DE102009003355B4

DE102009003355B4 - Laserschweißkopf zum Schweißen von Metallteilen und Verfahren zum Strahlschweißen von Metallteilen

Info

Publication number: DE102009003355B4
Application number: DE102009003355.6A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Koch Martin; Dipl.-Ing. Wischmann Stefan; Dipl.-Ing. Plha Jens; Dipl.-Ing. Schäfer Ansgar; Dipl.-Ing. Ott Lars Soeren; Andreas Mattes
Original assignee: Wisco Tailored Blanks GmbH; Reis Lasertec GmbH
Current assignee: Wisco Tailored Blanks GmbH; Reis Lasertec GmbH
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: DE102009003355A1

Abstract

Laserschweißkopf zum Schweißen von Metallteilen (16, 18) mit mindestens einem Strahlengang für einen Schweißstrahl (4, 74), mit mindestens einem drehbaren Stellelement (28, 82) im Strahlengang des Schweißstrahls (4, 74), wobei die Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) durch die Drehung des Stellelements (28, 82) veränderbar ist, mit Mitteln (32, 88) zur Drehung des drehbaren Stellelements, (28, 82) mit Mitteln (38, 42) zur Erfassung der Position einer Schweißfuge, wobei die Mittel (38, 42) zur Erfassung der Position der Schweißfuge in Abhängigkeit von einer lateralen Abweichung der Sollposition ein Korrektursignal zur Korrektur der Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (30, 84) des Stellelements (28, 82) im Wesentlichen parallel zu einer Schweißrichtung (26, 86) angeordnet ist und im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die Richtung des Schweißstrahls (4, 74) vor und nach dem Stellelement (28, 82) aufgespannten Ebene liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserschweißkopf zum Schweißen von Metallteilen mit mindestens einem Strahlengang für einen Schweißstrahl, mit mindestens einem drehbaren Stellelement im Strahlengang des Schweißstrahls, wobei die Istposition des Schweißstrahls durch die Drehung des Stellelements veränderbar ist, mit Mitteln zur Drehung des drehbaren Stellelements, mit Mitteln zur Erfassung, insbesondere zur optischen Erfassung der Position der Schweißfuge, wobei die Mittel zur Erfassung der Position der Schweißfuge in Abhängigkeit von einer lateralen Abweichung der Sollposition ein Korrektursignal zur Korrektur der Istposition des Schweißstrahls erzeugen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Strahlschweißen von Metallteilen, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Laserschweißkopfs, bei welchem die Position der Schweißfuge unter Verwendung von Erfassungsmitteln, insbesondere von optischen Erfassungsmitteln ermittelt wird und abhängig von der Abweichung der Sollposition ein Korrektursignal erzeugt wird, wobei das Korrektursignal zur Ansteuerung von Mitteln zur Drehung eines Stellelements verwendet wird, wobei die Korrektur der Istposition des Schweißstrahls durch die Drehung des Stellelements erfolgt.
Beim Verschweißen von Metallbauteilen unter Verwendung eines Schweißstrahls werden häufig Bewegungsautomaten eingesetzt, welche zur Erzeugung der gewünschten Schweißnaht die entsprechende Relativbewegung zwischen den zu verschweißenden Bauteilen und dem Schweißstrahl gewährleisten. Um die notwendigen Energiedichten zur Erzeugung eines ”Key-holes” beim Schweißen im Tiefschweißmode zu erzeugen, wird der Schweißstrahl in der Regel sehr stark fokussiert, so dass in Bezug auf die Bewegungsautomaten eine extrem hohe Positioniergenauigkeit gefordert werden muss, um eine gleichbleibende Schweißnahtqualität zu gewährleisten. In der Regel werden Positioniergenauigkeiten für den Schweißstrahl von kleiner +/–0,15 mm senkrecht zum Verlauf der Schweißnaht gefordert, wobei die Schweißnaht als Stumpfstoß- oder Kehlnaht ausgeführt ist. CNC-gesteuerte, kartesische Portalsysteme erfüllen die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit, erfordern jedoch hohe Investitionskosten. Mehrachsenroboter, welche prinzipiell kostengünstiger als kartesische Portalsysteme sind, weisen aufgrund von Eigenschwingungen, hervorgerufen durch Umorientierung von seinen Antrieben und der Weichheit der Antriebe, in bestimmten Achspositionen eine minimale Positionierwiederholgenauigkeit von +/–0,15 mm auf. Die geforderte Genauigkeit beim dynamischen Positionieren des Schweißstrahls kann deshalb mit Mehrachsenrobotern nicht erreicht werden.
