DE102009021788A1

DE102009021788A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102009021788A1
Application number: DE102009021788A
Authority: DE
Inventors: Markus Löhr
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Laserschweißverfahren für kreisförmige Schweißnähte anzugeben, dass besonders zum Verschweißen von Präzisionsteilen mit hohen Anforderungen an Dichtheit der Naht und die Genauigkeit der relativen Ausrichtung der verschweißten Teile zueinander geeignet ist, da es die im Stand der Technik auftretende ungleichmäßige Erhitzung der Bauteile vermeidet, und das außerdem wesentlich verkürzte Prozesszeiten ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von n, mindestens jedoch zwei Laserstrahlen zum Einsatz kommen, die in regelmäßigen Winkelabständen entlang der zu verschweißenden Stoßkante der Werkstücke angeordnet werden. Die zu verschweißenden Bauteile werden nun sehr schnell, und zwar mindestens um einen Winkel von 360°/n während einer Laserpulsperiode T, relativ zu den Laserstrahlen rotiert, so dass eine komplette kreisförmige Schweißnaht bestehend aus n Abschnitten entsteht. Dadurch verkürzt sich Prozessdauer und es treten keine Verformungen durch ungleichmäßige Erhitzung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier metallischer Teile mit Hilfe von Laserstrahlung. Es ist besonders geeignet zur Fertigung kleiner Präzisionsteile mit hohen Anforderungen an Dichtheit der Schweißnaht und Genauigkeit der Ausrichtung der Teile zueinander.
Stand der Technik
In der US 5,451,742 ist ein herkömmliches Verfahren zum Verschweißen zweier Teile beschrieben. Ein Laser wird entlang der Stoßkante der beiden Teile geführt. Der Laser wird gepulst betrieben und erzeugt entlang der Stoßkante einzelne, sich überlappende Schweißpunkte. Der Nachteil dieser Methode ist die lange Prozessdauer. Außerdem können sich die Teile durch die ungleichmäßige Erhitzung verziehen, was vor allem für Präzisionsanwendungen von Nachteil ist.
Die EP 1 414 612 A1 beschreibt ein Verfahren bei dem die zu verschweißenden Teile sehr schnell relativ zu einem Laserstrahl bewegt werden. Dadurch entsteht eine langgezogene Schweißnaht. Die Prozesszeit wird dadurch zwar stark verkürzt, aber auch hier findet eine ungleichmäßige Aufheizung statt.
In der JP 2003-094190 wird das Problem der ungleichmäßigen Erhitzung und dem damit verbundenen Verziehen der Teile eines Spindelmotors bei einer kreisförmigen Schweißnaht dadurch umgangen, dass zwei oder mehr gepulste Laserstrahlen in regelmäßigen Winkelabständen an der Stoßkante der zu verschweißenden Teile entlang geführt werden, wie in 3 dargestellt ist. Dabei entsteht eine Schweißnaht, die aus einzelnen von jeweils einem Laserpuls erzeugten Schweißpunkten aufgebaut ist. Die Prozesszeit dieses Verfahrens ist relativ lang.
Nachteile des Stands der Technik und Lösung durch die Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein neuartiges Laserschweißverfahren zur Herstellung von kreisförmigen Schweißnähten anzugeben, das besonders zum Verschweißen von Präzisionsteilen mit hohen Anforderungen an Dichtheit der Naht und die Genauigkeit der relativen Ausrichtung der verschweißten Teile zueinander geeignet ist, da es die im Stand der Technik auftretende ungleichmäßige Erhitzung der Bauteile vermeidet, und das außerdem wesentlich verkürzte Prozesszeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von n, mindestens jedoch zwei Laserstrahlen zum Einsatz kommen, die in regelmäßigen Winkelabständen entlang einer kreisförmigen Stoßkante zweier zu verschweißender Bauteile angeordnet werden. Die zu verschweißenden Bauteile werden nun sehr schnell, und zwar mindestens um einen Winkel von 360°/n während einer Laserpulsperiode T, relativ zu den Laserstrahlen rotiert, und zwar um den Mittelpunkt der kreisförmigen Stoßkante, so dass eine durchgehende kreisförmige Schweißnaht bestehend aus n Abschnitten entsteht.
Dadurch verkürzt sich Prozessdauer und es treten keine Verformungen durch ungleichmäßige Erhitzung auf.
