BRPI0916742B1 - ferramenta de solda a laser com um laser de fibra - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “FERRAMENTA DE SOLDA A LASER COM UM LASER DE FIBRA”. A invenção se refere a uma ferramenta de solda a laser para a geração de uma soldadura para a ligação de peças a trabalhar, cujo raio laser pode ser movimentado ao longo da soldadura por meio de um acionamento linear.

Na indústria automobilística, bem como na indústria de suprimento, a solda por resistência é tradicional e preponderantemente realizada na montagem de carrocerias em geral com ajuda de alicates de soldagem movidos por robôs. A solda por resistência é um método de soldagem para materiais condutores elétricos com base no calor de corrente de Joule de uma corrente elétrica que corre através do ponto de ligação. Por meio do calor de corrente, as peças a serem ligadas são esquentadas até fundirem. Por meio do re-enrijecimento do fundido surge uma ligação de solda. As peças a serem ligadas umas com as outras são normalmente comprimidas através de alicates de soldagem durante e depois do fluxo de corrente, por meio de que a formação de uma ligação interna é suportada.

Paralelamente, contudo, a solda a raio laser vem ganhando importância. A solda a raio laser é aplicada, sobretudo, para a soldagem de peças que precisam ser juntadas com alta rapidez de soldagem, com soldadura estreita e delgada e com baixo retardamento térmico. A solda a raio laser, também chamada de solda a laser, assim como a solda por resistência, é via de regra realizada sem adicionamento de um material adicional. A irradiação do laser é focada por meio de um colimador. A superfície do rebordo ou da junta das peças a serem soldadas encontra-se imediatamente próxima do foco do colimador, que, na solda por raio laser, também pode ser chamado de mancha focal. A mancha focal dispõe tipicamente de um diâmetro de 0,5 a 1,0 mm, por meio do qual surgem concentrações de energia muito altas. Por meio da adsorção da atividade de laser ocorre um acréscimo extremamente rápido da temperatura sobre a superfície da peça, ultrapassando a temperatura de fundição do metal, de modo que um fundido se forma. Opõem-se às vantagens da solda a laser, contudo, os custos altos de aquisição, o rendimento ruim, assim como uma despesa alta com dispositivos de-segurança. Além disso, os aparelhos de solda a laser a gás ou corpos sólidos atualmente empregados na indústria apresentam dimensões grandes e não são apropriados para a aplicação na indústria automobilística. Um exemplo de sistema de solda a laser cujos raios lasers podem ser movidos ao longo da soldadura por meio de um acionamento linear é conhecido, por exemplo, a partir da JP 2004-243393.

Partindo deste estado da técnica, está na base da invenção a tarefa de criar uma ferramenta de solda a laser para procedimentos de soldagem na indústria automobilística que se deixe integrar à infra-estrutura disponível para a soldagem por resistência, que, em especial, possibilite a reutilização de ferramentas de componentes e dispositivos de manipulação para ferramentas de solda, que assegure a segurança de pessoal exigida em uma atividade de solda a laser na montagem de carros (até 2 KW) e reduza as desvantagens relacionadas ao conceito de ferramentas industriais de solda a laser, especialmente os custos altos de aquisição, o rendimento ruim, assim como as despesas altas com segurança.

