WO2005023479A1 - Verfahren und vorrichtung zum simultanen laserschweissen - Google Patents

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WO2005023479A1
WO2005023479A1 PCT/EP2004/009535 EP2004009535W WO2005023479A1 WO 2005023479 A1 WO2005023479 A1 WO 2005023479A1 EP 2004009535 W EP2004009535 W EP 2004009535W WO 2005023479 A1 WO2005023479 A1 WO 2005023479A1
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laser
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Dirk Hauschild
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Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a device according to the preamble of claim 6.
  • the laser beam welding of workpieces is known from the prior art. It is increasingly replacing the classic methods of joining workpieces such as gluing or screwing. Today, the user has several methods for the material joining of workpieces using laser beams.
  • contour welding In so-called contour welding, a laser beam is guided along a freely definable weld contour. Fiber-coupled laser devices with round beam cross-sections are often used. Depending on the laser device used and the optics available, this method achieves weld seam widths of between a few tenths of a millimeter and several millimeters.
  • Fine structures in the mask allow a very high resolution, which enables weld seams of less than 100 ⁇ m in width. In this way, straight and curved lines of different widths can be created in one step, as well as flat
  • simultaneous welding individual, essentially line-emitting laser diodes or lasers or laser diodes with cylindrical lens optics for generating line-shaped laser beams are arranged along the seam contour to be welded. In this process, the entire contour is melted and welded simultaneously (simultaneously). The number of laser diodes required for this depends on the circumference of the weld contour and that required for welding
  • the process does not require a relative movement between the component and the laser beam.
  • the geometry of the weld seam can be freely selected within a certain range and has so far been limited to two-dimensional contours that are made up of individual straight lines.
  • the object of the present invention is a method of the type mentioned and a generic device for
  • the first intensity distribution within a beam shaping means be converted into a second intensity distribution of the laser light, which is adapted to a contour of the weld or soldered seam, in a second plane which is substantially perpendicular to the direction of propagation of the laser light, the second intensity distribution at least partially has a closed, contour-like, non-rotationally symmetrical shape.
  • the beam shaping means it is possible to convert the first intensity distribution into a second intensity distribution, which is shaped in such a way that it welds or solder the at least two workpieces together along the contour of the at least one common weld or solder seam.
  • the second intensity distribution has the shape of an elliptical outline or a rectangular outline or an arbitrarily shaped non-rotationally symmetrical outline.
  • Thermoplastic materials can be considered as workpieces, for example.
  • thin sheets can be welded, for example.
  • the method according to the invention can be carried out as a transmitted light welding method or as a butt edge welding method. For beam welding, one for
  • Laser light transparent first workpiece welded to a second workpiece, which absorbs the laser light of the selected wavelength.
  • the laser light passes through the transparent workpieces and is absorbed at the interface between this and the second workpiece.
  • the heat generated during absorption leads to local melting of the Material. After cooling, a cohesive joint is created between the two workpieces.
  • This entrance aperture can be adapted to the properties of the laser beam source.
  • the laser light enters the beam shaping means in a well-defined form by converting the first intensity distribution into the second intensity distribution.
  • the laser light preferably leaves the beam shaping means through an exit aperture on a second end face of the beam shaping body, the shape of the exit aperture being different from the
  • the shape of the entrance aperture differs.
  • the shape of the exit aperture can be freely selected and can thus be adapted to the contour of the weld seam
  • the laser light can be made with the help of at least a second one
  • Lens means are imaged on the weld seam of the at least two workpieces in order to obtain a sufficiently high energy density on the areas of the workpieces to be welded.
  • the laser light is imaged at least partially in areas of the weld seam which are spaced apart from the entrance aperture of the beam shaping means in this way are that a three-dimensional weld seam contour is created.
  • a three-dimensional weld seam contour is created.
  • the device has at least one beam shaping means for converting the first
  • the beam shaping means has an entrance aperture and an exit aperture, the shape of the exit aperture being different from the shape of the entrance aperture. This way the first one
  • Intensity distribution of the laser light can be adapted to the contour of the weld seam.
  • the beam shaping means can have at least one beam guiding channel for guiding the laser light within the beam shaping means.
  • the beam guiding channel preferably has at least one reflection coating for at least partially reflecting the laser light within the beam guiding means.
  • the laser light becomes reflection coating several times at least partially reflected and led to the exit aperture where it leaves the beam shaping agent.
  • the reflection coating is designed as a gold coating.
  • This gold coating is characterized by a high reflectivity. It is of course also possible to use other reflective materials.
  • the beam guide channel can be hollow, for example.
  • the beam guide channel for homogenizing the laser light can be roughened.
