-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 199 03 881 A1 der Anmelderin bekannt. Hierbei ist eine optische Kontrolleinrichtung in Form einer Bildverarbeitungsanlage vorgesehen, die den Fügebereich zweier Bauteile überwacht, in dem die beiden Bauteile durch einen Laserstrahl miteinander verbunden werden sollen. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung den Fügebereich in einer Umgebung des Fokus des Laserstrahls auswertet und mittels einer Feinjustage von Fügebereich und Laserschweißkopf relativ zueinander steuert bzw. eine Soll-Ist-Abweichung der Lage der Fügeteile relativ zueinander meldet.
-
Laserschweißprozesse sind insbesondere im Bereich des Lasertiefschweißens problematisch, da dabei zum Beispiel Spritzer auftreten, die die Qualität der Schweißnaht und deren Optik herabsetzt. Die Anwendung des Lasertiefschweißens ist deshalb bei vielen Anwendungen durch das Auftreten von Nahtunregelmäßigkeiten stark eingegrenzt. Insbesondere Kupferwerkstoffe und Aluminiumwerkstoffe sind hinsichtlich einer Laserverschweißung nur schwer beherrschbar und zeigen sehr häufig Nahtunregelmäßigkeiten wie Auswürfe, Spritzer, Löcher usw. an der Oberseite der Schweißnaht.
-
Aus der
DE 197 16 293 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen bekannt. Die
DE 10 2004 041 935 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Beobachtung eines Laserbearbeitungsprozesses, sowie eine Vorrichtung zur Regleung des Laserbearbeitungsprozesses. Aus der
JP 2006 043 741 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung der Qualität einer Laserschweißung bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die Nahtqualität verbessert wird bzw. dass der Laserstrahlprozess auch bei bisher nur schwer beherrschbaren Werkstoffen eine hohe Qualität aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, mittels einer Kontrolleinrichtung die Länge und ggf. die Breite des Schweißbades während des Schweißens zu erfassen und einer insbesondere mit einer Stell- oder Regeleinrichtung gekoppelten Auswerteeinrichtung als Eingangswert zuzuführen. Es hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt, dass sowohl höhere Laserleistungen als auch höhere Vorschübe den Laserstrahlschweißprozess insofern stabilisieren, als dass die Nahtqualität im Zusammenhang mit den oben genannten Nachteilen verbessert wird. Die angesprochenen Parameter zur Beeinflussung des Laserstrahlschweißprozesses lassen sich dabei relativ einfach über die angesprochene Überwachung der Länge und ggf. der Breite des Schweißbades überwachen, so dass die damit gewonnenen Werte entweder als Maß für die Qualität der Schweißnaht, oder aber als Stellgrößen für eine Steuerung bzw. Regelung des Laserstrahlschweißprozesses dienen können.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in Abhängigkeit der Länge oder einem Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des flüssigen Bereichs, insbesondere auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite, den Laserschweißprozess steuert oder regelt. Damit lässt sich die Schweißqualität insofern optimieren, als dass Nahtunregelmäßigkeiten wie Spritzer usw. minimiert werden.
-
Besonders bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass die Steuereinrichtung das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des flüssigen Bereichs auf ein bestimmtes Verhältnis, bei Verwendung von Kupfer oder Stahl auf ein Verhältnis von 1,5 oder größer, steuert oder regelt. Bei einem derartigen Verhältnis lässt sich eine besonders gute Schweißnahtqualität erzielen.
-
Um das oben genannte Verhältnis zu erzielen, ist es dabei möglich, dass die Steuerung oder Regelung zur Beeinflussung des Laserschweißprozesses die Leistung des Laserstrahls bzw. die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und den Bauteilen beeinflusst bzw. ändert. Diese beiden Parameter lassen sich relativ einfach steuern bzw. regeln und eignen sich daher besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit der Materialien der Bauteile bzw. der Fokussierung des Laserstrahls erfolgt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass je nach verwendeten Materialien für die Bauteile das oben genannte Verhältnis zwischen Länge und Breite des flüssigen Bereichs ausgewählt wird, da dieses materialabhängig bzw. von der Fokussierung des Laserstrahls abhängig ist.
-
Vorzugsweise wird dabei die in die Fügestelle je Vorschubgeschwindigkeit eingebrachte Laserleistung konstant gehalten.
-
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung zum Erfassen der Länge und ggf. der Breite des flüssigen Bereichs der Schweißnaht ausgebildet ist.
-
Eine derartige Kontrolleinrichtung ist bevorzugt als bildgebende Einrichtung, insbesondere in Form einer CMOS-Kamera, CCD-Kamera oder als Thermokamera ausgebildet. Derartige Kameras liefern bei relativ geringen Kosten sehr gute Ergebnisse und eignen sich daher besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Bildachse der Kontrolleinrichtung senkrecht zur Nahtoberfläche, vorzugsweise koaxial zum Laserstrahl, angeordnet ist. Dadurch werden Verzerrungen oder ähnliches, die die korrekte Erfassung der Länge bzw. der Breite der Schweißnaht beeinflussen, vermieden.
