DE102005035495B4

DE102005035495B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laser-Schweißen

Info

Publication number: DE102005035495B4
Application number: DE102005035495A
Authority: DE
Inventors: Luis González
Original assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Current assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: DE102005035495A1

Abstract

Verfahren zum Laser-Schweißen zur Verbindung von einem ersten Werkstück (104) und einem zweiten Werkstück (102), wobei das erste Werkstück zumindest eine Ausnehmung (106) zur Aufnahme eines Vorsprungs (105) des zweiten Werkstücks hat, mit folgenden Schritten:
– Zusammenfügen der ersten und zweiten Werkstücke, so dass der Vorsprung des zweiten Werkstücks in die Ausnehmung des ersten Werkstücks ragt,
– Beaufschlagung des Vorsprungs mit einer Laser-Energie, wobei eine Höhe des Vorsprungs gemessen wird, um daraus die für die Beaufschlagung des Vorsprungs erforderliche Laser-Energie zu berechnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Schweißen sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zum Laser-Schweißen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Laser-Schweißen und Laser-Schneiden bekannt.

Aus der JP 2001 27 6987 ist ein Verfahren zum Laser-Schneiden bekannt, bei dem die verbleibende Restdicke mit einem auf der Rückseite des bearbeiteten Materials angeordneten Ultraschallsensors gemessen wird.

Aus der JP 2002 32 80 17 ist ein Verfahren zum Laser-Bohren bekannt, bei dem die Bohrtiefe mit Hilfe der Transmissionszeit von Vibrationswellen bestimmt wird.

Aus WO 2004 04 1473 ist ein Verfahren zur Laser-Bearbeitung eines Werkstücks bekannt, bei dem mit Hilfe eines Ultraschall-Messgeräts der Abstand zwischen dem Laserkopf und dem Werkstück gemessen wird.

Aus der JP 2001 00 4354 ist ein Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem mit Hilfe eines Ultraschall-Messverfahrens die zu bearbeitende Fläche des Werkstücks ermittelt wird.

Aus der JP 09 23 9576 ist ein Verfahren bekannt, bei dem während der Laser-Bearbeitung die Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks gemessen wird.

Aus der US 5,883,356 ist ein Verfahren zur Vorschwächung einer Airbagklappenöffnung bekannt, bei dem die für die Vorschwächung erforderliche Laser-Energie vor dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang mit Hilfe eines Materialparameters berechnet wird.

Aus der US 5,503,256 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags für eine Trommelbremse bekannt, bei dem ein erstes, gekrümmtes und mit Ausnehmungen versehenes Blechteil auf ein zweites Blechteil aufgesetzt wird, das eine an die Krümmung des ersten Blechteils angepasste Stirnseite aufweist und mit einer Vielzahl von stirnseitig abragenden Zähnen versehen ist, die in die Ausnehmungen des ersten Blechteils hineinragen. Anschließend wird das erste Blechteil mit dem zweiten Blechteil im Bereich der Zähne und der Ausnehmungen miteinander verschweißt, wobei ein Laser zur Erzeugung der Schweißnaht eingesetzt wird.

Aus der EP 0212 656 ist ein Verfahren zum Verbinden zweier unterschiedlicher Materialien bekannt, bei dem vorgesehen ist, ein erstes, Material, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, mit einem zweiten Material zu verbinden, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist oder ggf. nicht schmelzbar ist. Um eine belastbare Verbindung der Materialien verwirklichen zu können, ist vorgesehen, dass das zweite Material mit Ausnehmungen versehen wird und auf das erste Material aufgelegt wird. Anschließend wird das erste Material im Bereich der Ausnehmungen des zweiten Materials mit Hilfe einer Laserlichtquelle lokal aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Material wird zumindest teilweise durch einen geeigneten, für das Laserlicht transparenten Dorn derart verdrängt, dass es durch die Ausnehmung hindurch auf die andere Seite des zweiten Materials gelangt und nach einem Abkühlvorgang eine form- und gegebenenfalls stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Material ausbildet.

Eine für das Laserschweißen von Kunststoffen übliche Technik ist das sogenannte Überlappungsschweißen. Die beiden zu verbindenden Werkstücke werden übereinander angeordnet. Das obere der beiden Werkstücke ist für den verwendeten Laserstrahl transparent, während das untere der beiden Werkstücke den Laserstrahl absorbiert. Dadurch entsteht eine Schmelzung im Inneren des Bauteils, ohne dass die Bauteiloberfläche beeinflusst wird. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass eine solche Schweißverbindung keinen hohen Kräften und Dauerbelastungen Stand halten kann.

