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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verbindung von Materialien mittels Durchstrahlschweißen, wobei strukturierte Fügebereiche mit einer hohen räumlichen Auflösung miteinander verbunden werden können, wie dies gattungsgemäß in der
EP 0 997 261 B9 beschrieben ist.
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Zur Durchführung des Durchstrahlschweißens werden zwei miteinander zu verbindende Werkstücke so zusammengelegt, dass sich diese entlang eines Kontaktbereiches unmittelbar berühren. Innerhalb des Kontaktbereiches liegt der Fügebereich. Ein erstes Werkstück ist für Laserstrahlen transmittierend und einer Laserquelle zugewandt. Das zweite Werkstück ist für die Laserstrahlen absorbierend. Die Laserstrahlen durchdringen das erste transmittierende Werkstück, treffen auf die oberen Schichten des zweiten Werkstückes, werden dort absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die oberen Schichten des zweiten Werkstückes schmelzen auf, wobei es durch Wärmeleitung auch zu einer Aufschmelzung der angrenzenden Schichten des ersten Werkstückes und zu einer stoffschlüssigen Verbindung beider Materialien der Werkstücke kommt.
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Sollen beide Werkstücke entlang eines Fügebereiches, der über seine Ausdehnung verschiedene Abmaße aufweist, also strukturiert ist, miteinander verbunden werden, so muss das Auftreffen der Laserstrahlen auf die Bereiche des strukturierten Fügebereiches begrenzt werden, um ein Verschweißen auch anderer Bereiche innerhalb des Kontaktbereiches zu vermeiden.
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Eine Möglichkeit hierfür ist die Verwendung eines punkt- oder linienförmig auf den Fügebereich zweier Werkstücke fokussierten Laserstrahls, wie dies in der
EP 1 405 713 B1 beschrieben ist. Eine den Laserstrahl fokussierende, als Rolle oder Kugel ausgebildete und auf der Oberfläche des transmittierenden Werkstückes aufsetzende optische Linse, wird synchron mit dem Laserstrahl über den Fügebereich bewegt. Dabei werden die zu verschweißenden Werkstücke durch die Linse lokal zusammengepresst. Mit der Umsetzung der Offenbarungen der EP 1 405 713 B1 können Werkstücke präzise über strukturierte Fügebereiche miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung größerer Flächen sich allerdings als sehr zeitintensiv darstellt.
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In der
EP 997 261 B9 ist ein Verfahren offenbart, in dem zwei Werkstücke mittels Durchstrahlschweißen miteinander in einem strukturierten Fügebereich verbunden werden.
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Dabei wird die freie Oberfläche des transmittierenden Werkstückes von einer laserlichtundurchlässigen Maske abgedeckt und die Maske durch Laserstrahlen (nachfolgend Laserstrahlenbündel genannt) in Form eines Laservorhangs beaufschlagt, der durch Kollimation und Fokussierung von Laserstrahlenbündeln einer oder mehrerer Laserquellen erzeugt wird. Die Maske ist korrespondierend zum strukturierten Fügebereich durchbrochen, so dass diejenigen Bereiche des Fügebereiches abgeschattet werden, die nicht miteinander verbunden werden sollen. Die durch die Maske abgeschatteten Laserstrahlenbündel werden reflektiert.
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Die Laserstrahlenbündel treffen in einer Laserlinie auf der Oberfläche des absorbierenden Werkstückes auf, wobei die Laserlinie durch die Gestaltung der Maske in Linienabschnitte untergliedert wird. Ist die Maske korrespondierend zu einem Linienabschnitt durchbrochen, so wird der Linienabschnitt mit der vollen Leistung der Laserstrahlen beleuchtet; bei nicht durchbrochener Maske bleibt der betreffende Linienabschnitt unbeleuchtet. Werkstücke und Laserlinie werden relativ zueinander bewegt, wodurch die Laserlinie über den Fügebereich geführt wird. Dabei wird die Laserlinie ständig an die Ausdehnung des zu einem Zeitpunkt überstrichenen Fügebereiches angepasst. Die Ausdehnung des Laservorhangs, und damit die maximale Ausdehnung der Laserlinie, kann durch eine Änderung des Arbeitsabstandes von Laserquelle und Maske eingestellt werden. Zudem kann die Energiedichte der Laserlinie dadurch angepasst werden, dass die Leistung der Laserstrahlenbündel verändert wird.
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Nachteilig an einer solchen Lösung ist die Notwendigkeit der kostenintensiven Anfertigung von werkstückspezifischen Masken. Eine unmittelbare Korrektur oder Nachjustierung in einem laufenden Herstellungsprozess ist daher nicht möglich.
