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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen in einem Bauteil mittels eines Laserstrahls.
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Das Laserstrahlschweißen ist ein aus dem Stand der Technik wohlbekanntes Verfahren, welches sich durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit und hohe Präzision auszeichnet. Die Verarbeitung erfolgt materialschonend und führt zu gleichmäßigen Schweißnähten, was für eine stabile Verbindung zwischen den beiden zusammengefügten Komponenten sorgt. Laserstrahlschweißen kann beispielsweise dazu verwendet werden, um stromführende Leitungen in elektrischen und elektronischen Bauteilen zu schweißen.
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So kann Laserstrahlschweißen beispielsweise dazu verwendet werden, um Kupferverbindungen innerhalb eines Pulswechselrichters (PWR) zu kontaktieren. Aufgrund von Sauberkeitsanforderungen wird sowohl in dem beispielhaft erwähnten Pulswechselrichter sowie auch in anderen elektronischen Bauteilen häufig ein Schutzgas beim Schweißen verwendet, was insbesondere Spritzer reduziert, aber auch Poren in der Schweißnaht vermeiden kann. Üblicherweise wird dafür eine zusätzliche gesonderte Einhausung verwendet, um an der Schweißstelle eine 100%ige Schutzgasatmosphäre sicherzustellen. Alternativ werden auch Schutzgasdüsen verwendet, mittels welchen Schutzgas direkt zur Schweißstelle geströmt wird. Beim Laserstrahlschweißen von Kupfer mit Schutzgas werden inerte Schutzgase (Ar, He) verwendet. Üblicherweise werden die Kontaktelemente miteinander verschweißt und erst nach Fertigstellung der Elektronik wird diese in einem darauffolgenden separaten Schritt in einem Gehäuse verbaut.
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Aus Druckschrift
US 6,580 053 B1 ist beispielsweise eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Halbleitermaterials bekannt, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Lasereinheit und ein haubenartiges Abdeckelement zur Abdichtung eines mit einer Schutzatmosphäre gebildeten Raums aufweist. Druckschrift
JP 2009107004 A offenbart eine Laserschweißvorrichtung zum Verbinden von stromleitenden Komponenten, wobei der Schweißvorgang unter Schutzgasatmosphäre erfolgt. Druckschrift
DE 10 2011 087 181 B4 offenbart ein Laserbearbeitungssystem mit einem gasdicht abschließbaren Gehäuse, welches eine Prozesskammer umschließt.
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Druckschrift
CN 101026935 A offenbart ein Verfahren zum Löten von Verdrahtungselementen durch Laserstrahlbestrahlung in einem Gehäuse. Im Zuge des Verfahrens wird ein erstes längliches Verdrahtungselement 1 mit einer Aufnahmebohrung durch die gesamte Dicke des ersten Verdrahtungselements vorbereitet und auf einem zweiten länglichen Verdrahtungselement gestapelt. In einem Lötmittel enthaltenden Loch ist Lötmittel angeordnet und ein Laserstrahl bestrahlt das erste Verdrahtungselement in der Nähe des Lötmittelaufnahmelochs, um das Lötmittel zu schmelzen und das erste Verdrahtungselement mit dem zweiten Verdrahtungselement zu verbinden. In dem Gehäuse kann ein Laserfenster vorgesehen sein und als Abluftöffnung für die Ableitung von Gas oder Rauch verwendet werden, die beim Schmelzen des Lötmittels entstehen. Vorzugsweise ist zusätzlich zum Laserfenster eine Zugangsöffnung zum Einleiten von Frischluft in das Innere einer Abdeckung des Gehäuses vorgesehen.
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Im Lichte des Vorgenannten kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zum Schweißen mittels eines Laserstrahls bereitzustellen, insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellung einer Schutzgasatmosphäre während des Schweißvorgangs.