Für das Laserschweißen von Metallblechen wird üblicherweise ein CO₂-Laserstrahl-Schweißverfahren eingesetzt. Die Energie des Laserstrahls wird dabei auf einen Brennpunkt von ungefähr 0,1 bis 0,2 mm Durchmesser gebündelt, so dass sich der zu schweißende Werkstoff im Brennpunkt über die Schmelz- und Verdampfungstemperatur hinaus bis in den Plasmazustand erhitzt. Es bildet sich eine tief in den Werkstoff eindringende Kapillare, das sogenannte "Key Hole". An der Innenwandung des Key Holes liegt eine dünne, schmelzflüssige Werkstoffphase an. Der Schweißprozess entsteht dadurch, dass der Brennpunkt und damit das Key Hole, entlang der beabsichtigten Nahtlinie am zu schweißenden Bauteil geführt wird. Nachteilig ist hierbei, dass dieses Verfahren relativ aufwendig ist.

Der Erfindung liegt dem gegenüber die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Laser-Schweißen zu schaffen, insbesondere für das Verschweißen von Kunststoffen und/oder Metallen.

Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden zwei Werkstücke miteinander verschweißt, indem ein Vorsprung eines der Werkstücke in eine entsprechende Ausnehmung des anderen Werkstücks eingeführt wird. Nachdem die beiden Werkstücke so zusammengefügt worden sind, wird der Vorsprung mit einer Laser-Energie beaufschlagt, wobei eine Höhe des Vorsprungs gemessen wird, um daraus die für die Beaufschlagung des Vorsprungs erforderliche Laser-Energie zu berechnen, so dass die beiden Werkstücke im Bereich der Ausnehmung bzw. des Vorsprungs miteinander verbunden werden.

Dieses Verfahren eignet sich zum Verschweißen von Kunststoffteilen sowie auch zum Verschweißen von Metallteilen oder Werkstücken aus einem Materialgemisch oder einer Sandwich-Bauweise. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Verschweißen von Kunststoffteilen, Metallteilen, sowie von Holz, Textilien und/oder Lederteilen oder Teilen aus Gemischen oder Schichtungen verschiedener Materialien verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass auf kostengünstige Art und Weise eine qualitativ hochwertige Schweiß-Verbindung geschaffen werden kann, die relativ hohen Kräften und Dauerbelastungen Stand hält, wie sie zum Beispiel für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich auftreten.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Vorsprung des Werkstücks stiftförmig ausgebildet. Die entsprechende Ausnehmung des anderen Werkstücks hat dem entsprechend vorzugsweise die Form eines Durchgangslochs. Die Länge des Vorsprungs ist vorzugsweise etwas größer als die Länge des Durchgangslochs, so dass der Vorsprung vor dem Schweißvorgang etwas aus dem Durchgangsloch über die Oberfläche des Werkstücks hinausragt. Aufgrund des Laser-Schweiß-Vorgangs wird dann die Höhe des Vorsprungs durch Materialabtragung und/oder abschmelzen reduziert.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Vorsprung rippenförmig ausgebildet. Dementsprechend ist die Ausnehmung in dem anderen Werkstück schlitzförmig ausgebildet, um den rippenförmigen Vorsprung aufnehmen zu können. Nach dem Zusammenfügen der beiden Werkstücke ragt die Rippe durch die schlitzförmige Ausnehmung hindurch, so dass sie über der Oberfläche des Werkstücks mit der Ausnehmung hervorsteht. Durch die Beaufschlagung des rippenförmigen Vorsprungs mit einer Laserenergie während des Laser-Schweiß-Vorgangs wird die Höhe der Rippe reduziert.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die miteinander zu verbindenden Werkstücke mehrere Vorsprünge bzw. Ausnehmungen, die gleiche oder verschiede ne Formen haben können. Beispielsweise sind einige der Vorsprünge stiftförmig, während andere Vorsprünge rippenförmig ausgebildet sind.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat eines der Werkstücke mehrere Vorsprünge, die mit dem anderen Werkstück zu verschweißen sind. Wenn die Vorsprünge unterschiedlich sind, beispielsweise hinsichtlich ihrer Höhe und/oder ihres Materials, so sind für jeden der Vorsprünge entsprechende Datenwerte zur Spezifizierung der jeweils erforderlichen Laser-Energie gespeichert.

Die jeweils erforderlichen Laser-Energiewerte werden durch Berechnung ermittelt. Vor dem Laser-Schweißvorgang die Höhen der Vorsprünge gemessen. Für jeden der Vorsprünge gibt es eine Soll-Höhe nach der Laser-Verschweißung. Aus der jeweiligen Höhendifferenz und dem jeweiligen Materialparameter wird für jeden Vorsprung die Laser-Energie bzw. die erforderliche Beaufschlagungszeit mit einem Laser vorgegebener Leistung berechnet und gespeichert

