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DE10339636B4 - Method and device for simultaneous laser welding - Google Patents

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DE10339636B4 DE10339636A DE10339636A DE10339636B4 DE 10339636 B4 DE10339636 B4 DE 10339636B4 DE 10339636 A DE10339636 A DE 10339636A DE 10339636 A DE10339636 A DE 10339636A DE 10339636 B4 DE10339636 B4 DE 10339636B4
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Abstract

Verfahren zum simultanen Laserschweißen von mindestens zwei Werkstücken entlang mindestens einer gemeinsamen Schweißnaht, wobei mittels einer Laservorrichtung (1) eine erste Intensitätsverteilung von Laserlicht in einer zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene erzeugt wird, wobei die erste Intensitätsverteilung innerhalb eines mit einer Eintrittsapertur (23) versehenen Strahlformungsmittels (2) in eine zweite Intensitätsverteilung konvertiert wird, die an eine Kontur der Schweißnaht angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht zumindest teilweise in Bereiche der Schweißnaht abgebildet wird, die von der Eintrittsapertur (23) des Strahlformungsmittels (2) derart beabstandet sind, dass eine dreidimensionale Schweißnahtkontur erzeugt wird.Method for simultaneous laser welding of at least two workpieces along at least one common weld seam, wherein a first intensity distribution of laser light in a plane substantially perpendicular to the propagation direction of the laser light is generated by means of a laser device (1), the first intensity distribution being within an input aperture (23 ) beam shaping means (2) is converted into a second intensity distribution adapted to a contour of the weld, characterized in that the laser light is at least partially imaged in areas of the weld, of the entrance aperture (23) of the beam-forming means (2) in such a way are spaced, that a three-dimensional weld contour is generated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum simultanen Laserschweißen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The present invention relates to a method for simultaneous laser welding according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a device according to the preamble of claim 5.

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.The laser beam welding of workpieces is known from the prior art. It is increasingly replacing the traditional methods of joining workpieces such as gluing or screwing. Today, several methods are available to the user for material-fit joining of workpieces using laser beams.

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.In so-called contour welding, a laser beam is guided along a freely definable weld contour. Frequently fiber-coupled laser devices with round beam cross sections are used. Depending on the laser device used and the optics available, weld seam widths of a few tenths of a millimeter to several millimeters are achieved with the aid of this method.

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 Haltbarkeit der Schweißnaht auswirken.In so-called quasi-simultaneous welding, a laser beam is guided at high speed along a weld contour using galvanometric mirrors (so-called scanner mirrors). Due to the high speed with which the laser beam is guided, the entire joining area is heated and plasticized very quickly (quasi-simultaneously). However, the welding of three-dimensional seam contours is relatively complicated and can only be implemented to a limited extent because of shading or unfavorable angles of incidence on curved surfaces. Furthermore, tensions or distortions often occur, which adversely affect the durability of the weld.

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 Meskenschweißens 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.In so-called mask welding, an approximately line-shaped laser beam is moved across the workpieces to be welded. A mask selectively shadows the laser beam so that it only hits the joining surface at the points where welding is to take place. The field of application of the Meskenschweißens lies mainly in the field of sensors, chips and electronic components as well as microsystems technology. Fine structures in the mask allow a very high resolution, which allows welds of less than 100 microns width. In a single operation, straight and curved lines of different widths can be created and flat areas welded together.

