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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Laserschweißen eines zylinderförmigen Körpers auf eine ebene Platte, mit einem in axialer Richtung des zylinderförmigen Körpers verstellbaren Schweißkopf, an dem wenigstens ein Laserkopf angeordnet ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist im Stand der Technik bekannt und wird vorzugsweise bei der Herstellung von Solarkollektoren verwendet. Mittels der bekannten Vorrichtung werden Rohre, in denen sich beim Betrieb des Solarkollektors ein Wärmeträger befindet, auf eine als Reflektor ausgebildete ebene Platte geschweißt. Für die Qualität der Verschweißung ist es erforderlich, dass zwei Laserköpfe relativ zu dem Bereich, in dem das Rohr mit der ebenen Platte Kontakt hat, exakt positioniert sind.
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Bei der bekannten Vorrichtung wird eine exakte Positionierung der Laserköpfe dadurch erreicht, dass ein am Schweißkopf angeordnetes Führungselement, welches als eine Führungslaufrolle mit einer am Umfang ausgebildeten Ausnehmung ausgebildet ist, mit einer in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte wirkenden Mindestkraft auf das Rohr aufgedrückt wird. Hierdurch führt das Rohr auf der Oberfläche der Platte eine seitliche Bewegung durch, wodurch es eine durch die Ausnehmung vorgegebene vorbestimmte Position einnimmt. Die Laserköpfe sind derart am Schweißkopf angeordnet, dass die von ihnen ausgesandten Laserstrahlen in der vorbestimmten Position des Rohres in dem Bereich auf das Rohr beziehungsweise die ebene Platte auftreffen, in dem das Rohr mit der ebenen Platte Kontakt hat. Da die Auftreffpunkte der Laserstrahlen entscheidend für die Qualität der Verschweißung sind, müssen die Laserköpfe sehr genau positioniert sein. Entsprechend groß ist der Aufwand beim Montieren der Laserköpfe an den Schweißkopf.
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Wenngleich mit der bekannten Vorrichtung auch eine qualitativ hochwertige Verschweißung des Rohres mit der ebenen Platte erreicht werden kann, so hat sich dennoch gezeigt, dass die Qualität der Verscheißung nicht gleich bleibend ist und sich insbesondere bei der Verschweißung von Rohren unterschiedlicher Rohrdurchmesser ändert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Vorrichtung derart auszubilden, dass mittels ihr zylinderförmige Körper unterschiedlicher Durchmesser bei gleich bleibender Qualität auf eine ebene Platte schweißbar sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Laser-Schweißen eines zylinderförmigen Körpers auf eine ebene Platte, mit einem in axialer Richtung des zylinderförmigen Körpers verstellbaren Schweißkopf, an dem wenigstens ein Laserkopf angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserkopf in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar am Schweißkopf angeordnet ist.
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Dadurch, dass der wenigstens eine Laserkopf in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar am Schweißkopf angeordnet ist, lässt sich der Abstand des Laserkopfes zur ebenen Platte und damit der Auftreffort des von ihm ausgesandten Laserstrahls verändern. Es hat sich gezeigt, dass durch Verändern des Abstands des Laserkopfes von der ebenen Platte der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den zylinderförmigen Körper beziehungsweise auf die ebene Platte derart verändert werden kann, dass auch bei unterschiedlichen Durchmessern des zylinderförmigen Körpers eine qualitativ hochwertige Verschweißung des zylinderförmigen Körpers mit der ebenen Platte erreicht werden kann. Denn der Abstand des Laserkopfes von der ebenen Platte und damit der Auftreffpunkt des von ihm ausgesandten Laserstrahls auf die ebene Platte beziehungsweise auf den zylinderförmigen Körper kann hierdurch an den Durchmesser des zylinderförmigen Körpers angepasst werden. Durch Verändern des Abstands des Laserkopfes von der ebenen Platte kann somit eine vom Durchmesser des zylinderförmigen Körpers unabhängige, gleich bleibende sehr hohe Qualität der Verschweißung erreicht werden.
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Sehr vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der wenigstens eine Laserkopf auf einem Radius verschwenkbar am Schweißkopf angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der Auftreffpunkt des vom Laserkopf ausgesandten Laserstrahls in optimaler Weise positionieren, was zu einer weiteren Verbesserung der Qualität der Verschweißung des Rohres mit der ebenen Platte führt.
