EP1439931A1 - Vorrichtung und verfahren zum laserstrahllöten, insbesondere laserstrahlhartlöten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum laserstrahllöten, insbesondere laserstrahlhartlöten

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Publication number
EP1439931A1
EP1439931A1 EP02782724A EP02782724A EP1439931A1 EP 1439931 A1 EP1439931 A1 EP 1439931A1 EP 02782724 A EP02782724 A EP 02782724A EP 02782724 A EP02782724 A EP 02782724A EP 1439931 A1 EP1439931 A1 EP 1439931A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
focusing device
focusing
soldering
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02782724A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Negendanck
JüRGEN SCHWAB
Peter Kugler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Original Assignee
Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH filed Critical Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Publication of EP1439931A1 publication Critical patent/EP1439931A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056—Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042—Automatically aligning the laser beam

Definitions

  • the invention relates to a device for laser beam soldering, in particular for laser brazing, according to the preamble of claim 1, and a method for laser beam soldering, in particular for laser beam brazing, according to claim 16.
  • the laser beam is e.g. in the published patent application DE 197 50 586 A1.
  • Laser beam brazing is a joining process that is used as a connection technique, for example in body construction, to connect two metal sheets in order to produce seams that can be painted over in the visible area.
  • the laser beam serves as a heat source and at the same time heats the two binding partners and the supplied solder material. By melting the filler material and flowing the melt into the joint, a material connection is achieved.
  • Processing heads for laser beam soldering have the tasks of shaping the laser beam in such a way that a suitable intensity profile of the laser beam is generated at the processing location, and bringing the solder material to this processing location with the aid of a feed device.
  • the beam shaping takes place, for example, at a.
  • Processing head for fiber-coupled Nd YAG lasers by collimation by means of a lens 6 of the beam after the fiber 7 and focusing by means of a lens 5 of the laser beam.
  • the laser beam is shaped in such a way that the laser focus 12 at the machining location, which is formed by the surface of the workpiece 8 and the point at which the laser beam strikes, has a diameter of less than 5 mm.
  • the Processing can also take place in the diverging or converging part of the beam caustic.
  • the solder material in the form of wire 1 is directed to the processing location via a tube 3 with a nozzle 2.
  • the wire is adjusted relative to the laser beam before the soldering process.
  • the adjustment is carried out in the commercially available machining heads by a mechanical adjustment device 4 of the feed tube for the solder wire, which are usually provided with translational and rotary adjustment options with clamping devices.
  • An elongated hole device is usually used for the translational adjustment.
  • the operator sets the position of the tube and thus the relative position of the wire to the laser beam by loosening one or more screws, readjusting the tube and tightening the screws.
  • the wire is usually positioned in the center of the laser beam before soldering. It is a rigid attitude.
  • the tracking of the position of the laser beam relative to the joint during soldering can be achieved in the known prior art by adaptive processing heads, the mode of operation of which is outlined in FIG. 2.
  • the tube 3 is mechanically coupled to a deflecting mirror 10 and to the focusing lens 5. Due to the rigid mechanical coupling of the components, the relative position of the laser focus and wire cannot be changed.
  • the functioning of the tracking is based on the wire 1 being guided through the joint. If the position of the wire 1 deviates from the position of the joint, transverse forces arise which are about the mechanical coupling is transmitted to an axis of rotation 9 which is parallel to the direction of feed.
  • the wire 1 is through the joint. tracked and the coupled movement of the deflecting mirror 10 and the focusing lens 5 around the. Rotation axis 9 rotated and thus the laser focus 12 carried.
  • a general disadvantage of this device is that the mechanism described is very sensitive and is irreparably damaged in the event of a collision with the component.
  • the invention is based on the object of proposing a mechanically robust device and a method for laser beam soldering, in particular laser beam brazing, which allow changes in the laser acoustics after the focusing device, preferably a very precise change in position of the laser focus relative to the solder wire and / or to the course of the joint.
  • the object of the invention is achieved with the device according to claim 1 and with the method according to claim 16.
  • the subclaims include expedient refinements and developments.
  • a device with a processing head with a laser beam feed device and focusing device and with a solder material feed is proposed, in which the relative movement in a plane perpendicular to the beam propagation direction from the focusing device to the beam feeding device changes the beam caustics after the focusing device with respect to the processing head, preferably with the Result of a very precise shift of the laser focus.
  • the processing head has a laser beam feed device, which has the task of guiding the laser beam to the focusing device and of an introduction device for the laser beam and, if necessary, additionally of a collimation device, for example when using a fiber-coupled Nd: YAG laser from a fastening device for the optical fiber and one Collimating device, and a focusing device, which is formed for example from focusing lenses, a system of lenses or focusing mirrors.
  • the solder material feed device is attached to the machining head or integrated in the machining head.
  • a device according to claim 1 is used, for example, in the method according to the invention for laser beam soldering, in particular laser beam brazing, it being provided that a laser beam is focused with a focusing device to form a laser focus and a solder material is fed in the area of the laser focus and that during laser beam soldering and / or adjusting the laser beam to the solder material, the focusing device is moved relative to the laser beam in a plane perpendicular to the beam propagation direction. The relative movement relates to the laser beam incident on the focusing device.
  • There are different seam shapes such. B. the seam at the flare or the fillet at the lap joint can be realized.
  • An advantageous embodiment of the method is that the relative movement of the laser beam and focusing device for adjustment takes place before machining and thus preferably enables a highly precise adjustment of the laser focus to the solder material.
  • seam shapes such as the fillet weld at the lap joint, in which two sheets are clamped together with an offset, whereby the throat that is created between the side surface of the upper binding partner and the surface of the lower binding partner is filled with solder
  • the relative position of the laser focus and the solder material must be can be set to within 0.1 mm.
  • a movement of the focusing leads in a plane perpendicular to the beam propagation direction is the same as the direction of the Poynting vector of the • laser beam while the laser beam remains stationary for a very long same or similar movement of the laser focus.
  • the desired relative position between laser focus and solder material can be set.
  • the required accuracy is achieved very well, since the movement of the components can be carried out protected from external influences within the machining head and highly precise displacement devices can be used at this position.
  • These adjustment settings can be made very precisely in one or more directions.
  • a further proposed embodiment of the method consists in that the relative movement of the laser beam and focusing device during the laser beam soldering takes place in one or more directions for tracking the area of the laser focus on the workpiece.
  • the change in the relative position of the laser beam and the focusing device is also used according to the invention to move the laser focus during processing.
  • This movement is preferably carried out to track the laser focus along the joining line.
  • In series production there are manufacturing-related tolerances of the components and thus tolerances in the course of the joining line.
  • Such deviations are compensated for by a correction movement in the form of a tracking of the laser focus.
  • a tracking movement could only be carried out by the adaptive processing head presented in the prior art or by a correction movement of the guiding machine, for example a 6-axis industrial robot, which moves the processing head over the workpiece along the processing path.