  • a particularly advantageous embodiment provides that a second end face associated with the exit aperture has a contour with elevations and depressions which are offset from one another in the direction of propagation of the laser light and which are adapted to the contour of the weld seam.
  • the laser device can preferably have at least one laser diode bar.
  • the device can have first lens means for imaging the laser light onto the entrance aperture.
  • the device have second lens means in order to achieve this
  • Figure 1 is a perspective view of a beam shaping body of a device according to the invention.
  • Figure 1 a shows a detail according to la in Fig. 1.
  • 1 b shows a detail of the beam shaping body according to FIG. 1, cut in the longitudinal direction;
  • FIG. 2 shows schematically the beam path through a device according to the invention
  • FIG 3 shows a plan view of a laser weld seam produced using a method according to the invention.
  • FIG. 1 Therein a beam shaping body 2 is shown in perspective, which can be used in a method according to the invention for the simultaneous laser welding of at least two workpieces.
  • the beam shaping body 2 can be made using conventional 3D CNC
  • a beam shaping body 2 is thereby obtained, which has an inner part 24 and an outer part 25. It can be seen from the illustration in FIG. 1 that the beam shaping body 2 has an essentially square entrance aperture 22 for laser beam bundles 10, 11, which are shown in FIG. 2, on a first end face 20. At this point, however, it should be noted that the entrance aperture 22 is on the first
  • End face 20 can be shaped arbitrarily, in particular also triangular, rectangular or polygonal.
  • the beam shaping body 2 On a second end face 21, which is essentially opposite to the first end face 20, the beam shaping body 2 has one
  • Exit aperture 23 the shape of which, in principle, can be chosen arbitrarily, in this exemplary embodiment formed from a plurality of straight and a plurality of curved sections, deviates from that of the entrance aperture 22.
  • a beam guiding channel 26 is formed between the entrance aperture 22 and the exit aperture, which, as in FIG.
  • the laser beam bundles 10, 11 entering through the entrance aperture 22 of the beam shaping body 2 are repeatedly reflected within the beam guiding channel 26 of the beam shaping body 2 before they leave it again through the exit aperture 23.
  • the shape of the entrance aperture 22 differs from the shape of the exit aperture 23, in this way a first
  • both surfaces 240, 250 are each provided with at least one reflection coating 27 (see FIG. 1 b).
  • the reflection coating 27 can be, for example, a gold coating or another highly reflective coating.
  • the inner part 24 is again inserted into the outer part 25, in order to thereby form the beam shaping body 2.
  • the securing means can comprise, for example, a holding pin 9, which is shown as an example in FIG. 1 a.
  • a holding pin 9 As a rule, a plurality of such holding pins 9 are used, which are clamped between the inner part 24 and the outer part 25, in order thereby to prevent the inner part 24 from being unintentionally released from the outer part 25 of the beam shaping body 2.
  • the retaining pins 9 are preferably only in the area of the entrance aperture 22 between the inner part 24 and the
  • FIG. 2 shows the beam path of a device according to the invention for simultaneous laser welding.
  • a Cartesian coordinate system is also drawn in to simplify the further explanations.
  • An essential component of the device according to the invention is that already with reference to FIG.
  • the device for performing the simultaneous laser welding method comprises a laser device 1 for generating laser light.
  • a laser device 1 for generating laser light As an example, only two laser beam bundles 10, 11 are shown here in order to explain the mode of operation of the device in more detail.
  • Laser device 1 can comprise, for example, at least one laser diode bar or other lasers or laser diodes known per se.
  • the device also has a first lens means 3, which in
  • Direction of propagation of the laser beam bundles 10, 1 1 (x direction), viewed in front of the beam shaping body 2, is arranged in order to image the laser beam bundles 10, 1 1 onto the entrance aperture 22 of the beam shaping body 2.
  • second lens means with lenses 4, 5 are arranged behind the beam shaping body 2 in order to image the laser beam bundles 10, 11 after passing through the beam shaping body 2 from the exit aperture 23 onto a weld seam of the workpieces 6 to be welded to one another.
  • the laser beam bundles 1 0, 1 1, which are emitted by the laser device 1, first pass through the first lens means 3 and onto the entrance aperture 22 of the beam shaping body 2 (see also FIG. 1), which in this exemplary embodiment is essentially square , are shown.
  • a first intensity distribution of the Laser beam bundles 10, 1 1 are generated in a first plane (yz plane) oriented essentially perpendicular to the direction of propagation.
  • the laser beam bundles 10, 11 are repeatedly reflected on the reflection layers 27 of the inner and outer surfaces 240, 250 of the beam guiding channel 26 and finally reach the exit aperture 23 of the beam shaping body 2, which, as already shown in FIG. 1, is one of the geometry of the entrance aperture 22 has a different, curved shape. This way, in the area of
  • Exit aperture 23 generates a second intensity distribution of the laser light bundles 10, 1 1, which differs from the first intensity distribution.
