DE102020120643B4

DE102020120643B4 - Verfahren zum Laserschweißen von Elektroden

Info

Publication number: DE102020120643B4
Application number: DE102020120643.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Kogel-Hollacher
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2024-08-08
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: WO2022028879A1; DE102020120643A1

Abstract

Verfahren zum Verschweißen von mindestens zwei Elektroden (1, 2) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend:
Erfassen der Positionen der Elektroden (1, 2);
Bestimmen eines Bearbeitungspunkts (A, B) auf jeder der Elektroden (1, 2) nach dem Erfassen der Elektrodenpositionen;
Aufteilen des Laserstrahls (10) in mindestens zwei Teilstrahlen (10a, 10b), und
Einstrahlen der Teilstrahlen (10a, 10b) jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte (A, B) der Elektroden (1, 2) und Ausbilden eines gemeinsamen Schmelzbads zum Verschweißen der Elektroden (1, 2),
wobei die Positionen der Elektroden (1, 2) in Laserstrahlausbreitungsrichtung mittels optischer Kohärenztomographie erfasst werden, und
eine Fokuslage zumindest eines Teilstrahls (10a, 10b) basierend auf der erfassten Position der jeweiligen Elektrode (1, 2) in Laserstrahlausbreitungsrichtung angepasst wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Laserschweißen, von Elektroden, insbesondere von stabförmigen Elektroden, auch Stabelektroden genannt, sowie eine Bearbeitungsvorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.
Hintergrund
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert oder gebündelt, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen.
Im Bereich der Elektromobilität spielt die Herstellung von Elektromotoren, insbesondere die Herstellung von Statoren für Elektromotoren, eine zentrale Rolle. Um den aufwändigen und schwer zu automatisierenden Wicklungsprozess zum Herstellen der Statorspule zu vereinfachen, werden Wicklungssegmente, sogenannte Hairpins oder Stabelektroden, aus rechteckigem Kupferdraht in die Statornut geschossen. Die Enden dieser Hairpins werden anschließend miteinander verbunden, beispielsweise durch Klemmen oder Verdrehen. Dies ist allerdings ebenso zeitaufwändig wie ungenau. Daher wird neuerdings ein Scanner-Laserschweißverfahren zum Verbinden der Hairpins eingesetzt. Das Schweißen von HairPins gehört zu den wesentlichen Fügeaufgaben im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Transportwesens. Für das Verbinden der Hairpins und somit für eine erfolgreiche Herstellung einer Statorspule ist es essenziell, dass zwischen den verschweißten Hairpins ein elektrischer Kontakt besteht, d.h. dass zwischen den verschweißten Teilen bzw. über die Schweißverbindung Strom fließen kann. Diese Kupferkontakte sollen spritzerfrei mit einem möglichst geringen Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Hairpins verschweißt werden. Zudem ist es eine Herausforderung, die einzelnen Hairpins zu treffen und einen homogenen Fügeprozess zu gewährleisten.
In einem herkömmlichen Scanner-Laserschweißverfahren wird, wie in 1 veranschaulicht, ein Laserstrahl 10 auf Enden 1a, 2a von zwei benachbarten Hairpins 1, 2 gerichtet und mit einem 2D Scanner einer kreisförmigen Bahn (gestrichelter Pfeil) über beide Enden 1a, 2a gefahren, um ein gemeinsames Schweißbad auszubilden. Wenn jedoch der Laserstrahl in den Spalt 30 zwischen den zwei benachbarten Hairpins 1, 2 trifft, kann Isolationsmaterial 3, das einen unteren Teil der Hairpins zur Isolation umgibt, aufgeschmolzen werden. Wenn sich zudem die benachbarten Hairpins 1, 2 auf unterschiedlicher Höhe bzw. z-Lage befinden, d.h. wenn der Abstand zum Laserbearbeitungskopf unterschiedlich ist, werden die Enden 1a, 2a der beiden benachbarten Hairpins ungleichmäßig aufgeschmolzen. Dies kann zu Spritzern und Porenbildung und somit zu einer schlechten elektrischen Verbindung bzw. zu einem hohen Widerstand führen. Zudem ist der hierfür erforderliche 2D Scanner verhältnismäßig teuer.
Das Schweißen von hoch reflektiven Materialien, wie Kupfer, mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Mikrometerbereich, d.h. im infraroten (IR) Bereich, ist grundsätzlich herausfordernd. Daher werden neuerdings auch Laserquellen mit kürzeren Wellenlängen verwendet, beispielsweise im blauen oder grünen Bereich, die allerdings deutlich teurer sind als IR Laserquellen.
EP 3 292 940 B1 offenbart ein Laserschweißverfahren für Flachdrähte, bei dem Seitenflächen an Enden von ersten und zweiten Flachdrähten von Isolierfolien befreit werden und aneinanderstoßen. Ein Laserstrahl wird auf die Endflächen der ersten und zweiten Flachdrähte aufgebracht, um die Flachdrähte miteinander zu verschweißen. Dieses Verfahren umfasst: Anwenden des Laserstrahls in einer Schleifenform innerhalb der Endfläche des ersten Flachdrahts, um ein Schmelzbad zu bilden; und allmähliches Vergrößern des Durchmessers einer schleifenförmigen Aufbringbahn des Laserstrahls innerhalb der Endfläche des ersten Flachdrahts, damit das Schmelzbad die Seitenflächen erreichen kann.