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.In so-called simultaneous welding, individual, essentially line-emitting laser diodes or lasers or laser diodes with cylindrical lens optics are arranged to produce line-shaped laser beams along the seam contour to be welded. The melting and welding of the entire contour takes place simultaneously in this process (simultaneously). The number of laser diodes required for this depends on the circumference of the weld seam contour and the laser power required for welding. The method requires no relative movement between the component and the laser beam. The weld geometry can be chosen freely within a certain framework and has so far been limited to two-dimensional contours, which are constructed from individual straight lines.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der EP 0 282 593 A1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung weist eine Laserlichtquelle und einen Strahlformungskörper mit einer Eintrittsapertur und einer Austrittsapertur auf. Linsenmittel können das von der Laserlichtquelle erzeugte Laserlicht auf die Eintrittsapertur abbilden. Die Eintrittsapertur und die Austrittsapertur weisen eine unterschiedliche Form auf und sind über einen Strahlführungskanal im Inneren des Strahlformungskörpers miteinander verbunden. Das aus der Austrittsapertur austretende Laserlicht kann in eine Arbeitsebene abgebildet werden, um dort beispielsweise zum Schweißen verwendet zu werden.A device and a method of the type mentioned are from the EP 0 282 593 A1 known. The device described therein comprises a laser light source and a beam shaping body having an entrance aperture and an exit aperture. Lens means can image the laser light generated by the laser light source onto the entrance aperture. The entrance aperture and the exit aperture have a different shape and are connected to one another via a beam guiding channel in the interior of the beam-forming body. The laser light emerging from the exit aperture can be imaged into a working plane in order to be used there, for example for welding.

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.Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and a generic device available that allows simultaneous welding of a weld with any contour.

Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass 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.This object is first achieved by a method of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1. According to the invention, it is proposed that the laser light is at least partially imaged into regions of the weld seam which are spaced from the entrance aperture of the beam-shaping means such that a three-dimensional weld seam contour is produced. Thus, not only two-dimensional but also three-dimensional weld seam contours can be produced with the aid of the method according to the invention.

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 Schweißnaht miteinander verschweißt. 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.With the aid of the beam-shaping means, it is possible to convert the first intensity distribution into a second intensity distribution, which is shaped so that it welds the at least two workpieces along the contour of the at least one common weld seam. As workpieces, for example, thermoplastics come into consideration. Alternatively, for example, thin sheets can be welded. The method according to the invention can be carried out as a transmitted light welding method or as a joint edge welding method. At the Transverse welding, a first transparent to laser light workpiece is 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 a local melting of the material. After cooling, a cohesive joining connection is created between the two workpieces.

Beim Stoßkantenschweißen werden hingegen zwei Werkstücke, von denen zumindest eines Laserlicht absorbiert, unter Einwirkung äußerer Kräfte zusammengedrückt und entlang ihrer gemeinsamen Stoßkante miteinander verschweißt.In the case of abutting edge welding, on the other hand, two workpieces, of which at least one laser light absorbs, are compressed under the action of external forces and welded together along their common abutment edge.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Laserlicht auf die Eintrittsapertur auf einer ersten Stirnseite des Strahlformungsmittels abgebildet wird. Auf diese Weise tritt das Laserlicht in wohldefinierter Form in das Strahlformungsmittel ein, in dem die erste Intensitätsverteilung in die zweite Intensitätsverteilung konvertiert wird.In a particularly preferred embodiment it is provided that the laser light is imaged on the entrance aperture on a first end face of the beam-shaping means. In this way, the laser light enters the beam-shaping means in a well-defined form, in which the first intensity distribution is converted into the second intensity distribution.

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 werdenPreferably, the laser light exits the beam-shaping means through an exit aperture on a second end face of the beam-forming body, wherein the shape of the exit aperture deviates from the shape of the entry aperture. The shape of the exit aperture is in principle freely selectable and can thus be adapted to the contour of the weld

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.Furthermore, the laser light can be imaged with the aid of at least one second lens means on the weld seam of the at least two workpieces in order to obtain a sufficiently high energy density on the regions of the workpieces to be welded.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.The object underlying the present invention is further achieved by a device of the type mentioned above with the characterizing features of claim 5.

Erfindungsgemäß weist die zweite Stirnseite des Strahlformungsmittels eine Konturierung mit in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts versetzt zueinander angeordneten Erhöhungen und Vertiefungen auf, die an die Kontur der Schweißnaht angepasst sind. Dadurch können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dreidimensionale Konturen geschweißt werden.According to the invention, the second end face of the beam-shaping means has a contouring with elevations and depressions arranged offset to one another in the propagation direction of the laser light and adapted to the contour of the weld seam. As a result, three-dimensional contours can also be welded by means of the device according to the invention.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Strahlformungsmittel eine Eintrittsapertur 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.In a particularly advantageous embodiment, the beam shaping means has an entry aperture, wherein the shape of the exit aperture is different from the shape of the entry aperture. In this way, the first intensity distribution of the laser light can be adapted to the contour of the weld.