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Diese Aufgabe wird mittels des Gegenstandes des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen in einem Bauteil bereitgestellt, bei dem der Schweißvorgang nicht gesondert in einer anderen Vorrichtung durchgeführt wird und die geschweißten Kontaktelemente daraufhin in einem weiteren Schritt in das Gehäuse des Bauteils verbaut werden. Vielmehr erfolgt der Schweißvorgang direkt in dem Bauteil selbst Die mittels des Schweißverfahrens kontaktierten Elemente liegen bereits vor Beginn des Schweißvorgangs in ihrer Soll-Position in dem Bauteil vor und müssen nach dem Scheißvorgang nicht erst in einem weiteren Schritt in das Bauteil transferiert werden. Übertragen gesprochen kann das hier beschriebene Verfahren als ein „in situ“ Laserstahlschweißverfahren betrachtet werden, da die zusammenzufügenden Komponenten in ihrer natürlichen bzw. endgültigen Lage in dem Bauteil verschweißt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, das Gehäuse des Bauteils als Schirm für die Schutzgasatmosphäre zu nutzen. Dazu wird die Elektronik bereits vor dem Kontaktieren mittels des Laserstrahlschweißens im Gehäuse verbaut. Während des Kontaktierens kann zum einen das Gehäuse von einem für den Laser zumindest in einem Teilbereich transparenten Deckel bereits verschlossen sein. Aufgrund der Transparenz kann ein von außerhalb des Bauteils platzierter Laser dennoch innerhalb des Gehäuses als Schweißwerkzeug arbeiten. Insbesondere kann der mindestens in einem Teilbereich transparente Deckel als finales Gehäusebauteil dienen. Alternativ, wenn das Bauteil noch nicht mit dem finalen Deckel verschlossen ist, kann ein Hilfsdeckel auf das Gehäuse aufgesetzt werden, welcher für die Zeit des Laserstrahlschweißens temporär das Gehäuse gasdicht (bezogen auf die Kontaktstelle zwischen dem Gehäuse und dem Hilfsdeckel) verschließt. Hierbei kann der Hilfsdeckel grundsätzlich dem finalen Gehäusedeckel des Bauteils nachgebildet sein, wobei zusätzlich die den Laserstrahl erzeugende Vorrichtung (Laser) fix mit dem Hilfsdeckel verbunden sein kann. Der Hilfsdeckel kann auch als eine Glocke bzw. ein Trichter ausgebildet sein und auf das Gehäuse aufgesetzt werden, wodurch das Schutzgas schwieriger aus dem Inneren des Bauteils entweichen kann. In dieser Ausführungsform muss der Arbeitsraum nicht vollständig dicht sein, er kann es aber. Der Laser kann so am Hilfsdeckel angebracht sein, dass er auf der Innenseite des Hilfsdeckels aus dem Laser austritt und dadurch nicht zusätzlich durch das Material des Deckels bzw. dessen transparenten Werkstoff propagieren muss. Die Vorrichtung zum Erzeugen des Lasers kann ferner eine Laseroptik aufweisen, mittels welcher der Laserstrahl für den Schweißprozess passend vorbereitet werden kann (etwa hinsichtlich seiner Taille und Brennweite).
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Durch den zumindest in einem Teilbereich für die Wellenlänge bzw. das Wellenlängenspektrum des Schweißlaserstrahls transparent ausgebildeten Deckel/Hilfsdeckel wird der Laserstrahl beispielsweise maximal um 5% durch Absorption geschwächt. Mittels geeigneter Laseroptik kann der Strahl beim Auftreffen auf den Deckel/Hilfsdeckel einen relativ großen Strahlquerschnitt aufweisen und damit eine relativ niedrige Energiedichte. Diese Parameter könnten so angepasst werden, dass eine Beschädigung des Deckels/Hilfsdeckels vermieden werden kann. Hier kann beispielsweise ein Laserstrahl mit einer hohen Divergenz verwendet werden, welcher an der auszubildenden Schweißstelle seinen minimalen Strahlquerschnitt erreicht. So können dann beispielsweise über 95% der Laserleistung im Fokus des Laserstrahls zusammengeführt werden, wodurch eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht wird und erst dadurch Schweißen ermöglicht wird. Folglich kann also die den Laserstrahl erzeugende Vorrichtung so eingerichtet sein, dass der Laserstrahl nur dann eine zum Schweißen (z.B. für Kupfer- oder Aluminiumschweißen) ausreichend hohe Energiedichte hat, wenn er auf die entsprechenden zu schweißenden Komponenten innerhalb des Gehäuses fokussiert wird und diese das Laserlicht absorbieren.
