DE3941558A1 - Laser-verbindungsvorrichtung mit lichtleitfaser - Google Patents
Laser-verbindungsvorrichtung mit lichtleitfaserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Verbinden
von Materialien durch Punktschweißen, Hartlöten oder Löten, und
sie betrifft mehr im besonderen eine Vorrichtung zum Verbinden
von Materialien unter Anwendung eines Laserstrahls.
Obwohl Verfahren zum Verbinden von Materialien, wie Punktschwei
ßen, Hartlöten oder Löten bekannt sind und in weitem Maße zum
Verbinden von Teilen einschließlich elektrischer Komponenten be
nutzt werden, war es schwierig, solche Verbindungsverfahren auf
die mikroelektronische Industrie zum Verbinden kleiner mikro
elektronischer Teile anzuwenden. Ein Grund waren die Schwierig
keiten bei der genauen Kontrolle der auf die Teile angewendeten
Leistung und beim Begrenzen des Erhitzens auf einen lokalisier
ten Bereich der Teile, so daß diese ohne Beschädigung der Teile
oder anderer Materialien oder Komponenten in ihrer Nähe verbun
den wurden.
Normale Hartlöt- und Lötprozesse erfordern, daß eine Elektrode,
die widerstandserhitzt worden ist, in mechanischen Kontakt mit
den Teilen gebracht und lange genug in Kontakt damit gehalten
wird, damit genügend Wärme durch Leitung übertragen wird, um das
Verbinden zu bewirken. Mit einer erhitzten Elektrode ist es sehr
schwierig, das Erhitzen auf einen lokalisierten Bereich zu be
schränken oder die Wärmemenge zu kontrollieren, die in der Nähe
der Elektrode auf Komponenten übertragen wird, insbesondere wenn
die verbundenen Teile in einem begrenzten Bereich angeordnet
sind. Bei einem Widerstands-Punktschweißen wird häufig eine ge
spaltene Elektrode, wie aus Kupfer, benutzt, elektrischen Strom
durch zwei Teile zu leiten, die in mechanischem Kontakt mitein
ander gehalten werden. Der Strom erzeugt ein Widerstandserhitzen
und verbindet die Teile. Wie beim Hartlöten und Löten ist es bei
einem Punktschweiß-Verfahren schwierig, genau den Erwärmungsgrad
zu steuern oder die von Wärme beeinflußte Fläche genügend auf
die zu verbindenden Teile zu beschränken, um eine Beschädigung
zu vermeiden.
Vorrichtungen, die Laserstrahlen benutzen, sind für verschiedene
Behandlungsverfahren, wie Schneiden, Bohren, Schweißen, Hartlö
ten, Markieren oder lokalisiertes Wärmebehandeln bekannt. Typi
sche dieser Vorrichtungen sind in den US-PSen 45 64 736,
46 76 586 und 46 81 396 offenbart, bei denen eine Lichtleitfa
ser benutzt wird, um einen Laserstrahl von einer entfernt lie
genden Quelle zu einem Verarbeitungs- bzw. Behandlungsbereich
eines Werkstückes zu übertragen. In diesen Vorrichtungen ist das
Ausgangsende der Lichtleitfaser in einem Ausgangskoppler getra
gen, der benachbart dem Werkstück angeordnet ist. Der Ausgangs
koppler schließt ein Linsensystem zum Fokussieren des divergie
renden Laserstrahles, der aus dem Ende der Lichtleitfaser emit
tiert wird, zu einem kleinen Fleck auf dem Werkstück ein. Der
Ausgangskoppler steht mit dem Werkstück nicht in Kontakt, son
dern er wird lediglich zum Fokussieren der Laserenergie auf das
Werkstück benutzt. Vorrichtung und Verfahren in den obigen US-
PSen sind daher kontaktfrei, was allgemein zutrifft auf andere
bekannte Verfahren zum Behandeln von Materialien, wie Laser
schweißen. Obwohl die Laser-Verfahren genau gesteuert werden kön
nen, um eine erwünschte lokalisierte Beaufschlagung hoher Ener
gie zu ergeben, ist das Fehlen des mechanischen Kontaktes zwi
schen dem Werkzeug, das den Laserstrahl liefert, und einem Werk
stück nachteilig beim Laser-Verbinden, wie dem Laserschweißen,
da es äußere Positionierungsgeräte oder Befestigungen erfordert,
um die zu verbindenden beiden Werkstücke in mechanischem Kontakt
zu halten. Dies kann die Automatisierung des Verbindungsverfah
rens schwierig und unbequem gestalten. Bei einigen Anwendungen,
bei denen es z.B. erforderlich ist, Teile miteinander zu verbin
den, die in einem begrenzten Raum angeordnet sind, ist es unprak
tisch, äußere Anordnungsgeräte oder Befestigungen anzuwenden, um
die Teile zusammenzuhalten, und dies kann das Verbinden der Teile
unter Einsatz eines Laser-Verfahrens ausschließen.