  • Is shown top view has a two-dimensionally considered outline, which corresponds to the shape of the exit aperture 23 of the beam shaping body 2.
  • the second end face 21 of the beam shaping body 2 also has a contour.
  • the second end face 21 of the beam shaping body 2 comprises raised areas 210 and recessed areas 21 1.
  • the second end face 21 is contoured so that not only two-dimensional but also three-dimensional weld seam contours can be produced with the aid of the device according to the invention.
  • Laser beam bundles 10, 1 1, the workpieces 6 simultaneously along a three-dimensional weld seam contour can weld. This is done by the fact that the pixels of the laser beam bundles 10, 11 are at different distances from the exit aperture 23 after passing through the second lens means in the x-direction, and thereby in addition to shaping the weld seam 7 in the yz plane
  • Depth contouring of the weld seam 7 in the x direction is permitted, so that the weld seam 7 becomes three-dimensional overall.
  • Beam shaping body 1 then acts quasi like a single laser light source, the two-dimensional outline of the weld seam 7, which is shown in FIG. 3, corresponding to the shape of the exit aperture 23 in the second end face 23 and the depth contouring by contouring the second end face 21 of the beam shaping body 2 comes about. Only in the area of their pixels is the energy density of the laser beam bundles 10, 11 sufficient to locally heat the workpiece (or the workpieces) to such an extent that the material can locally melt there.
  • the simultaneous laser welding method according to the invention and the device according to the invention can be used for so-called beam welding or for butt edge welding.
  • beam welding a first workpiece that is transparent to laser light is welded to a second workpiece that absorbs the laser light of the selected wavelength.
  • the laser light passes through the transparent workpieces and is absorbed at the interface between this and the second workpiece.
  • the heat generated during absorption leads to local melting of the material.
  • Cooling creates a cohesive joint between the two workpieces.
  • two workpieces at least one of which absorbs laser light, are pressed together under the influence of external forces and welded to one another along their common butt edge.
  • the device for welding plastic parts is to be used to weld a three-dimensional contour other than that indicated here, only the beam shaping body 2 has to be replaced by another beam shaping body which has the desired contouring. There is also the possibility that the exit aperture 23 has no contouring in the x direction, so that a two-dimensional weld seam contour is generated.
  • the device can be used very flexibly and can be quickly adapted to changed two- or three-dimensional weld seam contours.
  • any shape of the weld seams can be laser-welded simultaneously with the device shown here.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum simultanen Laserschweißen oder Laserlöten von mindestens zwei Werkstücken entlang einer gemeinsamen Schweiß- oder Lötnaht, wobei mittels einer Laservorrichtung (1) eine erste Intensitätsverteilung eines Laserstrahls oder Laserstrahlbündels (10, 11) in einer ersten, zur Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrechten Ebene erzeugt wird, wobei die erste Intensitätsverteilung innerhalb eines Strahlformungsmittels (2) in eine zweite Intensitätsverteilung konvertiert wird, die an eine räumliche Kontur der Schweiß- oder Lötnaht angepasst ist.

Description

"Verfahren und Vorrichtung zum simultanen Laserschweißen"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Das Laserstrahlschweißen von Werkstücken ist aus dem Stand der Technik bekannt. Es ersetzt zunehmend die klassischen Verfahren zum Fügen von Werkstücken wie zum Beispiel das Kleben oder Schrauben . Dem Anwender stehen heute mehrere Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken mittels Laserstrahlen zur Verfügung.
Beim sogenannten Konturschweißen wird ein Laserstrahl entlang einer frei festlegbaren Schweißnahtkontur geführt. Dabei werden häufig fasergekoppelte Laservorrichtungen mit runden Strahlquerschnitten eingesetzt. Abhängig vom von der verwendeten Laservorrichtung und der zur Verfügung stehenden Optik werden mit Hilfe dieses Verfahrens Schweißnahtbreiten zwischen einigen zehntel Millimetern und mehreren Millimetern erreicht.