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In besonders vorteilhafter Weise liegt der Mittelpunkt des Radius auf der Berührungslinie des zylinderförmigen Körpers mit der ebenen Platte. Hierdurch lässt sich der Auftreffpunkt des vom Laserkopf ausgesandten Laserstrahls auf den zylinderförmigen Körper beziehungsweise auf die ebene Platte sehr einfach und präzise einstellen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Laserkopf in einem Winkel zur Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar am Schweißkopf angeordnet ist. Dadurch, dass der Schweißkopf parallel zur Ebene der ebenen Platte in einem Winkel zur axialen Richtung des zylinderförmigen Körpers verstellbar ist, kann auf einfache Weise erreicht werden, dass sich der zu verschweißende zylinderförmige Körper in einer optimalen Schweißposition auf der ebenen Platte befindet. Zur Erreichung der optimalen Schweißposition kann der Schweißkopf verstellt werden. In vorteilhafter Weise ist der Schweißkopf in einem entsprechenden Lager einer Vorrichtung angeordnet, sodass er sich relativ leicht verstellen lässt, weshalb auf eine robuste Ausbildung der Vorrichtung verzichtet werden kann. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Kosten aus.
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Wenngleich der Schweißkopf auch dadurch verstellt werden kann, dass das Führungselement auf einen zu verschweißenden zylinderförmigen Körper gedrückt wird, so ist bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dennoch vorgesehen, dass ein Sensor vorhanden ist, mittels dem die Position des zylinderförmigen Körpers erfassbar ist, sowie ein erster Schweißkopfantrieb vorhanden ist, mittels dem der Schweißkopf in dem Winkel zur axialen Richtung des zylinderförmigen Körpers verstellbar ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Führungselement lediglich mit einer geringen Kraft auf den zu verschweißenden zylinderförmigen Körper aufgedrückt werden muss, da mittels dieser Kraft eine parallel zur Ebene der Platte verlaufende Querkraft nicht mehr erzeugt werden muss. Die Verstellung des Schweißkopfes erfolgt in Abhängigkeit des vom Sensor abgegeben Signals ausschließlich durch den Schweißkopfantrieb. Die Kraft, mit der das Führungselement auf den zylinderförmigen Körper aufgedrückt wird, braucht lediglich so groß zu sein, dass durch sie der zylinderförmige Körper fest auf der Platte aufliegt.
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Da die zu verschweißenden zylinderförmigen Körper auf der Platte nicht mehr verschoben werden müssen, können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung beliebig steife zylinderförmige Körper beziehungsweise nicht auf der Platte verschiebbare zylinderförmige Körper auf die Platte geschweißt werden. Insbesondere lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Längsrohre einer als Harfe ausgebildeten Rohranordnung im Bereich der Sammelrohre verschweißen.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schweißkopf in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar ist, und wenigstens ein Abstandshalter vorhanden ist, mittels dem der Abstand des Schweißkopfes zur ebenen Platte auf einen minimalen Wert begrenzbar ist, wobei der wenigstens eine Abstandshalter in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar im Schweißkopf angeordnet ist. Durch den wenigstens einen Abstandshalter lässt sich der Abstand des Schweißkopfes zur ebenen Platte auf einfache Weise exakt einstellen. Der Schweißkopf wird soweit auf die ebene Platte abgesenkt, bis der wenigstens eine Abstandshalter auf die Platte auftrifft, wodurch ein weiteres Absenken des Schweißkopfes nicht mehr erfolgt.
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Da der wenigstens eine Laserkopf am Schweißkopf angeordnet ist, ist durch die exakte Positionierung des Schweißkopfes auch der Abstand des wenigstens einen Laserkopfes von der Platte exakt eingestellt.
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Sehr vorteilhaft ist, dass der wenigstens eine Abstandshalter in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar im Schweißkopf angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der wenigstens eine Abstandshalter von der Platte abheben, sodass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Sammelrohre eines Solarkollektors auf die Platte geschweißt werden können.
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Da vorzugsweise zwei Abstandshalter vorhanden sind, welche beidseits des Führungselements angeordnet sind, kann der Abstandshalter, der sich auf der Seite des Führungsrohrs befindet, an der keine Längsrohre vorhanden sind, auf der Platte aufliegen, wohingegen der Abstandshalter, der auf der Seite des Sammelrohres angeordnet ist, auf der sich die Längsrohre befinden, soweit verstellt wird, dass er sich oberhalb der Längsrohre befindet.
