EP4301540A1 - Verfahren und vorrichtung zum fügen zweier bauteile - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum fügen zweier bauteile

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EP4301540A1
EP4301540A1 EP22706618.0A EP22706618A EP4301540A1 EP 4301540 A1 EP4301540 A1 EP 4301540A1 EP 22706618 A EP22706618 A EP 22706618A EP 4301540 A1 EP4301540 A1 EP 4301540A1
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EP
European Patent Office
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component
area
foot
connection
weld seam
Prior art date
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Pending
Application number
EP22706618.0A
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English (en)
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Inventor
Christoph BANTEL
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H10W72/60—Strap connectors, e.g. thick copper clips for grounding of power devices

Definitions

  • the invention presented relates to a method and a device for joining two components and a component connection.
  • Laser joining devices in particular laser bonding systems, are generally based on an infrared radiation source, which in many respects causes limitations that make it difficult to use laser bonding technology.
  • infrared radiation sources often leads to process instabilities, which can lead to fluctuations in a welding depth and to process interruptions, which lead to a reduction in a bonding area.
  • the invention presented serves to connect two components to form a component connection.
  • the presented invention serves to enable a copper-to-copper connection of a power connector for supplying semiconductor elements on a printed circuit board.
  • a method for joining two components includes a locating step of arranging a first component over at least one second component in a geometry varying from a first foot of the first component to another foot of the first component via a loop of the first component disposed between the first foot and the other foot extends. Furthermore, the method presented includes a first welding step for welding the first foot to the at least one second component by moving a laser beam in a first welding trajectory that causes a first weld seam, which extends from a starting area to an ending area via a path between the starting area and the End area arranged connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the presented method comprises a further welding step for welding the further foot to the at least one second component by moving a laser beam in a further welding trajectory, which causes a further weld seam, which extends from a starting area to an ending area via a gap between the starting area and the End area arranged connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • a green laser beam will be used in the method presented.
  • a connection is to be understood as an area of a welding geometry that was produced in particular in a deep welding process and that connects the respective components to one another.
  • a connection extends in particular through a first component into a second component.
  • the green laser With the method according to the invention, problems as are known with infrared lasers can be avoided by using a green laser, since a green laser shows higher absorption than an infrared laser, particularly on copper, and enables a larger focus than an infrared laser. Accordingly, the green laser provided according to the invention transfers more energy from its laser beam into a component connection than an infrared laser, so that a welding process is significantly more robust and even the finest welding depths can be realized reproducibly, which cannot be realized with infrared lasers.
  • a first component in particular a copper strip, such as a power connector, is arranged on at least one second component, such as a copper plate, in particular a printed circuit board.
  • the arrangement is such that the first component forms a loop that is located between two feet with which the first component contacts the at least one second component.
  • the first component can be arranged with a first foot on a second component and with a second foot on a third component.
  • the method according to the invention provides that the feet of the first component are welded to the at least one second component.
  • the respective feet are welded in a foot-specific welding trajectory in two welding steps. This means that a specific welding trajectory is traversed for the foot by the laser provided according to the invention and a corresponding foot-specific weld seam is produced.
  • the weld seams provided according to the invention are based on the principle that they extend from a starting area, i.e. an area in which the laser strikes a respective foot and in which the laser power is increased, to an end area, i.e. an area in which the laser in its performance is reduced, extend over a connection arranged between the start area and the end area.
  • the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the connection comes closest to the loop or a distance between the connection and the loop is smaller than a distance between the loop and the start area or the end area.
  • a corresponding weld seam can be designed, for example, in a C-shape or in the shape of a clamp.
  • the welding trajectories provided possibly in combination with ramping up and down the power of the laser, minimize the influence of so-called start spatter, i.e. material ejection when the laser hits the components for the first time. Furthermore, an influence of seam end craters on the connection can be minimized by reducing the power of the laser. Accordingly, the welding trajectories or weld seams provided according to the invention require an extremely homogeneous and correspondingly stable connection. Furthermore, contamination of a corresponding joining device due to material ejections is minimized and, as a result, the service life of a joining device used is maximized.
  • the start area and the end area of a respective welding trajectory can be provided close together and behind a respective connection.
  • a position of the start area, the connection and the end area of a respective weld seam can be adapted according to the method presented to the geometric conditions of the respective components to be joined, it always being provided that the connection comes closest to the loop.
  • the first component is a copper strip with a size of 1 mm to 10 mm, in particular 5 mm wide and 0.1 mm to 0.5 mm thick, in particular 2 ⁇ 0.2 mm 2 .
  • a laser with the properties mentioned above i.e. a green laser that provides between 750 watts and 2.5 kW of power, has proven in tests to be particularly suitable for carrying out the method according to the invention, since the properties described with a welding feed between 300mm /s and 750 mm/s, in particular 500 mm/s, results in a welding depth of preferably 350 ⁇ m with a focal diameter between 200 ⁇ m and 400 ⁇ m, in particular 300 ⁇ m.