Das Strahlformungsmittel kann mindestens einen Strahlführungskanal zur Führung des Laserlichts innerhalb des Strahlformungsmittels aufweisen.The beam-shaping means may comprise at least one beam guiding channel for guiding the laser light within the beam-shaping means.

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.Preferably, the beam-guiding channel has at least one reflection coating for the at least partial reflection of the laser light within the beam-guiding means. At the reflection coating, the laser light is repeatedly at least partially reflected and guided to the exit aperture, where it leaves the beam-forming agent.

In 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.In a particularly advantageous embodiment, it is provided that the reflection coating is formed as a gold coating. This gold coating is characterized by a high reflectivity. Of course, it is also possible to use other reflective materials.

Der Strahlführungskanal kann beispielsweise hohl ausgebildet sein.The beam guiding channel may be hollow, for example.

Ferner kann der Strahlführungskanal zur Homogenisierung des Laserlichts aufgeraut sein.Furthermore, the beam guiding channel can be roughened for homogenizing the laser light.

Zur Erzeugung des Laserlichts kann die Laservorrichtung vorzugsweise mindestens einen Laserdiodenbarren aufweisen.To generate the laser light, the laser device may preferably have at least one laser diode bar.

Ferner kann die Vorrichtung erste Linsenmittel zur Abbildung des Laserlichts auf die Eintrittsapertur aufweisen.Furthermore, the device may comprise first lens means for imaging the laser light onto the entrance aperture.

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.In a preferred embodiment, it is proposed that the device has second lens means in order to image the laser light emerging at the exit aperture onto the weld seam of the workpieces. In this way, a sufficiently high energy density is generated in the region of the seam to be welded, which is sufficient to weld the workpieces together.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. Show in it

1 eine perspektivische Darstellung eines Strahlformungskörpers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a perspective view of a beam-forming body of a device according to the invention;

1a eine Einzelheit gemäß 1a in 1; 1a a detail according to 1a in 1 ;

1b einen Ausschnitt des Strahlformungskörpers gemäß 1, in Längsrichtung geschnitten; 1b a section of the beam-shaping body according to 1 cut in the longitudinal direction;

2 schematisch den Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung; 2 schematically the beam path through a device according to the invention;

3 eine Draufsicht auf eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Laserschweißnaht. 3 a plan view of a laser weld produced by a method according to the invention.

Zunächst wird auf 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.First, it will open 1 Referenced. Therein is a beam forming body 2 shown in perspective, which can be used in a method according to the invention for simultaneous laser welding of at least two workpieces. The beam forming body 2 can be made using a conventional 3D CNC machining process from a, in this embodiment, substantially cuboid block of material (for example, a metal block). This will be a beam shaping body 2 get that inside part 24 and outer part 25 having.

Man erkennt aus der Darstellung in 1, dass der Strahlformungskörper 2 auf einer ersten Stirnseite 20 eine im Wesentlichen quadratische Eintrittsapertur 22 für Laserstrahlbündel 10, 11, die in 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.One recognizes from the representation in 1 in that the beam-shaping body 2 on a first front side 20 a substantially square entrance aperture 22 for laser beam 10 . 11 , in the 2 are shown. It should be noted at this point, however, that the entrance aperture 22 on the first front side 20 can be arbitrarily, in particular triangular, rectangular or polygonal shaped.

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 1b gezeigt, von einer Außenfläche 240 des Innenteils 24 und einer Innenfläche 250 des Außenteil 25 seitlich begrenzt wird.On a second front side 21 that the first front page 20 is substantially opposite, the beam-shaping body 2 an exit aperture 23 on, which in principle arbitrary, formed in this embodiment of a plurality of straight and a plurality of curved sections shape of that of the entrance aperture 22 differs. Between the entrance aperture 22 and the exit aperture becomes a beam guide channel 26 formed, as in 1b shown from an outer surface 240 of the inner part 24 and an inner surface 250 of the outer part 25 is limited laterally.