EP 3 088 124 A1 offenbart ein Verfahren zum Laser-Schweißen von zwei benachbarten Metallelementen einer Statorwicklung für eine elektrische Maschine. Die beiden Metallelemente sind nebeneinander angeordnet und weisen jeweils obere Flächen auf, die koplanar zueinander angeordnet sind und mindestens eine gemeinsame Kante aufweisen. Ein erster Laserstrahl wird auf den Oberseiten der beiden Metallelemente entlang einer ersten Schweißlinie geführt, die senkrecht zur gemeinsamen Kante steht und sich durch die gemeinsame Kante der beiden Metallelemente erstreckt. Anschließend wird ein zweiter Laserstrahl entlang einer zweiten Schweißlinie geführt, die senkrecht zur gemeinsamen Kante ist und sich durch die gemeinsame Kante erstreckt, und parallel und beabstandet zu der ersten Schweißlinie ist, und die eine Länge hat, die kleiner ist als die der ersten Schweißlinie.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Verschweißen, zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, anzugeben, das kostengünstig eine präzise und zuverlässige Kontaktierung der Elektroden ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere zum Verschweißen, zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, anzugeben, die kostengünstig eine präzise und zuverlässige Kontaktierung der Elektroden ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, auf mindestens zwei miteinander zu verbindenden Elektroden durch ein sogenanntes Twin- bzw. Multi-Spot Schweißverfahren, bei dem der Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, jeweils ein separates Schweißbad zu erzeugen. Diese separaten Schweißbäder verbinden sich dann zu einem gemeinsamen Schweißbad, um so die stoffschlüssige Verbindung bzw. den elektrischen Kontakt herzustellen. Anstelle eines Laserstrahls kann auch jeder andere hochenergetische Bearbeitungsstrahl, etwa ein Elektronenstrahl, verwendet werden. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung am Beispiel des Verschweißens mittels Laserstrahl beschrieben, ist aber nicht hierauf beschränkt.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden mindestens zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere zum Verschweißen mindestens zweier Elektroden mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls: Bestimmen eines Bearbeitungspunkts auf jeder der Elektroden; Aufteilen des Bearbeitungsstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen; und Einstrahlen der mindestens zwei Teilstrahlen jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte der mindestens zwei Elektroden, um ein gemeinsames Schmelzbad zum Verschweißen der Elektroden bzw. zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden auszubilden. Die Anzahl der Teilstrahlen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Elektroden. Ferner kann vor dem Bestimmen der Bearbeitungspunkte ein Schritt des Erfassens der Positionen der Elektroden durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Elektroden mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Verschweißen mindestens zweier Elektroden mittels eines Laserstrahls: eine Erfassungseinheit zum Bestimmen eines Bearbeitungspunkts auf jeder der Elektroden; und einen Bearbeitungskopf zum Einstrahlen von mindestens zwei Teilstrahlen jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte, wobei der Bearbeitungskopf eine Aufteilungsoptik zum Aufteilen des Bearbeitungsstrahls in die mindestens zwei Teilstrahlen umfasst. Die Aufteilungsoptik kann auch als Multispotoptik bezeichnet werden. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Anzahl der Teilstrahlen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Elektroden. Die Erfassungseinheit kann ferner zum Erfassen der Positionen der Elektroden eingerichtet sein.
Das Verfahren und die Bearbeitungsvorrichtung können eines oder mehrere der folgenden bevorzugten Merkmale aufweisen.
Jeder der Bearbeitungspunkte liegt vorzugsweise auf einer Oberfläche der jeweiligen Elektrode. Mit Bearbeitungspunkt kann diejenige Stelle auf der jeweiligen Elektrode bezeichnet werden, auf die ein Teilstrahl (zumindest zeitweise oder zu Beginn des Einstrahlvorgangs) gerichtet wird. Vorzugsweise wird der Bearbeitungspunkt auf jeder der Elektroden so bestimmt, dass der Bearbeitungspunkt in der Mitte einer der Laserbearbeitungsvorrichtung zugewandten Oberfläche der Elektrode liegt. Zumindest einer der Teilstrahlen kann senkrecht auf die entsprechende Elektrode, bzw. auf deren den Bearbeitungspunkt umfassende Oberfläche, eingestrahlt werden.
Die Position jeder Elektrode kann zum Bestimmen des entsprechenden Bearbeitungspunkts erfasst werden. Die Position der Elektrode kann eine Position der Elektrode in einer Ebene senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung, d.h. in x- und y- Richtung, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Position der Elektrode eine Position der Elektrode in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung (also in z-Richtung) und/oder einen Abstand einer Oberfläche der Elektrode zu einer das Verfahren ausführenden Laserbearbeitungsvorrichtung, und/oder eine Lage bzw. Position der Elektrode im dreidimensionalen Raum umfassen.
Das Erfassen der Positionen der Elektroden kann durch optische Kohärenztomographie und/oder durch eine Kamera und/oder durch mindestens eine Photodiode erfolgen. Beispielsweise kann die Erfassungseinheit eine Abtasteinrichtung zur Oberflächenabtastung, einen optischen Kohärenztomographen oder eine Kamera umfassen, oder einen Photodiodensensor umfassen, der für eine Wellenlänge des Laserstrahls sensitiv ist. Das Erfassen der Positionen der Elektroden kann ein Einstrahlen des Laserstrahls oder der mindestens zwei Teilstrahlen auf die Elektroden entlang eines Messpfads und ein Erfassen eines reflektierten Anteils des eingestrahlten Laserstrahls bzw. der eingestrahlten Teilstrahlen, insbesondere mittels einer Photodiode, umfassen. Die Positionen der Elektroden können anschließend basierend auf dem erfassten reflektierten Anteil bestimmt werden. Das Einstrahlen des Laserstrahls bzw. der mindestens zwei Teilstrahlen auf die Elektroden kann entlang zumindest eines ersten Messpfades und entlang zumindest eines zweiten Messpfades erfolgen. Der erste Messpfad kann einen vorgegebenen Winkel zu dem zweiten Messpfad aufweisen. Basierend auf dem reflektierten Anteil des eingestrahlten Laserstrahls bzw. der eingestrahlten Teilstrahlen können die Positionen der mindestens zwei Elektroden in einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung, d.h. in der x- und y- Ebene, erfasst bzw. bestimmt werden. Das Verfahren kann ferner ein Positionieren der Elektroden in einer Positioniervorrichtung umfassen, wobei eine Reflektivität der Positioniervorrichtung von einer Reflektivität der Elektroden verschieden ist. Der Messpfad umfasst in diesem Fall vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Bereich, die auf der Positioniervorrichtung liegen, sowie einen Bereich auf mindestens einer der Elektroden zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich. Die Positioniervorrichtung und die Elektroden können aus unterschiedlichem Material bestehen und/oder eine unterschiedliche Oberflächenrauigkeit aufweisen, sodass sie unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen. Beispielsweise kann die Oberfläche der Positioniervorrichtung aus gebürstetem, sandgestrahltem und/oder mattem Metall, insbesondere Aluminium, bestehen und die Oberfläche der Elektroden kann aus glattem, glänzendem oder poliertem Metall, insbesondere Kupfer, bestehen. Für das Erfassen der Positionen kann eine Laserleistung des eingestrahlten Laserstrahls kleiner als eine Laserleistung zum Verschweißen der Elektroden und/oder eine Geschwindigkeit größer als eine Geschwindigkeit beim Ausbilden von Schmelzbädern auf den Elektroden gewählt werden. Demnach kann die Laserleistung bzw. die Geschwindigkeit so gewählt werden, dass der Laserstrahl nicht in das Material der Elektroden einkoppelt, sondern lediglich reflektiert wird. Mit anderen Worten kann eine Leistungsdichte des Laserstrahls auf einer Oberfläche der Elektroden und/oder der Positioniervorrichtung so gewählt werden, dass sie unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem der Laserstrahl in die Elektroden bzw. die Positioniervorrichtung einkoppelt.
