DE102004050819B4

DE102004050819B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten

Info

Publication number: DE102004050819B4
Application number: DE200410050819
Authority: DE
Inventors: Sascha Dipl.-Ing. Debuan; Dirk Dr.-Ing. Lindenau
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: DE102004050819A1

Abstract

Verfahren zum Laserstrahlbearbeiten,
bei dem mehrere Laserstrahlen zu Brennpunkten fokussiert und auf mindestens ein relativ zu den Brennpunkten bewegtes Werkstück gerichtet werden,
und bei dem die Position der Brennpunkte zueinander abhängig von einer Bearbeitungsbahn gesteuert wird,
und bei dem die Lage der relativ zueinander positionierten Brennpunkte (16, 17; 20; 21) am Werkstück (5) mit mindestens einem Umlenkspiegel (12; 26, 27; 32, 33) für die Laserstrahlen (10, 11; 24, 25; 30; 31) eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Laserstrahl in Bearbeitungsrichtung (22) geführt wird während ein anderer nachlaufender Laserstrahl eine Hin- und Herbewegung quer zur Bearbeitungsrichtung (22) ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 zum Laserstrahlbearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke, insbesondere zum Verbinden von Werkstücken durch Schweißen. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind z. B. aus der Druckschrift EP 0823304 A1 , der DE 10296639 T5 , der DE 19902909 A1 , der US 5690845 A , der JP 60240395 A oder der JP 01228689 A bekannt.
Beim Laserstrahlbearbeiten von Werkstücken, wie beim Schweißen, Hartlöten, Löten, Schneiden, Bohren, Kleben, Markieren oder Beschriften, werden bewegliche Bearbeitungsköpfe eingesetzt, bei denen ein Laserstrahl mit einem Ablenksystem aus schwenkbaren Spiegeln in einer Ebene abgelenkt wird. Der Laser selbst ist ortsfest angeordnet, wobei ein Laserstrahl mittels Lichtleitkabeln oder Spiegelanordnungen zum Bearbeitungskopf geführt wird. Ein Bearbeitungskopf enthält weiterhin ein Fokussiersystem mit einer verschiebbaren Linse. Mit dem Ablenksystem und dem Fokussiersystem ist es möglich, einen Brennpunkt dreidimensional in einem Arbeitsbereich am Werkstück zu positionieren. Der Bearbeitungskopf kann an einem Arm eines Roboters angeordnet sein, wobei die Möglichkeit besteht, die Bewegung des Laserstrahles mit der des Roboterarmes zu überlagern. Beim Laserstrahlschweißen mit einer so genannten Scanneroptik zur Ablenkung des Laserstrahles wird ein einfacher runder Querschnitt im Brennpunkt verwendet.
Es ist bekannt, mehr als einen Laserstrahl zu verwenden und deren Brennflecken besonders zu formen, um beim Schweißen von Stahlwerkstoffen oder Aluminiumwerkstoffen Poren in den Schweißnähten zu vermeiden und größere Spalte zu überbrücken. Bei der bekannten Mehrstrahltechnik mit starrem Schweißkopf erfordert ein gleich bleibendes Schweißergebnis eine Ausrichtung der Brennpunkte zum Vektor der Schweißrichtung.
Aus der Druckschrift DE 199 61 918 C2 ist eine Lasermaterialbearbeitung mit mehreren Brennpunkten auf einem Werkstück bekannt, bei dem die Position der Brennpunkte und/oder die Strahlungsintensität in den Brennpunkten über ein Regelsystem werkstück- und nahtkonturabhängig gesteuert werden. Dabei werden anhand von Sensorsignalen Aktoren zum Verschieben einer Linse eines afokalen Systems betätigt, so dass sich bei einem optischen Keil die Bedingungen für eine Strahlteilung ändern. Die Ablenkung der Laserstrahlen zueinander geschieht in einer Richtung nur in einem kleinen Bereich.
In der Druckschrift US 5,690,845 ist eine Optik zur Materialbearbeitung mit einem Laser beschrieben, bei dem in Strahlrichtung vor einem Fokussiersystem räumlich getrennt ein Strahlenteiler angeordnet ist. Der Strahlenteiler besteht aus geteilten Spiegeln unterschiedlicher Form, die jeweils verschiebbar und verdrehbar sind. Damit ist es möglich, Brennpunkte während dem Vorschub eines Werkstückes hin- und hergehend oder kreisend zu bewegen. Die Bewegungsparameter, wie Amplitude und Frequenz, der Brennpunkte sind abhängig von der Spaltgeometrie zwischen zwei Werkstücken einstellbar.
