EP4705054A1

EP4705054A1 - NIEDERHALTERWERKZEUG UND LASER-SCHWEIßANLAGE HIERMIT

Info

Publication number: EP4705054A1
Application number: EP24717583.9A
Authority: EP
Inventors: Sascha BISTRY; Hans-Jürgen HESSE; Alexander KLINGEBIEL; Patrick VEHMEIER; Frank Walther
Original assignee: Hesse GmbH
Current assignee: Hesse GmbH
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2024-03-22
Publication date: 2026-03-11
Also published as: CN121285442A; EP4705053A1; US20260061529A1; WO2024230868A1; WO2024230867A1; US20260061524A1; CN121100041A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Niederhalterwerkzeug (9) für eine Laser-Schweißanlage umfassend einen röhrenförmigen Hohlkörper (13), welcher eine zumindest abschnittsweise flächig geschlossen ausgebildete Mantelfläche (14) aufweist, sowie wenigstens ein Anlageelement (15), welches nachgiebig ausgebildet und/oder gehalten ist und eine Werkzeuganlagefläche (16) zum Anlegen des Anlageelements (15) an eine zu verschweißende Kontaktkomponente (1) bereitstellt. Ferner betrifft die Erfindung eine Laser-Schweißanlage umfassend eine Laserquelle (3), umfassend eine Optik (4) zum Formen eines von der Laserquelle (3) bereitgestellten Laserstrahls und zum Bereitstellen eines fokussierten Laserstrahls (7) und umfassend ein erfindungsgemäßes Niederhalterwerkzeug (9) wobei der fokussierte Laserstrahl (7) durch den Hohlkörper (13) des Niederhalterwerkzeugs (9) geführt ist.

Description

Niederhalterwerkzeug und Laser-Schweißanlage hiermit

Die Erfindung betrifft ein Niederhalterwerkzeug für eine Laser-Schweißanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Laser-Schweißanlage mit dem Niederhalter.

Klassische Laser-Schweißanlagen werden seit vielen Jahren verwendet, um insbesondere metallische Kontaktkomponenten stoffschlüssig zu verbinden. Diese Laser-Schweißanlagen sind heute nur sehr eingeschränkt in der Lage, Form- und Lagetoleranzen der Kontaktkomponenten auszugleichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Niederhalterwerkzeug für eine Laser-Schweißanlage sowie eine Laser-Schweißanlage mit einem solchen verbesserten Niederhalterwerkzeug anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Demzufolge umfasst ein Niederhalterwerkzeug für eine Laser-Schweißanlage einen röhrenförmigen Hohlkörper, welcher eine zumindest abschnittsweise flächig geschlossen ausgebildete Mantelfläche aufweist, sowie wenigstens ein Anlageelement, welches nachgiebig ausgebildet und/oder gehalten ist und eine Werkzeuganlagefläche zum Anlegen des Anlageelements an eine zu verschweißende Kontaktkomponente bereitstellt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Anlageelement nachgiebig an dem Hohlkörper des Niederhalterwerkzeugs gehalten ist.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Niederhalterwerkzeug mit dem nachgiebig ausgebildeten beziehungsweise gehaltenen Anlageelement Form- und Lagetoleranzen der zu verschweißenden Kontaktkomponenten ausgleichen kann. Hierdurch gelingt es, einer nichtflächigen Anlage der Kontaktkomponenten und einer Verunreinigung einer Umgebung der Schweißverbindung entgegenzuwirken.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens drei und bevorzugt wenigstens fünf und besonders bevorzugt sieben oder mehr Anlageelemente vorgesehen. Die Anlageelemente sind beispielsweise in eine Umfangsrichtung des Hohlkörpers zueinander beabstandet und bevorzugt regelmäßig verteilt angeordnet. Vorteilhaft wird durch die Mehrzahl der Anlageelemente eine gleichmäßige Krafteinleitung von dem Niederhalterwerkzeug in die Kontaktkomponenten bewirkt. Einer lokal unzulässig hohen Belastung und hierdurch bewirkten Beschädigung der Kontaktkomponenten ist insofern entgegengewirkt.