Aus dem Stand der Technik sind Laserstrahlschweißköpfe bekannt, welche zusätzliche Mittel zur Erkennung der Schweißnahtposition und zur Korrektur des Laserschweißkopfes aufweisen. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10335501 A1 bekannt, in einem Vorlauffenster vorlaufend vor der Schweißstrahlposition die tatsächliche Ist-Bahn des Laserschweißstrahlkopfes zu ermitteln, mit zuvor abgespeicherten Solldaten zu vergleichen und den Vorlauf berücksichtigend eine entsprechende Korrektur der Position des Schweißstrahls vorzunehmen. Problematisch an diesem Laserschweißkopf ist, dass aufgrund der komplexen Vorlaufberechnung hohe Schweißgeschwindigkeiten zu Bahnabweichungen führen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2005/095043 A1 offenbart einen Laserschweißkopf mit Mitteln zur Erfassung der Solllage der Schweißnahtposition, welche über ein Triangulationsverfahren das Profil der Solllage der Schweißnaht nahe der aktuellen Schweißposition (”Key-hole”) ermitteln und den Laserschweißkopf relativ zur festgestellten Position der Solllage der Schweißnaht kontinuierlich positionieren. Aufgrund der Berücksichtigung des Vorlaufs zwischen der Schweißposition und der Messposition zur Erfassung der Position der Solllage der Schweißnaht ist auch bei diesem Laserschweißkopf der Aufwand zur Berechnung des Korrektursignals für den Laserschweißstrahlkopf relativ groß, so dass nur ungenügende Schweißgeschwindigkeiten bei geeigneter Genauigkeit, insbesondere im Fall der Bearbeitung von Radien in Bahnen erzielt werden.
Aus der DE 10 2006 004 919 A1 ist ein Laserschweißkopf bekannt, bei dem während des Laserstrahlschweißens von Bauteilen mit Stumpfstoß- oder Kehlnahtvorbereitung die Laserstrahlposition bei einer Abweichung ihrer Sollposition mit einer Genauigkeit von besser als +/–0,15 mm zu ihrer Istposition senkrecht zum Stoßverlauf korrigiert wird. Eine solche Korrektur kann durch eine Überschreitung der Bewegungstoleranzen oder der Bauteilpositionstoleranz erforderlich sein. Damit wird ein robotergestütztes Laserstrahlschweißen mit anforderungsgerechter Positionsabsolutgenauigkeit und hoher Schweißgeschwindigkeit für 2D-Anforderungen ermöglicht.
Die Drehachse eines solchen Korrekturspiegels wird im Stand der Technik bei derartigen Laserschweißköpfen parallel zur Strahlrichtung angeordnet. Aufgrund der im Laserschweißkopf entsprechend angeordneten Motoren, welche die Drehung des Korrekturspiegels bewirken, sind die Laserschweißköpfe in Strahlrichtung zu groß ausgebildet. Dadurch ist auch der Abstand zwischen dem Korrekturspiegel und der distalen Roboterdrehachse eines Roboterarms, an den ein solcher Laserschweißkopf typischerweise angeschlossen ist, zu groß.
Des Weiteren sind aus EP 1 219 380 A2 und US 5,001,324 A Vorrichtungen zum Laserschweißen bekannt, bei denen jeweils der Laserschweißkopf als Ganzes bewegt wird.
Aus dem Stand der Technik ( EP 0 209 488 A1 ) ist auch eine Anordnung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bekannt, bei dem der Laserstrahl mit einem drehbaren Spiegel ausgelenkt werden kann, wobei die Drehachse des Spiegels dabei parallel zu dem auf den Spiegel einfallenden Schweißstrahl und damit in der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Stellelement aufgespannten Ebene liegt.
Schließlich offenbart auch die EP 0 823 304 A1 ein Laserschweißsystem mit einem strahlteilenden Spiegel zum Aufspalten eines Laserstrahls in eine Vielzahl von Unterstrahlen mit jeweils unterschiedlichen optische Achsen.
Die Laserschweißköpfe aus dem Stand der Technik genügen beispielsweise nicht den 3D-Anforderungen der Automobilindustrie. Aufgrund ihrer großen Ausdehnungen sind komplizierte Nahtführungen, beispielsweise bei nicht ebenen, insbesondere teilweise konvex und/oder konkav geformten Bauteilen oder Bauteilen mit zu schweißenden Kehlnähten nicht möglich, da die entsprechenden Bereiche des zu schweißenden Bauteils für einen großen Laserschweißkopf unzugänglich sind.
