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Die Erfindung betnfft eine Vornchtung, insbesondere einen Laser-Hybrid-SchweIsskopf, für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess, eine Gasdüse für einen Schweissbrenner sowie ein Verfahren für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess, wie sie in den Ansprüchen 1,12 und 19 beschrieben sind
Es sind bereits Vorrichtungen, insbesondere Laser-Hybnd-Schweissköpfe, für einen Laser-
Hybrid-Schweissprozess bekannt, bei denen an zumindest einer Montageplatte ein Laser bzw. ein optische Fokussiereinheit und ein Schweissbrenner angeordnet sind Dem Laser bzw. der optischen
Fokussiereinheit Ist dabei ein Crossjet zugeordnet, durch den die entstehenden Schweissspntzer während des Schweissprozesses von der Optik des Lasers bzw. der optischen Fokussiereinheit ferngehalten werden.
Bei einem Schweissprozess mit einer derartigen Vorrichtung wird durch den voreilenden Laser bzw der optischen Fokussiereinheit die Oberfläche des Werkstückes erwarmt oder durch entsprechende Fokusslerung des Fokuspunktes unterhalb der Oberflache des Werk- stückes bereits ein Aufschmelzen bzw. eine Einbrandtiefe durch den Laserstrahl erreicht, wobei durch den nachfolgenden Lichtbogenschweissprozess eine weitere Vergrösserung der Einbrandtiefe sowie eine Bildung einer Schweissraupe durch Zufuhr eines Schweissdrahtes bzw. eines Zusatz- materials durchgeführt wird. Nachteilig ist hierbei, dass durch die grossen Abstände der einzelnen Baugruppen zueinander die Stabilitat des Schweiss prozesses nicht gewährleistet ist.
Aus der DE 198 02 305 A 1 ist ein Laserschweisskopf für ein Laserschweissverfahren bekannt, bel dem ein Laser auf eine Oberfläche des Werkstückes gerichtet ist, wobei ein Schweissdraht über eine Drahtzuführung In einem Winkel der kleiner als 250 gegenüber der Längsmittelachse des Laserstrahis Ist zugeführt wird. Dabei wird ein Schutzgas zur Bildung einer Schutzgasatmosphare über dem Laser zugefuhrt. Damit der Schweissdraht aufgeschmolzen wird, wird dieser In das Schmelzbad eingetaucht.
Weiters ist in der WO 98/43775 A 1 wiederum ein Laserschweisskopf für ein Laserschweissver- fahren gezeigt, bei dem zum Verschweissen eines Werkstückes lediglich ein Laser eingesetzt wird, wobei über den Laser die Abschmelzung des Schweissdrahtes erfolgt. Bei diesem Laserschweisskopf wird der Schweissdraht winkelig über eine Drahtzufuhrung In den Bereich des Schweissprozesses, insbesondere in den Bereich des Laserstrahis, zugeführt. Um eine Schutzgasatmosphäre aufbauen zu konnen, wird über eine Gaszuführung, die an der gegenüberliegenden Seite zur Drahtzuführung angeordnet ist, das Schutzgas zugeführt.
In der DE 198 03 734 A1 1 Ist eine Vorrichtung zum Laserschweissen gezeigt, bei dem das Zusatzmaterial, insbesondere der Schweissdraht, winkelig zum Laserstrahl über eine Drahtzuführung zugeführt wird. Die Drahtzführung weist dabei ein Andrückelement auf, weiches im Endbereich eine Ausnehmung aufweist, durch die der Laserstrahl hindurch strahlen kann. Die Zuführung eines Schutzgases erfolgt bel dieser Vorrichtung über die Drahtzuführung, insbesondere über die Bohrung für den Schweissdraht In dem Andruckelement. Bei einem Schweissprozess wird der Schweissdraht direkt vom Laserstrahl aufgeschmolzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, insbesondere einen Laser-HybridSchweisskopf, für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess, eine Gasdüse für einen Schweissbrenner sowie ein Verfahren für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess zu schaffen, bei der eine Verbesserung der Schweissqualität und ein stabiler Schweissprozess erreicht wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale im Kennzeichentell des Anspruches 1 gelöst Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die spezielle Anordnung der einzelnen Baugruppen zueinander erreicht wird, dass sich das Schmelzbad durch den Laserstrahl mit dem Schmelzbad durch den Lichtbogenschweissprozess zu einem gemeinsamen Schmelzbad vereint und somit die Stabilität der Anordnung und die Einbrandtiefe des Schweissprozesses erhöht werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt dann, dass durch den sehr kleinen Abstand zwischen dem Schweissdrahtende und der Laserstrahlung sichergestellt wird, dass keine Abkühlung des durch die Laserstrahlung verursachten voreilenden Schmelzbades zustande kommt und somit die Prozessstabilität gesteigert werden kann Durch eine derartige Anordnung der einzelnen Baugruppen zueinander wird auch in vorteilhafter Weise erreicht, dass für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess die Leistungen der benötigten Baugruppen gering gehalten werden kann und somit ein hohe Kosteneinsparung erzielt wird sowie ein LaserHybrid-Schweissprozess bei Werkstucken mit geringer Werkstückdicke, wie dies bei Aluminium In der Autoindustne der Fall ist, möglich wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 beschneben. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind aus der Beschreibung zu entnehmen.