Beim sogenannten Quasi - Simultanschweißen wird ein Laserstrahl mit Hilfe galvanometrischer Spiegel (sogenannte Scanner-Spiegel) mit hoher Geschwindigkeit entlang einer Schweißnahtkontur geführt. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl geführt wird, wird der gesamte Fügebereich sehr schnell (quasi - simultan) erwärmt und plastifiziert. Das Schweißen dreidimensionaler Nahtkonturen ist allerdings relativ kompliziert und wegen der Abschattungen oder ungünstiger Einfallswinkel an gekrümmten Oberflächen nur eingeschränkt realisierbar. Ferner treten häufig
Spannungen oder Verzerrungen auf, die sich nachteilig auf die Haltbarkeitkeit der Schweißnaht auswirken. Beim sogenannten Maskenschweißen wird ein etwa linienförmiger Laserstrahl quer über die zu schweißenden Werkstücke bewegt. Eine Maske schattet den Laserstrahl gezielt ab, so dass dieser nur an den Stellen, an denen geschweißt werden soll auf die Fügefläche trifft. Das Einsatzgebiet des Maskenschweißens liegt vorwiegend im
Bereich von Sensoren, Chips und elektronischen Bauelementen sowie der Mikrosystemtechnik. Feine Strukturen in der Maske erlauben eine sehr hohe Auflösung, die Schweißnähte von weniger als 100 μm Breite ermöglicht. In einem Arbeitsgang lassen sich so gerade und gekrümmte Linien unterschiedlicher Breite erzeugen sowie flächige
Partien verschweißen.
Beim sogenannten Simultanschweißen werden einzelne, im Wesentlichen linienförmig emittierende Laserdioden beziehungsweise Laser oder Laserdioden mit Zylinderlinsenoptiken zur Erzeugung linienförmiger Laserstrahlen entlang der zu schweißenden Nahtkontur angeordnet. Das Aufschmelzen und Verschweißen der gesamten Kontur erfolgt bei diesem Verfahren zeitgleich (simultan). Die Anzahl der dazu erforderlichen Laserdioden hängt dabei vom Umfang der Schweißnahtkontur und der zum Verschweißen notwendigen
Laserleistung ab. Das Verfahren erfordert keine Relativbewegung zwischen Bauteil und Laserstrahl. Die Schweißnahtgeometrie kann in einem gewissen Rahmen frei gewählt werden und ist bisher auf zweidimensionale Konturen beschränkt, die aus einzelnen geraden Linien aufgebaut sind.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine gattungsgemäße Vorrichtung zur
Verfügung zu stellen, die ein simultanes Schweißen einer Schweißnaht mit beliebiger Kontur ermöglicht. Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die erste Intensitätsverteilung innerhalb eines Strahlformungsmittels in eine zweite, an eine Kontur der Schweiß- oder Lötnaht angepasste Intensitätsverteilung des Laserlichts in einer zweiten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene konvertiert wird, wobei die zweite I ntensitätsverteilung eine zumindest teilweise geschlossene umrisslinienähnliche, nicht rotationssymmetrische Form aufweist. Mit Hilfe des Strahlformungsmittels ist es möglich, die erste Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung umzuwandeln, die so geformt ist, dass sie die mindestens zwei Werkstücke entlang der Kontur der mindestens einen gemeinsamen Schweiß- oder Lötnaht miteinander verschweißt oder lötet. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass die zweite Intensitätsverteilung die Form eines elliptischen Umrisses oder eines rechteckigen Umrisses oder eines beliebig geformten nicht rotationssymmetrischen Umrisses aufweist.
Als Werkstücke kommen beispielsweise thermoplastische Kunststoffe in Betracht. Alternativ können beispielsweise auch dünne Bleche geschweißt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Durchlichtschweißverfahren oder als Stoßkantenschweißverfahren durchgeführt werden. Beim Durchstrahlschweißen wird ein für
Laserlicht transparentes erstes Werkstück mit einem zweiten Werkstück verschweißt, welches das Laserlicht der gewählten Wellenlänge absorbiert. Das Laserlicht durchläuft dabei das transparente Werkstücke und wird an der Grenzfläche zwischen diesem und dem zweiten Werkstück absorbiert. Die bei der Absorption entstehende Wärme führt zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials. Nach dem Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen den beiden Werkstücken.
Beim Stoßkantenschweißen werden hingegen zwei Werkstücke, von denen zumindest eines Laserlicht absorbiert, unter Einwirkung äußerer Kräfte zusammengedrückt und entlang ihrer gemeinsamen Stoßkante miteinander verschweißt.
I n einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Laserlicht auf eine Eintrittsapertur auf einer ersten
Stirnseite des Strahlformungsmittels abgebildet wird. Diese Eingangsapertur kann an die Eigenschaften der Laserstrahlquelle angepasst sein. Auf diese Weise tritt das Laserlicht in wohldefinierter Form in das Strahlformungsmittel ein, in dem die erste I ntensitätsverteilung in die zweite Intensitätsverteilung konvertiert wird.