Weiterhin erfordern Umorientierungen im Bahnverlauf beim Schweißen dreidimensional verlaufender Nähte hohe Winkelgeschwindigkeiten bei der Drehung des Laserschweißkopfes. Diese können bei großen Laserschweißköpfen aufgrund ihrer Trägheit und dem aufgrund ihrer Größe erforderlichen Platzbedarf für Drehungen nicht oder nur schlecht erreicht werden. Darüber hinaus ergeben sich zusätzlich Probleme bei der Erzeugung von Kehlnähten aufgrund der Ausdehnung des Laserschweißkopfes.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Laserschweißkopf sowie ein Verfahren zum Strahlschweißen von Metallteilen zur Verfügung zu stellen, die bei geeigneter Schweißgenauigkeit und ausreichender Schweißgeschwindigkeit einen geringeren Platzbedarf in Strahlrichtung haben. Unter der Strahlrichtung wird die Richtung des Schweißstrahls vor dem Auftreffen auf das Stellelement zur Korrektur der Istposition, also der derzeitigen tatsächlichen Position des Schweißstrahls auf der Schweißfuge verstanden.
Die oben hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch einen gattungsgemäßen Laserschweißkopf dadurch gelöst, dass die Drehachse des Stellelements im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung angeordnet ist und im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Stellelement aufgespannten Ebene liegt. Ein solches Stellelement kann beispielsweise aus einem Korrekturspiegel mit den daran angeschlossenen Motoren zur Drehung des Korrekturspiegels bestehen.
Es ist erkannt worden, dass der Platzbedarf in Strahlrichtung durch die erfindungsgemäße Anordnung der Drehachse des Stellelements reduziert werden kann. So können beispielsweise bei einem Korrekturspiegel mit zugehörigen Motoren als Stellelement die Motoren außerhalb der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Korrekturspiegel aufgespannten Ebene angeordnet werden. Da die Motoren so insbesondere nicht in Strahlrichtung angeordnet werden müssen, weist ein solcher Laserschweißkopf eine geringere Ausdehnung in Strahlrichtung auf. Aufgrund der geringen Ausdehnung des Laserschweißkopfes in Strahlrichtung können Kehlnähte problemlos mit dem erfindungsgemäßen Laserschweißkopf erzeugt werden.
Weiterhin kann auf diese Weise erreicht werden, dass sich der Korrekturspiegel nah an den Bewegungsachsen eines Roboterarms, an dem der Laserschweißkopf zum Beispiel befestigt ist, befindet. Bei Bewegungen des Laserschweißkopfes bzw. des Roboterarms mit damit einhergehenden hohen Winkelgeschwindigkeiten wird die mechanische Belastung des Laserschweißkopfes bzw. des Roboterarms reduziert. Dies ermöglicht eine 3D-Materialbearbeitung in der erforderlichen Prozessgeschwindigkeit. Unter Prozessgeschwindigkeit wird die Schweißgeschwindigkeit verstanden, die aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Arbeitsablaufes erforderlich sind.
Die Schweißrichtung liegt erfindungsgemäß im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Korrekturspiegel aufgespannten Ebene. In einer bevorzugten Ausführung des Laserschweißkopfes liegt die Drehachse des Stellelements daher im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Korrekturspiegel aufgespannten Ebene.
Eine geringere Ausdehnung in Strahlrichtung wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass der Schweißstrahl durch das drehbare Stellelement im Mittel im Wesentlichen um 90° umgelenkt wird. Auf diese Weise kann eine hinter dem Stellelement angeordnete Optik im selben Abstand von der distalen Drehachse eines oben genannten Roboterarms angeordnet sein wie das Stellelement. Bei einem wesentlich größeren Winkel als 90° wäre dieser Abstand erheblich vergrößert. Dieser Aufbau gewährleistet folglich den kleinstmöglichen Bauraum und damit die geringsten so genannten Störkanten für die 3D-Materialbearbeitung.
Ein besonders einfaches Stellelement kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass als drehbares Stellelement mindestens ein drehbarer Spiegel, vorzugsweise ein dichroitischer Spiegel, vorgesehen ist. Drehbare Spiegel können als Stellelement im Vergleich zum gesamten Laserschweißkopf nahezu trägheitsfrei bewegt bzw. gekippt werden, um die Istposition des Schweißstrahls entsprechend dem ohne Vorlauf berechneten Korrektursignal zu korrigieren. Dichroitische Spiegel besitzen den Vorteil, dass sie Wellenlängen unterhalb oder oberhalb eines bestimmten Wertes sehr gut reflektieren und im jeweils anderen Wellenlängenbereich nahezu transparent sind. Der Strahlengang des Schweißstrahls im Laserschweißkopf kann dann auch als Strahlengang für die optische Erfassung der Schweißfugenposition verwendet werden. Hierzu wird der dichroitische Spiegel so ausgewählt, dass dieser beispielsweise für die Wellenlänge des Schweißstrahllasers hoch reflektierend ist und diesen zur Schweißposition, d. h. zur Istposition des Schweißstrahls, bzw. von der Schweißposition zur Einkopplung bzw. der Quelle des Schweißstrahls reflektiert. Andere Wellenlängen passieren den dichroitischen Spiegel ungehindert und können zur Beobachtung der Position der Schweißfuge genutzt werden. Gleichzeitig kann durch die Nutzung des Strahlengangs des Laserschweißstrahls der Aufbau des erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes einfach gehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Laserschweißkopfes sind Mittel zur Translation des Laserschweißkopfs vorgesehen und die Drehachse des Stellelements ist im Wesentlichen parallel zur Translationsrichtung der Mittel zur Translation angeordnet. Bei den Mitteln zur Translation kann es sich beispielsweise um einen Roboterarm oder ein Schienensystem mit Motor handeln. Bei der Translation des Laserschweißkopfes wird die Schweißposition auf dem zu schweißenden Werkstück entsprechend verfahren. Dadurch wird auf einfache Weise gewährleistet, dass die Drehachse des Stellelements im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung verläuft. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei schweren, sperrigen und/oder kompliziert geformten Bauteilen, da die Bewegung des Laserschweißkopfes einfacher erfolgen kann als die Bewegung des zu schweißenden Bauteils.
