-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von einander überlappenden
Teilen mittels Laserstrahlen.
-
Solche
Verfahren sind bekannt, sie weisen jedoch – obwohl sie in vielen Anwendungen
ihre Aufgabe gut erfüllen – eine Vielzahl
von Mängeln
auf. Ein Problem besteht darin, dass, wenn solche Verfahren verwendet
werden, Teile aufgrund von verdampftem Material, welches sich während des
Schweißprozesses
wieder auf den Teilen absetzt, verunreinigt werden. Ein weiteres
Problem besteht darin, dass solche Verfahren genaue Toleranzen für den Spalt
zwischen den Teilen während
des Schweißprozesses
erforderlich machen.
-
Die
JP-A-53/094240, welche als der nächstliegende
Stand der Technik angesehen wird, beschreibt ein Verfahren zum Verschweißen von
einander überlappenden
Teilen mittels eines Laserstrahls, wobei in einem ersten Schritt
durch das Schmelzen des oberen Teils mit einem Laserstrahl ein Vorsprung erzeugt
wird. Anschließend,
wenn der Vorsprung in der Nähe
des unteren Teils ist oder dasselbe berührt, wird der Laserstrahl an
die Stelle des erzeugten Vorsprungs aufgebracht.
-
In
dem aus der
EP 687 519 bekannten
Verfahren werden zu verschweißende
Teile in der Nähe des
Laserstrahls zusammengepresst, um sicherzustellen, dass der maximale
Spalt zwischen den Teilen nicht überschritten
wird. Dieses Verfahren schränkt die
Handhabung der Teile vor und während
des Schweißprozesses
und die Teile selbst erheblich ein. Des weiteren löst es nicht
das Problem der Verunreinigung.
-
Verunreinigungen
des Produkts und/oder schlechte Schweißstellen aufgrund von unkorrekten Abständen zwischen
Teilen können
dazu führen, dass
das Produkt verworfen wird, wodurch die Effizienz des Verfahrens
verringert wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laserschweißen zu schaffen,
welches eine verbesserte Effizienz aufweist.
-
Um
dies zu erreichen, wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
-
Ein
solches Verfahren ist effizienter, weil eine geringere Anzahl von
Produkten aufgrund von Verunreinigungen und/oder schlechten Schweißstellen
verworfen wird.
-
Verunreinigungen
entstehen hauptsächlich aufgrund
von Material, welches während
des Schweißprozesses
verdampft und sich wieder auf dem Produkt absetzt. In dem ersten
Schritt des Verfahrens kommt es zu fast keiner Verunreinigung, weil dieser
im Wesentlichen mit dem Schmelzen des Materials ohne oder mit einer
sehr geringen Verdampfung vonstatten geht. In dem weiteren Schritt
des Verfahrens wird eine höhere
Laserintensität
verwendet, um etwas Material zu verdampfen, wodurch ein Dampfrückstoßdruck erzeugt
wird, welcher die während
des ersten Schritts erzeugte Schmelze in Richtung des weiteren Teils
schiebt. Aufgrund des geschmolzenen Zustands der Schmelze wird die
zum Schieben dieser Schmelze benötigte
Energie verringert und aus diesem Grund wird auch die Menge des verdampften
Materials verringert. Folglich werden in dem weiteren Schritt Verunreinigungen
verringert.
-
Schlechte
Schweißstellen
treten auf, wenn der Spalt zwischen den Teilen zu groß ist, um
durch die Schmelze überbrückt zu werden.
In dem weiteren Schritt des Verfahrens wird die Schmelze eines Teils in
Richtung eines weiteren Teils geschoben, wodurch es ermöglicht wird,
große
Spalte zwischen diesen Teilen zu überbrücken. Das Verfahren vergrößert somit
den zu tolerierenden Spalt zwischen den zu verschweißenden Teilen
und verringert demzufolge das Risiko von schlechten Schweißstellen.
-
Das
Verfahren wird vorzugsweise beim Punktschweißen von Teilen angewendet.
Innerhalb der Konzeption der Erfindung entspricht der Spalt zwischen
den zu verschweißenden
Teilen (gp) dem Abstand zwischen einander
zugewandten Seiten der Teile, gemessen entlang der Achse des Laserstrahls. Das
Maximum, das durch die Schweißstellen überbrückt werden
kann, hängt
von der Dicke (ep) des Teils ab, in dem
die Schmelze zuerst erzeugt wird, wobei die Dicke der Abstand ist,
der entlang der Laserstrahlachse zwischen einander gegenüberliegenden
Seiten des Teils gemessen wird.
