DE10061644A1

DE10061644A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE10061644A1
Application number: DE10061644A
Authority: DE
Inventors: Markus Sturm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zum Schweißen großer Objekte, die insbesondere größer als ein durch die äußeren Verstellbereiche des Lasers bestimmtes Bearbeitungsfeld sind. Um dabei eine mehrfache Neupositionierung des Objekts zu vermeiden, wird vorgeschlagen, wesentliche Bewegungsparameter, insbesondere mittels eines Geschwindigkeitssensors (14) oder eines Beschleunigungssensors (15), zu erfassen und als eine Korrekturgröße zu einer Positionsbestimmung (16) in eine Steuerung (13) einfließen zu lassen. Die Schweißposition (18) auf der Oberfläche des zu schweißenden Objekts wird daher auch dann zuverlässig erreicht, wenn das Objekt in Bewegung ist oder die Einhaltung einer bestimmten Geschwindigkeit nicht möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren, bei dem die Position eines zu schweißenden Objektes mittels einer Steuereinheit erfaßt und ein Laserstrahl, insbesondere durch Ablenkung an einem einstellbaren Umlenkspiegel, auf die gewünschte Position an dem Objekt gerichtet wird.

Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der Automobilindustrie eingesetzt, um Karosserieteile zu schweißen. Hierzu ist es bekannt, einen CO₂-Laser einzusetzen, dessen emittierter Laserstrahl auf zwei bewegliche Umlenkspiegel oder auf einen um zwei Achsen schwenkbaren Umlenkspiegel trifft. Die Schwenkachsen der Umlenkspiegel sind hierbei senkrecht zueinander ausgerichtet, so daß im Bereich der maximalen Winkellagen ein Bearbeitungsfeld aufgespannt wird, in dem der Laserstrahl jede beliebige Position erreichen kann.

Um eine gewünschte Schweißposition auf der Oberfläche des Objektes durch den Laserstrahl zu erreichen, wird zunächst die Position des Objektes durch die Steuereinheit bestimmt und mittels eines dem jeweiligen Umlenkspiegel zugeordneten Servomotores in die entsprechende Winkelstellung bewegt. In der Praxis wird daher durch die Maximalwinkelstellungen ein im wesentlichen rechteckiges Bearbeitungsfeld begrenzt.

Es ist weiterhin auch bereits bekannt, zusätzlich den Fokusabstand zu variieren, um so eine dreidimensionale Oberfläche bearbeiten zu können. Die Variation des Fokusabstandes begrenzt dabei in Abhängigkeit von dem Winkelbereich ein Bearbeitungsfeld, das in seiner Geometrie einem Pyramidenstumpf entspricht.

Als nachteilig hat sich dabei erwiesen, daß die Bearbeitung in der Praxis insbesondere dann vergleichsweise umständlich ist, wenn große Objekte bearbeitet werden sollen. Hierzu ist gegebenenfalls eine mehrfache Positionierung des Objektes erforderlich, um die Schweißung innerhalb des Bearbeitungsfeldes vornehmen zu können.

Man könnte daran denken, das Bearbeitungsfeld dadurch zu vergrößern, daß das Objekt mit einem größeren Abstand zu dem Umlenkspiegel positioniert wird, so daß bei gleichem Schwenkbereich ein größeres Bearbeitungsfeld nutzbar ist. Als nachteilig erweist sich dabei jedoch, daß bei einem unveränderten Fehler der Winkelstellung ein größerer Abstand auch zugleich zu einer erhöhten Sollwertabweichung auf der Oberfläche des zu schweißenden Objektes führt. In der Praxis läßt sich das Bearbeitungsfeld daher auf diese Weise nicht vergrößern.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, daß dadurch die Bearbeitung des Objektes mit dem Laserstrahl vereinfacht wird. Dabei soll insbesondere die unerwünschte Einschränkung durch den Bearbeitungsraum weitgehend entfallen, ohne daß damit zugleich Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung verbunden sind.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Laserschweißverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Laserschweißverfahren vorgesehen, bei dem die Bewegungsparameter des Objektes erfaßt werden und daraus mittels der Steuereinheit ein Korrekturwert für die Ausrichtung des Laserstrahles bestimmt wird. Hierdurch kann das Bearbeitungsfeld, das die zum Schweißen vorgesehene Fläche begrenzt, vergrößert werden, ohne daß damit zugleich ein erhöhter Fehlereinfluß auf der Oberfläche des zu schweißenden Objektes verbunden ist. Dabei wird das Objekt relativ zu dem Laser bewegt und die dabei durch eine entsprechende Sensorik erfaßten Bewegungsparameter in die Berechnung der erforderlichen Ablenkung des Laserstrahles eingebunden. Das Objekt kann daher beliebige äußere Abmessungen aufweisen, weil das Objekt das gegenüber bekannten Laserverfahren unveränderte Bearbeitungsfeld mehrfach passieren kann, ohne daß hierzu eine jeweilige Neupositionierung oder ein Stillstand des Objektes erforderlich ist. Daher kann das Laserschweißverfahren auch in optimaler Weise in eine fließende Fertigung eingebunden werden, wobei insbesondere die Einhaltung einer Taktung nicht erforderlich ist. Ferner können eingeschränkt zugängliche Teilbereiche des zu schweißenden Objektes in eine andere Position gebracht und dort ebenfalls mit der erforderlichen Genauigkeit geschweißt werden, ohne daß dabei ein weiterer Positionierungsvorgang erforderlich ist. Die Erreichbarkeit der Schweißnaht wird zugleich erhöht, da der Laserstrahl aus unterschiedlichen Positionen auf das Objekt treffen kann. Hierdurch wird vermieden, daß der Laserstrahl durch Abschattungen nicht sein Ziel erreicht. Denkbar sind auch solche Anwendungen des Laserschweißverfahrens, bei denen das Objekt insbesondere zu Reparaturzwecken während seines Betriebes geschweißt wird, um so beispielsweise einen unerwünschten Stillstand von Industrieanlagen zu vermeiden.