  • the device according to the invention characterized in that it has a modular structure, • which means that the presented device is independent of the transfer machine can be used. If you have a robot perform the tracking movement, for example, you are set to this robot type with the respective operating system. A transfer of the process to other guidance machines can only be realized through a large additional development effort. Furthermore, the method according to the invention enables partial sections with and without tracking to be soldered within the soldering process, ie the tracking can be switched on and off. This is advantageous if it turns out that passages of the seam course that are technologically demanding to be soldered are better processed without tracking, for example the beginning or the end of the seam, for which the machining process does not proceed in a steady and quasi-steady state.
  • a further advantageous embodiment is provided by a method in which the relative movement of the laser beam to the focusing device takes place during the laser beam soldering to compensate for different seam shapes.
  • Seam shapes can differ in terms of their geometric shape, material, but also due to different heat dissipation. Differences in the seam shapes require an adapted machining strategy, which can be implemented as follows.
  • the further development of the method enables the lateral position of the laser focus to be changed in a controlled manner in the case of different seam shapes on a component, for example in order to specifically direct the laser focus towards one of the two binding partners or to change the overlap area between the wire and the laser beam in a controlled manner during the soldering process to influence the process.
  • the relative movement is carried out with a movable laser beam feed device and a stationary focusing device
  • components of the laser beam feed device are changed in position, while the focusing device itself remains stationary.
  • the relative movement is carried out with a movable laser beam feed device and a movable focusing device
  • the interaction of the individual movements of the components leads to the desired change in the beam caustic after the focusing device, preferably to shift the laser focus.
  • Versions in which the type of movement of the focusing device is translational offer the possibility of moving the focusing device horizontally in a plane that is perpendicular to the direction of beam propagation.
  • the type of movement of the laser beam feed device is translational
  • the fastening device for the optical fiber and / or the collimating device are changed horizontally in a plane that is perpendicular to the beam propagation direction.
  • the type of movement of the focusing device and / or the beam feed device can also be rotary respectively.
  • the respective components are rotated through an angle around an axis which is either inside or outside the respective component.
  • the described possibilities of movement in the various embodiments enable the position of the individual components to be set very precisely in order to achieve the respectively required change in the beam caustic after the focusing device, preferably the relative position between the laser focus, the component and the wire.
  • the laser beam feed device and / or the focusing device can be moved in two or more directions in one plane perpendicular to the beam propagation direction.
  • This enables the device to change the beam caustic with two or more degrees of freedom, preferably to move the laser focus in two or more directions.
  • the device according to the invention thus offers very high flexibility.
  • the movement which leads to a relative change in position from laser focus to solder wire or from laser focus to the seam, has the advantage that the beam to the wire can be adjusted with high precision or that the laser focus can track the seam course of the component to be machined during machining. These movements usually take place perpendicular to the wire direction or perpendicular to the feed direction.
  • the simplest version is a device in which the drive for the movement of the focusing device and / or the beam feed device is manual. This device is advantageously used before the material processing to set the parameter "overlap". Furthermore, an adjustment of the relative position of the laser focus to the wire is made possible. If the seam geometry to be joined is uniformly asymmetrical, an offset of the laser focus relative to the wire can be achieved with the device ,
  • the drive for the movement of the focusing device and / or the beam feeder device is motorized with external energy allow, in addition to the advantages of the manual drive, further possible uses.
  • the superordinate guiding machines are e.g. 6-axis articulated arm or Cartesian robot for use. Its job is to move the machining head along the joining line over the component.
  • the change in the position of the laser focus relative to the wire or to the component can be carried out dynamically during processing. This means that either the process parameters can be changed or the laser focus can be adjusted during processing.
  • control device of the focusing device and / or beam feed device operated with external energy is a control, in particular a higher-level control of the guiding machine or regulation
  • machining strategies are introduced via the above-mentioned controls or regulations.
  • Figure 1 is a schematic side view of a device for
  • Figure 2 is a schematic side view of a modified device, also according to the known prior art
  • Figure 3 a to a schematic side view of a figure 3 c according to the invention: embodiment in different positions for adjustment
  • FIG. 4 a to enlarged enlargements from FIG. 3;
  • Figure 4 c
  • FIG. 5 a to a schematic side view of a figure 5 c according to the invention: embodiment in the tracking;
  • FIG. 7 a and a schematic side view of a FIG. 7 b according to the invention exemplary embodiment in the compensation of different ones
  • Figure 8 b
  • Figure 9 c the laser focus relative to the wire in the form of a schematic
  • Figure 10 shows another embodiment in perspective view.
  • FIG. 3 shows schematic side views of an exemplary embodiment in various settings for adjustment.
  • the illustrated adjustment process is part of the laser beam soldering process and takes place before the material is processed.
  • a fiber 7, a laser beam 11, a collimating lens 6, a focusing lens 5, a laser focus 12 and the wire 1 are shown.
  • the laser beam 11 is supplied via the fiber 7 and enters the arrangement diverging therefrom. It is aligned in parallel by the collimating lens 6 and focused in the direction of the wire 1 by the focusing lens 5.
  • the processing head in this proposed device consists of the laser beam feed unit with the fiber 7 and the collimating lens 6 and the focusing lens 5.
  • the distance d between the focusing lens 5 and the position of the wire 1 is the machining distance.
  • the wire is inserted before the laser focus 12 or after the laser focus 12. The machining distance is then the respective distance d between the focusing lens 5 and the position of the wire 1.
  • the center line M is formed as an axis of symmetry by the beam feed device, consisting of the fiber 7 and the collimating lens 6.
  • the line MF is the center line of the focusing lens 5.
  • the designation A in each case denotes the enlargements of the detail which are shown in FIG. 4.
  • FIG. 3 the principle of operation of the device according to the invention in the adjustment method according to the invention is shown in an exemplary embodiment.
  • the wire 1 is centered on the center line and the focusing lens 5 is also arranged centered on the center line M.
  • 4 a shows the corresponding enlarged section A with the laser focus 12, the wire 1 and the center line M.
  • the laser focus 12 hits the wire 1 at this Center setting.
  • This adjustment setting of the relative position between laser focus 12 and wire 1 leads to high-quality soldered seams in many soldering applications.
  • the wire 1 is no longer on the center line, for example due to mechanical damage to the solder wire feeder or an inaccurate assembly of the arrangement, but the focusing lens 5 is arranged symmetrically to the center line M.
  • the wire 1 in this arrangement is therefore no longer in the center of the laser focus 12.
  • This relative position is not suitable for most soldering applications and the relative position between the wire 1 and the laser focus 12 must be adjusted ,
  • the adjustment is carried out according to the invention by moving the focusing lens 5 to the right in the illustration in the figure, while the beam feed device consisting of the collimating lens 6 and the fiber 7 remains stationary.
  • the result of the adjustment is shown in Fig. 3 c. Due to the shift, the center line M and the center line MF of the focusing lens 5 have a distance x.
  • the result of the adjustment and the effect on the course of the laser beam 11 after the focusing lens 5 are shown schematically in FIG. 4 c.
  • the ML line is the center line to the laser focus.
  • the displacement x of the focusing lens 5 results in a displacement of the laser focus 12 in the same direction by the same or a similar amount a, so that the laser focus 12 again hits the wire 1 in the center.