Eine weitere Verkleinerung des Laserschweißkopfes wird dadurch erreicht, dass der Schweißstrahl vor dem Auftreffen auf das drehbare Stellelement quer zur Schweißrichtung verläuft. Durch diesen Verlauf des Schweißstrahls wird die Schweißposition bei einer Drehung des Stellelementes im Wesentlichen senkrecht zur Schweißrichtung abgelenkt. Folglich kann bereits durch eine kleine Drehung des Stellelementes eine große laterale Korrektur der Schweißposition erreicht werden. Da entsprechend lediglich kleine Drehungen des Stellelementes erforderlich sind und sich die Projektion des Schweißstrahls auf dem Stellelement daher nur geringfügig ändert, kann das Stellelement kleiner ausgebildet werden. Dadurch ist eine zusätzliche Verkleinerung des Laserschweißkopfes möglich.
Eine Erhöhung der Dynamik des Systems wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht, dass die Mittel zur Erfassung der Position der Schweißfuge eine Anordnung ihrer Messposition zumindest in Schweißrichtung vorlaufend vor der Istposition des Schweißstrahls ermöglichen und der Abstand der Messposition vorlaufend zur Schweißposition des Schweißstrahls so gewählt ist, dass das erzeugte Korrektursignal unmittelbar, insbesondere ohne Vorlaufberechnung, zur Ansteuerung der Mittel zur Drehung des mindestens einen drehbaren Stellelements verwendbar ist. Durch die vorlaufsfreie Berechnung kann die Sprungantwort für das drehbare Stellelement innerhalb von 10 ms, insbesondere 8 ms, bevorzugt 6 ms erfolgen. Dadurch ist eine quasi ”Echtzeit”-Steuerung gegeben.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird in einer zweiten Lehre der Erfindung bei einem Verfahren zum Strahlschweißen von Metallteilen dadurch gelöst, dass der Laserschweißkopf so angeordnet wird, dass die Drehachse des Stellelementes im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung verläuft und im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Richtung des Schweißstrahls vor und nach dem Stellelement aufgespannten Ebene liegt. Auf diese Weise ist es möglich, die für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten möglichst kompakt anzuordnen.
Eine noch kompaktere Anordnung der für das Verfahren notwendigen Komponenten wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens dadurch erreicht, dass der Schweißstrahl vor dem Auftreffen auf das drehbare Stellelement quer zur Schweißrichtung verläuft.
Eine Erhöhung der Verfahrensdynamik wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahren dadurch erreicht, dass die Position der Schweißfuge an einer Messposition vorlaufend vor der Istposition des Schweißstrahls ermittelt wird, wobei der Abstand der Messposition von der Istposition des Schweißstrahls gering ist und das Korrektursignal unmittelbar, insbesondere ohne Vorlaufberechnung, zur Ansteuerung der Mittel zur Drehung des Stellelements verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden mit dcem erfindungsgemäßen Laserschweißkopf Schweißnähte, insbesondere Kehlnähten und/oder von dreidimensional verlaufenden Schweißnähte geschweißt.
Beim Schweißen von Kehlnähten ist der zur Verfügung stehende Platz durch die mit der Kehlnaht zu verbindenden, in einem Winkel zueinander stehenden Werkstücke begrenzt. Für das Schweißen einer solchen Kehlnaht ist daher ein Laserschweißkopf mit kleinen Ausmaßen in Strahlrichtung erforderlich. Ein erfindungsgemäßer Laserschweißkopf ist dafür besonders geeignet.
Zum Schweißen dreidimensional verlaufender Schweißnähte muss der Laserschweißkopf dem Schweißfugenverlauf flexibel nachgefahren werden können. Es ist daher von Vorteil, wenn der Laserschweißkopf möglichst klein ausgebildet ist, da so auch bei kompliziert geformten Werkstücken ein Nachfahren des Laserschweißkopfes möglich ist, ohne dass der Nachfahrweg durch den durch das Werkstück beschränkten Platz übermäßig beeinträchtigt wird.
Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes ist besonders geeignet, wenn der Winkel, unter dem die zu verschweißenden Seiten der Bauteile aufeinandertreffen, weniger als 90°, insbesondere weniger als 60°, vorzugsweise weniger als 45° beträgt. In diesen Fällen ist der für den Laserschweißkopf zur Verfügung stehende Platz durch die zu verschweißenden Bauteile stark eingeschränkt. Die geringere Größe des Laserschweißkopfes in Strahlrichtung ist daher sehr wichtig.
Derartig kompliziert verlaufende Schweißnähte, insbesondere Kehlnähte sind häufig bei Kraftfahrzeugen vorzufinden. Daher ist eine besonders bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes dadurch gegeben, dass es sich bei dem zu schweißenden Bauteil um ein Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Behälter- oder Schienenfahrzeugbauteil handelt. Denkbar ist eine Verwendung ebenfalls in allen anderen Bereichen, in denen Kehlnähte zu Verbindungs- bzw. Anbindungszwecken anzutreffen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist, wie dargestellt, besonders vorteilhaft, wenn eine Schweißnaht, insbesondere eine Kehlnaht und/oder eine dreidimensional verlaufende Schweißnaht, erzeugt werden soll. Bei derartigen Schweißnähten sind die Anforderungen an eine kompakte Anordnung der für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten besonders hoch.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
In der Zeichnung zeigen
1 die Strahlengänge eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes in einer schematischen Schnittansicht,
2 die Strahlengänge des ersten Ausführungsbeispiels aus 1 in einer weiteren schematischen Schnittansicht,
3 die Strahlengänge eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes in einer perspektivischen Darstellung.
1 und 2 zeigen die Strahlengänge eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes 1 in zwei verschiedenen schematischen Schnittansichten. 2 zeigt dabei die Schnittansicht entlang des in 1 eingezeichneten Schnitts A-A. Die Pfeile geben die Blickrichtung an. Der Schweißstrahl 4 wird vorzugsweise über eine Fasereinkopplung 6 in den Laserschweißkopf 2 eingekoppelt. Durch die optischen Elemente 8 wird der Schweißstrahl 4 auf die zu schweißenden Bauteile 10 fokussiert. Die Fokussierung verursacht dann zumeist die Ausbildung eines nicht dargestellten ”Key-holes” durch das sich bildende Laserplasma, welches dann die Schweißnaht 12 erzeugt und damit die Istposition 14 des Schweißstrahls 4 angibt. Bei den zu schweißenden Bauteilen 10 handelt es sich beispielsweise um ein erstes Metallteil 16 und ein zweites Metallteil 18 die unter einem Winkel 20 einen Stoß 22 für ein Schweißen einer Kehlnaht aufweisen. Die zu verschweißenden Bauteile 10 bewegen sich relativ zu dem Laserschweißkopf 2 in einer Richtung 24 senkrecht zur in 1 dargestellten Schnittebene. Die der Richtung 24 entgegen gesetzte Richtung ist somit die Schweißrichtung 26. Alternativ können am Laserschweißkopf 2 Mittel vorgesehen sein, um den Laserschweißkopf 2 in die Schweißrichtung 26 zu bewegen. Dies ist insbesondere bei schweren, sperrigen oder kompliziert geformten Bauteilen 10 vorteilhaft.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Stellelement ein dichroitischer Spiegel 28 vorgesehen, welcher Dreh- bzw. Kippbewegungen durchführen kann. Die Dreh- bzw. Kippachse 30 des dichroitischen Spiegels 28 liegt dabei im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung 26. So kann durch Ansteuerung des dichroitischen Spiegels 22 durch dafür vorgesehene Motoren 32 die Istposition 14 des Schweißstrahls 4 senkrecht zur Schweißrichtung 26 und senkrecht zur Richtung 34, aus der der Schweißstrahl 4 in die Istposition 14 einfällt, verändert werden.
Aufgrund der Orientierung der Drehachse 30 parallel zur Schweißrichtung 26, sind auch die Motoren 32 außerhalb der durch die Richtungen des beim dichroitischen Spiegel 28 ein- und ausfallenden Schweißstrahls 4 definierten Ebene angeordnet. Dadurch kann der Laserschweißkopf in dieser Ebene kompakter gebaut werden. Dies ist beim Schweißen von Kehlnähten vorteilhaft, insbesondere wenn der Winkel 20 der Kehlnaht weniger als 90°, insbesondere weniger als 60°, vorzugsweise weniger als 45° beträgt.