Bei einem Laserschweißverfahren nach der Druckschrift US 5,841,097 wird zur Strahlteilung ein Prisma verwendet, welches in und quer zur optischen Achse verschiebbar und um die optische Achse drehbar ist. Damit ist es möglich, die Brennpunkte hinsichtlich Leistung und Position zu verstellen, so dass die Schweißnaht keine Poren aufweist und beim Schweißen keine Spritzer entstehen.
Bei dem aus dem US 5,841,097 bekannten Laserschweißverfahren wird zur Strahlteilung und Strahlablenkung ein Spiegel verwendet. Der Spiegel wird periodisch so bewegt, dass zwei Brennpunkte an einem Werkstück mit einer um 180 Grad versetzten Phase quer zu einer Naht oszillieren. Der vorauslaufende Strahl dient zum Vorheizen, während der nachlaufende Strahl das Werkstück oder die Werkstücke aufschmilzt und verschweißt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten zu entwickeln, bei denen das Schweißergebnis unabhängig von der Schweißrichtung in Bezug auf einen Bearbeitungskopf mit Strahlablenkvorrichtung ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen nach Anspruch 4.
Gemäß dem Verfahren werden Form und Lage von Brennpunkten beim Mehrstrahlbearbeiten sowohl von einem Strahlteiler- und Fokussiersystem als auch von einem übergeordneten Ablenksystem gesteuert, wobei ein Strahl in Bearbeitungsrichtung geführt wird während ein anderer nachlaufender Strahl eine Hin- und Herbewegung quer zur Bearbeitungsrichtung ausführt. Durch eine Integration eines herkömmlichen Strahlteiler- und Fokussiersystems in ein nach dem Scannerprinzip arbeitenden Bearbeitungskopf ergibt sich eine Nahtausbildung unabhängig von einer Bearbeitungsbahn.
Mit der Erfindung werden die Vorteile der Mehrstrahltechnik mit denen der Scannertechnik vereint. Beim Schweißen ergibt sich eine verbesserte Schweißqualität bei höherer Schweißgeschwindigkeit. Durch das gesteuerte oder geregelte Anpassen der Brennpunktform und/oder der Position der Brennpunkte ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten, wie Schweißen einer Naht an zwei Stellen gleichzeitig, neue Verfahren zum Füllen von Endkratern und eine adaptive Anpassung der Form der Brennpunkte an einen Fügespalt. Bereits die Verwendung von zwei Brennpunkten erlaubt ein größeres Schmelzbad als ein herkömmliches System mit wobbelndem Strahl. Somit kann leichter die Oberflächenspannung überwunden werden, die ein Schließen eines Endkraters verhindert. Weiterhin ermöglicht das Verfahren, eine Schweißnaht gleichmäßiger auszubilden, indem die Abstände der Brennpunkte adaptiv von Werkstückeigenschaften, wie der Spaltweite, eingestellt werden.
Beim Verwenden von zwei Laserstrahlen kann einer der Strahlen Aufgaben im unmittelbaren Umfeld der Schweißstelle übernehmen. Z. B. kann ein Strahl hilfsweise dazu verwendet werden, die Werkstückoberfläche zu reinigen, die Schweißstelle vor- und oder nachzuwärmen, einen Oxidhaut aufzubrechen, zu löten und eine Werkstückoberfläche zum Glätten einer Nahtschuppung oder von Oberflächenporen und zum Vermeiden von Heißrissen erneut aufzuschmelzen.
