DE102022100231A1

DE102022100231A1 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen eines Bauteils sowie Laserschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102022100231A1
Application number: DE102022100231.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Notheis; Oliver Bocksrocker; Wilrid Dubitzky; Klemens Schmitt
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-07-06
Also published as: WO2023131522A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) eines Bauteils (1) mittels einer Laserschweißvorrichtung (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:(a) Messen einer Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) der mehreren Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Messstrahls (4) und/oder mittels einer Sensorik, und(b) Laserstrahlschweißen einer zuvor gemessenen Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) der mehreren Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Bearbeitungsstrahls (5), wobei die Schritte (a) und (b) parallel ausgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Laserschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Es sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen mehrere Komponenten an vielen Bearbeitungsstellen eines Bauteils mittels Laserstrahlschweißens gefügt werden. Bekannt ist bei derartigen Anwendungen der Einsatz von Festkörperlasern für das Laserstrahlschweißen. Dabei wird das Bauteil unter der jeweiligen Optik des Festkörperlasers oder, alternativ, die Optik selbst gegenüber dem Bauteil bewegt, um den gesamten Bearbeitungsraum des Bauteils mit allen Bearbeitungsstellen zu erfassen.
Für ein positionsgetreues Laserstrahlschweißen ist es dabei erforderlich, die Bearbeitungsstellen vor dem eigentlichen Bearbeiten, also dem Laserstrahlschweißen, zu messen, also die Positionen der mit dem Bauteil zu verschweißenden Komponenten an den Bearbeitungsstellen zu erfassen. Dabei erfolgt ein sequenzielles Messen der Bearbeitungsposition mittels eines entsprechenden Sensorsystems und Bearbeiten, also Laserstrahlschweißen, der Komponenten an das Bauteil.
Da die Messung der Bearbeitungsstelle bzw. der Positionen der zu verschweißenden Komponenten am Bauteil zwingend vor der Bearbeitung bzw. dem Laserstrahlschweißen erfolgen muss, ist ein sequenzielles Messen und Bearbeiten vorgegeben. Da jedoch die dafür eingesetzten Strahlen, also Messstrahl und Bearbeitungsstrahl, den gleichen Lichtweg in der Optik des Messstrahls haben, ist das bekannte Verfahren sehr zeitintensiv. Folglich ist das Fügen der Komponenten an das Bauteil kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen eines Bauteils mittels einer Laserschweißvorrichtung sowie eine korrespondierende Laserschweißvorrichtung bereitzustellen, mittels denen die Kosten für das Fügen der Komponenten an das Bauteil gesenkt werden können, insbesondere die Taktzeit für das Laserstrahlschweißen der Komponenten an den unterschiedlichen Bearbeitungsstellen des Bauteils reduziert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen eines Bauteils mittels einer Laserschweißvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Messen einer Bearbeitungsstelle (der mehreren Bearbeitungsstellen) mittels eines Messstrahls und/oder mittels einer, insbesondere orts- und zeitauflösenden, Sensorik, und (b) Laserstrahlschweißen einer zuvor gemessenen Bearbeitungsstelle (der mehreren Bearbeitungsstellen) mittels eines Bearbeitungsstrahls, wobei die Schritte (a) und (b), also das Messen und das Laserstrahlschweißen, parallel ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird damit ein Verfahren bereitgestellt, mittels dem ein paralleles Messen und Laserstrahlschweißen ermöglicht wird. Dies wird dadurch bereitgestellt, dass jeweils ein paralleles Messen an einer Bearbeitungsstelle und ein Laserstrahlschweißen an einer von der Bearbeitungsstelle, an der gemessen wird, verschiedenen Bearbeitungsstelle erfolgt, die jedoch bereits zuvor gemessen worden ist, sodass ein dennoch positionsgetreues Laserstrahlschweißen bzw. Bearbeiten des Bauteils bzw. Fügen der jeweiligen Komponenten mit dem Bauteil durch Laserstrahlschweißen ermöglicht ist. Entsprechend kann gegenüber dem bekannten sequenziellen Messen und Laserstrahlschweißen die Taktzeit für das Laserstrahlschweißen deutlich reduziert werden.
Unter einer parallelen Ausführung des Messens und des Laserstrahlschweißens, das hierin auch als Bearbeiten bezeichnet wird, wird insbesondere eine zumindest teilweise zeitgleiche Ausführung verstanden. Das bedeutet, dass die beiden Schritte des Messens und Laserstrahlschweißens nicht zwangsläufig in ihrer gesamten Dauer zeitgleich erfolgen müssen bzw. einer der beiden Schritte (a), (b) vollständig während der Ausführung des jeweils anderen ausgeführt werden muss. Stattdessen genügt es, wenn auch nur eine gewisse Zeitdauer bei der Ausführung von Schritt (a) mit einer gewissen Zeitdauer bei der Ausführung von Schritt (b) überlappt, sodass von einer parallelen Ausführung im vorliegenden Sinne auszugehen ist. Vorteilhafterweise sollten jedoch die Schritte (a) und (b) in einer möglichst großen Zeitspanne übereinstimmend bzw. zeitgleich ausgeführt werden, um die Taktzeit des Verfahrens maximal zu verringern. Vorteilhaft ist entsprechend, wenn einer der beiden Schritte (a), (b) (im Wesentlichen) vollständig während des jeweils anderen Schrittes (a), (b) ausgeführt wird.
