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Die
Erfindung betrifft ein Laserstrahlschweißverfahren zum Verschweißen von
zwei Bauteilen, insbesondere Blechen; an einer bahnförmigen Fügestelle
mittels eines Bearbeitungslaserstrahls. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Laserschweißvorrichtung
zur Durchführung
eines vorgenannten Laserstrahlschweißverfahrens mit einer Einrichtung zum
Austreten eines Bearbeitungslaserstrahls zum Verschweißen von
zwei Bauteilen an einer Fügestelle.
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Ein
vorgenanntes Laserstrahlschweißverfahren
und eine vorgenannte Laserschweißvorrichtung sind von einem
so genannten Laserschweißen
mit fliegenden Optiken bekannt. Dabei werden zu fügende Bauteile
zunächst
in eine Spannvorrichtung eingelegt, positioniert und gespannt. Die
Spannvorrichtung muss an allen zu fügenden Bereichen der Bauteile
eine erforderliche Lage der Bauteile zueinander gewährleisten.
Ein Laserbearbeitungskopf, der auch als fliegende Optik bezeichnet
wird, befindet sich an einer Handhabeeinrichtung, zum Beispiel einem
Industrieroboter, und muss von der Handhabeeinrichtung entsprechend
einer für
eine Verschweißung
erforderlichen Genauigkeit über
die Bauteile geführt werden.
Ein mechanischer Kontakt zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück besteht
dabei nicht.
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Eine
Nahtführung
und/oder Nahtverfolgung erfolgt beim Laserschweißen mit fliegenden Optiken in
der Weise, dass Bauteiltoleranzen, welche durch die Spannvorrichtung
nicht ausgleichbar sind, durch einen Sensor erfasst werden; eine
Bahnsteuerung eines Führungssystems
des Laserbearbeitungskopfes wird dementsprechend angepasst. Grundsätzlich kann
eine komplette zu verschweißende
Fügestelle vor
einem eigentlichen Fügevorgang
gemessen und eine entsprechend angepasste Schweißbahn generiert werden. Auch
bekannt ist es, an einem Schweißwerkzeug
einen seiner Bewegung vorlaufenden Sensor anzuordnen, wobei erfasste
Abweichungen unmittelbar durch ein Führungssystem ausgeglichen werden.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass sie einerseits
zeitaufwendig sind und andererseits, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, nur
mit sehr großem
Aufwand eine präzise
Verschweißung
der Bauteile ermögliche.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Laserstrahlschweißverfahren
der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe ein Verschweißen der
Bauteile mit erhöhter
Präzision
erfolgen kann. Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für die Durchführung eines
solchen Verfahrens geeignete Laserschweißvorrichtung zu schaffen.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst
mit einem Laserstrahlschweißverfahren
der eingangs genannten Art, wobei ein Messlaserstrahl vor dem Verschweißen auf
einem die Fügestelle
aufweisenden Bereich der Oberflächen
des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils bewegt wird und wobei
Emissionen des Messlaserstrahls gemessen und zu einer Lageerkennung
der Fügestelle
ausgewertet werden.
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Durch
die Verwendung eines Messlaserstrahls und durch Messung von Emissionen,
bei denen es sich vorzugsweise um elektromagnetische Emissionen
handeln kann, des Messlaserstrahls wird mit der Erfindung vorteilhaft
eine sehr genaue Lageerkennung der Fügestelle erreicht. Dadurch
wird es ermöglicht,
den Bearbeitungslaserstrahl sehr genau zu positionieren und mit
dem Bearbeitungslaserstrahl eine exakte Schweißnaht an der Fügestelle
zu erzeugen. Zusätzlich
anfallende Messzeit, wie sie bei Verfahren nach dem Stand der Technik
auftritt, entfällt mit
der Erfindung. Zudem kann besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahren
auf Bauteilbewegungen, wie sie zum Beispiel durch Verzug auftreten
können,
während
des eigentlichen Verschweißens
kurzfristig reagiert werden. Es ist von großem Vorteil, dass mit der Erfindung
eine sehr schnelle Lageerkennung der Fügestelle erfolgen kann. Das
Verfahren eignet sich besonders zum Verschweißen von Blechen, insbesondere
von verzinkten Blechen. Vorzugsweise kann der Messlaserstrahl zunächst hinreichend
entfernt von der – zum Beispiel
eine Fuge bildenden – Fügestelle
auf das erste Bauteil gerichtet und anschließend über die Fügestelle auf das zweite Bauteil
bewegt werden. Wechselwirkungsänderungen
zwischen Messlaserstrahl und Bauteilen an der Fügestelle äußern sich in einer Änderung
der Emissionen des Messlaserstrahls; durch Messen der Emissionen
und Detektion von deren Änderung
wird die genaue Lage der Fügestelle
ermittelt. Der Bearbeitungslaserstrahl kann dann beispielsweise
an eine korrigierte Startposition bewegt und eine Schweißnaht entlang
der Fügestelle geschweißt werden.