Essa tarefa é solucionada em uma ferramenta de solda a laser da espécie acima mencionada da seguinte maneira: - o laser é um laser de fibra, que compreende uma fibra para condução de luz, uma óptica para o acoplamento de uma irradiação de laser de uma fonte de irradiação à fibra e um colimador ligado à fibra para a focagem do curso dos raios de laser, - o colimador é disposto no acionamento linear, que possibilita um movimento do colimador ao longo de uma linha de movimento pré-estabelecida, - o acionamento linear com o colimador é disposto em uma carcaça que apresenta uma fenda de saída para os raios lasers, em que a linha de movimento do colimador corre paralelamente à fenda de saída e o colimador é disposto de maneira que os raios lasers saem da carcaça exclusivamente através da fenda de saída e - o laser de fibra só pode ser ativado quando a fenda de saída da carcaça se situa sobre uma das peças a serem trabalhadas. O emprego de lasers de fibra com dimensões compactas e fontes de laser flexivelmente configuráveis permite a integração da ferramenta de solda a laser à infra-estrutura de dispositivos de solda por resistência tradicionalmente disponíveis para a indústria automobilística. A irradiação de laser pode, à maneira de um cabo, ser aproximada da soldadura a ser realizada, de maneira que a solda a laser também pode ser empregada em condições de estreitamento, comuns na junção de peças na indústria automobilística. Ao mesmo tempo, lasers de fibra se destacam, em relação a lasers de gás ou de corpos sólidos, por uma qualidade de raio superior, um rendimento mais elevado - atualmente em mais de 30% -, custos de manutenção menores e, simultaneamente, custos de aquisição mais baixos. O núcleo da fibra, especialmente fibra de vidro, forma o meio ativo em um laser de fibra. A irradiação de laser, acoplada à fibra e conduzida adiante por meio desta, obtém, por conta da grande extensão da fibra, um fortalecimento elevado. Lasers de fibra são bombeados opticamente na medida em que a irradiação de laser de díodos lasers é acoplada paralelamente ao núcleo da fibra ou na fibra.

Para garantir a segurança de pessoal exigida na produção de soldaduras, sejam elas soldaduras contínuas ou pontuais, o colimador é disposto e ajustado de maneira móvel na carcaça de modo que as irradiações de laser só possam sair da carcaça através das fendas de saída. Além disso, a atividade de laser do laser de fibra só é ativada quando a fenda de saída está situada sobre a peça a trabalhar. Por meio da combinação dessas medidas, a soldadura pode ser gerada ao longo da linha de movimento pré-estabelecida sem que parta da ferramenta de solda a laser qualquer perigo para as pessoas que se encontram no ambiente de trabalho em volta dos robôs, mesmo que,ela esteja fixada em um braço robótico.

Evita-se amplamente um retardamento do processo de soldagem devido a arestas de carcaça, se a carcaça se estreita em forma de funil na direção da fenda de saída.

Dispositivos de solda por resistência tradicionais na forma de alicates de soldagem por ponto são comumente movimentados na indústria automobilística por meio de um robô de soldagem. Para poder manter esses procedimentos de trabalho sem alterações, a ferramenta de solda a laser, enquanto alicate de soldagem, é preferencialmente provida de uma armação de alicate, especialmente de uma ferramenta inferior, em forma de C, ligada à armação de alicate, e de uma unidade de deslocamento móvel, que movimenta a carcaça em relação à armação de alicate, em que se encontra com essa na extremidade livre da ferramenta inferior uma peça de pressão alinhada e a peça de pressão e a abertura de saída com ela alinhada são movimentáveis por meio da unidade de deslocamento em direção e em afastamento uma da outra. A peça de pressão forma o batente de encosto no deslocamento conjunto orientado pela força da carcaça e da ferramenta inferior.

Atinge-se um aliviamento de carga otimizado no deslocamento conjunto do alicate de soldagem na medida em que a peça de pressão corresponde à forma das fendas de saída.

Para a modulação e, com isso, para redução de custos da ferramenta de solda a laser de acordo com a invenção, está previsto que a unidade de deslocamento apresente um acionamento de posição firmado na armação de alicate, um assento de carcaça, bem como uma condução linear para o assento de carcaça. O assento de carcaça é preferencialmente constituído de maneira que em pouco tempo diversas carcaças possam ser fixadas ao assento de carcaça. É possível, assim, uma adequação simples a diversas condições de soldagem. A carcaça compreende ao menos o colimador, o acionamento linear relacionado ao colimador, bem como o compartimento especialmente em forma de funil do raio laser. Para poder dirigir exatamente um movimento uniforme do colimador e, com isso, do raio laser ou o deslocamento e o mantimento em posições pré-estabelecidas, o acionamento linear apresenta uma corrediça linear de um eixo para o colimador, a qual é ligada com um acionamento de posição. O acionamento de posição é desenvolvido especialmente como servomotor. São considerados motores elétricos e hidráulicos. A ativação do laser de fibra no posicionamento da fenda de saída sobre uma das peças a trabalhar é efetuado especialmente por meio de um elemento de comutação disposto na carcaça, o qual comuta o provimento de energia do laser de fibra no posicionamento da fenda de saída. O elemento de comutação pode ser um contato imediatamente vizinho à fenda de saída, um elemento sensor ou um comutador de tecla. Pode funcionar ao mesmo tempo alternativamente como elemento φ comutação uma parte móvel da carcaça que envolva a fenda de saída.

