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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen
sowie ein Verfahren zur Leistungsregelung einer derartigen Vorrichtung,
mit dessen Hilfe insbesondere ein Ringlaserschweißen durchgeführt
werden kann.
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Stand der Technik
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Aus
DE 10 2006 015 383
A1 ist eine Vorrichtung zum Laserschweißen bekannt,
bei der mit Hilfe eines optischen Sensors ein Metalldampfleuchten
an der Schweißstelle detektiert wird, um die Qualität
der Fügeverbindung, insbesondere die Einschweißtiefe, zu
detektieren. In Abhängigkeit der ermittelten Messwerte
kann die Fokussierung des Laserstrahls und/oder eine Filterung des
Laserstrahls und/oder eine Laserleistung des Laserstrahls geregelt
werden, um eine gewollte Einschweißtiefe erreichen können. Bei
der Regelung der Laserleistung ist es jedoch erforderlich, die Anregungsenergie
zur Erzeugung des Laserstrahls in einer Laserquelle zu verändern.
Hierbei sind jedoch unvermeidbare Ansprechzeiten und Totzeiten zu
berücksichtigen, so dass die Geschwindigkeit der Leistungsanpassung
begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Laserschweißen
sowie ein Verfahren zur Leistungsregelung einer derartigen Vorrichtung zum
Laserschweißen zu schaffen, mit dessen Hilfe eine schnellere
Leistungsregelung des auf ein Werkstück auftreffenden Laserstrahls
erreicht werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung zum Laserschweißen mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Vorrichtung
zum Laserschweißen mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen,
mit dessen Hilfe insbesondere ein Ringlaserschweißen durchgeführt
werden kann, weist eine mit einer definierten Laserleistung betreibbare
Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls auf. Ferner ist eine
Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer aktuell benötigen
Laserleistung vorgesehen. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise
mit Hilfe optischer Sensoren ein Metalldampfglühen an einer Fügestelle
eines Werkstücks detektieren, um beispielsweise eine aktuelle
Einschweißtiefe zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist
ein Abblendelement vorgesehen, das derart mit der Sensoreinrichtung
verbunden ist, dass in Abhängigkeit von der aktuell benötigen
Laserleistung ein Teil des Laserstrahls abblendbar und/oder passierbar
ist.
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Durch
das Abblendelement ist es möglich, ein in Abhängigkeit
von den Messergebnissen der Sensoreinrichtung genau berechenbaren
Anteil des Laserstrahls abzublenden und die übrigen Teile
des Laserstrahls passieren zu lassen, so dass sich an der Fügestelle
des Werkstücks genau die aktuell benötigte Laserleistung
ergibt. Hierzu ist es nicht erforderlich, die Anregungsenergien
für die Laserquelle zu verändern, so dass die
Laserleistung besonders schnell angepasst werden kann. Der das Abblendelement
passierende Teil des Laserstrahls kann durch eine ohnehin vorgesehene
Optik derart weitergeleitet werden, dass sich an der Fügestelle
des Werkstücks keine signifikanten Unterschiede beispielsweise
hinsichtlich der Form und der Größe des auftreffenden Laserstrahls
ergeben. Hierzu kann der passierende Teil des Laserstrahls beispielsweise
mit Hilfe eines Axikons aufgefächert und anschließend
durch einen nachfolgenden Kollimator gebündelt werden.
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Die
Abblendung erfolgt insbesondere mit Hilfe eines optischen Elements,
das den abgeblendeten Teil des Laserstrahls ableitet, so dass sich
das Abblendelement nicht zu stark aufheizt. Besonders bevorzugt
ist das Abblendelement ein optisches Element, das insbesondere keilförmig
und/oder doppelbrechend ist, um einen Teil des Laserstrahls zielgerichtet
abzuleiten. Das Abblendelement ist insbesondere aus einem im Wesentlichen
transparenten Material hergestellt, wobei dieses Material einen
hinreichend großen Brechungsindex aufweist, um innerhalb
des optischen Elements den Laserstrahl vollständig oder
teilweise abzuleiten. Dadurch wird verhindert, dass das Abblendelement
den abgeblendeten Teil des Laserstrahls absorbiert und sich dadurch aufheizt.