Es ist daher erwünscht, eine Laser-Verbindungsvorrichtung mit
Lichtleitfaser zu schaffen, die die vorgenannten und andere
Probleme bekannter Laser-Verbindungsvorrichtungen vermeidet und
das Verbinden von mikroelektrischen Komponenten zuverlässig und
rasch erleichtert und ohne daß die verbundenen Komponenten oder
andere Komponenten in ihrer Nachbarschaft beschädigt werden.
Hierauf ist die vorliegende Erfindung gerichtet.
Die Erfindung schafft eine sehr vorteilhafte Laser-Verbindungs
vorrichtung, die kleine Komponenten, wie mikroelektrische Kom
ponenten, zuverlässig und rasch ohne Beschädigung der Komponen
ten oder anderer Teile oder Materialien in ihrer Nähe zu ver
binden vermag. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der
Schaffung eines mit einem Werkstück Berührung habenden Werkzeu
ges, das an einem Ausgangsende einer Lichtleitfaser angeordnet
ist, die den Laserstrahl zum Werkstück trägt. Das Werkzeug ist
anpaßbar an ein automatisiertes Verbindungsverfahren oder als
handbetätigtes Werkzeug, und es gestattet das Aufbringen mecha
nischen Druckes auf zu verbindende Werkstücke, so daß diese wäh
rend des Verbindungsverfahrens in Berührung gehalten werden kön
nen. Die Erfindung ist demgemäß brauchbar für Verfahren zum
Punktschweißen, Hartlöten oder Löten, bei denen es erforderlich
ist, die beiden zu verbindenden Teile in mechanischem Kontakt
zu halten. Dies vermeidet vorteilhafterweise die Notwendigkeit
von Befestigungseinrichtungen oder anderer äußerer Positionie
rungsgeräte, um die beiden zu verbindenden Werkstücke zu halten,
und es gestattet das Verbinden von Werkstücken, die in einem be
grenzten Raum angeordnet sind. Die Erfindung gestattet das prä
zise Steuern der an die Werkstücke, die auf einen kleinen loka
lisierten Bereich beschränkt sind, abgegebenen Energiemenge und
vermeidet so die Beschädigung sowohl der Werkstücke als auch der
sie umgebenden Materialien.
Kurz gesagt schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Laser-
Verbindungsvorrichtung, die eine Lichtleitfaser zum Übertragen
eines Laserstrahles und eine Einrichtung zum Einführen des Laser
strahles in ein Eintrittsende der Lichtleitfaser umfaßt. Am Aus
trittsende der Faser befindet sich ein langgestrecktes Gehäuse,
das eine Einrichtung zum Eingriff mit einem und zur Ausübung von
Druck auf ein Werkstück hat, wie eine Komponente oder ein Teil,
das mit einer anderen Komponente oder einem anderen Teil verbun
den werden soll. Das Gehäuse weist in seinem Ende, das mit dem
Werkstück in Eingriff steht, eine Öffnung auf, und das Austritts
ende der Lichtleitfaser ist innerhalb des Gehäuses mit Bezug auf
die Öffnung gehalten, so daß ein divergierender Teil des Laser
strahles, der aus der Lichtleitfaser emittiert wird, durch die
Öffnung auf das Werkstück geworfen wird.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Laser-Bearbeitungsvorrichtun
gen für Materialien, wie sie z.B. in den obengenannten US-PSen
offenbart sind, benutzt die Erfindung keine Linsensysteme am
Austrittsende der Lichtleitfaser, um den divergierenden Laser
strahl, der aus dem Austrittsende der Faser emittiert wird, zu
fokussieren. Vielmehr wird der divergierende Laserstrahl selbst
auf das Werkstück projiziert und direkt zum Aufbringen optischer
Energie auf das Werkstück benutzt, um es zu erhitzen. Dies ver
einfacht das Werkzeug nach der Erfindung beträchtlich und gestat
tet, daß es sehr schlank ausgebildet wird, so daß man Zugang hat
zu Komponenten, die in einem begrenzten Raum angeordnet sind.