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Weiters wird die Aufgabe der Erfindung durch die Ausgestaltung im Kennzeichenteil des An- spruches 12 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die spezielle Ausbildung der Gasdüse der
Laser-Hybrid-Schweisskopf sehr nah an die Oberfläche des Werkstückes positioniert werden kann, wodurch ein Laser-Hybrid-Schweissprozess mit geringer Leistung durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Laserstrahl durch Anordnung einer Ausnehmung in der Gasdü- se in dem Bereich des Gehäuses der Gasdüse eindringen kann und somit ein sehr geringer Abstand zwischen dem Schweissdrahtende bzw. dem Lichtbogen und der Laserstrahlung einstell- bar ist.
Ein weiterer Vorteil liegt auch darin, dass durch das Eindringen des Laserstrahls in das Gehäuse der Gasdüse eine wesentliche Verringerung der Schweissspritzer in Richtung des Lasers bzw. der optischen Fokussiereinheit erzielt wird und somit die Schweissdauer eines Schweissprozesses erhöht werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 13 bis 18 beschrieben. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind aus der Beschreibung zu entnehmen.
Weiters wird die Aufgabe der Erfindung durch die Massnahmen im Kennzeichenteil des Anspruches 19 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei, dass die durch die Anordnungen der einzelnen Baugruppen und der Ausbildung der Gasdüse nunmehr die Möglichkeit geschaffen wird, den Abstand zwischen dem Schweissdrahtende bzw. dem Lichtbogen und dem Laserstrahl sehr gering zu halten, sodass eine wesentliche Erhöhung der Schweissqualitàt erzielt werden und gleichzeitig die Schweissgeschwindigkeit gesteigert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist im Anspruch 20 beschrieben, der sich daraus ergebende Vorteil ist der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird anschliessend durch Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen :
Fig. 1 einen Aufbau eines erfindungsgemässen Laser-Hybrid-Schweisskopfes. in Frontan- sicht und vereinfachter, schematischer Darstellung ;
Fig. 2 einen vergrösserten Teilausschnitt des erfindungsgemässen Laser-Hybrid-Schweiss- kopfes mit einer erfindungsgemässen Gasdüse, in Frontansicht und vereinfachter, schematischer Darstellung ;
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines vergrösserten Teilausschnittes des erfindungs- gemässen Laser-Hybrid-Schweisskopfes mit einer anderen Ausbildung der erfindung- gemässen Gasdüse, in Frontansicht und vereinfachter, schematischer Darstellung.
Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile der einzelnen Ausführungsbeispiele mit gleichen Bezugszeichen versehen werden. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen angegebenen Lageangaben sind bei einer Lageänderung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen.
In den Fig. 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung, insbesondere eines LaserHybrid-Schweisskopfes 1, und einer speziell ausgebildeten Gasdüse 2 für einen Laser-HybridSchweissprozess, insbesondere einen kombinierten Laser- und Lichtbogen Schweissprozess, gezeigt.
Bei diesem Laser-Hybrid-Schweisskopf 1 werden handelsübliche, aus dem Stand der Technik bekannte Elemente bzw. Baugruppen in spezieller Kombination zueinander eingesetzt. Dabei sind an zumindest einer Montageplatte 3, welche mit einem Roboter, insbesondere einem Roboterarm 4, wie schematisch angedeutet, verbunden wird, diese Elemente bzw. Baugruppen angeordnet Die Elemente bzw. Baugruppen können durch einen Laser 5 oder eine optische Fokussiereinheit fur den Laser 5 und einen Schweissbrenner 6 gebildet sein. Ein weiteres Element bzw. eine weitere Baugruppe kann durch eine dem Laser 5 bzw. der optischen Fokussiereinheit zugeordnete Querströmungsvorrichtung 7, dem Fachmann als Crossjet bekannt, gebildet sein, wobei diesem wiederum eine Ableitvorrichtung 8 zugeordnet ist.
Der Laser 5 bzw. die optische Fokussiereinheit weist einen Fokusabstand 9, insbesondere eine Brennweite des Lasers 5 bzw. der optischen Fokussiereinheit, von einer Definitionsebene 10 oder einer Oberfläche 11 eines Werkstückes 12 zwischen 51 und 400 mm auf, d. h, dass die Definitionsebene 10 durch diesen Fokusabstand 9 bzw. durch die Brennweite gebildet wird und dabei die Oberfläche 11 des Werkstückes 12 identisch mit dieser ausgerichtet wird oder ein den Fokusabstand 9 bildender Fokussierpunkt 13 ausserhalb oder innerhalb des Werkstückes 12 ausgebildet wird. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 ist eine Anordnung gezeigt, bei dem der Fokussierpunkt 13 unter der Oberflache 11 des Werkstückes 12, also der Fokussierpunkt 13 im Werkstück 12, angeordnet bzw. ausgerichtet wird.
