DE60312962T2

DE60312962T2 - Laser Punktschweissverfahren und -vorrichtung zum wirksamen Prüfen der Schweissqualität

Info

Publication number: DE60312962T2
Application number: DE60312962T
Authority: DE
Inventors: Simone Amorosi; Ronald Gianotti; Hans Peter Schwob; Thomas Sidler; Christian Wissing
Original assignee: Lasag AG
Current assignee: Lasag AG
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004337983A; EP1477266B1; CN100475417C; HK1071709A1; JP4537763B2; CN1550282A; ATE358547T1; US8304687B2; DE60312962D1; EP1477266A1; TWI313630B; TW200513334A; US20040226923A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verfahren und der Vorrichtungen zum Punktschweißen, die mit Hilfe eines Laserstrahlenbündels ausgeführt werden. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Punktschweißen dieser Art mit mindestens einem ersten Schritt zur Vorbereitung eines zu schweißenden Materials, gefolgt von einem zweiten Schritt zum Schweißen. Der erste Schritt ist vorgesehen, um den Oberflächenzustand zumindest in einem Schweißbereich des zu schweißenden Materials zu modifizieren, um im Voraus definierte Bedingungen zu erhalten, die für die Ausführung des zweiten Schritts geeignet sind, an dessen Ende ein Schweißpunkt verwirklicht wird.
Dieser erste Schritt ist für das Endergebnis des Schweißens maßgeblich, da die Oberfläche des Materials manchmal plötzliche physikalische Transformationen während des Schweißens erleidet, die unvorhersehbare Konsequenzen für die Qualität der erhaltenen Schweißstelle haben können.
Derartige Verfahren werden häufig heute unter Verwendung von verschiedenen Verfahren hinsichtlich der Vorbereitung der Oberfläche des Schweißbereichs ausgeführt, bevor der Schweißschritt als solcher durchgeführt wird.
Das Patent US 5 681 490 , das den nächsten Stand der Technik darstellt, beschreibt ein Verfahren zum Verfolgen der Qualität eines Schweißvorgangs, der durch ein Laserstrahlenbündel durchgeführt wird. Dazu sieht dieses Dokument vor, die Werte von verschiedenen physikalischen Parametern, die sich mit dem Fortschritt des Schweißens entwickeln, nämlich die von der Oberfläche des zu schweißenden Materials reflektierte Energie, die durch das Material übertragene Energie und eventuell die Parameter des verwendeten Laserstrahlenbündels, zu messen und zu analysieren.
Das in diesem Patent beschriebene Verfahren weist jedoch große technische Begrenzungen auf. Die durch die durchgeführten Analysen erhaltenen Ergebnisse werden nämlich verwendet, um eine Datenbank von "Signaturen" der ausgeführten Schweißvorgänge zu bilden, die außerdem die zugehörigen Schweißparameter enthält, wobei die Signaturen eine Angabe des Qualitätsniveaus der entsprechenden Schweißstellen liefern. Die zum Ausführen dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung zieht die Datenbank bei einem späteren Schweißvorgang zu Rate, um Schweißparameter aufzugreifen, die zu Schweißstellen mit guter Qualität geführt haben, und zu versuchen, das entsprechende Qualitätsniveau zu reproduzieren.
Ein großer Nachteil dieses Verfahrens stammt von der Tatsache, dass der anfängliche Oberflächenzustand eines zu schweißenden Materials variabel und nicht vorhersehbar ist. Somit führen Schweißparameter, die zum Erhalten einer Schweißstelle mit guter Qualität für eine erste Probe eines gegebenen Materials geführt haben, nicht notwendigerweise zu einer Schweißstelle mit guter Qualität für eine zweite Probe dieses gleichen Materials.
Deshalb sieht das Patent US 5 681 490 außerdem die Möglichkeit vor, die Qualität einer Schweißstelle, die gerade hergestellt wurde, zu erfassen, um sie zu berichtigen, wenn sie sich als von schlechter Qualität erweist. Da eine Berichtigung der Schweißstelle selbst nicht immer möglich ist, wie insbesondere im Fall einer übermäßigen Erhitzung, die zur Bildung eines das Material durchquerenden Lochs geführt hat, ist vorgesehen, einen neuen Schweißvorgang in der Nähe der verpfuschten ersten Schweißstelle durchzuführen.
Eine derartige Lösung ist gemäß dem für die Schweißstelle angestrebten visuellen Aussehen nicht immer annehmbar, insbesondere wenn diese letztere an einem sichtbaren Teil des entsprechenden Endprodukts liegt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik durch Vorschlagen eines Schweißverfahrens zu beseitigen, das es ermöglicht, eine bessere Kontrolle der Qualität der erhaltenen Schweißstellen in Bezug auf den Stand der Technik zu haben.