Para por rapidamente em posição, com um robô, o alicate de solda a laser junto às peças a serem soldadas, está prevista uma modalidade vantajosa da invenção em que a armação de alicate é disposta sobre um módulo de compensação que permite pequenos movimentos de compensação da armação de alicate em relação a um robô para a movimentação da ferramenta de solda a laser. No posicionamento da posição de soldagem, a peça de pressão da ferramenta inferior encontra-se a uma posição definida das peças a serem trabalhadas, de 2 a 3 mm, por exemplo. Com o alicate de solda aberto, a abertura de saída do módulo de laser encontra-se a, por exemplo, 150 mm da peça a ser soldada. Somente depois de atingida a posição de solda, a ferramenta inferior, com ajuda do módulo de compensação, e em seguida a carcaça (ferramenta superior) são posicionadas nas peças a serem trabalhadas. Portanto, pequenas diferenças de posição em relação às peças a serem soldadas no que diz respeito a uma posição de soldagem definida do alicate de soldagem não representam problemas para o posicionamento da posição de soldagem.

Para que a ferramenta inferior da ferramenta de solda a laser sempre se disponha flutuantemente junto à peça a trabalhar sem alterar a posição da peça a trabalhar está prevista uma modalidade da invenção em que o módulo de compensação apresenta uma armação básica de compensação para a fixação em um braço robótico, em que na armação básica de compensação é disposta uma condução linear para a armação de alicate com direção de movimento em concordância com a condução linear para o assento de carcaça e o módulo de compensação apresenta um acionamento linear de curso curto, em cujo fluxo de força linear é comutado uma unidade de pressão à mola.

Para assentar uma soldadura mais larga com uma espessura de costura está previsto, em uma modalidade da invenção, que seja ordenado entre o colimador e um > elemento de carga deslocável ao longo da linha de movimento pré-estabelecida do acionamento linear um gerador de vobulação. Um gerador de vobulação (também chamado de vobulador) é um aparelho elétrico para a geração de oscilações, em que a frequência gerada varia ciclicamente entre dois valores finais reguláveis. As oscilações podem ser geradas, por exemplo, eletromagneticamente, eletromotoramente ou piezoeletricamente. Por meio de direcionamento objetivo do gerador de vobulação é possível um movimento pendular do colimador, variável em amplitude e freqüência, verticalmente em relação à linha de movimento pré-estabelecida. O elemento de carga para o gerador de vobulação forma, por exemplo, uma placa base deslocável. A invenção será, a seguir, melhor detalhada com ajuda de figuras. As figuras mostram: Figura 1 a: visão em perspectiva de um alicate de solda a laser de acordo com a invenção em estado aberto, Figura 1 b: alicate de solda a laser, de acordo com Figura 1 a, em estado fechado, Figura 2a: visão lateral e visão por cima de um alicate de solda a laser aberto, de acordo com Figura 1, Figura 2b: visão lateral e visão por cima de um alicate de solda a laser fechado, de acordo com Figura 1, bem como, Figura 3: representação esquemática do princípio de funcionamento do alicate de solda a laser, de acordo com figuras 1 e 2.

Figura 1 mostra um alicate de solda a laser (1) com uma armação de alicate (2) desenvolvida como placa, uma ferramenta inferior (3), disposta na armação de alicate (2) e essencialmente em forma de C, em que na extremidade livre (4) da ferramenta inferior (3) se encontra uma peça de pressão (5). Sobre a armação de alicate (2) é arranjada uma unidade de deslocamento, descrita no todo como (6), que movimenta o módulo de laser (7), no todo descrito como (7), na direção ou em afastamento da peça de pressão (5).