Zusätzlich sorgen die verteilt angeordneten Anlagenelemente dafür, dass ein Ausgleich etwaiger Form- beziehungsweise Lagetoleranzen großflächig im Bereich der kompletten Schweißstelle bewirkt ist. Dies begünstigt die flächige Anlage der Kontaktkomponenten aneinander und trägt zu einer guten Schweißung bei.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Anlageelement als Teil des Hohlkörpers realisiert. Vorteilhaft wird durch die einstückige Realisierung von Anlageelement und Hohlkörper der Montageaufwand reduziert. Hierdurch ergeben sich produktionstechnische Vorteile.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Werkzeuganlagefläche durch eine Stirnseite des Hohlkörpers bereitgestellt. Bevorzugt gilt dies, wenn der Hohlkörper und das Anlageelement einstückig ausgebildet sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Anlageelement dem Hohlkörper außenmantelseitig zugeordnet. Die außenmantelseitige Zuordnung des Anlageelements zu dem Hohlkörper erlaubt eine einfache Funktionsprüfung beziehungsweise Prüfung der ordnungsgemäßen Montage beispielsweise durch eine Inaugenscheinnahme. Zudem ist die Montage durch die außenmantelseitige Zuordnung des Anlageelements und dessen gute Zugänglichkeit vereinfacht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Anlageelement federnd gelagert. Beispielsweise kann die federnde Lagerung des Anlageelements durch eine Anpressfeder realisiert sein. Vorteilhaft hat sich gezeigt, dass die federnde Halterung des Anlageelements an dem Hohlkörper gleichermaßen kostengünstig zu realisieren und robust ausführbar ist. Entsprechende Niederhalterwerkzeuge sind insofern langlebig und zugleich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Werkzeuganlagefläche konvex ausgebildet. Durch die konvexe, das heißt nach außen gewölbte Form der Werkzeuganlagefläche ist ein variabler Berührbereich definiert, in dem der Kontakt des Niederhalterwerkzeugs mit den Kontaktkomponenten auch bei einer nicht ideal senkrechten Zuordnung von Kontaktkomponenten und Niederhalterwerkzeug ausgebildet wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Werkzeuganlagefläche ringförmig und/oder plan ausgebildet. Der besondere Vorteil der ringförmig beziehungsweise plan ausgebildeten Werkzeuganlagefläche besteht darin, dass das Niederhalterwerkzeug bündig auf eine ebene Oberfläche der ihm zugewandten Kontaktkomponente aufgesetzt werden kann. Es ergibt sich dann eine flächige Krafteinleitung und/oder eine wirksame Abschirmung der Schweißstelle. Einer Verunreinigung an der Umgebung der Schweißstelle ist so wirksam vorgebeugt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sieht der Hohlkörper schlitzartige Ausnehmungen vor zur Realisierung der Nachgiebigkeit des wenigstens einen Anlageelements. Die schlitzartigen Ausnehmungen können beispielsweise mäanderförmig und/oder helixförmig ausgebildet sein. Durch das Vorsehen der schlitzartigen Ausnehmungen wird eine Nachgiebigkeit des Hohlkörpers realisiert, die durch die Größe, Anzahl und Lage der Ausnehmungen in breiten Grenzen bedarfsgerecht eingestellt beziehungsweise beeinflusst werden kann. Durch die schlitzartigen Ausnehmungen gelingt es, einen Bereich des Hohlkörpers, insbesondere einen Endbereich des Hohlkörpers als Anlageelement zu gestalten. Die schlitzartigen Ausnehmungen können dabei in radialer Richtung geneigt und/oder innenseitig abgeschirmt werden, um zu verhindern, dass Metallspritzer durch die Ausnehmungen hindurchtreten und die Umgebung verschmutzen oder an den Ausnehmungen so anhaften und erstarren, dass ihre nachgiebige Funktion beeinflusst ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Anlageelement als ein Anlagestift und/oder als ein Anlagering ausgebildet. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen eines stiftförmigen Anlageelements und bevorzugt durch das Vorsehen von drei oder mehr gleichartigen stiftförmigen Anlageelementen der Niederhalter schonend auf eine nicht senkrecht zu einer Längsmittelachse beziehungsweise Symmetrieachse des Niederhalterwerkzeugs erstreckte erste Kontaktkomponente aufgesetzt werden und diese flächig an eine darunterliegende zweite Kontaktkomponente andrücken. Eben dies kann mit einem ringförmigen Anlageelement ebenfalls bewirkt werden, sofern das Anlageelement verschwenkbar zum Hohlkörper gehalten ist. Das ringförmige Anlageelement verbessert zugleich die Abschirmung der Schweißstelle und wirkt einer Verunreinigung der Umgebung entgegen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Anlageelement als ein Hohlkugelringsegment beziehungsweise hohlkugelringsegmentartig ausgebildet. An dem Hohlkörper kann dann eine zu einer kugelringsegmentartigen Kontur des Anlageelements korrespondierend geformte, insbesondere kugelpfannenartige Stützfläche vorgesehen sein, gegen die das Anlageelement flächig angelegt werden kann. Die nachgiebige beziehungsweise federnde Zuordnung des Anlageelements zu dem Hohlkörper ist darüber hinaus so realisiert, dass der Werkzeugeinsatz relativ zum Hohlkörper verschwenkbar angeordnet ist. Es gelingt insofern, auch bei einer Schrägstellung des Anlageelements relativ zu dem Hohlkörper eine flächige Kraftübertragung vom Hohlkörper auf das Anlageelement und weiter auf die Kontaktkomponenten zu realisieren. Dies gibt Stabilität für den Toleranzausgleich und wirkt einer lokalen, unzulässig hohen Belastung und damit einer Beschädigung des Niederhalterwerkzeugs und/oder der Kontaktkomponenten entgegen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Hohlkörper eine Symmetrieachse auf. Die Nachgiebigkeit des wenigstens einen Anlageelements wirkt beispielsweise in eine Richtung der Symmetrieachse. Insbesondere kann die Längsmittelachse des Niederhalterwerkzeugs die Symmetrieachse bilden. Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind das Niederhalterwerkzeug, das Anlageelement und/oder der Hohlkörper jedenfalls in einem die Werkzeuganlagefläche aufweisenden Bereich aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und bevorzugt aus einer technischen Keramik hergestellt. Die technische Keramik bietet eine hohe Widerstandsfähigkeit und mechanische Festigkeit. Zugleich ist sie thermisch sehr belastbar und daher als Material für das in unmittelbarer Nähe zu der Schweißstelle positionierte Anlageelement besonders geeignet.

Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 15 auf. Demzufolge umfasst eine Laser-Schweißanlage eine Laserquelle, eine Optik zum Formen eines von der Laserquelle bereitgestellten Laserstrahls und zum Bereitstellen eines fokussierten Laserstrahls sowie ein erfindungsgemäßes Niederhalterwerkzeug. Dabei ist der fokussierte Laserstrahl durch den Hohlkörper des Niederhalterwerkzeugs geführt.

Das Niederhalterwerkzeug sowie die Optik und/oder die Laserquelle können in vertikaler Richtung (Z-Richtung) verfahrbar angeordnet sein. Darüber hinaus kann eine verfahrbare Halterung in der Ebene senkrecht zur Symmetrie- beziehungsweise Längsmittelachse des Werkzeugs, mithin in der XY-Ebene vorgesehen sein.

Beispielsweise kann hier eine Portalkinematik verwendet werden, um das Niederhalterwerkzeug, die Optik und/oder die Laserquelle zu verfahren und bedarfsgerecht zu positionieren.

Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Die dort erwähnten Merkmale können jedenfalls einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des Niederhalterwerkzeugs gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der Laser-Schweißanlage und umgekehrt. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.

Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Laser-Schweißanlage mit einem Niederhalterwerkzeug bei ideal senkrechter Orientierung einer Arbeitsebene zu einer Symmetrieachsenebene des Niederhalterwerkzeugs und Erstreckung der zu verschweißenden Kontaktkomponenten in der Arbeitsebene,

Fig. 2 eine Darstellung eines Spalts nichtkonstanter Breite zwischen Niederhalterwerkzeug und Kontaktkomponenten bei einer nicht parallelen Orientierung der Kontaktkomponenten zu der Arbeitsebene,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch das Niederhalterwerkzeug in der siebten Ausführungsform und

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der siebten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs nach Fig. 9, Fig. 11 eine perspektivische Darstellung einer achten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer neunten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs

Fig. 13 einen Längsschnitt durch die neunte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs nach Fig. 12 und

Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs

Für das Verschweißen von metallischen Kontaktkomponenten 1, 2 in der Elektrotechnik, Batterietechnik beziehungsweise Leistungselektronik werden unter anderem Laser-Schweißanlagen mit einer Laserquelle 3 als Energiequelle eingesetzt. Ein von der Laserquelle 3 bereitgestellter Laserstrahl wird dabei typischerweise durch einen Lichtwellenleiter zu einer Optik 4 geleitet, die sich oberhalb der Kontaktkomponenten 1, 2 und einer Arbeitsebene 5 befindet. Die Optik 4 ist so ausgerichtet, dass die Symmetrieachse 6 des fokussierten Strahls 7 kollinear mit einer Längsmittelachse beziehungsweise Symmetrieachse 8 eines Niederhalterwerkzeugs 9 der Laser-Schweißanlage und senkrecht zu der Arbeitsebene 5 verläuft (vergleiche Fig. 1).