-
Wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet wird, werden saubere und ordnungsgemäße Punktschweißstellen
erreicht, sogar wenn gp ≥ 0,4 ep, ein schwierig zu erreichendes
Ergebnis – falls
es überhaupt
erreichbar ist – mit
aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren.
-
In
speziellen Ausführungsformen
werden saubere und ordnungsgemäße Punktverschweißstellen
sogar erreicht, wenn gp ≥ 1,0 ep,
was einen Gewinn bezüglich
des zu tolerierenden Spalts um einen Faktor von zweieinhalb, verglichen
mit aus dem Stand der Technik bekannten Laserschweißverfahren
darstellt, wobei dennoch die Verunreinigungen z.B. um einen Faktor
zwei verringert werden.
-
Nach
dem weiteren Schritt des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, mit
einem nachfolgenden Schritt fortzufahren, welcher ein Nachglühen der Schweißstelle
mit einer anderen Laserintensität
aufweist, um das Schmelzvolumen zu vergrößern, und zwar wiederum ohne
oder mit einer sehr geringen Verdampfung von Material.
-
Des
weiteren sind verschiedene Positionen des Laserstrahls bezüglich der
zu verschweißenden Teile
möglich.
In bevorzugten Ausführungsformen kommt
der Laserstrahl von oberhalb des Teils, in dem die Schmelze erzeugt
wird. In anderen Ausführungsformen
kann der Laserstrahl auch von unterhalb oder von der Seite des Teils
kommen, in dem die Schmelze erzeugt wird.
-
Der
Laserstrahl trifft vorzugsweise in einem im wesentlichen rechten
Winkel auf dem Teil, in dem die Schmelze hergestellt wird, auf,
der Laserstrahl kann jedoch in Ausführungsformen, in welchen die
zu verschweißenden
Teile schwer zu erreichen sind, unter einem Winkel auftreffen.
-
In
speziellen Ausführungsformen
kann mehr als ein Laserstrahl verwendet werden. In einem bevorzugten
Fall werden zwei Laserstrahlen verwendet, und zwar ein erster, der
von oberhalb eines ersten Teils kommt, ein zweiter, der von unterhalb
eines weiteren Teils kommt, wodurch es ermöglicht wird, noch größere Spalte
bis zu der Summe der Dicken der Teile zwischen den Teilen zu überbrücken als
mit einem einzelnen Laserstrahl.
-
Das
Verfahren wird vorzugsweise beim Laserschweißen von metallischen Teilen
angewendet.
-
Das
zweite Teil kann durch eine metallische Schicht auf einem Trägermaterial
gebildet sein oder eine solche aufweisen. Das Trägermaterial kann ein keramisches
Trägermaterial
oder ein flexibles Trägermaterial
(wie zum Beispiel eine Kunststofffolie) oder, zum Beispiel, eine
gedruckte Leiterplatte sein.
-
Das
Verfahren ist von besonderem Nutzen bei Ausführungsformen, in welchen das
zweite Teil anfällig
gegenüber
Hitzeeinwirkungen oder Verunreinigungen ist. Dies kann der Fall
sein, wenn ein Metallteil mit einer elektronischen Einrichtung verbunden
werden muss oder in der Nähe
einer solchen ist (zum Beispiel einer gedruckte Leiterplatte). Bei
Ausführungsformen,
bei denen ein auf dem ersten Teil auftreffender Laserstrahl verwendet
wird, durchdringt der Laserstrahl nicht das erste Teil oder es ist
zumindest die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, sehr gering,
so dass eine direkte Laserwärmeeinstrahlung
in das zweite Teil gering ist. Des weiteren werden Verunreinigungen
reduziert.
-
Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht
es auch, dass Materialien verschweißt werden können, welche anderenfalls nicht
oder nur mit großen
Schwierigkeiten verschweißt
werden können. Ein
solches Beispiel ist eine Verschweißung von rostfreiem Stahl (als
ein erstes Teil) auf Aluminium (als ein zweites Teil oder die obere
Schicht des zweiten Teils). Es wurde festgestellt, dass eine solche
Verschweißung
in einfacher Weise und ohne größere Verunreinigungen
mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung
hergestellt werden kann, wohingegen bei konventionellen Laserschweißverfahren
dies schwierig, wenn nicht sogar fast unmöglich ist, zumindest nicht
ohne übermäßige Laserleistungen
und die sich ergebende beträchtliche
Verunreinigung.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHHNUNGEN
-
Diese
und weitere Aspekte der Erfindung werden detaillierter beschrieben
mittels eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
-
1 ein
Schaubild ist, welches die Leistung des Laserstrahls als eine Funk
tion der Zeit gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Mittels zur Durchführung von
Laserpunktverschweißungen
von Platten gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist;
-
3a und 3b schematische
Darstellungen jeweils des ersten und des weiteren Schritts des Verfahrens
gemäß der Erfindung
sind;
-
3c eine
schematische Darstellung eines optionalen, nachfolgenden Schritts
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist; und
-
4 ein
Bild eines Querschnitts einer Punktschweißstelle ist, welche gemäß der Erfindung zwischen
zwei rostfreien Stahlplatten durchgeführt wurde, die jeweils 250 μm dick sind,
mit einem Spalt von 250 μm
zwischen den Platten.