Die Unabhängigkeit des Bearbeitungsergebnisses von der Bewegungsrichtung der Laserstrahlen kann durch die Wahl einer geeigneten Brennfleckform gewährleistet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Lage von Brennpunkten durch Verdrehen entsprechend der Bearbeitungsbahn auszurichten. Schließlich können zwei Brennpunkte unabhängig voneinander hinsichtlich Leistung und Position gesteuert werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, es zeigen:
1: ein Schema einer Laserschweißvorrichtung,
2.1–2.4: mehrere Ausführungsformen von Brennflecken,
3.1–3.2: zwei Schemata zur bahngesteuerten Ausrichtung von Brennflecken,
4.1–4.2: Schemata zur Drehung eines Brennfleckes,
5, 6: Varianten zur Steuerung zweier Laserstrahlen,
7: eine Schweißvorrichtung mit zwei Abtastköpfen,
8.1–8.4: Möglichkeiten zur Füllung eines Endkraters,
9, 10: eine Strahlführung zum Nachwärmen und zum Vorwärmen und,
11: eine Variante mit gleichzeitiger Durchführung zweier Schweißprozesse.
1 zeigt ein Schema einer Laserschweißvorrichtung mit einem nach dem Scannerprinzip arbeitenden Schweißkopf 1. Der Schweißkopf 1 ist mit einem Flansch 2 an den Armen 3, 4 eines Roboters befestigt. Mit dem Roboter ist der Schweißkopf 1 frei im Raum bezüglich einer fest aufgespannten Werkstückgruppe 5 positionierbar. Am Schweißkopf 1 befindet sich eine Kupplung 6 für ein Lichtleitkabel zum Zuführen eines Laserstrahles 7. Im Schweißkopf 1 befindet sich ein Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8. Das Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 umfasst einen Motor 9 zum Verstellen eines optischen Gliedes, dessen Position die Querschnittsform, den Abstand und die Intensität der nach dem Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 bestehenden Teilstrahlen 10, 11 bestimmt. Entsprechend dem Scannerprinzip enthält der Schweißkopf 1 mindestens einen Umlenkspiegel 12, der um mindestens eine Achse 13 schwenkbar ist. Durch den Umlenkspiegel 12 werden die Teilstrahlen 10, 11 auf eine in Richtung der optischen Achse 14 bewegliche Fokussierlinse 15 gelenkt. Die Teilstrahlen 10, 11 werden zu Brennpunkten 16, 17 fokussiert, die mit dem Umlenkspiegel 12 und der Fokussierlinse 15 in einem Arbeitsbereich 18 an der Werkstückgruppe 5 positionierbar sind. Die Werkstücke der Werkstückgruppe 5 werden entlang einer Schweißbahn 19 verschweißt. Der Roboter, der Motor 9, die Antriebselemente für den Umlenkspiegel 12 und die Fokussierlinse, die Laserstrahlungsquelle und Sensoren zur Prozessüberwachung stehen mit einer Steuereinrichtung in Verbindung.
Sofern in der nachstehenden Beschreibung bereits eingeführte Bezugszeichen verwendet werden, handelt es sich um Elemente oder Symbole mit äquivalenter Funktion oder Bedeutung.
Mit dieser Laserschweißvorrichtung kann das Verfahren wie folgt durchgeführt werden:
Mit dem Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 kann ein der gewünschten Nahtgeometrie angepasste Anzahl und Querschnittsform von Teilstrahlen 10, 11 eingestellt werden. Damit ergibt sich an der Werkstückgruppe 5 eine Anordnung von Brennpunkten, deren Orientierung von der Schweißrichtung unabhängig ist. 2.1 zeigt einen im Durchmesser veränderbaren ringförmigen Querschnitt eines Brennpunktes 20. Die Brennpunktmuster nach den 2.2–2.4 ergeben sich aus drei, vier oder fünf Teilstrahlen, deren Brennpunkte 21 auf den Ecken eines regelmäßigen Dreiecks, Vierecks bzw. Fünfecks angeordnet sind.
Weiterhin kann nach dem Verfahren ein Brennpunktmuster entsprechend der Schweißbahn 19 ausgerichtet werden, was näher in den 3.1–3.2 gezeigt ist. Bei dieser Variante handelt es sich um zwei mit dem Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 erzeugte Teilstrahlen 10, 11. Die Brennpunkte 16, 17 der Teilstrahlen 10, 11 werden mittels dem Umlenkspiegel 12 so gedreht, dass sie stets zur aktuellen Schweißrichtung 22 ausgerichtet sind. Bei der Variante nach 3.1 liegen die Brennpunkte 16, 17 auf der Schweißbahn 19 bzw. tangential zur Schweißbahn 19. Bei der Variante nach der 3.2 liegen die Brennpunkte 16, 17 gleichabständig neben der Schweißbahn 19.