Dazu betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Punktschweißen gemäß dem Anspruch 1.
Vorzugsweise geht der Operation b) von Anspruch 1 eine Kalibrierungsphase voran, in deren Verlauf ein Anfangswert des physikalischen Parameters bestimmt wird, wobei die Operation b) außerdem einen Schritt zur Verarbeitung jedes Werts des gemessenen physikalischen Parameters, insbesondere in Bezug auf diesen Anfangswert, umfasst. Der Verarbeitungsschritt soll eine Größe definieren, deren Entwicklung im Verlauf des ersten Schritts mit der Entwicklung des Werts des physikalischen Parameters verbunden ist. Somit wird die Einstellung der Eigenschaften des Laserstrahlenbündels in der Operation c) in Abhängigkeit von der Entwicklung der Größe durchgeführt.
Durch diese Eigenschaften ermöglicht das erfindungsgemäße Schweißverfahren eine wirksame Verfolgung des Fortschritts des Schweißvorgangs, um die Parameter des Laserstrahlenbündels an das Verhalten jedes Schweißbereichs anzupassen. In dieser Weise kann eine gute Reproduzierbarkeit der Qualität der hergestellten Schweißstellen erhalten werden.
Dieses Verfahren ermöglicht es insbesondere, die Abmessungen der erhaltenen Schweißpunkte zu kontrollieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, den vom zu schweißenden Material reflektierten Energiepegel zu messen und folglich die Leistung des emittierten Laserstrahlenbündels in Echtzeit einzustellen.
Außerdem ist vorgesehen, die Leistung des zum Bestrahlen des zu schweißenden Materials verwendeten Laserstrahlenbündels zu messen, um deren Wert feiner einzustellen und somit das Niveau der Kontrolle des Schweißvorgangs zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut an das Schweißen von Metallstücken, wie beispielsweise aus Kupfer, einem Metall, das feine Schweißbedingungen benötigt, angepasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die es ermöglicht, das vorher beschriebene Verfahren auszuführen, wie in Anspruch 13 definiert. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, die als nicht begrenzende Beispiele gegeben werden und in denen:
1 schematisch zwei Elemente darstellt, die verschweißt werden sollen;
2 ein schematisches Diagramm ist, das die im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens angewendete Strategie darstellt;
3 im schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung darstellt, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführen soll;
4 ein Diagramm ist, das ein Beispiel des Leistungspegels des auf ein zu schweißendes Material emittierten Laserstrahlenbündels während des ersten Schritts des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens darstellt, und
5 ein Diagramm ist, das den von der Oberfläche des zu schweißenden Materials reflektierten Energiepegel während des ersten Schritts des Schweißverfahrens entsprechend dem emittierten Laserstrahlenbündel von 4 darstellt.
1 stellt eine herkömmliche Anordnung von zwei Elementen dar, die miteinander verschweißt werden sollen. Diese zwei Elemente können beispielsweise zwei metallische Platten oder Folien sein. Eine erste Platte 1 wird über einer zweiten Platte 2 angeordnet, wobei ein Laserstrahlenbündel 3 auf die obere Fläche 4 der ersten Platte mit einem senkrechten Einfall gerichtet wird, um einen Schweißvorgang auszuführen.
Typischerweise können die Platten 1 und 2 als nicht begrenzendes Beispiel aus Kupfer bestehen und einige zehn μm Dicke E aufweisen, während das Laserstrahlenbündel einen Durchmesser D in der Größenordnung von 200 μm aufweist.
Während des Verschweißens der Platten 1 und 2 wird die Bildung einer Zone 5 aus geschmolzenem Metall an der ersten Platte 1 im Auftreffbereich 6 des Laserstrahlenbündels 3 festgestellt. Während das Laserstrahlenbündel aufrechterhalten wird, wird die zur ersten Platte 1 gelieferte Wärme auf die zweite Platte 2 übertragen und die Zone 5 aus geschmolzenem Metall erstreckt sich in der Richtung der Dicke der Platten 1 und 2, bis sie die untere Oberfläche 7 der zweiten Platte 2 erreicht, wie in 1 dargestellt.
Im Allgemeinen wird die Leistung des Laserstrahlenbündels 3 folglich fortschreitend gesenkt, um zu ermöglichen, dass sich die Zone 5 aus geschmolzenem Metall verfestigt, um die Schweißstelle zu bilden, ohne Spannungen in dieser letzteren erscheinen zu lassen.
Es ist zu beachten, dass, je höher die Leistung des Laserstrahlenbündels 3 während der Bildung der Zone 5 aus geschmolzenem Metall ist, desto größer die auf die Platten 1 und 2 übertragene Wärme ist. Somit führt eine höhere Leistung des Laserstrahlenbündels während dieses Schritts des Schweißvorgangs zur Bildung einer Zone von geschmolzenem Metall mit größeren Querabmessungen zumindest in der ersten Platte 1.