Stattdessen kann der abgeblendete Teil des Laserstrahls auf eine
geeignete Stelle abgeleitet werden, die den abgeblendeten und abgeleiteten
Teil des Laserstrahls absorbieren kann und ggf. aktiv oder passiv
gekühlt ist.
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Besonders
bevorzugt ist der abgeblendete, insbesondere abgeleitete und/oder
reflektierte Teil des Laserstrahls zumindest teilweise auf ein Fotoelement
gerichtet. Mit Hilfe des Fotoelements kann die Größe
des Anteils des abgeblendeten Laserstrahls gemessen werden. Dies
ermöglicht eine schnelle Rückkopplung, um zu verifizieren,
dass der richtige Anteil des Laserlichts abgeblendet wurde. Hierzu
ist das Photoelement insbesondere mit der Sensoreinrichtung derart
verbunden, dass der Anteil des abgeblendeten Teils des Laserlichts
von der Sensoreinrichtung zur Regelung des Abblendelements verarbeitbar
ist. Beispielsweise ist es möglich, aus der Stellung des
Abblendelements und dem Signal des Photoelements auf die Laserleistung
zu schließen, mit der die Laserquelle betrieben wird. Dies
ermöglicht es, Messwerte redundant zu ermitteln und einen fehlerhaften
Betrieb der Laserquelle feststellen zu können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserquelle zur
Regelung der Laserleistung mit der Sensoreinrichtung verbunden,
wobei die Sensoreinrichtung die Laserleistung der Laserquelle detektiert und
die detektierte Laserleistung bei der Regelung des Abblendelements
berücksichtigt. Dadurch kann berücksichtigt werden,
dass mit Hilfe des Abblendelements eine sofortige unmittelbare Online-Regelung der
an der Fügestelle erforderlichen Laserleistung erfolgen
kann, wobei gleichzeitig eine allmähliche Anpassung der
Laserleistung der Laserquelle erfolgen kann. Beispielsweise kann
bei einer plötzlich erforderlichen höheren Laserleistung
an der Fügestelle des Werkstücks das Abblendelement
entsprechend der zusätzlich benötigten Laserleistung
aus dem Laserstrahl herausgezogen werden, so dass ein größerer
Anteil des Laserstrahls passieren kann. Gleichzeitig kann die Anregungsenergie
zur Erzeugung des Laserstrahls erhöht werden, wodurch sich
die Laserleistung der Laserquelle allmählich erhöht.
In dem Ausmaß, in dem sich die Laserleistung der Laserquelle
erhöht, kann dann das Abblendelement zurück in
den Laserstrahl verfahren werden, so dass die an der Fügestelle
des Werkstücks ankommende Laserleistung im Wesentlichen
konstant auf dem benötigten Wert gehalten wird. Hierzu
wird insbesondere die aktuell eingestellte Laserleistung der Laserquelle
gemessen und der Sensoreinrichtung zugeführt. Die Messung
der Laserleistung der Laserquelle kann hierbei durch das Photoelement
erfolgen, das ein Teil des abgeblendeten Laserstrahls misst.
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Der
Laserstrahl kann in Strahlrichtung einen Kollimator und nachfolgend
eine Axikon-Linse und/oder eine Fokussieroptik durchlaufen. Vorzugsweise
ist das mindestens eine Abblendelement nach dem Kollimator und von
der Axikon-Linse und/oder vor der Fokussieroptik angeordnet. Insbesondere können
ein Abblendelement vor der Axikon-Linse und ein weiteres Abblendelement
vor der Fokussieroptik angeordnet sein. Dies ermöglicht
es, beim Abblenden des Laserstrahls auch Form und Größe
des Laserstrahls an der Fügestelle des Werkstücks
berücksichtigen zu können.