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Das Schutzgas kann über mindestens ein am Gehäuse vorgesehenen Anschluss ins Innere eingeströmt werden, wobei bevorzugt mindestens zwei Anschlüsse bereitgestellt sein können, etwa ein Zufluss- und ein Abflussanschluss. Die Anschlüsse können im Betrieb des Bauteils als Anschlüsse für das Ein- und Ausleiten eines Kühlmediums fungieren und zur Bereitstellung einer Kühlung in dem Bauteil in Form einer Luftkühlung, Wasserkühlung oder Ölkühlung dienen. Andere Öffnungen in der Gehäusewand, falls vorhanden, können für den Prozess kurzfristig abgedichtet werden.
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Das hier offenbarte erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei verschiedensten Bauteilen, insbesondere einem Elektronikbauteil wie einem PWR, zum Einsatz kommen. Voraussetzung dafür ist, dass die mittels des Laserstrahlschweißens zusammenzufügenden Komponenten in einem Gehäuse eingehaust sind, welches für einen Betrieb mit einer Kühlung eingerichtet ist und daher bereits ein dichtendes Gehäuse mit bestehenden Medienzugängen darstellt. Im Optimalfall liegen die Medienzugänge als geometrisch einfache Öffnungen vor.
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Das hier offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass keine gesonderte Vorrichtung zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre notwendig ist, sondern bereits das Gehäuse zusammen mit dem Deckel bzw. dem Hilfsdeckel diese Vorrichtung ersetzt. Die durchzuführenden Schweißarbeiten können so erleichtert und beschleunigt werden, wenn dabei aufgrund von Sauberkeitsanforderungen ein Schutzgas verwendet werden muss.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen in einem Bauteil mittels eines Laserstrahls bereitgestellt werden. In einem ersten Schritt weist das Verfahren Bereitstellen des Bauteils auf, welches ein Gehäuse aufweist, in dem mindestens eine Schweißstelle ausgebildet werden soll, wobei entweder in einer ersten Variante das Gehäuse bereits mit einem mindestens für die Wellenlänge des Laserstrahls transparenten Deckel verschlossen ist, welcher mit dem Gehäuse eine gasdichte Verbindung ausbildet, oder in einer zweiten Variante das Gehäuse mit einem Hilfsdeckel verschlossen wird. In einem weiteren Schritt weist das Verfahren Einführen eines Schutzgases in das Gehäuse des Bauteils durch mindestens einen darin vorgesehenen Anschluss auf. Bevorzugt können mindestens zwei Anschlüsse dieser Art vorliegen, die Zugängen in der Gehäusewand entsprechen, um durch diese eine Verbindung von der Außenwelt zum Inneren des Gehäuses zu ermöglichen.
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In einem weiteren Schritt weist das Verfahren Erzeugen eines Laserstrahls auf entweder mittels einer außerhalb des Gehäuses an das Bauteil herangeführten Vorrichtung oder mittels einer am Hilfsdeckel angebrachten Vorrichtung.
