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Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum prozesssicheren Verbinden von folienartigen Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie Aluminium oder Kupfer, an einem Überlappstoß sowie eine Laserschweißvorrichtung. Die Erfindung ist z. B. anwendbar im Bereich der Akkumulationstechnik.
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In Akkumulatoren werden häufig Metallfolien als Elektroden oder zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden eingesetzt. Diese Metallfolien sind durch eine Stärke von deutlich weniger als 1 mm gekennzeichnet. Zum Fügen derartig dünner Folien sind Ultraschallverfahren, gepulstes Lichtbogenschweißen und Widerstandspunktschweißen bekannt.
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Nachteilig an diesen Verfahren ist z. B. die lange Prozessdauer. Beim Ultraschallschweißen müssen die Fügepartner überdies von beiden Seiten zugänglich sein. Außerdem ist ein Fügen von Metallfolien, die dünner als 300 µm sind, nicht möglich.
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Insbesondere beim Schweißen dünner Folien mit einer Stärke von weniger als 300 µm führt die Oberflächenspannung der Schmelze zu einem Aufreißen des Schmelzpools im Zentrum, sodass Anbindungsfehler und Nahtdefekte die Konsequenz sind. Beim ungepulsten Laserstrahlschweißen müssen in der Regel Brennfleckdurchmesser verwendet werden, die ein großes Schmelzvolumen generieren. Dies führt jedoch aufgrund der Oberflächenspannung zum Zusammenziehen und Aufreißen der Schmelze, d. h. es bildet sich ein „Loch“ im Schmelzbad. Somit sind Fügeverbindungen schweißtechnisch nicht qualitätsgerecht herstellbar. Insbesondere werden dünnen Folien vom Laserstrahl zerschnitten anstatt gefügt.
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Zudem ist bei großen Schmelzbädern eine Vermischung unterschiedlicher Werkstoffe kaum vermeidbar. Insbesondere beim Schweißen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen wird die Schweißnaht aufgrund der Bildung intermetallischer Phasen sehr spröde, was wiederum zum Versagen der Schweißnaht führen kann. Legierte Werkstoffe können folglich nicht oder nur eingeschränkt gefügt werden, wenn aufgrund des eingesetzten Verfahrens ein ausgedehntes Schmelzbad entsteht.
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Das gepulste Laserschweißen ermöglicht zwar kleine Schmelzbadvolumina, sodass ein Zusammenlaufen der Schmelze verhindert wird. Doch aufgrund der geringeren Leistungseinbringung wird pro Zeiteinheit nur eine geringe Materialmenge aufgeschmolzen; die damit einhergehenden erhöhten Taktzeiten senken die Wirtschaftlichkeit beim gepulsten Laserschweißen. Eine Erhöhung der Pulsfrequenz führt jedoch wieder zu denselben Nachteilen, die oben für das kontinuierliche Laserschweißen beschrieben wurden.
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Aus
DE 10 2016 118 986 A1 ist ein Verfahren zum Schweißen von folienartigen Werkstücken mittels Laserstrahl bekannt, demgemäß die zu schweißenden Werkstücke mittels einer Vorschubeinrichtung relativ zum Laser bewegt werden, wobei der Laser eine dem Vorschub überlagerte Pendelbewegung ausführt. Die Führung des Laserspots auf der Werkstückoberflächenebene erfolgt auf einer spiralförmigen Schweißbahn.
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WO 2017/125253 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Rohren mittels Laserschweißen, wobei der ersten Bewegung des Laserstrahls eine zweite, hochfrequente Pendelbewegung überlagert ist, die insbesondere mit einer Auslenkung von 0,15 - 0,25 mm und einer Frequenz von 3000 - 4000 Hz ausgeführt wird.
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Laserschweißverfahren zum Verbinden folienartiger Werkstücke bzw. überlappender Werkstücke sind weiterhin in
US 2018/0029163 A1 ,
WO 2017/201668 A1 und
US 4 658 110 A offenbart.