Em referência à representação esquemática na Figura 3 são primeiramente melhor detalhados o modo de funcionamento e a estrutura do módulo de laser (7). O laser é configurado como laser de fibra. A irradiação de laser de um díodo laser é acoplada, através de uma óptica para acoplamento da irradiação de não representada na figura 3, a uma fibra (8) que é conduzida como condutor flexível ao módulo de laser (7) encapsulado. A fibra (8) é ali ligada com um colimador (9) para focagem da irradiação de laser (11). O acionamento linear - no todo descrito como (12) - para o colimador apresenta uma corrediça linear que pode ser movimentada na direção do eixo único (13), o qual, na modalidade representada, é ligado com um acionamento de posição (16) configurado como servomotor através de uma transmissão de tração (15). O acionamento linear (12) com o colimador (9) e incluindo um componente da fibra (8) são dispostos em uma carcaça (18) que apresenta uma fendã de saída (17) para a irradiação de laser (11) e que se estreita em forma de funil na direção da fenda de saída (17) em um segmento (19) de uma extensão de carcaça (21).

Como pode ser notado na figura 3 através da visão por cima, a irradiação de laser (11) é completamente vedada pela carcaça (18), especialmente pela extensão de carcaça (21) com o segmento em forma de funil (19). Garante-se, por meio disso, que a irradiação de laser (11) saia exclusivamente pela fenda de saída (17). A energia de laser para ativação do laser de fibra é ativada por meio de uma peça de pressão (22) disposta na parte de cima do segmento em estreitamento (19), a qual provoca a liberação no posicionamento sobre uma das peças a serem trabalhadas e, idealmente, sobre a formação de uma força definida. Tão logo a fenda de saída metálica (17), que serve ao mesmo tempo como contato, esteja situada sobre a peça a trabalhar, é fechado um circuito de corrente em que, por exemplo, é ativada a energia de laser através de um acoplador. Adicionalmente, a ativação pode ser tornada depéndente da formação de uma força de pressão suficiente entre duas partes de pressão (5,22) do alicate de soldagem. A medição de força ocorre por meio de sensores de força no fluxo de força do alicate, por exemplo, junto a ou na extensão da ferramenta inferior (3). O módulo de laser (7) anteriormente descrito é disposto sobre a unidade de deslocamento (6) de maneira que a peça de pressão (22) do módulo de laser (7) se alinha com a peça de pressão (5) da ferramenta inferior (3). A formação e modo de funcionamento da unidade de deslocamento (6) são também melhor detalhados por meio da Figura 3. A unidade de deslocamento (6) apresenta preso à armação de alicate (2), um acionamento de posição (23) na forma de um servomotor, um assento de carcaça (24), bem como uma condução linear (25) desenvolvida como trilhos de condução para o assento de carcaça. O acionamento de posição (23) é fixado por meio de um suporte (26) à armação de alicate (2). O assento de carcaça (24), como se pode notar especialmente a partir das Figuras 1a e 1 b, é configurado como perfil retangular, em cujo lado cima, voltado para a ferramenta inferior, é fixado um suporte (27), no qual engrena uma barra de acionamento (28) do servomotor (23). Na parte de baixo do assento de carcaça (24) são dispostos elementos de condução (29), que engrenam em ranhuras correspondentes (31) dos trilhos de condução (25). Por meio do acionamento de posição (23) da unidade de deslocamento (6), módulo de laser (7) é deslocável através de um trajeto livremente programável (32) até a peça a trabalhar.

Por fim, na parte de baixo da armação de alicate (2) em forma de placa é relacionado um módulo de compensação (33) relativamente à armação de alicate (2), que permite pequenos movimentos de compensação da armação de alicate (2) em relação a um braço robótico (34). O braço robótico (34) é ligado com o módulo de compensação (33) do alicate de soldagem (1) através de um flange de troca (35). A formação do módulo de compensação (33) será agora melhor detalhada em referência à representação esquemática na figura 3. Está fixada no flange de troca (35) uma armação básica de compensação (36) com uma condução linear (37) para a armação de alicate (2). A condução linear (37) apresenta uma direção de movimento em correspondência com a condução linear (25) para o assento de carcaça (24).