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Eine Änderung der Strukturierung des Fügebereiches bedarf der Anfertigung und Verwendung einer neuen Maske. Diese muss zumeist auch bei jedem zu verbindendem Werkstückpaar erneut aufgelegt und positioniert werden.
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Es ist weiterhin energetisch ungünstig, dass ein Teil der emittierten Laserstrahlenbündel nicht genutzt und außerdem mehr oder minder diffus reflektiert wird, was eine erhöhte Materialbelastung der Vorrichtung bedeutet und zusätzliche Arbeitsschutzmaßnahmen erforderlich macht.
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Ferner ist keine Lösung bekannt, mit deren Hilfe die Verteilung der Leistungsdichte entlang einer Laserlinie gesteuert werden kann, außer das Abschnitte der Laserlinie, ganz im Sinne einer Binärsteuerung, entweder nicht oder aber mit voller Leistung beleuchtet werden. Eine Veränderung der Leistungsparameter der Laserstrahlenbündel wirkt sich dabei immer gleichmäßig auf mehrere oder alle Linienabschnitte der Laserlinie aus. Eine abschnittsweise Justage der Leistung ist nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum Verbinden von Werkstücken mittels Durchstrahlschweißens entlang frei wählbar strukturierter Fügebereiche ohne die Verwendung einer Maske zu schaffen. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die auf einem Linienabschnitt einer Laserlinie auftreffende Leistung der Laserstrahlenbündel abschnittsweise eingestellt werden kann.
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Unter Laserquellen werden nachfolgend alle ein Laserstrahlenbündel emittierende, technische Einrichtungen verstanden, und zwar unabhängig davon, ob in diesen Einrichtungen das Laserstrahlenbündel unmittelbar selbst erzeugt und emittiert wird oder das Laserstrahlenbündel durch diese Einrichtungen von einem Emitter weggeleitet und mittelbar emittiert wird. Mittelbare Emittenten können beispielsweise Anordnungen von Lichtwellenleitern sein.
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Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Verbinden von zwei Werkstücken mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke über einen in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich berühren, der wenigstens einen Fügebereich umfasst, bei dem eine in x-Richtung ausgedehnte Laserlinie bestimmter Breite auf den Fügebereich gerichtet wird, die aus einer Vielzahl von Linienabschnitten gleicher Länge gebildet wird, die jeweils durch ein Laserstrahlenbündel, jeweils von einer Laserquelle kommend, ausgeleuchtet werden, die Laserlinie mit einer Relativgeschwindigkeit in y-Richtung relativ zum Fügebereich bewegt wird, wodurch der Fügebereich durch die Laserstrahlenbündel vollständig ausgeleuchtet wird und die beiden Werkstücke über den gesamten Fügebereich miteinander verschweißt werden, dadurch gelöst, dass der Kontaktbereich als eine in x-y-Richtung ausgedehnte Streifenmatrix definiert wird, gebildet aus Streifen mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte, dass der Fügebereich als eine Anordnung von jeweils einem Streifen zugeordneten Streifenelementen definiert wird, die bezüglich ihrer Lage und ihrer Streifenausdehnung in y-Richtung erfasst und abgespeichert werden und dass die Linienabschnitte unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit einzeln ausgeleuchtet werden, um jeweils die Streifenelemente eines Streifens mit einem Laserstrahlenbündel auszuleuchten.
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Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die virtuelle Aufteilung des Kontaktbereiches in eine Streifenmatrix mit zu einem Fügebereich korrespondierenden Streifenelementen und durch die Erzeugung einer in ihrer Ausdehnung aus Linienabschnitten zusammengesetzten und hinsichtlich der Leistung der ein Streifenelement beleuchtenden Laserstrahlenbündel abschnittsweise aktiv einstellbaren Laserlinie gebildet.
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Unter einer aktiven Einstellung werden steuerungstechnische Maßnahmen verstanden, die durch entsprechende Steuerbefehle gezielt durchgeführt werden können. Passive Einstellungen sind dagegen solche, die nicht durch steuerungstechnische Maßnahmen erreicht werden können. Unter passiven Maßnahmen in diesem Sinne wird die bloße Verwendung von abschattenden Mitteln, wie die oben angeführten Masken, verstanden.
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Die Lage eines jeden virtuellen Streifenelementes in einem Streifen und dessen Ausdehnung in Richtung des Streifens (Streifenausdehnung) kann frei gewählt werden.
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Die Aufteilung des Kontaktbereiches erfolgt nach einer Regel, die beispielsweise als Programm zur Verfügung gestellt wird.