Zum Erfassen der Positionen können die Elektroden beleuchtet werden. Hierfür kann die Erfassungseinheit mindestens eine Lichtquelle, etwa ein VCSEL oder eine Laserdiode umfassen. Der VCSEL kann Licht z.B. bei einer Wellenlänge von 680nm, 850nm oder 940nm emittieren. Die Laserdiode kann z.B. eine Wellenlänge von 630nm-640nm oder 808nm-810nm aufweisen.
Zusätzlich zum Erfassen der Positionen der Elektroden kann noch zumindest einer der folgenden Parameter erfasst werden: eine Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; ein Abstand zwischen den Elektroden (d.h. in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. senkrecht zu einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs oder der Fokussieroptik); sowie eine Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads.
Ein Abstand (d.h. auf den Elektroden) und/oder ein Winkel und/oder eine Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen kann einstellbar sein, z.B. abhängig von einem Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. zu einer optischen Achse der Fokussieroptik. Beispielsweise kann die Intensität des Laserstrahls ungleich auf die Teilstrahlen aufgeteilt werden. Wenn also der Bearbeitungspunkt der einen Elektrode näher an dem Laserbearbeitungskopf liegt, als der Bearbeitungspunkt der anderen Elektrode, kann die Intensität des einen Teilstrahls, der auf die eine Elektrode gerichtet ist, geringer als die Intensität des anderen Teilstrahls, der auf die andere weiter entfernte Elektrode gerichtet ist, eingestellt werden. Die Intensitäten der beiden Teilstrahlen lassen sich vorzugsweise in einem Verhältnis von 80:20 bis 50:50 stufenlos verändern.
Der Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten ist vorzugsweise größer als ein Fokusdurchmesser mindestens eines der Teilstrahlen oder größer als ein Durchmesser mindestens eines der Teilstrahlen auf der jeweiligen Elektrode oder größer als eine Schmalseite einer der Elektroden. Der Abstand zwischen den Bearbeitungspunkten kann beispielsweise zwischen 0,3 mm bis 3 mm betragen. Vorzugsweise wird also jeder Teilstrahl auf den Bearbeitungspunkt von einer der Elektroden gerichtet, sodass die Teilstrahlen bzw. Auftreffpunkte der Teilstrahlen auf den Elektroden voneinander beabstandet bzw. getrennt sind.
Die Aufteilungsoptik bzw. Multispotoptik kann mindestens eine Strahlformungsoptik, mindestens ein diffraktives optisches Element, mindestens eine Freiform Optik, mindestens eine Keilplatte und/oder mindestens einen Spiegel umfassen. Insbesondere kann die Aufteilungsoptik eingerichtet sein, um einen Abstand und/oder einen Winkel und/oder eine Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen einzustellen. Die Aufteilungsoptik kann in den Strahlengang des Laserstrahls einführbar und aus dem Strahlengang des Laserstrahls entfernbar sein. Mit anderen Worten kann die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen ein- und ausschaltbar sein.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann ferner eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Teilstrahlen enthalten. Die Aufteilungsoptik kann in Strahlausbreitungsrichtung vor oder nach der Fokussieroptik angeordnet sein. Die Aufteilungsoptik kann zwischen der Kollimationsoptik und der Fokussieroptik angeordnet sein. Mit anderen Worten wird vorzugsweise der kollimierte Laserstrahl in die Teilstrahlen aufgeteilt. Die Teilstrahlen können durch eine gemeinsame Fokussieroptik oder durch jeweils eine separate Fokussieroptik fokussiert werden. Entsprechend kann eine Fokuslage für die beiden Teilstrahlen gemeinsam oder für jeden Teilstrahl separat einstellbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Fokuslage für jeden Teilstrahl separat eingestellt. Hierdurch kann die notwendige Leistungsdichte auch auf unterschiedlichen Ebenen erzeugt werden, beispielsweise wenn die Elektroden eine unterschiedliche Position in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls oder der Teilstrahlen bzw. entlang einer optischen Achse der Fokussieroptik aufweisen.
Eine Fokuslage der mindestens zwei Teilstrahlen und/oder zumindest eines Teilstrahls kann an die erfasste Position der jeweiligen Elektrode bzw. an die Position des jeweiligen Bearbeitungspunkts angepasst werden. Während des Einstrahlens der Teilstrahlen kann der Fokus zumindest eines der Teilstrahlen zumindest zeitweise auf dem Bearbeitungspunkt und/oder auf der Oberfläche der jeweiligen Elektrode liegen.
Erfindungsgemäß wird die Fokuslage der mindestens zwei Teilstrahlen oder von zumindest einem Teilstrahl während des Einstrahlens der Teilstrahlen, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise, verändert. In einer Ausführungsform kann während des Einstrahlens der Teilstrahlen in einem ersten Schritt zumindest einer der Teilstrahlen defokussiert auf die jeweilige Elektrode gerichtet werden. In einem nachfolgenden zweiten Schritt kann die Fokuslage des zumindest einen Teilstrahls angepasst werden. Beispielsweise kann die Fokuslage des zumindest einen Teilstrahls dem Bearbeitungspunkt auf der jeweiligen Elektrode, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise, angenähert oder auch davon entfernt werden. Dadurch kann eine Fügestelle der Elektroden bzw. das separate Schweißbad oder das gemeinsame Schweißbad so modifiziert werden, dass die Einkopplung des Laserstrahls verbessert wird. Durch das defokussierte Einstrahlen des bzw. der Teilstrahlen wird die jeweilige Elektrodenoberfläche erwärmt, sodass die Einkopplung des Laserstrahls auch für große Wellenlängen, z.B. im IR Bereich, verbessert wird. Beispielsweise ist die Absorption von IR Laserstrahlung von Kupfer in der schmelzflüssigen Phase nahezu identisch zu der bei kürzeren Wellenlängen.
