DE102012203694A1 - Strahlgestützte Fügemaschine, insbesondere Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung - Google Patents

Strahlgestützte Fügemaschine, insbesondere Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung Download PDF

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Abstract

Eine strahlgestützte Fügemaschine, insbesondere Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung, umfasst – einen Strahlkopf (1) zur Bereitstellung eines eine Fügenaht (5) zwischen zwei Bauteilen (3, 4) erzeugenden Fügestrahls (2), – eine Aufnahme (7) zur Lagerung des ersten Bauteils (3), und – eine Spannvorrichtung zum Spannen der Bauteile (3, 4), insbesondere zum Spannen von Bauteilen (3, 4) mit einer dreidimensional verlaufenden Fügenaht (5), welche Spannvorrichtung ein dem Verlauf der Fügenaht angepasstes Spannmittel (11, 19) zum Erzeugen einer Spannkraft zwischen den beiden Bauteilen (3, 4) zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (2) beaufschlagten Fügezone (F) aufweist, wobei als Spannmittel ein dem Verlauf der Fügenaht (5) angepasstes magnetisches oder magnetisierbares Band (11) vorgesehen ist, das zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (2) beaufschlagten Fügezone (F) durch einen mit dem Fügestrahl (2) geführten Steuermagneten (19) aufgrund der zwischen Band (11) und Steuermagneten (19) wirkenden Magnetkräfte die Bauteile (3, 4) mit einer Spannkraft (A) beaufschlagt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine strahlgestützte Fügemaschine und insbesondere eine Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
  • Derartige Fügemaschinen können neben der erwähnten Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung auch durch Laser-Stumpfschweiß-, Laser-Löt-Anlagen oder dergleichen realisiert werden. Wie beispielsweise aus der DE 10 2007 042 739 A1 bekannt ist, weisen solche strahlgestützten Fügemaschinen einen Strahlkopf zur Bereitstellung eines die Fügenaht zwischen den beiden Bauteilen erzeugenden Fügestrahls, eine Aufnahme zur Lagerung eines ersten Bauteils und eine Spannvorrichtung zum Spannen der beiden Bauteile auf. Bei der Spannvorrichtung gemäß der vorgenannten Druckschrift ist ein Innenspannstempel vorgesehen, der die Spannkraft in die von der Schweißnaht umrandete Fläche einleitet. Eine andere Ausführungsform dieser Spannvorrichtung beruht auf dünnen Stegen, die einen Außenspannrahmen mit dem Innenspannstempel mechanisch verbinden. Dabei ergibt sich zwischen Außen- und Innenspanntechnik ein hinreichender Spalt um die Schweißnaht auszubilden.
  • Problematisch ist diese Art von Spannvorrichtung für eine dreidimensional verlaufende Fügenaht, da dann der rahmenförmige Innenspannbacken bzw. die von außen nach innen greifenden, einzelnen Spannbacken in ihrer Lagerung und Konstruktion sehr aufwändig werden. Nachteilig bei der Verwendung der oben erläuterten Stempelspanntechnik in Kombination mit dem Konturschweißverfahren ist ferner die verhältnismäßig schlechte Spaltüberbrückbarkeit. Diese kommt dadurch zustande das der Spannstempel in vollflächigem Kontakt zum Bauteil steht, das Material jedoch nur punktuell plastifiziert wird.
  • Die DE 101 33 956 A1 offenbart eine Spannvorrichtung zum Laserlöten oder Laserschweißen, bei der ein dort so bezeichnetes Geometriespannmittel vorgesehen ist, das eine der Kontur des jeweiligen Bauelementes angepasste Form aufweist. Durch einen Unterdruck, der insbesondere durch eine Vielzahl einzelner Saugnäpfe erzeugt wird, legt sich das Bauelement gegen eine Oberfläche der Form kraftschlüssig und flächig an. Die offenbarte Spannvorrichtung ist dabei ebenfalls sehr komplex und aufgrund der verwendeten Saugnäpfe problematisch bei der Spannung von Bauteilen mit dreidimensional verlaufender Fügenaht.
