WO2019149310A1 - SCHWEIßVERFAHREN UND LASERSCHWEIßVORRICHTUNG ZUM VERBINDEN VON FOLIENARTIGEN WERKSTÜCKEN - Google Patents

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Marcus Neumann
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Scansonic Mi Gmbh
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a welding method for reliable joining of folia-type workpieces made of an electrically conductive material, such as aluminum or copper, on a lap joint and a laser welding device.
  • the invention is z. B. applicable in the field of accumulation technology.
  • metal foils are often used as electrodes or for electrical contacting of the electrodes. These metal foils are characterized by a thickness of significantly less than 1 mm. Ultrasonic processes, pulsed arc welding and resistance spot welding are known for joining such thin foils.
  • a disadvantage of this method is z. Eg the long process duration. In ultrasonic welding, the joining partners must also be accessible from both sides. In addition, a joining of metal foils thinner than 300 pm is not possible.
  • connection errors and seam defects are the consequence.
  • focal spot diameters usually have to be used, which generate a large melt volume.
  • this leads to contraction and tearing of the melt, i. H. It forms a "hole” in the molten bath.
  • joints are welding technology not quality produced.
  • thin films are cut by the laser beam rather than joined.
  • WO 2017/125253 A1 describes a method for connecting pipes by means of laser welding, in which the first movement of the laser beam is superimposed by a second, high-frequency oscillating movement, in particular with a deflection of 0.15-0.25 mm and a frequency of 3000 - 4000 Hz is executed.
  • a device for laser welding is also known from DE 20 2016 106 131 U1; this has a scanner optics with a movable scanner mirror for guiding the laser beam, a hold-down device with pressure elements for fixing the workpieces, an edge detection sensor system and an evaluation and control unit that is connected to the scanner optics and the edge detection sensor system.
  • sheet-like workpieces herein is meant sheets having a maximum thickness of 300 pm. It is emphasized, however, that the method according to the invention can also be used for joining thicker sheets; Advantageously, by means of the method 4 pm to 20 pm thin films with a high connection cross-section add, so that z. B. when using the films as electrical conductor ter a low-resistance electrical contacting of the films is feasible.
  • the process for producing the welding connection is carried out with a remote laser welding device.
  • a processing laser generates a laser beam, preferably a continuously emitted laser beam (referred to in the jargon as "cw operation"), which is deflected with the aid of scanner optics and impinges on a workpiece surface plane of the workpieces to be connected in a laser spot.
  • the laser beam is focused in such a way that the cross-sectional dimension of the laser spot in the workpiece surface level is in the micrometer range, ie. H. is less than 300 pm.
  • the workpieces and the remote laser welding device are moved relative to one another by means of a feed device, for example a linear or rotary table, in a predetermined joining direction.
  • the foil-like workpieces to be joined are pressed onto one another by means of a hold-down device, at least in the region of the joining seam to be created, so that any gap formed between the foils is minimized at this position.
  • the scanner optics By means of the scanner optics, the laser beam and with this the laser spot in a -. B. anharmonic - high frequency oscillating pendulum motion.
  • this high-frequency oscillating movement takes place with an oscillation frequency in the range from 1 to 10 kHz and an oscillation amplitude in the range from 20 to 300 ⁇ m.
  • this joining seam course has the geometric shape of a spiral.
  • the seam width i. H. the extent of the spiral arm of the joint seam transverse to the seam, significantly larger than the diameter of the laser spot on the workpiece surface.
  • the seam width is 800 ⁇ m with a laser spot diameter of 80 ⁇ m.
  • the spiral arms of the joint seam d. H. adjacent web sections of the spiral-shaped joint seam, spaced from one another.
  • the distance corresponds at least to the diameter of the laser spot, the seam width itself is a maximum of 800 pm.
  • the distance of the spiral arms is less than their transverse extent, d. H. the seam width, is. It is preferably provided that the distance of the spiral arms 35% to 65% of the transverse extent of the spiral arm, d. H. the seam width is.
  • the spiral can have the geometric shape of an Archimedean or a logarithmic spiral. However, it can also be composed of straight line sections, which are each arranged at an angle to the adjoining adjoining sections of the track, analogous to a polygon. h., the spiral arms are bent.
  • the laser spot is moved at a comparatively high path speed in the workpiece surface plane, wherein it is provided that the laser spot is moved at a path speed of at least 100 mm / s along the predetermined path curve.
  • spiral-shaped joint seams are produced in pairs, wherein a second flexible spiral arranged concentrically to a first flexible spiral is inserted into the intermediate spaces of the first flexible spiral.
  • the spiral arms of the second joint seam extend between the spiral arms of the first joint seam. In this way, the strength of the joint connection is advantageously increased.
  • weld seam paths of the first and second joining seam spirals can overlap in the workpiece surface plane perpendicular to the joint seam by 10% to 40%.
  • the joint seam may have a sawtooth microstructure, i. h.
  • the laser spot oscillates periodically across the feed direction back and forth.
  • a rectangular microstructure is conceivable, with the oscillatory form of the oscillating pendulum motion being a rectangle.