Wie später unter Bezugnahme auf 2 deutlich werden wird, werden die durch die Eintrittsapertur 22 des Strahlformungskörpers 2 eintretenden Laserstrahlbündel 10, 11 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, 11 während des Durchlaufens des Strahlführungskanals 26 in eine zweite, von der ersten Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung zu konvertieren.As later referring to 2 will become clear, the through the entrance aperture 22 of the beamforming body 2 entering laser beam 10 . 11 several times within the beam guiding channel 26 of the beamforming body 2 before passing it through the exit aperture 23 leave again. The shape of the entrance aperture 22 deviates from the shape of the exit aperture 23 in order in this way a first intensity distribution through the entrance aperture 22 in the beam forming body 2 entering laser beam 10 . 11 during the passage of the beam guiding channel 26 to convert to a second, different from the first intensity distribution intensity distribution.

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 1b). Die Reflexionsbeschichtung 27 kann beispielsweise eine Goldbeschichtung oder eine andere hochreflektive Beschichtung sein.After completing the 3D CNC machining, the inner part becomes 24 for further processing from the outer part 25 of the beamforming body 2 removed. To the reflectivity of the outer surface 240 of the inner part 24 or the inner surface 250 of the outer part 25 to improve and thus reduce the reflection losses, both surfaces 240 . 250 each with at least one reflective coating 27 provided (see 1b ). The reflection coating 27 For example, it may be a gold coating or another highly reflective coating.

Nach dem Aufbringen der Reflexionsbeschichtung 27 wird das Innenteil 24 wieder in das Außenteil 25 gesteckt, um dadurch den Strahlformungskörper 2 zu bilden.After application of the reflective coating 27 becomes the inner part 24 again in the outer part 25 plugged to thereby the beam forming body 2 to build.

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 1a 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, 11 gezielt aufgeraut werden.To prevent the inner part 24 from the outer part 25 Unintentionally, the inner part becomes 24 by securing means on the outer part 25 held. The securing means, for example, a retaining pin 9 which is exemplified in 1a is shown. As a rule, several such retaining pins 9 inserted between the inner part 24 and the outer part 25 be clamped, thereby preventing the inner part 24 unintentionally from the outer part 25 of the beamforming body 2 can be solved. The retaining pins 9 are preferably only in the region of the entrance aperture 22 between the inner part 24 and the outer part 25 brought to ensure that the exit aperture 23 is illuminated substantially homogeneously and not by the retaining pins 9 is covered. Optionally, the reflective coating 27 for the homogenization of the laser beam 10 . 11 roughened specifically.

In 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 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, 11 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.In 2 the beam path of a device according to the invention for simultaneous laser welding is shown. To simplify the further embodiments, a Cartesian coordinate system is also shown. An essential component of the device according to the invention is that already described with reference to FIG 1 beam shaping body described 2 , Furthermore, the apparatus for carrying out the simultaneous laser welding process comprises a laser device 1 for generating laser light. Exemplary here are only two laser beam 10 . 11 shown to explain the operation of the device in more detail. The laser device 1 For example, it may comprise at least one laser diode bar or other known lasers or laser diodes.

Die Vorrichtung weist darüber hinaus ein erstes Linsenmittel 3, das in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlbündel 10, 11 (x-Richtung) betrachtet vor dem Strahlformungskörper 2 angeordnet ist, um die Laserstrahlbündel 10, 11 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, 11 nach dem Durchlaufen des Strahlformungskörpers 2 von der Austrittsapertur 23 auf eine Schweißnaht der miteinander zu verschweißenden Werkstücke 6 abzubilden.The device also has a first lens means 3 , in the propagation direction of the laser beam 10 . 11 (x-direction) viewed in front of the beam-shaping body 2 is arranged to the laser beam 10 . 11 on the entrance aperture 22 of the beamforming body 2 map. In the propagation direction are considered behind the beam-shaping body 2 second lens means with lenses 4 . 5 arranged to the laser beam 10 . 11 after passing through the beam-forming body 2 from the exit aperture 23 on a weld of the workpieces to be welded together 6 map.