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In vorteilhafter Weise ist ein Führungselement vorhanden, mittels welchem eine Führung des zylinderförmigen Körpers relativ zum Schweißkopf bewirkt werden kann. Das Führungselement ist in Richtung der Flächennormalen der ebenen Platte verstellbar am Schweißkopf angeordnet. Hierdurch lässt sich das Führungselement bei Bedarf kurzzeitig von dem betreffenden Rohr abheben, ohne dass hierzu der Schweißkopf verstellt werden muss.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Führungselement eine Ausnehmung aufweist, mittels der der zylinderförmige Körper wenigstens teilweise umfassbar ist, wobei die Ausnehmung des Führungselements in vorteilhafter Weise an den Durchmesser des zylinderförmigen Körpers angepasst sein kann. Dadurch, dass die Ausnehmung des Führungselements an den Durchmesser des zylinderförmigen Körpers angepasst ist, besteht zwischen dem Führungselement und dem zylinderförmigen Körper ein optimaler Kontakt.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter Sensor vorhanden, mittels dem die Position des Führungselements relativ zum Schweißkopf erfassbar ist. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise der Durchmesser des zylinderförmigen Körpers feststellen, wodurch es ermöglicht wird, den wenigstens einen Laserkopf in Abhängigkeit des Durchmessers des zylinderförmigen Körpers automatisch zu positionieren.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Es zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung.
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Wie der Figur entnommen werden kann, ist auf einer ebenen Platte 2, welche ein Reflektor für einen Solarkollektor sein kann, ein zylinderförmiger Körper 1, welcher ein Rohr für einen Wärmeträger sein kann, angeordnet. Der zylinderförmige Körper soll auf die Platte 2 geschweißt werden. Hierzu ist ein Schweißkopf 3, an dem zwei Laserköpfe 4, 5 angeordnet sind, an einem Querportal 13 in Y-Richtung eines gedachten Koordinatensystems verschiebbar angeordnet. Das Querportal 13 ist seinerseits in X-Richtung des Koordinatensystems verschiebbar an einem Längsportal 14, welches das Grundgestellt der Vorrichtung bildet, angeordnet. Die Verstellung des Schweißkopfes 3 in Y-Richtung erfolgt mittels eines ersten Schweißkopfantriebs 13a. Die Verstellung des Querportals 13 in X-Richtung erfolgt mittels eines in der Figur nicht dargestellten zweiten Schweißkopfantriebs. Der Schweißkopf 3 lässt sich mittels eines dritten Schweißkopfantriebs 13b relativ zum Querportal 13 in Z-Richtung des Koordinatensystems verstellen.
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Die Laserköpfe 4, 5 sind an Platten 4d, 5d angeordnet, welche derart am Schweißkopf 3 befestigt sind, dass die Laserköpfe 4, 5 relativ zum Schweißkopf 3 in Z-Richtung sowie in Y-Richtung des Koordinatensystems verstellbar sind. Die Verstellung des ersten Laserkopfes 4 in Z-Richtung erfolgt mittels eines ersten Z-Antriebes 4a. Die Verstellung des zweiten Laserkopfes 5 in Z-Richtung erfolgt mittels eines zweiten Z-Antriebs 5a. Die Verstellung des ersten Laserkopfs 4 in Y-Richtung erfolgt mittels eines ersten Y-Antriebs 4b. Die Verstellung des zweiten Laserkopfes 5 in Y-Richtung erfolgt mittels eines zweiten Y-Antriebs 5b.
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Die Platten 4d, 5d sind des Weiteren derart am Schweißkopf 3 befestigt, dass sie jeweils auf einem Radius 4c, 5c verschwenkbar sind. Der Mittelpunkt M der Radien 4c, 5c befindet sich auf der Berührungslinie des zylinderförmigen Körpers 1 mit der ebenen Platte 2. Die Verschwenkung der Platten 4d, 5d und somit der Laserköpfe 4, 5 auf dem Radius 4c, 5c geschieht mittels in der Figur nicht dargestellter Schwenkantriebe.
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An dem dem Querportal 13 abgewandten Ende ist an dem Schweißkopf 3 ein als Führungslaufrolle 6 ausgebildetes Führungselement angeordnet. Die Führungslaufrolle 6 weist umfangsseitig prismenförmig ausgebildet Ausnehmungen 6a auf.
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Die Führungslaufrolle 6 ist an einem relativ zum Schweißkopf 3 verstellbaren Schlitten 12 angeordnet, welcher mittels eines in der Figur nicht dargestellten Antriebs verstellbar ist.
