DE102006052827A1

DE102006052827A1 - Verfahren zur Fügung von Blechkonstruktionen durch Laserstrahlschweißen

Info

Publication number: DE102006052827A1
Application number: DE102006052827A
Authority: DE
Inventors: Paul-Michael Mickel; Gerd Wunderlich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Blechen durch Laserstrahlschweißen. Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, Überdimensionierungen der Länge der Naht zu vermeiden, indem die Nahteigenschaften während der Bearbeitung ermittelt werden und abhängig davon der weitere Verlauf der Naht dynamisch festgelegt wird. Dies ermöglicht eine Minimierung des Zuschlags für Fertigungssicherheiten zur Länge der Naht, welches zu einer Produktivitätssteigerung führt. Des Weiteren kann eine Qualitätssicherung während des Schweißens erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, insbesondere durch Laserstrahlschweißen.
Bei der Fügung von Blechen, insbesondere Karosseriebauteilen durch Laserstrahlschweißen ist die Verwendung so genannter "fliegender Optiken" üblich. Dabei befindet sich der Laserbearbeitungskopf an der Handhabeeinrichtung, insbesondere am Arm eines Industrieroboters. Der Bearbeitungskopf wird entsprechend der Vorgaben und der erforderlichen Genauigkeiten über die Bauteile geführt. Die Position, Geometrie und Länge der Nähte hängen von dem Steuerungsprogramm des Führungssystems ab und sind somit starr festgelegt.
Eine Weiterentwicklung dieser Technik ist das Laser-Remoteschweißen. Dabei ermöglicht ein an der Handhabeeinrichtung im Lauf des Laserstrahls befestigter Spiegel eine schnelle Ablenkung des Strahls und somit eine harmonischere Bahnführung, insbesondere der Handhabeeinrichtung. Ebenso reduzieren sich die Ausschaltzeiten des Lasers. Bei diesem Verfahren hängen die Position, Geometrie und Länge der Nähte von dem Steuerungsprogramm des Führungssystems und der Spiegelsteuerung ab. Sie sind somit weitestgehend festgelegt.
Schweißnähte werden entweder durchgehend oder als Steppnaht ausgeführt. Die Ausführung als durchgehende Naht erfolgt meist nur wenn entsprechende Anforderungen an die Gestaltung oder die Geschlossenheit gestellt werden. Aus ökonomischen Gründen werden Steppnähte bevorzugt. Die Nahtart und die Länge der Naht wird abhängig von den zu erwartenden Beanspruchungen festgelegt. Insbesondere beim Laserschweißen setzt sich die Nahtlänge aus drei Bestandteilen zusammen:

a) einem aus der Beanspruchung erforderlichen Teil
b) einem Sicherheitszuschlag für a)
c) einem Zuschlag für Fertigungsunsicherheiten