Es ist möglich,
den beschriebenen Korrekturvorgang innerhalb des Verlaufes der Schweißnaht zu
wiederholen. Die Detektion der Änderung
der Emissionen und somit der Wechselwirkungsänderungen kann durch geeignete
Sensoren an einer Laseroptik erfolgen. Dabei können zum Beispiel Photodioden
verschiedener Wellenlängenempfindlichkeiten
und/oder Kamerasysteme und Bildauswertetechniken zum Einsatz kommen.
Bei dem Messen der Emissionen des Messlaserstrahls kann zum Beispiel
eine reflektierte Laserleistung des Messlaserstrahls gemessen werden;
allgemein kann es sich um ein Messen von elektromagnetischen Emissionen,
zum Beispiel auch Metalldampfleuchten und/oder langwelliger Wärmestrahlung,
handeln.
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Grundsätzlich könnte man
sich vorstellen, dass der Messlaserstrahl ein von dem Bearbeitungslaserstrahl
vollkommen unabhängiger
Laserstrahl ist, der beispielsweise mittels einer eigenen Laservorrichtung
erzeugt wird. Hingegen ist es von Vorteil für ein sehr einfaches Verfahren,
wenn der Messlaserstrahl mit dem Bearbeitungslaserstrahl übereinstimmt,
so dass der Bearbeitungslaserstrahl selbst als Messlaserstrahl benutzt
wird. Auf diese Weise ist zum Beispiel eine zusätzliche Laseroptik für den Messlaserstrahl
nicht erforderlich.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Messlaserstrahl
ein aus dem Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelter Laserstrahl,
so dass der Messlaserstrahl beispielsweise mittels einer eigenen
Laseroptik unabhängig
von dem Bearbeitungslaserstrahl und gegebenenfalls auch während eines
Schweißvorgangs
des Bearbeitungslaserstrahls auf den Oberflächen der zu verschweißenden Bauteile
bewegbar sein kann. Der Messlaserstrahl kann beispielsweise ein
dem Bearbeitungslaserstrahl voreilender Pilotstrahl zu einer Nahtfindung
sein.
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Insbesondere,
wenn der Bearbeitungslaserstrahl mit dem Messlaserstrahl übereinstimmt
aber gegebenenfalls auch dann, wenn der Messlaserstrahl aus dem
Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt ist, ist es von besonderem
Vorteil, wenn die Strahlleistung des Bearbeitungslaserstrahls ausgehend
von einer niedrigen Leistungsstufe auf eine höhere, einer Schweißleistung
entsprechenden Leistungsstufe gesteigert wird und wenn während der Steigerung
der Strahlleistung des Bearbeitungslaserstrahls die Emissionen des
Messlaserstrahls zur Lageerkennung der Fügestelle gemessen werden. Damit
kann – entsprechend
einer so genannten Rampenfunktion – die zu einem Hochfahren des
Bearbeitungslaserstrahls auf eine Leistungsstufe, die ein Verschweißen der
Bauteile ermöglicht,
erforderliche Zeit vorteilhaft für
die Lageerkennung der Fügestelle genutzt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren
kann vorteilhaft weiter vereinfacht und beschleunigt werden, wenn
in Abhängigkeit
von der mittels des Messlaserstrahls erkannten Lage der Fügestelle
der Bearbeitungslaserstrahl auf einen Beginn einer Schweißnaht bildenden
Punkt der Fügestelle positioniert
wird. Ist außerdem
die Ausrichtung und der Verlauf der bahnförmigen Fügestelle – zum Beispiel aufgrund geometrisch
definierter Einspannung der Bauteile in einem Werkzeug – bekannt,
ist auch der weitere Weg des Bearbeitungslaserstrahls zur Erzeugung
der Schweißnaht
festgelegt.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit
von der mittels des Messlaserstrahls erkannten Lage der Fügestelle
der Bearbeitungslaserstrahl entlang der Bahn der Fügestelle
eine Schweißnaht
bildend geführt,
wodurch zum Beispiel auch eine fortwährend angepasste Positionierung
des Bearbeitungslaserstrahls während
eines Schweißvorgangs
ermöglicht wird.