  • Die DE 100 60 394 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Fixierung von mittels eines Lasers zu schweißenden Bauteilen. Dabei sind die Spannbacken aus einem für den Laserstrahl transmissiven Werkstoff gefertigt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine strahlgestützte Fügemaschine hinsichtlich ihrer Spannvorrichtung zum Spannen der Bauteile so zu verbessern, dass eine hohe Spannkraft auch bei einer Fügenaht mit komplexem Verlauf in besonders wirkungsvoller Weise auf die Bauteile aufgebracht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird konzeptionell durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist im Spannrahmen der Spannvorrichtung ein dem Verlauf der Fügenaht angepasstes magnetisches oder magnetisierbares Band vorgesehen, das zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl beaufschlagten Fügezone durch Zusammenwirken mit einem mit dem Fügestrahl geführten Steuermagneten aufgrund der zwischen Band und Steuermagneten wirkenden Magnetkräfte die Bauteile mit einer Spannkraft beaufschlagt.
  • Das erfindungsgemäße Spannprinzip nützt also in Abkehr bisheriger bekannter Spannprinzipien Magnetkräfte für die Erzeugung der Verspannung zwischen den zu verbindenden Bauteilen. Diese lassen sich – insbesondere wenn magnetische Abstoßungskräfte zum Spannen verwendet werden – berührungslos auf die Bauteile übertragen. Eine Anpassung an einen komplexen Verlauf der Fügenaht ist dabei durch das vorgesehene magnetische oder magnetisierbare Band – im Folgenden wird nur noch von einem Magnet-Band die Rede sein – auf konstruktiv einfache Weise möglich. Insoweit können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung auch komplexe Nahtgeometrien gefügt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnet-Band durch eine Vielzahl aneinander gereihter Permanentmagneten gebildet, die mit gleichgerichteter Polarität dem Steuermagneten – und damit auch den zu beaufschlagenden Bauteilen – zugewandt sind. Die Einbaurichtung ist vorzugsweise so, dass zwischen dem Steuermagneten und dem Permanentmagneten die oben erwähnte magnetische Abstoßungskraft als Spannkraft für die zu spannenden Bauteile erzeugt wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Magnetband eine in Bandlängsrichtung durchgehende, ferromagnetische Bandeinlage zur Halterung der Permanentmagneten auf. Durch die Anziehungskraft zwischen dieser ferromagnetischen Bandeinlage und den Permanentmagneten wird eine bei der Montage der Spannvorrichtung einheitlich handhabbare Baugruppe geschaffen. Aufgrund der segmentierten Permanentmagneten ist dabei eine flexible Formanpassung des Magnet-Bandes möglich, was diese Art von Spanneinrichtung besonders für dreidimensional verlaufende Fügenähte geeignet macht.
  • Vorzugsweise ist der Steuermagnet ein mit dem Strahlkopf geführter Elektromagnet. Dieser kann auch am Strahlkopf befestigt sein, so dass die Erzeugung der magnetbedingten Spannkraft zwischen den Bauteilen ohne weitere Maßnahmen synchron mit der Bewegung des Strahlkopfes erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird also dort die Spannkraft zwischen den beiden Bauteilen erzeugt, wo sie für die erfolgreiche Verschweißung der beiden Bauteile benötigt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Spannrahmen mit dem Magnet-Band gleichzeitig als Handhabungseinrichtung für das auf das erste Bauteil aufzusetzende zweite Bauteil vorgesehen sein. Damit wird der Integrationsgrad bei der erfindungsgemäßen Fügemaschine erhöht.
  • Eine bevorzugte Ausbildung dieser Integration sieht vor, dass die Handhabungseinrichtung eine der Form des zweiten Bauteils angepasste Trägerplatte aufweist, die dieses zweite Bauteil zur Handhabung zumindest temporär hält und in deren Randbereich das Magnet-Band angeordnet ist. Diese Trägerplatte dient also zum einen als Manipulationsmittel für das zu haltende Bauteil, zum anderen nimmt es das Magnet-Band auf. Die Trägerplatte erfüllt also eine vorteilhafte Doppelfunktion.
