DE102005000631A1

DE102005000631A1 - Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen an Mantelflächen von rotationssymmetrischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102005000631A1
Application number: DE102005000631A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Lupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-03
Filing date: 2005-01-03
Publication date: 2006-07-13
Also published as: WO2006072550A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mit einem gepulsten Laserstrahl erfolgendem Schweißen von rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Bauteilen der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik, der Elektro- und Automobilindustrie, mit DOLLAR A - einer Einrichtung zur Positionierung und Bewegung des Werstücks, DOLLAR A - einer Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls, DOLLAR A - einer Einrichtung zur Positionierung des Laserstrahls auf einer Mantelfläche des Werkstücks. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls entlang der Oberfläche des fixierten Werkstücks aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zum Schweißen von Werkstücken mit gepulster Laserstrahlung, insbesondere für Bauteile der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik, der Elektro- und Automobilindustrie nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die WO 03/013779 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem mit einem einzelnen Laserpuls eine komplette Schweißnaht mit hoher Qualität und Wirtschaftlichkeit erzeugt wird. Dazu muss der Laserstrahl innerhalb dieses einen Laserpulses mit einer sehr hohen Geschwindigkeit über die gesamte zu erzeugende Schweißnaht geführt werden. Dabei wird entweder der Laserstrahl oder das Werkstück bewegt. Das Verfahren ist vorteilhaft, wenn die Schweißnaht komplett von oben zugänglich ist und der Laserstrahl über ein Scannersystem positioniert und bewegt wird.

Wird jedoch derart vorgegangen, dass das Bauteil zur Erzeugung der Schweißnaht um eine in einer Zeichenebene liegende zum Laserstrahl senkrechte Achse gedreht wird, so bewirken Zentrifugalkräfte, die durch die notwendigen hohen Drehgeschwindigkeiten erzeugt werden, einen Auswurf von Schmelze und damit Fehlstellen in der Schweißnaht. Dies konnte durch Experimente nachgewiesen werden. Gemäß der WO03/01377 A1 ist dieses Problem noch nicht erkannt worden.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruchs derart bereit zu stellen, dass ein Auswurf von Schmelze und damit ein Erzeugen von Fehlstellen in der Schweißnaht vermieden werden, wobei die geschaffene Schweißnaht sehr homogen erzeugt werden soll. Es soll ebenso eine entsprechende Verwendung der Vorrichtung bereitgestellt werden.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Die Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls entlang der Oberfläche des Werkstückes funktioniert derart, dass beim Schweißen bzw. während eines Laserpulses das Werkstück ortsfest fixiert ist und lediglich der Laserstrahl im Raum bewegt wird. Durch die Fixierung des Werkstückes werden ein Auswurf von Schmelze und das Erzeugen von Fehlstellen in der Schweißnaht dadurch verhindert, dass auf das unbewegte Werkstück keine Zentrifugalkräfte wirken. Das Werkstück wird lediglich außerhalb eines Laserpulses bewegt.

Fixieren heißt, das Werkstück wird ortsfest angeordnet. Positionieren heißt, das Werkstück oder ein Laserstrahl wird ortsfest bereit gestellt.

Besonders vorteilhaft ist ein Spiegel zur Erzeugung einer homogenen Schweißnaht, insbesondere derart geformt oder verschiebbar, dass in einer Ebene senkrecht zu der Rotationssymmetrieachse des Werkstücks der Verlauf der Umlenkungspunkte des Laserstrahls relativ zum Verlauf der Positionierungspunkte des Laserstrahls entlang der Mantelfläche des Werkstücks parallel erzeugt ist. Der Abstand eines jeweiligen Umlenkungspunkts der Laserstrahlung zum jeweiligen Positionierungspunkt der Laserstrahlung auf der Mantelfläche des Werkstückes bleibt damit konstant. Auf diese Weise ist der Energieeintrag an den jeweiligen Positionierungspunkten der Laserstrahlung auf der Mantelfläche des Werkstückes ebenso konstant. Die Schweißnaht wird damit sehr homogen unter konstanten Bedingungen ausgebildet.