Die Anmelderin hat nach zahlreichen Versuchen festgestellt, dass die Querabmessungen D2 der Schweißstelle auf der Höhe der unteren Oberfläche 7 der zweiten Platte 2 direkt mit ihren Querabmessungen D1 auf der Höhe der oberen Oberfläche 4 der ersten Platte 1 verbunden sind. Folglich bilden die Querabmessungen D1 der Schweißstelle an der Oberfläche der ersten Platte ein zu berücksichtigendes Hauptkriterium für die Qualität der Schweißstelle, die selbst von den Abmessungen D2 dieser letzteren auf der Höhe der unteren Oberfläche der zweiten Platte abhängt. Deshalb hat sich die Anmelderin mit der Entwicklung des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung befasst, das ermöglicht, eine zuverlässige Kontrolle der Abmessungen D1 der Schweißstelle an der Oberfläche 4 der ersten Platte 1 auszuüben, wenn die Schweißstelle mitten in der Bildung ist.
Die Anmelderin hat insbesondere festgestellt, dass der erste Schritt des Schweißverfahrens eine Hauptrolle bei der Regelung der Endabmessungen D1 der Schweißstelle an der Oberfläche der ersten Platte spielt.
Somit wurde die in 2 dargestellte Strategie für die Ausführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens entwickelt, insbesondere was den ersten Schritt des Schweißvorgangs betrifft, anders ausgedrückt, den Schritt der Vorbereitung des zu schweißenden Materials.
2 stellt ein Beispiel eines bevorzugten Profils für die Leistung des Laserstrahlenbündels 3 (Kurve, die das Bezugszeichen LM trägt) in Abhängigkeit von der Zeit während des ersten Schweißschritts sowie das entsprechende Profil des vom zu schweißenden Material reflektierten Strahlenbündels (Kurve, die das Bezugszeichen BR trägt), dar.
Vorzugsweise umfasst der erste Schritt des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens vier Phasen, die in 2 mit (a) bis (d) bezeichnet sind, gefolgt vom zweiten Schritt, der mit (e) bezeichnet ist und der dem effektiven Schweißen entspricht.
Die Phasen (a) und (b) bilden vorbereitende Phasen zur Vorbereitung der Oberfläche des zu schweißenden Materials, während derer das zu schweißende Material durch das Laserstrahlenbündel mit einer Leistung erhitzt wird, die geringer ist als die minimale Leistung, die es ermöglicht, das Schmelzen des Materials hervorzurufen. Wenn das zu schweißende Material beispielsweise Kupfer ist, wird die Leistung des Laserstrahlenbündels während der Phasen (a) und (b) auf 0,5 kW begrenzt.
Ein derartiges Vorheizen ermöglicht zunächst, die Oberfläche des zu schweißenden Materials zu reinigen, indem Ablagerungen von Verunreinigungen oder Oxiden unterdrückt werden, was der Phase (a) entspricht.
Die Phase (b), die eine Dauer in der Größenordnung einer Millisekunde aufweist, bildet eine Kalibrierungsphase, die außerdem ermöglicht, das Reflexionsvermögen der Oberfläche des zu schweißenden Materials "kalt" zu messen, d. h. bei einer Temperatur, die beträchtlich geringer ist als seine Schmelztemperatur. Der Mittelwert R0 des Verhältnisses BR(t)/LM(t) während der Phase (b) wird berechnet, was ermöglicht, nach dem ersten Schritt des Schweißverfahrens eine Größe zu definieren, die einem mit NR(t) bezeichneten normierten Verhältnis entspricht, das gleich R(t)/R0 ist, d. h. [BR(t)/LM(t)]·1/R0.
Der für R0 erhaltene Wert ermöglicht es, einen Steigungswert, der in 2 durch den Winkel α bezeichnet ist, für die Kurve LM(t) zu definieren, die die Leistung des emittierten Laserstrahlenbündels in Abhängigkeit von der Zeit darstellt. Somit führt ein Material, das ein geringes Reflexionsvermögen, d. h. eine erhöhte Kapazität zum Absorbieren der Energie des einfallenden Laserstrahlenbündels, aufweist, zu einer weniger schnellen Erhöhung der Leistung des emittierten Laserstrahlenbündels, d. h. einem geringeren Wert von α, als ein Material, das ein erhöhtes Reflexionsvermögen aufweist.
In dieser Weise wird der erste Schritt des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung an die "reellen" physikalischen Eigenschaften des zu schweißenden Materials und nicht in Bezug auf Datenbanken von physikalischen Eigenschaften von Materialien angepasst.