Vorzugsweise kann durch gezielte Überlappung der Abschnitte der Schweißnaht eine Energiemodulation an bestimmten oder allen Positionen entlang der Schweißnaht erzielt werden. Durch teilweise Überlappung der Abschnitte der Schweißnaht kann beispielsweise die eventuell geringere Laserleistung zu Beginn und Ende eines jeweiligen Laserpulses kompensiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung überlappen sich die Abschnitte der Schweißnaht komplett. Dadurch wird die Schweißnaht weiter in ihrer Dichtheit verbessert.
Es ist auch denkbar den Schweißprozess über eine Anzahl von z Laserpulsen zu wiederholen, so dass jeder Abschnitt einer Schweißnaht mehrmals (z-mal) von einem Laserstrahl überstrichen wird. So wird die Festigkeit und Dichtheit der Schweißnaht weiter verbessert. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die jeweiligen Laserpulse eine unterschiedliche Leistung aufweisen. So kann an jedem Punkt der Schweißnaht eine Modulation des Energieeintrags erreicht werden, wodurch beispielsweise gezielt Metallspritzer vermieden, und eine verbesserte Dichtheit der Schweißnaht erreicht werden können. Dieses Verfahren ist damit allgemein vorteilhaft für schwer zu schweißende Materialien.
Statt z Abschnitte mit einem Winkel 360°/n mit z Pulsen unterschiedlicher Leistung zu schweißen, kann in einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung auch mittels „Pulse-Shaping” ein einziger Puls verwendet werden, der in z Stufen (jeweils Dauer T/z) in seiner Leistung moduliert wird.
Allgemein ist jede Kombination von einer Anzahl n von Laserstrahlen und einer Anzahl z von Laserpulsen denkbar. Dabei kann ein einzelner Laserpuls in seinem Energieverlauf im Wesentlichen konstant sein oder moduliert werden.
Abhängig von der Anwendung kann es weiterhin vorteilhaft sein, das Verfahren ganz oder zeitweise unter Schutzgas durchzuführen.
Das Verfahren eignet sich besonders für die Verbindung von Teilen eines Spindelmotors für Festplattenlaufwerke.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt im Schnitt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Teilen eines Spindelmotors.
2a–c stellen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels mit drei Laserstrahlen dar:
2a zeigt die Ausgangsposition,
2b zeigt die Anordnung während des Schweißvorgangs,
2c zeigt die fertige Schweißnaht mit Überlappbereichen.
3 stellt ein Laserschweißverfahren nach dem Stand der Technik dar.
4a zeigt schematisch den Verlauf der Abschnitte der Schweißnaht bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4b zeigt schematisch den Temperaturverlauf und die Laserleistung an einem beliebigen Punkt P auf einer nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugten Schweißnaht.
Ausführungsbeispiele
Am Beispiel einer mit einer Nabe zu verschweißenden Welle für einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks soll die Erfindung näher beschrieben werden. In 1 ist schematisch ein Schnitt durch eine entsprechende Anordnung dargestellt. 2 zeigt schematisch eine Aufsicht der entsprechenden Bauteile.
Eine Welle 10, die drehbar in einer Laserbuchse 14 gelagert ist, soll mit einem Nabenbauteil 12 verschweißt werden. Das Nabenbauteil trägt weiterhin ein Rotorbauteil 16, das später die Magnetspeicherplatten (nicht dargestellt) aufnimmt. Die Welle 10 weist am oberen Ende eine axiale Bohrung 15 auf. Die Welle ist 10 ist an ihrem oberen Ende durch eine Presspassung mit dem Nabenbauteil 12 verbunden. Durch das zusätzliche Verschweißen der Stoßkante von Welle 10 und Nabenbauteil 12 soll die Verbindung verstärkt und abgedichtet werden. In dieser speziellen Anwendung sind die Anforderungen an die Dichtheit der Schweißnaht sehr hoch, da kein Lagerfluid durch die Schweißnaht nach außen dringen darf, was die Magnetplatten verschmutzen würde. Auch dürfen beim Schweißvorgang keine Partikel entstehen.