Damit ein Schweissprozess mit sehr hoher Schweissqualität erzielt werden kann, sind die weite-
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ren Anordnungen der weiteren Elemente bzw. Baugruppen zueinander sehr wesentlich. Dabei ist der Schweissbrenner 6, insbesondere eine in Längsrichtung des Schweissbrenners 6 verlaufende
Längsmittelachse 14, in einem Winkel 15 zwischen 25 und 35 zu dem Laser 5 bzw. der optischen
Fokussiereinheit, insbesondere zu einer im Zentrum einer Laserstrahlung 16 verlaufenden Laserachse 17, angeordnet, wobei die Laserachse 17 einen Winkel 18 zwischen 80 und 100 , bevorzugt 900, zu der Definitionsebene 6 und/oder der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 aufweist.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 ist die Darstellung des Werkstückes 12 in horizontaler Lage ersichtlich. Wird jedoch bei einem Schweissprozess die Lage des Werkstückes 12, insbesondere die der Oberfläche 11, verändert, so ist es erforderlich, dass der
Laser 5, insbesondere die Laserachse 17, derartig zur Oberfläche 11 ausgerichtet wird, dass der Winkel 18 zwischen 800 und 1000, bevorzugt jedoch 90 , beträgt. Dies wird in einfacher Form durch eine entsprechende Programmierung der Schweissbahn des Roboters, insbesondere des Roboterarms 4, erreicht, sodass die einzelnen Baugruppen zueinander immer die gleichen Lagen, Abstände und Winkel ausbilden. Damit kann gesagt werden, dass die Laserachse 17 zu der Oberflache 11 des Werkstückes 12 immer den gleichen voreingestellten Winkel 18 ausbildet.
Weiters beträgt ein Abstand 19 des von dem Laser 5 bzw. der optischen Fokussiereinheit abgegebenen Laserstrahls 16, insbesondere zu der im Laserstrahl 16 zentrisch verlaufenden Laserachse 17, und einem aus dem Schweissbrenner 6 bzw. aus einem Kontaktrohr 20 austretenden Schweissdraht 21 bzw. einer Elektrode, insbesondere einem Schweissdrahtende 22, zwischen 0 und 4 mm. Damit wird erreicht, dass bei einem Schweissprozess ein gemeinsames Schweissbad und ein gemeinsames Schweiss-Plasma, welche jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt sind, geschaffen wird, d. h., dass ein Laserstrahl 16 und ein Lichtbogen zeitgleich in einer Schweisszone bzw. in ein Schmelzbad mit gemeinsamen Schweiss-Plasma, also einer Schutzgashülle, einwirken, wobei sich die beiden Prozesse gegenseitig beeinflussen bzw. unterstützen.
Wird der Abstand 19 zwischen dem Schweissdrahtende und der Laserachse 17 zu gross gewählt, so kann es nämlich passieren, dass der Laserstrahl 16 ein eigenes Schweissbad bzw. Schmelzbad bildet, welches für den nachfolgenden Llchtbogenschweissprozess wieder abkühlt und somit eine entsprechende Einbrandtiefe nicht mehr erzielt werden kann, wobei aufgrund des grossen Abstandes zwischen dem Lichtbogen und dem Laserstrahl dieser nicht in das Schweiss-Plasma des Lichtbogenschweissverfahrens hineinstrahlt.
Selbstverständlich ist es möglich, dass der Abstand 19 nicht nur auf das Schweissdrahtende 22 bezogen wird, sondern dass dieser Abstand 19 auf einen zwischen dem Schweissdraht 21 und dem Werkstück 12 gezündeten Lichtbogen übertragen wird, da für den Schweissprozess dieser sehr wesentlich Ist, d. h., dass der Abstand 19 zwischen dem Lichtbogen und dem Laserstrahl 16, insbesondere der Laserachse 17, nicht über 4 mm hinaus steigen darf.
Um jedoch den Abstand 19 auf das Schweissdrahtende 22 beziehen zu können, weist der Schweissdraht 21 eine Schweissdrahtüberstandslänge 23, im folgenden Stickoutlänge genannt, zwischen 10 und 14 mm auf, d. h., dass der Schweissdraht 21 vom Ende des Kontaktrohrs 20, also vom Austritt des Schweissdrahtes 21 aus dem Kontaktrohr 20, bis zum Schweissdrahtende 22 eine Länge, insbesondere die Stickoutlänge 23, zwischen 10 und 14 mm aufweist. Die Einstellung der Stickoutlänge 23 kann durch die unterschiedlichsten bekannten Verfahren von Hand oder automatisch durchgeführt werden.
Da die Laserstrahlung 16 durch eine gebündelte Lichtstrahlung In den verschiedensten Wellenlängen gebildet wird, weist diese von dem Laser 5 bis zu dem Fokussierpunkt 13 eine kegelige bzw. eine sich von dem Laser 5 oder der optischen Fokussiereinheit zum Fokusslerpunkt 13 sich verjüngende Form auf, wobei die grösstmögliche Leistung bzw. Energiedichte des Lasers 5 im Fokussierpunkt 13 erreicht wird Damit diese Ausbildung bzw. die Abstände oder Winkel der Laserstrahlung 16 im Verhältnis zu den weiteren Baugruppen annähernd gleich beibehalten wird, weist der Laser 5 oder die optische Fokussiereinheit einen Objektivdurchmesser von 1 Zoll oder 2 Zoll auf.