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Denjenigen virtuellen Streifenelementen, über die eine Verbindung erfolgen soll, wird jeweils ein Wert zugewiesen, der sie als zum Fügebereich gehörig kennzeichnet.
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Die Daten zur Lage und Ausdehnung von Kontaktbereich und Fügebereich werden wiederholt abrufbar und in einer für eine Analyse geeigneten Form gespeichert.
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Die Laserlinie besitzt in x-Richtung eine Länge und in y-Richtung eine Breite. Die Länge der Laserlinie ist vorzugsweise nicht geringer als die Ausdehnung des Fügebereiches in x-Richtung.
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Zu jedem Zeitpunkt sind die Lage und Länge der Laserlinie sowie die Lage und Ausdehnung des zu diesem Zeitpunkt von der Laserlinie überstrichenen Fügebereiches bekannt. Diese Informationen werden miteinander verglichen und bilden die Grundlage der Ansteuerung der Laserquellen, der Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung und der gegebenenfalls vorhandenen sonstigen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Mittel.
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Die Ausrichtung der Laserstrahlen erfolgt unter Verwendung bekannter strahlformender optischer Mittel. Werden Laserquellen verwendet, deren Laserstrahlenbündel entlang der verschiedenen Dimensionen der Öffnung der Laserquellen auf verschiedenen Achsen und mit verschiedenen Divergenzwinkeln emittiert wird, ist es eine bevorzugte Ausführung, wenn die Laserstrahlenbündel aller Achsen zusammengeführt und kollimiert werden.
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In vorteilhafter Weise wird durch eine kollimierte, also zueinander parallel ausgerichtete, Strahlführung erreicht, dass solche Bereiche des Fügebereiches, die sich in weiteren Ausführungsformen der Erfindung zwar senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlenbündel, jedoch entlang der z-Achse in unterschiedlichen x-y-Ebenen befinden, mit gleicher Energie beaufschlagt werden.
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Eine parallele Strahlführung erlaubt es daher, auf eine Fokussierung der Laserstrahlenbündel zur Erzeugung der Laserlinie zu verzichten. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann jedoch eine Fokussierung vorgesehen und entsprechende technische Mittel vorhanden sein.
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In jedem Linienabschnitt der Laserlinie folgt die Verteilung der Leistung der Laserstrahlenbündel einer Normalverteilung, die jedoch durch die Eigenschaften der eingesetzten optischen Mittel modifiziert werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sich die Verteilung der Leistung sowohl über die Länge als auch über die Breite eines Linienabschnittes einer Top-Hat-Verteilung (Rechteckverteilung) annähert, die steile Anstiege und einen plateauhaften Verlauf der Amplitude besitzt. Durch eine solche Verteilung der Leistung innerhalb der Abschnitte der Laserlinie wird eine flächenscharfe gegenseitige Abgrenzbarkeit der Linienabschnitte und deren gleichmäßige Beleuchtung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die Leistung der emittierten Laserstrahlenbündel jeder einzelnen Laserquelle über eine Ansteuerung individuell einzustellen. Die Leistung der Laserstrahlenbündel wird dadurch gesteuert, dass die elektrische Leistungsaufnahme der einzelnen Laserquellen eingestellt wird. Der Bereich, in dem die Leistung der Laserstrahlenbündel eingestellt werden kann, wird durch die technischen Eigenschaften der jeweiligen Laserquelle bestimmt und reicht von einer Leistung gleich Null bis zur maximal möglichen Leistung der betreffenden Laserquelle.
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Insbesondere bei der Verwendung von Laserdioden als Laserquellen ist es von Vorteil, wenn die sich entlang der sogenannten „schnellen Achse” ausbreitenden Laserstrahlenbündel, durch geeignete optische Mittel kollimiert werden. Vorzugsweise sind die Laserstrahlenbündel jeweils so angeordnet, dass die kollimierten Laserstrahlenbündel der schnellen Achse die Breite der Laserlinie bestimmen.
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Die Laserlinie kann unterbrochen ausgebildet werden, wobei die Unterbrechungen gleich oder unterschiedlich lang und regel- oder unregelmäßig über die Länge der Laserlinie verteilt sein können.
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Eine individuelle Einstellung der Leistung der Laserstrahlenbündel ist jederzeit aktiv möglich. Sie ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Durchlässigkeit des transmittierenden Werkstückes aufgrund seiner Oberflächengestaltung oder aus herstellungstechnischen Gründen variiert.