Die zu verschweißenden Kontaktkomponenten 1, 2 beziehungsweise ihre Kontaktfkächen sind im Idealfall in der Arbeitsebene 5 erstreckt beziehungsweise dazu parallel. Die Kontaktflächen der Kontaktkomponenten 1, 2 verlaufen dabei planparallel zueinander. Das Niederhalterwerkzeug 9 dient dann dazu, die Kontaktkomponenten 1, 2 spaltfrei aufeinander zu drücken. Insbesondere bei dem bevorzugt verwendeten Tiefschweißen müssen die zu verschweißenden Kontaktkomponenten 1, 2 bündig übereinanderliegen. Es darf kein Spalt zwischen den Kontaktkomponenten 1 , 2 bestehen, da ansonsten eine qualitativ hochwertige, spritzerarme oder -freie Schweißung nicht möglich ist.

Die Kontaktstellen der zu verbindenden Kontaktkomponenten 1 , 2 können, falls die

Topologie das zulässt, so ausgerichtet werden, dass sie direkt miteinander verbunden werden. Für die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung sind dann keine zusätzlichen Leitungen (mit runden oder rechteckigen Querschnitten) notwendig.

Ist die Anzahl der Kontaktstellen groß oder liegen diese ungünstig, so ist eine direkte Verbindung der Kontaktstellen nicht möglich, es werden zusätzliche Leiter benötigt, die an die Kontaktstellen gebracht werden müssen und dort durch eine geeignete Verbindungstechnik mit den Kontaktstellen der Komponenten verbunden werden müssen. Um die Leiter nicht einzeln zu den jeweiligen Kontaktstellen bringen zu müssen, ist es sinnvoll, die erforderlichen Verbindungen in einem zusätzlichen Kontaktiersystem zusammenzufassen. Das Kontaktiersystem ähnelt typischerweise einer Leiterplatte, die alle Leitungen für die Verbindung der Einzelkomponenten enthält. Derartige Kontaktiersysteme werden beispielsweise für die Verdrahtung größerer Batteriemodule oder anderer, matrixförmig angeordneter Komponenten verwendet. An den Stellen, an denen die Kontaktstellen des zu verdrahtenden Moduls liegen, hat das Kontaktiersystem Freimachungen, aus denen ein Kontaktstreifen austritt und mit dem Kontakt des Moduls verbunden werden kann.

Das für das Herstellen der Kontakte verwendete Niederhalterwerkzeug 9 ist beispielsweise röhrenartig ausgebildet. Es ist mit einer der Optik 4 abgewandten Stirnseite 10 flächig an einer der Optik 4 zugewandten ersten, oberen Kontaktkomponente 1 angelegt und so dimensioniert beziehungsweise positioniert, dass der fokussierte Laserstrahl 7 durch es hindurchgeführt wird und an der der Optik 4 abgewandten Stirnseite 10 auf die erste Kontaktkomponente 1 trifft. Die flächige Anlage des Niederhalterwerkzeugs 9 sorgt dabei dafür, dass beim Verschweißen aufgeschmolzenes Material nicht unkontrolliert verspritzt. Das Niederhalterwerkzeug 9 beugt insofern einer Verschmutzung der Umgebung und einer möglichen Fehlfunktion durch das Ausbilden schadhafter, unbeabsichtigter elektrisch leitender Kontakte entgegen.

Die Module können Kontaktstellen beziehungsweise -flächen in unterschiedlicher Höhe enthalten. Das Niederhalterwerkzeug 9 ist mit einem Achssystem der Laser- Schweißanlage fest verbunden, das in vertikaler Richtung beweglich gelagert ist. Das Niederhalterwerkzeug 9 kann insoweit Kontaktstellen beziehungsweise -flächen in unterschiedlicher Höhe erreichen. Die Ausrichtung des Niederhalterwerkzeugs 9 verläuft senkrecht zu der Arbeitsebene 5, auf denen die Module fixiert werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Niederhalterwerkzeug 9 über eine geeignete xy- Kinematik horizontal bewegt und positioniert wird.