Die Brennpunkte 16, 17 zweier Teilstrahlen 10, 11 können so zur Schweißbahn 19 ausgerichtet werden, dass, wie in 4.1 gezeigt, beide Brennpunkte 16, 17 zusammen um eine gemeinsame Achse gedreht werden, oder dass, wie in 4.2 gezeigt, ein Brennpunkt 17 um den anderen Brennpunkt 16 gedreht wird. Bei Bedarf können auch die Abstände zwischen den Brennpunkten 16, 17 verändert werden, so dass ein Brennpunkt 16 mit einem variablen Versatz dem zweiten Brennpunkt 17 folgt. Das Ausrichten der Brennpunkte 16, 17 zueinander und zur Schweißbahn 19 wird mittels eines Aktors im Schweißkopf 1 vorgenommen, der ein optisches Element im Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 und/oder den oder die Umlenkspiegel 12 im Zusammenwirken mit den Achsantrieben des Roboters der Schweißbahn 19 nachführt. Als Aktor ist im Strahlenteiler- und Strahlenformungs-Modul 8 beispielhaft der Motor 9 vorgesehen, mit dem ein Strahlenteilerspiegel oder eine Linse verschoben und/oder verdreht wird. Der Aktor muss eine hohe Dynamik aufweisen, um besagte optische Elemente in Bruchteilen einer Sekunde positionieren zu können. Besonders geeignet sind Schrittmotoren, die direkt auf eine oder mehrere Linsen wirken.
In 5 ist eine Variante dargestellt, bei der im Schweißkopf 1 ein Strahlenteiler 23 vorgesehen ist, der zwei divergierende Teilstrahlen 24, 25 erzeugt. Jedem Teilstrahl 24, 25 ist ein eigener Umlenkspiegel 26, 27 zugeordnet. Die Orientierung der Umlenkspiegel 26, 27 ist unabhängig voneinander einstellbar.
Bei der Variante nach 6 wird kein Strahlenteiler verwendet, sondern zwei Laserstrahlenquellen 28, 29, die zwei getrennte Teilstrahlen 30, 31 auf Anforderung aussenden. Wie zu 5 beschrieben, ist jedem Teilstrahl 30, 31 ein eigener Umlenkspiegel 32, 33 zugeordnet.
In 7 ist eine Variante mit zwei nebeneinander angeordneten Schweißköpfen 34, 35 am Arm eines Roboters dargestellt. In jedem Schweißkopf 34, 35 befinden sich ein Strahlenformungs-Modul, eine Fokussieranordnung und eine Ablenkvorrichtung für einen Laserstrahl 36, 37 in einem Arbeitsbereich 18, die unabhängig voneinander arbeiten.
In den 8.1.–8.4 sind Möglichkeiten zur Nahtausbildung und zur Füllung eines Endkraters 38 zwischen zwei Werkstücken 5.1, 5.2 mit zwei Teilstrahlen 10, 11 bzw. zwei Brennpunkten 16, 17 gezeigt. Die in 8.1 gezeigte geschuppte Schweißnaht 39 wurde mit geringer Breite erzeugt, indem wechselweise nacheinander ein Brennpunkt 17 in Schweißrichtung 22 vor dem anderen Brennpunkt 16 gesetzt wurde. Bei der Variante nach 8.2 liegen die Brennpunkte 16, 17 symmetrisch zur Schweißrichtung 22, wobei beide Brennpunkte 16, 17 während der Bewegung entlang eines Spaltes 40 zwischen den Werkstücken 5.1, 5.2 synchron und phasengleich kreisen. Die dabei gebildete Schuppennaht 41 ist etwas breiter ausgebildet. 8.3 zeigt eine Möglichkeit zur Füllung eines Endkraters 38 durch Bewegen zweier Brennpunkte 16, 17 auf einer Bahn um einen auf Spaltmitte liegenden Punkt 42 herum.