Die Berechnung dieser Datenwerte kann vor jedem Laser-Schweiß-Vorgang erfolgen. Bei standardisierten Werkstücken, die nicht zu große Toleranzen aufweisen, genügt die einmalige Bestimmung der Datenwerte, auf die dann für jeden Schweiß-Vorgang wieder zurück gegriffen werden kann.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Höhe des Vorsprungs während des Laser-Schweiß-Vorgangs fortlaufend gemessen. Die gemessene Ist-Höhe des Vorsprungs wird mit einem Abbruch-Kriterium verglichen. Bei dem Abbruch-Kriterium handelt es sich beispielsweise um eine Soll-Höhe des Vorsprungs. Sobald die Ist-Höhe des Vorsprungs die gewünschte Soll-Höhe erreicht hat, wird der Laserstrahl abgeschaltet, bzw. auf den nächsten zu bearbeitenden Vorsprung gerichtet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Ultraschall-Sensor für die Messung der Höhe des Vorsprungs verwendet. Dabei kann der Ultraschall-Sensor sowohl für eine Messung vor dem Laser-Schweißen als auch während des Laser-Schweißens verwendet werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem ersten Werkstück um ein Unterteil einer Instrumententafel und bei dem zweiten Werkstück um ein Oberteil einer Instrumententafel. Beispielsweise hat das Oberteil rippenförmige Vorsprünge, die in entsprechende Schlitze des Unterteils der Instrumententafel eingeführt werden können. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die resultierenden Schweißstellen nicht vom Kraftfahrzeug-Innenraum her sichtbar sind.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem ersten Werkstück um einen Luftkanal, wie zum Beispiel einen Luftkanal einer Autoklimaanlage oder einen Defrostkanal, und bei dem zweiten Werkstück um eine Instrumententafel. Vorzugsweise wird der Luftkanal mit der Rückseite der Instrumententafel verschweißt. Der Luftkanal ist aufgrund der in Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretenden Vibrationen relativ hohen Dauerbelastungen an seinen Schweißstellen ausgesetzt. Hier ist die Erfindung besonders vorteilhaft, da die erfindungsgemäß verschweißten Bauteile diesen Dauerbelastungen Stand halten können.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit computerausführbaren Instruktionen zur Steuerung eines Laser-Schweiß-Vorgangs zur Verbindung von ersten und zweiten Werkstücken, wobei das erste Werkstück zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Vorsprungs des zweiten Werk stücks hat. Durch die computerausführbaren Instruktionen ist ein Laser ansteuerbar, um den Vorsprung mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, bis ein Abbruch-Kriterium erfüllt ist. Bei dem Abbruch-Kriterium handelt es sich um Computerausführbare Instruktionen, zur Erfassung einer Höhe des Vorsprungs und zur Berechnung der Laser-Energie aus der Höhe des Vorsprungs und aus einem gespeicherten materialparameter. Zusätzlich kann es sich bei dem Abbruch-Kriterium um eine Soll-Höhe des Vorsprungs handeln, wobei während des Laser-Schweiß-Vorgangs kontinuierlich oder in Zeitintervallen die Ist-Höhe des Vorsprungs gemessen und mit der Soll-Höhe verglichen wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Laser-Schweißen.

Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein Sensor für die Messung der Höhe des Vorsprungs und ein Laserkopf auf derselben Seite der zusammengefügten Werkstücke angeordnet. Dies ist insbesondere für das Verschweißen von rippenförmigen Vorsprüngen vorteilhaft, da dann der Sensor mit dem Laserkopf in einer gemeinsamen translatorischen Bewegung entlang der Rippe geführt werden kann, wobei zunächst eine Höhenmessung durch den Sensor erfolgt und daraufhin eine entsprechende Beaufschlagung mit der aus der Höhe berechneten Laser-Energie durch den Laserkopf. Vorzugsweise sind der Sensor und der Laserkopf hierzu an denselben Roboterarm angeordnet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Sensor für die Messung der Höhe des Vorsprungs und der Laserkopf auf gegenüberliegenden Seiten der zusammengefügten ersten und zweiten Werkstücke angeordnet. Dies ist insbesondere vorteilhaft für das Verschweißen von stiftförmigen Vorsprüngen. In diesem Fall kann der Sensor auf der der Bearbeitungsfläche des Vorsprungs, die mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird, abgewandten Seite der zusammengefügten Werkstücke angeordnet sein.

