DE102020120643A1 - Process for laser welding of electrodes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier stabförmiger Elektroden mittels eines Laserstrahls, umfassend: Erfassen der Positionen der stabförmigen Elektroden und Bestimmen eines Bearbeitungspunkts auf jeder der stabförmigen Elektroden; Aufteilen des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen; und Einstrahlen der zwei Teilstrahlen jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte der zwei stabförmigen Elektroden und Ausbilden eines gemeinsamen Schmelzbads zum Verschweißen der stabförmigen Elektroden.The invention relates to a method for welding two rod-shaped electrodes by means of a laser beam, comprising: detecting the positions of the rod-shaped electrodes and determining a processing point on each of the rod-shaped electrodes; splitting the laser beam into two sub-beams; and Radiating the two partial beams onto one of the processing points of the two rod-shaped electrodes and forming a common molten pool for welding the rod-shaped electrodes.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Laserschweißen, von Elektroden, insbesondere von stabförmigen Elektroden, auch Stabelektroden genannt, sowie eine Bearbeitungsvorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for the integral connection, in particular for laser welding, of electrodes, in particular rod-shaped electrodes, also called rod electrodes, and a processing device that is set up to carry out the method.
Hintergrundbackground
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert oder gebündelt, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen.In a laser processing system for processing a workpiece using a laser beam, the laser beam emerging from a laser beam source or from one end of a laser conducting fiber is focused or bundled onto a workpiece to be processed with the aid of beam guidance and focusing optics in order to locally heat the workpiece to melting temperature. The processing can in particular include laser welding. The laser processing system can include a laser processing device, for example a laser processing head, in particular a laser welding head.
Im Bereich der Elektromobilität spielt die Herstellung von Elektromotoren, insbesondere die Herstellung von Statoren für Elektromotoren, eine zentrale Rolle. Um den aufwändigen und schwer zu automatisierenden Wicklungsprozess zum Herstellen der Statorspule zu vereinfachen, werden Wicklungssegmente, sogenannte Hairpins oder Stabelektroden, aus rechteckigem Kupferdraht in die Statornut geschossen. Die Enden dieser Hairpins werden anschließend miteinander verbunden, beispielsweise durch Klemmen oder Verdrehen. Dies ist allerdings ebenso zeitaufwändig wie ungenau. Daher wird neuerdings ein Scanner-Laserschweißverfahren zum Verbinden der Hairpins eingesetzt. Das Schweißen von HairPins gehört zu den wesentlichen Fügeaufgaben im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Transportwesens. Für das Verbinden der Hairpins und somit für eine erfolgreiche Herstellung einer Statorspule ist es essenziell, dass zwischen den verschweißten Hairpins ein elektrischer Kontakt besteht, d.h. dass zwischen den verschweißten Teilen bzw. über die Schweißverbindung Strom fließen kann. Diese Kupferkontakte sollen spritzerfrei mit einem möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Hairpins verschweißt werden. Zudem ist es eine Herausforderung, die einzelnen Hairpins zu treffen und einen homogenen Fügeprozess zu gewährleisten.In the field of electromobility, the manufacture of electric motors, in particular the manufacture of stators for electric motors, plays a central role. In order to simplify the complex and difficult-to-automate winding process for manufacturing the stator coil, winding segments, so-called hairpins or rod electrodes, are shot from rectangular copper wire into the stator slot. The ends of these hairpins are then connected to one another, for example by clamping or twisting. However, this is just as time-consuming as it is imprecise. Therefore, a scanner laser welding method has recently been used to connect the hairpins. The welding of hairpins is one of the main joining tasks in connection with the electrification of the transport system. For the connection of the hairpins and thus for the successful manufacture of a stator coil, it is essential that there is electrical contact between the welded hairpins, i.e. that current can flow between the welded parts or via the welded joint. These copper contacts should be welded spatter-free with the lowest possible contact resistance between the individual hairpins. In addition, it is a challenge to hit the individual hairpins and to ensure a homogeneous joining process.
In einem herkömmlichen Scanner-Laserschweißverfahren wird, wie in
Das Schweißen von hoch reflektiven Materialien, wie Kupfer, mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Mikrometerbereich, d.h. im infraroten (IR) Bereich, ist grundsätzlich herausfordernd. Daher werden neuerdings auch Laserquellen mit kürzeren Wellenlängen verwendet, beispielsweise im blauen oder grünen Bereich, die allerdings deutlich teurer sind als IR Laserquellen.Welding highly reflective materials, such as copper, with a laser beam with a wavelength in the micrometer range, i.e. in the infrared (IR) range, is inherently challenging. For this reason, laser sources with shorter wavelengths have also recently been used, for example in the blue or green range, although these are significantly more expensive than IR laser sources.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Verschweißen, zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, anzugeben, das kostengünstig eine präzise und zuverlässige Kontaktierung der Elektroden ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Verschweißen, zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, anzugeben, die kostengünstig eine präzise und zuverlässige Kontaktierung der Elektroden ermöglicht.It is an object of the present invention to specify a method for materially connecting, in particular for welding, two electrodes using a high-energy machining beam, in particular an electron beam or laser beam, which enables precise and reliable contacting of the electrodes at low cost. Furthermore, it is an object of the present invention to specify a processing device for the integral connection, in particular for welding, of two electrodes using a high-energy processing beam, in particular an electron or laser beam, which enables precise and reliable contacting of the electrodes at low cost.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is solved by the features of the independent claim. Features of preferred embodiments are given in the subclaims.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, auf mindestens zwei miteinander zu verbindenden Elektroden durch ein sogenanntes Twin- bzw. Multi-Spot Schweißverfahren, bei dem der Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, jeweils ein separates Schweißbad zu erzeugen. Diese separaten Schweißbäder verbinden sich dann zu einem gemeinsamen Schweißbad, um so die stoffschlüssige Verbindung bzw. den elektrischen Kontakt herzustellen. Anstelle eines Laserstrahls kann auch jeder andere hochenergetische Bearbeitungsstrahl, etwa ein Elektronenstrahl, verwendet werden. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung am Beispiel des Verschweißens mittels Laserstrahl beschrieben, ist aber nicht hierauf beschränkt.The present invention is based on the idea of generating a separate weld pool on at least two electrodes to be connected to one another by a so-called twin or multi-spot welding process in which the laser beam is divided into at least two partial beams. These separate weld pools then combine to form a common weld pool in order to create the material connection or the electrical contact. Instead of a laser beam any other high-energy processing beam, such as an electron beam, can also be used. The present invention is described below using the example of welding by means of a laser beam, but is not limited to this.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere zum Verschweißen mindestens zweier Elektroden mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls: Bestimmen eines Bearbeitungspunkts auf jeder der Elektroden; Aufteilen des Bearbeitungsstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen, und Einstrahlen der mindestens zwei Teilstrahlen jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte der mindestens zwei Elektroden, um ein gemeinsames Schmelzbad zum Verschweißen der Elektroden bzw. zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden auszubilden. Die Anzahl der Teilstrahlen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Elektroden. Ferner kann vor dem Bestimmen der Bearbeitungspunkte ein Schritt des Erfassens der Positionen der Elektroden durchgeführt werden.According to one aspect, a method for cohesively connecting at least two electrodes using a high-energy processing beam, in particular for welding at least two electrodes using an electron beam or laser beam, comprises: determining a processing point on each of the electrodes; Splitting the processing beam into at least two partial beams, and irradiating the at least two partial beams onto one of the processing points of the at least two electrodes in order to form a common melt pool for welding the electrodes or for establishing an electrical connection between the electrodes. The number of partial beams preferably corresponds to the number of electrodes. Furthermore, a step of detecting the positions of the electrodes can be carried out before the machining points are determined.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Verschweißen mindestens zweier Elektroden mittels eines Laserstrahls: eine Erfassungseinheit zum Bestimmen eines Bearbeitungspunkts auf jeder der Elektroden; und einen Bearbeitungskopf zum Einstrahlen von mindestens zwei Teilstrahlen jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte, wobei der Bearbeitungskopf eine Aufteilungsoptik zum Aufteilen des Bearbeitungsstrahls in die mindestens zwei Teilstrahlen umfasst. Die Aufteilungsoptik kann auch als Multispotoptik bezeichnet werden. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Anzahl der Teilstrahlen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Elektroden. Die Erfassungseinheit kann ferner zum Erfassen der Positionen der Elektroden eingerichtet sein.According to a further aspect, a processing device for materially connecting two electrodes by means of a high-energy processing beam, in particular a laser processing device for welding at least two electrodes by means of a laser beam, comprises: a detection unit for determining a processing point on each of the electrodes; and a processing head for radiating at least two partial beams onto one of the processing points, the processing head comprising splitting optics for splitting the processing beam into the at least two partial beams. The splitting optics can also be referred to as multi-spot optics. The processing device can also include a control unit that is set up to carry out a method according to one of the embodiments described in this disclosure. The number of partial beams preferably corresponds to the number of electrodes. The detection unit can also be set up to detect the positions of the electrodes.
Das Verfahren und die Bearbeitungsvorrichtung können eines oder mehrere der folgenden bevorzugten Merkmale aufweisen.The method and the processing device can have one or more of the following preferred features.
Jeder der Bearbeitungspunkte liegt vorzugsweise auf einer Oberfläche der jeweiligen Elektrode. Mit Bearbeitungspunkt kann diejenige Stelle auf der jeweiligen Elektrode bezeichnet werden, auf die ein Teilstrahl (zumindest zeitweise oder zu Beginn des Einstrahlvorgangs) gerichtet wird. Vorzugsweise wird der Bearbeitungspunkt auf jeder der Elektroden so bestimmt, dass der Bearbeitungspunkt in der Mitte einer der Laserbearbeitungsvorrichtung zugewandten Oberfläche der Elektrode liegt. Zumindest einer der Teilstrahlen kann senkrecht auf die entsprechende Elektrode, bzw. auf deren den Bearbeitungspunkt umfassende Oberfläche, eingestrahlt werden.Each of the processing points preferably lies on a surface of the respective electrode. The point on the respective electrode to which a partial beam is directed (at least temporarily or at the beginning of the irradiation process) can be designated as the processing point. Preferably, the processing point on each of the electrodes is determined such that the processing point is at the center of a surface of the electrode facing the laser processing device. At least one of the partial beams can be radiated perpendicularly onto the corresponding electrode or onto its surface containing the processing point.
Die Position jeder Elektrode kann zum Bestimmen des entsprechenden Bearbeitungspunkts erfasst werden. Die Position der Elektrode kann eine Position der Elektrode in einer Ebene senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung, d.h. in x- und y- Richtung, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Position der Elektrode eine Position der Elektrode in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung (also in z-Richtung) und/oder einen Abstand einer Oberfläche der Elektrode zu einer das Verfahren ausführenden Laserbearbeitungsvorrichtung, und/oder eine Lage bzw. Position der Elektrode im dreidimensionalen Raum umfassen.The position of each electrode can be sensed to determine the corresponding processing point. The position of the electrode may include a position of the electrode in a plane perpendicular to a laser beam propagating direction, i.e., x- and y-directions. Alternatively or additionally, the position of the electrode can be a position of the electrode in a laser beam propagation direction (i.e. in the z-direction) and/or a distance between a surface of the electrode and a laser processing device executing the method, and/or a location or position of the electrode in three-dimensional space encompass space.
