-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Löten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und ein Verfahren zum Laserstrahllöten eines Werkstücks.
-
Im automobilen Karosseriebau, wird üblicherweise für das Löten von Blechteilen, beispielsweise bei der Lötverbindung entlang eines Bördelstoßes, das sogenannte taktile Laserstrahllöten eingesetzt. Dabei wird der Lötprozess über einen zugeführten Lötdraht taktil geführt.
-
Bei einem bekannten System wird der Lötdraht vorlaufend zum Laserstrahl bereitgestellt, so dass mittels des Lötdrahts der Verlauf der Fuge taktil erfasst werden kann. Dabei trifft der Laserstrahl im Wesentlichen orthogonal auf die zu lötende Fuge auf und der Lötdraht wird geneigt zur Fuge und geneigt zum Laserstrahl bereitgestellt.
-
Beim Verlöten von verzinkten Stahlblechen hat sich gezeigt, dass das Löten mit vorlaufendem taktilem Lötdraht häufig zu sogenannten Randkerben führt am Übergang zwischen der mit Lot gefüllten Fuge und einem angrenzenden Werkstückabschnitt eines Werkstücks. Derartige Randkerben sind sichtbar und beim Karosseriebau üblicherweise nicht erwünscht, so dass nach dem Lötprozess ein Bearbeitungsprozess notwendig ist, bei dem die Randkerben wieder entfernt werden, wobei die Lötfuge auf das Niveau der Randkerbe abgetragen wird.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist es die obigen Nachteile zu vermeiden und eine diesbezüglich verbesserte Lötvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Löten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Laserlötverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Es wird daher eine Vorrichtung zum Löten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben mit wenigstens einer Laserquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen, mit wenigstens einer der Laserquelle zugeordneten Laseroptik und mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Lötdrahts. Dabei sind die Laserquelle und die Laseroptik so ausgebildet sind, dass im Bereich eines zu bearbeitenden Werkstücks und bezogen auf eine Bearbeitungsrichtung wenigstens ein vorlaufender, erster Laserstrahl und wenigstens ein nachlaufender, zweiter Laserstrahl auf das Werkstück treffen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Zuführeinrichtung so ausgebildet ist, dass der Lötdraht in Bearbeitungsrichtung nachlaufend zum zweiten Laserstrahl am Werkstück bereitgestellt ist.
-
Mit anderen Worten weist die Vorrichtung einen ersten vorlaufenden Laserstrahl, einen zweiten nachlaufenden Laserstrahl und einen Lötdraht auf, der beiden Laserstrahlen nachläuft. Dabei können durch den ersten Laserstrahl andere Bereiche des Werkstücks erwärmt werden als durch den zweiten Laserstrahl, wobei der zweite Laserstrahl insbesondere dazu dient, die Fuge zu erwärmen und den Lötdraht zu schmelzen.
-
Bei der Vorrichtung kann eine bezogen auf die Bearbeitungsrichtung im Wesentlichen orthogonal gemessene Bestrahlungsbreite des ersten Laserstrahls auf dem Werkstück größer sein, als eine Bestrahlungsbreite des zweiten Laserstrahls. Dabei kann der zweite Laserstrahl beispielsweise eine Bestrahlungsbreite aufweise, die etwa der Breite der zu füllenden Fuge entspricht, wohingegen der erste Laserstrahl auch Randbereiche der Fuge bzw. außerhalb der Fuge an dem Werkstück befindliche Bereich erreichen kann.
-
Die Laserquelle und die Laseroptik können so ausgebildet sein, dass zwei erste Laserstrahlen, die in einem Abstand zueinander auf dem Werkstück auftreffen, und ein einzelner zweiter Laserstrahl bereitgestellt werden, wobei der zweite Laserstrahl bezogen auf die zur Bearbeitungsrichtung orthogonale Bestrahlungsbreite zwischen den beiden ersten Laserstrahlen angeordnet ist. Durch die beiden ersten Laserstrahlen kann ein Randbereich der Fuge erwärmt bzw. erhitzt werden. Hierdurch kann in diesen Randbereichen eine üblicherweise an den zu verbindenden Blechteilen vorhandene Verzinkung entfernt werden, so dass ein verbesserter Übergang zwischen dem in der Fuge befindlichen Lot und dem Werkstück gewährleistet werden kann. Insbesondere kann durch die beiden ersten Laserstrahlen eine Art Begrenzungslinie gezogen werden.