Im weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laser-Schweißen,
2 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Berechnung der erforderlichen Laser-Energie,
4 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 ein Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
9 die Rückseite einer Instrumententafel mit stiftförmigen Vorsprüngen,
10 einen Luftkanal mit Befestigungszungen, die Durchgangslöcher zur Aufnahme der stiftförmigen Vorsprünge aufweisen,
11 den an die Rückseite der Instrumententafel geschweißten Luftkanal,
12 die Unterseite einer Instrumententafel mit schlitzförmigen Ausnehmungen,
13 die Oberseite der Instrumententafel mit rippenförmigen Vorsprüngen,
14 die zusammengefügten Ober- und Unterseiten der Instrumententafel,
15 die miteinander verschweißten Ober- und Unterseiten der Instrumententafel.
Die 1 zeigt ein Bauteil 100, welches durch Verschweißen eines Werkstücks 102 und eines Werkstücks 104 gebildet werden soll.
Das Werkstück 102 hat Vorsprünge 105, die zum Beispiel stiftförmig ausgebildet sind. Das Werkstück 104 hat entsprechende Ausnehmungen 106, die zum Beispiel als Durchgangslöcher ausgebildet sind. Die Vorsprünge 105 sind so ausgebildet, dass sie nach dem Zusammenfügen der Werkstücke 102, 104 über die äußere Oberfläche des Werkstücks 104 hervorstehen.
Die Werkstücke 102 und 104 werden zusammengefügt, indem die Vorsprünge 105 in die Ausnehmungen 106 eingeführt werden. Um die zusammengefügten Werkstücke 102, 104 in dieser Bearbeitungsposition zu halten, können sie durch eine geeignete, in der 1 nicht gezeigte Vorrichtung gehalten werden.
In der Bearbeitungsposition befinden sich die Vorsprünge 105 des Werkstücks 102 an den Positionen A, B, ... der in der 1 gezeigten Laser-Schweiß-Anlage. Vor der Laser-Bearbeitung stehen die Vorsprünge 105 über der Oberfläche des Werkstücks 104 hervor, wie es beispielsweise für den Vorsprung 105 an der in der 1 gezeigten Position B gezeigt ist. Der Vorsprung 105 an der Position B hat vor dem Laser-Schweißen eine Ist-Höhe h_B relativ zu der äußeren Oberfläche des Werkstücks 102.
Das Werkstück 104 kann aus einem beliebigen Material, einer Materialschichtung oder einer Materialmischung bestehen. Beispielsweise besteht das Werkstück 104 aus Metall, Kunststoff, Holz, Leder, einem textilen Material und/oder einer Mischung oder Schichtung solcher Materialien. Entsprechendes gilt für das Werkstück 102, wobei zumindest dessen Vorsprünge 105 aus einem Material gebildet sein müssen, welches durch die Beaufschlagung mit einer Laser-Energie schmelzbar ist.
Die Laser-Schweiß-Anlage hat einen Laserkopf 108, der an einem Arm 110 eines Roboters befestigt ist. Durch den Arm 110 wird der Laserkopf 108 so positioniert, dass sich der Brennpunkt des Laserstrahls 111 in etwa auf der zu bearbeitenden Stirnfläche des Vorsprungs 105 befindet. Dies ist in der 1 für die Position B dargestellt.
Die Laser-Schweiß-Anlage hat ferner einen Sensor 112 zur Messung einer Materialdicke. Diese Messung dient zur Ermittlung der Ist-Höhe h_i des zu bearbeitenden Vorsprungs 105 an einer Position i. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor 112 um einen Ultraschall-Sensor handeln.
Der Sensor 112 ist an einem Arm 114 des Roboters angeordnet. Durch den Roboterarm 114 kann der Sensor 112 in x-Richtung von einer Position zur nächsten bewegt werden.
Die Steuerung des Roboters erfolgt über eine Robotersteuerung 116.
Ferner hat die Laser-Schweiß-Anlage eine Steuerung 118 für die Steuerung des Schweißvorgangs. Die Robotersteuerung 116 kann einen integralen Bestandteil der Steuerung 118 bilden oder als separate Einheit ausgebildet sein.
Die Steuerung 118 hat zumindest einen Mikroprozessor 120 zur Ausführung von verschiedenen Programmmodulen, wie zum Beispiel der Programmmodule 122, 124 und 126.
Das Programmmodul 122 dient zur Auswertung eines von dem Sensor 112 gelieferten Messsignals 128. Das Messsignal 128 repräsentiert die Dicke des Werkstücks 102 an der jeweiligen Position in vertikaler Richtung und ist damit ein Maß für die Ist-Höhe h_i an der betreffenden Position i. Ein die Ist-Höhe repräsentierender Datenwert 132 wird von dem Programmmodul 122 ausgegeben und in das Programmmodul 124 eingegeben. Das Programmmodul 124 greift auf einen Speicher 134 zu, in dem eine Tabelle 136 gespeichert ist.
Die Tabelle 136 beinhaltet für jede der zu bearbeitenden Positionen A, B, ... einen entsprechenden Materialparameter P_A, P_B, ... sowie eine entsprechende Soll-Höhe H_A, H_B, ... Das Programmmodul 124 greift auf den Eintrag der Tabelle 136 für die aktuelle Position i zu, um den Parameter P_i und die Soll-Höhe H_i auszulesen. Aus der durch den Datenwert 132 angegebenen Ist-Höhe h_i, der Soll-Höhe H_i und dem Materialparameter P_i berechnet das Programmmodul 124 dann die Energie E_i für die Position i.
Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die Differenz aus der Ist-Höhe h_i und der Soll-Höhe H_i gebildet wird. Diese Differenz wird sodann mit den Materialparameter P_i multipliziert, woraus sich für die Position i erforderliche Laser-Energie E_i ergibt. Diese wird dann von dem Programmmodul 124 in der Tabelle 136 in dem Tabelleneintrag für die Position i gespeichert. Anstelle eines linearen Zusammenhangs für die Berechnung der Laser-Energie E_i kann auch ein komplexeres Modell für die Berechnung der erforderlichen Laser-Energie E_i verwendet werden.
Das Programmmodul 126 dient zur Ansteuerung des Laserkopfes 108 bzw. des Lasers, um den zu bearbeitenden Vorsprung 105 an der Position i mit der zuvor berechneten Energie E_i zu beaufschlagen. Wenn ein Laser einer vorgegebenen Leistung verwendet wird, bedeutet dies, dass der Laser durch das Programmmodul 126 für eine entsprechende Zeit eingeschaltet wird.
Vor der Beaufschlagung des Vorsprungs 105 an einer Position i mit der Laser-Energie wird der Laserkopf 108 durch den Arm 110 an die Position i bewegt. Hierzu erhält die Robotersteuerung 116 ein Positionssignal 130 von der Steuerung 118, welches die gewünschte Position i spezifiziert. Die Robotersteuerung 116 liefert ein Positionssignal 131, welches die Ist-Position des Laserkopfes 108 und/oder des Sensors 112 angibt.
Zum Verschweißen der Werkstücke 102 und 104 kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: Zunächst werden die Laser-Energie-Werte E_i an den Positionen i = A, i = B, ... ermittelt. Hierzu erhält die Robotersteuerung 116 die Positionssignale 130, welche die entsprechenden Positionen i spezifizieren. Aufgrund dessen wird der Sensor 112 durch den Arm 114 an die Positionen A, B, ... gebracht. An jeder dieser Positionen wird die Ist-Höhe h_i gemessen und zu der Steuerung 118 übertragen, wo das entsprechende Messsignal 128 durch das Programmmodul 122 ausgewertet wird und auf dieser Basis durch das Programmmodul 124 mit Hilfe der Tabelle 136 die Laser-Energie-Werte E_i berechnet und gespeichert werden.
Für die nachfolgende Laser-Bearbeitung zum Verschweißen der Werkstücke 102 und 104 erhält die Robotersteuerung 116 erneut die Positionssignale 130, um den Laserkopf 108 mit Hilfe des Arms 110 an die entsprechenden Positionen i zu bringen. Sobald sich der Laserkopf 108 an einer gewünschten Position i befindet, erfolgt durch das Programmmodul 126 eine Ansteuerung, so dass der Vorsprung 105 an dieser Position i mit der Laser-Energie E_i beaufschlagt wird. Dadurch wird der Vorsprung 105 an der Position i in etwa auf die gewünschte Soll-Höhe H_i gebracht.
Die 1 zeigt das Bauteil 100 nachdem der Laser-Schweiß-Vorgang an der Position A bereits abgeschlossen worden ist. Wie aus der 1 ersichtlich, hatte der Vorsprung 105 an der Position A zunächst eine Höhe h_A, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. Aufgrund der Beaufschlagung mit der Laser-Energie E_A ist der Vorsprungs 105 auf seine Soll-Höhe H_A abgeschmolzen, so dass die Werkstücke 102 und 104 an der Position A miteinander verschweißt worden sind.
Die 1 zeigt den Laserkopf 108, nachdem er in die Position B gebracht worden ist. In dieser Position erfolgt eine Ansteuerung des Lasers durch das Programmmo dul 126, um den Vorsprung 105 an der Position B mit der zuvor berechneten Laser-Energie E_B zu beaufschlagen, um den Vorsprung 105 auf dessen Soll-Höhe H_B abzuschmelzen.
Alternativ kann die Laser-Schweiß-Anlage auch ohne eine zuvorige Berechnung der Laser-Energien E_i an den verschiedenen Positionen i betrieben werden. In diesem Betriebsmodus erhält die Robotersteuerung 116 wiederum die Positionssignale 130. Aufgrund der Positionssignale 130 werden der Sensor 112 und der Laserkopf 108 jeweils an dieselbe Position i gebracht. Der Laser wird daraufhin von dem Programmmodul 126 eingeschaltet. Während der nachfolgenden Beaufschlagung des Vorsprungs 105 an der Position i werden von dem Sensor 112 fortlaufend Messsignale 128 abgegeben, die von dem Programmmodul 122 ausgewertet werden. In diesem Betriebsmodus vergleicht das Programmmodul 124 den die Ist-Höhe h_i repräsentierenden Datenwert 132, der von dem Programmmodul 122 geliefert wird, mit der entsprechenden Soll-Höhe H_i, die in der Tabelle 126 gespeichert ist. Sobald die Ist-Höhe h_i die Soll-Höhe H_i erreicht hat, ist das Abbruch-Kriterium erfüllt, so dass das Programmmodul 124 ein entsprechendes Signal an das Programmmodul 126 abgibt, woraufhin das Programmmodul 126 den Laser abschaltet und die Position i inkrementiert.