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Von
besonderem Vorteil für
die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Lageerkennung ist es, wenn
die Bewegung des Messlaserstrahls auf dem die Fügestelle aufweisenden Bereich
der Oberflächen
der Bauteile zickzackförmig
und/oder kreuzförmig
erfolgt. Dabei können
Wechselwirkungsänderungen
durch zickzackförmige
und/oder kreuzende Bewegung einer Strahlablenkung des Messlaserstrahls relativ
zu der Fügestelle
provoziert werden.
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Das
erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren
bietet vorteilhaft eine noch weiter verbesserte Präzision und
Geschwindigkeit gegenüber
herkömmlichen
Verfahren, wenn die bahnförmige
Fügestelle
ein Überlappstoß der Bauteile
ist.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Bauteile
mit einer Kehlnaht verschweißt,
wodurch eine besonders hohe Qualität aufweisende Verschweißung erreicht
werden kann.
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Vorzugsweise
wird der Bearbeitungslaserstrahl zum Verschweißen der Bauteile mittels eines schwenkbaren
Spiegels auf die Fügestelle
fokussiert. Man spricht in einem solchen Fall von Laserremoteschweißen; eine
Ablenkung des Bearbeitungslaserstrahls erfolgt dabei nur mittels
des Spiegels, wodurch eine sehr schnelle Bewegbarkeit des Bearbeitungslaserstrahls
erreicht werden kann. Dabei kann beispielsweise ein Laserbearbeitungskopf
an einer Handhabeeinrichtung, zum Beispiel einem Industrieroboter,
angeordnet sein und von der Handhabeeinrichtung über die zu verschweißenden Bauteile
geführt
werden. Eine schnelle Laserstrahlablenkung in dem Laserbearbeitungskopf
ermöglicht
eine harmonische Bahnführung
und eine Minimierung von Laserstrahlausschaltzeiten. Insbesondere
bietet die Erfindung weitere Vorteile, wenn mit dem Laserremoteschweißen die
Bauteile mit einer Kehlnaht an einem Überlappstoß verschweißt werden. Vor allem bei einem
Verschweißen
von verzinkten Blechen ermöglicht
diese Nahtform vorteilhaft eine günstige Zinkentgasung und eine
Erzeugung qualitativ sehr hochwertiger Schweißnähte ohne zusätzliche
nahtvorbereitende Maßnahmen.
Durch eine mögliche
Verkürzung von
zu verschweißenden
Flanschen kann zudem vorteilhaft eine Masseverringerung erreicht
werden.
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Die
oben zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Laserschweißvorrichtung
der eingangs genannten Art, wobei eine Messeinrichtung zum Messen
von Emissionen eines Messlaserstrahls und eine Auswerteeinrichtung
zur Auswertung der gemessenen Emissionen und Lageerkennung der Fügestelle vorgesehen
ist.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene
Integration der Messeinrichtung und der Auswerteeinrichtung kann
die Laserschweißvorrichtung
vorteilhaft besonders kompakt und zuverlässig aufgebaut sein. Die Signalübertragungswege
für Messsignale können kurz
gehalten werden, und so kann die Präzision des Laserstrahlschweißverfahrens
durch eine Minimierung von Störeinflüssen weiter
erhöht
werden.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind verschiedene
davon in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Die Zeichnung zeigt in
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1 eine
Laserschweißvorrichtung
in einer Seitenansicht,
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2 einen
Messlaserstrahl der Laserschweißvorrichtung
nach 1 in einer Seitenansicht und
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3 eine
Bahn des Messlaserstrahls nach 2 in einer
Draufsicht.
