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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines
Schweißprozesses
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Punktschweißprozesse
mit gepulster Laserstrahlung bei Überlappverbindung sind derzeit
noch nicht vollständig
beherrschbar und weisen insbesondere bei hoch reflektiven Werkstoffen
wie Kupfer, Gold, Aluminium oder anderen Metallen große Prozessstreuung
auf. Die Einschweißtiefe
sowie dadurch verbunden der Anbindungsquerschnitt in der Fügeebene
der Fügepartner
ist dadurch ebenfalls einer gewissen Schwankung unterworfen. Diese Schwankungen
im Schweißprozess
und damit verbunden in den Schweißergebnissen führen zu
erhöhtem
Ausschuss.
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In
der
DE 39 41 558 A1 wird
ein gattungsgemäßes Laserpunktschweißverfahren
offenbart, bei dem die eingebrachte Schweißleistung kontrolliert wird,
indem der Eingangs-Konuswinkel
des Laserstrahls, der durch einen Koppler in eine Lichtleitfaser injiziert
wird, und die Leistung des in die Lichtleitfaser injizierten Laserstrahls
kontrolliert werden. Hilfsweise kann die Temperatur der Oberfläche bestimmt
werden, um die Kontrolle der Leistungsmenge zu erleichtern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den geometrischen oder
materiellen Beschaffenheiten der Fügepartner angepasste, optimierte Prozessführung einer
jeden Schweißung
und eine Anpassung der Laserschweißparameter während des
Schweißprozesses
zu realisieren.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Laserschweißen mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Vorteil der Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Durchführung
eines Schweißprozesses
unter Verwendung eines Laserstrahls zum Verbinden zumindest zweier
Fügepartner
ist vorgesehen, dass die Temperatur zumindest eines der Fügepartner
während
des Schweißprozesses
bestimmt wird, wobei auf der Grundlage der so bestimmten Temperatur wenigstens
ein Schweißparameter
des verwendeten Laserstrahls während
des Schweißprozesses
gesteuert oder geregelt wird. Mit diesem Verfahren wird erstmals
ermöglicht,
einen geregelten Laserschweißprozess
für gepulste
Laserstrahlung durchzuführen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die bestimmte Temperatur
mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen wird, so dass wenigstens
ein Schweißparameter
des Laserstrahls auf der Grundlage dieses Vergleiches abgeleitet
bzw. angepasst werden kann. Durch diesen Vergleich ist es möglich, das
Laserschweißverfahren
an geforderte Vorgaben anzupassen.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl
auf Grundlage dieses Schweißparameters
während
des Schweißprozesses
den Schweißbedingungen
bzw. einer gewünschten
Prozessführung
angepasst. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung kann die augenblickliche
Wirkung des Laserstrahls auf die Fügepartner unter Berücksichtigung
herrschender Schweißbedingungen überwacht
und/oder gesteuert werden.
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Dieses
Verfahren eignet sich erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter
Weise für
Schweißprozesse,
die als Punktschweißprozesse
mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführt werden, da bei einem derartigen
schrittweisen bzw. diskreten Durchführen einzelner Punktschweißprozesse
nacheinander eine Temperaturmessung und Ermittlung neuer Laserschweißparameter
in besonders einfacher Weise durchführbar ist.
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Insbesondere
kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass der wenigstens eine Schweißparameter des Laserstrahls
die Leistung und/oder die Pulsdauer umfasst. Durch die Beeinflussung
zumindest eines dieser Schweißparameter
kann das Ergebnis eines Schweißprozesses,
d. h. die Verbindung zwischen Fügepartnern,
in seiner Qualität
gezielt verbessert werden.
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Im
Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Schweißparameter
des Laserstrahles über
eine Im-Puls-Regelung
oder eine On-Line-Puls-Regelung geregelt wird. Durch diese Regelungsmechanismen
ist eine ausreichend schnelle Regelung der Laserschweißparameter
in unaufwendiger Weise möglich.
Noch während
eines Laserpulses kann dieser durch Im-Puls-Anpassung oder On-Line-Anpassung
an die im Augenblick des Schweißprozesses
vorliegenden Schweißbe dingungen
angepasst werden. Somit ist ein Schweißprozess jederzeit beherrschbar.