  • the exemplary embodiment shows how the laser focus 12 is adjusted relative to the wire 1. If the setting is to be changed in order to achieve a central or asymmetrical positioning of laser focus 12 with respect to wire 1, this is done according to the invention by a translatory movement of the focusing lens 5.
  • FIG. 5 shows schematic side views of the same exemplary embodiment in different working settings for tracking during soldering.
  • the designation A in each case denotes the enlarged sections shown in FIG. 6.
  • 6 ac are the laser focus 12, the wire 1, a flare, which is formed from the left binding partner 51 and the right binding partner 52, is shown with a joint 53 and the center line ML of the laser focus 12.
  • the wire 1 is positively guided in the seam geometry of the flare joint; This means that the wire 1 is guided in the joint 53 in a positive manner during the soldering process through the lateral boundary consisting of the left binding partner 51 and the right binding partner 52.
  • the focusing lens 5, the wire 1 and the joint 53 are arranged symmetrically to the center line M.
  • the laser focus 12 is also symmetrical to the center line M and the wire 1 is struck by the laser focus 12 in the center. This working position leads to high quality solder seams in many soldering applications.
  • Fig. 5 b the flare, consisting of the two binding partners 51 and 52, thus the joint 53 and thus the position of the wire 1 to the center line M is shifted to the right.
  • This offset can be compensated for by tracking the focusing lens 5.
  • the focusing lens 5 is shifted to the right such that the center line MF hits the joint 53 and thus the wire 1 in the center.
  • This tracking movement of the focusing lens 5 can be triggered by a control or regulation.
  • 6 b shows the effect of the described tracking movement on the position of the laser focus 12.
  • the center line ML of the laser focus 12 is now aligned with the joint 53 and consequently with the wire 1.
  • the laser focus 12 hits the wire 1 in the middle.
  • the distance x between the center line M and the center line MF in FIG. 5 b is the same or almost the same as the distance a between the center line M and the laser focus center line ML in FIG. 6 b.
  • the described working position leads to high quality solder seams in many soldering applications.
  • 5 c shows the result of the tracking movement with the device according to the invention by the method according to the invention in the event that during the processing the flare is deviated to the left and the laser focus 12 is tracked.
  • 7 shows schematic side views of the same exemplary embodiment in different working settings for the compensation of different postforms.
  • the designation A in each case denotes the enlarged sections shown in FIG. 8.
  • Fig. 7 a the processing of a flare is shown.
  • the focusing lens is arranged symmetrically to the center line M.
  • 8a shows the components of the flare joint, the left binding partner 51 and the right binding partner 52 with the joint 53, as well as the laser beam 11, the laser focus 12, the wire 1 and the center line M.
  • the laser focus 12 hits the wire 1 and the flare joint in the center, so that good soldering results can be expected in many soldering applications.
  • FIG. 7 b shows the processing of an asymmetrical, flange-like joint geometry.
  • the left binding partner 54, the right binding partner 55, which together form the asymmetrical, flange-like joint geometry, and the joint 53 are shown.
  • the described shape requires an adapted machining strategy in the form of compensation by shifting the focusing lens 5 by the amount x, so that the laser focus 12 is shifted relative to the wire by the same or similar amount a.
  • the offset dimension a to be set is between 0 mm and the diameter of the laser focus 12 and / or the diameter of the laser beam at the machining distance and is preferably a few 0.1 mm in size.
  • Different seam shapes can also occur during the machining of a single component, so that the different seam shapes must be compensated for during machining.
  • the asymmetry of the joint can be formed, for example, by the geometric shape, but also by different materials of the two binding partners or by different heat dissipation in the two binding partners.
  • 7a / b shows an exemplary embodiment of the device according to the invention in the method according to the invention of compensating for different seam shapes.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment for different positions of the laser focus 12 relative to the wire 1 in the form of a schematic plan view of the processing zone.
  • the wire 1 and the laser focus 12 are shown.
  • the tip of the wire 1 is symmetrical to the laser focus 12
  • in the middle the overlap of wire 1 and laser focus 12 is minimal
  • in the right illustration the overlap of wire 1 and laser focus 12 is maximum.
  • the laser focus is preferably shifted by moving the focusing device with the structure and function explained above.
  • the size of the overlap is an important parameter in process control.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of the invention in a perspective view.
  • the image shows a device according to the invention for laser beam soldering as a processing head, a collimator 16 with a collimating lens (not shown), an optical waveguide plug 17, an adapter plate 15 for fastening the entire device to a guiding machine which guides the entire device along a programmed processing path, a focusing lens 5, two displacement devices 13 and 14 and an intermediate plate 19.
  • a solder wire 1, a wire nozzle 2, and a tube 3 for feeding the filler material to the processing point are attached to this processing head.
  • the solder wire 1 is guided with the tube 3 and brought through the nozzle 2 to the processing point.
  • the laser beam is brought into the device via an optical fiber cable (not shown) which is fastened in the optical fiber connector 17.
  • the laser beam passes through the collimator 16 and through the collimating lens (not shown) arranged in the collimator 16 and through the focusing lens 5 to the processing point.
  • the intermediate plate 19 serves as a suspension for the assembly, which consists of the linear displacement devices 13 and 14 and the focusing lens 5.
  • the focusing lens 5 is moved in the plane perpendicular to the beam propagation direction.
  • the laser focus on the workpiece level also shifts into the same Direction by the same or a similar amount of length.
  • the two linear units 13 and 14 are set.
  • the two linear units are moved by external motor power during processing.
  • the linear units are set manually before soldering or moved with external motor power during processing.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten beschrieben. Beim Laserstrahllöten ist die relative Lage von Laserfokus, Draht und Fuge zueinander entscheidend für ein qualitativ hochwertiges Lötergebnis. Bei bekannten Bearbeitungsköpfen wird diese Relativlage durch eine Mechanik an der Drahtzuführung und/oder durch adaptive Strahlnachführung erreicht. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist eine Bewegungsvorrichtung, die es erlaubt, den Laserfokus unabhängig vom Bearbeitungskopf und somit auch von der Lage des Drahts (1) und der Bearbeitungsbahn zu positionieren. Dies wird durch Linearverschiebeeinrichtungen (13) und (14) erreicht, die die Fokussierlinse (5) und damit simultan den Laserfokus relativ zum Bearbeitungskopf bewegen. Die Vorrichtung erlaubt eine sehr genaue Justage der Relativlage zwischen Draht (1) und Laserfokus oder kann mit motorischen Antrieben an den Linearverschiebeeinrichtungen (13) und (14) in einem Stell- oder Regelkreis eingesetzt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten
Stand der Technik:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahl hartlöten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahlhartlöten gemäß Patentanspruch 16.