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Die erreichbare räumliche Auflösung der entlang des Fügebereiches zu erzeugenden Schweißverbindung hängt hauptsächlich von den Abmaßen der Linienabschnitte der Laserlinie ab. Werden Laserquellen mit geringen Abmaßen verwendet, z. B. Lichtleitfasern, können die Linienabschnitte der Laserlinie klein gehalten und dadurch eine hohe Auflösung erreicht werden. Die Auflösung kann darüber hinaus erhöht werden, wenn mehrere Laserlinien angeordnet sind und sich deren Linienabschnitte in Richtung der x-Achse um einen bestimmten Betrag überlappen. Der Betrag der Überlappung kann in weiteren Ausführungen einstellbar sein.
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Eine Anpassung der Leistung der Laserstrahlenbündel je Linienabschnitt kann in zwei vorteilhaften Weisen erreicht werden. Zum einen kann die Leistung jeder Laserquelle mittels einer geeigneten Ansteuerung individuell von einem Wert gleich Null bis zur maximalen Leistung der Laserquelle eingestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung verbleiben die Laserquellen im eingeschalteten Zustand. Es ist vorteilhaft, wenn die Laserquellen auch hier hinsichtlich ihrer emittierten Leistung individuell steuerbar sind. Um Abschnitte der Laserlinie mit einer Leistung von Null zu beleuchten, werden die betreffenden Laserstrahlenbündel durch in den Strahlengang der Laserstrahlenbündel eingreifende Mittel an einer Beleuchtung des ihnen zugeordneten Streifens gehindert. Der Vorteil dieser Ausführung liegt in der Reduzierung von regelungstechnisch ungünstigen Effekten, wie sie durch eine schnelle und wiederholte Änderung der Leistungsaufnahmen elektrotechnischer Bauteile auftreten können.
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Erfolgt zwischen dem Fügebereich einerseits und der Laserlinie andererseits eine Relativbewegung, werden die Informationen über die relative Lage von Fügebereich und Laserlinie, über die Relativgeschwindigkeit sowie der Ausdehnung des Fügebereiches kontinuierlich oder in Zeitintervallen und/oder nach Zurücklegen eines bestimmten Betrages der Relativbewegung verglichen. Die relative Lage kann zudem anhand der Erfassung der Lage von an mindestens einem Werkstück vorhandenen Marken und/oder markanten Eigenschaftsänderungen der Werkstücke mittels bekannter optischer und/oder taktiler Verfahren erfasst und kontrolliert werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch eine erste Vorrichtung zum Verbinden von zwei Werkstücken mittels Durchstrahlschweißen, wobei sich die beiden Werkstücke über einen, in x-y-Richtung ausgedehnten Kontaktbereich berühren, der wenigstens einen Fügebereich umfasst, wobei mehrere, jeweils ein Laserstrahlenbündel emittierende Laserquellen sowie optische Mittel vorhanden sind, welche die Laserstrahlenbündel in y-Richtung kollimieren und zueinander so anordnen, dass sie Linienabschnitte gleicher Länge entlang einer sich in x-Richtung ausdehnenden Laserlinie auf dem Kontaktbereich ausleuchten können, ferner ein Träger zur Aufnahme der Werkstücke und ein Antrieb zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen Träger und Laserquellen vorhanden sind, dadurch gelöst, dass eine Ansteuerung vorhanden ist, die mit jeder Laserquelle verbunden ist und die Laserquellen mittels der Ansteuerung individuell ansteuerbar sind, dass ein Speicher vorhanden ist, der mit der Ansteuerung verbunden ist und der dazu ausgelegt ist, einen Fügebereich innerhalb des Kontaktbereiches als eine Anordnung von Streifenelementen, die jeweils einem Streifen mit einer Streifenbreite in x-Richtung gleich der Länge der Linienabschnitte einer Streifenmatrix zugeordnet sind, mit ihrer Lage und Ausdehnung in y-Richtung, abzuspeichern und dass die Ansteuerung so ausgelegt ist, dass sie die Laserquellen, jeweils einem Streifen zugeordnet, unter Verwendung der gespeicherten Daten und der bekannten Relativgeschwindigkeit so ansteuert, dass jeweils die Streifenelemente eines Streifens durch ein Laserstrahlenbündel einer Laserquelle beaufschlagt werden.
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Als Speicher kommen alle Anlagen in Betracht, mit denen der Kontaktbereich und der Fügebereich hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung virtuell in Streifenelemente einer Streifenmatrix unterteilt, diese Informationen wiederholt abrufbar gespeichert und analysiert werden können.
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Laserquellen können beispielsweise Laserdioden, Nd:YAG-Laser oder jeder andere geeignete Laser sein.
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Es ist auch möglich, Laserquellen durch sogenannte gekoppelte Module, also durch mit mindestens einem Emitter verbundene Lichtwellenleiter wie Lichtleitfasern oder Faserbündel, bereit zu stellen.