Die Optik 4 der in Fig. 1 dargestellten Laser-Schweißanlage ist von einer Steuerung 11 der Laser-Schweißanlage ansteuerbar und eingerichtet, den fokussierten Laserstrahl 7 entlang der Kontaktkomponenten 1, 2 zu bewegen und eine linienförmige oder flächige Verschweißung auszubilden.

In der Praxis ist nun häufig zu beobachten, dass die Kontaktelemente 1 , 2 nicht exakt in der Arbeitsebene 5 erstreckt angeordnet sind und/oder sich nicht planparallel zueinander erstrecken. Beispielsweise können die Kontaktelemente 1, 2 aufgrund ihrer Formgebung sich nur an einigen wenigen Punkten berühren und/oder schräg zu der Arbeitsebene 5 und/oder zueinander angeordnet sein. Eine flächige Anlage der Kontaktkomponenten 1, 2 aneinander und eine flächige Anlage des Niederhalterwerkzeugs 9 an der ersten, oberen Kontaktkomponenten ist in diesem Fall nicht ohne Weiteres möglich.

Relativ zu der Arbeitsebene des Systems können die Kontaktflächen der Module, die die zweite, untere Kontaktkomponente 2 bilden, schräg liegen. Die zu verbindenden Kontakte müssen in solchen Fällen parallel zur Kontaktfläche des Moduls ausgerichtet werden, um einen Nullspalt sicherzustellen und eine dauerhafte und leitfähige Kontaktierung zu gewährleisten. Bei einem feststehenden Niederhalterwerkzeug, das senkrecht zur Arbeitsebene ausgerichtet ist, ist das nicht möglich.

Fig. 2 verdeutlicht den Sachverhalt exemplarisch für den Fall, dass die Kontaktkomponenten 1, 2 schräg zu der Arbeitsebene 5 angeordnet sind. Das Niederhalterwerkzeug 9 berührt die erste, obere Kontaktkomponente 1 nur in einem einzigen Berührpunkt 26 und es bildet sich folglich ein Spalt 12, durch den aufgeschmolzenes Material hindurchtreten kann.

Um bei einer ungünstigen Ausrichtung der Kontaktkomponenten 1, 2 zueinander und/oder zur Arbeitsebene 5 der Bildung des Spalts 12 entgegenzuwirken und eine flächige Anlage der Kontaktkomponenten 1 , 2 aneinander zu begünstigen, kann das Niederhalterwerkzeug 9 sich insbesondere im Bereich der der Optik 4 abgewandten Stirnseite 10 der Lage und Form der Kontaktkomponenten 1, 2 anpassen. Hier ist eine Ausgleichsmöglichkeit für eine Schiefstellung im einstelligen Gradbereich (0° bis <10°) zu realisieren.

Für die Anpassung an die Lage und Form der Kontaktkomponenten 1, 2 soll nach Möglichkeit der Drehpunkt zur Ausrichtung des Niederhalterwerkzeugs 9 in der Kontaktebene liegen, um ein Gleiten auf der Kontaktfläche der ersten Kontaktkomponente 1 zu vermeiden. Aus der Richtung der Laserquelle 3 betrachtet soll die Innenkontur des Niederhalterwerkzeugs 9 möglich nicht verändert werden. Kardanische Aufhängung mit den Drehpunkten oberhalb der Kontaktfläche sind nachteilig, da für solche Systeme die Kontur des Niederhalterwerkzeugs in Längsrichtung nicht erhalten bleibt. Für kleine Auslenkungen ist das Doppelkardangelenk aufgrund vernachlässigbarer Nachteile dennoch einsetzbar.

Das Niederhalterwerkzeug 9 kann einen beliebig geformten Querschnitt haben, der als Kreis, Ellipse, Vieleck oder durch beliebig geformte andere geschlossene Trajektorien realisiert werden kann. Das durch die Innenkontur begrenzte Volumen ist aus dem Niederhalterwerkzeug 9 entfernt, die Innenkontur begrenzt den Hohlraum. Die Innenkontur kann sich von der Außenkontur unterscheiden, um zusätzliche Funktionalitäten in das Niederhalterwerkzeug 9 zu integrieren. Die Querschnittsflächen des Niederhalterwerkzeugs 9 (innen und außen) können sich in Längsrichtung des Werkzeugs 9 verändern. Die Grundflächen des Niederhalterwerkzeugs können gegeneinander geneigt sein oder parallel verlaufen.