Das Laserstrahl hartlöten ist z.B. in der Offenlegungsschrift DE 197 50 586 A1 beschrieben. Bei dem Laserstrahlhartlöten handelt es sich um ein Fügeverfahren, das als Verbindungstechnik beispielsweise im Karosseriebau zum Verbinden von zwei Blechen eingesetzt wird, um im Sichtbereich überlackierbare Nähte zu erzeugen. Der Laserstrahl dient hierbei als Wärmequelle und erhitzt gleichzeitig die beiden Bindepartner und den zugeführten Lotwerkstoff. Durch das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs und das Fliessen der Schmelze in die Fuge werden eine stoffschlüssige Verbindung erreicht.
Bearbeitungsköpfe zum Laserstrahllöten haben die Aufgaben den Laserstrahl derart zu formen, so daß ein geeignetes Intensitätsprofil des Laserstrahls am Bearbeitungsort erzeugt wird, und den Lotwerkstoff mit Hilfe einer Zuführeinrichtung zu diesem Bearbeitungsort zu bringen. Ein solcher bekannter Aufbau ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Die Strahlformung erfolgt beispielsweise bei einem . Bearbeitungskopf für fasergekoppelte Nd:YAG-Laser durch eine Kollimierung mittels einer Linse 6 des Strahls nach der Faser 7 und einer Fokussierung mittels einer Linse 5 des Laserstrahls. Der Laserstrahl wird derart geformt, daß der Laserfokus 12 am Bearbeitungsort, der durch die Oberfläche des Werkstücks 8 und den Auftreffort des Laserstrahls gebildet wird, einen Durchmesser von kleiner 5 mm besitzt. Die Bearbeitung kann aber auch im divergierenden oder konvergierenden Teil der Strahlkaustik stattfinden. Der Lotwerkstoff in Form von Draht 1 wird zum Bearbeitungsort über ein Röhrchen 3 mit einer Düse 2 gelenkt.
Es ist typisch für den Prozess, dass Abweichungen von wenigen .0.1 mm des Laserstrahls von der Fuge oder bei einigen Nahtgeometrien auch bei Abweichungen des Lotdrahts von der Fuge zu einem Abreißen des Lötprozesses führen. Somit muss bei diesem Verfahren sichergestellt sein, dass der Lotdraht relativ zum Laserstrahl sehr genau positioniert ist und, dass die Position des Laserstrahls sehr genau zur Fuge eingestellt ist.
Die Justage des Drahts relativ zum Laserstrahl wird vor dem Lötvorgang durchgeführt. Die Justage erfolgt bei den kommerziell erhältlichen Bearbeitungsköpfen durch eine mechanische Justiervorrichtung 4 des Zuführröhrchens für den Lotdraht, die meist mit translatorischen und rotatorischen Justagemöglichkeiten mit Klemmeinrichtungen versehen sind. Für die translatorische Justage wird meist eine Langlocheinrichtung eingesetzt. Bei der Justage stellt der Bearbeiter die Position des Röhrchens und somit die Relativlage des Drahtes zum Laserstrahl durch Lösen von einer oder mehreren Schrauben, Neueinstellung des Röhrchens und Festdrehen der Schrauben ein. Bei diesem Vorgang wird der Draht vor dem Löten meistens mittig zum Laserstrahl positioniert. Es handelt sich hierbei um eine starre Einstellung.
Es ist nachteilig, dass mit einem derartigen Vorgehen und einer groben Mechanik die benötigte Genauigkeit der Einstellung der Relativlage von wenigen 0.1 mm nur schwer erreicht werden kann.
Die Nachführung der Position des Laserstrahls relativ zur Fuge während des Lötens kann im bekannten Stand der Technik durch adaptive Bearbeitungsköpfe erreicht werden, deren Funktionsweise in Fig. 2 skizziert ist. Bei diesen Systemen ist das Röhrchen 3 mechanisch mit einem Umlenkspiegel 10 und mit der Fokussierlinse 5 gekoppelt. Durch die starre mechanische Kopplung der Komponenten ist die relative Lage von Laserfokus und Draht unveränderlich. Die Funktionsweise der Nachführung beruht dabei darauf, dass der Draht 1 durch die Fuge geführt wird. Weicht die Position des Drahts 1 von der Lage der Fuge ab, so entstehen Querkräfte, die über die mechanische Kopplung auf eine Drehachse 9 übertragen werden, die parallel zur Vorschubrichtung liegt. Der Draht 1 wird durch die Fuge. nachgeführt und über die gekoppelte Bewegung werden der Umlenkspiegel 10 und dje Fokussierlinse 5 um die . Drehachse 9 gedreht und somit der Laserfokus 12 mitgeführt.
Generell nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die beschriebene Mechanik sehr empfindlich ist und bei Kollisionen mit dem Bauteil nichtreparabel beschädigt wird.
Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine mechanisch robuste Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten vorzuschlagen, die es gestatten Änderungen der Laserkaustik nach der Fokussiereinrichtung, vorzugsweise eine sehr genaue Lageänderungen des Laserfokus relativ zum Lötdraht und/oder zum Fügestellenverlauf, durchzuführen.
Lösung:
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Patentanspruch 16. Die Unteransprüche umfassen zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
Es wird eine Vorrichtung mit einem Bearbeitungskopf mit einer Laserstrahlzuführungseinrichtung und Fokussiereinrichtung und mit einer Lotwerkstoffzuführung vorgeschlagen, bei der durch die Relativbewegung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung von der Fokussiereinrichtung zur Strahlzuführungseinrichtung eine Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung in Bezug auf den Bearbeitungskopf, vorzugsweise mit dem Ergebnis einer sehr genauen Verschiebung des Laserfokus, ermöglicht wird. Der Bearbeitungskopf verfügt über eine Laserstrahlzuführungseinrichtung, die die Aufgabe hat den Laserstrahl bis zur Fokussiereinrichtung zu führen und aus einer Einleitvorrichtung für den Laserstrahl und gegebenenfalls zusätzlich aus einer Kollimiervorrichtung, beispielsweise bei Einsatz eines fasergekoppelten Nd:YAG- Lasers aus einer Befestigungeinrichtung für die Lichtleitfaser und einer Kollimiereinrichtung, bestehen kann, und eine Fokussiereinrichtung, die beispielsweise aus Fokussierlinsen, einem System aus Linsen oder Fokussierspiegeln gebildet wird. Die Lotwerkstoffzuführeinrichtung ist am Bearbeitungskopf befestigt oder im Bearbeitungskopf integriert. Vorzugsweise führt eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, die gleich der Richtung des Poyπting'schen Vektors des Laserstrahls ist, während die Strahlzuführungseinrichtung unbewegt bleibt und somit stationär zum Bearbeitungskopf ist zu einer längenmäßig gleichen oder ähnlichen Bewegung des Laserfokus.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 wird beispielsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten eingesetzt, wobei vorgesehen ist, dass ein Laserstrahl mit einer Fokussiereinrichtung unter Ausbildung eines Laserfokus fokussiert wird und im Bereich des Laserfokus ein Lotwerkstoff zugeführt wird und, daß beim Laserstrahllöten und/oder Justieren von Laserstrahl zu Lotwerkstoff die Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung relativ zum Laserstrahl bewegt wird. Die Relativbewegung bezieht sich auf den auf die Fokussiereinrichtung einfallenden Laserstrahl. Es sind unterschiedliche Nahtformen wie z. B. die Naht am Bördelstoß oder die Kehlnaht am Überlappstoß realisierbar.
Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ist, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage vor der Bearbeitung erfolgt und damit vorzugsweise eine hochgenaue Justage von Laserfokus zu Lotwerkstoff ermöglicht. Bei Nahtformen, wie z.B. der Kehlnaht am Überlappstoß, bei der zwei Bleche mit Versatz aufeinander gespannt werden, wobei die Kehle, die zwischen Seitenfläche des oberen Bindepartners und der Oberfläche des unteren Bindepartners entsteht, mit Lot gefüllt wird, muss die Relativlage von Laserfokus zu Lotwerkstoff auf wenige 0,1 mm genau eingestellt werden. Vorzugsweise führt eine Bewegung der Fokussiereinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, die gleich der Richtung des Poynting'schen Vektors des • Laserstrahls ist, während der Laserstrahl unbewegt bleibt, zu einer längenmäßig gleichen oder ähnlichen Bewegung des Laserfokus. Durch die Bewegung des Laserfokus kann die gewünschte Relativlage zwischen Laserfokus und Lotwerkstoff eingestellt werden. Mit dem vorgestellten Verfahren wird die benötigte Genauigkeit sehr gut erreicht, da die Bewegung der Komponenten von Fremdeinflüssen geschützt innerhalb des Bearbeitungskopfs ausgeführt werden kann und an dieser Position hochgenaue Verschiebeeinrichtungen eingesetzt werden können. Diese Justageeinstellungen können hochgenau in eine oder mehrere Richtungen erfolgen. Eine weitere vorgeschlagene Ausführung des Verfahrens besteht darin, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück in eine oder mehrere Richtungen erfolgt. Die Änderung der Relativlage von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung wird erfindungsgemäß auch eingesetzt, um während der Bearbeitung den Laserfokus zu bewegen. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise zu einer Nachführung des Laserfokus entlang der Fügelinie. In der Serienfertigung kommt es zu herstellungsbedingten Toleranzen der Bauteile und somit zu Toleranzen im Verlauf der Fügelinie. Derartige Abweichungen werden durch eine Korrekturbewegung in Form einer Nachführung des Laserfokus kompensiert. Während der Lötbearbeitung kann eine derartige Nachführbewegung bislang nur durch den im Stand der Technik vorgestellten adaptiven Bearbeitungskopf oder durch eine Korrekturbewegung der Führungsmaschine, beispielsweise ein 6-Achsen Industrieroboter, der den Bearbeitungskopf über das Werkstück entlang der Bearbeitungsbahn bewegt, durchgeführt werden. Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, dass sie einen modularen Aufbau aufweist, • das bedeutet, dass die vorgestellte Vorrichtung unabhängig von der verwendeten Führungsmaschine einsetzbar ist. Lässt man die Nachführbewegung beispielsweise durch einen Roboter durchführen, so ist man auf diesen Robotertyp mit dem jeweiligen Betriebssystem festgelegt. Eine Übertragung des Verfahrens auf andere Führungsmaschinen ist nur durch einen großen zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu realisieren. Des weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb des Lötvorgangs Teilabschnitte mit und ohne Nachführung zu löten, d.h. die Nachführung zu- und abschaltbar ist . Dies ist vorteilhaft, wenn es sich herausstellt, dass technologisch anspruchsvoll zu lötende Passagen des Nahtverlaufs besser ohne Nachführung bearbeitet werden, beispielsweise der Nahtanfang oder das Nahtende, bei denen der Bearbeitungsprozess nicht im eingeschwungenen und quasistationären Zustand verläuft. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist durch ein Verfahren gegeben, bei dem die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen erfolgt. Nahtformen können sich durch die geometrische Form, durch den Werkstoff, aber auch durch unterschiedliche Wärmeableitungen unterscheiden. Unterschiede in den Nahtformen bedingen eine angepasste Bearbeitungsstrategie, die wie folgt umgesetzt werden kann. Die Weiterbildung des Verfahrens ermöglicht es bei verschiedenen Nahtformen an einem Bauteil innerhalb eines Bearbeitungsvorgangs die laterale Lage des Laserfokus gesteuert zu verändern, um beispielsweise gezielt den Laserfokus mehr auf einen der beiden Bindepartner zu richten oder den Überlappungsbereich zwischen Draht und Laserstrahl während des Lötvorgangs gesteuert zu verändern, um auf den Prozess Einfluß zu nehmen.
Bei Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen vorgesehen ist, dass die Relativbewegung mit einer bewegbaren Laserstrahlzuführungseinrichtung und einer stationären Fokussiereinrichtung ausgeführt wird, werden Komponenten der Laserstrahlzuführungseinrichtung in der Lage geändert, während die Fokussiereinrichtung selbst unbewegt verbleibt. Bei Ausführungen, bei denen vorgesehen ist, dass die Relativbewegung mit einer bewegbaren Laserstrahlzuführungseinrichtung und einer bewegbaren Fokussiereinrichtung ausgeführt wird, führt das Zusammenspiel der Einzelbewegungen der Komponenten zu der gewünschten Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung vorzugsweise zur Verschiebung des Laserfokus.
Ausführungen bei denen die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung translatorisch ist, bieten die Möglichkeit die Fokussiereinrichtung horizontal in einer Ebene, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung steht, zu verschieben. Für Ausführungen bei denen die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung translatorisch ist, werden beispielsweise bei Einsatz eines fasergekoppelten Nd:YAG-Lasers die Befestigungseinrichtung für die Lichtleitfaser und/oder die Kollimiereinrichtung horizontal in einer Ebene, die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung steht, in der Lage verändert. Die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung kann auch rotatorisch erfolgen. Bei diesen Ausführungen werden die jeweiligen Komponenten um einen Winkel um eine Achse gedreht, die entweder innerhalb oder außerhalb der jeweiligen Komponente liegt.
Die beschriebenen Möglichkeiten der Bewegung ermöglichen in den verschiedenen Ausführungsformen eine sehr genau einzustellende Anordnungslage der einzelnen Komponenten, um die jeweils benötigte Änderung der Strahlkaustik nach der Fokussiereinrichtung, vorzugsweise die Relativlage zwischen Laserfokus, Bauteil und dem Draht zu erreichen.