Die 2 zeigt ein entsprechendes Flussdiagramm. In dem Schritt 200 werden die Werkstücke, aus denen das herzustellende Bauteil gebildet werden soll, zusammengefügt, indem die Vorsprünge des einen Werkstücks in die entsprechenden Ausnehmungen des anderen Werkstücks eingeführt werden. Die zusammengefügten Bauteile werden in der Laser-Schweiß-Anlage fixiert, so dass sich die Vorsprünge an Position A, B, ... befinden.
In dem Schritt 202 wird ein Laserkopf an die Position i = A gebracht. Die zur Bearbeitung an dieser Position i erforderliche Laser-Energie E_i wird aus dem Speicher der Steuerung ausgelesen (Schritt 204). Danach erfolgt in dem Schritt 206 eine Beaufschlagung des Vorsprungs mit der Laser-Energie E_i. In dem Schritt 208 wird die Position i inkrementiert und die Ablaufsteuerung geht zu dem Schritt 202 zurück.
Diese Vorgehensweise setzt voraus, dass vor dem Beginn des Laser-Schweiß-Vorgangs bereits die Laser-Energien E_i ermittelt und durch entsprechende Datenwerte in dem Speicher der Steuerung abgespeichert worden sind.
Die 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Bestimmung dieser Laser-Energien E_i. In dem Schritt 300 werden die Werkstücke, wie in dem Schritt 200 der 2, zusammengefügt und in der Laser-Schweiß-Anlage fixiert. In dem Schritt 302 wird der Sensor an die Position i = A gebracht, um dort die Ist-Höhe h_i zu messen (Schritt 304). In dem Schritt 306 wird auf den für die Position i gespeicherten Materialparameter P_i und die Soll-Höhe H_i zugegriffen, um daraus mit Hilfe der gemessenen Ist-Höhe h_i die Laser-Energie E_i zu berechnen und zu speichern. Falls die Materialparameter und die Soll-Höhen für alle Positionen i identisch sind, braucht dementsprechend nur ein einziger Parameter gespeichert zu werden, um aus der Ist-Höhe h_i zum Beispiel durch Multiplikation die Laser-Energie E_i zu erhalten.
In dem Schritt 308 wird die Position i inkrementiert und die Ablaufsteuerung geht zu dem Schritt 302 zurück, um die Laser-Energie E_i für die nächste Position zu ermitteln.
Die 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine zuvorige Berechnung der Laser-Energie nicht erforderlich ist.
In dem Schritt 400 werden die Werkstücke, aus denen das Bauteil gebildet werden soll, zusammengefügt, wie das auch in den Schritten 200 und 300 der 2 bzw. 3 der Fall ist.
In dem Schritt 402 werden sowohl der Sensor als auch der Laserkopf an die erste Bearbeitungsposition i = A gebracht. In dem Schritt 404 wird der Laser eingeschaltet. In dem Schritt 406 wird die Ist-Höhe h_i des Vorsprungs fortlaufend gemessen, beispielsweise durch Abtastung der von dem Sensor gelieferten Messwerte.
In dem Schritt 408 wird die gemessene Ist-Höhe h_i mit der vorgegebenen Soll-Höhe H_i verglichen. Wenn die Ist-Höhe h_i noch oberhalb der Soll-Höhe H_i liegt, so geht die Ablaufsteuerung zu dem Schritt 406 zurück. Sobald die Ist-Höhe h_i die Soll-Höhe H_i erreicht hat, geht die Ablaufsteuerung zu dem Schritt 410, um den Laser abzuschalten. Die Position i wird in dem Schritt 412 inkrementiert und die Ablaufsteuerung geht zu dem Schritt 402 zurück, um den Laser-Schweiß-Vorgang für die nächste Position i durchzuführen.
Die Soll-Höhe H_i kann in einem Speicher abgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich wird die Soll-Höhe H_i an der Position i durch den Sensor gemessen. Dies kann so erfolgen, dass die Höhe der äußeren Oberfläche des Werkstücks 104 (vgl. 1) gemessen wird, mit der der Vorsprung 105 nach dem Laser-Schweiß-Vorgang ja in etwa eine Ebene bilden soll.
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Laser-Schweiß-Anlage der 1. Elemente der 5, die Elementen der 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 5 zeigt einen Vorsprung 105 des Werkstücks 102, der rippenförmig ausgebildet ist, während des Laser-Schweiß-Vorgangs. Der Vorsprung 105 befindet sich in einem entsprechenden Schlitz des Werkstücks 104. Durch den Sensor 112 wird die Höhe des rippenförmigen Vorsprungs 105 erfasst; unmittelbar nachfolgend wird der rippenförmige Vorsprung mit einer entsprechenden Laser-Energie beaufschlagt, so dass er in etwa bis auf die Höhe der Oberfläche des Werkstücks 104 abschmilzt. Hierzu sind der Laserkopf 108 und der Sensor 112 an demselben Arm 144 des Roboters angeordnet, so dass der Sensor 112 und der Laserkopf 108 zusammen beispielsweise in x-Richtung fortbewegt werden können, wobei der Sensor 112 die zu bearbeitenden Positionen vor dem Laserkopf 108 passiert.