Das Austrittsende der Lichtleitfaser kann innerhalb des Werkzeug
gehäuses abgestützt sein, so daß die Faser parallel zur Längs
achse des Gehäuses und zum Werkstück hin verläuft, so daß die
Spitze des Faserkernes benachbart der Öffnung im Ende des Gehäu
ses und in einem vorbestimmten Abstand vom Werkstück angeordnet
ist. Die Öffnung im Gehäuse kann mit einer Kammer innerhalb des
Gehäuses in Verbindung stehen, die teilweise durch ein Schutz
fenster, z.B. aus Quarz, begrenzt wird, das zwischen der Faser
spitze und der Öffnung angeordnet ist, um die Faserspitze vor
Materialspritzern oder ähnlichem, die während des Verbindungsver
fahrens gebildet werden, zu schützen. Durchgänge im Gehäuse kön
nen mit der Kammer in Verbindung stehen, um einem Behandlungs
gas, wie einem Inertgas, das Durchströmen durch die Kammer und
an dem Quarzfenster vorbei zu gestatten. Das Behandlungsgas
dient zum Einhüllen des Bereiches des Werkstückes, das durch
die Öffnung im Gehäuse der Kammer ausgesetzt ist. Es wird so
mit eine inerte Atmosphäre für den innerhalb der Öffnung befind
lichen Teil des Werkstückes geschaffen, und die Gasströmung
durch die Kammer gestattet das Wegtragen verdampfter Produkte
des Schweißverfahrens. Dies unterstützt das Reinhalten des
Quarzfensters und unterdrückt das künstliche Echo und verbes
sert auf diese Weise die Kopplungswirksamkeit zwischen dem La
serstrahl und dem Werkstück.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im ein
zelnen zeigen:
Fig. 1 eine diagrammartige Ansicht, die die Laser-Verbin
dungsvorrichtung mit Lichtleitfaser gemäß der vorlie
genden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 eines
ein Werkstück ergreifenden Werkzeuges der Vorrich
tung nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Werkzeuges nach Fig. 1
längs der Linie 3-3.
Die Erfindung ist besonders geeignet zum Verbinden von Werkstüc
ken, wie mikroelektrischer Komponenten, in einem Punktschweiß
verfahren, und sie wird in diesem Zusammenhang erläutert. Es
sollte jedoch klar sein, daß dies nur eine Brauchbarkeit der Er
findung veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt diagrammartig eine Laser-Verbindungsvorrichtung 10
mit Lichtleitfaser gemäß der Erfindung. Wie gezeigt, kann die
Vorrichtung einen Laser 12 umfassen, der ein Impuls- oder konti
nuierlich betriebener Neodym:YAG-Festkörperlaser oder ähnliches
(z.B. eine Quelle für sichtbares oder UV-Laserlicht) sein kann,
der einen Ausgangsstrahl abgibt, der mittels eines Kopplers 16
zur Übertragung des Strahles zu einem Werkzeug 18 in eine Licht
leitfaser 14 gekoppelt wird. Das Werkzeug 18 dient als Halter
für die Lichtleitfaser und als Gerät zum Anwenden einer Kraft
auf ein Werkstück, wie im folgenden beschrieben.
Die Lichtleitfaser 14 kann eine einzelne dünne (Durchmesser 0,1
bis 1,5 mm) Lichtleitfaser sein, die einen Quarzkern 20 umfaßt,
der von einem Mantel 22, wie aus Silikon oder Glas, umgeben ist
und eine Schutzhülle 24, z.B. aus Nylon, aufweist. Der Koppler
16 kann ähnlich ausgebildet sein wie die in den obengenannten
PSen beschriebenen Koppler. Infolgedessen kann der Koppler einen
Halter für das Eingangsende der Lichtleitfaser und eine Linse zum
Fokussieren des Laserstrahles auf den Quarzkern am Eingangsende
umfassen. Wie in den oben genannten PSen beschrieben, kann der
Laserstrahl in die Lichtleitfaser eingeführt werden, indem man
den Laserstrahl zu einem kleinen Fleck auf dem Faserkern fokus
siert, so daß der Durchmesser des Fleckes kleiner ist als der
Durchmesser des Kernes und der eingeschlossene Winkel des fokus
sierten Strahles kleiner als die numerische Öffnung der Faser ist.