In weiteren vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung sind die Laserstrahlzuführungseinrichtung und/oder die Fokussiereinrichtung in jeweils zwei oder mehr Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegbar. Dadurch wird es der Vorrichtung ermöglicht die Strahlkaustik mit zwei oder mehr Freiheitsgraden zu ändern, vorzugsweise den Laserfokus in zwei oder mehr Richtungen zu bewegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit eine sehr hohe Flexibilität. Die Bewegung, die zu einer relativen Lageänderung von Laserfokus zu Lotdraht oder von Laserfokus zur Naht führt, bringt den Nutzen, dass der Strahl zum Draht hochgenau justiert werden kann oder, dass der Laserfokus dem Nahtverlauf des zu bearbeitenden Bauteils während der Bearbeitung nachgeführt werden kann. Diese Bewegungen findet meist senkrecht zur Drahtrichtung bzw. senkrecht zur Vorschubrichtung statt. Weitere Vorteile bietet aber eine Verschiebung des Laserfokus parallel zum Draht bzw. parallel zur Vorschubrichtung in oder gegen die Draht- bzw. Vorschubrichtung und/oder die Laserstrahlausbreitungsrichtung, wobei eine Verschiebung in Richtung des Drahts zu einer Vergrößerung der Überlappung von Draht und Laserfokus und eine Verschiebung in Gegenrichtung zu einer Verkleinerung der Überlappung führt. Durch die unterschiedliche Überlappung von Draht und Laserfokus kann der Prozess gesteuert werden. So führt eine größere Überlappung zu einem thermisch wärmeren Prozess als eine kleinere Überlappung. Der Prozessparameter „Überlappung" wird im bisherigen Stand der Technik nicht verwendet und ist nicht bekannt.
Die einfachste Ausführung stellt eine Vorrichtung dar, bei der der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung manuell ist. Diese Vorrichtung wird vorteilhaft vor der Materialbearbeitung zur Einstellung des Parameters „Überlappung" verwendet. Des weiteren wird eine Justage der relativen Lage von Laserfokus zum Draht ermöglicht. Ist die zu fügende Nahtgeometrie einheitlich asymmetrisch kann ein Versatz des Laserfokus relativ zum Draht mit der Vorrichtung erreicht werden.
Vorrichtungen, bei denen vorgesehen ist, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung und/oder der Strahlzuführungseinrichtung mit Fremdenergie motorisch ist, erlauben neben den Vorteilen des manuellen Antriebs noch weitere Anwendungsmöglichkeiten. So kann eine einmal eingestellte Position gespeichert und immer wieder verwendet werden. Dies ist vorteilhaft bei der Fertigung von verschiedenartigen Bauteilen, so dass die genannten Parameter von der CNC- Steuerung der übergeordneten Führungsmaschine eingestellt werden können. Als übergeordnete Führungsmaschinen kommen z.B. 6-Achsen-Knickarm oder karthesische Roboter zum Einsatz. Sie hat die Aufgabe den Bearbeitungskopf entlang der Fügelinie über das Bauteil zu verfahren.
Außerdem ist es von Vorteil, dass die Änderung der Lage des Laserfokus relativ zum Draht oder zum Bauteil dynamisch während der Bearbeitung durchgeführt werden kann. Dadurch können während der Bearbeitung entweder die Prozessparameter geändert oder eine Nachführung des Laserfokus erreicht werden.
Bei Ausführungen, bei denen vorgesehen ist, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Strahlzuführungseinrichtung eine Steuerung, insbesondere eine übergeordnete Steuerung der Führungsmaschine oder Regelung ist, ist es möglich Bearbeitungsstrategien in den Prozessablauf einzubringen. Beispiele für Bearbeitungsstrategien, die über genannte Steuerungen oder Regelungen eingebracht werden, sind die gesteuerte Kompensation von asymmetrischen Stössen oder die geregelte Nachführung des Laserfokus, oder eine Prozesstemperaturregelung über den Parameter „Überlappung" . Beschreibung einer oder mehrerer Ausführunαsbeispiele:
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden im folgenden an Hand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 : eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum
Laserstrahl löten gemäß bekanntem Stand der Technik;
Figur 2: eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Vorrichtung, ebenfalls gemäß bekanntem Stand der Technik;
Figur 3 a bis eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Figur 3 c: Ausführungsbeispiels in verschiedenen Stellungen zur Justage
Figur 4 a bis Ausschnittsvergrößerungen aus Figur 3; Figur 4 c:
Figur 5 a bis eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Figur 5 c: Ausführungsbeispiels bei der Nachführung;
Figur 6 a bis Ausschnittsvergrößerungen aus Figur 5; Figur 6 c:
Figur 7 a und eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Figur 7 b: Ausführungsbeispiels bei der Kompensation unterschiedlicher
Nahtformen;
Figur 8 a und Ausschnittsvergrößerungen aus Figur 7; Figur 8 b :
Figur 9 a bis zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für verschiedene Positionen Figur 9 c: des Laserfokus relativ zum Draht in Form einer schematischen
Draufsicht der Bearbeitungszone;
Figur 10: zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht.
In Fig. 3 sind schematische Seitenansichten eines Ausführungsbeispiels in verschiedenen Einstellungen zur Justage dargestellt. Der illustrierte Justagevorgang ist ein Teil des Laserstrahllötverfahrens und erfolgt vor der Materialbearbeitung. Dabei sind eine Faser 7, ein Laserstrahl 11, eine Kollimierlinse 6, eine Fokussierlinse 5, ein Laserfokus 12 und der Draht 1 dargestellt. Der Laserstrahl 11 wird über die Faser 7 zugeführt und tritt daraus divergierend in die Anordnung ein. Er wird durch die Kollimierlinse 6 parallel ausgerichtet und durch die Fokussierlinse 5 in Richtung des Drahtes 1 fokussiert. Der Bearbeitungskopf besteht bei dieser vorgeschlagenen Vorrichtung aus der Laserstrahlzuführungseinheit mit der Faser 7 und der Kollimierlinse 6 sowie der Fokussierlinse 5.
Der Abstand d zwischen Fokussierlinse 5 und der Position des Drahts 1 sei in dieser beispielhaften Ausführung der Bearbeitungsabstand. In anderen Ausführungen wird der Draht vor dem Laserfokus 12 oder auch nach dem Laserfokus 12 eingeführt. Der Bearbeitungsabstand sei dann der jeweilige Abstand d zwischen Fokussierlinse 5 und der Position des Drahts 1.
Die Mittellinie M wird in diesem Ausführungsbeispiel als Symmetrieachse von der Strahlzuführungseinrichtung, bestehend aus der Faser 7 und der Kollimierlinse 6 gebildet. Die Linie MF ist die Mittellinie der Fokussierlinse 5. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 4 gezeigt sind.
In Fig. 3 ist an einem Ausführungsbeispiel das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Justage dargestellt. In Fig. 3 a liegt der Draht 1 mittig zur Mittellinie und die Fokussierlinse 5 ist ebenfalls mittig zur Mittellinie M angeordnet. In der Fig. 4 a ist die dazu korrespondierende Ausschnittsvergrößerung A mit dem Laserfokus 12, dem Draht 1 und der Mittellinie M abgebildet. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 bei dieser Einstellung mittig. Diese Justageeinstellung der relativen Lage zwischen Laserfokus 12 und Draht 1 führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten. In Fig. 3 b befindet sich der Draht 1, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Beschädigung der Lotdrahtzuführeinrichtung oder einem ungenauen Zusammenbau der Anordnung, nicht mehr auf der Mittellinie , die Fokussierlinse 5 ist aber symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der dazu korrespondierenden Ausschnittsvergrößerung A in Fig. 4 b befindet sich der Draht 1 in dieser Anordnung somit nicht mehr mittig zum Laserfokus 12. Diese relative Lage ist für die meisten Lötapplikationen nicht geeignet und die relative Lage zwischen Draht 1 und Laserfokus 12 muss justiert werden.