Am Ende des Einstrahlens der Teilstrahlen oder nach Ausbilden des gemeinsamen Schweißbades kann zumindest einer der Teilstrahlen defokussiert auf die jeweilige Elektrode gerichtet werden. Hierdurch kann eine Glättung der Schweißverbindung bzw. Schweißnaht erzielt werden. Vorzugsweise wird zu Beginn und am Ende des Einstrahlens der Teilstrahlen zumindest einer der Teilstrahlen auf die jeweilige Elektrode defokussiert gerichtet.
Jeder Teilstrahl verbleibt während des Einstrahlens vorzugsweise auf der jeweiligen Elektrode. Mit anderen Worten bleibt im Fall von zwei Teilstrahlen und zwei Elektroden vorzugsweise ein erster der beiden Teilstrahlen nur auf eine erste der beiden Elektroden gerichtet, und der zweite der beiden Teilstrahlen nur auf die zweite der beiden Elektroden. Dadurch kann vermieden werden, dass ein Teilstrahl in einen Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den Elektroden fällt und dort eine Isolierung oder anderes Material erwärmt. Zudem können dadurch separate Schmelzbäder erzeugt werden. Wurde das Elektrodenmaterial, z.B. das Kupfer, einmal in die schmelzflüssige Phase gebracht, fließen die separaten Schmelzbäder zu einem gemeinsamen Schmelzbad zusammen. Dadurch kann eine Porenbildung in der stoffschlüssigen Verbindung bzw. in der Schweißnaht verringert werden.
Vorzugsweise sind die Teilstrahlen auf der jeweiligen Elektrode, insbesondere linear, auslenkbar. Die Auslenkung kann parallel zu bzw. entlang einer Kante oder Seite der Elektrode erfolgen. Die Teilstrahlen können auf der jeweiligen Elektrode hin und her bewegt werden, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu einer Verbindungsgeraden zwischen den Elektroden oder parallel zu den sich gegenüberliegenden Seiten der Elektroden. Beispielsweise kann jeder Teilstrahl auf der entsprechenden Elektrode entlang einer vorgegebenen Bahn hin und her bewegt oder oszilliert werden. Die Oszillationsbewegung bzw. die vorgegebene Bahn kann linear, kreisförmig, Zick-Zack förmig, wellenförmig, schraubenförmig, 8-förmig o.ä. sein. Die Auslenkung der Teilstrahlen kann durch Auslenkung des Laserstrahls vor Aufteilung desselben in die zwei Teilstrahlen erfolgen. Alternativ kann die Auslenkung der Teilstrahlen nach Aufteilung des Laserstrahls erfolgen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann hierfür eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserstrahls und/oder der Teilstrahlen umfassen. Vorzugsweise ist die Auslenkeinheit eine lineare bzw. 1D Auslenkeinheit, d.h. eingerichtet für eine lineare Auslenkung in nur einer Richtung. Eine eindimensionale (1D) Auslenkeinheit ist wesentlich kostengünstiger und kompakter als eine Auslenkeinheit, die für eine 2D Auslenkung bzw. für eine Auslenkung in zwei aufeinander senkrecht stehende Richtungen eingerichtet ist. Zum Auslenken des Laserstrahls kann die Auslenkeinheit zwischen der Kollimationsoptik und der Aufteilungsoptik angeordnet sein. Alternativ kann die Auslenkeinheit zwischen der Aufteilungsoptik und der Fokussieroptik angeordnet sein, um die Teilstrahlen direkt auszulenken. In diesem Fall können die Teilstrahlen unabhängig voneinander ausgelenkt werden. Die Auslenkeinheit kann beispielsweise ein Oszillationsmodul, ein 1D-Scanner oder ein 2D-Scanner sein und/oder mindestens einen Spiegel, insbesondere einen Galvanometer-Spiegel, umfassen. Vorzugsweise wird die Auslenkung der Teilstrahlen regelmäßig bzw. periodisch wiederholt. Die Auslenkung der Teilstrahlen kann als Positionsmodulation der Teilstrahlen bezeichnet werden. Eine Positionsmodulationsamplitude bzw. Auslenkungsamplitude und/oder eine Positionsmodulationsfrequenz bzw. Auslenkungsfrequenz und/oder eine Positionsmodulationsgeschwindigkeit bzw. Auslenkungsgeschwindigkeit kann basierend auf zumindest einem der folgenden Parameter eingestellt sein: den Positionen der Elektroden; einer Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; einem Abstand zwischen den Elektroden; einer Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads; einer Einstrahldauer der Teilstrahlen auf die Elektroden; einer Wellenlänge des Laserstrahls; und einer Leistung des Laserstrahls.
Vorzugsweise sind die Elektroden so angeordnet, dass die Bearbeitungspunkte bzw. die Oberflächen der Elektroden, die die Bearbeitungspunkte umfassen, auf einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls liegen. Die Elektroden können parallel oder antiparallel zueinander angeordnet sein. Insbesondere können bei einer parallelen Anordnung der Elektroden Enden der Elektroden in dieselbe Richtung weisen, bei einer antiparallelen Anordnung hingegen können Enden der Elektroden in entgegengesetzte Richtungen weisen. Vorzugsweise sind Enden der Elektroden nebeneinander und/oder benachbart angeordnet. Die Teilstrahlen können stirnseitig auf Enden der Elektroden eingestrahlt werden. Beispielsweise kann eine Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Elektroden angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Elektroden stabförmige Elektroden. Die Elektroden können zumindest eine flache Seite bzw. eine ebene Fläche aufweisen und/oder einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. Vorzugsweise sind zwei flache Seiten der Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet. Beispielsweise kann ein Ende oder ein Querschnitt der Elektroden eine Breite (oder Schmalseite) von ca. 1mm und eine Länge (oder Längsseite) von ca. 5 mm aufweisen.