Das Erfassen der Positionen der Elektroden kann durch optische Kohärenztomographie und/oder durch eine Kamera und/oder durch mindestens eine Photodiode erfolgen. Beispielsweise kann die Erfassungseinheit eine Abtasteinrichtung zur Oberflächenabtastung, einen optischen Kohärenztomographen oder eine Kamera umfassen, oder einen Photodiodensensor umfassen, der für eine Wellenlänge des Laserstrahls sensitiv ist. Das Erfassen der Positionen der Elektroden kann ein Einstrahlen des Laserstrahls oder der mindestens zwei Teilstrahlen auf die Elektroden entlang eines Messpfads und ein Erfassen eines reflektierten Anteils des eingestrahlten Laserstrahls bzw. der eingestrahlten Teilstrahlen, insbesondere mittels einer Photodiode, umfassen. Die Positionen der Elektroden können anschließend basierend auf dem erfassten reflektierten Anteil bestimmt werden. Das Einstrahlen des Laserstrahls bzw. der mindestens zwei Teilstrahlen auf die Elektroden kann entlang zumindest eines ersten Messpfades und entlang zumindest eines zweiten Messpfades erfolgen. Der erste Messpfad kann einen vorgegebenen Winkel zu dem zweiten Messpfad aufweisen. Basierend auf dem reflektierten Anteil des eingestrahlten Laserstrahls bzw. der eingestrahlten Teilstrahlen können die Positionen der mindestens zwei Elektroden in einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung, d.h. in der x- und y- Ebene, erfasst bzw. bestimmt werden. Das Verfahren kann ferner ein Positionieren der Elektroden in einer Positioniervorrichtung umfassen, wobei eine Reflektivität der Positioniervorrichtung von einer Reflektivität der Elektroden verschieden ist. Der Messpfad umfasst in diesem Fall vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Bereich, die auf der Positioniervorrichtung liegen, sowie einen Bereich auf mindestens einer der Elektroden zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich. Die Positioniervorrichtung und die Elektroden können aus unterschiedlichem Material bestehen und/oder eine unterschiedliche Oberflächenrauigkeit aufweisen, sodass sie unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen. Beispielsweise kann die Oberfläche der Positioniervorrichtung aus gebürstetem, sandgestrahltem und/oder mattem Metall, insbesondere Aluminium, bestehen und die Oberfläche der Elektroden kann aus glattem, glänzendem oder poliertem Metall, insbesondere Kupfer, bestehen. Für das Erfassen der Positionen kann eine Laserleistung des eingestrahlten Laserstrahls kleiner als eine Laserleistung zum Verschweißen der Elektroden und/oder eine Geschwindigkeit größer als eine Geschwindigkeit beim Ausbilden von Schmelzbädern auf den Elektroden gewählt werden. Demnach kann die Laserleistung bzw. die Geschwindigkeit so gewählt werden, dass der Laserstrahl nicht in das Material der Elektroden einkoppelt, sondern lediglich reflektiert wird. Mit anderen Worten kann eine Leistungsdichte des Laserstrahls auf einer Oberfläche der Elektroden und/oder der Positioniervorrichtung so gewählt werden, dass sie unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem der Laserstrahl in die Elektroden bzw. die Positioniervorrichtung einkoppelt.The positions of the electrodes can be detected by optical coherence tomography and/or by a camera and/or by at least one photodiode. For example, the detection unit can include a scanning device for surface scanning, an optical coherence tomograph or a camera, or can include a photodiode sensor that is sensitive to a wavelength of the laser beam. Detecting the positions of the electrodes can include irradiating the laser beam or the at least two partial beams onto the electrodes along a measurement path and detecting a reflected portion of the irradiated laser beam or the irradiated partial beams, in particular by means of a photodiode. The positions of the electrodes can then be determined based on the detected reflected portion. The laser beam or the at least two partial beams can be radiated onto the electrodes along at least one first measuring path and along at least one second measuring path. The first measurement path can have a predetermined angle to the second measurement path. The positions of the at least two electrodes in a plane perpendicular to the laser beam propagation direction, ie in the x and y plane, can be detected or determined based on the reflected portion of the irradiated laser beam or the irradiated partial beams. The method may further include positioning the electrodes in a positioning device, wherein a reflectivity of the positioning device differs from a reflectivity of the electrodes. In this case, the measuring path preferably comprises a first and a second area, which lie on the positioning device, as well as an area on at least one of the electrodes between the first and the second area. The positioning device and the electrodes can be made of different materials and/or have a different liche surface roughness, so that they have different reflectivities. For example, the surface of the positioning device can consist of brushed, sandblasted and/or matt metal, in particular aluminum, and the surface of the electrodes can consist of smooth, shiny or polished metal, in particular copper. For detecting the positions, a laser power of the irradiated laser beam can be selected that is lower than a laser power for welding the electrodes and/or a speed that is higher than a speed during the formation of melt pools on the electrodes. Accordingly, the laser power or the speed can be selected in such a way that the laser beam is not coupled into the material of the electrodes, but is only reflected. In other words, a power density of the laser beam on a surface of the electrodes and/or the positioning device can be selected such that it is below a threshold value at which the laser beam couples into the electrodes or the positioning device.
Zum Erfassen der Positionen können die Elektroden beleuchtet werden. Hierfür kann die Erfassungseinheit mindestens eine Lichtquelle, etwa ein VCSEL oder eine Laserdiode umfassen. Der VCSEL kann Licht z.B. bei einer Wellenlänge von 680nm, 850nm oder 940nm emittieren. Die Laserdiode kann z.B. eine Wellenlänge von 630nm-640nm oder 808nm-810nm aufweisen.The electrodes can be illuminated to detect the positions. For this purpose, the detection unit can include at least one light source, such as a VCSEL or a laser diode. The VCSEL can emit light at a wavelength of e.g. 680nm, 850nm or 940nm. For example, the laser diode can have a wavelength of 630nm-640nm or 808nm-810nm.
Zusätzlich zum Erfassen der Positionen der Elektroden kann noch zumindest einer der folgenden Parameter erfasst werden: eine Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; ein Abstand zwischen den Elektroden (d.h. in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. senkrecht zu einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs oder der Fokussieroptik); sowie eine Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads.In addition to detecting the positions of the electrodes, at least one of the following parameters can also be detected: a size of the surface on which the processing point lies; a distance between the electrodes (i.e. in a plane perpendicular to the beam propagation direction of the laser beam or the partial beams or perpendicular to an optical axis of the laser processing head or the focusing optics); and a size and/or depth of the separate melt pools and/or the common melt pool.
Ein Abstand (d.h. auf den Elektroden) und/oder ein Winkel und/oder eine Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen kann einstellbar sein, z.B. abhängig von einem Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. zu einer optischen Achse der Fokussieroptik. Beispielsweise kann die Intensität des Laserstrahls ungleich auf die Teilstrahlen aufgeteilt werden. Wenn also der Bearbeitungspunkt der einen Elektrode näher an dem Laserbearbeitungskopf liegt, als der Bearbeitungspunkt der anderen Elektrode, kann die Intensität des einen Teilstrahls, der auf die eine Elektrode gerichtet ist, geringer als die Intensität des anderen Teilstrahls, der auf die andere weiter entfernte Elektrode gerichtet ist, eingestellt werden. Die Intensitäten der beiden Teilstrahlen lassen sich vorzugsweise in einem Verhältnis von 80:20 bis 50:50 stufenlos verändern.A distance (ie on the electrodes) and/or an angle and/or an intensity distribution between the partial beams can be adjustable, for example depending on a distance between the processing points in a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam or the partial beams or to an optical axis Axis of the focusing optics. For example, the intensity of the laser beam can be divided unequally among the partial beams. So if the processing point of one electrode is closer to the laser processing head than the processing point of the other electrode, the intensity of one partial beam that is directed at one electrode can be lower than the intensity of the other partial beam that is directed at the other electrode that is further away is directed. The intensities of the two partial beams can preferably be changed steplessly in a ratio of 80:20 to 50:50.