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Jede einzelne Laserquelle ist mit einer zentralen Ansteuerung verbunden und kann durch diese hinsichtlich der Leistung der durch sie emittierten Laserstrahlenbündel individuell angesteuert werden. Dies geschieht mittels einer geeigneten elektrischen und/oder elektronischen Schaltung.
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In weiteren Ausführungen können zusätzliche optische Mittel vorhanden sein, durch welche die Laserstrahlenbündel zueinander angeordnet und auf die Laserlinie fokussiert werden können.
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Die Laserquellen sind vorzugsweise linienhaft (Linienarray) in Richtung der x-Achse angeordnet, wobei mehrere Linienarrays vorhanden sein können, die sowohl in Richtung der x- als auch der y-Achse um einen Betrag zueinander versetzt angeordnet sein können. Die Abmaße und/oder Leistungsmerkmale der einzelnen Laserquellen der Linienarrays können innerhalb und zwischen diesen unterschiedlich sein.
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Die Laserquellen können auch in anderen Anordnungen zueinander stehen, solange gewährleistet wird, dass deren Laserstrahlenbündel so angeordnet werden, dass durch diese die Linienabschnitte der Laserlinie beleuchtet werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch eine zweite Vorrichtung gelöst, bei der zusätzlich zu den für die erste Vorrichtung genannten Merkmalen jeder Laserquelle eine Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, durch die das Laserstrahlenbündel einer Laserquelle an einer Ausleuchtung des zugehörigen Linienabschnittes gehindert werden kann und eine Ansteuerung vorhanden ist, die mit jeder Umlenkeinrichtung verbunden ist und die Umlenkeinrichtung mittels der Ansteuerung individuell ansteuerbar ist.
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Umlenkeinrichtungen im oben genannten Sinne können beispielsweise reflektierende, strahlleitende und/oder absorbierende Mittel sein. Werden reflektierende Mittel verwendet, ist es äußerst vorteilhaft, wenn die reflektierten Laserstrahlenbündel so gerichtet werden, dass von ihnen keine Gefährdung ausgeht.
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Die Werkstücke sind während des Schweißvorganges in einer Spannvorrichtung gehalten, die über einen Antrieb zur Bewegung in der x-y-Ebene verfügt. Der Antrieb ist mit der Ansteuerung in signalleitender Weise verbunden.
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Neben der Lagefixierung der Werkstücke ist es Aufgabe der Spannvorrichtungen, die Werkstücke zumindest im Bereich des Schweißvorganges aufeinander zu pressen, um eine gute Verbindung der aufgeschmolzenen Bereiche beider Werkstücke zu gewährleisten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die Zeichnungen:
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1 eine schematische Darstellung von Werkstücken mit strukturiertem Fügebereich und Laserquellen,
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2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine perspektivische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles, gemäß eines zweiten Ausführungsbeispieles.
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In der Darstellung gemäß 1 sind als wesentliche Elemente ein für Laserstrahlung transmittierendes erstes Werkstück 1 und ein für Laserstrahlung absorbierendes zweites Werkstück 2, ein Linienarray 8 mit Laserquellen 8a bis 8h sowie eine Ansteuerung 14 und ein Speicher 15 vorhanden.
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Die beiden Werkstücke 1 und 2 berühren sich in einem Kontaktbereich 10, der virtuell in eine Streifenmatrix 31 mit parallel in y-Richtung verlaufenden und gleichweit beabstandeten Streifen 31a bis 31h aufgeteilt ist. Der Kontaktbereich 10 umfasst einen Fügebereich 3 (schraffiert dargestellt), zu dessen Lage und Streifenausdehnung in jedem Streifen 31a bis 31h korrespondierende Streifenelemente 32 vorhanden sind. Jede der Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 ist mit der Ansteuerung 14 und diese ist wiederum mit dem Speicher 15 verbunden. Durch den Speicher 15 werden alle zur Durchführung des Verfahrens benötigten Informationen wiederholt abrufbar abgespeichert und der Ansteuerung 14 zur Verfügung gestellt. Der Fügebereich 3 wird von einem fügefreien Bereich 4 durchzogen, über dessen Ausdehnung keine Beleuchtung erfolgt.