Die Elektroden können aus Kupfer und/oder Aluminium bestehen oder Kupfer und/oder Aluminium enthalten. Beispielsweise sind oder umfassen die Elektroden Hairpins oder Wicklungssegmente einer Statorspule bzw. einer Statorwicklung.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl Wellenlängen im infraroten Bereich, beispielsweise zwischen 780 nm und 1400 nm, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm, auf. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige IR Laserquelle verwendet werden kann. Der Laserstrahl kann aber auch eine Wellenlänge im sichtbaren grünen oder blauen Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 510 nm und 550 nm, aufweisen.
Eine eingestrahlte Leistung der beiden Teilstrahlen, d.h. die Leistung des Laserstrahls, kann basierend auf zumindest einem der folgenden Parameter moduliert oder eingestellt sein: einer Positionsmodulationsamplitude bzw. Auslenkungsamplitude, einer Positionsmodulationsfrequenz bzw. Auslenkungsfrequenz, einer Positionsmodulationsgeschwindigkeit bzw. Auslenkungsgeschwindigkeit, den Positionen der Elektroden; einer Größe der Oberfläche, auf der der Bearbeitungspunkt liegt; einem Abstand zwischen den Elektroden; einer Größe und/oder Tiefe der separaten Schmelzbäder und/oder des gemeinsamen Schmelzbads; einer Einstrahldauer der Teilstrahlen auf die Elektroden; einer Wellenlänge des Laserstrahls; und einer Leistung des Laserstrahls.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt schematisch ein herkömmliches Scanner-Laserschweißverfahren;
2 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Diagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem 1D Scanner gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5A und 5B zeigen schematisch alternative Anordnungen der beiden Elektroden.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
2 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserschweißen von zwei stabförmigen Elektroden erläutert, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die Bearbeitungsvorrichtung kann auch einen Elektronenstrahl zum stoffschlüssigen Verbinden verwenden. Ebenso können die Elektroden eine andere Form aufweisen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Laserbearbeitungskopf 100 zum Einstrahlen eines Laserstrahls 10 auf die Werkstücke 1, 2. Beispielsweise kann der von einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl 10 über eine Lichtleitfaser 11 in den Laserbearbeitungskopf 100 eingekoppelt werden. Der Laserstrahl 10 wird durch eine im Laserbearbeitungskopf 100 angeordnete Aufteilungsoptik 50, etwa mindestens eine optische Keilplatte, mindestens ein diffraktives optisches Element, mindestens eine Freiform Optik oder mindestens eine Strahlformungsoptik, in zwei Teilstrahlen 10a, 10b aufgeteilt. Vorzugsweise ist die Aufteilungsoptik 50 im kollimierten Laserstrahl 10 angeordnet, sodass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem kollimierten Laserstrahl 10 erfolgt. Mit anderen Worten kann die Aufteilungsoptik 50 in Laserstrahlausbreitungsrichtung nach einer Kollimationsoptik 20 des Laserbearbeitungskopfs 100 angeordnet sein. Die beiden Teilstrahlen 10a, 10b können anschließend durch eine Fokussieroptik 60 für den Bearbeitungsvorgang bzw. das Laserschweißen fokussiert werden. Alternativ kann für jeden Teilstrahl 10a, 10b eine separate Fokussieroptik 60 vorgesehen sein, um die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b unabhängig voneinander einzustellen. Die Fokussieroptik 60 kann auch in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Aufteilungsoptik 50 angeordnet sein, sodass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem fokussierten Laserstrahl 10 erfolgt. Auch wenn vorliegend eine Aufteilung des Laserstrahls in genau zwei Teilstrahlen 10a, 10b beschrieben ist, ist die Offenbarung nicht darauf beschränkt. Der Laserstrahl 10 kann in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt werden. Ebenso ist die Anzahl der Elektroden nicht auf zwei beschränkt, sondern das Verfahren kann für das Verschweißen von zwei oder mehr Elektroden eingesetzt werden. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Teilstrahlen der Anzahl der miteinander zu verschweißenden Elektroden.
Die Fokuslage der beiden Teilstrahlen 10a, 10b ist vorzugsweise einstellbar. Das Einstellen der Fokuslage kann beispielsweise durch Verschieben zumindest eines der folgenden Elemente erfolgen: der Lichtleitfaser 11, der Kollimationsoptik 20 und der Fokussieroptik 60. Die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b kann gemeinsam eingestellt werden, d.h. beide Teilstrahlen 10a, 10b können dieselbe Fokuslage haben. Vorzugsweise wird können aber die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b unabhängig voneinander eingestellt werden, d.h. die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10a, 10b können unterschiedlich sein. Hierdurch kann ein unterschiedlicher Abstand der Elektroden zum Laserbearbeitungskopf 100 ausgeglichen werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst ferner eine Erfassungseinheit 40 zum Erfassen von Positionen der beiden Elektroden 1, 2. Hierfür kann die Erfassungseinheit 40 beispielsweise einen optischen Sensor, eine Photodiode, eine Kamera und/oder einen optischen Kohärenztomographen umfassen. Die Erfassungseinheit 40 kann die Position der beiden Elektroden 1, 2 in zumindest einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung erfassen. In den gezeigten Beispielen erstreckt sich die optische Achse der Fokussieroptik 60 bzw. die Laserstrahlausbreitungsrichtung in z Richtung. Ein optischer Strahlengang der Erfassungseinheit 40 kann beispielsweise über einen Strahlteiler 30 in den Laserstrahlengang des Laserbearbeitungskopf 100 eingekoppelt sein. Alternativ kann der optische Strahlengang der Erfassungseinheit 40 außerhalb des Laserbearbeitungskopfs 100 angeordnet sein und zumindest teilweise geneigt oder parallel zur Laserstrahlausbreitungsrichtung verlaufen. Vorzugsweise kann die Erfassungseinheit 40 auch eine Lage der Elektroden 1, 2 entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. in Laserstrahlausbreitungsrichtung erfassen (z-Richtung). Mit anderen Worten kann ein Abstand von jeder der Elektroden 1, 2 zum Laserbearbeitungskopf 100 bestimmt werden, beispielsweise um darauf basierend eine Laserleistung oder eine Fokuslage der Teilstrahlen 10a, 10b einzustellen. Die Erfassungseinheit 40 kann zur Prozessbeobachtung bzw. - überwachung, z.B. zur Pre-Prozess oder Post-Prozess Überwachung, eingerichtet sein.