Der Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten ist vorzugsweise größer als ein Fokusdurchmesser mindestens eines der Teilstrahlen oder größer als ein Durchmesser mindestens eines der Teilstrahlen auf der jeweiligen Elektrode oder größer als eine Schmalseite einer der Elektroden. Der Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten kann beispielsweise zwischen 0,3 mm bis 3 mm betragen. Vorzugsweise wird also jeder Teilstrahl auf den Bearbeitungspunkt von einer der Elektroden gerichtet, sodass die Teilstrahlen bzw. Auftreffpunkte der Teilstrahlen auf den Elektroden voneinander beabstandet bzw. getrennt sind.The distance between the processing points is preferably larger than a focus diameter of at least one of the partial beams or larger than a diameter of at least one of the partial beams on the respective electrode or larger than a narrow side of one of the electrodes. The distance between the processing points can be between 0.3 mm and 3 mm, for example. Each partial beam is therefore preferably directed onto the processing point of one of the electrodes, so that the partial beams or points of impingement of the partial beams on the electrodes are spaced apart or separated from one another.
Die Aufteilungsoptik bzw. Multispotoptik kann mindestens eine Strahlformungsoptik, mindestens ein diffraktives optisches Element, mindestens eine Freiform Optik, mindestens eine Keilplatte und/oder mindestens einen Spiegel umfassen. Insbesondere kann die Aufteilungsoptik eingerichtet sein, um einen Abstand und/oder einen Winkel und/oder eine Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen einzustellen. Die Aufteilungsoptik kann in den Strahlengang des Laserstrahls einführbar und aus dem Strahlengang des Laserstrahls entfernbar sein. Mit anderen Worten kann die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen ein- und ausschaltbar sein.The splitting optics or multi-spot optics can comprise at least one beam-shaping optics, at least one diffractive optical element, at least one free-form optics, at least one wedge plate and/or at least one mirror. In particular, the splitting optics can be set up to set a distance and/or an angle and/or an intensity distribution between the partial beams. The splitting optics can be insertable into the beam path of the laser beam and removable from the beam path of the laser beam. In other words, the division of the laser beam into a plurality of partial beams can be switched on and off.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann ferner eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Teilstrahlen enthalten. Die Aufteilungsoptik kann in Strahlausbreitungsrichtung vor oder nach der Fokussieroptik angeordnet sein. Die Aufteilungsoptik kann zwischen der Kollimationsoptik und der Fokussieroptik angeordnet sein. Mit anderen Worten wird vorzugsweise der kollimierte Laserstrahl in die Teilstrahlen aufgeteilt. Die Teilstrahlen können durch eine gemeinsame Fokussieroptik oder durch jeweils eine separate Fokussieroptik fokussiert werden. Entsprechend kann eine Fokuslage für die beiden Teilstrahlen gemeinsam oder für jeden Teilstrahl separat einstellbar sein.The laser processing device can also contain collimation optics for collimating the laser beam and/or focusing optics for focusing the partial beams. The splitting optics can be arranged before or after the focusing optics in the beam propagation direction. The splitting optics can be arranged between the collimating optics and the focusing optics. In other words, the collimated laser beam is preferably divided into the partial beams. The partial beams can be focused by common focusing optics or by separate focusing optics. Accordingly, a focal position can be set jointly for the two partial beams or separately for each partial beam.
Vorzugsweise wird die Fokuslage für jeden Teilstrahl separat eingestellt. Hierdurch kann die notwendige Leistungsdichte auch auf unterschiedlichen Ebenen erzeugt werden, beispielsweise wenn die Elektroden eine unterschiedliche Position in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. entlang einer optischen Achse der Fokussieroptik aufweisen.The focus position is preferably set separately for each partial beam. As a result, the necessary power density can also be generated at different levels, for example if the electrodes have a different position in the beam propagation direction of the laser beam or the partial beams or along an optical axis of the focusing optics.
Eine Fokuslage der mindestens zwei Teilstrahlen und/oder zumindest eines Teilstrahls kann an die erfasste Position der jeweiligen Elektrode bzw. an die Position des jeweiligen Bearbeitungspunkts angepasst werden. Während des Einstrahlens der Teilstrahlen kann der Fokus zumindest eines der Teilstrahlen zumindest zeitweise auf dem Bearbeitungspunkt und/oder auf der Oberfläche der jeweiligen Elektrode liegen.A focal position of the at least two partial beams and/or at least one partial beam can be adapted to the detected position of the respective electrode or to the position of the respective processing point. During the irradiation of the partial beams, the focus of at least one of the partial beams can be at least temporarily on the processing point and/or on the surface of the respective electrode.
Vorzugsweise wird die Fokuslage der mindestens zwei Teilstrahlen oder von zumindest einem Teilstrahl während des Einstrahlens der Teilstrahlen, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise, verändert. In einer Ausführungsform kann während des Einstrahlens der Teilstrahlen in einem ersten Schritt zumindest einer der Teilstrahlen defokussiert auf die jeweilige Elektrode gerichtet werden. In einem nachfolgenden zweiten Schritt kann die Fokuslage des zumindest einen Teilstrahls angepasst werden. Beispielsweise kann die Fokuslage des zumindest einen Teilstrahls dem Bearbeitungspunkt auf der jeweiligen Elektrode, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise, angenähert oder auch davon entfernt werden. Dadurch kann eine Fügestelle der Elektroden bzw. das separate Schweißbad oder das gemeinsame Schweißbad so modifiziert werden, dass die Einkopplung des Laserstrahls verbessert wird. Durch das defokussierte Einstrahlen des bzw. der Teilstrahlen wird die jeweilige Elektrodenoberfläche erwärmt, sodass die Einkopplung des Laserstrahls auch für große Wellenlängen, z.B. im IR Bereich, verbessert wird. Beispielsweise ist die Absorption von IR Laserstrahlung von Kupfer in der schmelzflüssigen Phase nahezu identisch zu der bei kürzeren Wellenlängen.The focal position of the at least two partial beams or of at least one partial beam is preferably changed during the irradiation of the partial beams, in particular continuously or in steps. In one embodiment, at least one of the partial beams can be directed onto the respective electrode in a defocused manner during the irradiation of the partial beams in a first step. In a subsequent second step, the focus position of the at least one partial beam can be adjusted. For example, the focus position of the at least one partial beam can be approached or removed from the processing point on the respective electrode, in particular continuously or step by step. As a result, a joint of the electrodes or the separate weld pool or the common weld pool can be modified in such a way that the coupling of the laser beam is improved. The respective electrode surface is heated by the defocused irradiation of the partial beam(s), so that the coupling of the laser beam is also improved for long wavelengths, e.g. in the IR range. For example, the absorption of IR laser radiation by copper in the molten phase is almost identical to that at shorter wavelengths.