Eine erste Ausführungsform eines Niederhalterwerkzeugs 9 gemäß Fig. 3 sieht einen exemplarisch zylinderförmigen Hohlkörper 13 mit einer geschlossen ausgebildeten Mantelfläche 14 vor. Außenmantelseitig sind an dem Hohlkörper 13 in eine Umfangsrichtung verteilt insgesamt drei Anlageelemente 15 angeordnet. Die Anlageelemente 15 sind stiftförmig ausgebildet und sehen einen Kugelkopf vor, der eine konvex gekrümmte Werkzeuganlagefläche 16 bereitstellt. Mit den Werkzeuganlageflächen 16 der drei Anlageelemente 15 kann die erste, obere Kontaktkomponente 1 gegen die zweite, weitere Kontaktkomponente 2 angedruckt werden. Dies gelingt selbst dann, wenn die zweite Kontaktkomponente 2 schief zur Arbeitsebene 5 orientiert und so steif ausgebildet ist, dass sie sich beim Absenken des Niederhalterwerkzeugs 9 nicht verformt. Die Anlagestifte 15 sind über eine Feder 17 elastisch beziehungsweise nachgiebig in einer Führung 18 gehalten und geführt. Exemplarisch ist zur Verdeutlichung des Aufbaus eine der zwei dargestellten Führungen 18 nur teilweise dargestellt.

Die geschlossene Mantelfläche 14 des Hohlkörpers 13 schirmt den fokussierten Laserstrahl 7 samt etwaiger Reflexionen ab. Zudem dient er als Spritzschutz.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise dieses Niederhalterwerkzeugs 9 sind der ersten Ausführungsform sehr ähnlich. Jedoch sind nunmehr acht in die Umfangsrichtung verteilt angeordnete Anlagestifte 15 federnd gehalten.

Das Niederhalterwerkzeug 9 nach der ersten Ausführungsform ist insbesondere für plane Kontaktkomponenten 1,2, deren Erstreckung in einer Ebene durch drei Punkte eindeutig bestimmt ist, gut geeignet. Das Niederhalterwerkzeug 9 mit den acht Anlagestiften 15 eignet sich demgegenüber insbesondere für Konstellationen, bei denen die erste und/oder zweite Kontaktkomponente 1, 2 wellig oder in anderer Weise nicht plan geformt sind.

Eine der gezeigten ersten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 ähnliche dritte Ausführungsform nach Fig. 5 sieht einen Anlagering als Anlageelement 15 vor. Der Anlagering 15 stellt die ringförmige Werkzeuganlagefläche 16 bereit. Er ist an drei Stützstellen schwenkbar und nachgiebig zu dem Hohlkörper 13 des Niederhalterwerkzeugs 9 gelagert. Die Lagerung erfolgt über in Führungen 18 geführte, nicht dargestellte Federn 17 sowie drei Köpfe 20, die beispielsweise als Kugelköpfe ausgebildet sein können.

Der Anlagering 15 des Niederhalterwerkzeugs 9 wird mit der Werkzeuganlagefläche 16 gegen die obere, erste Kontaktkomponente 1 angelegt. Er ist dabei neigbar gegenüber dem Hohlkörper 13 des Niederhalterwerkzeugs 9. Durch seine geschlossene Mantelfläche dient er zugleich als erweiterter Spritzschutz.

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9. Der Hohlkörper 13 stellt benachbart zu seiner ersten Stirnseite 10 acht in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Anlageelemente 15 bereit. Die Anlageelemente 15 sehen jeweils schlitzartige Ausnehmungen 19 vor, die mäanderförmig ausgebildet sind und durch die Mäanderform eine Nachgiebigkeit bereitstellen. Die Nachgiebigkeit kann beispielsweise über Gelenke, insbesondere Festkörpergelenke, hergestellt werden.

Die Anlageelemente 15 sind bei der vierten Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 als Teil des Hohlkörpers 13 realisiert. Gemeinsam bilden die Anlageelemente 15 einen nachgiebigen Ring, der es ermöglicht, das Niederhalterwerkzeug 9 mit der Werkzeuganlagefläche 16, die durch dessen erste Stirnseite 10 gebildet ist, flächig gegen die obere, erste Kontaktkomponente 1 anzulegen.

Die mäanderförmigen, schlitzartigen Ausnehmungen 19 können beispielsweise durch Erodieren hergestellt werden.