Damit die bei einem Schweissprozess auftretende Schweissspritzer von der Optik des Lasers 5 oder optischen Fokussiereinheit ferngehalten werden, ist der Crossjet 7 in einem Abstand ZWI- schen 40 und 390 mm von der Definitionsebene 10 oder der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 angeordnet, wobei dieser zwischen dem Laser 5 oder der optischen Fokussiereinheit angeordnet ist. Dieser Crossjet 7 ist derartig ausgebildet, dass von diesem ein Querluftstrom 24, im folgenden Crossjetstrahl genannt, insbesondere ein Luftstrom, wie schematisch mit strichpunktierten Linien in
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Fig. 1 angedeutet, erzeugt wird.
Der Crossjet 7, insbesondere der Crossjetstrahl 24, weist eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen 100 und 600 m/s und/odereinen Crossjetdruck zwischen 2, 5 und 6 bar auf. Der Crossjet 7 kann dabei eine Überschallströmung erzeugen, wobei die Düse als sogenannte Lavaldüse ausgebildet ist.
Dabei weist der Crossjet 7, insbesondere die Crossjetstrahl 24, einen Winkel 25 von bevorzugt 90 zu der Laserstrahlung 16 bzw. der Laserachse 17 auf. Bevorzugt ist der Crossjet 7 drehbar ausgebildet bzw. an der Montageplatte 3 gelagert, sodass der Crossjetstrahl 24 in einem Winkel 26 von +1- 200 zu einer im Zentrum des Crossjetstrahls 24 angeordneten Crossjetachse 27 verstellbar ist.
Damit der Crossjetstrahl 24 aus dem Bereich des Schweissprozesses abgelenkt werden kann, ist die Ableitvornchtung 8 dem Crossjetstrahl 24 zugeordnet, d. h., dass der erzeugte Crossjetstrahl 24 in die Ableltvorrichtung 8 einströmt und somit die vom Crossjetstrahl 24 aufgenommenen Schweissspntzer, insbesondere die in Richtung des Lasers 5 oder optischen Fokussiereinheit geschleuderten Materialien, über die Ableitvorrichtung 8 aus dem Bereich des Laser-Hybrid-Schweisskopfes 1 geleitet werden. Die Ausbildung der Ableitvorrichtung 8 kann dabei beliebig erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Abieitvorrichtung 8 mit einem Absaugschlauch verbunden wird, sodass die aufgenommenen Matenalien gesammelt werden können.
Die Anordnung des Crossjets 7 in einem bestimmten Abstand zur Definitionsebene 10 bzw. zur Oberfläche 11 des Werkstückes 12 ist insofern wichtig, da bei dem Schweissprozess, insbesondere bei einem Lichtbogenschweissprozess mit einer Schutzgasatmosphäre 28, wie schematisch dargestellt, eingesetzt wird und somit bei zu geringen Abstand diese Schutzgasatmosphäre 28 durch einen entstehenden Unterdruck in Richtung des Crossjets 7 gezogen wird. Dadurch könnte der Lichtbogenschweissprozess nicht mehr in der notwendigen Schutzgasatmosphäre 28 durchgeführt werden.
Die Anordnung des Crossjets 7 ist für die Anwendung des Laser-Hybrid-Schweisskopfes 1 sehr wichtig, da die während eines Schweissprozesses entstehende Spritzerbildung, insbesondere der
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beidseitig antireflexionsbeschichtetem Material, soll die Laseroptik bzw. die Fokussieroptik vor Beschädigungen schützen. Durch die Ablagerungen auf dem Schutzgas sinkt die am Werkstück 12 auftreffende Leistung der Laserstrahlung 16 in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad auf bis zu 90%. Die Anwendung des Crossjets 7 im richtigen Verhältnis zur Laserstrahlung 16 ist wichtig, da eine stärkere Verschmutzung in der Regel zur Zerstörung des Schutzgases führt, da ein hoher Anteil der Laserstrahlung 16 durch das Schutzgas absorbiert wird und somit thermisch bedingten Spannungen im Schutzgas entstehen.
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können, sind die einzelnen Elemente bzw.
Baugruppen an der Montageplatte 3 derartig befestigt, dass diese in zumindest zwei Raumrichtungen, insbesondere in den in X- und Y-Achsen bzw. Koordinaten, zueinander verstellbar sind. Dazu wurde eine Verstellmöglichkeit fur den Schweissbrenner 6 detaillierter dargestellt, wobei die weiteren Baugruppen selbstverständlich, wie nachstehend beschrieben, an der Montageplatte 3 befestigt bzw montiert werden konnen. Weiters Ist es möglich, dass sämtliche weitere aus dem Stand der Technik bekannte Systeme für die Befestigung und Verstellung an der Montageplatte 3 eingesetzt werden können.
Der Schweissbrenner 6 wird dabei über zwei zueinander verstellbaren Montageelementen 29, 30 in einer für den Schweissbrenner 6 angeordneten Öffnung befestigt, wobei das Montageelement 29 L-förmig und das weitere Montageelement 30 plattenförmig ausgebildet ist. Die beiden Montageelemente 29,30 sind uber Befestigungsmittel, insbesondere über zumindest eine Schraubverbindung 31,32, welche durch zumindest ein Langloch 33,34 und eine Bohrung 35,36 in den Montageelementen 29,30 hindurchragen, miteinander verbunden, sodass durch Lösen der Schraubverbindung 31,32 eine Verschiebung der Montageelemente 29,30 zueinander möglich ist.