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Sich
jeweils entsprechende Elemente sind in allen Figuren mit gleichen
Bezugszeichen versehen. 1 zeigt eine Laserschweißvorrichtung 1 in
einer schematisierten Seitenansicht. Die Laserschweißvorrichtung 1 weist
eine als Lichtleitfaser 2 ausgebildete Einrichtung zum
Austreten eines Bearbeitungslaserstrahls 3 auf. Der Bearbeitungslaserstrahl 3 tritt an
einem Ende der Lichtleitfaser 2 aus. In seinem weiteren
Verlauf durchtritt der Bearbeitungslaserstrahl 3 einen
Kollimator 4 und einen Strahlteiler 5 mit Kamera.
Weiterhin wird der Bearbeitungslaserstrahl 3 an einem als
X-Y-Ablenkspiegel ausgebildeten, schwenkbaren Spiegel 6 umgelenkt
und mit einer eine Fokussierung 11 und ein Schutzglas 12 aufweisenden
Laseroptik 7 auf eine bahnförmige Fügestelle 8 eines ersten,
als Blech ausgebildeten Bauteils 9 und eines zweiten, als
Blech ausgebildeten Bauteils 10 gelenkt.
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An
der Fügestelle 8 werden
die Bauteile 9, 10 miteinander verschweißt, wobei
mittels des entlang der Fügestelle 8 geführten Bearbeitungslaserstrahls 3 eine
Schweißnaht
ausgebildet wird. Mittels des schwenkbaren Spiegels 6 wird
der Bearbeitungslaserstrahl 3 zum Verschweißen der
Bauteile 9, 10 auf die Fügestelle 8 fokussiert.
Eine seitlich des Bearbeitungslaserstrahls 3 angeordnete
Drucklufteinrichtung 13, die auch als so genannter Crossjet
bezeichnet werden kann, lenkt beim Verschweißen der Bauteile 9, 10 gegebenenfalls
auftretende Spritzer von der Laseroptik 7 weg.
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Weiterhin
weist die Laserschweißvorrichtung 1 eine
Messeinrichtung 14 mit einem Sensor 15 zum Messen
von Emissionen eines Messlaserstrahls und eine Auswerteeinrichtung 16 zur
Auswertung der gemessenen Emissionen und Lageerkennung der Fügestelle 8 auf.
In diesem Ausführungsbeispiel
stimmt der Messlaserstrahl mit dem Bearbeitungslaserstrahl 3 überein.
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Ein
Laserstrahlschweißverfahren
zum Verschweißen
der zwei oben genannten Bauteile 9, 10 an der
bahnförmigen
Fügestelle 8 mittels
des Bearbeitungslaserstrahls 3 umfasst neben einer Erzeugung
der Schweißnaht
entlang der Fügestelle 8 vorangehend
eine Lageerkennung der Fügestelle 8. Dazu
wird der Bearbeitungslaserstrahl 8 als Messlaserstrahl
vor dem Verschweißen,
das heißt
vor dem Beginn des eigentlichen Schweißvorgangs, während dessen
die Schweißnaht
ausgebildet wird, auf einem die Fügestelle 8 aufweisenden
Bereich 17 der Oberflächen
des ersten Bauteils 9 und des zweiten Bauteils 10 bewegt.
Diese Bewegung erfolgt hier beispielhaft kreuzförmig und wird durch zwei gekreuzte Doppelpfeile 18, 19 symbolisiert.