Man erkennt, dass die Laserstrahlbündel 10, 11, die von der Laservorrichtung 1 ausgesandt werden, zunächst das erste Linsenmittel 3 durchlaufen und auf die Eintrittsapertur 22 des Strahlformungskörpers 2 (vergleiche auch 1), die in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quadratisch ist, abgebildet werden. Auf diese Weise wird eine erste Intensitätsverteilung der Laserstrahlbündel 10, 11 in einer ersten, im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientierten Ebene (y-z-Ebene) erzeugt.It can be seen that the laser beam 10 . 11 that from the laser device 1 are emitted, first the first lens agent 3 go through and on the entrance aperture 22 of the beamforming body 2 (compare also 1 ), which in this embodiment is substantially square. In this way, a first intensity distribution of the laser beam 10 . 11 generated in a first, oriented substantially perpendicular to the propagation direction plane (yz plane).

Innerhalb des Strahlformungskörpers 2 werden die Laserstrahlbündel 10, 11 mehrfach an den Reflexionsschichten 27 der Innenbeziehungsweise Außenflächen 240, 250 des Strahlführungskanals 26 reflektiert und gelangen schließlich zur Austrittsapertur 23 des Strahlformungskörpers 2, die, wie bereits in 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, 11 erzeugt, die von der ersten Intensitätsverteilung abweicht.Within the beamforming body 2 become the laser beam 10 . 11 several times at the reflection layers 27 the inner or outer surfaces 240 . 250 of the beam guiding channel 26 reflected and finally arrive at the exit aperture 23 of the beamforming body 2 that, as already in 1 shown one of the geometry of the entrance aperture 22 has different, multi-curved shape. In this way, in the area of the exit aperture 23 a second intensity distribution of the laser light beams 10 . 11 generated, which deviates from the first intensity distribution.

Damit wird deutlich, dass die Schweißnaht 7, die in 3 in einer Draufsicht dargestellt ist, einen zweidimensional betrachteten Umriss aufweist, welcher der Form der Austrittsapertur 23 des Strahlformungskörpers 2 entspricht.This makes it clear that the weld 7 , in the 3 is shown in a plan view, has a two-dimensional contemplated, which is the shape of the exit aperture 23 of the beamforming body 2 equivalent.

Man erkennt aus der Darstellung in 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 211 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.One recognizes from the representation in 2 that the second end face 21 of the beamforming body 2 furthermore has a contouring. That means the second end face 21 of the beamforming body 2 elevated areas 210 and recessed areas 211 includes. The second front side 21 is contoured in this embodiment, so that not only two-dimensional but also three-dimensional weld seam contours can be generated by means of the device according to the invention.

Zusammen mit der beliebig wählbaren Form der Austrittsapertur 23 führt diese Konturierung der zweiten Stirnseite 21 also dazu, dass die Laserstrahlbündel 10, 11 die Werkstücke 6 entlang einer dreidimensionalen Schweißnahtkontur simultan miteinander verschweißen können. Dies geschieht dadurch, dass die Bildpunkte der Laserstrahlbündel 10, 11 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.Together with the arbitrary shape of the exit aperture 23 performs this contouring of the second end face 21 So that the laser beam 10 . 11 the workpieces 6 can weld together simultaneously along a three-dimensional weld contour. This happens because the pixels of the laser beam 10 . 11 after passing through the second lens means in the x-direction at different distances from the exit aperture 23 are removed and thereby in addition to a shaping of the weld 7 in the yz plane also a deep contouring of the weld 7 allowed in the x direction, leaving the weld 7 becomes three-dimensional overall.