Am Ende des Einstrahlens der Teilstrahlen oder nach Ausbilden des gemeinsamen Schweißbades kann zumindest einer der Teilstrahlen defokussiert auf die jeweilige Elektrode gerichtet werden. Hierdurch kann eine Glättung der Schweißverbindung bzw. Schweißnaht erzielt werden. Vorzugsweise wird zu Beginn und am Ende des Einstrahlens der Teilstrahlen zumindest einer der Teilstrahlen auf die jeweilige Elektrode defokussiert gerichtet.At the end of the irradiation of the partial beams or after formation of the common weld pool, at least one of the partial beams can be directed onto the respective electrode in a defocused manner. In this way, a smoothing of the welded connection or weld seam can be achieved. At least one of the partial beams is preferably directed onto the respective electrode in a defocused manner at the beginning and at the end of the irradiation of the partial beams.
Jeder Teilstrahl verbleibt während des Einstrahlens vorzugsweise auf der jeweiligen Elektrode. Mit anderen Worten bleibt im Fall von zwei Teilstrahlen und zwei Elektroden vorzugsweise ein erster der beiden Teilstrahlen nur auf eine erste der beiden Elektroden gerichtet, und der zweite der beiden Teilstrahlen nur auf die zweite der beiden Elektroden. Dadurch kann vermieden werden, dass ein Teilstrahl in einen Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Elektroden fällt und dort eine Isolierung oder anderes Material erwärmt. Zudem können dadurch separate Schmelzbäder erzeugt werden. Wurde das Elektrodenmaterial, z.B. das Kupfer, einmal in die schmelzflüssige Phase gebracht, fließen die separaten Schmelzbäder zu einem gemeinsamen Schmelzbad zusammen. Dadurch kann eine Porenbildung in der stoffschlüssigen Verbindung bzw. in der Schweißnaht verringert werden.Each partial beam preferably remains on the respective electrode during irradiation. In other words, in the case of two sub-beams and two electrodes, a first of the two sub-beams preferably remains directed only at a first of the two electrodes, and the second of the two sub-beams only at the second of the two electrodes. In this way it can be avoided that a partial beam falls into an intermediate space or gap between the electrodes and heats up insulation or other material there. In addition, separate melt pools can be generated as a result. Once the electrode material, e.g. the copper, has been brought into the molten phase, the separate melt pools flow together to form a common melt pool. As a result, the formation of pores in the materially bonded connection or in the weld seam can be reduced.
Vorzugsweise sind die Teilstrahlen auf der jeweiligen Elektrode, insbesondere linear, auslenkbar. Die Auslenkung kann parallel zu bzw. entlang einer Kante oder Seite der Elektrode erfolgen. Die Teilstrahlen können auf der jeweiligen Elektrode hin und her bewegt werden, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu einer Verbindungsgeraden zwischen den Elektroden oder parallel zu den sich gegenüberliegenden Seiten der Elektroden. Beispielsweise kann jeder Teilstrahl auf der entsprechenden Elektrode entlang einer vorgegebenen Bahn hin und her bewegt oder oszilliert werden. Die Oszillationsbewegung bzw. die vorgegebene Bahn kann linear, kreisförmig, Zick-Zack förmig, wellenförmig, schraubenförmig, 8-förmig o.ä. sein. Die Auslenkung der Teilstrahlen kann durch Auslenkung des Laserstrahls vor Aufteilung desselben in die zwei Teilstrahlen erfolgen. Alternativ kann die Auslenkung der Teilstrahlen nach Aufteilung des Laserstrahls erfolgen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann hierfür eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserstrahls und/oder der Teilstrahlen umfassen. Vorzugsweise ist die Auslenkeinheit eine lineare bzw. 1D Auslenkeinheit, d.h. eingerichtet für eine lineare Auslenkung in nur einer Richtung. Eine eindimensionale (1D) Auslenkeinheit ist wesentlich kostengünstiger und kompakter als eine Auslenkeinheit, die für eine 2D Auslenkung bzw. für eine Auslenkung in zwei aufeinander senkrecht stehende Richtungen eingerichtet ist. Zum Auslenken des Laserstrahls kann die Auslenkeinheit zwischen der Kollimationsoptik und der Aufteilungsoptik angeordnet sein. Alternativ kann die Auslenkeinheit zwischen der Aufteilungsoptik und der Fokussieroptik angeordnet sein, um die Teilstrahlen direkt auszulenken. In diesem Fall können die Teilstrahlen unabhängig voneinander ausgelenkt werden. Die Auslenkeinheit kann beispielsweise ein Oszillationsmodul, ein ID-Scanner oder ein 2D-Scanner sein und/oder mindestens einen Spiegel, insbesondere einen Galvanometer-Spiegel, umfassen. Vorzugsweise wird die Auslenkung der Teilstrahlen regelmäßig bzw. periodisch wiederholt. Die Auslenkung der Teilstrahlen kann als Positionsmodulation der Teilstrahlen bezeichnet werden. Eine Positionsmodulationsamplitude bzw. Auslenkungsamplitude und/oder eine Positionsmodulationsfrequenz bzw. Auslenkungsfrequenz und/oder eine Positionsmodulationsgeschwindigkeit bzw. Auslenkungsgeschwindigkeit kann basierend auf zumindest einem der folgenden Parameter eingestellt sein: den Positionen der Elektroden; einer Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; einem Abstand zwischen den Elektroden; einer Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads; einer Einstrahldauer der Teilstrahlen auf die Elektroden; einer Wellenlänge des Laserstrahls; und einer Leistung des Laserstrahls.The partial beams can preferably be deflected on the respective electrode, in particular linearly. The deflection can be parallel to or along an edge or side of the electrode. The partial beams can be moved back and forth on the respective electrode, for example in a direction perpendicular to a straight line connecting the electrodes or parallel to the opposite sides of the electrodes. For example, each sub-beam can be moved back and forth or oscillated along a predetermined path on the corresponding electrode. The oscillating movement or the predetermined path can be linear, circular, zig-zag, wavy, helical, 8-shaped or the like. The partial beams can be deflected by deflecting the laser beam before it is divided into the two partial beams. Alternatively, the partial beams can be deflected after the laser beam has been divided. For this purpose, the laser processing device can comprise a deflection unit for deflecting the laser beam and/or the partial beams. The deflection unit is preferably a linear or 1D deflection unit, ie set up for a linear deflection in only one direction. A one-dimensional (1D) deflection unit is significantly less expensive and more compact than a deflection unit that is set up for a 2D deflection or for a deflection in two mutually perpendicular directions. To deflect the laser beam, the deflection unit can be arranged between the collimation optics and the splitting optics. Alternatively, the deflection unit can be arranged between the splitting optics and the focusing optics in order to deflect the partial beams directly. In this case, the partial beams can be deflected independently of one another. The deflection unit can, for example, be an oscillation module, an ID scanner or a 2D scanner and/or comprise at least one mirror, in particular a galvanometer mirror. The deflection of the partial beams is preferably repeated regularly or periodically. The deflection of the partial beams can be referred to as position modulation of the partial beams. A position modulation amplitude or deflection amplitude and/or a position modulation frequency or deflection frequency and/or a position modulation speed or deflection speed can be set based on at least one of the following parameters: the positions of the electrodes; a size of the surface on which the edit point lies; a gap between the electrodes; a size and / or depth of the separate melt pools and / or the common seed melt pool; a radiation duration of the partial beams on the electrodes; a wavelength of the laser beam; and a power of the laser beam.