Anhand der 9 und 10 ist dargestellt, dass bei Verwendung von zwei Strahlen ein Strahl eine Nebenfunktion erfüllt. Gemäß 9 wird ein Brennpunkt 16 in Schweißrichtung 22 geführt. Mit diesem Brennpunkt 16 wird eine Verbindung zwischen zwei Werkstücken hergestellt. Der Brennpunkt 17 des anderen Strahles folgt dem ersten Brennpunkt 16 in Schweißrichtung 22, wobei dieser eine hin- und hergehende Bewegung quer zur Schweißrichtung 22 ausführt. Die Schwankungsbreite der hin- und hergehenden Bewegung des Brennpunktes 17 entspricht in etwa der Nahtbreite. Mit dem nachlaufenden Brennpunkt wird die Schweißnaht zum Glätten erneut aufgeschmolzen. Gemäß 10 läuft ein Brennpunkt 17 einem zweiten Brennpunkt 16 in Schweißrichtung 22 hin- und hergehend voraus. Der voraus laufende Brennpunkt 17 dient zum Vorwärmen und Reinigen der Oberflächen zweier zu verbindender Werkstücke.
11 zeigt eine Möglichkeit der gleichzeitigen Ausführung zweier Schweißprozesse in einem Abtastfeld 43 eines Schweißkopfes 1. Die Brennpunkte zweier Teilstrahlen sind so auf Abstand gestellt, dass zwei parallele Strichnähte 44, 45 gleichzeitig ausgeführt werden können.

1: Schweißkopf
2: Flansch
3, 4: Arm
5: Werkstückgruppe
6: Kupplung
7: Laserstrahl
8: Strahlenteiler-Modul
9: Motor
10, 11: Teilstrahl
12: Umlenkspiegel
13: Achse
14: optische Achse
15: Fokussierlinse
16, 17: Brennpunkt
18: Arbeitsbereich
19: Schweißbahn
20, 21: Brennpunkt
22: Schweißrichtung
23: Strahlenteiler
24, 25: Teilstrahl
26, 27: Umlenkspiegel
28, 29: Laserstrahlungsquelle
30, 31: Teilstrahl
32, 33: Umlenkspiegel
34, 35: Schweißkopf
36, 37: Laserstrahl
38: Endkrater
39: Schweißnaht
40: Spalt
41: Schuppennaht
42: Punkt
43: Abtastfeld
44, 45: Strichnaht

Claims

Verfahren zum Laserstrahlbearbeiten, bei dem mehrere Laserstrahlen zu Brennpunkten fokussiert und auf mindestens ein relativ zu den Brennpunkten bewegtes Werkstück gerichtet werden, und bei dem die Position der Brennpunkte zueinander abhängig von einer Bearbeitungsbahn gesteuert wird, und bei dem die Lage der relativ zueinander positionierten Brennpunkte (16, 17; 20; 21) am Werkstück (5) mit mindestens einem Umlenkspiegel (12; 26, 27; 32, 33) für die Laserstrahlen (10, 11; 24, 25; 30; 31) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl in Bearbeitungsrichtung (22) geführt wird während ein anderer nachlaufender Laserstrahl eine Hin- und Herbewegung quer zur Bearbeitungsrichtung (22) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Brennpunktes (16, 17; 20; 21) mindestens eines Laserstrahles (10, 11; 24, 25; 30; 31) richtungsneutral eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Querschnittsform (20) eingestellt wird.
Vorrichtung zum Laserstrahlbearbeiten, mit einem Strahlenteiler- und Strahlformungs-Modul (8) zum Erzeugen einer der gewünschten Nahtgeometrie angepassten Anzahl und Querschnittsform von Teilstrahlen (10, 11), mit einer Ablenkvorrichtung zum Ablenken der Laserstrahlen (10, 11) auf mindestens ein Werkstück (5), mit einer Anordnung (15) zum Bilden von Brennpunkten (16, 17; 20; 21), mit einer Anordnung (9) zum Einstellen der Position der Brennpunkte (16, 17; 20; 21) relativ zueinander, und mit einer Einrichtung (3, 4) zum Relativbewegen des Werkstückes zu den Laserstrahlen (10, 11), wobei die Ablenkvorrichtung einen Umlenkspiegel (12) für die Laserstrahlen (10, 11) mit relativ zueinander positionierten Brennpunkten (16, 17; 20; 21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (12) und die Anordnung (9) zum Einstellen der Position der Brennpunkte (16, 17; 20; 21) derart ausgestaltet sind, um einen Strahl in Bearbeitungsrichtung (22) zu führen während ein anderer nachlaufender Strahl eine Hin- und Herbewegung quer zur Bearbeitungsrichtung (22) ausführt.