  • the high-frequency oscillating movement of the laser spot can describe circles on the workpiece surface, so that the (macroscopic) spiral of the joining seam has a likewise spiral-shaped microstructure.
  • the weld seam sections for. B., each with identical geometric dimensions, formed, wherein the juxtaposition of the weld seam sections in the workpiece surface plane results in a continuous, spiral-shaped joint seam.
  • the joint seam presents itself as an uninterrupted spiral.
  • the weld seam sections z. B. are arranged side by side in parallel rows, wherein the rows are arranged substantially perpendicular to the spiral course of the joint seam.
  • one of the advantages of the process is that aluminum and copper materials - alike AICu alloys - are weld free of cracks. This enables a stable, economical production process.
  • the high-frequency oscillating pendulum movement in conjunction with the small diameter of the laser spot also allows a close spatial positioning of the weld seam sections to each other so that seam strengths equal to a continuous joint seam can be achieved safely, with even thin films joined - and not cut by the laser beam.
  • the power input on the trajectory of the laser spot is controlled synchronously with the oscillating oscillating motion of the laser beam, d. That is, the power input by the laser beam into the workpieces at the laser spot is periodically changed with a power input period between a maximum value and a minimum value.
  • Power input is understood as the heat energy at the laser spot introduced per unit of time by the laser beam into the workpiece. In this case, the minimum value may be below the power input necessary for melting the workpiece materials.
  • the change in the line entry of the laser beam at the laser spot can be achieved by various measures, namely by varying the laser power, by focusing / defocusing the laser beam or by changing the speed with which the laser spot moves on the workpiece surface.
  • the laser welding device for carrying out the welding method comprises a hold-down device with pressure elements, a scanner optics for remote processing, an edge detection sensor and an evaluation and control unit.
  • the evaluation and control unit is set up to control the laser beam within these edges on a spiral path based on the edges of the hold-down device or their pressing elements detected by the edge detection sensor system.
  • the control unit is set up to implement the method according to the invention.
  • the laser welding device preferably comprises a continuously emitting laser (cw laser).
  • cw laser continuously emitting laser
  • a pressure element which presses from above, ie in the laser beam propagation direction in front of the workpiece surface, onto the first film to be joined, may be annular. Accordingly, the edge detection sensor detects the inner edge of the ring and positions the insertion spiral into the center of the ring by the evaluation and control unit. As a result, expensive positioning machines can be dispensed with.
  • the pendulum movement of the laser or the laser spot is activated by active, d. H. powered, deflection units, typically rotatable mirrors, generated within the scanner optics.
  • deflection units typically rotatable mirrors
  • these deflection units are set up to allow the laser beam to oscillate spatially in the kilohertz range.
  • the scanner optics are constructed so that the laser beam is deflected transversely and longitudinally to the joining direction.
  • Anharmonically oscillating pendulum movement of the laser spot can therefore take place alternately along and transversely to the joining direction or in a complex superimposition or sequence of transverse and longitudinal oscillating movements.
  • This makes it possible in a variety of ways to adapt the shape, microstructure and extent of the weld to be formed, for example also to reduce the cross-section of the joint seam, i. H. the seam width, in the course of which increase from the center of the spiral to the outer edge region.
  • the edge detection sensor may be a camera, e.g., a gray-scale image camera, wherein the evaluation and control unit connected to the camera is set up, press images of the camera at least with regard to a position of the pressure element which presses on the film-like workpiece arranged at the top with respect to the scanner optics. evaluate and position the laser spot with respect to the edges of this pressure element.
  • a camera e.g. For example, a gray-scale image camera, wherein the evaluation and control unit connected to the camera is set up, press images of the camera at least with regard to a position of the pressure element which presses on the film-like workpiece arranged at the top with respect to the scanner optics. evaluate and position the laser spot with respect to the edges of this pressure element.
  • 1 shows a remote laser welding device during welding in the sectional view
  • 2 a spiral-shaped joint seam in plan view
  • FIG. 3 shows a web section of a microstructured seam
  • Fig. 4 a double spiral joint seam in plan view.
  • the remote laser welding device comprises the processing laser 20 which generates the continuous laser beam 2 and the scanner optics 1.
  • the laser beam 2 is generated within the scanner optics 1 via the collimation unit 17, the active deflection unit 21, the focusing unit 19 and the active deflection unit 14 on the overlapping, to be welded workpieces 4 and 5 directed.
  • the laser beam 2 impinges on the workpiece surface plane 18 of the workpiece 4 arranged at the top in the laser spot 22.
  • the holding-down device 6, comprising the pressing elements 7 and 8, presses the workpiece 4 arranged on top in the region of the joining seam to be produced onto the workpiece 5 arranged below.
  • the measuring light 13 propagates from the workpiece surface plane 18 via the active deflection unit 14, the focusing unit 19 and through the semitransparent active deflection unit 21 to the edge detection sensor system 9 comprising the camera focusing unit 16 and the camera 3.