  • connection areas provided according to the invention can be particularly mechanically stable and in a particularly stable, ie error-robust process are provided.
  • the laser provided according to the invention is provided with a space by the start and end regions in which the energy of the laser can be increased and decreased without minimizing the quality or area of the connection.
  • the presented invention relates to a joining device for joining a first component to at least one second component, the first component being arranged on the at least one second component in a geometry that extends from a first foot of the first component to a further foot of the first component extends over a loop of the first component arranged between the first foot and the further foot.
  • the joining device includes a green laser, an actuator and a control unit.
  • the control unit is configured to control the actuator in such a way that the actuator moves the laser along a first welding trajectory that causes a first weld seam that is located on the first foot from a starting area to an ending area via an area between the starting area and the ending area Connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the control unit is also configured to control the actuator in such a way that the actuator moves the laser along a further welding trajectory, which causes a further weld seam, which extends on the further foot from a starting area to an ending area via a line between the starting area and the ending area arranged connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the joining device according to the invention serves in particular to carry out a possible embodiment of the method according to the invention.
  • the presented invention relates to a component connection consisting of a first component and at least one second component, the first component being arranged on the at least one second component in a geometry that extends from a first foot of the first component to a further foot of the first component extends over a loop of the first component arranged between the first foot and the further foot, wherein the first foot is connected to the at least one second component by a first weld seam, which extends on the first foot from a starting area to an ending area via a connection arranged between the starting area and the ending area, the starting area and the ending area further extending to one of the side facing away from the loop as the connection, and wherein the further foot is connected to the at least one second component by a further weld seam, which extends on the further foot from a start area to an end area via a connection arranged between the start area and the end area , wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a weld seam produced according to the method from FIG.
  • FIG. 3 shows a course of a power provided by the laser provided according to the invention for carrying out the method from FIG.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of the joining device according to the invention
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of the component connection according to the invention.
  • a method 100 is shown in FIG.
  • the method includes a placement step 101 of placing a first component over a second Component in a geometry extending from a first foot of the first component to a further foot of the first component via a loop of the first component arranged between the first foot and the further foot.
  • the method 100 comprises a first welding step 103 for welding the first foot to the second component by moving a laser beam in a first welding trajectory that causes a first weld seam extending from a start area to an end area via a gap between the start area and the end area arranged connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the method 100 comprises a further welding step 105 for welding the further foot to the second component by moving a laser beam in a further welding trajectory which causes a further weld seam extending from a start area to an end area via a gap between the start area and the end area arranged connection extends, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • the first component can be arranged with the first foot on the second component and with a further foot on a further component.
  • the method 100 can include a cutting step 107 for cutting the first component after the first component has been welded to at least one further component. Accordingly, the method 100 can be designed as a continuous process for producing a large number of component connections.
  • the method 100 uses a green laser beam.
  • FIG. 2 shows a weld seam 200 that was provided using the method 100 .
  • the weld seam 200 comprises a start area 201, an end area 203 and a connection 205 located between the start area 201 and the end area 203.
  • the weld seam 200 comprises a start area 201, an end area 203 and a connection 205 located between the start area 201 and the end area 203.
  • FIG. 2 shows a weld seam 200 that was provided using the method 100 .
  • the weld seam 200 comprises a start area 201, an end area 203 and a connection 205 located between the start area 201 and the end area 203.
  • FIG. 2 shows a weld seam 200 that was provided using the method 100 .
  • the weld seam 200 comprises a start area 201, an end area 203 and a connection 205 located between the start area 201 and the end area 203.
  • FIG. 2 shows a weld seam 200 that was provided using the method 100 .
  • connection 205 was produced in a deep welding process and extends through the first component into the second component. Accordingly, the second component is penetrated by the first component in the area of the connection.
  • a diagram 300 is shown in FIG. 3, which spans a welding distance in [%] on the abscissa and a power in [kW] on the ordinate.
  • a curve 301 of a power of the laser provided according to the invention over a welding section shows that in a ramping up 303, in which the starting area provided according to the invention is provided, there is a steady increase in the power of the laser.
  • a high-performance phase 305 a deep welding process takes place to provide the connection provided according to the invention, and in a ramping down 307, the end area provided according to the invention is provided.
  • a minimum power and a maximum power when ramping up 303 or ramping down 307 is selected as a function of a thickness or a height extent of a material layer to be welded through.
  • FIG. 4 shows a joining device 400 for joining a first component to a second component.
  • the joining device 400 includes a green laser 401, an actuator 403 and a control unit 405.