Mit einer Bearbeitungsstelle ist insbesondere ein Bereich auf dem Bauteil gemeint, der vorzugsweise mehrere Komponenten umfasst und an dem die Komponenten vorgesehen sind, insbesondere positioniert sind. So lassen sich das Bauteil und die daran zu fügenden Komponenten in mehrere Bearbeitungsstellen aufteilen, die nacheinander abgearbeitet werden können. Das Messen dient dabei insbesondere dazu, die Positionen der Komponenten an einer Bearbeitungsstelle, welche alternativ als Bearbeitungsbereich bezeichnet werden kann, festzustellen. Mit anderen Worten werden beim Messen einer Bearbeitungsstellen insbesondere die Positionen (und mögliche Positionsabweichungen von vorgegebenen Positionen) der Komponenten auf oder an dem Bauteil erfasst. Somit umfasst eine Bearbeitungsstelle jeweils insbesondere mehrere Komponenten und ihre noch nicht durch das Schweißen festgelegten, sondern etwa nur durch Aufbringen oder Stecken bereitgestellten, Positionen auf dem Bauteil. Durch das Messen können somit auch Positionsabweichungen von einer vorbestimmten Position festgestellt werden, die für das anschließende Laserstrahlschweißen berücksichtigt werden können, um ein positionsgetreues Schweißen zu erlauben. Dies kann eine entsprechende Steuereinheit sicherstellen, die später näher erläutert wird. Dabei kann die Steuereinheit den Schritt des Laserstrahlschweißens jeweils an die zuvor durch das Messen erfassten Positionen der Komponenten anpassen.
Es kann vorgesehen sein, dass ein weiterer (für ein Bauteil jeweils erster) Messschritt den beiden jeweils parallel ausgeführten Schritten (a) und (b) vorgeht. Dieser erste Messschritt kann ganz zu Beginn des Verfahrens erfolgen, wenn noch keine zuvor gemessene Bearbeitungsstelle vorliegt, an welcher der Schritt (b) ausgeführt werden kann. Insoweit kann es sich bei einem solchen Messschritt um einen Schritt handeln, der das anschließende parallele Ausführen der Schritte (a) und (b) initialisiert.
Vorteilhafterweise werden die parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) für weitere Bearbeitungsstellen des Bauteils wiederholt werden. Insbesondere können die parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) für im Wesentlichen sämtliche der restlichen Bearbeitungsstellen des Bauteils wiederholt werden. Ein letzter Bearbeitungsschritt des Laserstrahlschweißens kann dann, ähnlich wie schon der zuvor beschriebene, erste Messschritt, nicht parallel zu dem anderen Schritt, also ohne paralleles Messen, ausgeführt werden, weil dann bereits alle Bearbeitungsstellen gemessen bzw. vermessen sind. So kann die Taktzeit des Verfahrens substanziell reduziert werden.
Dabei sollten die Schritte (a) und (b) vorzugsweise an jeweils benachbarten Bearbeitungsstellen von den unmittelbar zuvor gemessenen und bearbeiteten Bearbeitungsstellen wiederholt werden. Unter einer benachbarten Bearbeitungsstelle wird insbesondere diejenige Bearbeitungsstelle verstanden, die der zuvor gemessenen bzw. bearbeiteten Bearbeitungsstelle örtlich am nächsten liegt bzw. die geringste Distanz dazu aufweist. Eine derartige Bearbeitung von einer Bearbeitungsstelle zur jeweils nächstgelegendsten Bearbeitungsstelle erlaubt eine einfache systematische Vorgehensweise und Reduzierung von Nebenzeiten zwischen den eigentliche Mess- und Bearbeitungszeiten zur weiteren Reduktion der Taktzeiten.
Vorteilhafterweise wird das parallele Messen und Laserstrahlschweißen dabei dadurch ermöglicht, dass die Laserschweißvorrichtung zwei (oder mehr) Optiken aufweist und die parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) jeweils auf unterschiedlichen Bearbeitungsfeldern der beiden (oder mehr) Optiken ausgeführt werden. Als Bearbeitungsfeld wird dabei jeweils das Feld einer Optik verstanden, welches eine entsprechende Abdeckung auf dem Bauteil mit dem Messstrahl/der Sensorik und/oder des Bearbeitungsstrahls ermöglicht. Entsprechend erfolgt das parallele Messen mit dem Messstrahl/der Sensorik jeweils auf einem anderen Bearbeitungsfeld als das Laserstrahlschweißen mit dem Bearbeitungsstrahl.
Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die beiden Optiken als Scanneroptiken ausgebildet sind. Entsprechend sind die unterschiedlichen Bearbeitungsfelder der Scanneroptiken auch als Scanfelder bezeichenbar. Die Ausführung der beiden Optiken als Scanneroptiken ermöglicht dabei gegenüber einer Festkörperoptik ein Scannerschweißen, das die im Stand der Technik notwendige Relativbewegung zwischen dem Bauteil und der Optik bzw. einem Laserbearbeitungskopf mit der Optik in dem Scanfeld nicht mehr notwendig ist oder zumindest reduziert ist. Eine Scanneroptik weist dabei zusätzlich zu Linsen, wie beispielsweise einer Kollimationslinse und einer Fokuslinse, einen oder mehrere Spiegel auf. Unter dem Scannerschweißen wird demgemäß ein Schweißverfahren verstanden, bei dem die Bearbeitungsstrahlführung über einen oder mehrere bewegliche Spiegel innerhalb der Scanneroptik des Scannerschweißers erfolgt. Durch die Winkeländerungen des oder der Spiegel wird der Bearbeitungsstrahl geführt. Es entsteht ein Scanfeld, in dem hochdynamisch und präzise geschweißt werden kann. Entsprechend kann das Bauteil mit den Komponenten vollständig innerhalb der beiden Scanfelder der beiden Scanneroptiken bearbeitet werden. Insbesondere können die Scanneroptiken auch für das Führen des Messstrahls auf den Scanfeldern genutzt werden, sodass das Messen und das Laserstrahlschweißen innerhalb der beiden Scanfelder ohne Relativbewegung zwischen den Scanneroptiken und dem Bauteil möglich sind. Auch dadurch lässt sich die Taktzeit erhöhen. Ferner lassen sich die bereits erwähnten Nebenzeiten senken, wenn der oder die Spiegel in der Scanneroptik ultraleicht ausgeführt sind, wodurch sie sich schneller verstellen bzw. drehen lassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsfelder bei der Wiederholung der parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) zwischen der parallelen Ausführung der Schritte (a) und (b) darauf jeweils gewechselt werden. Mit anderen Worten kann das Messen und Laserstrahlschweißen jeweils auf unterschiedlichen Bearbeitungsfeldern erfolgen. Dies erfordert eine entsprechend wechselnde Einkopplung von Messstrahl und/oder Sensorik für das Messen und Bearbeitungsstrahl für das Bearbeiten in die beiden Optiken. Durch diesen Wechsel des Messstrahls und/oder der Sensorik und des Bearbeitungsstrahls zwischen den Optiken kann eine besonders geringe Taktzeit erzielt werden, weil die Bearbeitungsfelder zwischen Wiederholungen der Schritte (a), (b) nicht bewegt werden müssen, solange sich noch nicht gemessene und laserstrahlgeschweißte Bearbeitungsstellen innerhalb der beiden Bearbeitungsfelder befinden.
Grundsätzlich kann die Laserschweißvorrichtung dabei mit einem, zwei oder mehr Laserstrahlquellen ausgebildet sein. Besonders kostengünstig ist die Verwendung einer Laserschweißvorrichtung jedoch mit einer Laserstrahleinrichtung mit einer einzigen Laserstrahlquelle, die bei Wiederholung der Schritte (a) und (b) zwischen den beiden Bearbeitungsfeldern geschaltet wird. Mit anderen Worten kann der Bearbeitungsstrahl der einzigen Laserstrahlquelle für die Wiederholung der Schritte (a) und (b) jeweils zwischen den zwei Optiken hin- und hergeschaltet werden. Dazu kann die Laserstrahlquelle zwei Abgänge, insbesondere Kabel bzw. Fasern haben, die jeweils zu einer der beiden Optiken führen.
Auch eine entsprechende Messeinrichtung der Laserschweißvorrichtung kann für die Wiederholung der Schritte (a) und (b) zwischen den beiden Optiken hin- und hergeschaltet werden. Alternativ können aber auch zwei oder mehr Messeinrichtungen eingesetzt werden. Insbesondere kann jeder der Optiken jeweils eine Messeinrichtung zugeordnet sein. Dann muss nur noch der Bearbeitungsstrahl zwischen den Optiken hin- und hergeschaltet werden.
Vorteilhaft ist dabei, wenn die beiden Bearbeitungsfelder sich nicht oder höchstens in einer Fläche von 50%, insbesondere höchstens in einer Fläche von 30%, von einem der beiden Bearbeitungsfelder überschneiden. Dadurch können weitestgehend unabhängige und große Bearbeitungsfelder bearbeitet werden, was ein zusätzliches Bewegen, beispielsweise Rotieren, von Bauteil und/oder Optik(en) verhindert oder minimiert. Ein im Rahmen der obigen Grenze angegebenes, geringfügiges Überlappen der Bearbeitungsfelder kann hingegen toleriert werden, um das Bauteil vollständig durch die beiden Bearbeitungsfelder abdecken zu können.
Vorteilhafterweise ist zwischen den beiden Bearbeitungsfeldern eine Trenneinrichtung der Laserschweißvorrichtung zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung von dem Messstrahl und/oder der Sensorik und dem Bearbeitungsstrahl angeordnet. Die Trenneinrichtung kann beispielsweise als ein Shutter ausgebildet sein. Durch die Trenneinrichtung wird die Messeinrichtung des Messstrahls und/oder der Sensorik vor Rückreflexionen des Bearbeitungsstrahls geschützt, sodass verhindert wird, dass fehlerhafte Messungen erfolgen, die zu einer fehlerhaften Bearbeitung und schlimmstenfalls zu einem Ausschuss des Bauteils führen können.