  • the evaluation and control unit 10 connected to the edge detection sensor 9 is used for evaluation of the edge detection, process monitoring and control, for example for exact positioning of the laser spot 22 on the workpiece surface plane 18 by edge detection on the annular pressure element 7 of the hold-down device 6th
  • the spiral-shaped joining seam 11 in FIG. 2 extends in the center of the annular pressure element 7.
  • the laser spot 22 is guided along the path curve 23.
  • the trajectory curve 23 is composed of welded seam sections arranged in each case perpendicular to one another.
  • the transverse extent of the joining seam 11, ie the seam width 15, is thus determined by the - in this example rectangular - beam oscillation transversely to the joining direction 12.
  • the trajectory 23 of the laser spot 22 describes during welding of this joining seam 11 a kind of meander whose envelope defines the spiral-shaped joining seam 11.
  • the arrow at the end of the trajectory 23 illustrates the movement of the laser spot 22.
  • the orientation of the individual weld seam sections results from the superimposition of the feed movement along the joining direction 12 and the pivot movement of the laser spot 22 transversely and longitudinally to the joining direction 12. This movement is performed with an oscillation frequency of 10 kHz and an oscillation amplitude of 20 pm.
  • FIG. 4 shows a joining connection by means of a first spiral-shaped joining seam 11.1 and a second joining spiral 11.2 arranged concentrically between the spiral arm thereof.
  • the two spirals 11.1 and 11.2 are shown separately from each other; in fact, in this example, an overlap of the respective spiral arms of 30% of the transverse dimension 15 would be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum prozesssicheren Verbinden von folienartigen Werkstücken (4, 5) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie Aluminium oder Kupfer, an einem Überlappstoß sowie eine Laserschweißvorrichtung. Die Erfindung ist z. B. anwendbar im Bereich der Akkumulationstechnik, wo Folien mit Folienstärken von weniger als 300 prn elektrisch leitend verbunden werden müssen. Erfindungsgemäß wird ein Laserstrahl (2) über die Oberfläche des oberen (4) zweier zu fügender, folienartiger Werkstücke (4, 5) entlang einer spiralförmigen Bahn geführt, wobei der Laserstrahl (2) zusätzlich einer hochfrequenten Pendelbewegung unterworfen wird. Es werden paarweise spiralförmige Fügenähte (11.1, 11.2) erzeugt, wobei eine erste (11 1) und eine zweite (11.2) spiralförmige Fügenaht derart ineinander gesetzt werden, dass die Spiralbahnen der zweiten Fügenaht (11.2) zwischen den Spiralbahnen der ersten Fügenaht (11.1) angeordnet sind.

Description

Schweißverfahren und Laserschweißvorrichtung zum Verbinden von folienartigen Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum prozesssicheren Verbinden von foli- enartigen Werkstücken aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie Aluminium oder Kupfer, an einem Überlappstoß sowie eine Laserschweißvorrichtung. Die Erfin- dung ist z. B. anwendbar im Bereich der Akkumulationstechnik.
In Akkumulatoren werden häufig Metallfolien als Elektroden oder zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden eingesetzt. Diese Metallfolien sind durch eine Stärke von deutlich weniger als 1 mm gekennzeichnet. Zum Fügen derartig dünner Folien sind Ultraschallverfahren, gepulstes Lichtbogenschweißen und Widerstandspunkt- schweißen bekannt.
Nachteilig an diesen Verfahren ist z. B. die lange Prozessdauer. Beim Ultraschall- schweißen müssen die Fügepartner überdies von beiden Seiten zugänglich sein. Außerdem ist ein Fügen von Metallfolien, die dünner als 300 pm sind, nicht möglich.
Insbesondere beim Schweißen dünner Folien mit einer Stärke von weniger als 300 pm führt die Oberflächenspannung der Schmelze zu einem Aufreißen des
Schmelzpools im Zentrum, sodass Anbindungsfehler und Nahtdefekte die Konse- quenz sind. Beim ungepulsten Laserstrahlschweißen müssen in der Regel Brenn- fleckdurchmesser verwendet werden, die ein großes Schmelzvolumen generieren. Dies führt jedoch aufgrund der Oberflächenspannung zum Zusammenziehen und Aufreißen der Schmelze, d. h. es bildet sich ein„Loch“ im Schmelzbad. Somit sind Fügeverbindungen schweißtechnisch nicht qualitätsgerecht herstellbar. Insbesonde- re werden dünnen Folien vom Laserstrahl zerschnitten anstatt gefügt.
Zudem ist bei großen Schmelzbädern eine Vermischung unterschiedlicher Werkstof- fe kaum vermeidbar. Insbesondere beim Schweißen von Aluminium-Kupfer- Mischverbindungen wird die Schweißnaht aufgrund der Bildung intermetallischer Phasen sehr spröde, was wiederum zum Versagen der Schweißnaht führen kann. Legierte Werkstoffe können folglich nicht oder nur eingeschränkt gefügt werden, wenn aufgrund des eingesetzten Verfahrens ein ausgedehntes Schmelzbad entsteht. Das gepulste Laserschweißen ermöglicht zwar kleine Schmelzbadvolumina, sodass ein Zusammenlaufen der Schmelze verhindert wird. Doch aufgrund der geringeren Leistungseinbringung wird pro Zeiteinheit nur eine geringe Materialmenge aufge- schmolzen; die damit einhergehenden erhöhten Taktzeiten senken die Wirtschaft- lichkeit beim gepulsten Laserschweißen. Eine Erhöhung der Pulsfrequenz führt je- doch wieder zu denselben Nachteilen, die oben für das kontinuierliche Laserschwei- ßen beschrieben wurden.