Wie in 2a dargestellt, ist die Stoßkante 24 und spätere Schweißnaht zwischen Welle 10 und Nabenbauteil 12 kreisförmig. Der Strahl 20 eines Lasers wird durch eine geeignete Optik 18 in mehrere (in 1 in zwei, in 2a in drei) Laserstrahlen 20', 20'', 20''' gleicher Energie aufgeteilt. Die Laserstrahlen 20', 20'', 20''' werden in regelmäßigen Winkelabständen, entsprechend 360°/n, wobei n die Anzahl der Laserstrahlen ist, entlang des Umfangs 24 der Stoßkante etwa senkrecht zu den Werkstücken platziert. Der Laser wird gepulst betrieben, die Laserpulsdauern T betragen typischerweise wenige Millisekunden. Neben einer Laserstrahl-Aufteilung durch eine refraktive Optik ist auch eine Austeilung mittels Spiegeln oder Prismen möglich. Alternativ können auch mehrere Laser eingesetzt werden, die synchron betrieben werden.
Während einer Laserpulsperiode werden die zu verschweißenden Bauteile 10 und 12, die sich in einer entsprechend gelagerten Halterung (nicht dargestellt) befinden, um ihre Mittelachse 30 relativ zu den Laserstrahlen 20', 20'', 20''' rotiert. Der Rotationswinkel während der Dauer eines Laserpulses T entspricht dabei erfindungsgemäß mindestens 360°/n, wobei n die Anzahl der Laserstrahlen 20', 20'', 20''' ist.
Der Ablauf des Schweißvorgangs ist in den 2a–c schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel mit drei Laserstrahlen 20', 20'', 20''' rotieren die Bauteile 10, 12 also um mindestens 120°. Damit wird der komplette Umfang der Stoßkante 24 abgefahren und durch eine Schweißnaht bestehend aus mehreren Abschnitten 22', 22'', 22''' verbunden die jeweils dem zurückgelegten Weg der Laserstrahlen 20', 20'', 20''' entsprechen. Dies ist schematisch in 2b (während des Schweißens) und 2c (nach Beendigung des Schweißvorgangs) dargestellt. Alternativ können die Bauteile 10, 12 auch feststehen, währen sich die Laserstrahlen 20', 20'', 20''' während der Dauer eines Laserpulses bewegen.
Vorzugsweise rotieren die Bauteile 10, 12 relativ zu den Laserstrahlen 20', 20'', 20''' um etwas mehr als 360°/n, wie in 2c dargestellt, so dass Überlappungsbereiche 26 der einzelnen Abschnitte 22', 22'', 22''' der Schweißnaht entstehen. Durch die teilweise Überlappung der Abschnitte 22', 22'', 22''' kann beispielsweise die ansteigende bzw. abfallende Laserleistung zu Beginn und Ende eines jeweiligen Laserpulses kompensiert werden. Außerdem wird die Schweißnaht weiter in ihrer Dichtheit verbessert.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn jeder Punkt entlang der Schweißnaht 22 im Verlauf des Schweißvorgangs einen modulierten Energieeintrag erfährt. Dies wird in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung dadurch erreicht, dass der Schweißvorgang mehrmals hintereinander durchgeführt wird, also mehrere Laserpulse eingesetzt werden. Durch Anpassung der Leistung der jeweiligen Laserpulse kann in Verbindung mit Überlappung der einzelnen Abschnitte 22', 22'', 22''' der Schweißnaht eine kontrollierte Aufheizung, Aufschmelzung und Abkühlung der Bauteile entlang der Schweißnaht erreicht werden. Da die einzelnen Laserpulse jedoch eine konstante Leistung haben und nur die Gesamtleistung der einzelnen Pulse variiert werden muss, kann auf ein aufwendiges Formen („Pulse-Shaping”) der einzelnen Pulse verzichtet werden. Dieses Prinzip ist am Beispiel von drei Laserstrahlen 20', 20'', 20''' (n = 3) und eines Schweißprozesses mit drei Laserpulsen a, b und c (z = 3) in 4a und 4b dargestellt. Die Bauteile 10, 12 werden dabei insgesamt um einen Winkel von 360°/n·z = 360° um die Rotationsachse 30 rotiert, so dass jeder Punkt auf der Schweißnaht von drei Laserpulsen erreicht wird. Jeder Abschnitt (22' strichliert dargestellt, 22'' punktiert dargestellt, 22''' durchgezogen dargestellt) der Schweißnaht kann demnach in drei Unterabschnitte 22'a, 22'b, 22'c; 22'a', 22''b, 22''c; 22'''a, 22'''b, 22'''c unterteilt werden, die den jeweiligen Laserpulsen a, b und c entsprechen.