-
Die Vorrichtung kann eine Führungseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl, den zweiten Laserstrahl und den Lötdraht entlang einer im Werkstück ausgebildeten Fuge zu führen. Dabei kann die Führungseinrichtung eine optische Führungseinrichtung sein, die dazu eingerichtet ist, die Fuge im Werkstück berührungslos abzutasten. Durch eine derartige Führungseinrichtung kann auf eine bekannte taktile Führung mittels des Lötdrahts oder mittels eines zusätzlichen verschleißfreien Tastelements verzichtet werden. Dabei ist es von Vorteil, dass eine optische Führungseinrichtung verglichen mit einer taktilen Führungseinrichtung verschleißfrei arbeitet.
-
Bei der Vorrichtung können die Zuführeinrichtung, die Laserquelle und die Laseroptik so ausgebildet sein, dass die Zuführrichtung von Lötdraht bezogen auf Bearbeitungsrichtung im Wesentlichen orthogonal ist, und dass die Strahlungsrichtung des ersten Laserstrahls und die Strahlungsrichtung des zweiten Laserstrahls geneigt zur Zuführrichtung und geneigt zur Bearbeitungsrichtung ist. Hierdurch kann insbesondere der zweite Laserstrahl eine große Wärmemenge in einen sogenannten Nahtwurzelbereich der Fuge einbringen. Dies ermöglicht einerseits, dass auch feuerverzinkte Stahlbleche und Stahlbleche mit ZnMg-haltigem Feuerzink gelötet werden können, und dass andererseits die Lötgeschwindigkeit erhöht werden kann.
-
Die Strahlungsrichtung des ersten Laserstrahls und die Strahlungsrichtung des zweiten Laserstrahls können im Wesentlichen gleich sein oder es kann zwischen den beiden Strahlungsrichtungen ein Winkel gebildet sein, der 10° oder weniger beträgt. Dies vereinfacht den Aufbau der Laseroptik, insbesondere, wenn lediglich eine gemeinsame Laserquelle vorgesehen ist, dessen erzeugter Laserquellstrahl in den ersten und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird.
-
Ein Verfahren zum Laserstrahllöten eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens zwei aneinander anliegende Werkstückabschnitte aufweist, zwischen denen eine Fuge ausgebildet ist, umfassend die Schritte:
- Erwärmen von Randbereichen der durch die Werkstückabschnitte gebildeten Fuge durch wenigstens einen ersten Laserstrahl, so dass an jedem Werkstückabschnitt entlang der Fuge eine insbesondere Lot abweisende Begrenzung gebildet wird;
- Erwärmen der Fuge durch wenigstens einen zweiten Laserstrahl, der in Bearbeitungsrichtung dem ersten Laserstrahl nachläuft;
- Aufschmelzen von einem Lötdraht, der dem zweiten Laserstrahl nachläuft und von diesem erwärmt wird, so dass die Fuge zwischen den beiden Werkstückabschnitten bis zu den Begrenzungen mit flüssigem Lot aufgefüllt wird.
-
Bei dem Verfahren kann der Verlauf der Fuge optisch abgetastet werden, so dass der erste Laserstrahl, der zweite Laserstrahl und der Lötdraht in Abhängigkeit von dem abgetasteten Verlauf der Fuge ausgerichtet werden.
-
Ferner kann bei dem Verfahren das zu bearbeitende Werkstück aus verzinktem Stahlblech hergestellt sein, insbesondere aus einem Stahlblech mit einer ZnMg-haltigen Verzinkung, wobei der erste Laserstrahl den Randbereich der Fuge so erwärmt, dass die Verzinkung zumindest teilweise entfernt wird.