Vorlaufend in Schweißrichtung 26 ist eine erste Messposition 36 vorgesehen, an der ein Linien-Projektor 38 eine Laserlinie 40 im Winkel zur Beobachtungsachse von Beobachtungsmitteln 42 lateral zur Schweißfuge projiziert. Mit den Beobachtungsmitteln 42, welche beispielsweise durch eine CMOS-Kamera realisiert werden können, kann nun nach dem Lichtschnittprinzip das Profil der Schweißfuge vor dem Verschweißen beobachtet werden, da der dichroitische Spiegel 28 durchlässig für die Wellenlänge der vom Linien-Projektor 38 emittierten Laserlinie 40 ist. Entsprechend dem eingezeichneten Strahlengang 44 wird das Bild der projizierten Laserlinie 40 auf der Schweißfuge von dem Beobachtungsmittel 42 gemessen. Dadurch, dass nicht nur der dichroitische Spiegel 28, sondern auch ein zusätzliches Filterelement 46 im Strahlengang 44 der Beobachtungsmittel 42 vorgesehen ist, werden alle Störungen, verursacht durch den Schweißstrahl 4 selbst, durch Metallspritzer, die Wärmestrahlung der Schweißnaht 12 oder das Metalldampfleuchten über dem ”Key-hole” unterdrückt und lediglich die Laserlinie 40 und damit das gemessene Profil der Schweißfuge optisch ausgewertet. Durch die Linien beleuchtete Schweißspritzer (160 Stück/s) führen zu ca. 2% Messpunktfehler, die als Ausreißer von einem Algorithmus, beispielsweise per ja/nein Abfrage, ”herausgerechnet” werden können.
Durch Verwendung von Triangulationsverfahren kann nach dem Lichtschnittprinzip die Position der Schweißfuge an der ersten Messposition exakt und mit hoher Geschwindigkeit bestimmt werden. Aus der gemessenen Abweichung der aktuellen Position der Schweißfuge zu einer Sollposition, die beispielsweise der Nulllage des Laserschweißkopfes 2 entspricht, wird ein Korrektursignal unmittelbar, insbesondere ohne Berücksichtigung des Vorlaufes der Messposition 36 zur Istposition 14 des Schweißstrahls 4 zur Korrektur beispielsweise an die Motoren 32 gesendet. Diese nehmen dann die Korrektur der Istposition 14 des Schweißstrahls 4 durch eine entsprechende Änderung der Stellung des dichroitischen Spiegels 28 vor. Die Dynamik des kippbaren Spiegels 28 ist dabei so ausgelegt, dass die Istposition 14 des Schweißstrahls 4 innerhalb der verbleibenden Vorlaufszeit korrigiert werden kann.
Die zusätzlichen Spiegel 48 können vorgesehen sein, um zusätzlich einen kompakteren Aufbau des Laserschweißkopfs 2 zu ermöglichen. Weiterhin kann der Laserschweißkopf 2 beispielsweise an einen Roboterarm angeschlossen sein, wobei die Fasereinkoppelung 6 bereits im oder vor dem Rotorarm angeordnet ist. Der Schweißstrahl 4 kann dann über Spiegel 48 in den Laserschweißkopf 2 und zu dem dichroitischen Spiegel 28 geführt werden.
Zur Kontrolle der erzeugten Schweißnaht ist nun ein weiterer Linien-Projektor 50 im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, welcher wiederum in einem Winkel zur Beobachtungsachse der Bildverarbeitungsmittel 42 eine Laserlinie 52 auf die Schweißnaht lateral zur Schweißrichtung 26 an einer zweiten Messposition 54 projiziert. Da die erste 36 und die zweite Messposition 54 ohne weiteres im Strahlengang voneinander getrennt werden können, ist vorzugsweise in dem Beobachtungsmittel 42 für jede Messposition eine CMOS-Kamera oder ein anderer flächiger optischer Sensor zur optischen Auswertung vorgesehen, welche der Einfachheit halber in den 1 und 2 nicht dargestellt sind.
Durch die Verwendung zweier verschiedener CMOS-Kameras für jede Messposition 36, 54 können kleinere CMOS-Kameras mit einer geringeren Pixelzahl verwendet werden, die unabhängig von einander auslesbar sind. Bei gleicher Messgenauigkeit kann dann die Dynamik der Korrektur der Istposition 14 des Schweißstrahls 4 aufgrund der geringeren Mess- bzw. Auslesezeit der CMOS-Kameras zur Bestimmung der Abweichung der Schweißfuge von der Sollposition gesteigert werden. Es ist aber auch vorstellbar, eine einzelne CMOS-Kamera in zwei verschiedene Segmente aufzuteilen, welche getrennt ausgewertet werden.
Dadurch, dass eine Verrechnung des Vorlaufes der ersten Messposition 36 zur Korrektur der Istposition 14 des Schweißstrahls 4 nicht erfolgt, kann eine besonders hohe Dynamik der Fugenverfolgung erzielt werden (vgl. diesbezüglich auch das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel), wobei gleichzeitig hohe Schweißgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/min erreichbar sind. Aufgrund der schnellen Korrektur ist der erfindungsgemäße Laserschweißkopf 2 in der Lage, Eigenschwingungen eines Mehrachsenroboters und Positionierungenauigkeiten auszugleichen.