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Eine Vorrichtung zum Laserschweißen ist zudem aus
DE 20 2016 106 131 U1 bekannt; diese weist eine Scanneroptik mit einem bewegbaren Scannerspiegel zum Führen des Laserstrahls, eine Niederhaltevorrichtung mit Andruckelementen zum Fixieren der Werkstücke, eine Kantenerfassungssensorik sowie eine Auswerte- und Steuereinheit, die mit der Scanneroptik und der Kantenerfassungssensorik verbunden ist, auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein serienfertigungsgeeignetes Remote-Laserschweißverfahren mit großer Prozesssicherheit und im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kürzerer Prozesszeit zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, folienartige Werkstücke mit Stärken von weniger als 300 µm an einem Überlappstoß mit einer rissfreien Fügenaht zu verbinden, wobei die Fügenaht mindestens die Festigkeit einer gemäß dem Stand der Technik geschweißten Fügenaht aufweisen soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Schweißverfahren zum Verbinden von folienartigen Werkstücken an einem Überlappstoß gemäß dem Anspruch 1 und eine Laserschweißvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 7. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Unter dem Begriff „folienartige Werkstücke“ werden hierin Bleche mit einer Stärke von maximal 300 µm verstanden. Es wird allerdings betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Fügen dickerer Bleche anwendbar ist; in vorteilhafter Weise lassen sich mittels des Verfahrens 4 µm bis 20 µm dünne Folien mit hohem Anbindungsquerschnitt fügen, sodass z. B. bei Einsatz der Folien als elektrische Leiter eine niederohmige elektrische Kontaktierung der Folien durchführbar ist.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung der Schweißverbindung mit einer Remote-Laserschweißvorrichtung durchgeführt. Ein Bearbeitungslaser erzeugt einen Laserstrahl, vorzugsweise einen kontinuierlich emittierten Laserstrahl (in der Fachsprache „cw-Betrieb“ genannt), der mit Hilfe einer Scanner-Optik abgelenkt wird und in einem Laserspot auf einer Werkstückoberflächenebene der zu verbindenden Werkstücke auftrifft. Der Laserstrahl wird hierbei derart fokussiert, dass die Querschnittsausdehnung des Laserspots in der Werkstückoberflächenebene im Mikrometerbereich liegt, d. h. kleiner als 300 µm ist. Die Werkstücke und die Remote-Laserschweißvorrichtung werden relativ zueinander mittels einer Vorschubeinrichtung, zum Beispiel einem Linear- oder Drehtisch, in einer vorgegebenen Fügenahtrichtung bewegt.
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Die zu fügenden folienartigen Werkstücke werden mittels einer Niederhaltevorrichtung zumindest im Bereich der zu erstellenden Fügenaht aufeinander gepresst, sodass ein ggf. zwischen den Folien ausgebildeter Spalt an dieser Position minimiert wird.
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Mittels der Scanner-Optik wird der Laserstrahl und mit diesem der Laserspot in eine - z. B. anharmonisch - hochfrequent oszillierende Pendelbewegung versetzt. Diese hochfrequente Pendelbewegung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Oszillationsfrequenz im Bereich von 1 bis 10 kHz und einer Oszillationsamplitude im Bereich von 20 bis 300 µm.
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Der oszillierende Laserspot wird in einer der oszillierenden Pendelbewegung überlagerten Vorschubrichtung auf der Werkstückoberflächenebene entlang eines vorgegebenen Fügenahtverlaufs geführt. Erfindungsgemäß weist dieser Fügenahtverlauf die geometrische Form einer Spirale auf. Vorzugsweise ist die Nahtbreite, d. h. die Ausdehnung des Spiralarmes der Fügenaht quer zum Nahtverlauf, deutlich größer als der Durchmesser des Laserspots auf der Werkstückoberfläche. Beispielsweis beträgt die Nahtbreite 800 µm bei einem Laserspotdurchmesser von 80 µm.