-
Das oben beschriebene Verfahren kann insbesondere mittels eine oben beschrieben Vorrichtung zum Laserstrahllöten durchgeführt werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung eine Lötverbindung an einem Werkstück mit zwei Werkstückabschnitten;
- 2 in einer vereinfachten und schematischen Darstellung ein Werkstück beim Laserlöten mittels eine Lötvorrichtung;
- 3 eine vereinfachte und schematische Draufsicht auf ein Werkstück beim Laserlöten mittels der Vorrichtung.
- 4 ein vereinfachten Ablaufdiagramm eines Laserlötverfahrens.
-
1 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Perspektivdarstellung ein Werkstück 10. Das Werkstück 10 umfasst zwei Werkstückabschnitte 12a, 12b. Zwischen den beiden Werkstückabschnitten 12a, 12b ist eine Fuge 14 gebildet. Die beiden Werkstückabschnitte 12a, 12b sind entlang der Fuge 14 miteinander materialschlüssig verbunden, insbesondere verlötet. Dies ist durch eine Lötnaht 16 dargestellt. Die Werkstückabschnitte 12a, 12b können beispielsweise Karosseriebauteile eines Kraftfahrzeugs sein. Die Lötverbindung 16 wird dabei insbesondere an sogenannten Bördelstoßgeometrien eingesetzt. Im dargestellten Beispiel kann der Werkstückabschnitt 12a einem Fahrzeugdach zugeordnet sein und der Werkstückabschnitt 12b kann einem Seitenwandrahmen zugeordnet sein.
-
In 2 ist das Werkstück 10 in einer etwas anderen schematischen und vereinfachten Darstellung während des Lötprozesses gezeigt. Erkennbar sind die Werkstückabschnitte 12a, 12b sowie die Fuge 14 und ein erster Teil einer Lötnaht 16. Der Lötprozess wird mittels einer Lötvorrichtung 18 durchgeführt, von der nur die für das Verständnis wesentlichen Teile schematisch und vereinfacht gezeigt sind. Die Lötvorrichtung 18 umfasst eine Lasereinrichtung 20 mit wenigstens einer Laserquelle 22 und wenigstens einer zugeordneten Laseroptik 24. Mittels einer Zuführeinrichtung 26 wird ein Lötdraht 28 in Richtung der Fuge 14 zugeführt. Die Lötvorrichtung 18 und das zu bearbeitende Werkstück 10 sind relativ zueinander beweglich. Insbesondere ist die Lötvorrichtung 18 so ausgebildet, dass sie in unterschiedliche Richtungen beweglich ist. Die Bearbeitungsrichtung BR, entlang der die Lötvorrichtung 18 bewegt wird, um die Lötnaht 16 herzustellen, ist durch einen Pfeil dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Bewegungsrichtung BR nicht nur geradlinig sein kann, sondern auch gebogen bzw. gekrümmt verlaufen kann.
-
Die Laserquelle 22 und die Laseroptik 24 der Lasereinrichtung 20 sind so ausgebildet sind, dass im Bereich des zu bearbeitenden Werkstück 10 und bezogen auf die Bearbeitungsrichtung BR wenigstens ein vorlaufender, erster Laserstrahl 30 und wenigstens ein nachlaufender, zweiter Laserstrahl 32 auf das Werkstück 10 bzw. die Werkstückabschnitte 12a, 12b treffen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Laserstrahlen 30, 32 in der 2 leidglich durch eine einzelne Linie stellvertretend für einen von Laserlicht auf dem Werkstück 10 bestrahlten Bereich angedeutet sind.