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In dem Speicher 15 sind ferner Informationen über die virtuelle Aufteilung des Kontaktbereiches 10 in Form einer Streifenmatrix 31 und der in dieser enthaltenen Streifenelemente 32 sowie Informationen über die Streifenausdehnung des Fügebereiches 3 abgelegt. Weiterhin stehen Ansteuerung 14 und ein, eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Werkstück 1 und 2 einerseits und der Laserlinie 11 andererseits, bewirkender Antrieb 13 miteinander in solcher Verbindung, dass Informationen über die relative Lage der ersten und zweiten Werkstücke 1 und 2 und der Laserlinie 11 ausgetauscht, mit der mit zu einer jeweiligen relativen Lage korrespondierenden Ausdehnung des Fügebereiches 3 verglichen werden können und gegebenenfalls die Relativbewegung beeinflusst werden kann.
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Die von den Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 in Richtung des Fügebereiches 3 gesendeten Laserstrahlenbündel 12 bewirken dort eine Laserline 11, die in Richtung der x-Achse aus gleichgroßen Linienabschnitten 11a bis 11h zusammengesetzt ist. Jede Laserquelle 8a bis 8h bewirkt genau einen Linienabschnitt 11a bis 11h. Die Länge jedes Linienabschnitts 11a bis 11h ist gleich der Breite der Streifen 31a bis 31h und die Lage der Linienabschnitte 11a bis 11h entspricht der Lage der Streifen 31a bis 31h, sodass jedem Streifen 31a bis 31h genau ein Linienabschnitt 11a bis 11h zugeordnet ist, der durch je eine zugeordnete Laserquelle 8a bis 8h bewirkt wird.
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In weiteren Ausführungen können weitere Linienarrays vorhanden sein, die zudem andere Anzahlen von Laserquellen beinhalten können (nicht gezeigt) und die parallel der x-y-Ebene verschiebbar sein können. Für jedes weitere Linienarray wird entsprechend der oben beschriebenen Bedingungen eine weitere Streifenmatrix definiert. Jedes weitere Linienarray wird durch die Ansteuerung 14 entsprechend der jeweils weiteren Streifenmatrix angesteuert. Die Laserquellen können auch in einem flächigen Array angeordnet werden, wodurch die Ausbildung einer Laserlinie durch entsprechende angesteuerte Laserquellen des Arrays eingestellt wird.
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Die Laserquellen 8a bis 8h des Linienarrays 8 und/oder weiterer Linienarrays können sich in weiteren Ausführungen hinsichtlich ihre Abmaße und Leistungsmerkmale sowohl zwischen als auch innerhalb einzelner Linienarrays 8 unterscheiden. Weiterhin können die Linienarrays unter frei wählbaren Winkeln zu einer Arbeitsrichtung 7 stehen oder eingestellt werden.
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Die in ihrer Lage zueinander fixierten Werkstücke 1 und 2 werden mit einer Relativbewegung, aufweisend eine bekannte Relativgeschwindigkeit zu dem Linienarray 8 in der Arbeitsrichtung 7, geführt. Dabei überstreichen die Laserquellen 8a bis 8h und mit ihnen die Laserlinie 11, die jeweiligen Streifen 31a bis 31h und werden dabei so durch die Ansteuerung 14 angesteuert, dass ein Linienabschnitt 11a bis 11h genau dann ausgeleuchtet wird, wenn dieser mit seiner ganzen Fläche ein Streifenelement 32 überdeckt. Dargestellt ist die Beleuchtung der Streifenelemente 32 der Streifen 31a, 31b, 31g und 31h durch Laserstrahlenbündel 12 der Laserquelle 8a, 8b, 8g und 8h in den Linienabschnitten 11a, 11b, 11g und 11h. Alle anderen Linienabschnitte 11c bis 11f sind zu dem dargestellten Zeitpunkt unbeleuchtet.
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Beim Überstreichen einer Anzahl zusammenhängender Streifenelemente 32 oder von Streifenelementen 32, deren Streifenausdehnung in y-Richtung größer als die Breite der Laserlinie 11 ist, wird jede Laserquelle 8a bis 8h durch die Ansteuerung 14 dann eingeschaltet, wenn der von ihr bewirkte Linienabschnitt 11a bis 11h vollständig innerhalb eines Streifenelementes 32 in y-Richtung zu liegen kommt. Sie bleibt solange eingeschaltet, wie der von ihr bewirkte Linienabschnitt 11a bis 11h vollständig innerhalb eines Streifenelementes 32 in y-Richtung zu liegen kommt. Das betreffende Streifenelement 32 wird mit der Relativgeschwindigkeit kontinuierlich durch den ihm zugeordneten Linienabschnitt 11a bis 11h der Laserlinie 11 überstrichen. In y-Richtung stellt sich daher die räumliche Verteilung der auf dem Streifenelement 32 auftreffenden Leistung als Top-Hat-Verteilung dar: mit dem Einschalten der Laserquelle wird der von einem Linienabschnitt 11a bis 11h überdeckte Bereich des Streifenelementes 32 mit einer Leistung beaufschlagt, die entsprechend der Top-Hat-Verteilung in y-Richtung verteilt ist. Mit fortschreitender Relativbewegung und einer kontinuierlichen Beaufschlagung durch das Laserstrahlenbündel 12 wird die Top-Hat-verteilte Leistung des jeweiligen Linienabschnittes 11a bis 11h entlang des dem Streifenelement 32 zugeordneten Streifens 31a bis 31h verschoben und es kommt zu einem resultierenden Leistungseintrag, der sich zu jedem Zeitpunkt und für jeden Punkt des Streifenelementes 32 durch die aufeinanderfolgenden Überlagerungen der verschobenen Top-Hat-verteilten Leistung beschreiben lässt. Bestimmende Faktoren sind dabei die konkrete mathematische Funktion der Top-Hat-Verteilung, der Betrag der Relativgeschwindigkeit und die Breite der Laserlinie 11.