-
Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Kontrolleinrichtung als eine die Wärmestrahlung des flüssigen Bereichs messende Einrichtung, insbesondere als Pyrometer oder Photodetektor, ausgebildet ist.
-
Ganz besonders bevorzugt ist es bei letztgenannter Variante vorgesehen, dass der Messpunkt der Kontrolleinrichtung im Nachlauf des Laserfokus im flüssigen Bereich der Schweißnaht, vorzugsweise in einem Bereich, bei dem das Verhältnis zwischen der Breite und der Länge der Schweißnaht ca. 1,5 beträgt, angeordnet ist. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass sich das Laserstrahlschweißverfahren in seinem optimalen Arbeitspunkt befindet, sodass Änderungen im Betriebspunkt, beispielsweise durch das Pyrometer, sehr schnell detektiert und ggf. einer Regelung zugeführt werden können.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
-
1 eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verschweißen zweier Bauteile mittels eines Laserstrahls,
-
2 einen vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 und
-
3 eine Draufsicht auf die Fügezone der beiden Bauteile bei deren Verschweißung unter Verwendung einer Wärmestrahlung messenden Kontrolleinrichtung.
-
Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In den 1 und 2 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 10 zum Verschweißen zweier, im Ausführungsbeispiel plattenförmiger Bauteile 1, 2 mittels eines Laserstrahls 5 dargestellt. Hierbei umfasst die Vorrichtung 10 in üblicher Weise eine Laserstrahlquelle 11, an die sich eine im Einzelnen nicht näher dargestellte Optikeinrichtung 12 anschließt, die zum Fokussieren des Laserstrahls 5 in einer Fügezone 15 der beiden Bauteile 1, 2 dient.
-
Wie man am besten anhand der 2 erkennt, stoßen die beiden Bauteile 1, 2 im Ausführungsbeispiel an Seitenflächen stumpf aneinander, wobei der Laserstrahl 5 senkrecht zur Fügeebene 16 der beiden Bauteile 1, 2 ausgerichtet ist. Über eine nicht dargestellte Vorschubeinrichtung werden beispielhaft die beiden Bauteile 1, 2 in Richtung des Pfeils 17 unterhalb des Laserstrahls 5 in Ausrichtung mit der Fügeebene 16 kontinuierlich mit einer Vorschubgeschwindigkeit v entlang gefördert.
-
Ergänzend wird erwähnt, dass es alternativ auch möglich ist, anstelle der beiden Bauteile 1, 2 auch die Vorrichtung 10 bzw. die Laserstrahleinrichtung 11 oder die Optikeinrichtung 12 derart beweglich auszubilden, dass der Laserstrahl 5 entlang der Fügeebene 16 wirkt. Auch ist die nachfolgend noch näher beschriebene Erfindung nicht auf den Einsatz bei Stumpfnähten beschränkt. Vielmehr ist sie grundsätzlich auch bei anderen Schweißnahtformen, wie beispielsweise Überlappungsnähten, Kehlnähten usw. einsetzbar.
-
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Kontrolleinrichtung 20 zur Überwachung des durch den Laserstrahl 5 in der Fügezone 15 erzeugten flüssigen Bereichs 22 einer Schweißnaht 3. Hierbei erstarrt der flüssige Bereich unter Abkühlung zur Schweißnaht 3.
-
Die Kontrolleinrichtung 20 in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung als bildverarbeitende Kontrolleinrichtung 20 ausgebildet, die insbesondere eine CMOS-Kamera, eine CCD-Kamera oder eine Thermokamera aufweist. Die Kontrolleinrichtung 20 weist eine Bildachse 21 auf, die senkrecht zum flüssigen Bereich 22 bzw. dessen Oberfläche ausgerichtet ist. Insbesondere verlaufen die Bildachse 21 und der Laserstrahl 5 parallel zueinander, wobei die Bildachse 21 in Vorschubrichtung der Bauteile 1, 2 hinter dem Laserstrahl 5 angeordnet ist. Der Erfassungsbereich 31 der Kontrolleinrichtung 20 ist derart, dass dieser den Bereich des Fokusbereichs 6 des Laserstrahls 5 mit erfasst.
-
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Kontrolleinrichtung 20a als eine die Wärmestrahlung des flüssigen Bereichs 22 messende Einrichtung, insbesondere als Pyrometer oder Photodetektor, ausgebildet ist. Hierbei ist der Erfassungsbereich 31a der Kontrolleinrichtung 20a in der Regel geringer als der Erfassungsbereich 31.