Vorzugsweise sind die Elektroden so angeordnet, dass die Bearbeitungspunkte bzw. die Oberflächen der Elektroden, die die Bearbeitungspunkte umfassen, auf einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls liegen. Die Elektroden können parallel oder antiparallel zueinander angeordnet sein. Insbesondere können bei einer parallelen Anordnung der Elektroden Enden der Elektroden in dieselbe Richtung weisen, bei einer antiparallelen Anordnung hingegen können Enden der Elektroden in entgegengesetzte Richtungen weisen. Vorzugsweise sind Enden der Elektroden nebeneinander und/oder benachbart angeordnet. Die Teilstrahlen können stirnseitig auf Enden der Elektroden eingestrahlt werden. Beispielsweise kann eine Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Elektroden angeordnet sein.The electrodes are preferably arranged in such a way that the processing points or the surfaces of the electrodes which comprise the processing points lie on a plane perpendicular to the beam propagation direction of the laser beam. The electrodes can be arranged parallel or antiparallel to one another. In particular, in the case of a parallel arrangement of the electrodes, ends of the electrodes can point in the same direction, but in the case of an anti-parallel arrangement, ends of the electrodes can point in opposite directions. Ends of the electrodes are preferably arranged next to and/or adjacent to one another. The partial beams can be radiated onto the ends of the electrodes at the front. For example, a beam propagation direction of the partial beams can be arranged essentially parallel to the longitudinal axis of the electrodes.
Vorzugsweise sind die Elektroden stabförmige Elektroden. Die Elektroden können zumindest eine flache Seite bzw. eine ebene Fläche aufweisen und/oder einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. Vorzugsweise sind zwei flache Seiten der Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet. Beispielsweise kann ein Ende oder ein Querschnitt der Elektroden eine Breite (oder Schmalseite) von ca. 1mm und eine Länge (oder Längsseite) von ca. 5 mm aufweisen.The electrodes are preferably rod-shaped electrodes. The electrodes can have at least one flat side or plane surface and/or have a rectangular or square cross-section. Preferably, two flat sides of the electrodes are arranged opposite each other. For example, one end or a cross-section of the electrodes can have a width (or narrow side) of about 1 mm and a length (or long side) of about 5 mm.
Die Elektroden können aus Kupfer und/oder Aluminium bestehen oder Kupfer und/oder Aluminium enthalten. Beispielsweise sind oder umfassen die Elektroden Hairpins oder Wicklungssegmente einer Statorspule bzw. einer Statorwicklung.The electrodes can be made of copper and/or aluminum or contain copper and/or aluminum. For example, the electrodes are or include hairpins or winding segments of a stator coil or a stator winding.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl Wellenlängen im infraroten Bereich, beispielsweise zwischen 780 nm und 1400 nm, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm, auf. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige IR Laserquelle verwendet werden kann. Der Laserstrahl kann aber auch eine Wellenlänge im sichtbaren grünen oder blauen Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 510 nm und 550 nm, aufweisen.The laser beam preferably has wavelengths in the infrared range, for example between 780 nm and 1400 nm, in particular between 1000 nm and 1100 nm. This has the advantage that an inexpensive IR laser source can be used. However, the laser beam can also have a wavelength in the visible green or blue range, in particular in the range between 400 nm and 450 nm or between 510 nm and 550 nm.
Eine eingestrahlte Leistung der beiden Teilstrahlen, d.h. die Leistung des Laserstrahls, kann basierend auf zumindest einem der folgenden Parameter moduliert oder eingestellt sein: einer Positionsmodulationsamplitude bzw. Auslenkungsamplitude, einer Positionsmodulationsfrequenz bzw. Auslenkungsfrequenz, einer Positionsmodulationsgeschwindigkeit bzw. Auslenkungsgeschwindigkeit, den Positionen der Elektroden; einer Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; einem Abstand zwischen den Elektroden; einer Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads; einer Einstrahldauer der Teilstrahlen auf die Elektroden; einer Wellenlänge des Laserstrahls; und einer Leistung des Laserstrahls.An irradiated power of the two partial beams, i.e. the power of the laser beam, can be modulated or set based on at least one of the following parameters: a position modulation amplitude or deflection amplitude, a position modulation frequency or deflection frequency, a position modulation speed or deflection speed, the positions of the electrodes; a size of the surface on which the edit point lies; a gap between the electrodes; a size and/or depth of the separate weld pools and/or the common weld pool; a radiation duration of the partial beams on the electrodes; a wavelength of the laser beam; and a power of the laser beam.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.
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1 zeigt schematisch ein herkömmliches Scanner-Laserschweißverfahren; -
2 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 zeigt ein Diagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem 1D Scanner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
5A und5B zeigen schematisch alternative Anordnungen der beiden Elektroden.
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1 12 schematically shows a conventional scanner laser welding method; -
2 shows schematically a processing device according to an embodiment of the present invention; -
3 Figure 12 shows a diagram of a method according to an embodiment of the present invention; -
4 shows schematically a processing device with a 1D scanner according to an embodiment of the present invention; and -
5A and5B show schematically alternative arrangements of the two electrodes.
Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.Unless otherwise noted, the same reference numbers are used below for the same elements and those with the same effect.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Laserbearbeitungskopf 100 zum Einstrahlen eines Laserstrahls 10 auf die Werkstücke 1, 2. Beispielsweise kann der von einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl 10 über eine Lichtleitfaser 11 in den Laserbearbeitungskopf 100 eingekoppelt werden. Der Laserstrahl 10 wird durch eine im Laserbearbeitungskopf 100 angeordnete Aufteilungsoptik 50, etwa mindestens eine optische Keilplatte, mindestens ein diffraktives optisches Element, mindestens eine Freiform Optik oder mindestens eine Strahlformungsoptik, in zwei Teilstrahlen 10a, 10b aufgeteilt. Vorzugsweise ist die Aufteilungsoptik 50 im kollimierten Laserstrahl 10 angeordnet, sodass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem kollimierten Laserstrahl 10 erfolgt. Mit anderen Worten kann die Aufteilungsoptik 50 in Laserstrahlausbreitungsrichtung nach einer Kollimationsoptik 20 des Laserbearbeitungskopfs 100 angeordnet sein. Die beiden Teilstrahlen 10a, 10b können anschließend durch eine Fokussieroptik 60 für den Bearbeitungsvorgang bzw. das Laserschweißen fokussiert werden. Alternativ kann für jeden Teilstrahl 10a, 10b eine separate Fokussieroptik 60 vorgesehen sein, um die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b unabhängig voneinander einzustellen. Die Fokussieroptik 60 kann auch in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Aufteilungsoptik 50 angeordnet sein, sodass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem fokussierten Laserstrahl 10 erfolgt. Auch wenn vorliegend eine Aufteilung des Laserstrahls in genau zwei Teilstrahlen 10a, 10b beschrieben ist, ist die Offenbarung nicht darauf beschränkt. Der Laserstrahl 10 kann in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt werden. Ebenso ist die Anzahl der Elektroden nicht auf zwei beschränkt, sondern das Verfahren kann für das Verschweißen von zwei oder mehr Elektroden eingesetzt werden. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Teilstrahlen der Anzahl der miteinander zu verschweißenden Elektroden.The laser processing device comprises a
Die Fokuslage der beiden Teilstrahlen 10a, 10b ist vorzugsweise einstellbar. Das Einstellen der Fokuslage kann beispielsweise durch Verschieben zumindest eines der folgenden Elemente erfolgen: der Lichtleitfaser 11, der Kollimationsoptik 20 und der Fokussieroptik 60. Die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b kann gemeinsam eingestellt werden, d.h. beide Teilstrahlen 10a, 10b können dieselbe Fokuslage haben. Vorzugsweise wird können aber die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b unabhängig voneinander eingestellt werden, d.h. die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b können unterschiedlich sein. Hierdurch kann ein unterschiedlicher Abstand der Elektroden zum Laserbearbeitungskopf 100 ausgeglichen werden.The focal position of the two
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst ferner eine Erfassungseinheit 40 zum Erfassen von Positionen der beiden Elektroden 1, 2. Hierfür kann die Erfassungseinheit 40 beispielsweise einen optischen Sensor, eine Photodiode, eine Kamera und/oder einen optischen Kohärenztomographen umfassen. Die Erfassungseinheit 40 kann die Position der beiden Elektroden 1, 2 in zumindest einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung erfassen. In den gezeigten Beispielen erstreckt sich die optische Achse der Fokussieroptik 60 bzw. die Laserstrahlausbreitungsrichtung in z Richtung. Ein optischer Strahlengang der Erfassungseinheit 40 kann beispielsweise über einen Strahlteiler 30 in den Laserstrahlengang des Laserbearbeitungskopf 100 eingekoppelt sein. Alternativ kann der optische Strahlengang der Erfassungseinheit 40 außerhalb des Laserbearbeitungskopfs 100 angeordnet sein und zumindest teilweise geneigt oder parallel zur Laserstrahlausbreitungsrichtung verlaufen. Vorzugsweise kann die Erfassungseinheit 40 auch eine Lage der Elektroden 1, 2 entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. in Laserstrahlausbreitungsrichtung erfassen (z-Richtung). Mit anderen Worten kann ein Abstand von jeder der Elektroden 1, 2 zum Laserbearbeitungskopf 100 bestimmt werden, beispielsweise um darauf basierend eine Laserleistung oder eine Fokuslage der Teilstrahlen 10a, 10b einzustellen. Die Erfassungseinheit 40 kann zur Prozessbeobachtung bzw. - überwachung, z.B. zur Pre-Prozess oder Post-Prozess Überwachung, eingerichtet sein.The laser processing device also includes a
Um die Positionserfassung zu verbessern, kann zusätzlich eine Beleuchtungseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Die Beleuchtungseinheit kann an der Erfassungseinheit 40 angeordnet sein, um Licht koaxial in den optischen Strahlengang der Erfassungseinheit einzukoppeln. Alternativ erfolgt die Beleuchtung der Elektroden durch die Beleuchtungseinheit unabhängig von bzw. außerhalb des Laserbearbeitungskopfs und/oder der Erfassungseinheit.In order to improve the position detection, an illumination unit (not shown) can also be provided. The lighting unit can be arranged on the
Die beiden Teilstrahlen 10a, 10b werden jeweils auf eine der zwei stabförmigen Elektroden 1, 2 gerichtet. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 können insbesondere Hairpin-Elektroden oder Wicklungssegmente einer Statorspule für einen Elektromotor sein. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 können aus Kupfer und/oder aus Aluminium sein. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 sind in
Die Erfassungseinheit 40 ist eingerichtet, je einen Bearbeitungspunkt A, B auf jeder der Elektroden zu bestimmen, auf den der jeweilige Teilstrahl 10a, 10b gerichtet wird. Der Bearbeitungspunkt A, B kann so auf der jeweiligen Elektrode 1, 2 bestimmt werden, dass er mittig auf einer dem Laserbearbeitungskopf 100 zugewandten Oberfläche, insbesondere einer Stirnfläche, der Elektrode liegt. Das Bestimmen der Bearbeitungspunkte A und B erfolgt basierend auf der erfassten Position der jeweiligen Elektrode 1, 2.The
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst zudem eine Steuereinheit 90 zum Steuern der Laserbearbeitungsvorrichtung, d.h. zum Steuern von zumindest einem der folgenden Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung: dem Laserbearbeitungskopf 100, einer Laserquelle, und der Erfassungseinheit 40. Die Steuereinheit 90 und die Erfassungseinheit 40 können in einer Einheit integriert oder separat vorgesehen sein. Die Steuereinheit 90 kann Daten von dem Laserbearbeitungskopf 100 und der Erfassungseinheit 40 empfangen oder Daten an diese senden. Die Steuereinheit 90 ist insbesondere eingerichtet, ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Die Steuereinheit 90 kann mit der Erfassungseinheit 40 und/oder dem Laserbearbeitungskopf Daten austauschen (Doppelpfeil).The laser processing device also includes a