Um die Positionserfassung zu verbessern, kann zusätzlich eine Beleuchtungseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Die Beleuchtungseinheit kann an der Erfassungseinheit 40 angeordnet sein, um Licht koaxial in den optischen Strahlengang der Erfassungseinheit einzukoppeln. Alternativ erfolgt die Beleuchtung der Elektroden durch die Beleuchtungseinheit unabhängig von bzw. außerhalb des Laserbearbeitungskopfs und/oder der Erfassungseinheit.
Die beiden Teilstrahlen 10a, 10b werden jeweils auf eine der zwei stabförmigen Elektroden 1, 2 gerichtet. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 können insbesondere Hairpin-Elektroden oder Wicklungssegmente einer Statorspule für einen Elektromotor sein. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 können aus Kupfer und/oder aus Aluminium sein. Die stabförmigen Elektroden 1, 2 sind in 2 parallel zueinander angeordnet, d.h. die Stirnflächen bzw. die Enden 1a, 2a der stabförmigen Elektroden 1, 2 weisen in dieselbe Richtung. In der Regel besteht ein Spalt 30 zwischen den stabförmigen Elektroden 1, 2, beispielsweise aufgrund von Isolationsmaterial 3, das die stabförmigen Elektroden 1, 2 in einem unteren Bereich umgibt, oder einer ungenauen Anordnung, oder ähnlichem. Durch die beiden Teilstrahlen 10a, 10b wird jede stabförmige Elektrode getrennt aufgeschmolzen, um ein separates Schmelzbad auf jeder stabförmigen Elektrode 1, 2 auszubilden. Aufgrund der hohen Oberflächenspannung des Elektrodenmaterials, insbesondere von Kupfer, verbinden sich die beiden separaten Schmelzbäder ab einer gewissen Größe zu einem gemeinsamen Schmelzbad, ohne wesentlich in den Spalt 30 abzufließen. Somit kann eine stoffschlüssige Verbindung bzw. ein leitfähiger Kontakt zwischen den stabförmigen Elektroden mit geringer Porenbildung und ohne Spritzer hergestellt werden.
Die Erfassungseinheit 40 ist eingerichtet, je einen Bearbeitungspunkt A, B auf jeder der Elektroden zu bestimmen, auf den der jeweilige Teilstrahl 10a, 10b gerichtet wird. Der Bearbeitungspunkt A, B kann so auf der jeweiligen Elektrode 1, 2 bestimmt werden, dass er mittig auf einer dem Laserbearbeitungskopf 100 zugewandten Oberfläche, insbesondere einer Stirnfläche, der Elektrode liegt. Das Bestimmen der Bearbeitungspunkte A und B erfolgt basierend auf der erfassten Position der jeweiligen Elektrode 1, 2.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst zudem eine Steuereinheit 90 zum Steuern der Laserbearbeitungsvorrichtung, d.h. zum Steuern von zumindest einem der folgenden Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung: dem Laserbearbeitungskopf 100, einer Laserquelle, und der Erfassungseinheit 40. Die Steuereinheit 90 und die Erfassungseinheit 40 können in einer Einheit integriert oder separat vorgesehen sein. Die Steuereinheit 90 kann Daten von dem Laserbearbeitungskopf 100 und der Erfassungseinheit 40 empfangen oder Daten an diese senden. Die Steuereinheit 90 ist insbesondere eingerichtet, ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Die Steuereinheit 90 kann mit der Erfassungseinheit 40 und/oder dem Laserbearbeitungskopf Daten austauschen (Doppelpfeil).
3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden bzw. Verschweißen zweier Elektroden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Im Schritt S1 werden die Positionen der Elektroden 1, 2 erfasst und ein Bearbeitungspunkt A, B auf jeder Elektrode 1, 2 bestimmt. Im Schritt S2 wird ein Laserstrahl 10 in zwei Teilstrahlen 10a, 10b aufgeteilt. In Schritt S3 wird jeder Teilstrahl 10a, 10b auf den jeweiligen Bearbeitungspunkt A, B der Elektroden 1, 2 gerichtet, um auf jeder Elektrode ein separates Schmelzbad auszubilden. Die separaten Schmelzbäder verbinden sich anschließend zu einem gemeinsamen Schmelzbad. Nach Erstarren bzw. Abkühlen des gemeinsamen Schmelzbads besteht ein leitfähiger Kontakt mit geringem Widerstand zwischen den beiden Elektroden.
Vorzugsweise umfasst das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 das Erfassen einer lateralen Position der beiden Elektroden 1, 2 in zumindest einer Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung. Mit anderen Worten kann die Lage und die Ausdehnung einer dem Laserbearbeitungskopf zugewandten Oberfläche für jede Elektrode bestimmt werden. In den gezeigten Beispielen handelt es sich um stabförmige Elektroden mit rechteckigem Querschnitt. Schritt S1 kann zum Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 zusätzlich Einstrahlen des Laserstrahls 10 entlang eines Messpfads und Erfassen eines von den Elektroden reflektierten Anteils des Laserstrahls umfassen. Das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 erfolgt hier basierend auf einer Intensität des entlang des Messpfads erfassten reflektierten Anteils des Laserstrahls. Optional werden die Elektroden 1, 2 in einer Positioniervorrichtung angeordnet. Die Positioniervorrichtung hat eine von den Elektroden verschiedenen Reflektivität, sodass basierend auf der Intensität des reflektierten Anteils unterschieden werden kann, ob sich der Laserstrahl auf der Positioniervorrichtung oder auf einer der Elektroden befindet.
Nach Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 können die Bearbeitungspunkte A, B auf der Oberfläche festgelegt werden. Vorteilhafterweise wird der Bearbeitungspunkt A, B mittig auf der dem Laserbearbeitungskopf 100 zugewandten Oberfläche der Elektrode 1, 2 festgelegt.