-
In der 3 ist in Draufsicht die beim Verschweißen der Bauteile 1, 2 erzeugte Schweißnaht 3 und des flüssigen Bereichs 22 näher dargestellt. Man erkennt im vorderen Bereich der Schweißnaht 3 den Fokusbereich 6 des Laserstrahls 5, d. h. den Bereich des Laserstrahls 5, in dem dieser auf die Bauteile 1, 2 in der Fügezone 15 auftrifft. An den Fokusbereich 6 schließt sich der Bereich 22 an, in dem das Material der beiden Bauteile 1, 2 noch verflüssigt ist. An den ersten Bereich 22 schließt sich auf der dem Fokusbereich 6 gegenüberliegenden Seite ein zweiter Bereich 23 an, der durch das bereits erstarrte Material der beiden Bauteile 1, 2 bzw. der Schweißnaht 3 gekennzeichnet ist. Die beiden Bereiche 22, 23 sind durch eine bogenförmige Schmelzlinie 24 voneinander getrennt. Man erkennt ferner, dass der flüssige Bereich 22 eine Schweißbadlänge l und eine Schweißbadbreite b aufweist.
-
Es hat sich nun herausgestellt, dass bei der Verwendung von Kupfer bzw. Stahl als Werkstoff für die Bauteile 1, 2 bei einem Verhältnis der Schweißbadlänge l zur Schweißbadbreite b von etwa 1,5 und bei üblichen Prozessparametern qualitativ hochwertige Schweißnähte 3 erzeugt werden können. Unter einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht 3 wird hierbei insbesondere eine Schweißnaht 3 verstanden, die relativ geringe Nahtunregelmäßigkeiten wie Auswürfe, Spritzer, Löcher oder ähnliches in der Oberseite der Schweißnaht 3 aufweist. Das Verhältnis von 1,5 für das Verhältnis der Schweißbadlänge l zur Schweißbadbreite b ist hierbei werkstoffabhängig. Es hat sich herausgestellt, dass auch bei anderen Werkstoffen für jeweils ein bestimmtes Verhältnis der Schweißbadlänge l zur Schweißbadbreite b qualitativ hochwertige Schweißnähte 3 erzeugt werden können, wobei das entsprechende Verhältnis ggf. zuvor an Versuchsreihen optimiert werden muss. Insbesondere kann das Verhältnis auch von sonstigen Prozessparametern bzw. von der Art der Prozessführung der Laserschweißung abhängig sein, insbesondere, wie der Laserstrahl 5 in der Fügezone 15 bewegt wird (z. B. Pendelbewegung, Wobbeln, Kreiseln). Es kann somit kleiner als 1,5, jedoch auch größer sein, beispielsweise 1,0 oder 2,0. In dem Fall, dass die Kontrolleinrichtung 20a als eine Wärmestrahlung messende Einrichtung ausgebildet ist, ist es besonders vorteilhaft, die Achse bzw. den Messpunkt 32 der Kontrolleinrichtung 20a in dem Bereich einer Grenzlinie 25 anzuordnen, in dem das angesprochene Verhältnis zwischen Schweißbadlänge l und Schweißbadbreite b den gewünschten Wert, beispielsweise 1,5, erreicht (siehe 3). Dies hat den Vorteil, dass Veränderungen in der Länge der Schweißbadlänge l sehr schnell erfasst werden können, sobald diese sich ober- bzw. unterhalb des bevorzugten Verhältnisses befindet. In dem Fall, in dem die Kontrolleinrichtung 20 als bildgebende Einrichtung ausgebildet ist, ist es vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung 20 die Schweißnaht 3 zumindest in dem ersten Bereich 22 vollständig erfasst.
-
Die Kontrolleinrichtung 20, 20a ist mit einer eine Auswerteeinrichtung 28 aufweisenden Steuereinrichtung 30 der Vorrichtung 10 gekoppelt, der die Signale der Kontrolleinrichtung 20, 20a als Eingangswerte zugeführt werden. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 30 mit der Laserstrahlquelle 11 verbunden, derart, dass über die Steuereinrichtung 30 beispielhaft die Laserleistung verändert werden kann. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung 30 die Vorschubgeschwindigkeit v bzw. die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 5 und den Bauteilen 1, 2 steuert bzw. regelt. Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die pro Vorschubgeschwindigkeit v in die Schweißnaht 3 eingeleitete Laserstrahlleistung konstant gehalten wird.
-
Beim Verschweißen der beiden Bauteile 1, 2 werden die von der Kontrolleinrichtung 20, 20a erfassten Werte der Steuereinrichtung 30 zugeführt. Diese regelt den Laserschweißprozess derart, dass das gewünschte Verhältnis zwischen Schweißbadlänge l und Schweißbadbreite b aufrechterhalten bleibt.
-
Das soweit beschriebene Verfahren bzw. die Vorrichtung 10 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in einer Überwachung des flüssigen, ersten Bereichs 22 der späteren Schweißnaht 3, d. h. der Erfassung deren Schweißbadlänge l und Schweißbadbreite b zur Regelung bzw. Steuerung des Laserstrahlschweißprozesses.