Außerdem ist zu beachten, dass es diese Strategie ermöglicht, einen im Wesentlichen konstanten Wert der für das Heizen des zu schweißenden Materials erforderlichen Dauer aufrechtzuerhalten, welches auch immer die physikalischen Eigenschaften seiner Oberfläche sind, und somit das Verfahren im Fall eines Materials mit erhöhtem Reflexionsvermögen nicht merklich zu verlangsamen.
Sobald der Wert von R0 bestimmt wurde, wird die Leistung des Laserstrahlenbündels während der ganzen mit (c) bezeichneten Phase von 2 im Wesentlichen linear erhöht, wobei die Erhöhungsgeschwindigkeit der Leistung eine Funktion des Werts von R0 ist, wie weiter oben erwähnt.
Während der Phase (c) wird das zu schweißende Material in dem Bereich erhitzt, der die Schweißstelle am Ende des Schweißverfahrens bilden soll, ohne merkliche physikalische Modifikationen vom Gesichtspunkt seines Reflexionsvermögens zu erleiden.
Folglich erleidet das normierte Verhältnis NR(t) während der Phase (c) keine große Veränderung und sein Wert bleibt nahe 1, wie in 2 dargestellt.
Am Ende einer gewissen Zeit in der Größenordnung von einigen Millisekunden beginnt das Material im Auftreffbereich des Laserstrahlenbündels zu schmelzen, was sich auf der Höhe der in 2 dargestellten Kurve durch eine Absenkung des Werts von BR(t) in der Phase (d) insofern auswirkt, als das Material mehr Energie absorbiert, um seine Phasenänderung durchzuführen.
Die Verminderung des Werts von BR(t) führt zu einer Verminderung des Werts von NR(t), wie in 2 sichtbar.
Da die Leistung des Laserstrahlenbündels in seinem Zentrum im Allgemeinen größer ist als zu seinen Enden hin, beginnt das Material im Zentrum des Auftreffbereichs des Laserstrahlenbündels zu schmelzen, was der Änderung des Verhaltens der Kurve BR(t) entspricht.
In diesem Stadium läßt man die Leistung des Laserstrahlenbündels weiter zunehmen, um die Zone des schmelzenden Materials in der Ebene der Oberfläche des zu schweißenden Materials zu erweitern. Gleichzeitig nimmt das Reflexionsvermögen weiterhin ab, da die Oberfläche des schmelzenden Materials zunimmt, was für eine größere Energieabsorption verantwortlich ist.
Die Phase (d) endet, wenn das normierte Verhältnis einen vorbestimmten Wert erreicht, der in 2 mit NR_STOP bezeichnet ist, wobei das Laserstrahlenbündel in dem in 2 dargestellten Fall angehalten wird. In der Praxis wird das Laserstrahlenbündel nicht vollständig angehalten, wenn NR(t) seinen Grenzwert NR_STOP erreicht, sondern seine Leistung wird gesenkt, wie später zu sehen sein wird.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ermöglicht es, eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißqualität in einem großen Bereich von Werten von NR_STOP zu erhalten. Außerdem sind die Querabmessungen der erhaltenen Schweißstelle am Ende des Verfahrens eng mit dem für NR_STOP ausgewählten Wert verbunden.
3 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung dar, die die Ausführung des Verfahrens, das gerade beschrieben wurde, ermöglicht.
Die Vorrichtung umfasst eine Steuerschaltung 30 für eine Laserquelle 31, die ein Laserstrahlenbündel 32 auf einen Bereich 33 eines zu schweißenden Materials emittiert.
Ein photoelektrischer Sensor 34 ist angeordnet, um die von der Oberfläche des Materials reflektierte Energie gewinnen zu können, die vorher mit BR(t) bezeichnet wurde. Dieser Sensor kann von jeglicher geeigneter Art sein, wie beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor, und ist vorzugsweise im Wesentlichen in der Vertikalen des Auftreffbereichs des Laserstrahlenbündels auf das zu schweißende Material angeordnet. In bevorzugter, aber nicht begrenzender Weise ist der photoelektrische Sensor 34 direkt im Emissionskopf des Laserstrahlenbündels (nicht dargestellt) angeordnet.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung auch einen zusätzlichen photoelektrischen Sensor 35, der es ermöglicht, den Leistungspegel des Laserstrahlenbündels zwischen dem Ausgang der Quelle und dem Auftreffen auf das zu schweißende Material zu messen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung kann außerdem mindestens ein thermischer oder Infrarotsensor 36 herkömmlicher Art vorgesehen werden, der es ermöglicht, eine Bestimmung der Temperatur des Auftreffbereichs des Laserstrahlenbündels auf der Oberfläche des zu schweißenden Materials in jedem Moment durchzuführen.