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Hierbei sind die Spiralarme der Fügenaht, d. h. benachbarte Bahnabschnitte der spiralförmigen Fügenaht, zueinander beabstandet. Der Abstand entspricht mindestens dem Durchmesser des Laserspots, die Nahtbreite selbst beträgt maximal 800 µm. Somit kann vorgesehen sein, dass der Abstand der Spiralarme geringer als deren Querausdehnung, d. h. die Nahtbreite, ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Abstand der Spiralarme 35 % bis 65 % der Querausdehnung des Spiralarms, d. h. der Nahtbreite, beträgt.
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Die Spirale kann die geometrische Form einer archimedischen oder einer logarithmischen Spirale aufweisen. Sie kann aber auch - analog zu einem Polygon - aus geradlinigen Bahnabschnitten, die jeweils in einem Winkel zu den benachbart anschließenden Bahnabschnitten angeordnet sind, zusammengesetzt sein, d. h., die Spiralarme sind geknickt.
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Der Laserspot wird mit einer vergleichsweise hohen Bahngeschwindigkeit in der Werkstückoberflächenebene bewegt, wobei vorgesehen ist dass der Laserspot mit einer Bahngeschwindigkeit von wenigstens 100 mm/s entlang der vorgegebenen Bahnkurve bewegt wird.
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Erfindungsgemäß werden paarweise spiralförmige Fügenähte erzeugt, wobei eine konzentrisch zu einer ersten Fügenahtspirale angeordnete zweite Fügenahtspirale in die Zwischenräume der ersten Fügenahtspirale gesetzt wird. Somit verlaufen die Spiralarme der zweiten Fügenaht zwischen den Spiralarmen der ersten Fügenaht. Auf diese Art wird die Festigkeit der Fügeverbindung vorteilhaft erhöht.
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Hierbei können sich die Schweißnahtbahnen der ersten und der zweiten Fügenahtspirale in der Werkstückoberflächenebene senkrecht zur Fügenaht um 10 % bis 40 % überlappen.
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Durch Überlagerung der oszillierenden Pendelbewegung des Laserstrahls mit der Vorschubbewegung beschreibt der Laserspot auf der Werkstückoberflächenebene eine Bahnkurve, deren Hüllkurve den spiralförmigen Fügenahtverlauf beschreibt. Die Ausbildung der Schweißnaht erfolgt dementsprechend durch eine Überlagerung der makroskopischen Vorschubbewegung und einen in mikroskopischen Dimensionen, d. h. im Bereich von maximal 300 µm, ausgebildeten Pendelbewegung des Laserspots entlang bzw. quer zu dem Verlauf der auszubildenden Fügenaht. Hierdurch entsteht eine Fügenaht mit einer Nahtbreite, die deutlich breiter ist, als vom Laserspot alleine bei einer linearen Bewegung entlang der Vorschubrichtung erzielbar.
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Beispielsweise kann die Fügenaht eine sägezahnartige Mikrostruktur aufweisen, d. h., der Laserspot schwingt periodisch quer zur Vorschubrichtung hin und her. Als ein anderes Beispiel ist eine rechteckförmige Mikrostruktur denkbar, wobei die Oszillationsform der oszillierenden Pendelbewegung ein Rechteck ist. Alternativ kann die hochfrequente Pendelbewegung des Laserspots Kreise auf der Werkstückoberfläche beschreiben, sodass die (makroskopische) Spirale der Fügenaht eine ebenfalls spiralförmige Mikrostruktur aufweist.