Vorzugsweise verlässt das Laserlicht das Strahlformungsmittel durch eine Austrittsapertur auf einer zweiten Stirnseite des Strahlformungskörpers, wobei die Form der Austrittsapertur von der
Form der Eintrittsapertur abweicht. Die Form der Austrittsapertur ist prinzipiell frei wählbar und kann somit an die Kontur der Schweißnaht angepasst werden
Ferner kann das Laserlicht mit Hilfe mindestens eines zweiten
Linsenmittels auf die Schweißnaht der mindestens zwei Werkstücke abgebildet werden, um auf den zu schweißenden Bereichen der Werkstücke eine hinreichend hohe Energiedichte zu erhalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Laserlicht zumindest teilweise in Bereiche der Schweißnaht abgebildet wird, die von der Eintrittsapertur des Strahlformungsmittels derart beabstandet sind, dass eine dreidimensionale Schweißnahtkontur erzeugt wird. Somit können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur zweidimensionale sondern auch dreidimensionale Schweißnahtkonturen erzeugt werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung mindestens ein Strahlformungsmittel zur Konvertierung der ersten
Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung in einer zweiten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene auf, wobei die zweite Intensitätsverteilung eine zumindest teilweise geschlossene umrisslinienähnliche, nicht rotationssymmetrische Form aufweist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Strahlformungsmittel eine Eintrittsapertur und eine Austrittsapertur auf, wobei die Form der Austrittsapertur von der Form der Eintrittsapertur verschieden ist. Auf diese Weise kann die erste
Intensitätsverteilung des Laserlichts an die Kontur der Schweißnaht angepasst werden.
Das Strahlformungsmittel kann mindestens einen Strahlführungskanal zur Führung des Laserlichts innerhalb des Strahlformungsmittels aufweisen.
Vorzugsweise weist der Strahlführungskanal mindestens eine Reflexionsbeschichtung zur mindestens teilweisen Reflexion des Laserlichts innerhalb des Strahlführungsmittels auf. An der
Reflexionsbeschichtung wird das Laserlicht mehrfach zumindest teilweise reflektiert und zur Austrittsapertur geführt, an der es das Strahlformungsmittel verlässt.
I n einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Reflexionsbeschichtung als Goldbeschichtung ausgebildet ist. Diese Goldbeschichtung zeichnet sich durch eine hohe Reflektivität aus. Es ist natürlich auch möglich, andere reflektive Materialien zu verwenden.
Der Strahlführungskanal kann beispielsweise hohl ausgebildet sein.
Ferner kann der Strahlführungskanal zur Homogenisierung des Laserlichts aufgeraut sein.
Um mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dreidimensionale
Konturen schweißen zu können sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform vor, dass eine zweite, der Austrittsapertur zugeordnete Stirnseite eine Konturierung mit in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts versetzt zueinander angeordneten Erhöhungen und Vertiefungen aufweist, die an die Kontur der Schweißnaht angepasst sind.
Zur Erzeugung des Laserlichts kann die Laservorrichtung vorzugsweise mindestens einen Laserdiodenbarren aufweisen.
Ferner kann die Vorrichtung erste Linsenmittel zur Abbildung des Laserlichts auf die Eintrittsapertur aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zweite Linsenmittel aufweist, um das an der
Austrittsapertur austretende Laserlicht auf die Schweißnaht der Werkstücke abzubilden. Auf diese Weise wird im Bereich der zu schweißenden Naht eine hinreichend hohe Energiedichte erzeugt, die ausreichend ist, um die Werkstücke miteinander zu verschweißen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Strahlformungskörpers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 1 a eine Einzelheit gemäß la in Fig. 1 ;
Fig. 1 b einen Ausschnitt des Strahlformungskörpers gemäß Fig. 1 , in Längsrichtung geschnitten;
Fig. 2 schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Laserschweißnaht.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Darin ist ein Strahlformungskörper 2 perspektivisch dargestellt, der bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum simultanen Laserschweißen von mindestens zwei Werkstücken eingesetzt werden kann. Der Strahlformungskörper 2 kann mit Hilfe herkömmlicher 3D-CNC-
Bearbeitungsverfahren aus einem , in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quaderförmigen Materialblock (zum Beispiel aus einem Metallblock) hergestellt werden. Dadurch wird ein Strahlformungskörper 2 erhalten, der ein Innenteil 24 und Außenteil 25 aufweist. Man erkennt aus der Darstellung in Fig. 1 , dass der Strahlformungskörper 2 auf einer ersten Stirnseite 20 eine im Wesentlichen quadratische Eintrittsapertur 22 für Laserstrahlbündel 10, 1 1 , die in Fig. 2 gezeigt sind, aufweist. Es soll an dieser Stelle jedoch angemerkt werden, dass die Eintrittsapertur 22 auf der ersten
Stirnseite 20 beliebig, insbesondere auch dreieckig, rechteckig oder mehreckig geformt sein kann.