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Durch
die sich erfindungsgemäß ergebende Möglichkeit
einer aktiven Laserpulsformung (Einflussnahme auf die Laser-Schweißparameter
wie beispielsweise Leistung und/oder Pulsdauer) während des
Pulses können
Schwankungen im Schweißprozess
ausgeglichen werden. Dies ermöglicht
es, eine Schweißung
mit einem reproduzierbaren Ergebnis durchzuführen. Die Prozessstreuung kann
dadurch erheblich minimiert werden.
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Durch
Durchführung
dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
lässt sich
in vorteilhafter Weise die Streuung der Einschweißtiefe bzw.
des Anbindequerschnittes minimieren bzw. in gewünschter Weise einstellen.
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Zur
Durchführung
des Schweißprozesses
ist ferner eine Vorrichtung, unter Verwendung eines mit einem Lasergerät erzeugten
Laserstrahls, zum Verbinden zumindest zweier Fügepartner vorgesehen, wobei
die Vorrichtung wenigstens eine Temperaturbestimmungseinrichtung
zur Bestimmung der Temperatur zumindest eines der Fügepartner
insbesondere während
des Schweißprozesses,
sowie wenigstens eine Steuerungs- bzw.
Regelungseinrichtung zur Regelung des wenigstens einen Schweißparameters
des verwendeten Laserstrahls, insbesondere während des Schweißprozesses,
auf der Grundlage der so bestimmten Temperatur aufweist.
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Als
Temperaturbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur kann
insbesondere ein optischer oder ein taktiler Temperatursensor vorgesehen
sein. Ein derartiger Temperatursensor beobachtet bzw. erfasst die
Temperatur zumindest eines der Fügepartner
während
des Schweißprozesses.
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Durch
die Wahl derartiger Temperatursensoren wird ein schnelles und effizientes
Temperaturmesssystem bereitgestellt.
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Trifft
der Laserstrahl auf eine Fügepartneroberseite,
so kann die Bestimmung der Temperatur in besonders einfacher Weise
dadurch erfolgen, dass der Temperatursensor eine Fügepartnerunterseite beobachtet
und die Temperatur an der Fügepartnerunterseite
erfasst.
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Vorteilhafterweise
weist der Temperatursensor ein in Bezug auf den Fügepartner
kleines Beobachtungsfeld auf.
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Bei
schmalen Fügepartnern,
wie sie bei elektronischen oder mechatronischen Anwendungen häufig zum
Einsatz kommen, ist durch diese Ausgestaltung die Bestimmung der
Temperatur in besonders vorteilhafter Weise begünstigt. Bei derartig dimensionierten
Fügepartnern
besteht, bei Verwendung herkömmlicher
Temperatursensoren, die Gefahr, dass versehentlich Strahlung ungeeigneter
Bereiche eines Fügepartners,
insbesondere von der Fügepartneroberseite
detektiert wird. Weist der Temperatursensor, wie erfindungsgemäß vorgesehen,
ein in Bezug auf den Fügepartner
kleines Beobachtungsfeld auf, kann dies vermieden werden. Somit
wird eine mögliche
fehlerhafte Temperaturmessung ausgeschlossen.
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Mit
einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung ist die bestimmte Temperatur
beispielsweise mit einer Solltemperatur vergleichbar. Auf Grundlage dieses
Vergleiches ist wiederum ein Parameter für den Schweißprozess
ableitbar bzw. anpassbar. Durch diese Einrichtung, welche insbesondere
mit einem schnellen Auswertealgorithmus ausgestattet sein kann,
wird eine aktive Beeinflussung der Laserparameter und somit des
Schweißprozesses
ermöglicht.
Damit ergibt sich die Möglich keit,
eine beliebige Anzahl von Schweißprozessen nach einem identischen
Schema durchzuführen,
womit sich auf einfache Weise ansonsten vorhandene qualitative Schwankungen
einzelner Schweißpunkte
vermeiden lassen.
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Es
ist vorgesehen, dass der somit durch die Regelungseinrichtung ermittelte
Parameter vorzugsweise durch die Regelungseinrichtung an eine analoge
Ein-/Ausgabe-Schnittstelle des Lasergerätes leitbar ist. Mit dieser
Einrichtung ist der Laserstrahl durch das Lasergerät auf der
Grundlage dieses Parameters während
eines Pulses On-Line anpassbar. Dies hat zum Vorteil, dass der Verfahrensablauf
direkt und schnell durchgeführt
wird.