-
5 zeigt
in einem Querschnitt eine Konstruktion, welche unter Verwendung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
gemacht wurde.
-
Die
Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
Im Allgemeinen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nachfolgend
wird ein Laserschweißverfahren
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfndung beschrieben. Das Verfahren wird vorzugsweise
beim Punktschweißen
von Metallplatten angewendet. Ein Beispiel eines Aufbaus, welcher
es erlaubt, ein solches Schweißen
durchzuführen,
ist in 1 schematisch dargestellt. Der Aufbau umfasst
eine Lasereinrichtung 10, welche einen Laserstrahl 11 aussendet,
welcher auf die obere Platte 12 der zu verschweißenden Platten 12, 13 gerichtet und
fokussiert ist, wobei eine Lasersteuereinrichtung 14 die
Leistung Plaser der Lasereinrichtung 10 steuert, eine Abtasteinrichtung,
die mit einer Messeinrichtung 15 zum Messen der Position
der zu verschweißenden
Platten in der X- und Y-Richtung verbunden ist, und eine Rückkopplungsschaltung 16 von
der Messeinrichtung zu der Lasersteuereinrichtung 14, um
die Leistung der Lasereinrichtung in geeigneter Weise zu steuern.
Die kleine Figur oberhalb der Linie, die die Lasersteuereinrichtung 14 mit
dem Laser 10 verbindet, deutet schematisch die Laserleistung
Plaser als eine Funktion der Zeit t an. Dies wird in den 2 und 3a bis 3c weiter
dargestellt.
-
2 zeigt
die Laserintensität
Plaser als eine Funktion der Zeit t für das Schweißen eines Punkts.
-
Der
erste Zeitabschnitt (T1) entspricht dem ersten Schritt des Verfahrens,
in welchem eine Schmelze in dem ersten Teil 12 hergestellt
wird. Während
dieses Zeitab schnitts wird der Laser mit einer ersten Laserintensität betrieben,
die ausreichend ist, um die Schmelze zu erzeugen.
-
Der
zweite Zeitabschnitt (T2) entspricht einem weiteren Schritt des
Verfahrens. Der Laser wird mit einer zweiten, höheren Intensität betrieben.
Material wird verdampft, wodurch ein Dampfrückstossdruck erzeugt wird,
welcher die während
des ersten Schritts erzeugte Schmelze in Richtung des weiteren Teils
schiebt. Aufgrund des geschmolzenen Zustands der Schmelze wird die
Energiemenge, die erforderlich ist, um die Schmelze zu schieben,
reduziert und aus diesem Grund wird die Menge des verdampften Materials
reduziert.
-
In
einigen Fällen
ist es vorteilhaft, mit einem nachfolgenden Schritt fortzufahren,
der einem dritten Zeitabschnitt (T3) entspricht. Während dieses
Zeitabschnitts wird die Schmelze vergrößert. Ein solcher Schritt erhöht die Ausdehnung
und damit die Festigkeit der Schweißstelle.
-
Die
in 2 grob angedeuteten Zeitabschnitte sind auf einer
beispielhaften, nicht einschränkenden
Basis angegeben, obwohl sie praktischen Werten innerhalb einer Größenordnung
entsprechen, die von den Eigenschaften der zu schweißenden Materialien
und von dem Laser abhängen.
-
2 stellt
eine Ausführungsform
der Erfindung dar, in welcher ein einzelner Laserpuls mit hoher
Intensität
in dem Zeitabschnitt (T2) durchgeführt wird. In einigen Ausführungsformen
kann ein doppelter (oder allgemeiner ein mehrfacher) Laserpuls durchgeführt werden.
Ein erster Laserpuls mit hoher Intensität bewegt die Schmelze und bringt
sie in Schwingungen. Der zweite Laserpuls mit hoher Intensität wird dann
zeitlich so gewählt,
dass er mit einer Bewegung der Schmelze in Richtung des zweiten Teils übereinstimmt.