Eine der vierten Ausführungsform ähnliche fünfte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 ist in Fig. 7 gezeigt. Hier bilden die schlitzartigen Ausnehmungen 19 das Anlageelement 15, welches Teil des Hohlkörpers 13 ist. Das Anlageelement 15 ist dabei nach Art eines Kardangelenks realisiert, welches es ermöglicht, das Niederhalterwerkzeug 9 mit der ersten Stirnseite 10 des Hohlkörpers 13, die zugleich als Werkzeuganlagefläche 16 dient, gegen die obere, erste Kontaktkomponente 1 anzulegen.

Fig. 8 zeigt eine sechste Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9, bei dem zwei Gruppen von schlitzartigen Ausnehmungen 19, die bezogen auf die Symmetrieachse 8 des Niederhalterwerkzeugs 9 übereinander und benachbart zueinander angeordnet sind, zwei Anlageelemente 15 in der Form eines doppelten Kardangelenks bilden. Die Anlageelemente 15 sind auch hier als Teil des Hohlkörpers 13 realisiert.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine siebte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9. Die siebte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 ist eine Weiterentwicklung der sechsten Ausführungsform des Niederhalters 9 nach Fig. 6. Dabei sieht das Niederhalterwerkzeug 9 einen Spritzschutzring 25 vor, der von innen über die schlitzartigen Ausnehmungen 19 ragt und radial beabstandet zu ebendiesen vorgesehen ist. Der Spritzschutzring 25 verhindert, dass beim Schweißen entstehende Spritzer durch die Ausnehmungen 19 hindurchtreten oder in den Ausnehmungen 19 erstarren und dann die Nachgiebigkeit beziehungsweise Elastizität beeinträchtigen.

Der Spritzschutzring 25 endet so oberhalb der Werkzeuganlagefläche 16, dass er auch dann beabstandet zu der oberen, ersten Kontaktkomponente 1 vorgesehen ist, wenn der Niederhalter 9 auf die obere, erste Kontaktkomponente 1 aufgesetzt ist. Der radiale Abstand des Spritzschutzrings 25 zu den durch die schlitzartigen Ausnehmungen 19 gebildeten Anlageelementen 15 gewährleistet dabei die Elastizität beziehungsweise Nachgiebigkeit beim Aufsetzen des Niederhalters 9.

Eine achte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 11 sieht ein Niederhalterwerkzeug 9 vor, bei dem der Hohlkörper 13 mit der Stirnseite 10 die Werkzeuganlagefläche 16 bildet und benachbart zu der Werkzeuganlagefläche 16 eine schraubenlinienförmige beziehungsweise helixartig geformt, schlitzartige Ausnehmung 19 vorsieht. Die Ausnehmung 19 stellt eine Nachgiebigkeit bereit, über die das Anlageelement 15 definiert ist, welches auch hier als Teil des Hohlkörpers 13 realisiert ist.

Eine neunte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 nach den Fig. 12 und 13 sieht ein getrennt von dem Hohlkörper 13 gebildetes Anlageelement 15 vor. Das Anlageelement 15 ist verschwenkbar zu dem Hohlkörper 13. Es sieht eine kugelringsegmentartig geformte Außenmantelfläche vor, die in eine kugelpfannenartig geformte Aufnahme des Hohlkörpers 13 eingreift. Zudem sieht das kugelringsegmentartige Anlageelement 15 eine Durchgangsausnehmung vor, durch die der in den Fig. 12 und 13 nicht dargestellte fokussierte Laserstahl 7 hindurchtreten kann.

Zum verschwenkbaren Verbinden von Hohlkörper 13 und Anlageelement 15 sieht das Anlageelement 15 von seiner Außenmantelfläche abragende Stifte 21 vor, die in eine labyrinthartige Führungsnut 22 eingreifen, die an dem Hohlkörper 13 gebildet ist und einen in die Richtung der Symmetrieachse 8 des Hohlkörpers 13 erstreckten Bewegungsfreiheitsgrad bereitstellt. Durch die Formgebung der Führungsnut 22 ist zudem bewirkt, dass das Anlageelement 15 durch eine kombinierte Längs- und Drehbewegung einfach und schnell gewechselt werden kann. Eine der neunten Ausführungsform ähnliche zehnte Ausführungsform des Niederhalterwerkzeugs 9 nach Fig. 14 sieht zusätzlich zu den Stiften 21 und der Führungsnut 22 Federn 17 vor, die über einen ersten Halter 23 an dem Hohlkörper 13 gehalten sind und über einen zweiten Halter gegen die Stifte 21 abgestützt sind. Die Federn 17 erstrecken sich in die Richtung der Längsmittelachse beziehungsweise Symmetrieachse 8 des Hohlkörpers 13 und definieren so eine Elastizität beziehungsweise Nachgiebigkeit des Niederhalterwerkzeugs 9 in Richtung der Längsmittelachse beziehungsweise Symmetrieachse.

Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Bezugszeichenliste

1 Kontaktkomponente

2 Kontaktkomponente

3 Laserquelle

4 Optik

5 Arbeitsebene

6 Symmetrieachse

7 fokussierter Laserstrahl

8 Symmetrieachse

9 Niederhalterwerkzeug

10 Stirnseite

11 Steuerung

12 Spalt

13 Hohlkörper

14 Mantelfläche

15 Anlageelement

16 Werkzeuganlagefläche

17 Feder

18 Führung

19 Ausnehmung

20 Kugelkopflager

21 Stift

22 Führungsnut

23 Halter

24 Halter

25 Spritzschutzring

26 Berührpunkt

Claims

Patentansprüche

1. Niederhalterwerkzeug (9) für eine Laser-Schweißanlage umfassend einen röhrenförmigen Hohlkörper (13), welcher eine zumindest abschnittsweise flächig geschlossen ausgebildete Mantelfläche (14) aufweist, sowie wenigstens ein Anlageelement (15), welches nachgiebig ausgebildet und/oder gehalten ist und eine Werkzeuganlagefläche (16) zum Anlegen des Anlageelements (15) an eine zu verschweißende Kontaktkomponente (1) bereitstellt.

2. Niederhalterwerkzeug (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei und bevorzugt wenigstens fünf und besonders bevorzugt sieben oder mehr Anlageelemente (15) vorgesehen sind.

3. Niederhalterwerkzeug (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageelemente (15) in eine Umfangsrichtung des Hohlkörpers (13) zueinander beabstandet und bevorzugt regelmäßig verteilt angeordnet sind.

4. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageelement (15) als Teil des Hohlkörpers (13) realisiert ist.

5. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganlagefläche (16) durch eine Stirnseite (10) des Hohlkörpers (13) bereitgestellt ist.

6. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Anlageelement (15) dem Hohlkörper (13) außenmantelseitig zugeordnet ist.

7. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Anlageelement (15) federnd gelagert und/oder senkrecht zu dem Hohlkörper (13) angeordnet und/oder an dem Hohlkörper (13) gehalten ist.

8. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganlagefläche (16) konvex ausgebildet ist.

9. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganlagefläche (16) ringförmig und/oder plan ausgebildet ist.

10. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (13) schlitzartige Ausnehmungen (19) vorsieht zur Realisierung der Nachgiebigkeit und/oder nachgiebigen Halterung des wenigstens einen Anlageelements (15), wobei die schlitzartigen Ausnehmungen (19) bevorzugt mäanderförmig und/oder helixförmig ausgebildet sind.

11. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Anlageelement (15) als ein Anlagestift und/oder als ein Anlagering und/oder als ein Hohlkugelringsegment ausgebildet ist und/oder dass das wenigstens eine Anlageelement (15) eine kugelringsegmentartig geformte Außenmantelfläche vorsieht.

12. Niederhalterwerkzeug (9) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageelement (15) mit der kugelringsegmentartig geformten Außenmantelfläche in eine kugelpfannenartig geformte Aufnahme des Hohlkörpers (13) eingreift.

13. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (13) eine Symmetrieachse (8) aufweist und/oder dass die Nachgiebigkeit und/oder nachgiebigen Halterung des wenigstens einen Anlageelements (15) in eine Richtung der Symmetrieachse (8) wirkt.

14. Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageelement (15) und/oder der Hohlkörper (13) jedenfalls in einem die Werkzeuganlagefläche 16 aufweisenden Bereich aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und bevorzugt aus einer technischen Keramik hergestellt ist.

15. Laser-Schweißanlage umfassend eine Laserquelle (3), umfassend eine Optik (4) zum Formen eines von der Laserquelle (3) bereitgestellten Laserstrahls und zum Bereitstellen eines fokussierten Laserstrahls (7) und umfassend ein Niederhalterwerkzeug (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der fokussierte Laserstrahl (7) durch den Hohlkörper (13) des Niederhalterwerkzeugs (9) geführt ist.