Aus DE 10 2016 118 986 A1 ist ein Verfahren zum Schweißen von folienartigen Werkstücken mittels Laserstrahl bekannt, demgemäß die zu schweißenden Werkstü- cke mittels einer Vorschubeinrichtung relativ zum Laser bewegt werden, wobei der Laser eine dem Vorschub überlagerte Pendelbewegung ausführt. Die Führung des Laserspots auf der Werkstückoberflächenebene erfolgt auf einer spiralförmigen Schweißbahn.
WO 2017/125253 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Rohren mittels Laserschweißen, wobei der ersten Bewegung des Laserstrahls eine zweite, hochfre- quente Pendelbewegung überlagert ist, die insbesondere mit einer Auslenkung von 0,15 - 0,25 mm und einer Frequenz von 3000 - 4000 Hz ausgeführt wird.
Laserschweißverfahren zum Verbinden folienartiger Werkstücke bzw. überlappender Werkstücke sind weiterhin in US 2018/0029163 A1 , WO 2017/201668 A1 und US 4 658 110 A offenbart.
Eine Vorrichtung zum Laserschweißen ist zudem aus DE 20 2016 106 131 U1 be- kannt; diese weist eine Scanneroptik mit einem bewegbaren Scannerspiegel zum Führen des Laserstrahls, eine Niederhaltevorrichtung mit Andruckelementen zum Fi- xieren der Werkstücke, eine Kantenerfassungssensorik sowie eine Auswerte- und Steuereinheit, die mit der Scanneroptik und der Kantenerfassungssensorik verbun- den ist, auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein serienfertigungsgeeignetes Remote-Laserschweiß- verfahren mit großer Prozesssicherheit und im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kürzerer Prozesszeit zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, folienartige Werkstücke mit Stärken von weniger als 300 gm an einem Überlappstoß mit einer rissfreien Fügenaht zu verbinden, wobei die Fügenaht mindestens die Festigkeit ei- ner gemäß dem Stand der Technik geschweißten Fügenaht aufweisen soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Schweißverfahren zum Verbinden von folienartigen Werkstücken an einem Überlappstoß gemäß dem Anspruch 1 und eine Laserschweißvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 7. Zweckmäßige Wei- terbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Unter dem Begriff„folienartige Werkstücke“ werden hierin Bleche mit einer Stärke von maximal 300 pm verstanden. Es wird allerdings betont, dass das erfindungsge- mäße Verfahren auch zum Fügen dickerer Bleche anwendbar ist; in vorteilhafter Weise lassen sich mittels des Verfahrens 4 pm bis 20 pm dünne Folien mit hohem Anbindungsquerschnitt fügen, sodass z. B. bei Einsatz der Folien als elektrische Lei- ter eine niederohmige elektrische Kontaktierung der Folien durchführbar ist.
Nach Maßgabe der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung der Schweißver- bindung mit einer Remote-Laserschweißvorrichtung durchgeführt. Ein Bearbeitungs- laser erzeugt einen Laserstrahl, vorzugsweise einen kontinuierlich emittierten Laser- strahl (in der Fachsprache„cw-Betrieb“ genannt), der mit Hilfe einer Scanner-Optik abgelenkt wird und in einem Laserspot auf einer Werkstückoberflächenebene der zu verbindenden Werkstücke auftrifft. Der Laserstrahl wird hierbei derart fokussiert, dass die Querschnittsausdehnung des Laserspots in der Werkstückoberflächenebe- ne im Mikrometerbereich liegt, d. h. kleiner als 300 pm ist. Die Werkstücke und die Remote-Laserschweißvorrichtung werden relativ zueinander mittels einer Vor- schubeinrichtung, zum Beispiel einem Linear- oder Drehtisch, in einer vorgegebenen Fügenahtrichtung bewegt.
Die zu fügenden folienartigen Werkstücke werden mittels einer Niederhaltevorrich- tung zumindest im Bereich der zu erstellenden Fügenaht aufeinander gepresst, so- dass ein ggf. zwischen den Folien ausgebildeter Spalt an dieser Position minimiert wird. Mittels der Scanner-Optik wird der Laserstrahl und mit diesem der Laserspot in eine - z. B. anharmonisch - hochfrequent oszillierende Pendelbewegung versetzt. Diese hochfrequente Pendelbewegung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Oszillationsfre- quenz im Bereich von 1 bis 10 kHz und einer Oszillationsamplitude im Bereich von 20 bis 300 pm.