Die Befestigung an der Montageplatte 3 erfolgt anschliessend durch das L-förmig ausgebildete Montageelement 29, insbesondere mit dem weiteren Schenkel, wobei hierzu wiederum über eine Schraubverbindung 37,38 mit zumindest einer Langloch- undloder Bohrungskombination, wie zuvor beschrieben, eine Höhenverstellung durchgeführt werden kann, d. h., dass entweder am Montageelement 29 oder an der Montageplatte 3 ein weiteres Langloch 39,40 und eine Bohrung für die Schraubverbindungen 37,38 angeordnet sind, sodass im Bereich des Langloches 39,40 eine
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Verstellung möglich ist. Durch diese Ausbildung der Befestigung kann somit eine Horizontal- und/oder Vertikalverstellung durchgeführt werden.
Wesentlich ist bei dem erfindungsgemässen Laser-Hybrid-Schweisskopf 1, dass der Schweiss- draht 21 bzw. der Schweissbrenner 6 in Querrichtung, insbesondere in Richtung zur Laserstrahlung
16, um zumindest +/-0, 5 mm verstellbar ist, da dadurch ein entsprechender Einfluss auf die Ausbil- dung des Schweissbades möglich ist und somit die Schweissqualität gesteigert werden kann.
Bei dem dargestellten Laser-Hybrid-Schweisskopf 1 bilden die einzelnen Elemente bzw. Bau- gruppen, insbesondere der Schweissbrenner 6, der Laser 5 oder die optische Fokussiereinheit, und der Crossjet 7, untereinander ein offenes System aus, d h., dass keine der Baugruppen mit einer weiteren Baugruppe ein gemeinsames Gehause aufweist. Es ist selbstverständlich möglich, dass der gesamte Laser-Hybrid-Schweisskopf 1, insbesondere in dem Bereich der Montageplatte 3, durch eine Abdeckhaube, welche nicht dargestellt ist, geschützt werden kann.
Damit die einzelnen Abstände eingehalten werden können, ist es erforderlich, dass die Laser- strahlung 16 oder eine Teilstrahlung der Laserstrahlung 16 in eine Ausnehmung 41 der am
Schweissbrenner 6 angeordneten Gasdüse 2 hineinragt, d. h., dass die Gasdüse 2 im Bereich der
Laserstrahlung 16 die Ausnehmung 41 bzw einen Schlitz aufweist, durch die der Laserstrahl 16 von dem Laser 5 oder der optischen Fokussiereinheit in Richtung des Werkstückes 12 strahlen kann. Dadurch wird nämlich in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Abstand 19 zwischen der
Laserstrahlung 16, insbesondere der Laserachse 17, und dem Schweissdraht 21, insbesondere dem Schweissdrahtende 22, möglichst gering, insbesondere von 0 bis 4 mm, gehalten werden kann.
Dadurch wird erreicht, dass ein Verfahren für einen Laser-Hybrid-Schweissprozess durchgeführt werden kann, bei dem der Schweissbrenner 6 mit der am Schweissbrenner 6 positionierbaren Gas- duse 2, insbesondere ein in der Schutzgasatmosphäre 28 gebildeter Lichtbogen, mit einem Laser 5 oder einer optischen Fokussiereinheit, insbesondere einem Laserstrahl 16, einen gemeinsamen
Schweissprozess bzw.
ein gemeinsames Schweissbad oder Schmelzbad und ein gemeinsames
Schweiss-Plasma ausbildet, wobei der Laserstrahl 16 dem Lichtbogen in Schweissrichtung-gemäss
Pfeil 42 - voreilt und eine Aufschmelzung oder Erwärmung der Oberfläche 11 des zu bearbeitenden Werkstückes 12 durch den Laserstrahl 16 durchgeführt wird und anschliessend durch den nacheilenden Lichtbogen und der Zufuhr des Schweissdrahtes 21 ein Verschweissen des Werkstü- ckes 12 durchgeführt wird, insbesondere eine Schweissraupe, welche jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt ist, gebildet wird. Der Laserstrahl 16 wird derartig zu dem Schweissbrenner 6 positioniert, dass der gesamte Laserstrahl 16 oder eine Teilstrahlung des Laserstrahls 16 durch die an der Gasdüse 2 angeordnete Ausnehmung 41 hindurchstrahit.
Dadurch wird erreicht, dass einerseits der Abstand 19 sehr klein gehalten werden kann und andererseits die Schutzgasatmosphäre 28 im Schweissbereich aufrecht erhalten wird, da durch die Ausnehmung 41 bzw. durch den angeordneten Schlitz nur eine geringe Gasmenge entweichen kann und somit eine Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre 28 möglich ist
Dazu ist es jedoch notwendig, dass eine entsprechende Ausbildung der Gasdüse 2 für ein derartiges Laser-Hybrid-Schweissverfahren mit dem Laser-Hybrid-Schweisskopf 1 verwendet wird, wie dies nachstehend beschrieben ist. Es ist nämlich bel einem derartigen Laser-Hybrid-Schweissverfahren fur eine hohe Schweissqualitat erforderlich, dass eine Distanz 43 zwischen der Gasdüse 2 und der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 sehr gering gehalten wird, um eine sehr hohe Einbrandtiefe zu erreichen.