Jeder der Sensoren 34 bis 36 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Größe darstellt, die er misst, wobei die Gesamtheit dieser jeweiligen Signale zu einem Prozessor 37 gesandt wird, der dazu programmiert ist, die Gesamtheit dieser Informationen zu verarbeiten. Ausgehend von dem durch die Verarbeitung dieser Informationen erhaltenen Ergebnis sendet der Prozessor 37 ein angepasstes Steuersignal an die Steuerschaltung der Laserquelle 30, um die Eigenschaften des emittierten Laserstrahlenbündels einzustellen. Insbesondere ermöglicht es das Steuersignal des Prozessors 37, die Leistung des emittierten Laserstrahlenbündels, die vorher mit LM(t) bezeichnet wurde, einzustellen, aber es kann auch in Erwägung gezogen werden, beispielsweise dessen Impulsfrequenz oder auch die Lokalisierung der Brennebene des Strahlenbündels einzustellen.
Außerdem wird vorteilhafterweise vorgesehen, den Prozessor 37 mit Hilfe eines Computers 38 des PC-Typs zu steuern, der mit einem geeigneten Programm versehen ist, das insofern nicht genauer beschrieben wird, als der Fachmann keine besondere Schwierigkeit antreffen wird, um es auszuführen. Somit ermöglicht der Computer dem Benutzer der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung, in bekannter Weise über eine benutzerfreundliche Schnittstelle zu verfügen, um den Ablauf des Schweißverfahrens zu steuern.
Es ist zu beachten, dass die Wahl des Typs der Laserquelle für die Ausführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens von geringer Bedeutung ist. Jede Laserquelle, die eine geeignete Leistung und Wellenlänge aufweist, kann verwendet werden, wobei die herkömmlichen Laserquellen mit optischem Pumpen des Nd:YAG-Typs im Moment gegenüber anderen Laserquellen, wie den durch Laserdiode gepumpten Nd:YAG oder den Laserdiodenzellen, aus Kostengründen bevorzugt sind.
Die 4 und 5 stellen experimentelle Kurven der Leistung des Laserstrahlenbündels LM(t) bzw. der durch die Oberfläche des zu schweißenden Materials reflektierten Welle BR(t) dar. Die Phasen (a) bis (e) des Schweißverfahrens, wie in Bezug auf 2 beschrieben, wurden in 4 dargestellt, wobei ihre Gesamtdauer in der Größenordnung von 6 Millisekunden liegt.
In 4 ist der Verlauf von 2 der Leistungskurve des von der Laserquelle 31 emittierten Laserstrahlenbündels mit der Phase (a) zur Vorbereitung der Oberfläche des zu schweißenden Materials, der Phase (b) des "kalten" Messens des Reflexionsvermögens des Materials und den Phasen (c) und (d) des Heizens des zu schweißenden Materials zu finden. Es ist in Kombination mit 5 zu bemerken, dass sich die Phase (d) zwischen ungefähr 4,2 und 5 ms erstreckt und dem Moment entspricht, in dem der Anstieg der Kurve des Reflexionsvermögens BR(t) abnimmt, bis sie zu einer Abnahme führt, ein Phänomen, das mit dem Beginn, dann der Ausdehnung der Schmelzung des zu schweißenden Materials verbunden ist.
Außerdem ist in den 4 und 5 festzustellen, dass beim zweiten Schritt des Schweißverfahrens, der der Phase (e) der 2 und 4 entspricht, das Laserstrahlenbündel nicht vollständig unterbrochen wird, wie es in 2 dargestellt war.
Die Phase (e) entspricht in der Praxis tatsächlich dem Schweißschritt als solchem und das Material muss während dieses Schritts noch erhitzt werden, damit sich die Zone des schmelzenden Materials in der Dicke ausgehend von der Oberfläche (in 1 mit 4 bezeichnet), die den Auftreffbereich des Laserstrahlenbündels umfasst, bis zur entgegengesetzten Oberfläche (in 1 mit 7 bezeichnet) ausbreitet, um den Schweißvorgang zu beenden.
Der Übergang zwischen den Phasen (d) und (e) erfolgt jedoch mit einer schnellen Absenkung der Leistung des Laserstrahlenbündels um mindestens 10 % von ihrem Wert, insbesondere um die Ableitung eines Plasmas zu ermöglichen, das während der vorangehenden Phasen gebildet wird, welches den Auftreffbereich des Laserstrahlenbündels auf die Oberfläche des zu schweißenden Materials abdeckt und den Ausstoß von flüssigem Metall zur Außenseite des Schweißbereichs hervorruft.
Eine bevorzugte Ausführungsform für den zweiten Schritt besteht darin, eine Verfolgung der Temperatur der Oberfläche des zu schweißenden Materials mit Hilfe des Infrarotsensors 36 durchzuführen, um diese im Wesentlichen konstant zu halten. Die Anmelderin hat nämlich festgestellt, dass eine derartige Strategie es ermöglichen würde, eine gute Qualität der erhaltenen Schweißstelle zu erreichen, insbesondere eine gute Korrelation zwischen den jeweiligen Abmessungen auf der Höhe der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Schweißstelle.