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Durch
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer hierfür
vorgesehenen Vorrichtung kann das Erreichen einer vorbestimmten Einschweißtiefe für jede durchgeführte Schweißung sichergestellt
werden. Störende
Oberflächeneinflüsse (z.
B. schwankende Absorption der Werkstoffe bei Chargenwechsel) können damit
abgefangen werden und mindern die Schweißqualität nicht.
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Desweiteren
eröffnet
sich durch die Erfindung die Möglichkeit
einer Pulsformung während
des aktiven Pulses. Dies erlaubt es zudem, insbesondere bei thermisch
sensiblen Fügepartnern,
nur die tatsächlich
zur Herstellung der Verbindung notwendige Wärmemenge ins Bauteil einzubringen.
Dies hat zur Folge, dass die Prozesssicherheit dadurch bei gleichzeitiger
Minimierung der thermischen Belastung des Bauteils erhöht werden
kann.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
bietet sich insbesondere bei allen Punktschweißverbindungen an, bei denen
die Fügepartner beidseitig
zugänglich
sind. Insbesonde re können
dadurch sensible Bauteile miteinander verschweißt werden, bei denen die thermische
Belastung der Fügepartner
zu beachten ist, oder bei denen eine Durchschweißung zu vermeiden ist, oder
bei denen die Einschweißtiefe
bzw. der Anbindequerschnitt reproduzierbar hergestellt werden muss.
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Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In
dieser zeigt
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1 in
schematischer seitlicher Ansicht eine bevorzugte Ausführung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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2 ein
Blockschaltbild zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
(hier insgesamt mit 10 bezeichnet) dargestellt. Mittels
der Vorrichtung 10 sollen zwei Fügepartner 2a, 2b durch
Laserschweißung
aneinander fixiert werden. Die Vorrichtung weist einen optischen
Temperatursensor 3 auf.
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Ein
Laserstrahl 1a wird hierbei durch ein Lasergerät 1 erzeugt.
Durch eine Fokussieroptik 1b, welche zur Bündelung
bzw. Scharfeinstellung des Laserstrahls 1a beweglich sowie
fixierbar am Ausgang des Lasergerätes 1 positionierbar
ist, wird der Laserstrahl 1a auf eine Oberseite 2c eines
der Fügepartner 2a fokussiert.
In einem Auftreffpunkt 4a auf der Oberseite 2c trifft
der Laserstrahl den einen Fügepartner 2a,
welcher in 1 unmittelbar oberhalb eines
bzw. auf einem zweiten Fügepartners 2b angeordnet
ist. Gewissermaßen
spiegelsymmetrisch zum Auftreffpunkt 4a befindet sich auf
einer Unterseite 2d des zweiten Fügepartners 2b ein
Mess punkt 4b. Dieser Messpunkt 4b befindet sich
innerhalb eines Beobachtungsfeldes des Temperatursensors 3.
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In
dem Auftreffpunkt 4a wird der Fügepartner 2a durch
den Laserstrahl 1a beaufschlagt, was zur Erwärmung des
Fügepartners 2a führt. Durch
Wärmeleitung
und/oder durch Tiefschweißeffekte
(Aufschmelzen von Teilen des Fügepartners 2b)
wird auch der zweite Fügepartner 2b erwärmt. Die
dabei im Messpunkt 4b erreichte Temperatur wird durch den
Temperatursensor 3 gemessen. Da es sich in dem Beispiel
gemäß 1 um
einen optischen Temperatursensor 3 handelt, erfolgt die
Temperaturmessung durch Erfassung der sich innerhalb des Beobachtungsfeldes 3a entwickelnden
Wärmestrahlung.
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Ferner
weist die Vorrichtung eine Regelungseinrichtung 8 auf der
Grundlage eines Microcontrollers auf, wobei die Funktionsweise dieser
Regelungseinrichtung in 2 erläutert wird.
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Bei
Nutzung eines, in 1 nicht dargestellten, taktilen
Temperatursensors würde
die Messung entsprechend dadurch erfolgen, dass der taktile Temperatursensor
den Messpunkt 4b oder einen Punkt nahe dem Messpunkt 4b berührt.