Auf einer zweiten Stirnseite 21 , die der ersten Stirnseite 20 im Wesentlichen gegenüberliegt, weist der Strahlformungskörper 2 eine
Austrittsapertur 23 auf, deren im Prinzip beliebig wählbare, in diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren geraden und mehreren gekrümmten Abschnitten gebildete Form von derjenigen der Eintrittsapertur 22 abweicht. Zwischen der Eintrittsapertur 22 und der Austrittsapertur wird ein Strahlführungskanal 26 gebildet, der, wie in
Fig. 1 b gezeigt, von einer Außenfläche 240 des Innenteils 24 und einer Innenfläche 250 des Außenteil 25 seitlich begrenzt wird.
Wie später unter Bezugnahme auf Fig. 2 deutlich werden wird, werden die durch die Eintrittsapertur 22 des Strahlformungskörpers 2 eintretenden Laserstrahlbündel 10, 1 1 mehrfach innerhalb des Strahlführungskanals 26 des Strahlformungskörpers 2 reflektiert, bevor sie diesen durch die Austrittsapertur 23 wieder verlassen. Die Form der Eintrittsapertur 22 weicht dabei von der Form der Austrittsapertur 23 ab, um auf diese Weise eine erste
Intensitätsverteilung der durch die Eintrittsapertur 22 in den Strahlformungskörper 2 eintretenden Laserstrahlbündel 10, 1 1 während des Durchlaufens des Strahlführungskanals 26 in eine zweite, von der ersten Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung zu konvertieren. Nach Abschluss der 3D-CNC-Bearbeitung wird das Innenteil 24 zur weiteren Bearbeitung aus dem Außenteil 25 des Strahlformungskörpers 2 herausgenommen. Um das Reflexionsvermögen der Außenfläche 240 des Innenteils 24 beziehungsweise der Innenfläche 250 des Außenteils 25 zu verbessern und damit die Reflexionsverluste zu verringern, werden beide Flächen 240, 250 jeweils mit mindestens einer Reflexionsbeschichtung 27 versehen (siehe dazu Fig. 1 b). Die Reflexionsbeschichtung 27 kann beispielsweise eine Goldbeschichtung oder eine andere hochreflektive Beschichtung sein.
Nach dem Aufbringen der Reflexionsbeschichtung 27 wird das Innenteil 24 wieder in das Außenteil 25 gesteckt, um dadurch den Strahlformungskörper 2 zu bilden.
Um zu verhindern, dass sich das Innenteil 24 aus dem Außenteil 25 ungewollt lösen kann, wird das Innenteil 24 durch Sicherungsmittel am Außenteil 25 gehalten. Die Sicherungsmittel können beispielsweise einen Haltestift 9 umfassen, der exemplarisch in Fig. 1 a dargestellt ist. In der Regel werden mehrere derartige Haltestifte 9 eingesetzt, die zwischen das Innenteil 24 und das Außenteil 25 geklemmt werden, um dadurch zu verhindern, dass das Innenteil 24 unbeabsichtigt vom Außenteil 25 des Strahlformungskörpers 2 gelöst werden kann. Die Haltestifte 9 werden vorzugsweise lediglich im Bereich der Eintrittsapertur 22 zwischen das Innenteil 24 und das
Außenteil 25 gebracht, um zu gewährleisten, dass die Austrittsapertur 23 im Wesentlichen homogen ausgeleuchtet wird und nicht von den Haltestiften 9 verdeckt wird. Gegebenenfalls kann die Reflexionsbeschichtung 27 zur Homogenisierung der Laserstrahlbündel 10, 1 1 gezielt aufgeraut werden. l n Fig. 2 ist der Strahlengang einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum simultanen Laserschweißen gezeigt. Zur Vereinfachung der weiteren Ausführungen ist darüber hinaus ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet. Eine wesentliche Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der bereits unter Bezugnahme auf
Fig. 1 beschriebene Strahlformungskörper 2. Ferner umfasst die Vorrichtung zur Durchführung des simultanen Laserschweißverfahrens eine Laservorrichtung 1 zur Erzeugung von Laserlicht. Exemplarisch sind hier lediglich zwei Laserstrahlbündel 10, 1 1 gezeigt, um die Funktionsweise der Vorrichtung näher zu erläutern. Die
Laservorrichtung 1 kann beispielsweise mindestens einen Laserdiodenbarren oder andere an sich bekannte Laser beziehungsweise Laserdioden umfassen.