Der Laserstrahl wird durch die Lichtleitfaser übertragen und am
Ausgangsende der Faser als divergierender Strahl 32 (in Fig. 1
gestrichelt dargestellt) am Boden 30 des Faserkernes emittiert.
Wie in den Figuren gezeigt, kann das Werkzeug 18 ein langgestreck
tes allgemein zylindrisches äußeres Gehäuse 40 und ein inneres
zylindrisches Trägerteil 42 umfassen, das eine axiale Bohrung 44
aufweist. Das Gehäuse 40 kann aus Metall, einem Kunststoff oder
einer Hochtemperatur-Keramik gebildet sein. Das Teil 42 besteht
vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Material, wie Quarz
oder Kunststoff. Die axiale Bohrung nimmt das Ausgangsende der
Lichtleitfaser 14 auf, und es kann eine nicht dargestellte Ein
richtung vorhanden sein, wie Klammern usw., um die Lichtleitfa
ser in der Bohrung festzulegen. Der in Fig. 1 untere Endbereich
des äußeren Gehäuses kann sich verjüngen, wie bei 46 gezeigt und
in einem flachen Ende 48 enden, das auf ein erstes Werkstück 50
aufgestellt werden kann. Das flache Ende 48 des Gehäuses, das
im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses verläuft,
gestattet das Ausüben von Druck auf das Werkstück 50, um es z.B.
gegen ein zweites Werkstück 52 gepreßt zu halten.
Eine oben geschlitzte ringförmige Hülse oder Buchse 56 mit einer
durchgehenden Öffnung 58 kann in das flache Ende 48 des Gehäuses
gepreßt werden, so daß die Öffnung 58 koaxial mit der Bohrung 44
des inneren Trägerteiles 42 des Werkzeuges liegt. Der geschlitz
te obere Teil der Buchse kann sich radial erstreckende Trägerab
schnitte 60 aufweisen, die am besten in Fig. 3 ersichtlich
sind, die ein Schutzfenster 62, z.B. aus Quarz, in einem entspre
chenden Ausschnitt des unteren Endes des Teiles 42 abstützen und
halten, wie in Fig. 1 dargestellt. Das Schutzfenster und die
Öffnung 58 in der Buchse bilden eine Kammer im unteren Ende des
Werkzeuges benachbart der Oberfläche des Werkstückes 50. Die
Kammer kann mittels sektorförmiger Kanäle 66, die in den Öff
nungsbereichen zwischen den sich radial erstreckenden Trägertei
len 60 am Oberende der Buchse und im Ende des Teiles 42 angeord
net sind, mit mehreren sich längs erstreckenden bogenförmigen
Durchgängen 70 (die am besten in den Fig. 2 und 3 ersichtlich
sind) in Verbindung stehen, wobei die Durchgänge 70 auf der in
neren Oberfläche des Gehäuses 40 zwischen dem Gehäuse und dem
Trägerteil 42 gebildet sind. Jeder Durchgang 70 ist symmetrisch
um die Längsachse und vier durchgehende Kanäle 60 angeordnet.