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Am Schweißkopf 3 ist des Weiteren ein erster Sensor 7 befestigt, der die Position des zylinderförmigen Körpers 1 relativ zum Schweißkopf 3 in Y-Richtung erfassen kann.
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Des Weiteren ist am Schweißkopf 3 ein zweiter Sensor 15 befestigt, der die Position des Schlittens 12 relativ zum Schweißkopf 3 in Z-Richtung erfassen kann.
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Darüber hinaus sind beidseits der Führungslaufrolle 6 Abstandshalter 8a, 8b, 9a, 9b angeordnet. Die Abstandshalter 8a, 8b, 9a, 9b bestehen aus Laufrädern 8b, 9b, welche an Halteelementen 8a, 9a befestigt sind. Die Halteelemente 8a, 9a sind an ihren den Laufrollen 8b, 9b abgewandten Enden an verstellbar im Schweißkopf 3 angeordneten Schlitten 10, 11 angeordnet. Die Verstellung der Schlitten 10, 11 erfolgt mittels in der Figur nicht dargestellter Antriebe.
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Unterhalb der Führungslaufrolle 6 ist der zylinderförmiger Körper 1 angeordnet, der auf der ebenen Platte 2 aufliegt. Die Verschweißung des zylinderförmigen Körpers 1 mit der ebenen Platte 2 geschieht mittels von den Laserköpfen 4, 5 ausgesandten Laserstrahlen 4', 5'. Die Laserköpfe 4, 5 müssen exakt derart positioniert sein, dass die Laserstrahlen 4', 5' exakt in dem Bereich auf den zylinderförmigen Körper 1 auftreffen, in dem der zylinderförmige Körper 1 mit der ebenen Platte 2 in Kontakt steht.
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Zur exakten Positionierung der Laserköpfe 4, 5 beziehungsweise des Schweißkopfes 3 wird der Schweißkopf 3 mittels des dritten Schweißkopfantriebs 13b soweit abgesenkt, dass die Laufrollen 8b, 9b auf der Platte 2 aufliegen. Dann wird der Schweißkopf 3 mittels des ersten Schweißkopfantriebs 13a in Y-Richtung soweit verstellt, dass sich der zylinderförmige Körper 1 mittig in der Ausnehmung 6a der Führungslaufrolle 6 befindet. Danach werden mittels der Z-Antriebe 4a, 5a, der Y-Antriebe 4b, 5b sowie der in der Figur nicht dargestellten Schwenkantriebe die Laserköpfe 4, 5 derart verstellt, dass die Spitzen der Laserstrahlenbündel 4', 5' in dem Bereich auf den zylinderförmigen Körper 1 auftreffen, in dem er mit der ebenen Platte 2 in Kontakt steht. In dieser Position kann der zylinderförmige Körper 1 optimal mit der Platte 2 verschweißt werden.
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Zum Erreichen einer Schweißnaht, wird das Querportal 13 während des Schweißvorgangs in X-Richtung verstellt. Hierbei wird von dem ersten Sensor 7, der die Position des zylinderförmigen Körpers 1 relativ zum Schweißkopf 3 in Y-Richtung erfasst, ein Ausgangssignal an eine in der Figur nicht dargestellte Steuerung gegeben. In Abhängigkeit des Ausgangssignals veranlasst die Steuerung, dass der Schweißkopf 3 mittels des ersten Schweißkopfantriebs 13a stets so verstellt wird, dass sich der zylinderförmige Körper 1 mittig in der prismenförmigen Ausnehmung 6a der Führungslaufrolle 6 befindet.
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Da die optimale Position der Laserköpfe 4, 5 vom Durchmesser des zylinderförmigen Körpers 1 abhängt, wird mittels des zweiten Sensors 15 vor der Positionierung der Laserköpfe 4, 5 zunächst der Durchmesser des zylinderförmigen Körpers 1 festgestellt. In Abhängigkeit des Durchmessers erfolgt dann die Positionierung der Laserköpfe 4, 5. Hierbei sind insbesondere die Verstellung der Laserköpfe 4, 5 in Z-Richtung sowie die Verschwenkung der Laserköpfe 4, 5 um den Mittelpunkt M von besonderer Bedeutung.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bestimmten Durchmessern des zylinderförmigen Körpers 1 zugeordnete Koordinaten in der Steuerung hinterlegt sind. Hierdurch kann die Positionierung der Laserköpfe 4, 5 in Abhängigkeit des jeweiligen Durchmessers des zylinderförmigen Körpers 1 automatisch erfolgen.