Der Betrieb der Laser-Schweiß-Anlage kann hier wie folgt erfolgen: Der Sensor 112 wird durch die Robotersteuerung 116, die ein entsprechendes Positionssignal 130 von der Steuerung 118 erhält, an die Position i gebracht, das heißt an den Anfang des rippenförmigen Vorsprungs 105. Die Höhe des Vorsprungs wird gemessen und der Sensor 112 wird zusammen mit dem Laserkopf 108 in x-Richtung bewegt. Das zuvor von dem Sensor 112 gelieferte Messsignal 128 wird von dem Programmmodul 122 ausgewertet, um einen Datenwert 132 zu liefern, der die Ist-Höhe des rippenförmigen Vorsprungs 105 an der Position i angibt.
Aus diesem Datenwert 132 wird durch das Programmmodul 124 eine Vorschubgeschwindigkeit für den Laserkopf 108 berechnet und an das Programmmodul 126 übergeben. Dieser Vorgang, das heißt die Messung der Ist-Höhe durch den Sensor 112 bei gleichzeitigem Vorschub des Laserkopfes 108 und des Sensors 112 erfolgt fortlaufend, wobei die Vorschubgeschwindigkeit aufgrund der gemessenen Ist-Höhe reguliert wird.
Wenn sich beispielsweise die Ist-Höhe vergrößert, wird die Vorschubgeschwindigkeit verringert, da mehr Material bei gleichbleibender Laserleistung abzuschmelzen ist. Nimmt dagegen die Ist-Höhe ab, so wird die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend gesteigert. Zur Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit können in dem Speicher 134 ein oder mehrere Parameter abgespeichert sein. Wenn das Material der rippenförmigen Vorsprünge 105 überall identisch ist, reicht die Speicherung eines einzigen Materialparameters aus.
Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laser-Schweiß-Anlage. Elemente der 6, die Elementen der 1 entsprechen oder 5 entsprechen, sind wiederum mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der Ausführungsform der Laser-Schweiß-Anlage der 6 sind mehrere Sensoren 112 an fest vorgegebenen Positionen angeordnet. Das aus den Werkstücken 102 und 104 zusammengefügte Bauteil 100 wird in der Laser-Schweiß-Anlage so positioniert, dass sich die Vorsprünge 105 an den durch die Sensoren 112 vorgegebenen Positionen i befinden. Durch jeden der Sensoren 112 kann also die Ist-Höhe h_i an der entsprechenden Position i gemessen werden. Eine Relativbewegung der Sensoren 112 und der Vorsprünge 105 erübrigt sich daher bei dieser Ausführungsform.
Der Laserkopf 108 ist an einem Manipulator 146 angeordnet, durch den der Laserkopf 108 in x- und/oder y-Richtung verfahren werden kann. Der Manipulator 146 wird von der Steuerung 118 mit Hilfe der Positionssignale 130 angesteuert.
Nach jedem Schweiß-Vorgang wird der Laserkopf 108 zu der nächsten Position beispielsweise in x-Richtung weitergefahren.
Nachdem beispielsweise zwei benachbarte Positionen durch den Laser 108 verschweißt worden sind, kann es vorteilhaft sein, diese für einen bestimmten Zeitraum durch einen Stempel 148 zusammenzudrücken, solange bis das geschmolzene Material der Vorsprünge 105 erstarrt ist.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Laser-Schweiß-Anlage, bei der im Unterschied zur Ausführungsform der 6 der Manipulator 146 als sechsachsiger Roboter ausgebildet ist. Die Robotersteuerung ist wie in der Ausführung der 6 in die Steuerung 118 integriert.
Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Laser-Schweiß-Anlage, bei der im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1, 5, 6 und 7 der Laserkopf 108 ortsfest ist, wohingegen das Bauteil 100 von dem Manipulator 146 gehalten und zum Laser-Schweißen positioniert wird. Hierzu empfängt der Manipulator 146 von der Steuerung 118 entsprechende Positionssignale 130.
Die 9 zeigt die Rückseite einer Instrumententafel 502 aus Richtung eines Motorraums eines Kraftfahrzeugs betrachtet. Die Instrumententafel 502 hat Vorsprünge 505, die im wesentlichen senkrecht in den Motorraum hineinragen.
Die Vorsprünge 505 dienen zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einem Luftkanal 504, der in der 10 gezeigt ist. Der Luftkanal 504 hat Befestigungszungen 507, die jeweils ein Durchgangsloch zur Aufnahme der entsprechenden Vorsprünge 505 der Instrumententafel 502 aufweisen.
Die 11 zeigt den Luftkanal 504, nachdem dieser an den Vorsprüngen 505 mit de Instrumententafel 502 verschweißt worden ist.
Die 12 zeigt ein Unterteil 602 einer Instrumententafel. Das Unterteil 602 der Instrumententafel weist mehrere schlitzförmige Ausnehmungen 606 auf. Diese dienen zur Aufnahme entsprechender rippenförmiger Vorsprünge 605 eines Oberteils 604 der Instrumententafel, wie es in der 13 dargestellt ist.
Die 14 zeigt die Instrumententafel 600 nach Zusammenfügung des Unterteils 602 und des Oberteils 604. Wie aus der 14 ersichtlich, werden die rippenförmigen Vorsprünge 605 hierzu in die entsprechenden schlitzförmigen Ausnehmungen 606 eingeführt.
Die 15 zeigt die Instrumententafel 600 mit den an den Positionen A und B gebildeten Schweißstellen.