-
Im dargestellten Beispiel werden mittels der Lasereinrichtung 20 zwei erste Laserstrahlen 30 erzeugt, die bezogen auf die Bearbeitungsrichtung links und rechts auf Randabschnitte der Fuge 14 gerichtet sind. Anders ausgedrückt trifft der eine der ersten Laserstrahlen 30 auf den einen Werkstückabschnitt 12a und der der andere der ersten Laserstrahlen 30 trifft auf den zweiten Werkstückabschnitt 12b. Der zweite Laserstrahl 32, der den ersten Laserstrahlen 30 in Bearbeitungsrichtung nachläuft bzw. hinter diesen auf das Werkstück 10 trifft, ist auf die Fuge 14 ausgerichtet. Mittels des zweiten Laserstrahls 32 können insbesondere tiefer liegende Bereiche der Fuge 14 gut erwärmt bzw. erhitzt werden. Anders ausgedrückt kann mittels des zweiten Laserstrahls 32 der Bereich einer Nahtwurzel der späteren Lötnaht 16 gut erwärmt bzw. erhitzt werden. Ferner dient der zweite Laserstrahl 32 auch dazu, den zugeführten Lötdraht 28 zu erhitzen und zu schmelzen.
-
Der Lötdraht 28 wird im Übrigen bezogen auf die Bearbeitungsrichtung BR nachlaufend zum zweiten Laserstrahl 32 am Werkstück 10 bereitgestellt.
-
Ferner kann der Lötdraht 28 bezogen auf die Bearbeitungsrichtung BR im Wesentlichen orthogonal zur Fuge 14 bzw. zum Werkstück 10 zugeführt werden.
-
Die Laserstrahlen 30, 32 sind zur Bearbeitungsrichtung BR und zum Lötdraht 28 geneigt ausgerichtet. Zwischen der Bearbeitungsrichtung BR und dem ersten Laserstrahl 30 bzw. dem zweiten Laserstrahl 32 ist ein spitzer Winkel α gebildet, der etwa 35° bis 60° beträgt, insbesondere etwa 40° bis 50°. Der erste Laserstrahl 30 (bzw. die beiden ersten Laserstrahlen 30) und der zweite Laserstrahl 32 können im Wesentlichen unter dem gleichen Winkel α auf das Werkstück 10 auftreffen. Alternativ können die Laserstrahlen 30, 32 auch mit unterschiedlichen Winkeln auf das Werkstück 10 auftreffen, wobei ein Unterschied zwischen den Winkeln nicht mehr als 10° beträgt.
-
Die Lötvorrichtung 18 kann ferner eine Führungseinrichtung 34 aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl 30, den zweiten Laserstrahl 32 und den Lötdraht 28 entlang der im Werkstück 10 ausgebildeten Fuge 14 zu führen. Dabei kann es sich insbesondere um eine optische Führungseinrichtung 34 handeln, die dazu eingerichtet ist, die Fuge 14 im Werkstück 10 berührungslos abzutasten. Es wird noch darauf hingewiesen, dass bei der Lasereinrichtung 20 eine einzelne Laserquelle 20 vorgesehen sein kann, wobei die mehreren Laserstrahlen 30, 32 mittels Strahlteilung erzeugt werden. Die Strahlteilung kann dabei refraktiv oder diffraktiv erreicht werden.
-
Die In Bezug auf die 2 erläuterte Situation bei der Herstellung einer Lötverbindung mittels einer Lötvorrichtung 18 ist in 3 in einer schematischen und vereinfachten Draufsucht dargestellt. Ersichtlich sind die beiden Werkstückabschnitte 12a, 12b und die dazwischen gebildete Fuge 14. Die Bearbeitungsrichtung BR ist als Pfeil angegeben. Rein qualitativ sind die ersten Laserstrahlen 30 und der zweite Laserstrahl 32 als elliptische Bereiche dargestellt. Bezogen auf die Bearbeitungsrichtung BR ist hinter dem zweiten Laserstrahl 32 der Lötdraht 28 ersichtlich.