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In vorteilhafter Weise werden von dem Laserspot linienförmige, zueinander parallele bzw. senkrechte Schweißnahtabschnitte, z. B. mit jeweils identischen geometrischen Maßen, ausgebildet, wobei die Aneinanderreihung der Schweißnahtabschnitte in der Werkstückoberflächenebene eine durchgängige, spiralförmige Fügenaht ergibt. D. h., nach dem Erstarren des Schmelzbades stellt sich die Fügenaht als eine ununterbrochene Spirale dar. Bei einer Pendelbewegung längs und quer zur Fügenahtrichtung - entsprechend einer rechteckförmigen Oszillationsform - können die Schweißnahtabschnitte z. B. in parallelen Reihen nebeneinander angeordnet werden, wobei die Reihen im Wesentlichen senkrecht zum spiralförmigen Verlauf der Fügenaht angeordnet sind.
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Indem der Laserspot auf der Werkstückoberflächenebene mit hoher Geschwindigkeit geführt wird und er nur eine geringe Ausdehnung aufweist, bildet sich ein im Vergleich zum Stand der Technik kleines Schmelzbad aus. Hierdurch entsprechen sich Adhäsions- und Oberflächenenergie im Wesentlichen, sodass ein Aufreißen des Schmelzbades zuverlässig verhindert ist.
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Durch den kleinen Laserspotdurchmesser und die schnelle Pendelbewegung des Laserstrahls während der oszillierenden Pendelbewegung mit einer Oszillationsfrequenz von 1 bis 10 kHz wird die Entstehung ausgedehnter Schmelzbäder verhindert. Heißrisse können sich bei Erstarrung der Schmelze in den eng begrenzten Schweißnahtabschnitten nicht bilden.
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Somit besteht einer der Vorteile des Verfahrens darin, dass Aluminium und Kupfer-Werkstoffe - gleichermaßen AICu-Legierungen - rissfrei schweißbar sind. Dies ermöglicht einen stabilen, wirtschaftlichen Fertigungsprozess.
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Die hochfrequent oszillierende Pendelbewegung in Verbindung mit dem geringen Durchmesser des Laserspots ermöglicht zudem eine enge räumliche Positionierung der Schweißnahtabschnitte zueinander, sodass Nahtfestigkeiten gleich einer durchgängigen Fügenaht sicher erreicht werden, wobei auch dünne Folien gefügt - und nicht vom Laserstrahl zerschnitten - werden.
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Indem die Spiralarmabschnitte der spiralförmigen Fügenaht zueinander beabstandet sind, bleibt ein dünner, unaufgeschmolzener Steg zwischen benachbarten Schweißbahnabschnitten. Dieser Steg fungiert als Barriere und verhindert, dass im Zentrum der Punktschweißung eine flüssige Schmelzkugel ausgebildet wird, die wiederum eine fehlerhafte Anbindung bewirkt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Nahtbreite der spiralförmigen Fügenaht entlang des Verlaufes der spiralförmigen Fügenaht, d. h. innerhalb des Spiralarmes, kontinuierlich zunimmt oder abnimmt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Leistungseintrag auf der Bahnkurve des Laserspots synchron zu der oszillierenden Pendelbewegung des Laserstrahls gesteuert, d. h., der Leistungseintrag durch den Laserstrahl in die Werkstücke am Laserspot wird mit einer Leistungseintragsperiode periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert geändert. Unter Leistungseintrag wird die pro Zeiteinheit durch den Laserstrahl in das Werkstück eingebrachte Wärmeenergie am Laserspot verstanden. Hierbei kann der Minimalwert unterhalb des zum Aufschmelzen der Werkstückwerkstoffe notwendigen Leistungseintrags liegen.
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Die Veränderung des Leitungseintrages des Laserstrahls am Laserspot kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, nämlich durch Variation der Laserleistung, durch Fokussierung/Defokussierung des Laserstrahls oder durch Veränderung der Geschwindigkeit, mit der sich der Laserspot auf der Werkstückoberfläche bewegt.