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Damit
der Bearbeitungslaserstrahl 3 als Messlaserstrahl dienen
kann, wird die Strahlleistung des Bearbeitungslaserstrahls 3 ausgehend
von einer niedrigen Leistungsstufe auf eine höhere, einer Schweißleistung
entsprechenden Leistungsstufe gesteigert. Mittels der Messeinrichtung 14 werden,
vorzugsweise elektromagnetische, Emissionen des in diesem Beispiel
mit dem Bearbeitungslaserstrahl identischen Messlaserstrahls während der
Steigerung der Strahlleistung des Bearbeitungslaserstrahls 3 gemessen.
Daraus resultierende Messergebnisse werden an die Auswerteeinheit 16 weitergeleitet
und dort durch Detektion von Änderungen
der Emissionen dahingehend ausgewertet, dass eine Lageerkennung
der Fügestelle 8 erfolgt.
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In
Abhängigkeit
von der mittels des Messlaserstrahls erkannten Lage der Fügestelle 8 wird
der Bearbeitungslaserstrahl auf einen Beginn der Schweißnaht bildenden
Punkt der Fügestelle 8 positioniert.
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Aus 2,
die den mit dem Bearbeitungslaserstrahl 3 übereinstimmenden
Messlaserstrahl der Laserschweißvorrichtung 1 nach 1 in
einer Seitenansicht aus Richtung eines Pfeiles 20 (siehe 1)
zeigt, ist zu entnehmen, dass die bahnförmige Fügestelle 8 des ersten
Bauteils 9 und des zweiten Bauteils 10 ein Überlappstoß 21 der
Bauteile 9, 10 ist. Die Bauteile 9, 10 werden
mittels einer Schweißnaht
verschweißt,
die als Kehlnaht 22 ausgebildet ist.
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3 zeigt
in einer Draufsicht auf die Bauteile 9, 10 nach 1, 2 mit
der Fügestelle 8 alternativ
eine Bewegung des mit dem Bearbeitungslaserstrahl 3 übereinstimmenden
Messlaserstrahls auf dem die Fügestelle 8 aufweisenden
Bereich 17 der Oberflächen
des ersten Bauteils 9 und des zweiten Bauteils 10 sowie
zusätzlich über diesen
Bereich 17 hinausgehend, welche Bewegung zickzackförmig erfolgt.
Während
des dabei ausgebildeten Zickzacks erfolgt sowohl eine Messung der
Emissionen des Messlaserstrahls als auch eine Steigerung der Strahlleistung
des Bearbeitungslaserstrahls 3, so dass anschließend der
Bearbeitungslaserstrahl 3 mit erreichter Schweißleistung
entlang gerader, der Fügestelle 8 folgender
Bahn die Bauteile 9, 10 in durch einen Pfeil 23 symbolisierter
Richtung verschweißen kann.
Beispielhaft beginnt die Bewegung des Messlaserstrahls an einem
Startpunkt 24, in einem folgenden Abschnitt 25 einer
Bahn des Messlaserstrahls tritt eine sich in einer Änderung
der Emissionen des Messlaserstrahls äußernde Wechselwirkungsänderung
ein, und in einem Umlenkpunkt 26 liegt ein Beginn einer
Rampenfunktion zur vollen Laserleistung vor. An einem weiteren Umlenkpunkt 27 endet
die Rampenfunktion, der Messlaserstrahl ist zum eigentlichen Bearbeitungslaserstrahl 3 geworden,
und es beginnt eine Durchschweißung
entlang der Fügestelle 3.
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- 1
- Laserschweißvorrichtung
- 2
- Lichtleitfaser
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Kollimator
- 5
- Strahlteiler
- 6
- Spiegel
- 7
- Laseroptik
- 8
- Fügestelle
- 9
- Bauteil
- 10
- Bauteil
- 11
- Fokussierung
- 12
- Schutzglas
- 13
- Drucklufteinrichtung
- 14
- Messeinrichtung
- 15
- Sensor
- 16
- Auswerteeinrichtung
- 17
- Bereich
- 18
- Doppelpfeil
- 19
- Doppelpfeil
- 20
- Pfeil
- 21
- Überlappstoß
- 22
- Kehlnaht
- 23
- Pfeil
- 24
- Startpunkt
- 25
- Abschnitt
- 26
- Umlenkpunkt
- 27
- Umlenkpunkt