Sämtliche Bestandteile der Nahtlänge werden vor dem Fertigungsprozess festgelegt und in der Steuerung hinterlegt. Die Festlegung vor Produktionsbeginn führt in vielen Fällen zu überdimensionierten Verbindungen. Da der Produktionsaufwand bei der Fügung von Blechkonstruktionen, insbesondere von der Fertigungsdauer, also direkt von der Länge der Schweißnähte abhängig ist, sind Überdimensionierungen als wirtschaftlicher Nachteil zu bewerten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, Überdimensionierungen der Länge der Naht zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, insbesondere durch Laserstrahlschweißen bekannt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der. Naht während der Bearbeitung ermittelt werden und abhängig von den erfassten Eigenschaften der weitere Verlauf und die Länge der Naht dynamisch festgelegt wird. Hierdurch kann der Zuschlag zur Länge der Naht für Fertigungsunsicherheiten auf einen jeweils individuell ermittelten Betrag festgelegt und damit gegenüber den nach dem Stand der Technik allgemein gültigen Annahmen minimiert werden, woraus eine Produktivitätssteigerung resultiert. Des Weiteren kann eine Qualitätssicherung während der Produktion erfolgen, indem das Werkstück bei einem Überschreiten einer vorher festgelegten maximalen Länge der Naht als Ausschuss definiert wird.
Einige Bauteileigenschaften, insbesondere das verwendete Material oder die aus der Beanspruchung erforderliche Mindestlänge der Naht sind stets fest definiert. Üblich ist ebenso die Definition der produktionsbedingten Eigenschaften der Naht vor Beginn der Fertigung. Der Vorteil der Erfindung ist es, dass während des Schweißprozesses die Prozessemissionen, Prozessparameter und Bauteileigenschaften detektiert werden. Hierdurch ist ein Rückschluss auf die Qualität und Güte der Naht möglich, während selbige erst gefertigt wird.
Bei der Ermittlung der Nahteigenschaften können während der Fertigung unterschiedliche physikalische und chemische Erscheinungen gemessen werden. Besonders günstig ist es, dass Prozessemissionen, insbesondere elektromagnetische Emissionen, Schallemissionen und/oder stoffliche Emissionen detektiert werden. Hierdurch können Abweichungen vom vorgesehenen Herstellungsprozess festgestellt werden.
Als vorteilhaft erweist es sich, dass stoffliche Emissionen, insbesondere Plasma-, Gas-, Flüssigkeits- und/oder Partikelemissionen detektiert werden. Hierdurch sind Rückschlüsse auf den Zustand der Naht möglich.
Während der Fertigung der Naht können diverse Produktionsvorgänge aufgenommen werden. Vorteilhaft ist es, dass Prozessparameter, insbesondere eine Fokuslage, eine Bahngeschwindigkeit, ein Strahlwinkel, eine Strahlleistung, eine Intensitätsverteilung und/oder eine Gasströmung detektiert werden. Hierdurch ist es möglich, dass eine Abweichung der Produktionsvorrichtung von einem Sollzustand erfasst wird.
Für die Ermittlung der Eigenschaften der Naht werden unterschiedliche Bauteileigenschaften herangezogen. Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass während der Fertigung ein Spalt zwischen den Fügepartnern, eine Bauteillage, eine Bauteildicke und/oder eine Beschichtungsbeschaffenheit gemessen wird. Hierdurch werden Abweichungen des Materials gegenüber einer ursprünglichen Annahme festgestellt. So wird der Produktionsprozesses auf die realen Materialeigenschaften während der Herstellung angepasst.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Positionierung und Bewegung des Laserstrahls auf dem Werkstück durch eine bestimmte Programmierung variabel wird. Hierdurch wird eine individuelle dynamische Steuerung einzelner oder aller Bewegungsachsen und/oder der Laserparameter möglich.
Für die dynamische Erzeugung von Schweißbahnen kann die Fertigungseinrichtung derart angesteuert werden, dass die Bahn eines Führungssystems, insbesondere eines Roboters, konstant bleibt und nur die Schaltdauer des Lasers und die Bewegung des Remotesystems, insbesondere der Umlenkspiegel, dynamisch angepasst wird. Von besonderem Vorteil ist es, dass die Bahn des Führungssystems, die Schaltdauer des Lasers und die Bewegungen des Remotesystems dynamisch angepasst werden. Hierdurch ist es möglich, die vom Führungssystem abzufahrende Bahn individuell festzulegen und so die Dauer des Fügeprozesses zu kürzen.
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
1 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Längen einer Naht;
2 eine abstrakte Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine Naht 1 zwischen zwei Blechen 2. Die Abbildung zeigt einen Abschnitt einer so genannten Steppnaht. Die erforderliche Länge der Naht 1 setzt sich aus einem, für die zu erwartende Beanspruchung erforderlichen Teil a, einem Sicherheitszuschlag b für den Teil a und einem Zuschlag für Fertigungsunsicherheiten c zusammen. Die Längen der Teile a und b sind fest definiert. Die Länge des Teil c wird erfindungsgemäß während der Herstellung der Naht dynamisch festgelegt. Dabei wird eine minimale Länge c(min) nie unterschritten. Ein Erreichen der maximalen Länge c(max) ist als Ausschusskriterium definiert.
2 zeigt eine abstrakte Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren werden kontinuierlich Parameter zur Bestimmung der Nahtgüte gemessen, insbesondere Prozessemissionen 3, stoffliche Emissionen 4 und Prozessparameter 5. Aus diesen Parametern wird stetig während des Fügens, insbesondere des Laserstrahlschweißens, der Bleche die Qualität der Naht ermittelt und die erforderliche Länge der Naht berechnet 6. Anschließend wird die erforderliche Länge der Naht mit der maximal zulässigen Länge der Naht verglichen 7. Erreicht oder überschreitet die erforderliche Länge die maximal zulässige Länge, ist das Werkstück als Ausschuss 8 zu definieren. Andernfalls findet ein Vergleich zwischen der aktuell ausgeführten Länge und der erforderlichen Länge der Naht statt 9. Ist die erforderliche Länge der Naht erreicht, gilt die Naht als ordnungsgemäß gefertigt 10. Ist die erforderliche Länge noch nicht erreicht, wird der Schweißvorgang fortgesetzt 11.

1: Naht
2: Blech
3: Messung von Prozessemissionen
4: Messung von stofflichen Emmissionen
5: Messung von Prozessparametern
6: Berechnung der erforderlichen Länge der Naht
7: Vergleich der erforderlichen mit der maximalen Länge
8: Zuordnung des Werkstücks zum Ausschuss
9: Vergleich der ausgeführten mit der erforderlichen Länge
10: Zuordnung zu den ordnungsgemäß gefertigten Werkstücken
11: Fortsetzen des Schweißvorgangs

Claims

Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der Naht während der Bearbeitung ermittelt werden und abhängig von den erfassten Eigenschaften der weitere Verlauf und die Länge der Naht dynamisch festgelegt wird.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißprozesses die Prozessemissionen, Prozessparameter und Bauteileigenschaften detektiert werden.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessemissionen, insbesondere elektromagnetische Emissionen, Schallemissionen und/oder stoffliche Emissionen detektiert werden.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass stoffliche Emissionen, insbesondere Plasma-, Gas-, Flüssigkeits- und/oder Partikelemissionen detektiert werden.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessparameter, insbesondere eine Fokuslage, eine Bahngeschwindigkeit, ein Strahlwinkel, eine Strahlleistung, eine Intensitätsverteilung und/oder eine Gasströmung detektiert werden.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass während der Fertigung ein Spalt zwischen den Fügepartnern, eine Bauteillage, eine Bauteildicke und/oder eine Beschichtungsbeschaffenheit gemessen wird.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung und Bewegung des Laserstrahls auf dem Werkstück durch eine bestimmte Programmierung variabel durchgeführt wird.
Ein Verfahren zum Fügen von Blechen mittels eines Laserstrahls entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn des Führungssystems, die Schaltdauer des Lasers und/oder die Bewegungen des Remotesystems dynamisch angepasst wird.