Ein oder mehrere der Durchgänge 70 können mit einer Quelle 72
eines Gases, wie eines Inertgases, wie in Fig. 1 gezeigt, ver
bunden sein. Das Gas der Quelle 72 fließt durch die Durchgänge
und Kanäle, wie durch die Pfeile veranschaulicht, und kann dazu
benutzt werden, die Kammer in der Buchse während eines Schweiß-,
Hartlöt- oder Lötverfahrens zu reinigen, wie im folgenden näher
beschrieben wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Ausgangsende der Lichtleitfaser
14 innerhalb der Bohrung 44 des Teiles 42 gehalten, so daß es
koaxial mit dem Gehäuse 40 verläuft und die Faser senkrecht zum
flachen Ende 48 des Halters liegt. Der Endbereich der Lichtleit
faser kann zubereitet sein, um Verluste zu vermindern, wie in
der obengenannten US-PS 45 64 736 beschrieben, indem man Mantel
22 und Schutzüberzug 24 vom Ende der Faser abstreift, um eine
vorbestimmte Länge des Faserkernes 20 freizulegen und indem man
etwa die gleiche vorbestimmte Menge an Schutzüberzug vom Mantel
22 abstreift. Vorzugsweise ist die Spitze 30 des Faserkernes
geschnitten und flachpoliert, so daß die geschnittene und po
lierte Fläche senkrecht zur Längsachse der Faser liegt. Die Fa
serspitze kann in Kontakt mit dem Schutzfenster 62 gebracht wer
den oder einen geringen Abstand davon haben, wie in Fig. 1 ge
zeigt. Die Faser kann in der Bohrung 44 des inneren Teiles 42
abgestützt sein, wobei der Schutzüberzug mit der Oberfläche der
Bohrung in Berührung steht. Es ist erwünscht, daß das Teil 42
nicht mit dem Faserkern 20 in Berührung steht, um einen Leckver
lust des Laserstrahles, der durch die Faser übertragen wird, in
das Teil 42 zu vermeiden.
Beim Austreten des Laserstrahles aus dem Boden 30 der Lichtleit
faser divergiert er, wie durch die gestrichelten Linien 32 in
Fig. 1 gezeigt, und wird durch die Öffnung 58 in der Buchse auf
die Oberfläche des Werkstückes 50 projiziert. Die optische Ener
gie, die auf die Oberfläche des Werkstückes auftrifft, kann ein
Schmelzen des Werkstückes und die Bildung eines geschmolzenen
Schweißpools 80, wie in Fig. 1 dargestellt, erzeugen. Der Grad
des Erhitzens des Werkstückes ist eine Funktion der Leistungs
dichte der optischen Energie, die auf das Werkstück angewandt
wird, und diese kann in einer Anzahl verschiedener Arten gesteu
ert werden. Unter anderem ist die Leistungsdichte eine Funktion
der Laser-Leistung und der Fleckgröße des auf das Werkstück pro
jizierten Laserstrahles. Da der aus der Lichtleitfaser austreten
de Laserstrahl divergiert, variiert die Leistungsdichte mit dem
Abstand des Endes der Lichtleitfaser vom Werkstück. Ein Weg zur
Steuerung der Leistungsdichte besteht damit in der Variation der
Anordnung der Spitze 30 der Lichtleitfaser mit Bezug auf das
Ende 48 des Werkzeuggehäuses, und das Werkzeug 18 kann konstru
iert sein, die Einstellung der Spitze der Faser in der Bohrung
zu gestatten. Während die physikalische Anordnung der Spitze
der Faser mit Bezug auf das Werkstück die Kontrolle der Lei
stungsdichte gestattet, ist dies kein bequemer Weg. Es ist er
wünscht, eine vernünftige Arbeitsdistanz zwischen dem Werkstück
und dem Boden der Lichtleitfaser beizubehalten, und es ist auch
erwünscht, diesen Abstand klein zu halten, um die Leistungsdich
te auf der Oberfläche des Werkstückes zu maximieren, während
dies einen bequemen Weg darstellt, die Leistungsdichte genau zu
steuern.
In der anhängigen US-Anmeldung Serial-No. 1 36 071 vom 21. Dezem
ber 1987 ist ein nicht in Berührung stehender linsenfreier Aus
gangskoppler für eine Vorrichtung zur Behandlung von Materialien
mit Laser unter Verwendung einer Lichtleitfaser offenbart. In
dieser Anmeldung ist ausgeführt, daß der divergierende Teil eines
Laserstrahles am Ausgangsende einer Lichtleitfaser durch einen
Ausgangs-Konuswinkel charakterisiert ist, der etwa gleich dem
Eingangs-Konuswinkel des Laserstrahles ist, der in das Eingangs
ende der Lichtleitfaser eingeführt wird. Da die Leistungsdichte
eine Funktion der Fleckgröße des projizierten Strahles ist, die
wiederum eine Funktion der Divergenz oder des Ausgangs-Konuswin
kel des Laserstrahles ist, kann die Leistungsdichte kontrolliert
werden, indem man den Eingangs-Konuswinkel des Laserstrahles,
der durch den Koppler 16 in die Lichtleitfaser injiziert wird,
kontrolliert und indem man die Leistung des in die Lichtleitfa
ser injizierten Laserstrahles kontrolliert. Zusätzlich kann der
Boden 30 des Kernes der Lichtleitfaser, falls erwünscht, so ge
formt werden, daß man einen Konvexlinseneffekt zum Fokussieren
des aus der Faser emittierten Laserstrahles erhält.