Möglich ist ferner, dass der Messstrahl und/oder die Sensorik und der Bearbeitungsstrahl durch jede der beiden Optiken im Wesentlichen koaxial zueinander eingerichtet sind. Mit anderen Worten ist die Laserschweißvorrichtung, insbesondere sind dessen zumindest eine Laserstrahleinrichtung und dessen zumindest eine Messeinrichtung derart eingerichtet, dass der Messstrahl und/oder ein Erfassungsfeld der Sensorik und der Bearbeitungsstrahl koaxial aus jeder der beiden Optiken austreten können. Dies bedeutet nicht, dass die beiden unterschiedlichen Strahlen tatsächlich zeitgleich koaxial zueinander verlaufen, weil sie, wie zuvor beschrieben, insbesondere abwechselnd und in unterschiedlichen Optiken verlaufen. Sie teilen sich in diesem Wechsel aber vorzugsweise dieselben Achse. Durch eine derartige koaxiale Anordnung von Messstrahl und/oder Sensorik und Bearbeitungsstrahl wird ein schneller Wechsel zwischen den beiden Schritten (a) und (b) bzw. dem Messen und Laserstrahlschweißen bei Wiederholung der Schritte (a) und (b) ermöglicht.
Es kann vorgesehen sein, dass das Bauteil und/oder die Laserschweißvorrichtung, insbesondere dessen Optiken bzw. Laserbearbeitungskopf, nach einer vorgegebenen Wiederholungsanzahl der Schritte (a) und (b) bewegt wird. Die Wiederholungsanzahl kann dabei durch die Anzahl der notwendigen Wiederholungen der Schritte (a) und (b) vorgegeben sein, um innerhalb der beiden Bearbeitungsfelder der Optiken alle Bearbeitungsstellen zu bearbeiten. Wenn also nur noch Bearbeitungsstellen außerhalb der Bearbeitungsfelder zur Bearbeitung ausstehen, werden das Bauteil und/oder die Laserschweißvorrichtung bewegt, um die weitere Bearbeitung zu ermöglichen. Die Bewegung kann insbesondere eine Rotation sein.
Ganz besonders kann das Bauteil im Übrigen ein rotationssymmetrisches Bauteil sein. Insbesondere kann es sich bei dem Bauteil um einen Stator handeln. Die Komponenten wiederum können Leiterelemente, insbesondere stabförmige Leiterelemente, sein, welche auch als Hairpins bekannt sind. Die Leiterelemente können beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Außerdem können die Leiterelemente beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein.
Als Messstrahl kann vorzugsweise ein OCT-Messstrahl eines OCT-Sensorsystems (als Messeinrichtung der Laserschweißvorrichtung) verwendet werden. Unter einem OCT-Sensorsystem wird ein optisches Kohärenztomograf-Sensorsystem verstanden (engl. OCT für „optical coherence tomography“ bzw. optische Kohärenztomographie). Durch den vom OCT-Sensorsystem erzeugten Messstrahl kann eine besonders kurze Messzeit und hohe Genauigkeit erzielt werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Schweißgenauigkeit auswirkt und die Taktzeit weiter zu reduzieren erlaubt. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Sensorik eingesetzt werden. Die Sensorik kann insbesondere eine orts- und zeitauflösende Sensorik sein. Beispielsweise kann die Sensorik eine Kamera sein oder durch mehrere Kameras gebildet sein.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Laserschweißvorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorgesehen ist demnach eine Laserschweißvorrichtung zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen eines Bauteils, wobei die Laserschweißvorrichtung mit einer Laserstrahleinrichtung, zumindest einer Messeinrichtung, zumindest einer Optik und einer Steuereinheit ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, parallel (a) eine Bearbeitungsstelle der mehreren Bearbeitungsstellen mittels eines Messstrahls und/oder einer Sensorik der zumindest einen Messeinrichtung zu messen und (b) eine zuvor gemessene Bearbeitungsstelle mittels eines Bearbeitungsstrahls laserstrahlzuschweißen.
Dabei können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren hierin beschriebenen Merkmale selbstverständlich auch in Bezug auf die erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung, und umgekehrt, angewendet werden. Insbesondere kann die Laserschweißvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein bzw. kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, dass die jeweiligen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Laserschweißvorrichtung ausgeführt werden.
Wie zuvor erwähnt, kann die Laserschweißvorrichtung eine, zwei oder mehr Laserstrahlquellen für die Laserstrahleinrichtung aufweisen. Ganz besonders kann die Laserstrahleinrichtung dabei einen Infrarotlaser als Laserstrahlquelle aufweisen. Dieser kann insbesondere für eine Brillanz ≥ 5 und/oder ein Strahlparameterproukt ≤ 4 mm*mrad des Bearbeitungsstrahls eingerichtet sein bzw. für einen derartigen Arbeitsbereich eingerichtet sein und in einem solchen beim erfindungsgemäßen Verfahren auch verwendet werden, um das Laserstrahlschweißen durchzuführen. Dadurch lässt sich die Bearbeitungszeit bzw. Laserstrahlschweißzeit des Schritts (b) soweit verkürzen, dass sie zumindest annähernd der Messzeit des Schritts (a) entspricht, sodass insgesamt die Taktzeit des Verfahrens weiter gesenkt werden kann.