No lado da armação de alicate (2) oposto à ferramenta inferior é ordenado um flange de fixação (38). Entre o flange de fixação (38) e a armação básica de compensação (36) é interligado um cilindro de curso curto que atua sobre a armação de alicate (2) e também uma unidade de pressão à mola (41). A unidade de pressão à mola (41) é integrada de tal maneira à barra de êmbolo do cilindro de curso curto (39) que o fluxo de força reto em atuação não é prejudicado. Para esse fim ser integrada à barra de êmbolo uma mola de pressão envolta por uma bucha como unidade de pressão à mola. O modo de trabalho do alicate de solda a laser (1) de acordo com a invenção, bem como do módulo de compensação (33), será em melhor detalhado com ajuda das Figuras 2a e 2b. A Figura 2a mostra como o alicate de solda a laser (1) aberto, segurado pelo braço robótico (34) de um robô, é posto em posição com peças a trabalhar (10) que devem ligadas umas as outras. A ferramenta inferior (3), que é fixada armação de alicate (2), tem um afastamento definida (42) em relação à peça a trabalhar de, por exemplo, 2 a 3 mm, com o módulo de compensação (33) não ativado. Esse afastamento (42) é selecionado de maneira que seja possível um posicionamento rápido da posição de solda através dos robôs envolvendo a qualquer momento todo tipo de oscilação das posições das peças a trabalhar. O afastamento (43) do módulo de laser (7) em relação à peça a trabalhar pode ser livremente programado dentro do curso total da unidade de deslocamento (6) e é de, por exemplo, 150 mm.

Com o posicionamento do alicate de solda a laser (1) às peças a trabalhar (10) é iniciada a função de fechamento do alicate de solda a laser (1). Primeiramente é ativado o módulo de compensação (33) na medida em que o cilindro de curso curto (39) é ativado e a ferramenta inferior (3) é pressionada com a peça de pressão (5) com uma força definida contra uma das peças a trabalhar (10) que devem ser soldadas. Essa força é medida de maneira que a ferramenta inferior (3) se disponha flutuantemente em relação à peça a trabalhar, sem modificar a posição da peça a trabalhar. A disposição flutuante a uma força definida também é garantida em oscilações da posição das peças a trabalhar por meio da unidade de pressão à mola (41). Simultaneamente à ativação do módulo de compensação (33) é iniciada a unidade deslocamento (6). Condicionado pelo maior afastamento (43) em relação à peça a trabalhar (10), o módulo de laser com a fenda de saída (17) chega um pouco mais tarde até a outra peça a trabalhar (10) a uma velocidade de movimento igual. Durante o deslocamento em conjunto, peça de pressão (5) da ferramenta inferior (3) assim como a peça de pressão (22) do módulo de laser se assentam alinhadas uma com as outras sobre as peças a trabalhar (10) e juntam com exatidão as peças a trabalhar (10) que devem ser soldadas. Somente depois do posicionamento da peça de pressão (22) do módulo de laser (7) pode começar o processo de soldagem.

Por meio da movimentação do colimador (9) ao longo da corrediça linear (14), o raio laser (11) focado na direção da fenda de saída (17) se movimenta paralelamente à linha de movimento (13) do colimador. Ao longo da região de superfície envolta pela fenda de saída (17) da peça a trabalhar (10) pode ser posta uma soldadura por ponto ou uma costura de solta contínua do comprimento da fenda de saída.

Para por uma soldadura mais larga pode ser disposto um gerador de vobulação (13a) entre o colimador (9) e o elemento de carga da corrediça linear (14) que pode ser movimentado ao longo da linha de movimento (13) pré-estabelecida. O gerador de vobulação (13a) gera oscilações do colimador (9) girável situado em torno de um eixo girável. O eixo girável corre paralelamente ao caminho de deslocamento (13) do colimador (9). As oscilações provocam o fato de que o raio laser (11) oscila na fenda de saída (17) com uma amplitude máxima correspondente a largura desta e, por meio disso, gera uma soldadura alargada para até 2 mm.