Es könnte auch ein Linsensystem in das Werkzeug 18 eingebaut wer
den, um den aus der Faser emittierten Laserstrahl zu fokussieren,
doch würde dies die Struktur komplexer machen.
Beim Betrieb wird das Werkzeug 18 dazu benutzt, mit einem der
zu verbindenden Werkstücke in der in Fig. 1 gezeigten Weise in
Eingriff zu treten und um den erwünschten Druck zum Verbinden
auszuüben. Zum Punktverschweißen zweier Werkstücke ist es erfor
derlich, einen genügenden Druck zwischen den beiden Werkstücken
auszuüben, um den thermischen Widerstand an ihren Kontaktober
flächen zu vermindern. Das Werkzeug richtet den Laserstrahl auf
eine erwünschte Stelle auf dem Werkstück und gestattet die ge
naue Kontrolle der Stellen, an denen die Werkstücke verbunden
werden.
Das Werkzeug ist in etwa analog einer widerstandserhitzten Elek
trode, vermeidet jedoch die Nachteile solcher Elektroden, die
in einem Erwärmen der umgebenden Komponenten bestehen. Während
man mit dem Werkzeug Druck ausübt, kann der Laser 12 mit Impuls
betrieb arbeiten, um über den Koppler 16 Energie in die Licht
leitfaser zu injizieren. Der Laserstrahl wird durch die Licht
leitfaser zu deren Ausgangsende übertragen. Der divergierende
Strahl von der Spitze des Ausganges der Lichtleitfaser wird
durch die Öffnung 58 in der Buchse auf das Werkstück projiziert.
Spülgas aus der Quelle 72 strömt durch die Durchgänge 70 und
durch die Kammer in der Buchse oberhalb der Öffnung 58. Vor
zugsweise hat die Gasströmung eine relativ hohe Geschwindigkeit,
um beim Kühlen des Werkzeuges mitzuwirken (das Erhitzen kann
aufgrund des Kontaktes mit dem Werkstück erfolgen) und um die
optischen Komponenten zu schützen, indem während des Verbindungs
prozesses erzeugte verdampfte Produkte entfernt werden, die
sonst auf dem Schutzfenster 62 abgeschieden würden und die Laser
energie schwächen würden. Die Gasströmung ist auch nützlich beim
Unterdrücken des künstlichen Echos und beim Erreichen einer gu
ten Kopplungswirksamkeit.
Die auf das Werkstück angewendete Energie kann in der oben be
schriebenen Weise gesteuert werden, indem man die in die Licht
leitfaser injizierte Leistung kontrolliert, einschließlich der
Impulsrate des Lasers. Zwischen den Impulsen kann die von der
Oberfläche des Werkstückes emittierte IR-Strahlung nachgewiesen
werden, um die Temperatur der Oberfläche zu bestimmen. Dies er
leichtert die Kontrolle der Leistungsmenge, die auf das Werk
stück angewendet wird und demgemäß den Grad des Schmelzens oder
Erhitzens des Werkstückes. Die IR-Strahlung kann in verschiedener
Weise nachgewiesen werden. So kann man die Strahlung von der
Unterseite des Werkstückes 52 (vgl. Fig. 1) mit einem Sensor,
wie einem nicht dargestellten IR-Detektor oder einer Kamera,
nachweisen. Auch kann das Werkzeug 18 mit einer zweiten Licht
leitfaser versehen sein, mit der man den projizierten Strahl
fleck innerhalb der Öffnung 58 auf der Oberfläche des Werkstüc
kes beobachtet und die IR-Energie zu einem entfernten Sensor
überträgt.