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Die Laserschweißvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens umfasst eine Niederhaltevorrichtung mit Andruckelementen, eine Scanner-Optik zur Remote-Bearbeitung, eine Kantenerfassungssensorik und eine Auswerte- und Steuereinheit. Die Auswerte- und Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf den mit der Kantenerfassungssensorik erfassten Kanten der Niederhaltevorrichtung bzw. deren Andruckelementen den Laserstrahl innerhalb dieser Kanten auf einer spiralförmigen Bahn zu steuern. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren Verfahren zu verwirklichen.
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Vorzugsweise umfasst die Laserschweißvorrichtung einen kontinuierlich emittierenden Laser (cw-Laser). Somit kann eine große Menge an Material pro Zeiteinheit aufgeschmolzen werden, wodurch hohe Vorschubgeschwindigkeiten ermöglicht sind.
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Ein Andruckelement, welches von oben, d. h. in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Werkstückoberfläche, auf die erste, mit einer zweiten zu fügenden Folie drückt, kann ringförmig ausgebildet sein. Dementsprechend wird von der Kantenerfassungssensorik der innere Ringrand erfasst und von der Auswerte- und Steuereinheit die Fügenahtspirale in das Zentrum des Ringes positioniert. Hierdurch können teure Positioniermaschinen entfallen.
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Die Pendelbewegung des Lasers bzw. des Laserspots wird durch aktive, d. h. angetriebene, Ablenkungseinheiten, typischerweise drehbare Spiegel, innerhalb der Scanner-Optik erzeugt. Erfindungsgemäß sind diese Ablenkungseinheiten eingerichtet, den Laserstrahl im Kilo-Hertz-Bereich räumlich oszillieren zu lassen. Bei drehbaren Spiegeln sind aufgrund deren feststehender Drehachse die Ablenkbewegungen eines jeweiligen Spiegels nur in einer Richtung möglich. Vorzugsweise sind die Scanner-Optiken so aufgebaut, dass der Laserstrahl quer und längs zur Fügenahtrichtung abgelenkt wird.
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Eine anharmonisch oszillierende Pendelbewegung des Laserspots kann demzufolge wechselweise längs und quer zur Fügenahtrichtung oder in einer komplexen Überlagerung oder Sequenz aus Quer- und Längspendelbewegungen erfolgen. Dies ermöglicht es in vielfältiger Weise, die Form, Mikrostruktur und Ausdehnung der auszubildenden Schweißnaht anzupassen, zum Beispiel auch, um den Querschnitt der Fügenaht, d. h. die Nahtbreite, in deren Verlauf vom Zentrum der Spirale zu deren äußeren Randbereich hin zu erhöhen.
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Die Kantenerfassungssensorik kann eine Kamera, z. B. eine Graubildkamera, aufweisen, wobei die mit der Kamera verbundene Auswerte- und Steuereinheit eingerichtet ist, Bilder der Kamera zumindest hinsichtlich einer Lage des Andruckelementes, welches auf das bezüglich der Scanner-Optik oben angeordnete folienartige Werkstück drückt, auszuwerten und den Laserspot in Bezug zu den Kanten dieses Andruckelementes zu positionieren.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
- 1: eine Remote-Laserschweißvorrichtung während des Schweißens in der Schnittdarstellung,
- 2: eine spiralförmige Fügenaht in Draufsicht,
- 3: einen Bahnabschnitt einer Fügenaht mit Mikrostruktur, und
- 4: eine zweifache spiralförmige Fügenaht in Draufsicht.
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Die Remote-Laserschweißvorrichtung gemäß 1 umfasst den Bearbeitungslaser 20, der den kontinuierlichen Laserstrahl 2 erzeugt, und die Scanner-Optik 1. Der Laserstrahl 2 wird innerhalb der Scanner-Optik 1 über die Kollimationseinheit 17, die aktive Ablenkungseinheit 21, die Fokussiereinheit 19 und die aktive Ablenkungseinheit 14 auf die überlappenden, zu verschweißenden Werkstücke 4 und 5 gelenkt. Der Laserstrahl 2 trifft im Laserspot 22 auf die Werkstückoberflächenebene 18 des oben angeordneten Werkstücks 4 auf.