Auf diese Art und Weise wird weniger Energie für die Schmelze benötigt und
es ergeben sich geringere Verunreinigungen.
-
3a stellt
den ersten Schritt des Verfahrens dar. Eine Schmelze 31 wird
in dem Teil 12 erzeugt.
-
3b stellt
den weiteren Schritt des Verfahrens dar. Die Schmelze 31 wird
in Richtung des Teils 12 geschoben.
-
3c stellt
den optionalen, nachfolgenden Schritt des Verfahrens dar. Die Ausdehnung
der Schmelze wird erhöht
(Teil 31a der Schmelze 31). In diesem Beispiel
ist die Intensität
des dritten Laserstrahls im wesentlichen gleich der Intensität des ersten
Laserstrahls, was aus einem Gesichtspunkt der Steuerung betrachtet
eine bevorzugte, einfache Ausführungsform
ist. In einigen Ausführungsformen
kann jedoch die Intensität
des dritten Laserstrahls von der Intensität des ersten Laserstrahls abweichen.
-
Eine
gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellte Punktschweißstelle
kann in 4 betrachtet werden. Sie stellt
einen Querschnitt einer Punktschweißstelle dar, welche zwischen
zwei rostfreien Stahlplatten 12 und 13 durchgeführt wurde,
die jede 250 μm
dick und mit einem Spalt von 250 μm
aufeinander angeordnet sind.
-
Der
Spalt wird überbrückt und
eine feste Schweißstelle
wird hergestellt.
-
In
diesem Beispiel traf der Laserstrahl auf dem Teil 12 auf.
Es können
sogar größere Spalte überbrückt werden,
wenn zwei Laserstrahlen verwendet werden, und zwar einer, der auf
dem Teil 12 auftrifft, und einer, der auf dem Teil 13 auftrifft.
-
5 zeigt
schematisch eine Konstruktion, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung
hergestellt werden kann. Zwischen zwei Platten 12 und 13, zwischen
welchen eine Schweißstelle 31 hergestellt wird,
ist eine Zwischenplatte 51 angeordnet, welche eine Öffnung 52 aufweist,
durch welche sich die Schweißstelle 31 erstreckt.
Die Öffnung 52 ist
größer als
die Schweißstelle 31,
so dass die Platte 51 eine (wenn auch begrenzte) Bewegungsfreiheit
in dem durch die Teile 12 und 13 gebildeten Spalt
hat. Auf diese Art und Weise können
flexible Konstruktionen hergestellt werden. Solche Konstruktionen
können für sich bewegende
Teile verwendet werden.
-
Das
Verfahren kann auf eine Vielzahl von Arten angewendet werden.
-
In
den Beispielen wird ein einzelner Laserstrahl verwendet. Obwohl
dies eine was die Einfachheit des Aufbaus anbelangt bevorzugte Ausführungsform
ist, können
in Ausführungsformen
der Erfindung zwei Laserstrahlen verwendet werden, und zwar einer
zum Bilden der Schmelze und der andere zum Schieben der Schmelze
in Richtung des zweiten Teils. Ohne der Anwendbarkeit solcher Ausführungsformen
mit zwei Lasern des Verfahrens gemäß der Erfindung Einschränkungen
aufzuerlegen, ist hierin eine Vielzahl von möglichen vorteilhaften Verwendungen
beschrieben.
-
Laserverschweißungen entlang
einer Linie könnten
hergestellt werden, wobei der erste Laser (kontinuierlich betrieben)
geringfügig
dem zweiten Laser "voraus" fokussiert sein
kann, welcher auf eine gepulste Art und Weise betrieben wird.
-
Die
Wellenlänge
des von dem ersten Laser ausgesandten Lichts kann so eingestellt
werden, dass das Material aufgeheizt wird, wohingegen die Wellenlänge des
Laser lichts, welches von dem zweiten Laser emittiert wird, so eingestellt
werden kann, dass es das Material verdampft.
-
Es
sollte festgehalten werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
die Erfindung darstellen und nicht beschränken und dass ein Fachmann
in der Lage ist, viele alternative Ausführungsformen zu konstruieren,
ohne von dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. In den Ansprüchen sollen
in Klammern angeordnete Bezugszeichen nicht ausgelegt werden, um
den Anspruch zu beschränken.
Die Verwendung des Verbs "aufweisen" und seiner Konjugationen
schließt
nicht das Vorhandensein von anderen als in einem Anspruch genannten
Elementen oder Schritten aus.