Die Vorrichtung weist darüber hinaus ein erstes Linsenmittel 3, das in
Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlbündel 10, 1 1 (x-Richtung) betrachtet vor dem Strahlformungskörper 2 angeordnet ist, um die Laserstrahlbündel 10, 1 1 auf die Eintrittsapertur 22 des Strahlformungskörpers 2 abzubilden. In Ausbreitungsrichtung betrachtet sind hinter dem Strahlformungskörper 2 zweite Linsenmittel mit Linsen 4, 5 angeordnet, um die Laserstrahlbündel 10, 1 1 nach dem Durchlaufen des Strahlformungskörpers 2 von der Austrittsapertur 23 auf eine Schweißnaht der miteinander zu verschweißenden Werkstücke 6 abzubilden.
Man erkennt, dass die Laserstrahlbündel 1 0, 1 1 , die von der Laservorrichtung 1 ausgesandt werden, zunächst das erste Linsenmittel 3 durchlaufen und auf die Eintrittsapertur 22 des Strahlformungskörpers 2 (vergleiche auch Fig. 1 ), die in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quadratisch ist, abgebildet werden. Auf diese Weise wird eine erste I ntensitätsverteilung der Laserstrahlbündel 10, 1 1 in einer ersten, im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientierten Ebene (y-z-Ebene) erzeugt.
Innerhalb des Strahlformungskörpers 2 werden die Laserstrahlbündel 10, 1 1 mehrfach an den Reflexionsschichten 27 der Innen- beziehungsweise Außenflächen 240, 250 des Strahlführungskanals 26 reflektiert und gelangen schließlich zur Austrittsapertur 23 des Strahlformungskörpers 2, die, wie bereits in Fig. 1 gezeigt, eine von der Geometrie der Eintrittsapertur 22 abweichende, mehrfach geschwungenen Form aufweist. Auf diese Weise wird im Bereich der
Austrittsapertur 23 eine zweite Intensitätsverteilung der Laserlichtbündel 10, 1 1 erzeugt, die von der ersten Intensitätsverteilung abweicht.
Damit wird deutlich, dass die Schweißnaht 7, die in Fig. 3 in einer
Draufsicht dargestellt ist, einen zweidimensional betrachteten Umriss aufweist, welcher der Form der Austrittsapertur 23 des Strahlformungskörpers 2 entspricht.
Man erkennt aus der Darstellung in Fig. 2, dass die zweite Stirnfläche
21 des Strahlformungskörpers 2 darüber hinaus eine Konturierung aufweist. Das bedeutet, dass die zweite Stirnseite 21 des Strahlformungskörpers 2 erhöhte Bereiche 210 und vertiefte Bereiche 21 1 umfasst. Die zweite Stirnseite 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel konturiert, damit nicht nur zweidimensionale sondern auch dreidimensionale Schweißnahtkonturen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden können.
Zusammen mit der beliebig wählbaren Form der Austrittsapertur 23 führt diese Konturierung der zweiten Stirnseite 21 also dazu, dass die
Laserstrahlbündel 10, 1 1 die Werkstücke 6 entlang einer dreidimensionalen Schweißnahtkontur simultan miteinander verschweißen können. Dies geschieht dadurch, dass die Bildpunkte der Laserstrahlbündel 10, 1 1 nach dem Durchlaufen der zweiten Linsenmittel in x-Richtung unterschiedlich weit von der Austrittsapertur 23 entfernt sind und dadurch zusätzlich zu einer Formgebung der Schweißnaht 7 in der y-z-Ebene auch eine
Tiefenkonturierung der Schweißnaht 7 in x-Richtung gestattet, so dass die Schweißnaht 7 insgesamt dreidimensional wird.
Jeder einzelne konturierte, also mit Erhöhungen 210 und Vertiefungen 21 1 versehene Teilabschnitt der Austrittsapertur 23 des
Strahlformungskörpers 1 wirkt dann quasi wie eine einzelne Laserlichtquelle, wobei der zweidimensionale Umriss der Schweißnaht 7, der in Fig. 3 gezeigt ist, der Form der Austrittsapertur 23 in der zweiten Stirnfläche 23 entspricht und die Tiefenkonturierung durch die Konturierung der zweiten Stirnseite 21 des Strahlformungskörpers 2 zustande kommt. Nur im Bereich ihrer Bildpunkte reicht die Energiedichte der Laserstrahlbündel 10, 1 1 aus, um das Werkstück (beziehungsweise die Werkstücke) lokal so stark zu erwärmen , dass dort das Material lokal aufschmelzen kann.