Auch kann die Laserschweißvorrichtung eine oder mehrere Messeinrichtungen aufweisen. Ferner kann die Laserschweißvorrichtung zwei oder mehr Optiken, insbesondere in Form von Scanneroptiken, aufweisen. Zwischen den Optiken kann insbesondere die zuvor erwähnte Trenneinrichtung angeordnet sein. Als Scanneroptiken können beispielsweise von TRUMPF unter der Bezeichnung PFO 33-2 vertriebene Scanneroptiken mit einem beispielhaften Abbildungsverhältnis von 1,7:1 verwendet werden. Dabei können die Messeinrichtungen bzw. jeweilige Sensoreinheiten der Messeinrichtungen in den Optiken integriert sein. Dabei kann die Achse des Messstrahls mit der Achse des Bearbeitungsstrahls innerhalb jeder der beiden oder mehr Optiken zusammenfallen, wie zuvor erläutert worden ist.
Möglich ist beispielsweise der Einsatz einer kamerabasierten Sensorik als bzw. in der Messeinrichtung. Beispielsweise kann das von TRUMPF unter der Bezeichnung VisionLine detect vertriebene kamerabasierte Sensorsystem genutzt werden. Dies erlaubt eine genaue Ermittlung der Position und Positionsabweichungen der einzelnen, mit dem Bauteil zu verschweißenden Komponenten. Eingesetzt werden kann zusätzlich ein optischer Filter oder Bandpassfilter, der insbesondere transmittiv im VIS-Bereich oder NIR-Bereich oder Teilen davon sein kann. Alternativ ist denkbar, ein interferometrisch basiertes Sensorsystem, wie beispielsweise das von TRUMPF unter der Bezeichnung VisionLine OCT Detect vertriebene Sensorsystem, einzusetzen. Darin können der Bearbeitungsstrahl und der OCT-Messstrahl aufeinander kalibriert werden. Für den Bearbeitungsstrahl kann dabei beispielsweise die von TRUMPF unter der Bezeichnung TruLaser Cell 3000 vertriebene Vorrichtung verwendet werden.
Möglich ist beispielsweise ferner oder alternativ, dass eine von TRUMPF unter der Bezeichnung TruDisk Laser vertriebene Laserschweißvorrichtung mit einem Strahlparameterprodukt von beispielsweise 2 mm*mrad verwendet wird. Dabei kann die Laserstrahlquelle mit zwei oder mehr Abgängen eingerichtet sein, damit die Lichtwege der Laserstrahlquelle zwischen zwei Optiken hin- und hergeschaltet werden können.
Für eine Führung des Lichtwegs der Laserstrahlquelle kann eine Faserführung verwendet werden, die insbesondere durch ein 2in1-Lichtleitkabel vorgesehen sein kann. Das 2in1-Laserlichtkabel kann mit einem inneren Faserkern bzw. einer inneren Faser und einem äußeren Faserkern bzw. einer äußeren Faser, insbesondere einer den inneren Faserkern umgebenden Ringfaser, ausgebildet sein. Der innere Faserkern kann beispielsweise einen Durchmesser von bis zu 50 µm aufweisen, während die Ringfaser beispielsweise einen Durchmesser von bis zu 200 µm aufweisen kann. Eine derartiges 2in1-Laserlichtkabel kann auch als Multiclad-Faser bezeichnet werden. Zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls kann dabei ein Ausgangs-Bearbeitungsstrahl in ein erstes Ende der Multiclad-Faser eingespeist werden. Dabei kann ein erster Teil der Laserleistung des Ausgangs-Bearbeitungsstrahls in die Kernfaser und ein zweiter Teil der Laserleistung des Ausgangs-Bearbeitungsstrahls in die Ringfaser eingespeist werden. Schließlich kann ein zweites Ende der Multiclad-Faser auf das Bauteil abgebildet werden. Das ermöglicht ein Herstellen einer glatten Oberfläche der erzeugten Schweißnähte.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf ein Bauteil in Form eines Stators mit daran zu fügenden Komponenten in Form von Hairpins;
2a eine Querschnittsansicht durch eine Laserschweißvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen der Komponenten mit dem Bauteil aus 1;
2b eine Draufsicht auf das Bauteil aus 1 mit darauf abgebildeten Scanfeldern der Scanneroptiken der Laserschweißvorrichtung aus 2a;
3a-3d eine Abfolge von Draufsichten auf das Bauteil entsprechend der 2b in einer Verfahrensabfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4a eine Querschnittsansicht durch eine Laserschweißvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen der Komponenten mit dem Bauteil aus 1;
4b eine Draufsicht auf das Bauteil aus 1 mit darauf abgebildeten Scanfeldern der Scanneroptiken der Laserschweißvorrichtung aus 4a; und
5a-5d eine Abfolge von Draufsichten auf das Bauteil entsprechend der 4b in einer Verfahrensabfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein rotationssymmetrisches Bauteil 1 in der beispielhaften Form eines Stators 1 einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt), insbesondere eines Elektromotors (nicht gezeigt), auf dem eine Vielzahl von Komponenten in der beispielhaften Form von stabförmigen Leiterelementen 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, wovon nur einige bezeichnet sind, in mehreren Reihen 3.1, 3.2, wovon nur zwei bezeichnet sind, angeordnet sind. Die auch als Hairpins bezeichneten stabförmigen Leiterelemente 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 sollen durch Laserstrahlschweißen mit dem Stator 1 gefügt werden bzw. daran angeschweißt werden. Dabei befinden sich die Hairpins 2 in der 1 in einer vorbestimmten Position auf dem Stator 1, sind dort bspw. aufgestellt oder eingesteckt.