Der oszillierende Laserspot wird in einer der oszillierenden Pendelbewegung überla- gerten Vorschubrichtung auf der Werkstückoberflächenebene entlang eines vorge- gebenen Fügenahtverlaufs geführt. Erfindungsgemäß weist dieser Fügenahtverlauf die geometrische Form einer Spirale auf. Vorzugsweise ist die Nahtbreite, d. h. die Ausdehnung des Spiralarmes der Fügenaht quer zum Nahtverlauf, deutlich größer als der Durchmesser des Laserspots auf der Werkstückoberfläche. Beispielsweis be- trägt die Nahtbreite 800 pm bei einem Laserspotdurchmesser von 80 pm.
Hierbei sind die Spiralarme der Fügenaht, d. h. benachbarte Bahnabschnitte der spi- ralförmigen Fügenaht, zueinander beabstandet. Der Abstand entspricht mindestens dem Durchmesser des Laserspots, die Nahtbreite selbst beträgt maximal 800 pm. Somit kann vorgesehen sein, dass der Abstand der Spiralarme geringer als deren Querausdehnung, d. h. die Nahtbreite, ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ab- stand der Spiralarme 35 % bis 65 % der Querausdehnung des Spiralarms, d. h. der Nahtbreite, beträgt.
Die Spirale kann die geometrische Form einer archimedischen oder einer logarithmi- schen Spirale aufweisen. Sie kann aber auch - analog zu einem Polygon - aus ge- radlinigen Bahnabschnitten, die jeweils in einem Winkel zu den benachbart anschlie- ßenden Bahnabschnitten angeordnet sind, zusammengesetzt sein, d. h., die Spiral- arme sind geknickt.
Der Laserspot wird mit einer vergleichsweise hohen Bahngeschwindigkeit in der Werkstückoberflächenebene bewegt, wobei vorgesehen ist dass der Laserspot mit einer Bahngeschwindigkeit von wenigstens 100 mm/s entlang der vorgegebenen Bahnkurve bewegt wird. Erfindungsgemäß werden paarweise spiralförmige Fügenähte erzeugt, wobei eine konzentrisch zu einer ersten Fügenahtspirale angeordnete zweite Fügenahtspirale in die Zwischenräume der ersten Fügenahtspirale gesetzt wird. Somit verlaufen die Spi- ralarme der zweiten Fügenaht zwischen den Spiralarmen der ersten Fügenaht. Auf diese Art wird die Festigkeit der Fügeverbindung vorteilhaft erhöht.
H ierbei können sich die Schweißnahtbahnen der ersten und der zweiten Fügenaht- spirale in der Werkstückoberflächenebene senkrecht zur Fügenaht um 10 % bis 40 % überlappen.
Durch Überlagerung der oszillierenden Pendelbewegung des Laserstrahls mit der Vorschubbewegung beschreibt der Laserspot auf der Werkstückoberflächenebene eine Bahnkurve, deren Hüllkurve den spiralförmigen Fügenahtverlauf beschreibt. Die Ausbildung der Schweißnaht erfolgt dementsprechend durch eine Überlagerung der makroskopischen Vorschubbewegung und einen in mikroskopischen Dimensionen, d. h. im Bereich von maximal 300 pm, ausgebildeten Pendelbewegung des Laser- spots entlang bzw. quer zu dem Verlauf der auszubildenden Fügenaht. Hierdurch entsteht eine Fügenaht mit einer Nahtbreite, die deutlich breiter ist, als vom Laser- spot alleine bei einer linearen Bewegung entlang der Vorschubrichtung erzielbar.
Beispielsweise kann die Fügenaht eine sägezahnartige Mikrostruktur aufweisen, d. h., der Laserspot schwingt periodisch quer zur Vorschubrichtung hin und her. Als ein anderes Beispiel ist eine rechteckförmige Mikrostruktur denkbar, wobei die Oszil- lationsform der oszillierenden Pendelbewegung ein Rechteck ist. Alternativ kann die hochfrequente Pendelbewegung des Laserspots Kreise auf der Werkstückoberfläche beschreiben, sodass die (makroskopische) Spirale der Fügenaht eine ebenfalls spi- ralförmige Mikrostruktur aufweist.
In vorteilhafter Weise werden von dem Laserspot linienförmige, zueinander parallele bzw. senkrechte Schweißnahtabschnitte, z. B. mit jeweils identischen geometrischen Maßen, ausgebildet, wobei die Aneinanderreihung der Schweißnahtabschnitte in der Werkstückoberflächenebene eine durchgängige, spiralförmige Fügenaht ergibt. D. h., nach dem Erstarren des Schmelzbades stellt sich die Fügenaht als eine ununterbro- chene Spirale dar. Bei einer Pendelbewegung längs und quer zur Fügenahtrichtung - entsprechend einer rechteckförmigen Oszillationsform - können die Schweißnaht- abschnitte z. B. in parallelen Reihen nebeneinander angeordnet werden, wobei die Reihen im Wesentlichen senkrecht zum spiralförmigen Verlauf der Fügenaht ange- ordnet sind.
Indem der Laserspot auf der Werkstückoberflächenebene mit hoher Geschwindigkeit geführt wird und er nur eine geringe Ausdehnung aufweist, bildet sich ein im Ver- gleich zum Stand der Technik kleines Schmelzbad aus. Hierdurch entsprechen sich Adhäsions- und Oberflächenenergie im Wesentlichen, sodass ein Aufreißen des Schmelzbades zuverlässig verhindert ist.