  • Im Hinblick auf typischerweise mit Hilfe des Laser-Durchstrahlschweißens zu fügende Bauteile, bei denen es sich beispielsweise um Kfz-Heckleuchten-Abdeckungen handelt, ist eine besonders rationelle Art der Befestigung dieser Bauteile an der Trägerplatte mittels Unterdruckbeaufschlagung definiert. Dazu kann die Trägerplatte vorzugsweise als semiflexible Matte, insbesondere Silikonmatte, ausgeführt sein. Unter „semiflexibel“ ist dabei eine gummielastische Konfiguration nach Art eines Saugnapfes zu verstehen, wodurch sich die Trägerplatte an eine mit sanften Rundungen dreidimensional geformte Oberfläche des zu haltenden Bauteils problemlos anschmiegen und damit ein zuverlässiges Ansaugverhalten erzielt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerplatte mit einem vorzugsweise verschließbaren Saugventil versehen, über das die Trennebene zwischen Trägerplatte und dem zu haltenden Bauteil mit Unterdruck beaufschlagbar ist. Damit kann durch zeitweises Anschließen einer Unterdruckversorgung an das Saugventil die Halterung des Bauteils an der Trägerplatte erfolgen, wobei für die Handhabung des Bauteils die Unterdruckquelle vom geschlossenen Saugventil abgetrennt werden kann. Gleichwohl bleibt das Bauteil an der Trägerplatte unterdruckbedingt haften und kann in seine Sollposition auf dem ersten Bauteil manövriert werden.
  • Das Saugventil kann schließlich mit einer vorteilhaften Doppelfunktion belegt werden, wenn es gleichzeitig als Andockelement für die Handhabungseinrichtung der Fügemaschine fungiert. Bei der Handhabungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Manipulatorarm eines mehrachsigen Handlingroboters handeln. Der gesamte Handhabungsprozess für das Bauteil kann dann mit Hilfe der Trägerplatte und dem daran angebrachten Andockelement in Form des Saugventils gesteuert werden.
  • Eine weitere Systemvereinfachung ergibt sich durch die bevorzugte Weiterbildung, dass der Strahlkopf und die Handhabungseinrichtung an einem gemeinsamen Manipulatorarm geführt sind. Das Aufsetzen des mit dem ersten Bauteil zu verschweißenden zweiten Bauteils, dessen Spannung mit Hilfe der magnetischer Spanneinrichtung, die gleichzeitige Herstellung der Fügenaht durch ein Verschweißen der beiden Bauteile bei zuverlässiger Spannkraft im Bereich der Fügezone und das Herausnehmen des aus den beiden verschweißten Bauteilen bestehenden Produkts aus der Aufnahme können dabei über den Manipulatorarm, der an dem das Saugventil darstellende Andockelement an der Trägerplatte angreift, ohne weitere anlagentechnische Anforderungen durchgeführt werden.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung,
  • 2 eine perspektivische, vergrößerte Detailansicht der Schweißeinrichtung gemäß 1,
  • 3 einen Schnitt der Schweißeinrichtung gemäß 1 und 2 in der Fügezone, und
  • 4 bis 7 Ansichten der Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung gemäß 1 in aufeinanderfolgenden Fertigungszwischenschritten.
  • Wie die 1 bis 3 erkennen lassen, weist eine Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung einen Strahlkopf 1 auf, mit dessen Hilfe ein von einer nicht dargestellten Laserquelle herangeführter Laserstrahl 2 auf die zu fügenden Bauteile 3, 4 fokussiert und entlang der dazwischen herzustellenden Schweißnaht 5 mittels eines schematisch in 1 und 3 angedeuteten Manipulatorarms 6 eines Handlingroboters geführt wird. Der Strahlkopf 1 selbst ist bezüglich seiner optischen Auslegung üblicher Bauart und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.
  • Von den beiden Bauteilen 3, 4 ist in den 1 und 2 lediglich ein Randbereich zu erkennen, es handelt sich dabei beispielsweise um ein wannenartiges Leuchtengehäuse als unteres Bauteil 4, auf dem eine transparente, eingefärbte Abdeckscheibe als oberes Bauteil 4 aufgesetzt und entlang der Schweißnaht 5 rundum damit im Wege des bekannten Laser-Durchstrahlschweißens verbunden wird. Das untere Bauteil 3 ist dabei in eine Aufnahme 7 lagegenau eingesetzt. Das obere Bauteil 4 wird mit Hilfe einer als Ganzes mit 8 bezeichneten Handhabungseinrichtung während des Produktionsprozesses gehandhabt. Dazu weist die Handhabungseinrichtung 8 eine der dreidimensional ausgeprägten Form des oberen Bauteils 4 angepasste Trägerplatte 9 in Form einer aus semiflexiblem, gummiartigen Silikonmaterial bestehenden Matte auf.