Die Justage erfolgt erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel durch Verschieben der Fokussierlinse 5 in der Darstellung in der Figur nach rechts während die Strahlzuführungseinrichtung bestehend aus der Kollimierlinse 6 und der Faser 7 unbewegt bleibt. Das Ergebnis der Justage ist in der Fig. 3 c gezeigt. Durch die Verschiebung haben die Mittellinie M und die Mittellinie MF der Fokussierlinse 5 einen Abstand x. Das Ergebnis der Justage und die Wirkung auf den Verlauf des Laserstrahls 11 nach der Fokussierlinse 5 sind in der Fig. 4 c schematisch abgebildet. Die Linie ML ist die Mittellinie zum Laserfokus. Durch die Verschiebung x der Fokussierlinse 5 folgt eine Verschiebung des Laserfokus 12 um den gleichen oder einen ähnlichen Betrag a in die gleiche Richtung, sodass der Laserfokus 12 den Draht 1 wieder mittig trifft. Diese justierte Einstellung der Vorrichtung und somit die justierte Einstellung der relativen Lage zwischen Laserfokus 12 und Draht 1 führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten. Anhand der beispielhaften Ausführung wird aufgezeigt, wie die Einstellung des Laserfokus 12 relativ zum Draht 1 erfolgt. Soll die Einstellung geändert werden, um eine mittige oder auch eine asymmetrische Positionierung von Laserfokus 12 zu Draht 1 zu erwirken, geschieht dies erfindungsgemäß durch eine translatorische Bewegung der Fokussierlinse 5.
In Fig. 5 sind schematische Seitenansichten des gleichen Ausführungsbeispiels in verschiedenen Arbeitseinstellungen bei der Nachführung beim Löten dargestellt. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 6 gezeigt sind. In den Ausschnittsvergrößerungen in Fig. 6 a-c sind der Laserfokus 12, der Draht 1, ein Bördelstoß, der aus dem linken Bindepartner 51 und dem rechten Bindepartner 52 gebildet wird, mit einer Fuge 53 und der Mittellinie ML des Laserfokus 12 gezeigt.
In der Nahtgeometrie des Bördelstoßes wird der Draht 1 zwangsgeführt; das bedeutet, dass der Draht 1 während des Lötvorgangs durch die seitliche Begrenzung, bestehend aus dem linken Bindepartner 51 und dem rechten Bindepartner 52, in der Fuge 53 formschlüssig geführt wird. In Fig. 5 a ist die Fokussierlinse 5, der Draht 1 und die Fuge 53 symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der Ausschnittsvergrößerung in Fig. 6 a liegt der Laserfokus 12 ebenfalls symmetrisch zur Mittellinie M und der Draht 1 wird vom Laserfokus 12 mittig getroffen. Diese Arbeitsposition führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten.
In Fig. 5 b ist der Bördelstoß, bestehend aus den zwei Bindepartnern 51 und 52, somit die Fuge 53 und folglich die Position des Drahtes 1 zur Mittellinie M nach rechts verschoben. Dieser Versatz kann durch eine Nachführung der Fokussierlinse 5 kompensiert werden. Die Fokussierlinse 5 wird hierfür derart nach rechts verschoben, so dass die Mittellinie MF die Fuge 53 und somit den Draht 1 mittig trifft. Diese Nachführbewegung der Fokussierlinse 5 kann durch eine Steuerung oder Regelung ausgelöst sein. In Fig. 6 b ist die Wirkung der beschriebenen Nachführbewegung auf die Position des Laserfokus 12 gezeigt. Die Mittellinie ML des Laserfokus 12 ist nun fluchtend zur Fuge 53 und folglich zum Draht 1 angeordnet. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 mittig. Der Abstand x zwischen der Mittellinie M und der Mittellinie MF in Fig. 5 b ist betragsmäßig gleich oder nahezu gleich wie der Abstand a zwischen Mittellinie M und der Laserfokus-Mitellinie ML in Fig. 6 b. Die beschriebene Arbeitsposition führt bei vielen Lötapplikationen zu qualitativ hochwertigen Lötnähten.
In Fig. 5 c ist das Ergebnis der Nachführbewegung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren für den Fall gezeigt, dass während der Bearbeitung eine Abweichung des Bördelstoßes nach links erfolgt und der Laserfokus 12 nachgeführt wird. In Fig. 7 sind schematische Seitenansichten des gleichen Ausführungsbeispiels in verschiedenen Arbeitseinstellungen bei der Kompensation von verschiedenen Nachformen dargestellt. Die Benennung A bezeichnet jeweils die Ausschnittsvergrößerungen, die in Fig. 8 gezeigt sind.
In Fig. 7 a ist die Bearbeitung eines Bördelstoßes gezeigt. Die Fokussierlinse ist symmetrisch zur Mittellinie M angeordnet. In der Ausschnittsvergrößerung Fig. 8 a sind die Bestandteile des Bördelstoßes, der linke Bindepartner 51 und der rechte Bindepartner 52 mit der Fuge 53 , sowie der Laserstrahl 11 , der Laserfokus 12, der Draht 1 und die Mittellinie M gezeigt. Der Laserfokus 12 trifft den Draht 1 und den Bördelstoß mittig, so dass bei vielen Lötapplikationen gute Lötergebnisse zu erwarten sind.
In Fig. 7 b ist die Bearbeitung einer asymmetrischen, bördelähnlichen Stoßgeometrie dargestellt. In der Ausschnittsvergrößerung in Fig. 8 b sind der linke Bindepartner 54, der rechte Bindepartner 55, die zusammen die asymmetrische, bördelähnliche Stoßgeometrie bilden, und die Fuge 53 gezeigt. Die beschriebene Stossform verlangt eine angepasste Bearbeitungsstrategie in Form einer Kompensation durch eine Verschiebung der Fokussierlinse 5 um den Betrag x, so dass der Laserfokus 12 um den gleichen oder ähnlichen Betrag a relativ zum Draht verschoben wird. Das einzustellende Versatzmaß a liegt zwischen 0 mm und dem Durchmesser des Laserfokus 12, und/oder dem Durchmesser des Laserstrahls im Bearbeitungsabstand und ist vorzugsweise wenige 0,1 mm groß. Verschiedene Nahtformen können auch während der Bearbeitung eines einzigen Bauteils auftreten, so dass eine Kompensation der verschiedenen Nahtformen während der Bearbeitung erfolgen muss. Die Asymmetrie des Stosses kann beispielsweise durch die geometrische Form gebildet werden, aber auch durch unterschiedliche Werkstoffe der beiden Bindepartner oder auch durch unterschiedliche Wärmeableitungen in den beiden Bindepartnern. Die vergleichende Darstellung von Fig. 7a/b zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen. Durch eine Verschiebung der Fokussiereinrichtung wird der Laserfokus derart bewegt, daß bei der beispielhaften asymmetrischen Stoßform in Fig. 7b der Draht 1 und die Fuge 53 vom Laserfokus 12 nicht mehr mittig getroffen werden.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für verschiedene Positionen des Laserfokus 12 relativ zum Draht 1 in Form einer schematischen Draufsicht auf die Bearbeitungszone. Es sind der Draht 1 und der Laserfokus 12 dargestellt. In der linken Abbildung ist die Spitze des Drahts 1 symmetrisch zum Laserfokus 12, in der Mitte ist die Überlappung von Draht 1 und Laserfokus 12 minimal und in der rechten Abbildung ist die Überlappung von Draht 1 und Laserfokus 12 maximal. Die Verschiebung des Laserfokus erfolgt bei sämtlichen Fällen vorzugsweise über eine Bewegung der Fokussiereinrichtung mit oben erläuterten Aufbau und Funktion. Die Größe der Überlappung ist ein wichtiger Parameter bei der Prozessführung.