Durch den kleinen Laserspotdurchmesser und die schnelle Pendelbewegung des Laserstrahls während der oszillierenden Pendelbewegung mit einer Oszillationsfre- quenz von 1 bis 10 kHz wird die Entstehung ausgedehnter Schmelzbäder verhindert. Heißrisse können sich bei Erstarrung der Schmelze in den eng begrenzten Schweiß- nahtabschnitten nicht bilden.
Somit besteht einer der Vorteile des Verfahrens darin, dass Aluminium und Kupfer- Werkstoffe - gleichermaßen AICu-Legierungen - rissfrei schweißbar sind. Dies er- möglicht einen stabilen, wirtschaftlichen Fertigungsprozess.
Die hochfrequent oszillierende Pendelbewegung in Verbindung mit dem geringen Durchmesser des Laserspots ermöglicht zudem eine enge räumliche Positionierung der Schweißnahtabschnitte zueinander, sodass Nahtfestigkeiten gleich einer durch- gängigen Fügenaht sicher erreicht werden, wobei auch dünne Folien gefügt - und nicht vom Laserstrahl zerschnitten - werden.
Indem die Spiralarmabschnitte der spiralförmigen Fügenaht zueinander beabstandet sind, bleibt ein dünner, unaufgeschmolzener Steg zwischen benachbarten Schweiß- bahnabschnitten. Dieser Steg fungiert als Barriere und verhindert, dass im Zentrum der Punktschweißung eine flüssige Schmelzkugel ausgebildet wird, die wiederum ei- ne fehlerhafte Anbindung bewirkt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Nahtbreite der spiralförmigen Fügenaht entlang des Verlaufes der spiralförmigen Fügenaht, d. h. innerhalb des Spiralarmes, kontinuierlich zunimmt oder abnimmt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Leistungseintrag auf der Bahnkurve des Laserspots synchron zu der oszillierenden Pendelbewegung des Laserstrahls gesteuert, d. h., der Leistungseintrag durch den Laserstrahl in die Werkstücke am Laserspot wird mit einer Leistungseintragsperiode periodisch zwischen einem Maxi- malwert und einem Minimalwert geändert. Unter Leistungseintrag wird die pro Zeit- einheit durch den Laserstrahl in das Werkstück eingebrachte Wärmeenergie am La- serspot verstanden. Hierbei kann der Minimalwert unterhalb des zum Aufschmelzen der Werkstückwerkstoffe notwendigen Leistungseintrags liegen.
Die Veränderung des Leitungseintrages des Laserstrahls am Laserspot kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, nämlich durch Variation der Laserleis- tung, durch Fokussierung/Defokussierung des Laserstrahls oder durch Veränderung der Geschwindigkeit, mit der sich der Laserspot auf der Werkstückoberfläche be- wegt.
Die Laserschweißvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens umfasst eine Niederhaltevorrichtung mit Andruckelementen, eine Scanner-Optik zur Remote- Bearbeitung, eine Kantenerfassungssensorik und eine Auswerte- und Steuereinheit. Die Auswerte- und Steuereinheit ist eingerichtet, basierend auf den mit der Kantener- fassungssensorik erfassten Kanten der Niederhaltevorrichtung bzw. deren Andru- ckelementen den Laserstrahl innerhalb dieser Kanten auf einer spiralförmigen Bahn zu steuern. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren Verfahren zu verwirklichen.
Vorzugsweise umfasst die Laserschweißvorrichtung einen kontinuierlich emittieren- den Laser (cw-Laser). Somit kann eine große Menge an Material pro Zeiteinheit auf- geschmolzen werden, wodurch hohe Vorschubgeschwindigkeiten ermöglicht sind.
Ein Andruckelement, welches von oben, d. h. in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Werkstückoberfläche, auf die erste, mit einer zweiten zu fügenden Folie drückt, kann ringförmig ausgebildet sein. Dementsprechend wird von der Kantenerfassungs- sensorik der innere Ringrand erfasst und von der Auswerte- und Steuereinheit die Fügenahtspirale in das Zentrum des Ringes positioniert. Hierdurch können teure Po- sitioniermaschinen entfallen.
Die Pendelbewegung des Lasers bzw. des Laserspots wird durch aktive, d. h. ange- triebene, Ablenkungseinheiten, typischerweise drehbare Spiegel, innerhalb der Scanner-Optik erzeugt. Erfindungsgemäß sind diese Ablenkungseinheiten eingerich- tet, den Laserstrahl im Kilo-Hertz-Bereich räumlich oszillieren zu lassen. Bei drehba- ren Spiegeln sind aufgrund deren feststehender Drehachse die Ablenkbewegungen eines jeweiligen Spiegels nur in einer Richtung möglich. Vorzugsweise sind die Scanner-Optiken so aufgebaut, dass der Laserstrahl quer und längs zur Fügenaht- richtung abgelenkt wird.