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Besonders
bevorzugt ist das Abblendelement linear bewegbar. Eine lineare Bewegung
entlang des Laserstrahls und/oder quer zum Laserstrahl und/oder
schräg zum Laserstrahl lässt sich beispielsweise
mit Hilfe eines Schrittmotors schnell umsetzen. Ferner kann das Abblendelement
vergleichbar zu einem Magnetventil magnetisch bewegt werden. Ferner
ist es möglich, das Abblendelement um eine Drehachse zu
verschwenken.
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Das
Abblendelement kann verschiedene Geometrien aufweisen, die geeignet
sind, ein Teil des Laserstrahls abzublenden. Beispielsweise kann
das Abblendelement plattenförmig ausgestaltet sein und von
außen seitlich in den Bereich des Laserstrahls hineingeführt
werden. Vorzugsweise weist das Abblendelement eine Öffnung
auf, wobei ein dem Laserstrahl ausgesetzter Öffnungsquerschnitt
der Öffnung kleiner oder gleich dem Strahlungsquerschnitt
des Laserstrahls in der Ebene der Öffnung ist. Insbesondere,
wenn der Laserstrahl im Bereich des Abblendelements zumindest geringfügig
kegelförmig ausgebildet ist, kann durch eine einfache Bewegung
des Abblendelements in Richtung der Höhe des Laserstrahlkegels
ein größerer oder kleinerer Teil des Laserstrahls
von außen ringförmig abgeblendet werden. Der passierende
Laserstrahl ist dadurch immer noch kreisförmig und korrekt
fokussiert.
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Das
Abblendelement ist insbesondere durch ein mit der Sensoreinrichtung
verbundenen reaktionsschnellen Antrieb, insbesondere Piezo-Antrieb oder
Magnet-Antrieb, bewegbar. In Reaktion auf ein Stellsignal der Sensoreinrichtung
kann das Abblendelement während des Laserschweißens
mit Hilfe einer Online-Prozessregelung betätigt werden.
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Besonders
bevorzugt ist die dem Laserstrahl exponierbare Oberfläche
des Abblendelements, insbesondere fächerartig, durch die
Sensoreinrichtung veränderbar. Das Abblendelement kann
hierzu beispielsweise einen Blenden-Lamellensatz aufweisen. Das
Abblendelement kann dadurch vergleichbar zu einem Fotokamera-Zentralverschluss,
beispielsweise einem Compur-Verschluss, bezüglich seiner Oberfläche
verändert werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Leistungsregelung einer
Vorrichtung zum Laserschweißen, die insbesondere, wie vorstehend
beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Das Verfahren kann
insbesondere wie vorstehend anhand der Vorrichtung zum Laserschweißen
erläutert aus- und weitergebildet sein. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird erfindungsgemäß eine aktuell benötigte
Laserleistung zumindest zeitweise durch zumindest teilweises Abblenden
eines von der Vorrichtung erzeugten Laserstrahls geregelt. Ohne
die Laserleistung der Laserquelle verändern zu müssen, kann
durch das Abblenden eines Teils des erzeugten Laserstrahls besonders
schnell die an einer Fügestelle eines Werkstücks
benötigte Laserleistung geregelt werden.
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Vorzugsweise
wird die Menge des abgelehnten Laserstrahls zur Regelung der Leistung
durch Abblenden detektiert. Der Leistungsanteil, der durch Abblenden
oder Passierenlassen erreicht wird, kann dadurch gemessen und rückgekoppelt
werden.
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Besonders
bevorzugt erfolgt zusätzlich eine Regelung der Leistung
der Vorrichtung. Die Regelung der Leistung durch Abblenden erfolgt
hierbei schneller als die Regelung der Leistung der Vorrichtung.
Die Regelung der Leistung durch Abblenden wird an die Regelung der
Leistung der Vorrichtung angepasst. Dadurch ist es möglich,
die träger durchzuführende Regelung der Leistung
der Vorrichtung nachzuführen, indem die Regelung der Leistung durch
Abblenden an die aktuell eingestellte Leistung der Vorrichtung angepasst
wird.
