückoberfläche ausübt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Werkzeug zur Durchführung der mechanischen Vorbehandlung zugleich als Tastelement der taktilen Nahtführung verwendet wird. Somit sind die üblichen systematischen Fehler, die bei Verwendung des Zusatzdrahtes als Tastelement auftreten, wie z. B. infolge der Durchbiegung des Zusatzdrahtes oder des Verschleißes der Drahtzuführdüse, ausgeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Laserlötvorrichtung umfasst eine Lichtquelle bzw. eine Lichtleitfaser, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Drahtzuführeinrichtung, einer Nahtführungssensorik und einer Strahlführungs- und Fokussiereinrichtung (z. B. Scannerspiegel und Linsen) zum Positionieren und Fokussieren des von der Lichtquelle erzeugten bzw. von der Lichtleitfaser eingekoppelten Laserstrahls auf die zu fügenden Werkstücke.
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Außerdem beinhaltet die Laserlötvorrichtung zum Zwecke der mechanischen Vorbehandlung ein Werkzeugmodul, umfassend eine Werkzeugführeinrichtung mit Werkzeugaufnahme sowie ein Werkzeug. Das Werkzeugmodul ist derart angeordnet, dass das Werkzeug mittels der Werkzeugführeinrichtung in Vorschubrichtung vor dem Laserbrennfleck des auf die Werkstückoberflächen auftreffenden Laserstrahles positionierbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Werkzeugmodul zwei Werkzeuge aufnehmen und führen kann, wobei die Werkzeuge zueinander beabstandet derart in einer oder zwei Werkzeugaufnahmen gehaltert sind, dass eine gleichzeitige Bearbeitung der Oberflächen jedes der beiden zu fügenden Werkstücke in den jeweiligen für die mechanische Vorbehandlung vorgesehenen Bereichen neben dem Fügestoß ermöglicht ist.
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Das Werkzeug kann ein Schneidwerkzeug, beispielsweise eine vom Fräsen bekannte Wendeplatte, sein, mittels dem Späne von der Werkstückoberfläche abhebbar sind. Dieses Schneidwerkzeug kann eine oder mehrere Schneidflächen aufweisen. Beispielsweise kann das Werkzeug zwei derart zueinander beabstandete Schneidflächen besitzen, dass mit diesem einen Werkzeug zwei (zueinander parallele) Vertiefungen auf den Werkstückoberflächen (spanend) erzeugbar sind.
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Das Werkzeug kann auch ein Ritzwerkzeug mit z. B. einer oder mehreren Diamantbesetzten Ritzspitzen sein, sodass damit (spanlos) Rillen mit einer Breite von vorzugsweise weniger als 2 mm in die jeweilige Oberfläche der zu fügenden Werkstücke eingeritzt werden können.
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Erfindungsgemäß sind die Drahtzuführeinrichtung (z. B. mittels eines Drahtzuführeinrichtung-Antriebs) und das Werkzeugmodul (z. B. mittels eines Werkzeugmodul-Antriebs) jeweils zumindest entlang einer senkrecht oder in einem Winkel zu den Werkstückoberflächen angeordneten Bewegungsachse translatorisch bewegbar, wobei auch eine in Richtung der Bearbeitungsebene wirkende Kraft ausübbar ist. Dadurch ist einerseits ein Nachführen von sowohl Drahtzuführeinrichtung als auch Werkzeugmodul (beispielsweise unabhängig voneinander) in Bezug auf die Bearbeitungsebene und andererseits ein Aufpressen des Zusatzdrahtes (z. B. zur Nahtabtastung) und/oder des Werkzeuges auf die Werkstückoberflächen ermöglicht.
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Als Bearbeitungsebene wird hierin die parallel zu den Werkstückoberflächen angeordnete Ebene in der mittels des Laserstrahls und des Zusatzdrahtes die Lötnaht erstellt wird, verstanden.
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Zusätzlich kann das Werkzeugmodul eine Lateralführeinrichtung aufweisen, mittels derer eine Bewegung des Werkzeuges in der Ebene der Werkstückoberflächen zumindest senkrecht zum Fügestoß ermöglicht ist. Somit ist eine Lateralbewegung des Werkzeuges auf der Werkstückoberfläche zur Korrektur seiner exakten Position in Bezug auf den Fügestoß bzw. in Querrichtung zur Lötnaht und ebenso relativ zur Drahtspitze ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird der Zusatzdraht zur Stoßabtastung, d. h. zur Bestimmung der Position des Fügestoßes relativ zum Laserbrennfleck verwendet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Laserlötvorrichtung zusätzlich und/oder alternativ eine optisch arbeitende Nahtführungssensorik aufweist.