Nachstehend wird die erfindungsgemasse Gasdüse 2 fur den Schweissbrenner 6 beschrieben, wobei auf eine eigenständige Darstellung der Gasdüse 2 verzichtet wurde, da die Ausbildung auch im zusammengesetzten Zustand mit dem Schweissbrenner 6 ersichtlich ist.
Die Gasduse 2, bestehend aus einem bevorzugt rohrförmigen bzw. ringförmigen Gehäuse 44, welches in einem Verbindungsbereich 45 zu dem Schweissbrenner 6 durch eine erste Stirnfläche 47 und an einem Gasaustrittsbereich 46 durch eine zweite Stirnflächen 48 begrenzt ist. Die den Verbindungsbereich 45 zugeordnete Stirnfläche 47 weist einen Winkel 49, bevorzugt von 90 , zu einer in Langsrichtung der Gasdüse verlaufenden Mittelachse 50 auf, wobei in den dargestellten Ausführungsbeispielen sich die Mittelachse 50 mit der Längsmittelachse 14 deckt. Es ist jedoch möglich, dass bei speziellen Ausbildungen des Schweissbrenners 6 diese zueinander parallel oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sind.
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Die zweite, den Gasaustrittsbereich 46 abschliessende Stirnfläche 48 oder ein Teilabschnitt der
Stirnflache 48 weist einen Winkel 51 zu der Mittelachse 50 auf, der ungleich, insbesondere grösser als 900 verschieden ist. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass der Winkel 51 an der der Laser- strahlung 16 abgewandten Seite der Mittelachse 50 kleiner als 900 ist, also ein spitzer Winkel 51 gebildet wird, und an jener Seite der Mittelachse 50, die der Laserstrahlung 16 zugewandt Ist, ein stumpfer Winkel 51 gebildet wird, wie dies in Fig. 2 eingezeichnet ist.
Grundsätzlich ist zu erwähnen, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Gasdüsen 2, wie mit strichpunktierten Linien in Fig. 2 dargestellt, einen Winkel 52 von 900 aufweisen, insbeson- dere die Mittelachse 50 senkrecht auf eine begrenzenden Stirnfläche 53 im Gasaustnttsberelch 46 steht. Diese Darstellung des Standes der Technik in strichpunktierten Linien bei der erfindungsge- mässen Gasdüse 2 wurde insofern getroffen, da dadurch der Unterschied zwischen den Ausbildun- gen exakt ersichtlich ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Gasdüsen 2 sind weiters symmetrisch zu der die Gasdüse 2 teilenden Mittelachse 50 ausgebildet, wogegen aufgrund der winkeligen Ausbildung der Stirnfläche 48 zu der Mittelachse 50 der erfindungsgemässen Gasduse 2 ein unsymmetrischer Aufbau erzielt wird.
Weiters weisen die aus dem Stand der Technik bekann- ten Gasdüsen 2 keine Ausnehmung 41, in der der Laserstrahl 16 zumindest uber einen Teilbereich durchdringt, auf, sodass, wie in Fig. 2 mit strichpunktierten Linien dargestellt, die Laserstrahlung 16 ausserhalb der Gasdüse 2 verlaufen muss. Die weitere aus dem Stand der Technik bekannte An- ordnung für ein Laser-Hybrid-Schweissverfahren zeigt nunmehr eindeutig auf, dass durch die
Führung bzw. Anordnung der Laserstrahlung 16 ausserhalb der Gasdüse 2 der Abstand 19, wie er zuvor definiert wurde, nicht mehr eingehalten werden kann.
Dies kann soweit führen, dass kein gemeinsames Schweissbad und Schweiss-Plasma ausgebil- det werden kann. Weiters ist ersichtlich, dass bei Einhaltung der zuvor definierten Angaben, insbe- sondere der Distanz 43 zwischen Gasdüse 2 bzw. der Stirnfläche 53 und der Oberflache 11 des
Werkstückes 12, das Werkstück 12 soweit von der Aussenumgrenzung der aus dem Stand der
Technik bekannten Gasdüse 2 entfernt werden muss, dass ein Fokussierpunkt 54 des ebenfalls versetzten Laserstrahls 16, ausserhalb des Werkstückes 12, also oberhalb der Oberfläche 11 des Werkstückes 12, angeordnet ist (siehe Fig. 2, strichpunktierte Linien).
Durch die Ausbildung des
Standes der Technik ist weiters im Vergleich ersichtlich, dass der Abstand 19 der erfindungsgema- ssen Lösung wesentlich kleiner als ein Abstand 55 bei dem Stand der Technik ist, wodurch die bereits erwähnten Nachteile, wie kein gemeinsames Schweiss- undloder Schmelzbad, Abkühlung des Schmelzbades vom Laserstrahl nach Erreichen der Position durch den Lichtbogen, geringe
Einbrandtiefe usw. auftreten.