Das erfindungsgemäße simultane Laserschweißverfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zum sogenannten Durchstrahlschweißen oder zum Stoßkantenschweißen eingesetzt werden. Beim Durchstrahlschweißen wird ein für Laserlicht transparentes erstes Werkstück mit einem zweiten Werkstück verschweißt, welches das Laserlicht der gewählten Wellenlänge absorbiert. Das Laserlicht durchläuft dabei das transparente Werkstücke und wird an der Grenzfläche zwischen diesem und dem zweiten Werkstück absorbiert. Die bei der Absorption entstehende Wärme führt zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials. Nach dem
Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen den beiden Werkstücken. Beim Stoßkantenschweißen werden hingegen zwei Werkstücke, von denen zumindest eines Laserlicht absorbiert, unter Einwirkung äußerer Kräfte zusammengedrückt und entlang ihrer gemeinsamen Stoßkante miteinander verschweißt.
Soll mittels der Vorrichtung zum Schweißen von Kunststoffteilen eine andere als die hier angedeutete dreidimensionale Kontur geschweißt werden, muss lediglich der Strahlformungskörper 2 durch einen anderen Strahlformungskörper, der die gewünschte Konturierung aufweist, ersetzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Austrittsapertur 23 in x-Richtung keine Konturierung aufweist, so dass eine zweidimensionale Schweißnahtkontur erzeugt wird.
Auf diese Weise ist die Vorrichtung sehr flexibel einsetzbar und kann rasch an geänderte zwei- oder dreidimensionale Schweißnahtkonturen angepasst werden. Im Prinzip können mit der hier dargestellten Vorrichtung in ihrer Kontur beliebige Schweißnähte simultan lasergeschweißt werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum simultanen Laserschweißen, Laserlöten von mindestens zwei Werkstücken entlang mindestens einer gemeinsamen Schweiß- bzw. Lötnaht, wobei mittels einer Laservorrichtung (1 ) eine erste Intensitätsverteilung des Laserlichts in einer ersten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Intensitätsverteilung innerhalb eines Strahlformungsmittels (2) in eine zweite, an eine Kontur der Schweiß- oder Lötnaht angepasste Intensitätsverteilung des Laserlichts in einer zweiten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene konvertiert wird, wobei die zweite Intensitätsverteilung eine zumindest teilweise geschlossene umrisslinienähnliche, nicht rotationssymmetrische Form aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die das Laserlicht auf eine Eintrittsapertur (22) auf einer ersten Stirnseite (20) des Strahlformungsmittels (2) abgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht das Strahlformungsmittel (2) durch eine Austrittsapertur (23) auf einer zweiten Stirnseite (21 ) des Strahlformungskörpers (2) verlässt, wobei die Form der Austrittsapertur (23) von der Form der Eintrittsapertur (22) abweicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht mit Hilfe mindestens eines zweiten Linsenmittels auf die Schweiß- oder Lötnaht der mindestens zwei Werkstücke abgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht zumindest teilweise in Bereiche der Schweiß- oder Lötnaht abgebildet wird, die von der Eintrittsapertur (23) des Strahlformungsmittels (2) derart beabstandet sind, dass eine dreidimensionale Schweiß- oder Lötnahtkontur erzeugt wird.
6. Vorrichtung zum simultanen Laserschweißen oder Laserlöten von mindestens zwei Werkstücken, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle (1 ) zur Erzeugung einer ersten I ntensitätsverteilung des Laserlichts in einer ersten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Strahlformungsmittel (2) zur Konvertierung der ersten Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung in einer zweiten, zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene aufweist, wobei die zweite Intensitätsverteilung eine zumindest teilweise geschlossene umrisslinienähnliche, nicht rotationssymmetrische Form aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsmittel (2) eine Eintrittsapertur (22) und eine Austrittsapertur (23) aufweist, wobei die Form der Austrittsapertur (23) von der Form der Eintrittsapertur (22) verschieden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsmittel (2) mindestens einen Strahlführungskanal (26) zur Führung des Laserlichts innerhalb des Strahlformungsmittels (2) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal (26) mindestens eine Reflexionsbeschichtung (27) zur mindestens teilweisen Reflexion des Laserlichts innerhalb des Strahlführungsmittels (2) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsbeschichtung (27) als Goldbeschichtung ausgebildet ist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal (26) hohl ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal zur Homogenisierung des Laserlichts aufgeraut ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, der Austrittsapertur (24) zugeordnete Stirnseite (21 ) des Strahlformungsmittels (2) eine Konturierung mit in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts versetzt zueinander angeordneten Erhöhungen (210) und Vertiefungen (21 1 ) aufweist, die an die Kontur der Schweiß- oder Lötnaht angepasst sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (1 ) mindestens einen Laserdiodenbarren aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erste Linsenmittel (3) zur Abbildung des Laserlichts auf die Eintrittsapertur (22) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zweite Linsenmittel aufweist, um das an der Austrittsapertur (24) austretende Laserlicht auf die Schweiß- oder Lötnaht der Werkstücke abzubilden.
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