In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht dargestellt. Das Bild zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahllöten als Bearbeitungskopf einen Kollimator 16 mit Kollimierlinse (nicht dargestellt), einen Lichtwellenleiterstecker 17, eine Adapterplatte 15 zur Befestigung der gesamten Vorrichtung an eine Führungsmaschine, die die gesamte Vorrichtung entlang einer programmierten Bearbeitungsbahn führt, eine Fokussierlinse 5, zwei Verschiebeeinrichtungen 13 und 14 und einer Zwischenplatte 19. An diesen Bearbeitungskopf sind ein Lotdraht 1, eine Drahtdüse 2, ein Röhrchen 3 für die Zuführung des Zusatzwerkstoffs zur Bearbeitungsstelle angebracht. Der Lotdraht 1 wird mit dem Röhrchen 3 geführt und durch die Düse 2 an die Bearbeitungsstelle gebracht. Der Laserstrahl wird über ein Lichtwellenleiterkabel (nicht dargestellt), das im Lichtwellenleiterstecker 17 befestigt wird in die Vorrichtung gebracht. Der Laserstrahl läuft durch den Kollimator 16 und durch die im Kollimator 16 angeordnete Kollimierlinse (nicht dargestellt) und durch die Fokussierlinse 5 zur Bearbeitungsstelle.
Die Zwischenplatte 19 dient als Aufhängung für die Baugruppe, die aus den Linearverschiebeeinrichtungen 13 und 14 und der Fokussierlinse 5 besteht. Mit den Linearverschiebeeinrichtungen 13 und 14 wird die Fokussierlinse 5 in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt. Dem Grundprinzip folgend verschiebt sich der Laserfokus auf der Werkstückebene ebenfalls in die gleiche Richtung um den gleichen oder einen ähnlichen Längenbetrag. Zur Justage der relativen Lage zwischen Draht und Laserstrahl werden die beiden Lineareinheiten 13 und 14 eingestellt. Zur Nachführung des Laserfokus werden die beiden Lineareinheiten während der Bearbeitung motorisch mit Fremdenergie bewegt. Zur Kompensation verschiedener Nahtformen werden die Lineareinheiten vor dem Löten manuell eingestellt oder während der Bearbeitung motorisch mit Fremdenergie bewegt.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung zum Laserstrahllöten, insbesondere zum Laserstrahl hartlöten, mit einem Bearbeitungskopf mit Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) und Fokussiereinrichtung (5) und mit einer Lotwerkstoffzuführungseinrichtung (1,2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (5) relativ zur Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) mindestens in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Fokussiereinrichtung (5) bewegbar ist und die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) stationär ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) bewegbar ist und die Fokussiereinrichtung (5) stationär ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) und die Fokussiereinrichtung (5) bewegbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung (5) translatorisch ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) translatorisch ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Fokussiereinrichtung (5) rotatorisch ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsart der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) rotatorisch ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (5) in eine oder mehr Richtungen bewegbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) in eine oder mehr Richtungen bewegbar ist.
11.Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung (5) oder der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) manuell ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Bewegung der Fokussiereinrichtung (5) oder der Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) mit Fremdenergie motorisch ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) eine Steuerung ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtungen (6, 7) eine übergeordnete Steuerung einer Führungsmaschine ist, die den Bearbeitungskopf verfährt.
15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung (5) oder Laserstrahlzuführungseinrichtung (6, 7) eine Regelung ist.
16. Verfahren zum Laserstrahllöten, insbesondere Laserstrahlhartlöten, wobei vorgesehen ist, dass ein Laserstrahl mittels einer Fokussiereinrichtung unter Ausbildung eines Laserfokus fokussiert wird und im Bereich des Laserfokus ein Lotwerkstoff zugeführt wird und, dass beim Laserstrahl löten und/oder Justieren von Laserstrahl zu Lotwerkstoff die Fokussiereinrichtung relativ zur Zuführung des Laserstrahls mindestens in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung bewegt wird und der Laserstrahl stationär bleibt.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl bewegt wird und die Fokussiereinrichtung stationär bleibt.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung und der Laserstrahl vorzugsweise unabhängig voneinander bewegt werden.
20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung translatorisch bewegt wird.
21. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl translatorisch bewegt wird.
22. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung rotatorisch um eine vorzugsweise außerhalb des Fokus angebrachte Achse bewegt wird.
23. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl rotatorisch um eine vorzugsweise außerhalb des Fokus angebrachte Achse bewegt wird.
24. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung in eine oder mehrere Richtungen bewegt wird.
25. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in eine oder mehrere Richtungen bewegt wird.
26. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 25, ■ dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung oder/und der Laserstrahl manuell in der Position verändert wird.
27. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, - dass die Fokussiereinrichtung oder/und der Laserstrahl mit Fremdenergie motorisch in der Position verändert wird.
28. Verfahren nach Anspruch einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Laserstrahls durch eine Steuerung erzeugt wird.
29. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder des Laserstrahls durch eine übergeordnete Steuerung einer Führungsmaschine des Bearbeitungskopfs erzeugt wird.
30. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsignal für die Ansteuerung der mit Fremdenergie motorisch betriebenen Fokussiereinrichtung und/oder Laserstrahls durch eine Regelung erzeugt wird.
31. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage vor dem Löten erfolgt.
32. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung zur Justage in eine oder mehrere Richtungen erfolgt.
33. Verfahren nach Anspruch 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück erfolgt.
34. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl und Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Nachführung des Bereichs des Laserfokus auf dem Werkstück in eine oder mehrere Richtungen erfolgt.
35. Verfahren nach Anspruch 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen erfolgt.
36. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 16 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Laserstrahl zu Fokussiereinrichtung während des Laserstrahllötens zur Kompensation von unterschiedlichen Nahtformen vorzugsweise in eine oder mehr Richtungen erfolgt.
EP02782724A 2001-10-20 2002-10-15 Vorrichtung und verfahren zum laserstrahllöten, insbesondere laserstrahlhartlöten Withdrawn EP1439931A1 (de)

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