Hierzu ist eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch besonders gut geeignet, daß die Geschwindigkeit des Objektes erfaßt wird. Hierdurch kann eine das Objekt tragende Transportvorrichtung wahlweise mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit betrieben werden, um so beispielsweise den Durchsatz zu erhöhen, ohne daß damit eine Beeinträchtigung der Schweißverbindung einhergeht.

Dabei ist es auch besonders vorteilhaft, wenn die Beschleunigung des Objektes erfaßt wird. Hierdurch kann das Objekt auch während des Durchganges durch den Bearbeitungsraum des Laserstrahles verzögert oder beschleunigt werden. Eine Entkopplung des Objektes von einem Fertigungsfluß ist daher nicht erforderlich, wobei das Laserverfahren zugleich bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen, bei denen ein Stillstand ausgeschlossen ist, problemlos anwendbar ist.

Dabei ist es auch besonders zweckmäßig, wenn der Laserstrahl entsprechend der erfaßten Bewegungsparameter auf dem Objekt fokussiert wird. Dadurch ermöglicht das Laserschweißverfahren einen Ausgleich für solche Anlagen, bei denen aufeinander folgende Objekte nicht lediglich in einer gemeinsamen Ebene, sondern darüber hinaus in unterschiedlichen Ebenen mit verschiedenen Orientierungen bewegt werden.

Entsprechend der so erfaßten Bewegungsbahn wird die Fokussierung derart gesteuert, daß diese mit der Oberfläche des Objektes übereinstimmt.

Hierzu ist besonders praxisnah, wenn die Leistung des Laserstrahls entsprechend der erfaßten Bewegungsparameter gesteuert wird, um so eine einfache Fokussierung, unabhängig von einer Ablenkung des Laserstrahles, herbeizuführen.

Eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die Bewegungsparameter durch einen berührungslosen Abstandssensor erfaßt werden. Hierdurch ist das Verfahren weitgehend unabhängig von der Art der Erzeugung der Vorschubbewegung des Objektes. Die Lage der hierzu beispielsweise einsetzbaren Laserabstandssensoren wird dabei so gewählt, daß das zu bearbeitende Objekt in dem Bearbeitungsfeld ständig erfaßt werden kann. Alle Änderungen und Bewegungen fließen in die Ablenkung des Laserstrahles ein, bzw. werden bei der Umsetzung des vorbestimmten Schweißprogrammes an einer entsprechenden Stelle berücksichtigt.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch geschaffen, daß die Bewegungsparameter durch einen Inkrementalgeber erfaßt werden. Hierdurch ist das Objekt oder der das Objekt bewegende Förderantrieb mit der Steuerung derart verbunden, daß Fehlereinflüsse oder eine Neupositionierung bei einem Wiederanlauf des Förderantriebes vermieden werden können. Die Lage und der Ort des Inkrementalgebers sind dabei frei wählbar, wobei die Geschwindigkeitsänderung des Objektes kontinuierlich und parallel erfaßt wird. Der Inkrementalgeber wird dabei beispielsweise über eine reibschlüssige Verbindung mit der Vorschubbewegung des Objektes gekoppelt oder unmittelbar in die Antriebseinheit des Förderantriebes integriert.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch erreicht, daß zur Ausrichtung des Laserstrahles zwei relativ zueinander bewegliche Umlenkspiegel eingesetzt werden. Hierdurch kann der den Laserstrahl emittierende Laser unbeweglich angeordnet werden, wobei die Ablenkung durch zwei vergleichsweise kleine Umlenkspiegel erfolgt. Diese insbesondere mittels eines jeweils zugeordneten Stellantriebes beweglichen Umlenkspiegel gestatten dabei eine schnelle Anpassung an schnell wechselnde Bewegungsparameter des Objektes. Beispielsweise werden dabei Umlenkspiegel mit einem Durchmesser von ca. 100 mm eingesetzt, die zur Ableitung der hohen Strahlleistung des Laserstrahles mit einer Wasserkühlung ausgestattet sein können.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Laserschweißvorrichtung mit zwei Umlenkspiegeln;