Umlenkungspunkte des Laserstrahls sind die Stellen auf der Spiegeloberfläche auf die ein Laserstrahl unter einem bestimmten Winkel einfällt und von denen der Laserstrahl ent sprechend reflektiert wird. Durch Bewegung des Laserstrahls oder durch Bewegung des Spiegels ändern sich die Koordinaten der Umlenkungspunkte mit Bezug auf die Manteloberfläche. Damit wird ein Verlauf der Umlenkungspunkte erzeugt. Positionierungspunkte des Laserstrahls sind die Stellen auf denen der umgelenkte Laserstrahl auf der Mantelfläche des Werkstücks auftrifft. Der Verlauf der Positionierungspunkte wird durch die Bewegung des Laserstrahls relativ zur Mantelfläche erzeugt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spiegel ortsfest, die Parallelität durch die Form des Spiegels erzeugt und damit der Spiegel lediglich der Einrichtung zur Positionierung des Laserstrahls zugeordnet.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der Spiegel beweglich, die Parallelität durch den Bewegungspfad des Spiegels erzeugt und damit der Spiegel der Einrichtung zur Positionierung und zusätzlich zur Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls zugeordnet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Spiegel in der genannten Ebene eine ringförmige oder rechteckige Form parallel zu den Positionierungspunkten des Laserstrahls auf.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform bewegt sich der Spiegel in der genannten Ebene entlang eines ringförmigen oder rechteckigen Bewegungspfads parallel zu den Positionierungspunkten des Laserstrahls.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine sich um die Rotationssymmetrieachse des erzeugten Laserstrahls und der identischen Rotationssymmetrieachse des Werkstücks drehende Einrichtung zur Ablenkung, Positionierung und Bewegung des Laserstrahls geschaffen. Diese Einrichtung ist besonders vorteilhaft mittels eines Ablenkprismas, eines optischen Keils und/oder mindestens eines Spiegels oder vergleichbare Optiken bereitgestellt. Durch das Drehen dieser Einrichtung bewegt sich der Laserstrahl auf der Manteloberfläche des Werkstücks. Weitere optionale optische Einheiten lenken den Laserstrahl auf die Manteloberfläche.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform teilt die drehende Einrichtung zusätzlich den Laserstrahl in eine Vielzahl von Laserstrahlen, insbesondere mittels verspiegelter Prismen, auf. Derartige Prismen weisen die Form eines Prisma auf, bei einer Zweiteilung. Bei einer Dreiteilung wird ein sich drehender Tetraeder vorgeschlagen, bei einer Vierteilung wird eine sich drehende Pyramide vorgeschlagen. Entsprechend kann eine beliebige Anzahl von Laserstrahlen erzeugt werden.

Vorteilhaft ist eine einen aufgeweiteten Laserstrahl erzeugende Einrichtung, da mit dieser die Laserstrahlaufteilung vereinfacht bzw. die Anzahl der praktisch erzeugbaren Laserstrahlen vergrößert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zudem eine Einrichtung zur Änderung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls auf dem Werkstück bereit gestellt. Mit dieser können negative Effekte des Hochgeschwindigkeitsschweißens, wie beispielsweise so genannte „Humping-Effekte" bzw. Inhomogenitäten beim Schweißen, kompensiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Positionierung und die Bewegung des Laserstrahls entlang der Oberfläche des Werkstücks mittels eines herkömmlichen Scannersystems erzeugt, das bereits sehr anpassungsfähig bereit gestellt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können mehrere parallele Scannersysteme zur simultanen Erzeugung mehrere Laserstrahlen auf dem Werkstück bereit gestellt sein.

Gemäß einer vorteilhaften Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Vorrichtungsansprüche wird ein Werkstück lediglich außerhalb eines Laserpulses bewegt. Ebenso auf diese Weise wird ein Auswurf von Schmelze verhindert.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spiegels;
2 einen Querschnitt zum ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spiegels;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ablenkung, Positionierung und Bewegung eines Laser strahls;
5 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Aufspaltung, Ablenkung, Positionierung und Bewegung eines Laserstrahls;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ablenkung, Positionierung und Bewegung eines Laserstrahls;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Aufspaltung, Ablenkung, Positionierung und Bewegung eines Laserstrahls.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach 1 wird mit Hilfe eines speziell ausgeformten Spiegels eine sich auf der Mantelfläche eines runden Werkstücks befindende Schweißnaht auch von oben komplett zugänglich.
Der dafür notwendige Spiegelrohling hat die Form eines Ringes, dessen Innenseite kegelförmig ausgeformt ist. Auf diese Ausformung ist eine reflektierende Schicht aufgebracht. Dies zeigt 1. 2 zeigt einen entsprechenden Querschnitt der Anordnung gemäß 2.
Zum Schweißen von rechteckigen Werkstücken kann eine Spiegelanordnung entsprechend 3 eingesetzt werden.
Die in 1 und 3 dargestellten Spiegelanordnungen können von oben entweder mit einem oder mehreren jeweils zu positionierende Laserstrahlen gleichzeitig so bestrahlt werden, dass sich die gewünschte Schweißnaht innerhalb eines Laserpulses ergibt. Wird nur ein Laserstrahl verwendet, so bietet sich dafür beispielsweise ein herkömmliches Scannersystem an. Für im Querschnitt runde Werkstücke kann das zur Erzeugung einer Naht auf der Mantelfläche benötigte Abfahren eines Kreises auch durch ein Ablenkprisma, insbesondere durch einen optischen Keil oder alternativ mittels eines Spiegels mit streifendem Einfall, geschehen, der um die Achse des einfallenden Laserstrahls gedreht wird. Dies zeigt 4. Dies kann mit den erforderlichen hohen Drehgeschwindigkeiten erfolgen. Sollen mehrere Laserstrahlen simultan verwendet werden, so sind entsprechend mehrere Scannersysteme zu verwenden, die geeignet angeordnet sind.
Alternativ kann wieder für runde Werkstücke ein sich drehendes Prisma entsprechend 5 zur Erzeugung der Kreisbahn und gleichzeitig zum Auf splitten eines Laserstrahls in zwei verwendet werden. Ist eine Aufsplittung in drei Strahlen erforderlich, so wird ein sich drehender Tetraeder aus optischem Material verwendet, bei vier eine sich drehende Pyramide, usw.. Vorteilhaft ist es für die Aufspaltung in zwei oder mehrere Strahlen, wenn diese optischen Anordnungen zusammen mit einem aufgeweiteten Laserstrahl verwendet werden.
Alternativ kann auch eine Anordnung aus mehreren Spiegeln, die insgesamt um die gleiche Achse wie das Werkstück gedreht werden kann, verwendet werden. Die Spiegel sind dann so angeordnet, dass der Strahl seitlich auf die Zylinderoberfläche treffen kann. In 6 ist eine Vorrichtung mit 3 Spiegeln dargestellt, eine Vorrichtung mit 2 Spiegeln oder mehr als 2 Spiegeln ist ebenso verwendbar.
Auch hier ist es möglich, den Strahl mit entsprechenden verspiegelten Prismen in mehrere Strahlen aufzuteilen. Dies zeigt 7. Es können ebenso entsprechend angepasste Tetraeder, Pyramiden usw. verwendet werden. Diese alternative Anordnung wird mit extrem hohen Geschwindigkeiten gedreht, typischerweise in einem Bereich von 10 bis 50 Umdrehungen/Sekunde. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da der Laserstrahl nicht zusätzlich verformt wird, wie bei einer Anordnung gemäß 1. Andererseits kann sich diese Verformung auch als ein Vorteil herausstellen, wenn diese dazu verwendet wird, eine linienförmige Strahlenverteilung auf einem Werkstück zu realisieren.
Negative Effekte beim Hochgeschwindigkeitsschweißen, wie zum Beispiel Humping-Effekte oder andere Inhomogenitäten erzeugende Effekte, lassen sich durch Änderung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Werkstück beeinflussen.