  • the control unit 405 is configured to control the actuator 403 in such a way that the actuator 403 moves the laser 401 along a first welding trajectory, which causes a first weld seam, extending on a first foot of the first component from a starting area to an ending area via a between the starting area and the connection arranged in the end region, wherein the start region and the end region extend further than the connection on a side facing away from a loop of the first component.
  • the control unit 405 is also configured to control the actuator 403 in such a way that the actuator 403 moves the laser along a further welding trajectory that causes a further weld seam that extends from a starting area to an end area on a further foot of the first component over a connection arranged between the start area and the end area, wherein the start area and the end area extend further on a side facing away from the loop than the connection.
  • a component connection 500 is shown in FIG.
  • the component connection 500 consists of a first component 501 and a second component 503.
  • the first component 501 comprises a first foot 505, a second foot 507 and a loop 509 running between a first foot 505 and the second foot 507.
  • the first foot 505 is connected to the second component 503 by means of a first weld seam 511 which runs in a clockwise direction.
  • a welding process starts from the right and runs to the left, so that an energy input acts from right to left in the component connection 500 as a result of a movement of a corresponding joining device.
  • the second foot 507 is connected to a third component 527 by means of a second weld seam 513 which runs counterclockwise.
  • a start area 517 and an end area 515 of the first weld seam 511 extend further to a side facing away from the loop 509, here the left side, than a connection 519 of the first weld seam 511. Accordingly, the connection 519 is closer or at a shorter distance to the Loop 509 arranged as the start area 517 and the end area 515 of the first weld 511.
  • a start area 521 and an end area 523 of the second weld seam 513 extend further to a side facing away from the loop 509, here the right side, than a connection 525 of the second weld seam 513. Accordingly, the connection 525 is closer or at a shorter distance to the loop 509 arranged as the start area 521 and the end area 523 of the second

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte umfasst: - Anordnen (101) eines ersten Bauteils (501) über mindestens einem zweiten Bauteil (503, 527), in einer Geometrie, die sich von einem ersten Fuß (505) des ersten Bauteils (501) zu einem weiteren Fuß (507) des ersten Bauteils (501) über eine zwischen dem ersten Fuß und dem weiteren Fuß angeordnete Schleife (509) des ersten Bauteils (501) erstreckt, - Verschweißen (103) des ersten Fußes (505) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) durch Bewegen eines Laserstrahls in einer ersten Schweißtrajektorie, die eine erste Schweißnaht (511) bedingt, die sich von einem Startbereich (517) zu einem Endbereich (515) über eine zwischen dem Startbereich (517) und dem Endbereich (515) angeordnete Anbindung (519) erstreckt, wobei der Startbereich (517) und der Endbereich (515) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (519), - Verschweißen (105) des weiteren Fußes (507) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) durch Bewegen eines Laserstrahls in einer weiteren Schweißtrajektorie, die eine weitere Schweißnaht (513) bedingt, die sich von einem Startbereich (521) zu einem Endbereich (523) über eine zwischen dem Startbereich (521) und dem Endbereich (523) angeordnete Anbindung (525) erstreckt, wobei der Startbereich (521) und der Endbereich (523) sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (525), wobei ein grüner Laserstrahl verwendet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen zweier Bauteile sowie eine Bauteilverbindung.
Stand der Technik
Laserfügevorrichtungen, insbesondere Laserbondanlagen, basieren in der Regel auf einer Infrarotstrahlquelle, die in vielerlei Hinsicht Limitierungen bedingt, die eine Anwendung der Laserbondtechnologie erschweren. Insbesondere kommt es bei der Verwendung von Infrarotstrahlenquellen häufig zu Prozessinstabilitäten, die zu Schwankungen einer Einschweißtiefe führen können und zu Prozessaussetzern, die zu einer Verminderung einer Anbindefläche führen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren zum Fügen, eine Fügevorrichtung und eine Bauteilverbindung vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Die vorgestellte Erfindung dient dazu, zwei Bauteile zu einer Bauteilverbindung zu verbinden. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Kupfer- Kupfer-Verbindung eines Stromverbinders zum Versorgen von Halbleiterelementen auf einer Leiterplatte zu ermöglichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung wird somit ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile vorgestellt. Das Verfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum Anordnen eines ersten Bauteils über mindestens einem zweiten Bauteil in einer Geometrie, die sich von einem ersten Fuß des ersten Bauteils zu einem weiteren Fuß des ersten Bauteils über eine zwischen dem ersten Fuß und dem weiteren Fuß angeordnete Schleife des ersten Bauteils erstreckt. Weiterhin umfasst das vorgestellte Verfahren einen ersten Verschweißungsschritt zum Verschweißen des ersten Fußes mit dem mindestens einen zweiten Bauteil durch Bewegen eines Laserstrahls in einer ersten Schwei ßtrajektorie, die eine erste Schweißnaht bedingt, die sich von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung. Ferner umfasst das vorgestellte Verfahren einen weiteren Verschweißungsschritt zum Verschweißen des weiteren Fußes mit dem mindestens einen zweiten Bauteil durch Bewegen eines Laserstrahls in einer weiteren Schwei ßtrajektorie, die eine weitere Schweißnaht bedingt, die sich von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung. Es ist vorgesehen, dass bei dem vorgestellten Verfahren ein grüner Laserstrahl verwendet wird.