Fig. 2 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Laserschweißvorrichtung 1, bei der ein von einem nicht dargestellten Laser emittierter Laserstrahl 2 an zwei Umlenkspiegeln 3, 4 abgelenkt wird. Die Umlenkspiegel 3, 4 sind jeweils mittels einer Verstelleinheit 5, 6 um eine Achse 7, 8 schwenkbar angeordnet, die zueinander senkrecht angeordnet sind. Auf diese Weise wird durch eine entsprechende Winkelstellung der Umlenkspiegel 3, 4 jeder Punkt auf einem Objekt 9 in den Grenzen eines durch die maximalen Winkelstellungen begrenzten Arbeitsraumes 10 zuverlässig erreicht.

Ein Ablaufplan für ein Schweißverfahren für ein in Bewegung befindliches, entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Objekt 9 wird anhand der Fig. 2 näher dargestellt. Dabei wird zunächst ausgehend von einer Starterkennung 11, zur Erfassung des ankommenden Objektes, der Ablauf eines für das Objekt vorbestimmten Schweißprogrammes 12 gestartet. Mittels einer Steuerung 13 werden hierzu die Winkelstellungen der in Fig. 1 gezeigten Umlenkspiegel 3, 4 bestimmt und die Fokussierung bzw. Leistung des Laserstrahles festgelegt. Zugleich werden wesentliche Bewegungsparameter des Objektes, insbesondere mittels eines Geschwindigkeitssensors 14 oder eines Beschleunigungssensors 15, sowie die Koordinaten mittels einer Positionsbestimmung 16 des Objektes erfaßt. Aus den so gewonnenen Daten wird mittels der Steuerung 13 gegebenenfalls eine Korrektur der Winkelstellungen der Umlenkspiegel oder einer Leistungssteuerung 17 des Lasers vorgenommen. Die Bewegung wird daher mittels der Steuerung 13 ausgeglichen, so daß unbeeinflusst von den Bewegungsparametern eine gewünschte Schweißposition 18 auf der Oberfläche des zu schweißenden Objektes zuverlässig erreicht wird. Zugleich gestattet das Laserschweißverfahren eine flexible Durchführung an bewegten Objekten unter Einhaltung hoher Qualitätsanforderungen, ohne daß hierzu ein Stillstand oder die Einhaltung einer vorgegebenen Bewegungsbahn erforderlich ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Laserschweißvorrichtung

2

Laserstrahl

3

Umlenkspiegel

4

Umlenkspiegel

5

Verstelleinheit

6

Verstelleinheit

7

Achse

8

Achse

9

Objekt

10

Arbeitsraum

11

Starterkennung

12

Schweißprogramm

13

Steuerung

14

Geschwindigkeitssensor

15

Beschleunigungssensor

16

Positionsbestimmung

17

Leistungssteuerung

18

Schweißposition

Claims

1. Laserschweißverfahren, bei dem die Position eines zu schweißenden Objektes mittels einer Steuereinheit erfaßt und ein Laserstrahl, insbesondere durch Ablenkung an einem einstellbaren Umlenkspiegel, auf die gewünschte Position an dem Objekt gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsparameter des Objektes erfaßt werden und daraus mittels der Steuereinheit ein Korrekturwert für die Ausrichtung des Laserstrahles bestimmt wird.

2. Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Objektes erfaßt wird.

3. Laserschweißverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Objektes erfaßt wird.

4. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl entsprechend der erfaßten Bewegungsparameter auf dem Objekt fokussiert wird.

5. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Laserstrahls entsprechend der erfaßten Bewegungsparameter gesteuert wird.

6. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsparameter durch einen berührungslosen Abstandssensor erfaßt werden.

7. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsparameter durch einen Inkrementalgeber erfaßt werden.

8. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausrichtung des Laserstrahles zwei relativ zueinander bewegliche Umlenkspiegel eingesetzt werden.