Aufgrund des geringen Rechenaufwandes bei dem erfindungsgemäßen Laserschweißkopf 2 ist auch denkbar, diesen mit zusätzlichen, stärker vorlaufend messenden Mitteln zur Erfassung der Position der Schweißfuge, welche in den 1 und 2 nicht dargestellt sind, auszustatten, um eine zweistufige Positionsbestimmung der Istposition 14 des Schweißstrahls 4 zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist die hohe Genauigkeit der Schweißfugenverfolgung des Laserschweißkopfs 2 insbesondere dann, wenn Schweißfugenradien von weniger als 60 mm auftreten. Aufgrund des robusten Messverfahrens zur Fugenverfolgung und der schnellen Korrektur können derartig kleine Radien mit dem Laserschweißkopf 2 ohne weiteres unter Verwendung eines Mehrachsenroboters geschweißt werden.
3 zeigt die Strahlengänge eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserschweißkopfes 70 in einer perspektivischen Darstellung. Das Koordinatendreibein 72 zeigt die Lage der orthogonalen Koordinatenachsen x, y und z. Der Schweißstrahl 74 wird in einem Roboterarm 76 über Spiegel 78, 79 zum Laserschweißkopf 70 geführt. Der Spiegel 79 ist dabei in der distalen Drehachse 80 des Roboterarms 76 angeordnet. Auf diese Weise gelangt der Schweißstrahl 74 unabhängig von der Bewegung des Roboterarms 76 in den an den Roboterarm 76 angeschlossenen Laserschweißkopf 70. Der Laserschweißkopf 70 weist als Stellelement einen drehbaren Spiegel 82 auf, dessen Drehachse 84 im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung 86 verläuft. Zur Drehung des drehbaren Spiegels 82 sind Motoren 88 vorgesehen. Der Schweißstrahl 74 wird durch optische Elemente 90 auf die Schweißposition, d. h. auf die Istposition 92 des Schweißstrahls 74 fokussiert. Die Istposition 92 des Schweißstrahls 74 kann beispielsweise an einer Kehlnaht angeordnet sein. Durch die Drehung des Spiegels 82 kann die Istposition 92 des Schweißstrahls 74 entlang der Richtung 94 senkrecht zur Schweißrichtung 86 verschoben werden, insbesondere ohne Berücksichtigung der x-Koordinate der Messposition 36 im Koordinatensystem (vorlaufberechnungsfrei) der Istposition 92 des Schweißstrahls 74 und der aktuellen Geschwindigkeit für die Berechnung des y-Korrektursignals in der Istposition 92. Dadurch kann die Schweißnaht in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der zu verschweißenden Bauteile korrigiert werden.
Zur Korrektur der Istposition 92 des Schweißstrahls 74 können analog zu dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel Linien-Projektoren und Beobachtungsmittel vorgesehen sein. Dazu kann beispielsweise der drehbare Spiegel 82 oder der Spiegel 79 als dichroitischer Spiegel ausgebildet sein, so dass ein optisches Signal von der Istposition 92 des Schweißstrahls 74 durch den Spiegel in ein hinter dem Spiegel angeordnetes Beobachtungsmittel gelangen kann.
Die Relativbewegung zwischen dem Laserschweißkopf 70 und dem zu schweißenden Bauteil in Schweißrichtung erfolgt in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Roboterarm 76 zusammen mit dem daran befestigten Laserschweißkopf 70 in Schweißrichtung verfahren wird. Dazu sind an den Roboterarm 76 Mittel zur Translation angeschlossen. Dies kann beispielsweise ein Schienen-Verfahrsystem sein.
Für das Schweißen von Kehlnähten ist es vorteilhaft, dass der Abstand 96 des drehbaren Spiegels 82 zu der distalen Drehachse 80 des Roboterarms 76 möglichst klein ist. Dies geht mit einem kompakten Aufbau des Laserschweißkopfes 70 in dieser Richtung einher. Dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Drehachse 84 im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung 86 liegt. Auf diese Weise können die Motoren 88 außerhalb der Ebene, in der der Schweißstrahl 74 verläuft, angeordnet werden. Zwischen dem Spiegel 79 und dem drehbaren Spiegel 82 kann daher auf einen zusätzlichen Abstand zur Anordnung der Motore 88 verzichtet werden, so dass der Abstand 96 klein gewählt werden kann.