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kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Laserschweißen,
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2:
eine schematische Ansicht eines Abblendelements für die
Vorrichtung aus 1 und
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3:
eine schematische Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus 1 zum
Ringlaserschweißen.
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detaillierte Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
in 1 vereinfacht dargestellte Vorrichtung 10 zum
Laserschweißen weist eine Laserquelle 12 auf,
die einen Laserstrahl 14 erzeugt. Der Laserstrahl 14 kann
durch eine geeignete Optik, beispielsweise über einen Spiegel 16 zu
einem Leistungsanpassungsmodul 18 geführt werden.
Nach der Leistungsanpassung in dem Leistungsanpassungsmodul 18 durchläuft
der Laserstrahl 14 eine Optik 20, welche den Laserstrahl 14 auf
eine punktförmige Fügestelle 22 an einem
Werkstück 24 fokussiert. Die Einschweißtiefe
an der Fügestelle 22 wird mit Hilfe einer Sensoreinrichtung 26 detektiert,
um das Leistungsanpassungsmodul 18 zu regeln. Hierzu weist
die Sensoreinrichtung 26 eine entsprechende Sensorik 28 und
eine damit verbundene Prozessregelung 30 auf.
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Das
Leistungsanpassungsmodul 18 weist ein Abblendelement 32 auf,
das in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein optisches Element 34 aufweist. Das Abblendelement 32 lässt
einen Anteil A des Laserstrahls 14 passieren und blendet
einen Anteil B des Laserstrahls 14 ab. Der abgeblendete
Anteil B wird in das optische Element 34 eingeleitet und
an einer Reflexionsschicht 36 aus der Strahlrichtung des
Laserstrahls 14 im Wesentlichen rechtwinkelig weg reflektiert.
Die Reflexionsschicht 36 kann beispielsweise eine hoch
lichtbrechende Beschichtung sein. Die von dem optischen Element 34 über
die Reflexionsschicht 36 abgeleiteten Laserstrahlen 38 werden
auf ein Photoelement 40 geleitet, das sich direkt an dem
optischen Element 34 anschließt. Das Photoelement 40 kann
dadurch sämtliche abgeleiteten Laserstrahlen 38 detektieren.
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Wie
in 3 dargestellt, können die von dem Photoelement 40 erhaltenen
Messwerte der Sensoreinrichtung 26 zugeführt werden,
wo die von dem Photoelement 40 erhaltenen Informationen
zur Regelung des Abblendelements 32 und/oder zur Leistungsregelung
der Laserquelle 12 verwendet werden können. Zur
schnellen Leistungsanpassung an der ringförmigen Fügestelle 22 kann
das Abblendelement 32 in Richtung des Pfeils 42 linear
bewegt werden.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel passiert
der von der Laserquelle 12 kommende Laserstrahl 14 zunächst
einen Kollimator 42 und trifft auf eine Axikon-Linse 44,
welche den Laserstrahl 14 ringförmig auffächert.
Anschließend durchläuft der aufgefächerte
Laserstrahl 14 eine Fokussieroptik 46 und trifft
auf einen Kegelspiegel 48. Dadurch ergibt sich die ringförmige
Fügestelle 22, die in Umfangsrichtung auf dem
Werkstück 24 verteilt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ferner ein zweites Abblendelement 50 vorgesehen, das
im Bereich des aufgefächerten Laserstrahls 14 angeordnet ist
und eine Öffnung 52 aufweist, durch die der aufgefächerte
Laserstrahl 14 teilweise hindurch läuft. Um die
Leistung des aufgefächerten Laserstrahls 14 anpassen
zu können, kann das zweite Abblendelement 50 in
einer Strahlrichtung 54 und/oder in einer Richtung 56 quer
zur Strahlrichtung linear bewegt werden. Zusätzlich ist
es möglich, das zweite Abblendelement 50 insbesondere
um eine Drehachse, die mittig zur Mittellinie des aufgefächerten
Laserstrahls 14 verläuft, entlang einer Drehrichtung 58 zu
verschwenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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