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Das Linienarray 8 kann insbesondere als Laserdiodenbarren oder Laserdiodenarray sowie durch Anordnungen von Lichtwellenleitern gebildet werden. Werden Lichtwellenleiter eingesetzt, von denen mehrere durch nur eine Emissionsquelle mit Laserstrahlenbündeln 12 versorgt werden, so sind optische, elektrische, elektronische, mechanische Maßnahmen oder deren Kombinationen vorzusehen, die eine gesteuerte Emission von Laserstrahlenbündeln 12 durch die einzelnen Laserquellen 8a bis 8h ermöglichen.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Linienarray 8 vorhanden, von dem im Sinne der Übersichtlichkeit nur die Laserquellen 8a bis 8d in Form von vier Laserdioden gleicher Größe und mit gleichen Leistungsparametern gezeigt sind. Vor den Laserquellen 8a bis 8d ist eine Zylinderlinse 9 angeordnet, durch welche die emittierten Laserstrahlenbündel 12 kollimiert und auf den Fügebereich 3 gerichtet werden. Die Werkstücke 1 und 2 werden auf einem Träger 5 gehalten, der so gestaltet ist, dass auf ihm die zwei Werkstücke 1 und 2 parallel einer x-y-Ebene positioniert sind. Eine Spannvorrichtung 6 ist derart angeordnet, dass erstes und zweites Werkstück 1 und 2 durch diese aufeinander gepresst werden. Der Träger 5 ist mit einem Antrieb 13 verbunden und durch diesen in Arbeitsrichtung 7 beweglich.
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In einer weiteren Ausführung kann der Träger 5 auch in Richtung der x-Achse und/oder der z-Achse beweglich ausgeführt sein.
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Der Kontaktbereich 10 wird in y-Richtung von einer Vertiefung in Form eines abgewinkelten Kanals durchzogen, der Bereiche der Streifen 31b und 31c durchzieht. Die Streifen 31a und 31d sowie die nicht von der Vertiefung durchzogenen Bereiche der Streifen 31b und 31c bilden den Fügebereich 3. Die Bereiche der Vertiefung stellen den fügefreien Bereich 4 dar.
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Es ist ferner möglich, dass der fügefreie Bereich 4 auch eine in das erste Werkstück 1 hineinreichende Erhebung des zweiten Werkstückes 2, eine in der x-y-Ebene liegende Fläche oder eine Kombination dieser Möglichkeiten ist.
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Die zum dargestellten Zeitpunkt von den Laserquellen 8a, 8b und 8d unter einem Divergenzwinkel von 40° entlang der schnellen Achse emittierten Laserstrahlenbündel 12 werden durch die Zylinderlinse 9 kollimiert und auf den durch Streifenelemente 32 in Streifen 31a bis 31d virtuell dargestellten Fügebereich 3 gelenkt. Dabei bleibt der Linienabschnitt 11c unbeleuchtet. Um die durch die Anpassungen der Leistungen der Laserquellen 8a bis 8d hervorgerufenen Veränderungen elektrischer Parameter wie Spannungsabfälle so zu kompensieren, dass der Schweißvorgang unbeeinflusst bleibt, weist die Ansteuerung 14 eine integrierte Bypass-Schaltung auf (nicht dargestellt).
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Weitere Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich weiterer technischer Möglichkeiten zum Ausgleich von Spannungs- und Stromschwankungen sowie zum Ausgleich anderer nachteiliger Wirkungen bedienen.