In einem letzten Schritt (nicht dargestellt) wird die Leistung des Laserstrahlenbündels fortschreitend auf Null gebracht, um eine ausreichend langsame Abkühlung des Materials zu ermöglichen, um keine Spannungen im wieder verfestigten Material erscheinen zu lassen.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, ermöglicht es das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, eine wirksame und zuverlässige Kontrolle der Abmessungen und der Qualität der erhaltenen Schweißstellen zu garantieren.
Zur Erläuterung fasst die folgende Tabelle die Ergebnisse von zahlreichen Versuchen, die von der Anmelderin durchgeführt wurden, zusammen, was es ermöglicht, die Wirksamkeit dieses Schweißverfahrens zu bestätigen.
Diese Tabelle stellt die für einen Schweißvorgang unter den weiter oben dargelegten Bedingungen erhaltenen Abmessungen für einen Grenzwert des normierten Verhältnisses des Laserstrahlenbündels NR_STOP, der zwischen 40 und 90 % variiert, dar, wenn der Durchmesser des Laserstrahlenbündels auf der Höhe der Oberfläche des Materials auf 200 μm eingestellt wird. Die verwendete Laserquelle war vom Nd:YAG-Typ und die Schweißvorgänge wurden auf einer einzigen Kupferfolie, die eine Dicke von 100 μm aufwies und deren Oberfläche geringfügig oxidiert war, simuliert.
Die verschiedenen Spalten der Tabelle umfassen die Werte des normierten Verhältnisses der Grenze des Laserstrahlenbündels NR_STOP, des Mittelwerts μ des Durchmessers der erhaltenen Schweißstelle, der auf der Höhe der Oberfläche 4 gemessen wurde (1), der Standardabweichung σ für jeden Wert von NR_STOP, der relativen Standardabweichung σ/μ für jeden Wert von NR_STOP, des für den Durchmesser gemessenen minimalen Werts Dmin, des für den Durchmesser gemessenen maximalen Werts Dmax, der Ausdehnung ΔD, die für jeden Wert von NR_STOP berechnet wurde, bzw. der Anzahl von Messungen N#, die für jeden Wert von NR_STOP durchgeführt wurden.
Es empfiehlt sich anzumerken, dass das Aufheizen des zu schweißenden Materials ab der Bildung der Zone von schmelzendem Material umso mehr verlängert wird, je geringer die Werte von NR_STOP sind, wie aus 2 verständlich ist.
Die letzte Zeile der Tabelle entspricht einer Reihe von Messungen, die durchgeführt wurden, ohne die Entwicklung des Signals BR(t) zu berücksichtigen, d. h. durch Anwenden eines identischen Laserimpulses für alle Messungen der Reihe. Die entsprechenden erhöhten Werte der Standardabweichung und der Ausdehnung für diese Reihe von Messungen zeigen die Bedeutung des anfänglichen Oberflächenzustandes des zu schweißenden Materials, was die Kontrolle des Ergebnisses des Schweißvorgangs betrifft, auf. Diese Reihe von Messungen, die ein Schweißverfahren des Standes der Technik einsetzen, beweisen tatsächlich, dass es schwierig ist, eine gute Reproduzierbarkeit der Abmessungen der Schweißstelle zu haben, wenn der anfängliche Oberflächenzustand des zu schweißenden Materials im ersten Schritt der Vorbereitung nicht berücksichtigt wird.
Ebenso ist festzustellen, dass für den Grenzwert des normierten Verhältnisses, der auf 90 % festgelegt ist, eine schlechte Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhalten wird. Die Unterschiedlichkeit der für die Abmessungen der Schweißstellen in dieser ersten Reihe von Messungen erhaltenen Werte zeigt auch die Bedeutung, den die Berücksichtigung des anfänglichen Oberflächenzustandes des zu schweißenden Materials hat. In diesem Fall ist die Heizphase mit Erhöhung der Leistung des Laserstrahlenbündels zu kurz, um die Unterschiedlich keit der jeweiligen Oberflächenzustände der verschiedenen Bereiche, in denen die Schweißvorgänge durchgeführt werden, zu beseitigen.
Die bei dieser Reihe von Messungen erhaltenen schlechten Ergebnisse sind jedoch insofern zu relativieren, als der für den mittleren Durchmesser der Schweißstelle (105,3 μm) berechnete Wert ein wenig gering ist, um zu einer Schweißstelle zu führen, die häufig in der Praxis verwendet wird.
Was die Werte von NR_STOP betrifft, die geringer als 90 % sind, wird dagegen festgestellt, dass die Ergebnisse der jeweiligen Reihen von Messungen eine deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit in Bezug auf das Schweißverfahren gemäß dem Stand der Technik darstellen.