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In einem darauffolgenden Schritt weist das Verfahren Ausbilden der mindestens einen Schweißstelle innerhalb des Gehäuses mittels des Laserstrahls auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der bei der ersten Variante verwendete Deckel einem finalen Gehäusebauteil entsprechen. Folglich kann das Schweißverfahren durch den Deckel des Bauteils hindurch erfolgen, wobei der finale Deckel in einem vorgelagerten Schritt auf das Gehäuse montiert worden ist und nach dem Durchführen des Schweißverfahrens unverändert am Gehäuse montiert bleibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der bei der zweiten Variante auf das Gehäuse aufgesetzte bzw. an dieses montierte Hilfsdeckel mindestens in einem Teilbereich für mindestens die Wellenlänge des Laserstrahls transparent sein. Der Teilbereich kann so angeordnet sein, dass eine Laserschweißung an den dafür vorgesehenen Stellen innerhalb des Bauteils durch den Hilfsdeckel hindurch vorgenommen werden kann. Nach Beenden des Schweißvorgangs kann der Hilfsdeckel wieder vom Gehäuse abgenommen/demontiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der bei der zweiten Variante auf das Gehäuse aufgesetzte Hilfsdeckel eine gasdichte Verbindung mit dem Gehäuse ausbilden. Im Hinblick auf den Aspekt der gasdichten Schnittstelle zwischen dem Hilfsdeckel und dem Gehäuse kann der Hilfsdeckel im Wesentlichen dem in der ersten Variante des Verfahrens verwendeten Deckel entsprechen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Vorrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls derart am Hilfsdeckel angebracht sein, dass der Laserstrahl innerhalb des mit dem Hilfsdeckel verschlossenen Gehäuses aus der Vorrichtung austritt. So kann ein Teil der Vorrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls auf der Innenseite des Hilfsdeckels angeordnet sein, so dass sich dieser Teil nach Aufsetzten des Hilfsdeckels auf die offene Seite des Gehäuses in dessen Innerem befindet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der dann aus diesem Teil der Vorrichtung austretende Laserstrahl nicht durch den Hilfsdeckel hindurchpropagieren muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Hilfsdeckel eine Trichterform aufweisen, welche sich zur Außenseite des Gehäuses hin verjüngt. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls kann beispielsweise im Scheitel des Trichters angeordnet sein. Der in Trichter- bzw. Glockenform ausgebildete Hilfsdeckel muss nicht notwendigerweise eine gasdichte Kontaktstelle mit dem Gehäuse ausbilden (er kann es aber). Es genügt, wenn der Austritt des Schutzgases aus dem Inneren des Gehäuses durch Anlegen des Hilfsdeckels während des Schweißvorgangs erschwert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann es sich bei dem Bauteil um einen Pulswechselrichter handeln. Im Zuge des Laserstrahlschweißprozesses können beispielsweise stromführende Leitungen, etwa aus Kupfer, innerhalb des Bauteils miteinander verschweißt werden.
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Es wird ferner ein Bauteil offenbart, aufweisend ein Gehäuse, welches mit einem für Licht im sichtbaren und/oder infraroten Bereich, insbesondere für die Wellenlängen eines zum Laserstrahlschweißen verwendeten Lasers, mindestens in einem Teilbereich davon transparenten Deckel gasdicht verschlossen ist; elektronische Komponenten, welche im Inneren des Gehäuses angeordnet sind; und mindestens einen Anschluss, welcher zum Einleiten eines Fluids in das Bauteil dient. Zusätzlich zu dem einen Anschluss kann ein weiterer Anschluss vorliegen, so dass mittels der beiden Kühlfluidanschlüsse, wie bereits zuvor angemerkt, eine Kühlfluidströmung durch das Bauteil ausgebildet werden kann.
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Bei dem Bauteil kann es sich um einen Pulswechselrichter handeln.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- 1A und 1B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2A und 2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3A und 3B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Die hierbei verwendeten grundlegenden Komponenten sind auch in den nachfolgenden Figuren dargestellt und tragen gleiche Bezugszeichen. Dabei zeigt 1A einen Zustand, welcher zeitlich vor dem in 1 B gezeigten Zustand liegt.
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In 1A ist das Bauteil 1 dargestellt, welches ein Gehäuse 2 mit darin angeordneten Komponenten 11, 12 aufweist, die miteinander verschweißt werden sollen. Das Gehäuse 2 ist mit einem Deckel 3 gasdicht verschlossen. In der Wand des Gehäuses 2 sind mindestens zwei Anschlüsse bereitgestellt, die jedoch in 1A nicht explizit gezeigt sind.