Vorzugsweise umfasst das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 das Erfassen einer lateralen Position der beiden Elektroden 1, 2 in zumindest einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung. Mit anderen Worten kann die Lage und die Ausdehnung einer dem Laserbearbeitungskopf zugewandten Oberfläche für jede Elektrode bestimmt werden. In den gezeigten Beispielen handelt es sich um stabförmige Elektroden mit rechteckigem Querschnitt. Schritt S1 kann zum Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 zusätzlich Einstrahlen des Laserstrahls 10 entlang eines Messpfads und Erfassen eines von den Elektroden reflektierten Anteils des Laserstrahls umfassen. Das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 erfolgt hier basierend auf einer Intensität des entlang des Messpfads erfassten reflektierten Anteils des Laserstrahls. Optional werden die Elektroden 1, 2 in einer Positioniervorrichtung angeordnet. Die Positioniervorrichtung hat eine von den Elektroden verschiedenen Reflektivität, sodass basierend auf der Intensität des reflektierten Anteils unterschieden werden kann, ob sich der Laserstrahl auf der Positioniervorrichtung oder auf einer der Elektroden befindet.The detection of the positions of the
Nach Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 können die Bearbeitungspunkte A, B auf der Oberfläche festgelegt werden. Vorteilhafterweise wird der Bearbeitungspunkt A, B mittig auf der dem Laserbearbeitungskopf 100 zugewandten Oberfläche der Elektrode 1, 2 festgelegt.After detecting the positions of the
Alternativ oder zusätzlich kann beim Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 auch eine axiale Position der Elektroden 1, 2 entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. in Laserstrahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) erfasst werden. Mit anderen Worten kann das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 das Bestimmen eines Abstands zu der jeweiligen Elektrode 1, 2 bzw. zu dem jeweiligen Bearbeitungspunkt A, B umfassen. Basierend auf den axialen Positionen der Elektroden 1, 2, die voneinander verschieden sein können, kann eine Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b eingestellt werden.Alternatively or additionally, when detecting the positions of the
Der Laserstrahl 10 bzw. die Teilstrahlen 10a, 10b weisen vorzugsweise eine Wellenlänge im infraroten Bereich, insbesondere von 1 |im, auf. IR Laserstrahlung koppelt zwar bei Raumtemperatur schlechter in reflektive Materialien, wie Kupfer oder Aluminium, ein als Laserstrahlung mit kürzeren Wellenlängen, z.B. im sichtbaren Bereich, sind dafür aber wesentlich preiswerter. In der schmelzflüssigen Phase ist die Absorption von IR Laserstrahlung vergleichbar zu Laserstrahlung mit kürzeren Wellenlängen.The
Während des Einstrahlens der beiden Teilstrahlen 10a, 10b in Schritt S2, vorzugsweise zu Beginn des Einstrahlens, kann eine Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b verändert werden. Beispielsweise kann die Fokuslage von einer ersten Position, bei der der Teilstrahl auf der Elektrode defokussiert ist, in eine zweite Position, bei der der Teilstrahl auf der Elektrode fokussiert ist, d.h. der Fokus des Teilstrahls auf der Elektrode liegt, gefahren werden. Die Fokuslage an der ersten Position, d.h. die defokussierte Fokuslage, kann eine Fokuslage zwischen der Elektrode und dem Laserbearbeitungskopf, d.h. oberhalb der Elektrode, sein, oder eine Fokuslage innerhalb der Elektrode. Die Fokuslage der Teilstrahlen 10a, 10b kann gleich sein und gemeinsam verstellt werden. Beispielsweise kann eine schnelle Fokusfahrt die notwendige Laserleistungsdichte auf unterschiedlichen Ebenen erzeugen, um für eine bessere Einkopplung des Laserstrahls eine Oberflächentemperatur der Elektroden zu erhöhen oder um unterschiedliche Abstände der Elektroden zum Laserbearbeitungskopf 100 zu kompensieren.During the irradiation of the two
Am Ende des Einstrahlens kann eine weitere Fokusfahrt erfolgen. Vorzugsweise wird am Ende des Schritts S2 die Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b von einer auf der jeweiligen Elektrode fokussierten Position in eine defokussierte Position geändert. Auf diese Weise kann eine Oberfläche der Schweißverbindung geglättet werden.At the end of the irradiation, another focusing movement can take place. At the end of step S2, the focus position of at least one of the
In
Wie in
Die Auslenkeinheit 70 kann in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Fokussieroptik 60 bzw. vor der Aufteilungsoptik 50 angeordnet sein. Insbesondere kann die Auslenkeinheit 70 wie in
Vorzugsweise sind die beiden stabförmigen Elektroden 1, 2, wie in
Wie in
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Verfahren zum Verschweißen zweier Elektroden, insbesondere von stabförmigen Elektroden, etwa Hairpins oder Wicklungssegemente einer Statorspule, auf jeder Elektrode separat ein Teilstrahl eines Bearbeitungsstrahls eingestrahlt. Dadurch kann auf jeder Elektrode ein separates Schmelzbad ausgebildet werden. Die Schmelzbäder können sich aufgrund der Oberflächenspannung zu einem gemeinsamen Schmelzbad verbinden und so eine Schweißverbindung bzw. Schweißnaht herstellen. Auf diese Weise kann Spritzerbildung vermieden werden und eine porenfreie Schweißverbindung mit geringem Übergangswiderstand zwischen den Elektroden hergestellt werden. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig bereitgestellt werden. Insbesondere kann auf eine Auslenkeinheit oder zumindest auf einen 2D Scanner verzichtet werden. Zudem kann eine IR Laserquelle eingesetzt werden.According to the present invention, in a method for welding two electrodes, in particular rod-shaped electrodes, such as hairpins or winding segments of a stator coil, a partial beam of a machining beam is irradiated separately on each electrode. This allows a separate weld pool to be formed on each electrode. Due to the surface tension, the molten pools can combine to form a common molten pool and thus create a welded connection or weld seam. In this way spatter formation can be avoided and a pore-free welded connection can be achieved low contact resistance between the electrodes. In addition, the method according to the invention can be provided inexpensively. In particular, a deflection unit or at least a 2D scanner can be dispensed with. An IR laser source can also be used.
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