LISTAGEM DE SÍMBOLOS REFERENCIAIS

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Ferramenta de solda a laser para a geração de uma soldadura para ligar peças a trabalhar, cujo raio laser pode ser movido ao longo da soldadura por meio de um acionamento linear, caracterizada pelo fato de que: - o laser é um laser de fibra, que compreende uma fibra (8) para condução de luz, uma óptica para o acoplamento de uma irradiação de laser de uma fonte de irradiação à fibra e um colimador (9) ligado à fibra (8) para a focagem do curso dos raios de laser (11), - o colimador (9) é disposto no acionamento linear (12), que possibilita um movimento do colimador (9) ao longo de uma linha de movimento (13) pré-estabelecida, - o acionamento linear (12) com o colimador (9) é disposto em uma carcaça que apresenta uma fenda de saída (17) para os raios lasers (11), em que a linha de movimento (13) do colimador (9) corre paralelamente à fenda de saída e o colimador (9) é arranjado de maneira que os raios lasers (11) saem da carcaça (18) exclusivamente através da fenda de saída (17) e - o laser de fibra só pode ser ativado quando a fenda de saída (17) da carcaça (18) se encontra sobre uma das peças a serem trabalhadas (10).

2. Ferramenta de solda a laser, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a carcaça (18) se estreita em forma de funil na direção da fenda de saída (17).

3. Ferramenta de solda a laser, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a ferramenta de solda laser é configurada como alicate de solda (1) com uma armação de alicate (2), uma ferramenta inferior (3) disposta na armação de alicate (2) e uma unidade de deslocamento (6) que movimenta a carcaça (18) em relação à armação de alicate (2), em que se encontra na extremidade livre da ferramenta inferior (3) uma peça de pressão (5) e a peça de pressão (5) e a abertura de saída (17) com ela alinhada podem se movimentar aproximando-se e afastando-se uma da outra por meio de uma unidade de deslocamento (6).

4. Ferramenta de solda a laser, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a peça de pressão (5) corresponde à forma da fenda de saída (17).

5. Ferramenta de solda a laser, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que a unidade deslocamento (6) apresenta um acionamento de posição (23) preso à armação de alicate (2), um assento de carcaça (24), bem como uma condução linear (25) para o assento de carcaça (24).

6. Ferramenta de solda a laser, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o acionamento linear (12) apresenta para o colimador (9) uma corrediça linear (14) de um eixo, a qual é ligada com o acionamento de posição (16).

7. Ferramenta de solda a laser, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizada pelo fato de que um elemento de comutação é disposto na carcaça (18), o qual comuta o provimento de energia do laser de fibra no posicionamento da fenda de saída (17) sobre uma das peças a serem trabalhadas (10).

8. Ferramenta de solda a laser, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizada pelo fato de que a armação de alicate (2) é disposta sobre um módulo de Λ compensação (33), que permite pequenos movimentos de compensação da armação de alicate (2) em relação ao braço robótico (34) para a movimentação da ferramenta de solda a laser.

9. Ferramenta de solda a laser, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o módulo de compensação (33) apresenta uma armação básica de compensação (36) para fixação no braço robótico (34), na armação básica de compensação (36) é disposta uma condução linear (37) para a armação de alicate (2) com direção de movimento em correspondência com a condução linear (25) para o assento de carcaça (24) e o módulo de compensação (33) apresenta uma condução linear de curso curto (39) que atua sobre a armação de alicate (2), em cujo fluxo de força reto em atuação é comutada uma unidade de pressão a mola (41).

10. Ferramenta de solda a laser, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada pelo fato de que entre o colimador (9) e um elemento de carga do acionamento manual (12), que pode ser movimentado ao longo de uma linha de movimento pré-estabelecida (13), é disposto um gerador de vobulação.