Alle berechneten Werte der relativen Standardabweichung sind tatsächlich geringer als 5 %, ein Ergebnis, das mit 14,5 % des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik zu vergleichen ist und das die Wirksamkeit des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bestätigt.
Die vorangehende Beschreibung entspricht bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und kann keinesfalls als Begrenzung betrachtet werden.
Der Fachmann kann einen speziellen Typ von Laserquelle, die Art der zu schweißenden Materialien oder auch die Art und eine Anzahl von verschiedenen verwendeten Sensoren auswählen, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren vorteilhaft, um Elemente zu schweißen, die außer Kupfer aus Aluminium, aus Gold, aus Silber, aus Kupferberyllium (CuBe), aus Messing oder auch aus Bronze bestehen.
Zahlreiche Anwendungen können für das erfindungsgemäße Schweißverfahren in Erwägung gezogen werden, wie das Schweißen von Leiterbahnen von gedruckten Schaltungen, von feinen Metallbändern oder auch von Drähten.

Claims

Verfahren zum Punktschweißen mit einem Laserstrahlenbündel (3, 32), bei dem das Schweißen wenigstens eines Punkts wenigstens einen ersten Schritt des Vorbereitens eines zu verschweißenden Materials, gefolgt von einem zweiten Schritt des Schweißens, in dessen Verlauf das Laserstrahlenbündel wenigstens partiell funktionsfähig gehalten wird, um den Schweißpunkt fertig zu stellen, umfasst, wobei der erste Schritt dazu vorgesehen ist, den Oberflächenzustand (4) wenigstens in einem Schweißbereich (33) des zu verschweißenden Materials zu modifizieren, um im Voraus definierte Bedingungen zu erhalten, die für die Ausführung des zweiten Schrittes geeignet sind, wobei der erste Schritt die Operationen umfasst, die darin bestehen: a) ein Laserstrahlenbündel (3, 32) auf den Schweißbereich (33) des zu verschweißenden Materials zu richten, b) Messungen des Wertes wenigstens eines physikalischen Parameters (BR) vorzunehmen, der für den Zustand der Oberfläche (4) des zu verschweißenden Materials in dem Schweißbereich (33) charakteristisch ist, um die Entwicklung zu verfolgen, und c) die Charakteristiken (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32) in Abhängigkeit von der im Verlauf der Operation b) bestimmten Entwicklung des Wertes des physikalischen Parameters (BR) einzustellen, um die im Voraus definierten Bedingungen zu erhalten, bevor der zweite Schritt ausgeführt wird.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt der Operation b) eine Kalibrierungsphase (b) vorhergeht, in deren Verlauf ein Anfangswert des physikalischen Parameters (BR) bestimmt wird, wobei die Operation b) außerdem einen Schritt des Verarbeitens jedes Wertes des gemessenen physikalischen Parameters insbesondere in Bezug auf den Anfangswert umfasst, um eine Größe (NR) zu definieren, deren Entwicklung im Verlauf des ersten Schrittes mit der Entwicklung des Wertes des physikalischen Parameters (BR) in Beziehung steht, wobei das Einstellen der Charakteristiken (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32) in der Operation c) in Abhängigkeit von der Entwicklung der Größe (NR) ausgeführt wird.
Schweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Voraus definierten Bedingungen die Abmessungen (D1) in der Oberfläche (4) des zu verschweißenden Materials in dem Schweißbereich (33) einer Zone (5) des Materials, die am Ende des ersten Schrittes in einen geschmolzenen Zustand überführt worden ist, umfassen, wobei die Abmessungen (D1) von dem am Ende des ersten Schrittes (NR_STOP) berechneten Wert der Größe abhängen.
Schweißverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Kalibrierungsphase (b) die Leistung (LM), die vom Laserstrahlenbündel an den Schweißbereich (33) übertragen wird, erhöht wird, vorzugsweise im Wesentlichen linear in Abhängigkeit von der Zeit.
Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Parameter (BR), dessen Wert gemessen wird, eine Entwicklung während des ersten Schrittes zeigt, die mit der Entwicklung des Lichtpegels, der von dem zu verschweißenden Material reflektiert wird, in Beziehung steht.
Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des physikalischen Parameters (BR) in einer Richtung erfolgt, die zu der Oberfläche (4) des Schweißbereichs (33) im Wesentlichen senkrecht ist.
Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristiken des Laserstrahlenbündels (3, 32), die im Verlauf der Operation c) von Anspruch 1 eingestellt werden, seine Leistung (LM) enthalten.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32) in Reaktion darauf, dass ein im Voraus definierter Wert (NR_STOP) der im Verarbeitungsschritt definierten Größe erhalten wird, um wenigstens 10 % gesenkt wird, wobei der im Voraus definierte Wert (NR_STOP) dem Ende des ersten Schrittes entspricht.
Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert eines zusätzlichen physikalischen Parameters, dessen Entwicklung mit der Entwicklung der Temperatur des Schweißbereichs (33) in Beziehung steht, im Verlauf der Operation b) ebenfalls gemessen und berücksichtigt wird, um die Einstellung der Charakteristiken (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32) in der Operation c) von Anspruch 1 zu verbessern.
Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Operationen a) bis c) von Anspruch 1 ununterbrochen während des gesamten ersten Schrittes ausgeführt werden.
Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf das Schweißen von Teilen aus Metall oder aus einer Metalllegierung angewendet wird.
Schweißverfahren nach Anspruch 11, wobei das Metall und die Metalllegierung jeweils aus den Gruppen gewählt sein können, die Kupfer, Silber, Gold, Aluminium bzw. Kupferberyllium, Messing und Bronze umfassen.
Vorrichtung zum Punktschweißen mit Hilfe eines Laserstrahlenbündels für die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine Quelle (31), die durch eine Steuerschaltung (30) gesteuert wird und ein Laserstrahlenbündel (3, 32) in Richtung zu wenigstens einem Schweißbereich (33) eines zu verschweißenden Materials aussenden kann, umfasst, wobei die Vorrichtung außerdem Regulierungsmittel (34 bis 37) umfasst, die so beschaffen sind, dass sie die Verwirklichung eines Schweißpunkts in zwei aufeinander folgenden Schritten ermöglichen, wobei ein erster Vorbereitungsschritt dazu bestimmt ist, den Oberflächenzustand des zu verschweißenden Materials in dem Schweißbereich (33) in der Weise zu modifizieren, dass im Voraus definierte Bedingungen erhalten werden, die für die Ausführung eines zweiten Schrittes geeignet sind, der das Schweißen als solches umfasst, in dessen Verlauf das Laserstrahlenbündel wenigstens partiell funktionsfähig gehalten wird, um den Schweißpunkt fertig zu stellen, wobei die Regulierungsmittel (34 bis 37) Mittel (34, 36) zum Messen wenigstens des Wertes eines physikalischen Parameters (BR) umfassen, der für den Oberflächenzustand des zu verschweißenden Materials im Schweißbereich (33) charakteristisch ist, die ein erstes Signal, das den gemessenen Wert repräsentiert, für eine Kontrollschaltung (37) erzeugen können, die der Entwicklung des Wertes des physikalischen Parameters (BR) folgen kann, wobei die Kontrollschaltung (37) außerdem ein zweites Signal für die Steuerschaltung (30) der Laserquelle (31) in Abhängigkeit von der Entwicklung des Wertes des physikalischen Parameters (BR) erzeugen kann, derart, dass die Charakteristiken des während des ersten Schrittes ausgesendeten Laserstrahlenbündels (3, 32) eingestellt werden, um die im Voraus definierten Bedingungen zu erhalten, um den zweiten so genannten Schweißschritt auszuführen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel (34 bis 37) außerdem dazu vorgesehen sind, eine vorhergehende Kalibrierungsphase (b) auszuführen, in der die Charakteristiken (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32) im Wesentlichen konstant sind, um die Bestimmung eines Anfangswertes des physikalischen Parameters (BR) zu ermöglichen, wobei die Kontrollschaltung (37) den Anfangswert berücksichtigen kann, um eine Verarbeitung der gemessenen Werte des physikalischen Parameters (BR) auszuführen und eine Größe (NR) zu definieren, deren Entwicklung mit der Entwicklung des Wertes des physikalischen Parameters (BR) in Beziehung steht, wobei das von der Kontrollschaltung (37) für die Steuerschaltung (30) der Laserquelle (31) erzeugte zweite Signal von dem Wert der Größe (NR) abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel einen ersten optischen Sensor (34) zum Messen des Wertes eines physikalischen Parameters (BR), dessen Entwicklung mit der Entwicklung des Lichtpegels, der von dem zu verschweißenden Material reflektiert wird, in Beziehung steht, umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel außerdem einen zweiten optischen Sensor (35) zum Messen der Leistung (LM) des Laserstrahlenbündels (3, 32), das auf einem optischen Weg zwischen der Laserquelle (31) und dem Schweißbereich (33) ausgesendet wird, umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel einen Infrarotstrahlungssensor (36) umfassen, um die Entwicklung der Temperatur in dem Schweißbereich (33) zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Bearbeitungskopf aufweist, von dem das Laserstrahlenbündel (3, 32) von der Vorrichtung ausgesendet wird und in dem die Gesamtheit der Sensoren (34 bis 36) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Rechner (38) verbunden ist, der sie über eine geeignete Schnittstelle steuern kann.