Der Laser wird nun so eingestellt, dass die drei Pulse jeweils unterschiedliche Leistungen liefern. 4 zeigt eine entsprechende Messkurve 40 des zeitlichen Verlaufs der Laserleistung an einem beliebigen Punkt P auf der Schweißnaht. Die Messkurven in 4b beziehen sich auf einen beliebigen Punkt P auf der Schweißnaht und stellen die Laserpulsleistungen der einzelnen Laserpulse a, b, c an diesem Punkt dar. Man erkennt, dass in diesem Beispiel der erste Laserpuls a eine vergleichsweise geringe Leistung, der zweite Laserpuls b eine hohe Leistung und der dritte Laserpuls c wieder eine geringere Leistung besitzt. Dadurch ergibt sich am Punkt P ein Temperaturverlauf, der in etwa der schematischen Temperaturkurve 44 entspricht. Ein solcher Temperaturverlauf hat den Vorteil, dass durch das langsame Aufheizen und Abkühlen der Schweißstelle Metallspritzer vermieden werden und eine dichtere und homogenere Schweißnaht erreicht werden kann.
Ein sehr ähnlicher Effekt wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel beschrieben lässt sich auch mit einem einzelnen Laserpuls erreichen, wenn dieser durch eine geeignete Ansteuerung so moduliert wird, dass er drei Phasen mit unterschiedlicher Energie aufweist. Die zu verschweißenden Bauteile werden während der Pulsdauer um 360° rotiert. Der Energieeintrag und die Temperatur an einem beliebigen Punkt P entlang der Schweißnaht hat in diesem Beispiel einen Verlauf, der im Wesentlichen der 4b entspricht. Die Prozesszeit verkürzt sich in diesem Beispiel auf die Dauer eines Pulses.

10: Welle
12: Nabe
14: Lagerbuchse
15: Bohrung
16: Rotorbauteil
18: Optik
20: Laserstrahle
20', 20'', 20''': Laserstrahlen
22: Schweißnaht
22' 22'', 22''': Abschnitte der Schweißnaht
22'a, 22'b, 22'c; 22''a, 22''b, 22''c; 22'''a, 22'''b, 22'''c: Abschnitte der Schweißnaht
24: Umfang der Stoßkante
26: Überlappbereich
30: Rotationsachse
40: Verlauf der Laserleistung am Punkt P
44: Verlauf Temperatur am Punkt P
a: erster Laserpuls
b: zweiter Laserpuls
c: dritter Laserpuls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5451742 [0002]
- EP 1414612 A1 [0003]
- JP 2003-094190 [0004]

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen (10, 12), bei dem eine Anzahl von n, mindestens jedoch zwei synchron gepulste Laserstrahlen (20', 20'', 20''') zum Einsatz kommen, die in regelmäßigen Winkelabständen entlang einer kreisförmigen, zu verschweißenden Stoßkante (24) der Bauteile (10, 12) angeordnet sind und wobei die Laserstrahlen (20', 20'', 20''') und die zu verschweißenden Bauteile (10, 12) relativ zueinander gedreht werden und dass der gesamte Schweißprozess insgesamt mindestens eine Laserpulsdauer T andauert, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bauteile (10, 12) während einer Laserpulsdauer T um einen Winkel von mindestens 360°/n relativ zu den Laserstrahlen gedreht werden, so dass eine komplette kreisförmige Schweißnaht bestehend aus n Abschnitten (22', 22'', 22''') gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bauteile (10, 12) während einer Laserpulsdauer T um einen Winkel größer als 360°/n relativ zu den Laserstrahlen (20', 20'', 20''') gedreht werden, so dass n Überlappbereiche (26) entlang der Schweißnaht entstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang mehrere aufeinander folgende Laserpulsperioden andauert wobei die Schweißnaht mehrfach von der Laserstrahlung überstrichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander folgenden Laserpulse (a, b, c) unterschiedliche Leistungen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang eine einzelne Laserpulsperiode lang andauert, wobei der Laserpuls so moduliert wird, dass seine Leistung zeitlich variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess zumindest zeitweise unter Schutzgas durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Verschweißen von Teilen eines Spindelmotors zum Antrieb von Magnetspeicherplatten verwendet wird.