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Die Niederhaltevorrichtung 6, umfassend die Andruckelemente 7 und 8, presst das oben angeordnete Werkstück 4 im Bereich der zu erstellenden Fügenaht auf das unten angeordnete Werkstück 5.
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Das Messlicht 13 breitet sich von der Werkstückoberflächenebene 18 über die aktive Ablenkungseinheit 14, die Fokussiereinheit 19 und durch die halbdurchlässige, aktive Ablenkungseinheit 21 hin zur Kantenerfassungssensorik 9, umfassend die Kamera-fokussiereinheit 16 und die Kamera 3, aus. Die mit der Kantenerfassungssensorik 9 verbundene Auswerte- und Steuereinheit 10 dient der Auswertung der Kantenerfassung, der Prozessüberwachung und der Regelung, zum Beispiel zur exakten Positionierung des Laserspots 22 auf der Werkstückoberflächenebene 18 mittels Kantenfindung an dem ringförmigen Andruckelement 7 der Niederhaltevorrichtung 6.
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Die spiralförmige Fügenaht 11 in der 2 verläuft im Zentrum des ringförmigen Andruckelementes 7.
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Zur Herstellung der Fügenaht 11 wird der Laserspot 22 entlang der Bahnkurve 23 geführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist die Bahnkurve 23 aus jeweils senkrecht zueinander orientiert angeordneten Schweißnahtabschnitten zusammengesetzt. Die Querausdehnung der Fügenaht 11, d. h. die Nahtbreite 15, wird somit durch die - in diesem Beispiel rechteckförmige - Strahloszillation quer zur Fügenahtrichtung 12 bestimmt.
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Die Bahnkurve 23 des Laserspots 22 beschreibt beim Schweißen dieser Fügenaht 11 eine Art Mäander, dessen Hüllkurve die spiralförmige Fügenaht 11 definiert.
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Der Pfeil am Ende der Bahnkurve 23 veranschaulicht die Bewegung des Laserspots 22. Die Orientierung der einzelnen Schweißnahtabschnitte ergibt sich aus der Überlagerung der Vorschubbewegung längs zur Fügenahtrichtung 12 und der Pendelbewegung des Laserspots 22 quer und längs zur Fügenahtrichtung 12. Die Pendelbewegung wird mit einer Oszillationsfrequenz von 10 kHz und einer Oszillationsamplitude von 20 µm ausgeführt.
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In 4 ist eine Fügeverbindung mittels einer ersten spiralförmigen Fügenaht 11.1 und einer zwischen dem Spiralarm derselben, konzentrisch angeordneten zweiten Fügenahtspirale 11.2 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die beiden Spiralen 11.1 und 11.2 getrennt voneinander abgebildet, tatsächlich wäre in diesem Beispiel eine Überlappung der jeweiligen Spiralarme von 30 % der Querausdehnung 15 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scanner-Optik
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Kamera
- 4
- oberes folienartiges Werkstück
- 5
- unteres folienartiges Werkstück
- 6
- Niederhaltevorrichtung
- 7
- ringförmiges Andruckelement
- 8
- unteres Andruckelement
- 9
- Kantenerfassungssensorik
- 10
- Auswerte- und Steuereinheit
- 11
- Fügenaht
- 11.1
- erste Fügenaht
- 11.1
- zweite Fügenaht
- 12
- Fügenahtrichtung
- 13
- Messlicht
- 14
- aktive Ablenkungseinheit
- 15
- Querausdehnung der Fügenaht / Nahtbreite
- 16
- Kamera-Fokussiereinheit
- 17
- Kollimationseinheit
- 18
- Werkstückoberflächenebene
- 19
- Fokussiereinheit
- 20
- Bearbeitungslaser
- 21
- halbdurchlässige, aktive Ablenkungseinheit
- 22
- Laserspot
- 23
- Bahnkurve des Laserspots