Jeder einzelne konturierte, also mit Erhöhungen 210 und Vertiefungen 211 versehene Teilabschnitt der Austrittsapertur 23 des Strahlformungskörpers 1 wirkt dann quasi wie eine einzelne Laserlichtquelle, wobei der zweidimensionale Umriss der Schweißnaht 7, der in 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, 11 aus, um das Werkstück (beziehungsweise die Werkstücke) lokal so stark zu erwärmen, dass dort das Material lokal aufschmelzen kann.Each individual contoured, so with increases 210 and depressions 211 provided subsection of the exit aperture 23 of the beamforming body 1 then acts almost like a single laser light source, the two-dimensional outline of the weld 7 who in 3 is shown, the shape of the exit aperture 23 in the second end face 23 corresponds and the depth contouring by the contouring of the second end face 21 of the beamforming body 2 comes about. Only in the area of their pixels does the energy density of the laser beam reach 10 . 11 to locally heat the workpiece (or the workpieces) so much that the material can locally melt there.

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.The simultaneous laser welding method according to the invention and the device according to the invention can be used for so-called transmission welding or for abutting edge welding. In transmission welding, a first workpiece transparent to laser light is 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 a local melting of the material. After cooling, a cohesive joining connection is created between the two workpieces.

Beim Stoßkantenschweißen werden hingegen zwei Werkstücke, von denen zumindest eines Laserlicht absorbiert, unter Einwirkung äußerer Kräfte zusammengedrückt und entlang ihrer gemeinsamen Stoßkante miteinander verschweißt.In the case of abutting edge welding, on the other hand, two workpieces, of which at least one laser light absorbs, are compressed under the action of external forces and welded together along their common abutment edge.

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.If, by means of the device for welding plastic parts, a different three-dimensional contour than indicated here is to be welded, only the beam-shaping element has to be welded 2 be replaced by another beam forming body having 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 contour is generated.

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.In this way, the device is very flexible and can be adapted quickly to changed two- or three-dimensional weld seam contours. In principle, any desired weld seams can be laser-welded simultaneously in the contour of the device shown here.

Claims (14)