Unter einer Anbindung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich einer Schweißgeometrie zu verstehen, der insbesondere in einem Tiefenschweißprozess erzeugt wurde und der jeweilige Bauteile miteinander verbindet. Dabei erstreckt sich eine Anbindung insbesondere durch ein erstes Bauteil bis in ein zweites Bauteil hinein. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Anbindung ausschließlich in einem Tiefenschweißprozess oder einem Wärmeleitschweißprozess erzeugt wird. Insbesondere aufgrund von graduellen Übergängen zwischen dem Startbereich, der Anbindung und dem Endbereich kann es vorgesehen sein, dass eine Anbindung in einem Mischprozess aus Tiefenschweißen und Wärmeleitschweißen erzeugt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Probleme, wie sie bei Infrarotlasern bekannt sind, durch Verwendung eines grünen Lasers vermieden werden, da ein grüner Laser insbesondere auf Kupfer eine höhere Absorption als ein Infrarotlaser zeigt und einen größeren Fokus ermöglicht als ein Infrarotlaser. Entsprechend überführt der erfindungsgemäß vorgesehene grüne Laser mehr Energie aus seinem Laserstrahl in eine Bauteilverbindung als ein Infrarotlaser, sodass ein Schweißprozess deutlich robuster wird und reproduzierbar selbst feinste Einschweißtiefen realisiert werden können, die mit dem Infrarotlasern nicht realisiert werden können.
Erfindungsgemäß wird ein erstes Bauteil, insbesondere ein Kupferband, wie bspw. ein Stromverbinder, an mindestens einem zweiten Bauteil, wie bspw. einer Kupferplatte, insbesondere einer Leiterplatte, angeordnet. Dabei erfolgt die Anordnung derart, dass das erste Bauteil eine Schleife bildet, die sich zwischen zwei Füßen, mit denen das erste Bauteil das mindestens eine zweite Bauteil kontaktiert, befindet. Insbesondere kann das erste Bauteil mit einem ersten Fuß an einem zweiten Bauteil und mit einem zweiten Fuß an einem dritten Bauteil angeordnet werden.
Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Füße des ersten Bauteils mit dem mindestens einen zweiten Bauteil verschweißt werden. Dazu werden in zwei Verschweißungsschritten die jeweiligen Füße in einer fußspezifischen Schwei ßtrajektorie verschweißt. Dies bedeutet, dass für den Fuß eine spezifische Schweißtrajektorie durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Laser abgefahren und eine entsprechende fußspezifische Schweißnaht erzeugt wird.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißnähte basieren auf dem Prinzip, dass diese sich von einem Startbereich, also einem Bereich, indem der Laser auf einen jeweiligen Fuß auftrifft und in dem der Laser in seiner Leistung erhöht wird, zu einem Endbereich, also einem Bereich, an dem der Laser in seiner Leistung reduziert wird, über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstrecken.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung. Dies bedeutet, dass die Anbindung der Schleife am nächsten kommt bzw. eine Distanz zwischen der Anbindung und der Schleife kleiner ist als eine Distanz zwischen der Schleife und dem Startbereich bzw. dem Endbereich. Dazu kann eine entsprechende Schweißnaht bspw. C-Förmig oder klammerförmig ausgestaltet sein.
Durch die vorgesehenen Schwei ßtrajektorien, ggf. in Kombinationen mit einem Auf- und Abrampen der Leistung des Lasers, wird ein Einfluss von sog. Startspritzern, also Materialauswurf beim erstmaligen Auftreffen des Lasers auf die Bauteile, minimiert. Ferner kann ein Einfluss von Nahtendkratern auf die Anbindung, durch Reduzieren einer Leistung des Lasers minimiert werden. Entsprechend bedingen die erfindungsgemäß vorgesehenen Schwei ßtrajektorien bzw. Scheißnähte eine äußerst homogene und entsprechend stabile Anbindung. Ferner werden Verschmutzungen einer entsprechenden Fügevorrichtung durch Materialauswürfe minimiert und, dadurch bedingt, eine Standzeit einer verwendeten Fügevorrichtung maximiert.