Eine anharmonisch oszillierende Pendelbewegung des Laserspots kann demzufolge wechselweise längs und quer zur Fügenahtrichtung oder in einer komplexen Überla- gerung oder Sequenz aus Quer- und Längspendelbewegungen erfolgen. Dies er- möglicht es in vielfältiger Weise, die Form, Mikrostruktur und Ausdehnung der aus- zubildenden Schweißnaht anzupassen, zum Beispiel auch, um den Querschnitt der Fügenaht, d. h. die Nahtbreite, in deren Verlauf vom Zentrum der Spirale zu deren äußeren Randbereich hin zu erhöhen.
Die Kantenerfassungssensorik kann eine Kamera, z. B. eine Graubildkamera, auf- weisen, wobei die mit der Kamera verbundene Auswerte- und Steuereinheit einge- richtet ist, Bilder der Kamera zumindest hinsichtlich einer Lage des Andruckelemen- tes, welches auf das bezüglich der Scanner-Optik oben angeordnete folienartige Werkstück drückt, auszuwerten und den Laserspot in Bezug zu den Kanten dieses Andruckelementes zu positionieren.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Fig. 1 : eine Remote-Laserschweißvorrichtung während des Schweißens in der Schnittdarstellung, Fig. 2: eine spiralförmige Fügenaht in Draufsicht,
Fig. 3: einen Bahnabschnitt einer Fügenaht mit Mikrostruktur, und
Fig. 4: eine zweifache spiralförmige Fügenaht in Draufsicht.
Die Remote-Laserschweißvorrichtung gemäß Figur 1 umfasst den Bearbeitungsla- ser 20, der den kontinuierlichen Laserstrahl 2 erzeugt, und die Scanner-Optik 1. Der Laserstrahl 2 wird innerhalb der Scanner-Optik 1 über die Kollimationseinheit 17, die aktive Ablenkungseinheit 21 , die Fokussiereinheit 19 und die aktive Ablenkungsein- heit 14 auf die überlappenden, zu verschweißenden Werkstücke 4 und 5 gelenkt. Der Laserstrahl 2 trifft im Laserspot 22 auf die Werkstückoberflächenebene 18 des oben angeordneten Werkstücks 4 auf.
Die Niederhaltevorrichtung 6, umfassend die Andruckelemente 7 und 8, presst das oben angeordnete Werkstück 4 im Bereich der zu erstellenden Fügenaht auf das un- ten angeordnete Werkstück 5.
Das Messlicht 13 breitet sich von der Werkstückoberflächenebene 18 über die aktive Ablenkungseinheit 14, die Fokussiereinheit 19 und durch die halbdurchlässige, aktive Ablenkungseinheit 21 hin zur Kantenerfassungssensorik 9, umfassend die Kamera- fokussiereinheit 16 und die Kamera 3, aus. Die mit der Kantenerfassungssensorik 9 verbundene Auswerte- und Steuereinheit 10 dient der Auswertung der Kantenerfas- sung, der Prozessüberwachung und der Regelung, zum Beispiel zur exakten Positi- onierung des Laserspots 22 auf der Werkstückoberflächenebene 18 mittels Kanten- findung an dem ringförmigen Andruckelement 7 der Niederhaltevorrichtung 6.
Die spiralförmige Fügenaht 11 in der Figur 2 verläuft im Zentrum des ringförmigen Andruckelementes 7.
Zur Herstellung der Fügenaht 11 wird der Laserspot 22 entlang der Bahnkurve 23 geführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Bahnkurve 23 aus je- weils senkrecht zueinander orientiert angeordneten Schweißnahtabschnitten zu- sammengesetzt. Die Querausdehnung der Fügenaht 11 , d. h. die Nahtbreite 15, wird somit durch die - in diesem Beispiel rechteckförmige - Strahloszillation quer zur Fü- genahtrichtung 12 bestimmt. Die Bahnkurve 23 des Laserspots 22 beschreibt beim Schweißen dieser Füge- naht 11 eine Art Mäander, dessen Hüllkurve die spiralförmige Fügenaht 11 definiert. Der Pfeil am Ende der Bahnkurve 23 veranschaulicht die Bewegung des Laser- spots 22. Die Orientierung der einzelnen Schweißnahtabschnitte ergibt sich aus der Überlagerung der Vorschubbewegung längs zur Fügenahtrichtung 12 und der Pen- delbewegung des Laserspots 22 quer und längs zur Fügenahtrichtung 12. Die Pen- delbewegung wird mit einer Oszillationsfrequenz von 10 kHz und einer Oszillations- amplitude von 20 pm ausgeführt.