Verfahren zum simultanen Laserschweißen von mindestens zwei Werkstücken entlang mindestens einer gemeinsamen Schweißnaht, wobei mittels einer Laservorrichtung (1) eine erste Intensitätsverteilung von Laserlicht in einer zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene erzeugt wird, wobei die erste Intensitätsverteilung innerhalb eines mit einer Eintrittsapertur (23) versehenen Strahlformungsmittels (2) in eine zweite Intensitätsverteilung konvertiert wird, die an eine Kontur der Schweißnaht angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht zumindest teilweise in Bereiche der Schweißnaht abgebildet wird, die von der Eintrittsapertur (23) des Strahlformungsmittels (2) derart beabstandet sind, dass eine dreidimensionale Schweißnahtkontur erzeugt wird.Method for the simultaneous laser welding of at least two workpieces along at least one common weld, wherein by means of a laser device ( 1 a first intensity distribution of laser light is generated in a plane substantially perpendicular to the direction of propagation of the laser light, wherein the first intensity distribution is within one with an entrance aperture (FIG. 23 ) beam forming agent ( 2 ) is converted into a second intensity distribution, which is adapted to a contour of the weld, characterized in that the laser light is at least partially imaged in areas of the weld, which from the entrance aperture ( 23 ) of the beam shaping agent ( 2 ) are spaced such that a three-dimensional weld contour is generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Laserlicht auf die Eintrittsapertur (22) auf einer ersten Stirnseite (20) des Strahlformungsmittels (2) mittels erster Linsenmittel (3) abgebildet wird.A method according to claim 1, characterized in that the laser light on the entrance aperture ( 22 ) on a first end face ( 20 ) of the beam shaping agent ( 2 ) by means of first lens means ( 3 ) is displayed. 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.A method according to claim 2, characterized in that the laser light, the beam shaping means ( 2 ) through an exit aperture ( 23 ) on a second end face ( 21 ) of the beam-shaping body ( 2 ) leaving the shape of the exit aperture ( 23 ) of the shape of the entrance aperture ( 22 ) deviates. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht mit Hilfe mindestens eines zweiten Linsenmittels auf die Schweißnaht der mindestens zwei Werkstücke abgebildet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser light is imaged by means of at least one second lens means on the weld of the at least two workpieces. Vorrichtung zum simultanen Laserschweißen von mindestens zwei Werkstücken, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung einer ersten Intensitätsverteilung von Laserlicht in einer zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts im Wesentlichen senkrechten Ebene, wobei die Vorrichtung mindestens ein Strahlformungsmittel (2) zur Konvertierung der ersten Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung aufweist, wobei das Strahlformungsmittel (2) eine Eintrittsapertur (22) und eine erste, der Eintrittsapertur (22) zugeordnete Stirnseite (20) sowie eine Austrittsapertur (23) und eine zweite, der Austrittsapertur (24) zugeordnete Stirnseite (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stirnseite (21) des Strahlformungsmittels (2) eine Konturierung mit in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts versetzt zueinander angeordneten Erhöhungen (210) und Vertiefungen (211) aufweist, die an die Kontur der Schweißnaht angepasst sind.Device for the simultaneous laser welding of at least two workpieces, comprising at least one laser light source ( 1 ) for generating a first intensity distribution of laser light in a plane substantially perpendicular to the propagation direction of the laser light, the device comprising at least one beam shaping means ( 2 ) for converting the first intensity distribution into a second intensity distribution, wherein the beam shaping means ( 2 ) an entrance aperture ( 22 ) and a first, the entrance aperture ( 22 ) associated end face ( 20 ) as well as an exit aperture ( 23 ) and a second, the exit aperture ( 24 ) associated end face ( 21 ), characterized in that the second end face ( 21 ) of the beam shaping agent ( 2 ) a contouring offset in the propagation direction of the laser light to each other increases ( 210 ) and depressions ( 211 ), which are adapted to the contour of the weld. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Austrittsapertur (23) von der Form der Eintrittsapertur (22) verschieden ist.Device according to claim 5, characterized in that the shape of the exit aperture ( 23 ) of the shape of the entrance aperture ( 22 ) is different. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsmittel (2) mindestens einen Strahlführungskanal (26) zur Führung des Laserlichts innerhalb des Strahlformungsmittels (2) aufweist.Device according to claim 5 or 6, characterized in that the beam-shaping means ( 2 ) at least one beam guiding channel ( 26 ) for guiding the laser light within the beam-shaping means ( 2 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal (26) mindestens eine Reflexionsbeschichtung (27) zur mindestens teilweisen Reflexion des Laserlichts innerhalb des Strahlführungsmittels (2) aufweist.Apparatus according to claim 7, characterized in that the beam guiding channel ( 26 ) at least one reflective coating ( 27 ) for the at least partial reflection of the laser light within the beam guiding means ( 2 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsbeschichtung (27) als Goldbeschichtung ausgebildet ist.Apparatus according to claim 8, characterized in that the reflection coating ( 27 ) is designed as a gold coating. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal (26) hohl ist.Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the beam guiding channel ( 26 ) is hollow. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlführungskanal zur Homogenisierung des Laserlichts aufgeraut ist.Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the beam guiding channel is roughened for homogenizing the laser light. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (1) mindestens einen Laserdiodenbarren aufweist.Device according to one of claims 5 to 11, characterized in that the laser device ( 1 ) has at least one laser diode bar. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erste Linsenmittel (3) zur Abbildung des Laserlichts auf die Eintrittsapertur (22) aufweist.Device according to one of claims 6 to 12, characterized in that the device comprises first lens means ( 3 ) for imaging the laser light on the entrance aperture ( 22 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zweite Linsenmittel aufweist, um das an der Austrittsapertur (24) austretende Laserlicht auf die Schweißnaht der Werkstücke abzubilden.Device according to one of claims 6 to 13, characterized in that the device comprises second lens means to the at the exit aperture ( 24 ) emit laser light onto the weld seam of the workpieces.
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