Um die erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißnähte und, dadurch bedingt, eine entsprechende Fügevorrichtung möglichst kompakt zu gestalten, können der Startbereich und der Endbereich einer jeweiligen Schwei ßtrajektorie dicht beieinander und hinter einer jeweiligen Anbindung vorgesehen sein. Selbstverständlich kann eine Lage des Startbereichs, der Anbindung und des Endbereichs einer jeweiligen Schweißnaht gemäß dem vorgestellten Verfahren an die geometrischen Bedingungen jeweiliger zu fügender Bauteile angepasst werden, wobei stets vorgesehen ist, dass die Anbindung der Schleife am nächsten kommt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Bauteil ein Kupferband in der Größe von 1 mm bis 10 mm, insbesondere 5 mm Breite und 0,1 mm bis 0,5 mm Dicke insbesondere von 2x0,2 mm2 ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 450 nm und 550 nm, insbesondere 515 nm und/oder einer Leistung analog zur Dicke eines jeweiligen Bauteils zwischen 500 Watt 4 kW, insbesondere zwischen 750 Watt und 2,5 kW, vorzugsweise zwischen 1,2 kW und 2,2 kW verwendet wird.
Ein Laser mit den voranstehend benannten Eigenschaften, also ein grüner Laser, der zwischen 750 Watt und 2,5 kW Leistung bereitstellt, hat sich in Versuchen als besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen, da sich unter den beschriebenen Eigenschaften bei einem Schweißvorschub zwischen 300mm/s und 750 mm/s, insbesondere von 500 mm/s eine Einschweißtiefe von vorzugsweise 350 pm bei einem Fokusdurchmesser zwischen 200 pm und 400pm, insbesondere von 300 pm ergibt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Schweißnaht und die weitere Schweißnaht spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind.
Durch jeweilige zueinander spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtete Schweißnähte ergibt sich bei gegenüberliegend bzw. spiegelsymmetrisch angeordneten Füßen des ersten Bauteils eine vergleichbare Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem mindestens einen zweiten Bauteil an allen Füßen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweilige Anbindung in einem Tiefenschweißprozess erzeugt wird und der jeweilige Startbereich und/oder der jeweilige Endbereich zumindest teilweise in einem Wärmeleitschweißprozess erzeugt werden.
Durch eine räumliche bzw. strukturelle Auslagerung eines Wärmeleitschweißprozesses, der typischerweise beim Starten und Beenden eines Laserschweißvorgangs auftritt, in die erfindungsgemäß vorgesehenen Start- und Endbereiche können die erfindungsgemäß vorgesehenen Anbindungsbereiche besonders mechanisch stabil und in einem besonders stabilen, d.h. fehlerrobusten Prozess bereitgestellt werden. Mit anderen Worten wird dem erfindungsgemäß vorgesehenen Laser durch die Start- und Endbereiche ein Raum bereitgestellt, in dem eine Energie des Lasers hochgefahren und heruntergefahren werden kann, ohne eine Qualität bzw. eine Fläche der Anbindung zu minimieren.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Erzeugen des jeweiligen Startbereichs eine Leistung des Lasers aufgerampt wird und zum Erzeugen des jeweiligen Endbereichs eine Leistung des Lasers abgerampt wird, sodass die höchste Leistung des Lasers beim Erzeugen der Anbindung bereitgestellt wird.
Durch ein Auframpen, d.h. ein graduelles oder sukzessives Erhöhen einer Leistung des erfindungsgemäß vorgesehenen Lasers in einem Startbereich werden Materialauswürfe, die ggf. durch die sich verändernde Leistung des Lasers erzeugt werden, von der Anbindung ferngehalten und die Anbindung entsprechend besonders homogen gefertigt.
Durch ein Abrampen, d.h. ein graduelles oder sukzessives Reduzieren einer Leistung des erfindungsgemäß vorgesehenen Lasers in einem Endbereich werden sog. Nahtendkrater minimiert und die Anbindung entsprechend homogenisiert.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Schwei ßtrajektorie im Uhrzeigersinn und die weitere Schwei ßtrajektorie entgegen des Uhrzeigersinns verläuft.
Durch ein Bewegen des Lasers im Uhrzeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinns im gleichen Verhältnis wird eine homogene Belastung, insbesondere eine homogene Verschmutzung einer entsprechenden Fügevorrichtung erreicht und, dadurch bedingt, deren Standzeit maximiert.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Bauteil und/oder das weitere Bauteil zumindest tlw. aus Kupfer bestehen. Da Kupfer eine besonders hohe Absorptionsrate für grüne Laserstrahlen zeigt, eignet sich das vorgestellte Verfahren besonders gut für Kupfer sowie entsprechende Kupferlegierungen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Fügevorrichtung zum Fügen eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil in einer Geometrie an dem mindestens einen zweiten Bauteil angeordnet ist, die sich von einem ersten Fuß des ersten Bauteils zu einem weiteren Fuß des ersten Bauteils über eine zwischen dem ersten Fuß und dem weiteren Fuß angeordnete Schleife des ersten Bauteils erstreckt. Die Fügevorrichtung umfasst einen grünen Laser, einen Aktuator und eine Kontrolleinheit. Die Kontrolleinheit ist dazu konfiguriert, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator den Laser entlang einer ersten Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine erste Schweißnaht bedingt, die sich auf dem ersten Fuß von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung. Die Kontrolleinheit ist weiterhin dazu konfiguriert, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator den Laser entlang einer weiteren Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine weitere Schweißnaht bedingt, die sich auf dem weiteren Fuß von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung.
Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung dient insbesondere zur Durchführung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Bauteilverbindung bestehend aus einem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil in einer Geometrie an dem mindestens einen zweiten Bauteil angeordnet ist, die sich von einem ersten Fuß des ersten Bauteils zu einem weiteren Fuß des ersten Bauteils über eine zwischen dem ersten Fuß und dem weiteren Fuß angeordnete Schleife des ersten Bauteils erstreckt, wobei der erste Fuß durch eine erste Schweißnaht mit dem mindestens einen zweiten Bauteil verbunden ist, die sich auf dem ersten Fuß von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung, und wobei der weitere Fuß durch eine weitere Schweißnaht mit dem mindestens einen zweiten Bauteil verbunden ist, die sich auf dem weiteren Fuß von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine gemäß dem Verfahren aus Figur 1 hergestellte Schweißnaht,
Figur 3 ein Verlauf einer zur Durchführung des Verfahrens aus Figur 1 von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Laser bereitgestellten Leistung,
Figur 4 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung,
Figur 5 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung.
In Figur 1 ist ein Verfahren 100 dargestellt. Das Verfahren umfasst einen Anordnungsschritt 101 zum Anordnen eines ersten Bauteils über einem zweiten Bauteil in einer Geometrie, die sich von einem ersten Fuß des ersten Bauteils zu einem weiteren Fuß des ersten Bauteils über eine zwischen dem ersten Fuß und dem weiteren Fuß angeordnete Schleife des ersten Bauteils erstreckt.
Ferner umfasst das Verfahren 100 einen ersten Verschweißungsschritt 103 zum Verschweißen des ersten Fußes mit dem zweiten Bauteil durch Bewegen eines Laserstrahls in einer ersten Schwei ßtrajektorie, die eine erste Schweißnaht bedingt, die sich von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung.
Ferner umfasst das Verfahren 100 einen weiteren Verschweißungsschritt 105 zum Verschweißen des weiteren Fußes mit dem zweiten Bauteil durch Bewegen eines Laserstrahls in einer weiteren Schwei ßtrajektorie, die eine weitere Schweißnaht bedingt, die sich von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung.
Optional kann das erste Bauteil mit dem ersten Fuß an dem zweiten Bauteil und mit einem weiteren Fuß an einem weiteren Bauteil angeordnet werden.
Weiterhin optional kann das Verfahren 100 einen Schneideschritt 107 zum Schneiden des ersten Bauteils umfassen, nachdem das erste Bauteil mit mindestens einem weiteren Bauteil verschweißt wurde. Entsprechend kann das Verfahren 100 als fortlaufender Prozess zum Herstellen einer Vielzahl von Bauteilverbindungen ausgestaltet sein.
Bei dem Verfahren 100 wird ein grüner Laserstrahl verwendet.
In Figur 2 ist eine Schweißnaht 200 dargestellt, die mittels des Verfahrens 100 bereitgestellt wurde. Die Schweißnaht 200 umfasst einen Startbereich 201, einen Endbereich 203 und eine zwischen dem Startbereich 201 und dem Endbereich 203 liegende Anbindung 205. Vorliegend sind schematische Trennungslinien 207 und 209 zwischen dem Startbereich 201 und der Anbindung 205 sowie zwischen der Anbindung 205 und dem Endbereich 203 eingezeichnet, wobei die Übergänge zwischen der Anbindung 205 und dem Startbereich 201 sowie dem Endbereich 203 graduell bzw. fließend verlaufen.
Während der Startbereich 201 und/oder der Endbereich 203 zumindest teilweise in einem Wärmeleitschweißprozess erzeugt wurden, und sich insbesondere lediglich bereichsweise in dem ersten Bauteil ausdehnen, wurde die Anbindung 205 in einem Tiefenschweißprozess erzeugt und erstreckt sich durch das erste Bauteil hindurch in das zweite Bauteil. Entsprechend wird das zweite Bauteil von dem ersten Bauteil im Bereich der Anbindung penetriert.
In Figur 3 ist ein Diagramm 300 dargestellt, das sich auf der Abszisse über eine Schweißstrecke in [%] und auf der Ordinate über eine Leistung in [kW] aufspannt.