Weiters müsste bei dem aus dem Stand der Technik-strichpunktierte Linien - dargestellten Beispiel die Laserleistung wesentlich erhöht werden, um die Definitionsebene 10 bzw. den Fokussierpunkt 54 unterhalb der Oberfläche 11 im Werkstück 12 anzuordnen, wodurch eine erhebliche Kostensteigerung in Kauf genommen werden muss
Dabei kann man davon ausgehen, dass ein Laser mit 1 kW Laserleistung ATS 1. 510. 000,- kostet Bei dem erfindungsgemässen System, insbesondere dem Laser-Hybrid-Schweisskopf 1 und der erfindungsgemässen Gasdüse 2, ist ein Laser 5 mit 3 bis 5 kW ausreichend, wogegen bei dem aus dem Stand der Technik bekannten System wesentlich mehr Laserleistung, Insbesondere 6 bis 8 kW, benötigt wird.
Bei der dargestellten, erfindungsgemässen Gasdüse 2 ist die Mittelachse 50 bei der Anordnung bzw. Montage der Gasdüse 2 an dem Schweissbrenner 6 deckend bzw. überlappend mit der In Längsrichtung des Schweissbrenners 6 verlaufenden Langsmittelachse 14 oder einer Im Zentrum des Schweissbrenners 6 verlaufenden Achse angeordnet. Die Stirnfläche 48 im Gasaustrittsbereich 46 ist bevorzugt bei einer winkeligen Anordnung der Gasduse 2 oder des Schweissbrenners 6 zur Definitionsebene 10 oder zum Werkstück 12 oder zur Laserachse 17 parallel zu der Definitionsebene 10 bzw. während des Schweissprozesses parallel zu der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 ausgebildet bzw. ausgerichtet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Distanz 43 zwischen der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 und der Stirnfläche 48 wesentlich verkürzt bzw verkleinert werden kann.
Dabei kann durch entsprechende Auswahl der StickoutlÅange 23 noch eine Verringerung der Distanz 43 erreicht werden.
Weiters wird durch eine derartige Ausbildung erreicht, dass durch die gennge Distanz 43 eine stabile Schutzgasatmosphäre 28 geschaffen werden kann, da das ausstromende Schutzgas nur in einem sehr engen Spalt zwischen der Gasdüse 2 und dem Werkstück 12 entweichen kann. Ein
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weiterer Vorteil liegt darin, dass nur eine sehr geringe Uchtbogenlänge für einen Schweissprozess benötigt wird und somit der Schweissprozess, insbesondere der Lichtbogen-Schweissprozess, sehr stabil ist und gleichzeitig nur eine geringe Leistung für den Lichtbogen-Schweissprozess benotigt wird.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist In dem Gasaustrittsbereich 28 die Ausnehmung 41 in der Gas- düse 2 angeordnet ist. Dabei ist die Ausnehmung 41 an jener Seite der Gasdüse 2 angeordnet, die einen grösseren Winkel 51 von der Mittelachse 50 der Gasdüse 2 zu der Definitionsebene 10 oder der Oberfläche 11 des Werkstückes 12 oder der Stirnfläche 48 ausbildet bzw. an jener Seite die dem Laserstrahl 16 in montierter Position der Gasdüse 2 am Schweissbrenner 6 zugeordnet Ist, wobei die Ausnehmung 41 zur Aufnahme des dem Schweissbrenner 6 bzw. der Gasdüse 2 zugeordneten Laserstrahls 16 ausgebildet ist, d. h., dass bei Verwendung eines speziellen Lasers 5 oder einer optischen Fokussiereinheit die Ausnehmung, insbesondere die Länge bzw.
Tiefe und Breite an den Lichtkegel der Laserstrahlung 16 angepasst werden muss, sodass der Abstand 55 von 0 bis 4 mm zwischen dem Schweissdrahtende 22 und der Laserachse 17 wieder einstellbar ist.
Damit bei der erfindungsgemässen Gasdüse 2 nach einer Demontage dieser bzw. bei einem Austausch wieder die gleiche Position der Stirnfläche 48 erreicht wird, weist die Gasdüse 2 im Verbindungsbereich 45 eine Positioniervorrichtung 56, insbesondere einen Führungsvorsprung 57, auf. Der Führungsvorsprung 56 ragt dabei über die den Verbindungsbereich 45 begrenzende Stirnfläche 47 hinaus, sodass der Führungsvorsprung 57 der Gasdüse 2 bei der Montage am Schweissbrenner 6, wie schematisch eingezeichnet, in eine korrespondierende Führungsausnehmung des Schweissbrenners 6 eingreift, wobei über einen über die Gasdüse 2 aufsteckbaren Ring 58, wie mit strichlierten Linien eingezeichnet, die Gasduse 2 am Schweissbrenner 6 fixierbar ist Dabei ist es möglich,
dass durch Anordnung eines Gewindes dieser Ring 58 auf den Schweissbrenner 6 und/oder der Gasdüse 2 aufgeschraubt wird, sodass ein sicherer Halt erreicht wird. Selbstverständlich ist es möglich, dass andere Positioniervorrichtungen 56 eingesetzt werden konnen. Dazu ist es moglich, dass am Schweissbrenner 6 eine Führungsvorrichtung angeordnet wird und die Gasdüse 2 mit einer entsprechend korrespondierenden Ausnehmung ausgebildet wird
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Gasdüse 2 gezeigt.