-
Eine bezogen auf die Bearbeitungsrichtung BR im Wesentlichen orthogonal gemessene Bestrahlungsbreite BB1 des ersten Laserstrahls 30 bzw. der ersten Laserstrahlen 30 auf dem Werkstück 10 ist größer, als eine Bestrahlungsbreite BB2 des zweiten Laserstrahls 32. Dabei sind die Laserquelle 22 und die Laseroptik 24 so ausgebildet, dass die beiden erste Laserstrahlen 30 in einem Abstand zueinander auf dem Werkstück 10 auftreffen, der im Wesentlichen der Bestrahlungsbreite BB1 entspricht. Der einzelne zweite Laserstrahl 32 wird so bereitgestellt, dass er bezogen auf die zur Bearbeitungsrichtung BR orthogonale Bestrahlungsbreite BB1 bzw. BB2 zwischen den beiden ersten Laserstrahlen 30 angeordnet ist.
-
Die hier vorgestellte Lötvorrichtung 18 mit ersten Laserstrahlen 30, die auch als sogenannte Vorspots bezeichnet werden können, und einem nachlaufenden zweiten Laserstrahl 32 kann insbesondere für ein qualitativ hochwertiges Löten von ZnMg-beschichten Stahlblechen eingesetzt werden. Dabei wird eine höhere Festigkeit der Lötverbindung bei höherer Lötgeschwindigkeit erreicht. Entsprechend können Kosteneinsparungen erreicht werden durch den Einsatz der ZnMg-Beschichtung und durch die verbesserte Lötgeschwindigkeit, was insgesamt zu einer Optimierung und Verbesserung des Lötprozesses führt.
-
4 zeigt in einem schematischen und vereinfachten Diagramm ein Verfahren 500 zum Laserstrahllöten eines Werkstücks 10 (1-3), wobei das Werkstück 10 wenigstens zwei aneinander anliegende Werkstückabschnitte 12a, 12b (1-3) aufweist, zwischen denen eine Fuge (14) ausgebildet ist. Das Verfahren kann folgende Schritte aufweisen.
-
In einem Schritt S501 werden Randbereiche der durch die Werkstückabschnitte 12a, 12b gebildeten Fuge 14 durch wenigstens einen ersten Laserstrahl 30 erwärmt, so dass an jedem Werkstückabschnitt 12a, 12b entlang der Fuge 14 eine Begrenzung 36 gebildet wird. Die Begrenzung 36 ist in 3 als gestrichelte Linie angedeutet. In einem Schritt S502 erfolgt ein Erwärmen der Fuge 14 durch wenigstens einen zweiten Laserstrahl 32, der in Bearbeitungsrichtung BR dem ersten Laserstrahl 30 nachläuft. Bei einem Schritt S503 wird ein Aufschmelzen von einem Lötdraht 28 durchgeführt, der dem zweiten Laserstrahl 32 nachläuft und von diesem erwärmt wird, so dass die Fuge 14 zwischen den beiden Werkstückabschnitten 12a, 12b bis zu den Begrenzungen 36 mit flüssigem Lot aufgefüllt wird.
-
Optional kann bei dem Verfahren 500 gemäß einem Schritt S504 der Verlauf der Fuge 14 optisch abgetastet werden, so dass der erste Laserstrahl 30, der zweite Laserstrahl 32 und der Lötdraht 28 in Abhängigkeit von dem abgetasteten Verlauf der Fuge 14 ausgerichtet werden. Wie bereits erwähnt kann bei dem Verfahren das zu bearbeitende Werkstück 10 aus verzinktem Stahlblech hergestellt sein, insbesondere aus einem Stahlblech mit einer ZnMg-haltigen Verzinkung, wobei der erste Laserstrahl 30 den Randbereich der Fuge 14 so erwärmt, dass die Verzinkung zumindest teilweise entfernt wird.
-
Die in 4 dargestellten Verfahrensschritte S501 bis S503 werden aufgrund der kontinuierlichen Herstellung der Lötnaht 16 wiederholt durchgeführt bis die Lötnaht 16 vollständig hergestellt worden ist. In diese Wiederholung der Verfahrensschritte kann auch der optionale Schritt S504 integriert sein.