Wie die obigen Ausführungen zeigen, dient das Werkzeug 18 als
ein Halter für das Ausgangsende der Lichtleitfaser, was es ge
stattet, daß der Laserstrahl ziemlich genau auf eine erwünschte
Stelle eines Werkstückes gerichtet werden kann. Außerdem dient
das Werkzeug zum Ausüben mechanischen Druckes auf zu verbinden
de Werkstücke, und dies gleichzeitig mit der Anwendung von Laser
energie. Das Werkzeug wirkt somit ähnlich einer üblichen Elek
trode zum Punktschweißen.Das Werkzeug 18 kann zum Verbinden von
Werkstücken in einem automatisierten, wie einem Roboter-Schweißer
oder ähnlichem, System ebenso wie als Handwerkzeug benutzt wer
den. Da das Werkzeug am Ausgangsende der Lichtleitfaser keine
fokussierenden optischen Teile erfordert, kann das Gehäuse sehr
schlank sein, was den Zugang zu Teilen erleichtert, die in einem
begrenzten Raum angeordnet sind. Verglichen mit üblichen Wider
stands-Punktschweißgeräten gestattet die Erfindung das Ausüben
einer ausreichenden Last auf eine Werkstückoberfläche, um ein
Verbinden zu bewirken, während, verglichen mit einer üblichen
Elektrode zum Punktschweißen, ein minimaler Abrieb beim Werkzeug
erfolgt.
Claims (20)
1. Laser-Verbindungsvorrichtung zum Punktschweißen, Hart
löten oder Löten mit einer Lichtleitfaser zum Übertra
gen eines Laserstrahles, einer Einrichtung zum Einfüh
ren des Laserstrahles in ein Eingangsende der Licht
leitfaser zur Übertragung durch die Faser, ein langge
strecktes Gehäuse mit einer Einrichtung zum Eingriff
mit einem und zum Ausüben von Druck auf ein Werkstück,
wobei die Einrichtung zum Eingreifen eine Öffnung auf
weist und einer Einrichtung innerhalb des Gehäuses zum
Abstützen des Ausgangsendes der Lichtleitfaser mit Be
zug auf die Öffnung, so daß ein divergierender Teil des
Laserstrahles, der aus der Lichtleitfaser emittiert
wird, durch die Öffnung auf das Werkstück projiziert
wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum
Eingreifen ein flaches Ende des Gehäuses umfaßt, das
im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses
angeordnet ist, sowie eine Buchse, die innerhalb des
flachen Endes zum Eingriff mit dem Werkstück angeord
net ist, wobei die Öffnung in der Buchse ausgebildet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend ein Fen
ster, das zwischen dem Ende der Lichtleitfaser und der
Buchse angeordnet ist, wobei das Fenster und die Öff
nung in der Buchse dazwischen eine Kammer bilden, die
benachbart einer Oberfläche des Werkstückes liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter umfassend eine Ein
richtung zum Hindurchführen von Gas durch die Kammer.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Buchse einen ge
schlitzten Teil aufweist, der mit dem Fenster in Berüh
rung steht und die Einrichtung zum Durchführen von Gas
Durchgänge umfaßt, die innerhalb des Gehäuses ausgebil
det sind, um über den geschlitzten Teil der Buchse mit
der Kammer in Verbindung zu stehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Durchgänge meh
rere bogenförmige sich längs erstreckende Durchgänge
umfassen, die zwischen einer inneren Oberfläche des Ge
häuses und dem genannten Teil gebildet sind, das die
Lichtleitfaser trägt, und eine Quelle für Inertgas mit
mindestens einem der Durchgänge verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Stützeinrichtung
ein langgestrecktes Trägerteil mit einer Längsbohrung
umfaßt, wobei das Trägerteil derart im Gehäuse angeord
net ist, daß die Bohrung koaxial mit der Längsachse
des Gehäuses verläuft und das Ausgangsende der Licht
leitfaser von der Bohrung aufgenommen und abgestützt
wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin das Fenster vom ge
schlitzten Teil der Buchse innerhalb eines Ausschnittes
des Trägerteiles für die Lichtleitfaser benachbart dem
Ausgangsende der Lichtleitfaser abgestützt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Lichtleitfaser
einen Kern aufweist, der von einem Mantel und einer
Außenhülle um den Mantel herum bedeckt ist und wobei
ein erster Teil am Ausgangsende der Lichtleitfaser
abgestreift ist, um den Kern freizulegen und ein zwei
ter Teil benachbart dem ersten Teil abgezogen ist, um
den Mantel freizulegen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin der Faserkern eine
Spitze aufweist, von der aus der Laserstrahl emittiert
wird und deren Boden flachpoliert und benachbart dem
Fenster angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum
Einführen des Laserstrahles eine Einrichtung zum Kon
trollieren der Leistungsdichte des Laserstrahles um
faßt, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert
wird.