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Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die Vorrichtung 4 zum Bereitstellen des Laserstrahls an das Bauteil 1 herangeführt und geeignet positioniert. Dann wird eine Schutzgasströmung durch ein das Innere des Bauteils 1 ausgebildet, indem etwa durch den ersten Anschluss 6 ein Schutzgas in das Bauteil 1 eingeleitet wird und durch den zweiten Anschluss 7 aus diesem ausgeleitet wird. Schließlich wird die Vorrichtung 4 aktiviert, die den Laserstrahl 5 erzeugt, und es kann eine in 1B angedeutete Schweißstelle 13 zwischen den beiden Komponenten 11, 12 ausgebildet werden, wodurch diese aneinander befestigt werden.
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Das in den 2A und 2B veranschaulichte zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich. Der Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass statt des Deckels 3, welcher einem finalen Gehäusebauteil entspricht, ein Hilfsdeckel 8 verwendet wird, mit dem das Gehäuse 2 verschlossen wird. Die Vorrichtung 4 zum Bereitstellen des Laserstrahls ist zudem fest mit dem Hilfsdeckel 8 verbunden. Durch Aufsetzen des Hilfsdeckels 8 auf das Gehäuse 2 (siehe 2B) wird zugleich die Vorrichtung 4 gegenüber dem Gehäuse 2 positioniert. Wie im vorherigen Fall und in 2B dargestellt, kann anschließend mittels des von der Vorrichtung 4 erzeugten Laserstrahls 5 der Laserstrahlschweißprozess durchgeführt werden, um die beiden Komponenten 11, 12 an der Schweißstelle 13 miteinander zusammenzufügen.
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Hierbei sei erwähnt, dass die Vorrichtung 4 in dem in den 2A und 2B veranschaulichten Szenario nicht notwendigerweise an den Hilfsdeckel 8 befestigt sein muss. Die Vorrichtung 4 kann ebenfalls, wie bei dem in den 1A und 1B veranschaulichten ersten Ausführungsbeispiel, in einem unabhängigen Schritt an das Bauteil 1 herangeführt werden.
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Das in den 3A und 3B veranschaulichte dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich. Der Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispielen liegt darin, dass der Hilfsdeckel 8, welcher auf das Gehäuse 2 gesetzt wird, die Form eines Trichters 9 aufweist und die Vorrichtung 4 zum Erzeugen des Laserstrahls in den Hilfsdeckel 8 so eingebaut ist, dass der den Laserstrahl emittierende Teil auf der Innenseite des Deckels 8 angeordnet ist. Das hat zur Folge, dass durch Aufsetzen des Hilfsdeckels 8 auf das Gehäuse 2 die Vorrichtung 4 zum einen in ihrer Position relativ zum Gehäuse 2 fixiert wird. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel und wie in 3B gezeigt, tritt der Laserstrahl 5 zum anderen aus einem innen liegenden Teil der Vorrichtung 4 aus und muss dadurch nicht erst durch den Hilfsdeckel 8 hindurchpropagieren. Folglich muss der Hilfsdeckel 8 nicht aus einem für die Wellenlänge bzw. das Wellenlängenspektrum des Laserstrahls 5 transparenten Material ausgebildet sein, da es in diesem Ausführungsbeispiel nicht auf dessen Transparenz ankommt, um den Schweißvorgang vorzunehmen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Bauteils 1, das einem Pulswechselrichter entspricht. Das Gehäuse 2 ist mit dem finalen Deckel 3 verschlossen, welcher zugleich für den von der Vorrichtung 4 erzeugten Laserstrahl 5 transparent ist. Durch den ersten Anschluss 6 wird das Schutzgas in das Innere des Gehäuses 2 geleitet und kann durch den zweiten Anschluss 7 aus diesem wieder austreten. Im Inneren des Gehäuses 2 erfolgt die Ausbildung der Schweißstellen 13 mittels des Laserstrahls 5 durch den Deckel 3 hindurch unter einer Schutzgasatmosphäre.