Die 2a, 2b sowie 3a bis 3d zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 100 bei der Ausführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserstrahlschweißen der mehreren Hairpins 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 an den Stator 1.
Die Laserschweißvorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist eine Laserstrahleinrichtung 10 mit beispielhaft einer einzigen Laserstrahlquelle 11 sowie zwei 2in1-Lichtleitkabeln 12.1, 12.2 zum Führen des von der Laserstrahlquelle 11 emittierten Laserstrahls bzw. Bearbeitungsstrahls 5 für den Laserstrahlschweißvorgang in entsprechende Optiken 30.1, 30.2 der Laserschweißvorrichtung 100 auf. Die gezeigten Optiken 30.1, 30.2 sind dabei als Scanneroptiken 30.1, 30.2 mit darin befindlichem Spiegel oder Spiegeln (nicht gezeigt) ausgeführt und können zusätzlich beispielsweise eine Kollimationslinse und Fokuslinse (nicht gezeigt) zur Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 auf das Bauteil 1 aufweisen.
Die beiden Scanneroptiken 30.1, 30.2 werden beispielhaft von unterschiedlichen Messeinrichtungen 20.1, 20.2 mit Sensorsystemen 21.1, 21.2 und Lichtleitern 22.1, 22.2 mit jeweils einem Messstrahl 4 gespeist. Lediglich der Übersichtlichkeit halber sind die Sensorsysteme 21.1, 21.2 dabei außerhalb der Scanneroptiken 30.1, 30.2 gezeigt. Sie können jedoch insbesondere innerhalb der Scanneroptiken 30.1, 30.2 angeordnet sein. Die Messeinrichtungen 20.1, 20.2 können beispielsweise als kamerabasierte Sensorsysteme oder OCT-Sensorsysteme 20.1, 20.2 ausgeführt werden.
Der Messstrahl 4 und der Bearbeitungsstrahls 5 werden koaxial von den Scanneroptiken 30.1, 30.2 geführt, wobei jedoch nicht vorgesehen ist, dass der Messstrahl 4 und der Bearbeitungsstrahl 5 zeitgleich in derselben von einer der beiden Scanneroptik 30.1, 30.2 geführt werden. Stattdessen ist vorgesehen, dass der Messstrahl 4 und der Bearbeitungsstrahl 5 zeitlich parallel in jeweils einer der beiden Scanneroptiken 30.1, 30.2 geführt werden, wie später näher erläutert wird.
Zwischen den beiden Scanneroptiken 30.1, 30.2 bzw. von den Scanneroptiken 30.1, 30.2 erfassten Scanfeldern 31.1, 31.2 befindet sich eine Trenneinrichtung 40 in beispielhafter Form eines Shutters, die verhindert, dass der Bearbeitungsstrahl 5 die Messung mittels des Messstrahls 4 negativ beeinflusst.
Die Brennweite f₁ ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise f255. Durch die Arbeitsdistanz zu dieser Brennweite f₁ ergibt sich vorliegend, dass die Scanfelder 31.1, 31.2 auf dem Bauteil 1 und den Leiterelementen 2 sich nicht überschneiden. Gezeigt sind in der 2b (und 4b) vorliegend auch beispielhaft Erfassungsfelder 23.1, 23.2 des eingesetzten Sensorsystems.
Eine Steuereinheit 50 der Laserschweißvorrichtung 100 ist zumindest mit der Laserstrahleinrichtung 10 und den Messeinrichtungen 20.1, 20.2 verbunden und dazu eingerichtet, die Laserstrahlschweißvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen der Komponenten 2 und des Bauteils 1 miteinander zu betreiben, wie anhand der 3a bis 3d im Folgenden näher erläutert wird.
Zu Beginn des Verfahrens erfolgt ein als M gekennzeichneter Messschritt innerhalb einer ersten Bearbeitungsstelle 6.1 innerhalb eines ersten Scanfelds 31.1 der Scanneroptik 30.1. Dies erfolgt mithilfe des Messstrahls 4 der ersten Messeinrichtung 20.1, welche der ersten Scanneroptik 30.1 zugeordnet ist. Dadurch können die Positionen der Hairpins 2 auf dem Stator 1 innerhalb der ersten Bearbeitungsstelle 6.1 bzw. dieses Bearbeitungsbereichs erfasst werden. Dabei umfasst jeweils eine der in 3a bis 3d gezeigten Bearbeitungsstellen 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 beispielhaft mehrere Hairpins 2, insbesondere Reihen 3 von Hairpins 2, die von einem Messstrahl 4 jeweils gemessen werden können, um deren Positionen und mögliche Positionsabweichungen von vordefinierten Positionen zu erfassen.