Durch einen geringen Abstand 96 werden Bewegungen des Laserschweißkopfes 2 bzw. des Roboterarms 76 mit hohen Winkelgeschwindigkeiten ermöglicht, die bei einem größeren Abstand 96 aufgrund der Trägheitsmomentes des Laserschweißkopfes 2 und der bei der Drehung auftretenden mechanischen Belastung nicht möglich wären. Auf diese Weise können dreidimensionale Schweißfugen mit hoher Prozessgeschwindigkeit geschweißt werden.
Ein geringer Abstand 96 und damit ein kompakterer Laserschweißkopf 2 sind weiterhin vorteilhaft für das Schweißen von Kehlnähten und dreidimensional verlaufenden Schweißfugen. Kleine Laserschweißköpfe können mit einem Roboterarm entlang kompliziert verlaufender Schweißfugen geführt werden, da sie aufgrund ihrer kleinen Größe auch bei geringen Platzverhältnissen flexibel bewegt werden können. Beim Schweißen von Kehlnähten kann der Laserschweißkopf 2 trotz des durch die zu verbindenden Werkstücke begrenzten Platzes nahe an die Schweißfuge herangefahren werden.
Um einen kompakten Laserschweißkopf 2, 70 zu erhalten, ist die Drehachse 30, 84 des Stellelements 28, 82 im Wesentlichen parallel zur Schweißrichtung 26, 86 und quer zur Strahlrichtung 4, 74 angeordnet.

Claims

Laserschweißkopf zum Schweißen von Metallteilen (16, 18) mit mindestens einem Strahlengang für einen Schweißstrahl (4, 74), mit mindestens einem drehbaren Stellelement (28, 82) im Strahlengang des Schweißstrahls (4, 74), wobei die Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) durch die Drehung des Stellelements (28, 82) veränderbar ist, mit Mitteln (32, 88) zur Drehung des drehbaren Stellelements, (28, 82) mit Mitteln (38, 42) zur Erfassung der Position einer Schweißfuge, wobei die Mittel (38, 42) zur Erfassung der Position der Schweißfuge in Abhängigkeit von einer lateralen Abweichung der Sollposition ein Korrektursignal zur Korrektur der Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (30, 84) des Stellelements (28, 82) im Wesentlichen parallel zu einer Schweißrichtung (26, 86) angeordnet ist und im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die Richtung des Schweißstrahls (4, 74) vor und nach dem Stellelement (28, 82) aufgespannten Ebene liegt.
Laserschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl (4, 74) durch das drehbare Stellelement (28, 82) im Mittel im Wesentlichen um 90° umgelenkt wird.
Laserschweißkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als drehbares Stellelement (28, 82) mindestens ein drehbarer Spiegel vorgesehen ist.
Laserschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl (4, 74) vor dem Auftreffen auf das drehbare Stellelement (28, 82) quer zur Schweißrichtung (26, 86) verläuft.
Laserschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (38, 42) zur Erfassung der Position der Schweißfuge eine Anordnung ihrer Messposition (36) zumindest in Schweißrichtung (26, 86) vorlaufend vor der Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) ermöglichen und der Abstand der Messposition (36) vorlaufend zur Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) so gewählt ist, dass das erzeugte Korrektursignal unmittelbar zur Ansteuerung der Mittel (32, 88) zur Drehung des mindestens einen drehbaren Stellelements (28, 82) verwendbar ist.
Verfahren zum Strahlschweißen von Metallteilen (16,18), bei welchem die Position einer Schweißfuge unter Verwendung von Erfassungsmitteln (42) ermittelt wird und abhängig von der Abweichung der Sollposition ein Korrektursignal erzeugt wird, wobei das Korrektursignal zur Ansteuerung von Mitteln (32, 88) zur Drehung eines Stellelements (28, 82) verwendet wird, wobei die Korrektur der Istposition (14, 92) eines Schweißstrahls (4, 74) durch die Drehung des Stellelements (28, 82) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserschweißkopf (2, 70) so angeordnet wird, dass die Drehachse (30, 84) des Stellelementes (28, 82) im Wesentlichen parallel zu einer Schweißrichtung (26, 86) verläuft und im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die Richtung des Schweißstrahls (4, 74) vor und nach dem Stellelement (28, 82) aufgespannten Ebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl (4, 74) vor dem Auftreffen auf das drehbare Stellelement (28, 82) quer zur Schweißrichtung (26, 86) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Schweißfuge an einer Messposition vorlaufend vor der Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) ermittelt wird, wobei der Abstand der Messposition (36) von der Istposition (14, 92) des Schweißstrahls (4, 74) gering ist und das Korrektursignal unmittelbar zur Ansteuerung der Mittel (32, 88) zur Drehung des Stellelements (28, 82) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißnaht geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kehlnaht und/oder eine dreidimensional verlaufende Schweißnaht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (20), unter dem die zu verschweißenden Seiten der Metallteile (16, 18) aufeinandertreffen, weniger als 90° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Metallteile (16, 18) im Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Behälter- oder Schienenfahrzeugbau geschweißt werden.