Zusätzlich werden beim Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 auch die axialen Positionen der Elektroden 1, 2 entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 60 bzw. in Laserstrahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) erfasst Mit anderen Worten kann das Erfassen der Positionen der Elektroden 1, 2 in Schritt S1 das Bestimmen eines Abstands zu der jeweiligen Elektrode 1, 2 bzw. zu dem jeweiligen Bearbeitungspunkt A, B umfassen. Basierend auf den axialen Positionen der Elektroden 1, 2, die voneinander verschieden sein können, kann eine Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b eingestellt werden.
Der Laserstrahl 10 bzw. die Teilstrahlen 10a, 10b weisen vorzugsweise eine Wellenlänge im infraroten Bereich, insbesondere von 1 µm, auf. IR Laserstrahlung koppelt zwar bei Raumtemperatur schlechter in reflektive Materialien, wie Kupfer oder Aluminium, ein als Laserstrahlung mit kürzeren Wellenlängen, z.B. im sichtbaren Bereich, sind dafür aber wesentlich preiswerter. In der schmelzflüssigen Phase ist die Absorption von IR Laserstrahlung vergleichbar zu Laserstrahlung mit kürzeren Wellenlängen.
Während des Einstrahlens der beiden Teilstrahlen 10a, 10b in Schritt S2, vorzugsweise zu Beginn des Einstrahlens, kann eine Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b verändert werden. Beispielsweise kann die Fokuslage von einer ersten Position, bei der der Teilstrahl auf der Elektrode defokussiert ist, in eine zweite Position, bei der der Teilstrahl auf der Elektrode fokussiert ist, d.h. der Fokus des Teilstrahls auf der Elektrode liegt, gefahren werden. Die Fokuslage an der ersten Position, d.h. die defokussierte Fokuslage, kann eine Fokuslage zwischen der Elektrode und dem Laserbearbeitungskopf, d.h. oberhalb der Elektrode, sein, oder eine Fokuslage innerhalb der Elektrode. Die Fokuslage der Teilstrahlen 10a, 10b kann gleich sein und gemeinsam verstellt werden. Beispielsweise kann eine schnelle Fokusfahrt die notwendige Laserleistungsdichte auf unterschiedlichen Ebenen erzeugen, um für eine bessere Einkopplung des Laserstrahls eine Oberflächentemperatur der Elektroden zu erhöhen oder um unterschiedliche Abstände der Elektroden zum Laserbearbeitungskopf 100 zu kompensieren.
Am Ende des Einstrahlens kann eine weitere Fokusfahrt erfolgen. Vorzugsweise wird am Ende des Schritts S2 die Fokuslage von zumindest einem der Teilstrahlen 10a, 10b von einer auf der jeweiligen Elektrode fokussierten Position in eine defokussierte Position geändert. Auf diese Weise kann eine Oberfläche der Schweißverbindung geglättet werden.
In 4 ist eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Bearbeitungsvorrichtung von 4 entspricht im Wesentlichen der Bearbeitungsvorrichtung aus 2, mit Ausnahme der folgenden Unterschiede. Im Gegensatz zur in 2 gezeigten Bearbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl 10 in 4 seitlich in den Bearbeitungskopf 100 eingekoppelt. Weder der in 2 gezeigte Bearbeitungskopf, noch der in 4 gezeigte Bearbeitungskopf sind jedoch auf die jeweilige Einkopplungsanordnung des Laserstrahls 10 beschränkt.
Wie in 4 gezeigt umfasst die Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Auslenkeinheit 70 zum Auslenken des Laserstrahls 10, sodass die Teilstrahlen 10a, 10b auf den Elektroden 1,2 hin und her bewegt werden können (siehe Pfeile in 4). Die Auslenkeinheit 70 kann einen 1D oder 2D Scanner umfassen. In der Regel ist allerdings ein 1D Scanner bevorzugt, da dieser kostengünstiger ist und eine lineare Auslenkung normalerweise ausreicht. Beispielsweise können die Teilstrahlen in Schritt S3 auf die jeweiligen Bearbeitungspunkte A, B gerichtet werden und anschließend auf den jeweiligen Elektroden 1, 2 um die Bearbeitungspunkte A, B linear ausgelenkt werden. Die lineare Auslenkung kann parallel zu bzw. entlang einer Kante oder Seite, insbesondere parallel zu einer Längsseite oder Längsachse, einer Oberfläche der Elektrode 1, 2 erfolgen. Die lineare Auslenkung erfolgt vorzugsweise parallel zu gegenüberliegenden Seiten oder Flächen der Elektroden bzw. senkrecht zu einer imaginären Verbindungsgeraden zwischen den beiden Elektroden 1, 2. Jede der beiden stabförmigen Elektroden weist vorzugsweise zumindest eine flache bzw. ebene Seite auf, an der sich die beiden Elektroden 1, 2 gegenüberliegen.
Die Auslenkeinheit 70 kann in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor der Fokussieroptik 60 bzw. vor der Aufteilungsoptik 50 angeordnet sein. Insbesondere kann die Auslenkeinheit 70 wie in 4 zwischen der Kollimationsoptik 20 und der Aufteilungsoptik 50 angeordnet sein, um den Laserstrahl 10 auszulenken. In diesem Fall werden die Teilstrahlen synchron bzw. parallel zueinander auf den jeweiligen Elektroden 1, 2 ausgelenkt. Die Auslenkeinheit 70 kann aber auch in Laserstrahlausbreitungsrichtung nach der Aufteilungsoptik 50, insbesondere zwischen der Aufteilungsoptik 50 und der Fokussieroptik 60 angeordnet sein. In diesem Fall kann die Auslenkeinheit 70 eingerichtet sein, die beiden Teilstrahlen 10a, 10b unabhängig voneinander auszulenken.
Vorzugsweise sind die beiden stabförmigen Elektroden 1, 2, wie in 2 und 4 gezeigt, so angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zur Laserstrahlausbreitungsrichtung bzw. zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 liegen. In diesem Fall werden die Teilstrahlen 10a, 10b stirnseitig auf die Elektroden 1, 2 gerichtet. Mit anderen Worten können die Teilstrahlen 10a, 10b auf eine Stirnseite bzw. Stirnfläche der Elektroden 1, 2 eingestrahlt werden.