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Mit
dieser einfach realisierbaren Ausgestaltung der Vorrichtung lässt sich
die Temperaturmessung und somit eine Überwachung des Schweißprozesses
auf zuverlässige
Weise durchführen.
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Ein
Blockdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in seiner Gesamtheit in der 2 dargestellt.
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In 2 ist
der Regelkreis 20 zur Durchführung des Laserschweißverfahrens
in sich geschlossen dargestellt. Ein Lasergerät erzeugt einen gepulsten Laserstrahl
(Schritt 11), welcher auf wenigstens einen der zu schweißenden Fügepartner
trifft. Diese Beaufschlagung löst
einen Schweißprozess
(Schritt 12) aus, wie in 1 gezeigt.
Hierdurch werden die Fügepartner
erwärmt.
Eine sich bei dem Schweißprozess
ergebende Temperatur wird durch einen Temperatursensor gemessen
(Schritt 13). Mittels Signalumformung wandelt der Temperatursensor
die gemessene Temperatur in geeignete, an eine Regelungseinrichtung
leitbare Signale, um (Schritt 14). Diese Signale wiederum
werden durch die Regelungseinrichtung weiterverarbeitet. Dies erfolgt
unter Berücksichtigung
von Vorgabewerten für
die Temperatur (Schritt 15). Die gemessene Temperatur wird mit
einem Sollwert für
die Temperatur durch die Regelungseinrichtung verglichen. Je nach
Anforderung wird somit wenigstens eine geeignete Vorgabe für wenigstens
einen Laserschweißparameter
errechnet bzw. bestimmt (Schritt 16). Diese wenigstens
eine neue Vorgabe für
Laserschweißparameter
wird wiederum zum Lasergerät
weitergeleitet. Zum Empfang der Vorgabe für Laserschweißparameter
ist das Lasergerät
mit einer Ein-/Ausgabeschnittstelle
zur analogen Leistungssteuerung ausgestattet.
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Hierdurch
ergibt sich insgesamt ein geschlossener Regelkreis, so dass das
erfindungsgemäße Verfahren
erneut ablaufen kann. Aufgrund der neuen Vorgabe für Laserschweißparameter
(gemäß Schritt 16)
erzeugt das Lasergerät
On-Line einen angepassten Laserstrahl (Schritt 11). Es
folgen die schon beschriebenen Schritte 12 bis 16.
Dies geschieht solange, bis die Fügequalität erreicht ist und der Puls
abgebrochen bzw. definiert abgerampt wird.
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Durch
Durchführung
dieser Verfahrensschritte ist eine zuverlässige Regelung eines Schweißprozesses
auf einfache Weise realisierbar. Von besonderem Vorteil dabei ist,
dass durch wiederholtes Durchführen
Laserschweißparameter
ständig
neu an herrschende Schweißbedingungen,
insbesondere die Temperatur, anpassbar sind. Somit kann der Schweißprozess
durch ständige Überwachung
stets aktiv On-Line beeinflusst werden.
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Bei
einer konkreten Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich z. B. die Möglichkeit,
dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Laserpuls abgebrochen
wird, so dass eine gewünschte
bzw. vorbestimmte, der Temperatur zugeordnete Einschweißtiefe erreicht
werden kann.
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Desweiteren
wäre denkbar,
dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Laserpuls derart
verändert
wird, dass eine Rissbildung oder andere Materialbeeinträchtigungen
verhindert werden können.
Beispielsweise ist an Abrampen oder ein definiertes Nachheizen der
Schweißstelle
denkbar.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann bei Erreichen einer
bestimmten Temperatur eine prozesssichernde Pulsform abgearbeitet werden.
Innerhalb dieser kann wiederum der Prozess über den Temperatursensor geregelt
werden.
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Mit
dem erfinderischen Verfahren bzw. der erfinderischen Vorrichtung
eröffnen
sich neue Möglichkeiten,
wie beispielsweise das Schweißen
neuer mechatronischer Bauteile, Anwendungen mechatronischer Bauteile
vorzugsweise im Automobilbau, und die Schweißbarkeit ansonsten schwer schweißbarer Werkstoffe.
Hinsichtlich geschweißter
Endprodukte ergeben sich weitere Vorteile, nämlich beispielsweise eine Minimierung
der Ausschussrate, eine Verringerung der Quali tätssicherungskosten sowie eine
Steigerung der Produktivität.