100: Bauteil
102: Werkstück
104: Werkstück
105: Vorsprünge
106: Ausnehmungen
108: Laserkopf
110: Arm
111: Laserstrahl
112: Sensor
114: Arm
116: Robotersteuerung
118: Steuerung
120: Prozessor
122: Programmmodul
124: Programmmodul
126: Programmmodul
128: Messsignal
130: Positionssignal
132: Datenwert
134: Speicher
136: Tabelle
144: Arm
146: Manipulator
148: Stempel
502: Instrumententafel
504: Luftkanal
505: Vorsprünge
507: Befestigungszungen
600: Instrumententafel
602: Unterteil
604: Oberteil
605: rippenförmige Vorsprünge
606: Ausnehmungen

Claims

Verfahren zum Laser-Schweißen zur Verbindung von einem ersten Werkstück (104) und einem zweiten Werkstück (102), wobei das erste Werkstück zumindest eine Ausnehmung (106) zur Aufnahme eines Vorsprungs (105) des zweiten Werkstücks hat, mit folgenden Schritten: – Zusammenfügen der ersten und zweiten Werkstücke, so dass der Vorsprung des zweiten Werkstücks in die Ausnehmung des ersten Werkstücks ragt, – Beaufschlagung des Vorsprungs mit einer Laser-Energie, wobei eine Höhe des Vorsprungs gemessen wird, um daraus die für die Beaufschlagung des Vorsprungs erforderliche Laser-Energie zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und/das zweite Werkstück aus Metall und/oder Kunststoff und/oder einem anderen Werkstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vorsprung stiftförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vorsprung rippenförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Ultraschall-Sensor (112) für die Messung der Höhe des Vorsprungs verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten Werkstück um ein Unterteil (602) einer Instrumententafel (600) und bei dem zweiten Werkstück um ein Oberteil (604) einer Instrumententafel handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei dem ersten Werkstück um einen Luftkanal (504) und bei dem zweiten Werkstück um eine Instrumententafel (502) handelt.
Vorrichtung zum Laser-Schweißen zur Verbindung von einem ersten Werkstück (104) und einem zweiten Werkstück (102), wobei das erste Werkstück zumindest eine Ausnehmung (106) zur Aufnahme eines Vorsprungs (105) des zweiten Werkstücks hat, mit: – Mitteln (112, 122)) zur Messung einer Höhe des Vorsprungs, – Steuerungsmittel (118) für einen Laser (108) zur Beaufschlagung des Vorsprungs mit einem Laserstrahl (11), wobei die Steuerungsmittel zur Steuerung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der gemessenen Höhe ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Mittel zur Messung einer Höhe des Vorsprungs so ausgebildet sind, dass die Messung während der Beaufschlagung des Vorsprungs mit dem Laserstrahl erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, mit Mitteln (124) zur Berechnung einer für die Verbindung der Werkstücke erforderlichen Laser-Energie, wobei die Berechnung mit Hilfe der gemessenen Höhe des Vorsprungs erfolgt, und Mitteln (134, 136) zur Speicherung eines Datenwerts zur Spezifizierung der berechneten Laser-Energie.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, mit einem Ultraschall-Sensor (112) zur Abgabe von Sensor-Signalen für die Messung der Höhe des Vorsprungs.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Sensor (112) für die Messung der Höhe des Vorsprungs und ein Laserkopf (108) des Lasers auf derselben Seite der zusammengefügten ersten und zweiten Werkstücke angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Sensor (112) für die Messung der Höhe des Vorsprungs und ein Laserkopf (108) des Lasers auf gegenüberliegenden Seiten der zusammengefügten ersten und zweiten Werkstücke angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, wobei ein Sensor (112) für die Messung der Höhe des Vorsprungs und ein Laserkopf (108) des Lasers an demselben Roboterarm (144) angeordnet sind.