Ein Verlauf 301 einer Leistung des erfindungsgemäß vorgesehenen Lasers über eine Schweißstrecke hinweg zeigt, dass in einem Auframpen 303, bei dem der erfindungsgemäß vorgesehene Startbereich bereitgestellt wird, eine stetige Zunahme der Leistung des Lasers erfolgt. In einer Höchstleistungsphase 305 erfolgt ein Tiefschweißprozess zum Bereitstellen der erfindungsgemäß vorgesehenen Anbindung und in einem Abrampen 307 erfolgt eine Bereitstellung des erfindungsgemäß vorgesehenen Endbereichs.
Eine Minimalleistung und eine Maximalleistung beim Auframpen 303 bzw. Abrampen 307 wird in Abhängigkeit einer Dicke bzw. einer Höhenausdehnung einer zu durchschweißenden Materialschicht gewählt.
In Figur 4 ist eine Fügevorrichtung 400 zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil dargestellt. Die Fügevorrichtung 400 umfasst einen grünen Laser 401, einen Aktuator 403 und eine Kontrolleinheit 405. Die Kontrolleinheit 405 ist dazu konfiguriert, den Aktuator 403 derart anzusteuern, dass der Aktuator 403 den Laser 401 entlang einer ersten Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine erste Schweißnaht bedingt, die sich auf einem ersten Fuß des ersten Bauteils von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von einer Schleife des ersten Bauteils abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung. Die Kontrolleinheit 405 ist weiterhin dazu konfiguriert, den Aktuator 403 derart anzusteuern, dass der Aktuator 403 den Laser entlang einer weiteren Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine weitere Schweißnaht bedingt, die sich auf einem weiteren Fuß des ersten Bauteils von einem Startbereich zu einem Endbereich über eine zwischen dem Startbereich und dem Endbereich angeordnete Anbindung erstreckt, wobei der Startbereich und der Endbereich sich weiter auf eine von der Schleife abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung.
In Figur 5 ist eine Bauteilverbindung 500 dargestellt. Die Bauteilverbindung 500 besteht aus einem ersten Bauteil 501 und einem zweiten Bauteil 503.
Das erste Bauteil 501 umfasst einen ersten Fuß 505, einen zweiten Fuß 507 und eine zwischen einem ersten Fuß 505 und dem zweiten Fuß 507 verlaufende Schleife 509.
Der erste Fuß 505 ist mittels einer ersten Schweißnaht 511, die im Uhrzeigersinn verläuft, mit dem zweiten Bauteil 503 verbunden. Vorliegend beginnt ein Schweißprozess von rechts und verläuft nach links, sodass ein Energieeintrag durch eine Bewegung einer entsprechenden Fügevorrichtung in die Bauteilverbindung 500 von rechts nach links wirkt.
Der zweite Fuß 507 ist mittels einer zweiten Schweißnaht 513, die entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft, mit einem dritten Bauteil 527 verbunden.
Ein Startbereich 517 und ein Endbereich 515 der ersten Schweißnaht 511 erstrecken sich weiter auf eine von der Schleife 509 abgewandte Seite, hier die linke Seite, als eine Anbindung 519 der ersten Schweißnaht 511. Entsprechend ist die Anbindung 519 näher bzw. in kürzerer Distanz zu der Schleife 509 angeordnet als der Startbereich 517 und der Endbereich 515 der ersten Schweißnaht 511. Ein Startbereich 521 und ein Endbereich 523 der zweiten Schweißnaht 513 erstrecken weiter auf eine von der Schleife 509 abgewandte Seite, hier die rechte Seite, als eine Anbindung 525 der zweiten Schweißnaht 513. Entsprechend ist die Anbindung 525 näher bzw. in kürzerer Distanz zu der Schleife 509 angeordnet als der Startbereich 521 und der Endbereich 523 der zweiten
Schweißnaht 513.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Fügen mindestens zweier Bauteile, wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte umfasst:
- Anordnen (101) eines ersten Bauteils (501) über mindestens einem zweiten Bauteil (503, 527), in einer Geometrie, die sich von einem ersten Fuß (505) des ersten Bauteils (501) zu einem weiteren Fuß (507) des ersten Bauteils (501) über eine zwischen dem ersten Fuß (505) und dem weiteren Fuß (507) angeordnete Schleife (509) des ersten Bauteils (501) erstreckt,
- Verschweißen (103) des ersten Fußes (505) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) durch Bewegen eines Laserstrahls in einer ersten Schwei ßtrajektorie, die eine erste Schweißnaht (511) bedingt, die sich von einem Startbereich (517) zu einem Endbereich (515) über eine zwischen dem Startbereich (517) und dem Endbereich (515) angeordnete Anbindung (519) erstreckt, wobei der Startbereich (517) und der Endbereich (515) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (519),
- Verschweißen (105) des weiteren Fußes (507) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) durch Bewegen eines Laserstrahls in einer weiteren Schwei ßtrajektorie, die eine weitere Schweißnaht (513) bedingt, die sich von einem Startbereich (521) zu einem Endbereich (523) über eine zwischen dem Startbereich (521) und dem Endbereich (523) angeordnete Anbindung (525) erstreckt, wobei der Startbereich (521) und der Endbereich (523) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (525), wobei ein grüner Laserstrahl verwendet wird. 2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 450 nm und 550 nm, insbesondere 515 nm und/oder einer Leistung zwischen 750 Watt und 2,5 kW, insbesondere zwischen 1,2 kW und 2,2 kW, verwendet wird.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißnaht (511) und die weitere Schweißnaht (513) spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind.
4. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Anbindung (519, 525) in einem Tiefenschweißprozess erzeugt wird und/oder der jeweilige Startbereich (517, 521) sowie der jeweilige Endbereich (515, 523) zumindest teilweise in einem Wärmeleitschweißprozess erzeugt werden.
5. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des jeweiligen Startbereichs (517, 521) eine Leistung des Lasers aufgerampt wird und zum Erzeugen des jeweiligen Endbereichs (515, 523) eine Leistung des Lasers abgerampt wird, sodass die höchste Leistung des Lasers beim Erzeugen der Anbindung (519, 525) bereitgestellt wird.
6. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißnaht (511) im Uhrzeigersinn und die weitere Schweißnaht (513) entgegen des Uhrzeigersinns erzeugt wird. 7. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißnaht (511) und die weitere Schweißnaht (513) im Wesentlichen klammerförmig oder C-förmig erzeugt werden.
8. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (501) und/oder das weitere Bauteil (503) zumindest teilweise aus Kupfer bestehen.
9. Fügevorrichtung (400) zum Fügen eines ersten Bauteils (501) mit mindestens einem zweiten Bauteil (503, 527), wobei das erste Bauteil (501) in einer Geometrie an dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) angeordnet ist, die sich von einem ersten Fuß (505) des ersten Bauteils (501) zu einem weiteren Fuß (507) des ersten Bauteils (501) über eine zwischen dem ersten Fuß (505) und dem weiteren Fuß (507) angeordnete Schleife (509) des ersten Bauteils (501) erstreckt, wobei die Fügevorrichtung (400) umfasst:
- einen grünen Laser (401),
- einen Aktuator (403),
- eine Kontrolleinheit (405), wobei die Kontrolleinheit (405) dazu konfiguriert ist, den Aktuator (403) derart anzusteuern, dass der Aktuator (403) den Laser (401) entlang einer ersten Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine erste Schweißnaht (511) bedingt, die sich auf dem ersten Fuß (505) von einem Startbereich (515) zu einem Endbereich (515) über eine zwischen dem Startbereich (517) und dem Endbereich (515) angeordnete Anbindung (519) erstreckt, wobei der Startbereich (515) und der Endbereich (515) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (519), und die Kontrolleinheit (405) dazu konfiguriert ist, den Aktuator (403) derart anzusteuern, dass der Aktuator (403) den Laser (401) entlang einer weiteren Schwei ßtrajektorie bewegt, die eine weitere Schweißnaht (513) bedingt, die sich auf dem weiteren Fuß (507) von einem Startbereich (521) zu einem Endbereich (523) über eine zwischen dem Startbereich (521) und dem Endbereich (523) angeordnete Anbindung (525) erstreckt, wobei der Startbereich (521) und der Endbereich (523) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (525).
10. Fügevorrichtung (400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (400) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
11. Bauteilverbindung (500) bestehend aus einem ersten Bauteil (501) und mindestens einem zweiten Bauteil (503, 527), wobei das erste Bauteil (501) in einer Geometrie an dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) angeordnet ist, die sich von einem ersten Fuß (505) des ersten Bauteils (501) zu einem weiteren Fuß (507) des ersten Bauteils (501) über eine zwischen dem ersten Fuß (505) und dem weiteren Fuß (507) angeordnete Schleife (509) des ersten Bauteils (501) erstreckt, wobei der erste Fuß (505) durch eine erste Schweißnaht (511) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) verbunden ist, die sich auf dem ersten Fuß (503) von einem Startbereich (517) zu einem Endbereich
(515) über eine zwischen dem Startbereich (517) und dem Endbereich (515) angeordnete Anbindung (519) erstreckt, wobei der Startbereich (517) und der Endbereich (515) sich weiter auf eine von der Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (519), und wobei der weitere Fuß (507) durch eine weitere Schweißnaht (513) mit dem mindestens einen zweiten Bauteil (503, 527) verbunden ist, die sich auf dem weiteren Fuß (507) von einem Startbereich (521) zu einem Endbereich (523) über eine zwischen dem Startbereich (521) und dem Endbereich (523) angeordnete Anbindung (525) erstreckt, wobei der Startbereich (521) und der Endbereich (523) sich weiter auf eine von der
Schleife (509) abgewandte Seite erstrecken als die Anbindung (525).
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