Die erfassten Positionen können von der ersten Messeinrichtung 30.1 an die Steuereinheit 50 übermittelt werden, welche diese wiederum verarbeiten kann, um entsprechend die Laserstrahleinrichtung 10 und/oder die Scanneroptiken 30.1, 30.2 für den folgenden und in 3b gezeigten Bearbeitungsvorgang zum Laserstrahlschweißen zu steuern, sodass ein optimales Schweißen und ein optimales Schweißergebnis gewährleistet werden können. Wie 3b diesbezüglich zeigt, wird nun an der ersten Bearbeitungsstelle 6.1 der mit W (für engl. „Welding“ für Schweißen) gekennzeichnete Schweißvorgang mittels des Bearbeitungsstrahls 5 durchgeführt. Parallel bzw. zeitgleich wird an einer zweiten Bearbeitungsstelle 6.2 eine Messung mittels des Messstrahls 4 durchgeführt. Die zweite Bearbeitungsstelle 6.2 befindet sich nun jedoch in dem zweiten Scanfeld 31.2 der zweiten Scanneroptik 30.2. Folglich wird für das Messen der zweiten Bearbeitungsstelle 6.2 die der zweiten Scanneroptik 30.2 zugeordnete zweite Messeinrichtung 20.2 eingesetzt.
3c zeigt nun die Abfolge einer weiteren Wiederholung eines parallelen Messschritts M und Bearbeitungsschritts W. Dabei wird einerseits an der unmittelbar zuvor gemessenen zweiten Bearbeitungsstelle 6.2 in dem zweiten Scanfeld 31.2 der Bearbeitungsschritt W durchgeführt und andererseits und parallel dazu ein weiterer Messschritt M an einer dritten Bearbeitungsstelle 6.3 durchgeführt. Die dritte Bearbeitungsstelle 6.3 befindet sich benachbart zur ersten Bearbeitungsstelle 6.1 innerhalb des ersten Scanfelds 31.1. Für den Messschritt M der 3c ist wieder die erste Messeinrichtung 20.1 im Einsatz. Und für den Bearbeitungsschritt W wurde der Abgang bzw. das Lichtleitkabel 12.1, 12.2 von der Laserstrahlquelle 11 gewechselt, sodass der Bearbeitungsstrahl 5 in der 3c mittels des Lichtleitkabels 12.2 in die zweite Scanneroptik 30.2 mit dem zweiten Scanfeld 31.2 eingekoppelt wird, statt wie noch zuvor in der 3b in die erste Scanneroptik 30.1 mittels des Lichtleitkabels 12.1.
Dieses parallele Vorgehen aus Messen M mittels Messstrahl 4 und Bearbeiten W mittels Bearbeitungsstrahl 5 wird nun weiter fortgeführt, wie 3d zeigt, bis sämtliche Bearbeitungsstellen 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, wovon vorliegend beispielhaft nur vier gezeigt sind, innerhalb der Scanfelder 31.1, 31.2 abgearbeitet worden sind. Anschließend kann beispielsweise der Stator 1 rotiert werden, insbesondere um 90°, um die Scanfelder 31.1, 31.2 auf einen noch nicht bearbeiteten Bereich des Stators 1 bzw. noch nicht bearbeitete Bearbeitungsstellen 6 für die weitere Durchführung des Laserstrahlschweißens auszurichten.
Durch das erfindungsgemäß parallel erfolgende Messen und Laserstrahlschweißen lässt sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten sequenziellen Verfahren ein erheblicher Taktzeitvorteil bei dem Fügen von den Komponenten 2 an dem Bauteil 1 erzielen. Durch den Einsatz von Scanneroptiken 30.1, 30.2 und einer Laserstrahlquelle 11 mit hoher Brillanz, beispielsweise eines Infrarotlasers mit P ≥ 5, lässt sich dieser Taktzeitvorteil weiter ausbauen.
Die notwendige Gesamtzeit zur Bearbeitung bzw. zum Fügen der Hairpins 2 an den Stator 1 lässt sich dabei als Summe der notwendigen Zeiten für den ersten Messschritt, für das Wechseln des Lichtwegs der Laserstrahleinrichtung 10 zu einer der beiden Scanneroptiken 30.1, 30.2, für die Laserstrahlschweißungen mittels des Bearbeitungsstrahls 5 und für die Rotation des Stators 1 ermitteln. Dadurch, dass das Messen mittels des Messstrahls 4 jeweils während des Laserstrahlschweißens erfolgt, muss diese Zeit nicht zusätzlich eingerechnet werden. Dabei wird das Messen typischerweise weniger Zeit in Anspruch nehmen, als die einzelnen Schweißvorgänge. So kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass ein Messvorgang ca. 120 ms dauert, das Wechseln des Lichtwegs bzw. Lichtleitkabels 12.1, 12.2 der Laserstrahleinrichtung 10 ca. 80 ms dauert und der Schweiß- bzw. Bearbeitungsvorgang 200 ms dauert. Für den in 1 gezeigten, beispielhaft mit 288 Hairpins 2 bestückten Stator 1 ergibt sich damit eine kurze Bearbeitungsdauer von ungefähr 63 Sekunden, um alle Hairpins 2 positionskorrekt an den Stator 1 anzuschweißen.