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Vorteilhaft ist der Abstand zwischen dem Laserbrennfleck und dem Wirkort des Werkzeuges auf den Werkstückoberflächen möglichst klein gewählt, d. h. vorzugsweise im Bereich von weniger als zwei Zentimetern, um den von z. B. gekrümmten Fügestoßverläufen herbeigeführten Versatz zwischen Wirkort des Werkzeuges und Fügestoß minimal zu halten.
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In einer Ausführungsform der Laserlötvorrichtung sind die Drahtzuführeinrichtung und das Werkzeugmodul als ein Bauteil ausgeführt. Die Werkzeugaufnahme mit dem Werkzeug ist hierbei an der Drahtzuführeinrichtung angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass der zusätzlich für die Werkzeugbewegung senkrecht zur Werkstückoberfläche benötigte Werkzeugmodul-Antrieb entfallen kann. Außerdem kann in dieser Ausführungsform die mittels des Drahtzuführeinrichtung-Antriebs über das Werkzeug auf die Werkstückoberflächen auszuübende Kraft größer gewählt werden, da durch den frei durchbiegbaren Draht eine Korrektur bezüglich der Position der Drahtspitze und der Werkzeugposition senkrecht zur Werkstückoberfläche erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Abstand zwischen Zusatzdraht und Werkzeug entlang des Fügestoßes auf ein Minimum reduzierbar ist, d. h., der Vorlauf des Werkzeugs auf der Stoßstelle ist nahezu null.
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In dieser Ausführungsform ist die Stoßabtastung, d. h. die Bestimmung der Position der Fügestelle relativ zum Laserbearbeitungskopf, mittels des Werkzeuges möglich, sodass in vorteilhafter Weise die verfahrensimmanente Ungenauigkeit der Stoßabtastung mittels Zusatzdraht (aufgrund von z. B. einer unbekannten Durchbiegung des Zusatzdrahtes in Querrichtung zur Naht) eliminiert ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Laserlötvorrichtung eine Führungsmaschine (z. B. einen Roboter) an der der Laserbearbeitungskopf (z. B. dem Arm des Roboters) angeordnet ist, wobei die Aktoren zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfes beispielsweise Bestandteil der Führungsmaschine sein können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1a, 1b das Prinzip des Verfahrens;
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2 eine erste Ausführungsform der Laserlötvorrichtung im Längsschnitt;
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3 die Laserlötvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt.
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Wie in der 1a im Längsschnitt und in 1b in Draufsicht auf den Wirkort dargestellt, werden mit dem Werkzeug 7 auf der Oberfläche der am Fügestoß 4, hier einem Bördelstoß, zusammenzulötenden Werkstücke 1 und 2 (in 1a ist nur das erste Werkstück 1 dargestellt) die Rillen 8 zu beiden Seiten des Fügestoßes 4 eingebracht. In Vorschubrichtung (in der Figur durch den Pfeil veranschaulicht) hinter dem Werkzeug 7 wird mittels des Laserstrahls 6 der Zusatzdraht 3 aufgeschmolzen und die Lötnaht 5 ausgebildet, die aufgrund der zuvor in die Oberflächen der Werkstücke 1 und 2 eingebrachten Rillen 8 die glatten Ränder 5.1, d. h. ohne „Mäusezähnchen“, aufweist.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Laserlötvorrichtung im Längsschnitt. Der Laserstrahl 6 wird mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussiereinrichtung (nicht dargestellt) von der Lichtleitfaser 14 durch den Laserbearbeitungskopf 10 auf die Oberfläche der Werkstücke (in der Figur ist nur das erste Werkstück 1 dargestellt) geführt.
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Das Werkzeug 7 und der Draht 3 werden kraftschlüssig entlang des Fügestoßes 4 geführt, wobei das Werkzeug 7 des Werkzeugmoduls 11 vermittels des Werkzeugmodul-Antriebs 12 unabhängig von der Drahtzuführeinrichtung 13 bewegbar ist. Die Lateralführeinrichtung 15 erlaubt eine laterale Bewegung des Werkzeuges 7 relativ zur Spitze des Drahtes 3 bzw. zum Fügestoß 4.
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Die Ausgestaltungsvariante der Lötvorrichtung, in der das Werkzeug 7 an der Drahtzuführeinrichtung 13 montiert ist, ist in 3 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkstück
- 2
- zweites Werkstück
- 3
- Draht
- 4
- Fügestoß
- 5
- Lötnaht
- 5.1
- Rand der Lötnaht
- 6
- Laserstrahl
- 7
- Werkzeug
- 8
- Rille
- 10
- Laserbearbeitungskopf
- 11
- Werkzeugmodul
- 12
- Werkzeugmodul-Antrieb
- 13
- Drahtzuführeinrichtung
- 14
- Lichtleitfaser
- 15
- Lateralführeinrichtung
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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 10006852 C5 [0003]
- DE 102005061452 A1 [0003]
- DE 102006056252 B4 [0004]
- DD 239966 A1 [0006]