Dabei ist nunmehr die Stirnfläche 48 im Gasaustrittsbereich 46 nunmehr nicht parallel zur Oberfläche 11 des Werkstückes 12 ausgebildet, sondern weist einen beliebigen Winkel 51 auf. Daraus ist weiters ersichtlich, dass eine Ausbildung der Stirnfläche 48 zur Mittelachse in einem Winkelbereich 59, ausgehend von 900, bis zur Parallelführung der Stirnfläche 48 zur Oberflache 11 des Werkstückes 12 möglich 1St.
Die unterschiedliche Ausbildungen der Anordnung der Stirnfläche 48 sind Insofern von Vorteil, da durch die winkelige Ausbildung zur Mittelachse 50 eine sogenannte Nase 60 bzw. ein Vorsprung geschaffen wird, durch die der Schweissbereich, also jener Bereich, wo die Laserachse 17 und die Längsachse 14 des Schweissbrenners 6 bzw. der Mittelachse 50 auf das Werkstück 12 treffen, abdeckt und somit die entstehenden Schweissspritzer In Richtung des Lasers 5 zurückgehalten werden.
Dazu kann nunmehr gesagt werden, dass Im Bereich der Nase 60 bzw des Vorsprungs die Ausnehmung 41 angeordnet wird, sodass durch das Anordnen des Laserstrahls 16 In der Anordnung durch die Nase 60 bzw. des Vorsprunges einerseits die Schweissspritzer abgehalten werden und anderseits die Schutzgasatmosphäre 28, insbesondere das Schweiss-Plas- ma, uber dem gesamten Schweissprozess bzw. das Schweissbad bzw. Schmelzbad aufgebaut wird.
Ein besonderes Augenmerk des Laser-Hybrid-Schweisskopfes 1 liegt darin, dass dieser möglichst kleine geometrische Abmessungen aufweisen soll, damit die Zugänglichkeit an zu verschweissenden Bauteilen bzw. Werkstücken 12, insbesondere im Karosseriebau, gewährleistet werden kann. Darüber hinaus sollte der Laser-Hybrid-Schweisskopf 1 sowohl eine geeignete losba- re Anbindung an einen Roboterkopf bzw dem Roboterarm 4, als auch Variationen der Verfahrensgrössen, wie Fokusabstand 9, Anstellwinkel bzw Winkel 15 und Brennerabstand bzw. Abstand 19, zulassen, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausbildungen der Fig. 1 bis 3 der Fall ist.
Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die einzelnen Teile bzw. Bauelemente oder Baugruppen schematisch bzw. vereinfacht dargestellt sind. Des weiteren können auch einzelne Teile der zuvor beschriebenen Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele In Verbindung mit anderen Einzelmerkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen eigenständige, erfindungsgemässe Losungen bilden.
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Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen erfindungsgemässen Losungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgema- ssen Aufgaben und Lösungen sind der Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung, insbesondere Laser-Hybrid-Schweisskopf, für einen Laser-Hybrid-Schweiss- prozess, bei der an zumindest einer Montageplatte Elemente bzw. Baugruppen angeordnet sind, wobei ein Element bzw. eine Baugruppe durch einen Laser bzw. eine optische Fo- kusslereinheit und ein zweites Element bzw. eine zweite Baugruppe durch einen Schweiss- brenner gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (5) bzw. die optische Fo- kussiereinheit einen Fokusabstand von einer Definitionsebene (10) oder einer Oberfläche (11) eines Werkstückes (12) zwischen 50 und 400 mm aufweist und dass der Schweiss- brenner (6), insbesondere eine in Längsrichtung des Schweissbrenners (6) verlaufende
Längsmittelachse (14), in einem Winkel (15) zwischen 250 und 450 zu dem Laser (5) bzw.
der optischen Fokussiereinheit, insbesondere zu einer Im Zentrum einer Laserstrahlung (16) verlaufenden Laserachse (17), angeordnet ist, wobei die Laserachse (17) einen Win- kel (18) zwischen 800 und 1000, bevorzugt 900, zu der Definitionsebene (10) oder der
Oberfläche (11) des Werkstückes (12) aufweist, wobei ein kleinster Abstand (19) der von dem Laser (5) bzw. der optischen Fokussiereinheit abgegebenen Laserstrahlung (16), ins- besondere zu der in der Laserstrahlung (16) zentrisch verlaufenden Laserachse (17), und einem aus dem Schweissbrenner (6) bzw. aus einem Kontaktrohr (20) austretenden
Schweissdraht (21), insbesondere einem Schweissdrahtende (22), zwischen 0 und 4 mm beträgt und dass ein weiteres Element bzw.
eine weitere Baugruppe durch eine Querströ- mungsvorrichtung (7) gebildet wird, die in einem Abstand zwischen 40 und 390 mm von der Definitionsebene (10) oder der Oberfläche (11) des Werkstückes (12) zwischen der
Definitionsebene (10) oder der Oberfläche (11) des Werkstückes (12) und dem Laser (5) bzw. der optischen Fokussiereinheit angeordnet ist, wobei die Querströmungsvorrichtung, insbesondere ein Querluftstrom, einen Winkel (25) von bevorzugt 900 zu der Laserstrah- lung (16) bzw. der Laserachse (17) aufweist.