Claims

Vorrichtung zum mit einem gepulsten Laserstrahl erfolgendem Schweißen von rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Bauteilen der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik, der Elektro- und Automobilindustrie, mit – einer Einrichtung zur Positionierung und Bewegung des Werkstücks, – einer Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls, – einer Einrichtung zur Positionierung des Laserstrahls auf einer Mantelfläche des Werkstücks, – einer Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls entlang der Oberfläche des fixierten oder positionierten Werkstücks.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit – einem Spiegel zur Umlenkung des zunächst entlang einer Rotationssymmetrieachse des Werkstücks verlaufenden Laserstrahls in eine Richtung senkrecht zur Mantelfläche des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass – der Spiegel derart bereit gestellt ist, dass in einer Ebene senkrecht zu der Rotationssymmetrieachse des Werkstücks der Verlauf der Umlenkungspunkte des Laserstrahls relativ zum Verlauf der Positionierungspunkte des Laserstrahls entlang der Mantelfläche des Werkstückes parallel erzeugt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel ortsfest ist, die Parallelität durch seine Form erzeugt und damit der Einrichtung zur Positionierung des Laserstrahls zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel beweglich ist, die Parallelität durch einen Bewegungspfad erzeugt und damit den Einrichtungen zur Positionierung und zur Bewegung des Laserstrahls zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine ringförmige oder rechteckige Form des Spiegels parallel zu den Positionierungspunkten des Laserstrahls.
Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen ringförmigen oder rechteckigen Bewegungspfad des Spiegels parallel zu den Positionierungspunkten des Laserstrahls.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine sich um die Rotationssymmetrieachse des erzeugten Laserstrahls und des Werkstücks drehende Einrichtung zur Ablenkung, Positionierung und Bewegung des Laserstrahls.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine mittels eines Ablenkprismas, eines optischen Keils und/oder mindestens eines Spiegels oder vergleichbare Optiken erzeugte drehende Einrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch die drehende Einrichtung zusätzlich den Laserstrahl in eine Vielzahl von Laserstrahlen, insbesondere mittels verspiegelter Prismen, aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine einen aufgeweiteten Laserstrahl erzeugende Einrichtung.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls auf dem Werkstück.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein die Positionierung und die Bewegung des Laserstrahls entlang der Oberfläche des Werkstücks erzeugendes Scannersystem.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mehrerer paralleler Scannersysteme zur simultanen Erzeugung mehrere Laserstrahlen auf dem Werkstück.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, zum mit einem gepulster Laserstrahl erfolgendem Schweißen von rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Bauteilen der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik, der Elektro- und der Automobilindustrie, bei dem der Laserstrahl zum fixierten oder positionierten Werkstück mit einer Geschwindigkeit bewegt wird und eine Schweißnaht mit einem einzigen Laserpuls einer Pulsdauer erzeugt wird, und die Länge der Schweißnaht bezogen auf die Schweißvorschubrichtung überwiegend durch das Produkt aus Vorschubgeschwindigkeit und Pulsdauer bestimmt ist.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zeitlich außerhalb eines Laserpulses bewegt wird.