"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.