Die 4a, 4b und 5a bis 5d zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 100 sowie ein entsprechend alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Aufbau der Laserschweißvorrichtung 100 der 4a entspricht dabei mit Ausnahme der Brennweite f₂ der Laserschweißvorrichtung 100 aus 2a. Die Brennweite f₂ ist dabei größer als die Brennweite f₁ der 2a, beispielsweise kann die Brennweite f₂ f450 sein.
Daraus ergibt sich, dass die Scanfelder 31.1, 31.2 der beiden Scanneroptiken 30.1, 30.2 größer sind und sich teilweise miteinander überschneiden, wie 4b zeigt. Folglich ist eine Bearbeitung des gesamten Stators 1 möglich, ohne diesen während des Verfahrens rotieren zu müssen.
Ein den 3a bis 3d in seiner Darstellung entsprechender Verfahrensablauf ist für ein zu den 4a und 4b korrespondierendes Verfahren in den 5a bis 5d gezeigt. Die Bearbeitungszeit des Verfahrens der 5a bis 5d reduziert sich um die beim Verfahren der 3a bis 3d notwendige Zeit zum Rotieren des Stators 1, die beispielsweise 2 Sekunden betragen kann.

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) eines Bauteils (1) mittels einer Laserschweißvorrichtung (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Messen einer Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) der mehreren Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Messstrahls (4) und/oder mittels einer Sensorik, und (b) Laserstrahlschweißen einer zuvor gemessenen Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) der mehreren Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Bearbeitungsstrahls (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (a) und (b) parallel ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) für weitere Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) des Bauteils (1) wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schritte (a) und (b) an jeweils benachbarten Bearbeitungsstellen (6.1. 6.2, 6.3, 6.4) von den unmittelbar zuvor gemessenen und bearbeiteten Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Laserschweißvorrichtung (100) zwei Optiken (30.1, 30.2) aufweist und die parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) jeweils auf unterschiedlichen Bearbeitungsfeldern (31.1, 31.2) der beiden Optiken (30.1, 30.2) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die beiden Optiken (30.1, 30.2) als Scanneroptiken (30.1, 30.2) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Bearbeitungsfelder (31.1, 31.2) bei der Wiederholung der parallel ausgeführten Schritte (a) und (b) zwischen der parallelen Ausführung der Schritte (a) und (b) darauf jeweils gewechselt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Laserstrahleinrichtung (10) mit einer einzigen Laserstrahlquelle (11) verwendet wird, die bei Wiederholung der Schritte (a) und (b) zwischen den beiden Bearbeitungsfeldern (31.1, 31.2) geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die beiden Bearbeitungsfelder (31.1, 31.2) sich nicht oder höchstens in einer Fläche von 50% von einem der beiden Bearbeitungsfelder (31.1, 31.2) überschneiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zwischen den beiden Bearbeitungsfeldern (31.1, 31.2) eine Trenneinrichtung (40) der Laserschweißvorrichtung (100) zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung von dem Messstrahl (4) und/oder der Sensorik und dem Bearbeitungsstrahl (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Messstrahl (4) und/oder die Sensorik und der Bearbeitungsstrahl (5) durch jede der beiden Optiken (30.1, 30.2) im Wesentlichen koaxial zueinander eingerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Bauteil (1) und/oder die Laserschweißvorrichtung (100) nach einer vorgegebenen Wiederholungsanzahl der Schritte (a) und (b) bewegt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (1) ein Stator (1) ist und die Komponenten (2) Leiterelemente (2) für den Stator (1) sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei als Messstrahl (4) ein OCT-Messstrahl (4) eines OCT-Sensorsystems (20.1, 20.2) verwendet wird.
Laserschweißvorrichtung (100) zum Laserstrahlschweißen von mehreren Komponenten (2) an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) eines Bauteils (1), wobei die Laserschweißvorrichtung (100) mit einer Laserstrahleinrichtung (10), zumindest einer Messeinrichtung (20.1, 20.2), zumindest einer Optik (30.1, 30.2) und einer Steuereinheit (50) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) dazu eingerichtet ist, parallel (a) eine Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) der mehreren Bearbeitungsstellen (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Messstrahls (4) und/oder einer Sensorik der zumindest einen Messeinrichtung (20.1, 20.2) zu messen und (b) eine zuvor gemessene Bearbeitungsstelle (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) mittels eines Bearbeitungsstrahls (5) laserstrahlzuschweißen.
Laserschweißvorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Laserstrahleinrichtung (10) einen Infrarotlaser als Laserstrahlquelle (11) aufweist, welcher insbesondere für eine Brillanz ≥ 5 und/oder ein Strahlparameterproukt ≤ 4 mm*mrad des Bearbeitungsstrahls (5) ausgebildet ist.