Wie in 5A und 5B gezeigt, können die Längsachsen der beiden stabförmigen Elektroden 1, 2 auch senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung bzw. zur optischen Achse der Fokussieroptik 60 ausgerichtet sein. In diesem Fall können die Bearbeitungspunkte A, B auf Seitenflächen der stabförmigen Elektroden festgelegt werden, und nicht auf den Stirnflächen. In 2 und 4 sind die stabförmigen Elektroden 1, 2 parallel zueinander ausgerichtet, sodass ihre Enden 1a, 2a in dieselbe Richtung zeigen. In 5A ist eine alternative Anordnung der beiden stabförmigen Elektroden 1 und 2 gezeigt. In 5A ist eine antiparallele Anordnung der Elektroden gezeigt, bei der die Enden 1a, 2a in entgegengesetzte Richtungen zeigen. In 5B sind die stabförmigen Elektroden 1, 2 parallel zueinander angeordnet, aber die Bearbeitungspunkte A, B liegen auf Seitenflächen der stabförmigen Elektroden 1, 2.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Verfahren zum Verschweißen zweier Elektroden, insbesondere von stabförmigen Elektroden, etwa Hairpins oder Wicklungssegemente einer Statorspule, auf jeder Elektrode separat ein Teilstrahl eines Bearbeitungsstrahls eingestrahlt. Dadurch kann auf jeder Elektrode ein separates Schmelzbad ausgebildet werden. Die Schmelzbäder können sich aufgrund der Oberflächenspannung zu einem gemeinsamen Schmelzbad verbinden und so eine Schweißverbindung bzw. Schweißnaht herstellen. Auf diese Weise kann Spritzerbildung vermieden werden und eine porenfreie Schweißverbindung mit geringem Übergangswiderstand zwischen den Elektroden hergestellt werden. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig bereitgestellt werden. Insbesondere kann auf eine Auslenkeinheit oder zumindest auf einen 2D Scanner verzichtet werden. Zudem kann eine IR Laserquelle eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Verschweißen von mindestens zwei Elektroden (1, 2) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: Erfassen der Positionen der Elektroden (1, 2); Bestimmen eines Bearbeitungspunkts (A, B) auf jeder der Elektroden (1, 2) nach dem Erfassen der Elektrodenpositionen; Aufteilen des Laserstrahls (10) in mindestens zwei Teilstrahlen (10a, 10b), und Einstrahlen der Teilstrahlen (10a, 10b) jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte (A, B) der Elektroden (1, 2) und Ausbilden eines gemeinsamen Schmelzbads zum Verschweißen der Elektroden (1, 2), wobei die Positionen der Elektroden (1, 2) in Laserstrahlausbreitungsrichtung mittels optischer Kohärenztomographie erfasst werden, und eine Fokuslage zumindest eines Teilstrahls (10a, 10b) basierend auf der erfassten Position der jeweiligen Elektrode (1, 2) in Laserstrahlausbreitungsrichtung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (1, 2) stabförmige Elektroden, Hairpins oder Wicklungssegmente einer Statorwicklung sind.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (1, 2) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und/oder wobei die Elektroden (1, 2) jeweils zumindest eine flache Seite aufweisen und so angeordnet sind, dass die flachen Seiten einander gegenüber liegen.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Teilstrahlen (10a, 10b) stirnseitig auf die Enden (1a, 2a) der Elektroden (1, 2) eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Positionen der Elektroden (1, 2) Positionen senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung umfassen und das Erfassen der Positionen umfasst: - Einstrahlen des Laserstrahls (10) auf die Elektroden (1, 2) entlang eines Messpfads; - Erfassen eines von den Elektroden reflektierten Anteils des Laserstrahls entlang des Messpfads; und - Bestimmen der Positionen der Elektroden (1, 2) basierend auf dem entlang des Messpfads erfassten reflektierten Anteil.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Positionen der Elektroden (1, 2) senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung mittels optischer Kohärenztomographie und/oder mittels einer Kamera und/oder mittels Bilderkennung und/oder mittels Photodioden erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei während des Einstrahlens der Teilstrahlen (10a, 10b) die Teilstrahlen jeweils auf einer der Elektroden (1, 2) bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (10) und/oder die Teilstrahlen (10a, 10b) während des Einstrahlens der Teilstrahlen von einer Auslenkeinheit (70) linear ausgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei während des Einstrahlens der Teilstrahlen (10a, 10b) in einem ersten Schritt zumindest einer der Teilstrahlen defokussiert auf die jeweilige Elektrode (1, 2) gerichtet wird und in einem nachfolgenden zweiten Schritt die Fokuslage des zumindest einen Teilstrahls dem Bearbeitungspunkt (A, B) auf der jeweiligen Elektroden (1, 2) angenähert wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (1, 2) aus Kupfer und/oder Aluminium bestehen oder Kupfer und/oder Aluminium enthalten.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eine Wellenlänge des Laserstrahls (10) im infraroten Bereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 1030 nm und 1070 nm, oder im sichtbaren grünen Bereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 505 nm und 570 nm, vorzugsweise bei 515 nm, und/oder im sichtbaren blauen Bereich, insbesondere in einem Bereich von 405 nm bis 500 nm oder in einem Bereich zwischen 440 nm und 460 nm, vorzugsweise bei 450 nm, liegt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Aufteilen des Laserstrahls (10) in die mindestens zwei Teilstrahlen (10a, 10b) durch eine Aufteilungsoptik (40) erfolgt.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Verschweißen von mindestens zwei Elektroden (1, 2) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: eine Erfassungseinheit (40) zum Bestimmen eines Bearbeitungspunkts (A, B) auf jeder der Elektroden (1, 2); einen Laserbearbeitungskopf (100) zum Einstrahlen von mindestens zwei Teilstrahlen (10a, 10b) jeweils auf einen der Bearbeitungspunkte (A, B) der mindestens zwei Elektroden (1, 2), wobei der Laserbearbeitungskopf eine Aufteilungsoptik (30) zum Aufteilen des Laserstrahls (10) in die mindestens zwei Teilstrahlen (10a, 10b) umfasst; und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche durchzuführen.