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In einer weiteren Ausführungen der Erfindung werden die von den als Laserquelle 8a bis 8d eingesetzten Laserdioden stammenden Laserstrahlenbündel 12 der langsamen Achse nicht kollimiert und vielmehr dazu eingesetzt, um mögliche Differenzen der Leistungsdichten der einzelnen Linienabschnitte 11a bis 11h einer Laserlinie 11 in Richtung der x-Achse zu verringern. Breitet sich ein Laserstrahlenbündel 12 entlang der langsamen Achse ungehindert, also nicht kollimiert, aus, so wird durch jede Laserquelle 8a bis 8d ein Linienabschnitt 11a bis 11d abgebildet, der in Richtung der schnellen Achse scharf begrenzt, in Richtung der langsamen Achse jedoch längsoval und größer als die Austrittsöffnung der Laserquelle 8a bis 8d ist. Die Leistungsdichte des Laserstrahlenbündels 12 ist dabei zumindest in Richtung der x-Achse annähernd normalverteilt. Entlang der Laserlinie 11 werden die Anstiege der Verteilung der Leistungsdichte in Richtung der x-Achse zumindest teilweise von Anstiegsbereichen eines angrenzenden Linienabschnittes 11a bis 11d überlagert und summarisch erhöht. Daher liegt über der gesamten Laserlinie 11 eine homogenere Verteilung der Leistungsdichte vor, als sie sich aus der Betrachtung der nicht-überlagerten Verteilung in jedem einzelnen Linienabschnitt 11a bis 11d ergäbe.
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Nachteilig ist dabei, dass Anteile der Laserstrahlenbündel 12 auf fügefreie Bereiche 4 auftreffen können. Dieser Nachteil kann jedoch durch eine Anpassung der emittierten Leistung einzelner Laserquellen 8a bis 8d reduziert werden.
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In der oben dargestellten Ausführung gemäß 2 kann zusätzlich eine Anordnung von Umlenkeinrichtungen 16 (nur zwei Umlenkeinrichtungen 16 in Form von Mikrospiegeln dargestellt) vorhanden sein, wie sie in 3 gezeigt ist. Diese sind so angeordnet, dass durch sie in den Strahlengang der Laserstrahlenbündel 12 eingegriffen werden kann. Sie werden durch einen Spiegelantrieb 17 betätigt, welcher mit der Ansteuerung 14 verbunden ist. Eine der Umlenkeinrichtungen 16 greift beispielhaft in den Strahlengang der Laserquelle 8c ein und lenkt über die Länge ihres Eingriffs das Laserstrahlenbündel 12 als reflektiertes Laserstrahlenbündel 18 in eine Laserfalle 19. Der Linienabschnitt 11c der Laserlinie 11 wird daher nicht beleuchtet.
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In weiteren Ausführungen können die Umlenkeinrichtungen 16 jedwede optische, elektro-optische oder opto-mechanische Bauteile geeigneter Dimension, Ansteuerbarkeit und optischer Eigenschaften sein. Als Umlenkeinrichtung 16 können beispielsweise (Mikro-)Linsen oder reflektierende, strahlformende und/oder absorbierende Bauteile verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die präzise Verbindung von einzelnen Werkstücken 1 und 2, aber auch von endlosen Materialien bei gleichzeitig freier und jederzeit möglicher Anpassung der Laserlinie 11 an die Ausdehnung eines Fügebereiches 3. Damit können auch Werkstücke 1 und 2 mit beliebig strukturiertem Fügebereich 3 bei hoher Präzision der erreichten Verschweißung miteinander verbunden werden. Gleichzeitig wird die Möglichkeit geschaffen, korrigierend in laufende Herstellungsprozesse eingreifen zu können, ohne den Prozess unterbrechen zu müssen. Die Erfindung kann in allen Bereichen Anwendung finden, in denen das Durchstrahlschweißen eingesetzt wird. Insbesondere kann sie für die Herstellung von Bauteilen in der Mikrofluidik verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkstück
- 2
- zweites Werkstück
- 3
- Fügebereich
- 31
- Streifenmatrix
- 31a bis 31h
- Streifen
- 32
- Streifenelement
- 4
- fügefreier Bereich
- 5
- Träger
- 6
- Spannvorrichtung
- 7
- Arbeitsrichtung
- 8
- Linienarray
- 8a bis 8h
- Laserquellen
- 9
- Zylinderlinse
- 10
- Kontaktbereich
- 11
- Laserlinie
- 11a bis 11h
- Linienabschnitte
- 12
- Laserstrahlenbündel
- 13
- Antrieb
- 14
- Ansteuerung
- 15
- Speicher
- 16
- Umlenkeinrichtung
- 17
- Spiegelantrieb
- 18
- reflektiertes Laserstrahlenbündel
- 19
- Laserfalle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0997261 B9 [0001]
- EP 1405713 B1 [0004]
- EP 997261 B9 [0005]