12. Laser-Verbindungsvorrichtung mit einer Lichtleitfaser,
die ein Eingangsende und ein Ausgangsende aufweist, um
einen Laserstrahl durch die Faser zu übertragen, weiter
ein Werkzeug, das am Ausgangsende der Lichtleitfaser
angeordnet ist, wobei das Werkzeug ein langgestrecktes
Gehäuse mit einem flachen Ende einschließt, um mit einem
ersten Werkstück in Eingriff zu treten und Druck darauf
auszuüben, um dieses erste Werkstück in Kontakt mit
einem zweiten Werkstück zu halten, wobei das flache Ende
eine Öffnung aufweist, und mit einer Einrichtung zum Ab
stützen der Lichtleitfaser innerhalb des Gehäuses, wo
bei das Ausgangsende der Faser benachbart der Öffnung
und in einem vorbestimmten Abstand vom ersten Werkstück
angeordnet ist, so daß ein divergierender Teil des La
serstrahles, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser
emittiert wird, einen Strahlfleck durch die Öffnung
auf das Werkstück wirft.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin das Gehäuse eine
Kammer aufweist, die mit der Öffnung in Verbindung
steht und zwischen der Öffnung und dem Ausgangsende der
Lichtleitfaser angeordnet ist, wobei die Vorrichtung
weiter eine Einrichtung einschließt, um Gas durch die
Kammer zu führen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die Kammer in einer
ringförmigen Buchse ausgebildet ist, die im flachen En
de des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Buchse einen
geschlitzten Teil aufweist, der mit Gasdurchgängen in
Verbindung steht, die innerhalb des Gehäuses ausgebil
det sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin der geschlitzte Teil
der Buchse ein Schutzfenster benachbart dem Ende der
Lichtleitfaser zwischen dem genannten Ende und der Kam
mer trägt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin die Trägereinrich
tung für die Lichtleitfaser ein langgestrecktes Träger
teil mit einer Längsbohrung umfaßt, das derart innerhalb
des Gehäuses angeordnet ist, daß die Bohrung koaxial mit
einer Längsachse des Gehäuses verläuft, wobei die Durch
gänge zwischen einer inneren Oberfläche des Gehäuses
und einer äußeren Oberfläche des Trägerteiles ausgebil
det sind und das Fenster auf dem geschlitzten Teil der
Buchse mit einem Ausschnitt abgestützt ist, der in dem
Trägerteil ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin das Trägerteil und
das Fenster aus einem Material gebildet sind, das aus
gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Quarz und
Kunststoff.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die Einrichtung zum
Durchführen von Gas eine Einrichtung umfaßt, die für
eine Gasströmung mit einer genügenden Geschwindigkeit
durch die Kammer sorgt, um Verdampfungsprodukte zu ent
fernen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin das Gas ein Inert
gas umfaßt.
20. Impuls-Laser-Behandlungsvorrichtung mit einer Lichtleit
faser zum Übertragen eines Laserstrahles, einer Ein
richtung zum Einführen des Laserstrahles in ein Ein
gangsende der Lichtleitfaser zur Übertragung des
Strahles durch die Faser, einem langgestreckten Gehäuse
mit einer Einrichtung zum Eingriff mit einem Werkstück
und zum Ausüben von Druck darauf, wobei die Einrich
tung zum Eingreifen eine Öffnung aufweist, einer Ein
richtung innerhalb des Gehäuses zum Abstützen eines
Ausgangsendes der Lichtleitfaser mit Bezug auf die Öff
nung, so daß ein divergierender Teil des Laserstrahles,
der aus der Lichtleitfaser emittiert wird, durch die
Öffnung auf das Werkstück projiziert wird, um das Werk
stück auf die Verarbeitungstemperatur zu erhitzen, und
mit einer Einrichtung zum IR-Nachweisen der Höhe der
Temperatur am Werkstück zur Synchronisation von Laser-
Impulsgabe und IR-Abtastung.
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