In Figur 4 ist eine Fügeverbindung mittels einer ersten spiralförmigen Fügenaht 11.1 und einer zwischen dem Spiralarm derselben, konzentrisch angeordneten zweiten Fügenahtspirale 11.2 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die beiden Spiralen 11.1 und 11.2 getrennt voneinander abgebildet, tatsächlich wäre in diesem Beispiel eine Überlappung der jeweiligen Spiralarme von 30 % der Querausdeh- nung 15 vorgesehen.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Scanner-Optik
2 Laserstrahl
3 Kamera
4 oberes folienartiges Werkstück
5 unteres folienartiges Werkstück
6 Niederhaltevorrichtung
7 ringförmiges Andruckelement
8 unteres Andruckelement
9 Kantenerfassungssensorik
10 Auswerte- und Steuereinheit
11 Fügenaht
11.1 erste Fügenaht
11.1 zweite Fügenaht
12 Fügenahtrichtung
13 Messlicht
14 aktive Ablenkungseinheit
15 Querausdehnung der Fügenaht / Nahtbreite
16 Kamera-Fokussiereinheit
17 Kollimationseinheit
18 Werkstückoberflächenebene
19 Fokussiereinheit
20 Bearbeitungslaser
21 halbdurchlässige, aktive Ablenkungseinheit
22 Laserspot
23 Bahnkurve des Laserspots

Claims

Patentansprüche
1. Schweißverfahren zum Verbinden von folienartigen Werkstücken (4, 5) an einem Überlappstoß mit einer Fügenaht (11 ) mit Hilfe einer Remote-Laserschweiß- vorrichtung, aufweisend einen Bearbeitungslaser (20) zur Erzeugung eines Laser- strahls (2), eine Vorschubeinrichtung zur Erzeugung einer Vorschubbewegung und eine Scanner-Optik (1 ),
wobei
- die folienartigen Werkstücke (4, 5) mittels einer Niederhaltevorrichtung (6) im Be- reich der zu erstellenden Fügenaht (11 ) aufeinander gepresst werden,
- der Laserstrahl (2) eine der Vorschubbewegung überlagerte oszillierende Pendel- bewegung mit einer Oszillationsfrequenz von 1 bis 10 kHz durchführt, wobei ein von dem Laserstrahl (2) auf einer Werkstückoberflächenebene (18) des in Laser- strahlausbreitungsrichtung vorne angeordneten Werkstückes (4) generierter La- serspot (22) mit einer während des Schweißverfahrens im Bereich von
20 bis 300 pm variierenden Oszillationsamplitude hin und her pendelt;
- die Überlagerung der Pendelbewegung des Laserstrahls (2) und der Vorschubbe- wegung eine gekrümmte und/oder verwinkelte Bahn des Laserspots (22) auf der Werkstückoberflächenebene (18) mit einer Bahnbreite erzeugt, wobei eine zu- sammenhängende, spiralförmige Fügenaht (11 ) mit einer Nahtbreite (15) ausge- bildet wird, die größer als die Bahnbreite ist; und
- benachbarte Fügenahtabschnitte der spiralförmigen Fügenaht (11 ) um wenigstens den Durchmesser des Laserspots (22) zueinander beabstandet sind, wobei die spiralförmige Fügenaht (11 ) eine maximale Nahtbreite (15) von 800 pm aufweist dadurch gekennzeichnet, dass paarweise spiralförmige Fügenähte (11.1 , 11.2) er- zeugt werden, wobei eine erste (11.1 ) und eine zweite (11.2) spiralförmige Fügenaht derart ineinander gesetzt werden, dass die Spiralbahnen der zweiten Füge- naht (11.2) zwischen den Spiralbahnen der ersten Fügenaht (11.1 ) angeordnet sind.
2. Schweißverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fügenaht (11.2) die benachbarten Fügenahtabschnitte der ersten Fügenaht (11.1 ) um jeweils 10 % bis 40 % überlappt.
3. Schweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die spiralförmige Fügenaht (11 ) die geometrische Form einer archi- medischen oder einer logarithmischen Spirale aufweist.
4. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige Fügenaht (11 ) Knicke im Bahnverlauf aufweist.
5. Schweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein kontinuierlich emittierender Bearbeitungslaser (20) verwendet wird.
6. Schweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Laserspot (22) mit einer Bahngeschwindigkeit von wenigstens 100 mm/s in der Werkstückoberflächenebene (18) bewegt wird.
7. Laserschweißvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Niederhaltevorrich- tung (6) mit Andruckelementen (7, 8), eine Scanner-Optik (1 ), eine Kantenerfas- sungssensorik (9) und eine Auswerte- und Steuereinheit (10) aufweist, die eingerich- tet ist, basierend auf den mit der Kantenerfassungssensorik (9) erfassten Kanten (4) der Niederhaltevorrichtung (6) den Laserstrahl (2) innerhalb dieser Kanten (4) auf ei- ner spiralförmigen Bahn zu steuern, wobei die Steuereinheit (10) zur Verwirklichung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 eingerichtet ist.
8. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhaltevorrichtung (6) ein kreisringförmiges Andruckelement (7) umfasst.
9. Laserschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kantenerfassungssensorik (9) eine Kamera (3) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (10) eingerichtet ist, Bilder der Kamera (3) zumindest hinsichtlich einer Lage des Andruckelementes (7), welches auf das bezüglich der Scanner-Optik (1 ) oben angeordnete Werkstück (4) drückt, auszuwerten und den La- serspot (22) in Bezug zu Kanten dieses Andruckelementes (7) zu positionieren.
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