  • Entlang des Randes 10 der Trägerplatte 9 ist um einige Millimeter nach innen versetzt in diese ein Magnetband 11 integriert, das aus einzelnen, entlang des Randes 10 aneinander gereihten Permanentmagneten 12 besteht. Diese sind alle mit ihren magnetischen Polen N/S in die gleiche Richtung weisend angeordnet, also – beispielsweise wie 3 zeigt – mit ihren Nordpolen N nach oben. Auf dem Magnetband 11 ist eine in Bandlängsrichtung durchgehende Bandeinlage 13 aus einem ferromagnetischen Material, wie einem geeigneten Stahl, eingesetzt, das mit den einzelnen Permanentmagneten 12 eine einheitliche Baugruppe innerhalb der Trägerplatte 9 bildet.
  • Wie aus 1 bis 3 ferner deutlich wird, ist die Trägerplatte 9 etwa zentral auf ihrer Oberseite mit einem Saugventil 14 versehen, das in nicht näher dargestellter Weise an eine Unterdruckleitung angedockt werden kann. Ferner steht das Saugventil 14 mit einer Saugleitung 15 in der Trägerplatte 9 in Verbindung, die zu einem Unterdruckraum 16 an der dem Bauteil 4 zugewandten Unterseite 17 der Trägerplatte 9 führt. Damit kann die Trennebene zwischen Trägerplatte 9 und dem Bauteil 4 mit Unterdruck beaufschlagt werden, wodurch dieses Bauteil 4 an der Trägerplatte 9 auf Dauer festgehalten werden kann.
  • Das Saugventil 14 ist ferner mit einer mechanischen Kopplung 18 versehen, mit der es an einen entsprechenden Andockmechanismus 23 an der Seite des Strahlkopfes 1 angedockt werden kann, um die Trägerplatte 9 mit oder ohne Bauteil 4 zu manövrieren.
  • In 1 bis 3 ist ferner ein Steuermagnet 19 in Form eines Elektromagnets gezeigt, der über einen Ausleger 20 am Strahlkopf 1 befestigt ist. Der Steuermagnet 19 ist dabei so positioniert, dass er mit einem kleinen Luftspalt 21 oberhalb der Baugruppe aus Magnetband 11 und Bandeinlage 13 entlang der Trägerplatte 9 geführt werden kann. Bei einer entsprechenden Aktivierung der in 3 dargestellten Spule 22 des Steuermagneten 9 kann eine magnetische Abstoßungskraft A zwischen dem Steuermagneten 19 und den Permanentmagneten 12 des Magnetbandes 11 hervorgerufen werden, die das obere Bauteil 4 mit einer entsprechenden Spannkraft beaufschlagt und gegen das untere Bauteil 3 drückt. Diese Abstoßungskraft wird synchron mit dem Einstrahlen des Laserstrahls 2 auf das die Laserstrahlung absorbierende untere Bauteil 3 durch das obere, lasertransmissive Bauteil 4 hindurch aufgebracht, so dass dieses typische Laser-Durchstrahlschweißen unter hoher Spannkraft in der den Laserstrahl 2 umgebenden Fügezone F erfolgt.
  • Anhand der 4 bis 7 soll nun der Verschweißprozess der beiden Bauteile 3, 4 erläutert werden.
  • So zeigt 4 zum einen das untere, in die Aufnahme 7 eingelegte Bauteil 3, mit dessen dreidimensional geformten Rand 24 der entsprechend geformte Rand 25 des oberen Bauteils 4 mittels Laser-Durchstrahlschweißen verschweißt werden soll. Das obere Bauteil 4 wird dabei manövriert, indem der Strahlkopf 1 mit seiner seitlichen Andockmimik 23 an die Kopplung 18 des Saugventils 14 der Trägerplatte 9 angedockt wird. Die Trägerplatte 9 wird zu einem entsprechenden Vorratsmagazin gefahren, das das obere Bauteil 4 bereitstellt. Die Trägerplatte 9 wird auf dieses Bauteil aufgesetzt und über das Saugventil 14 Unterdruck angelegt. Damit kann das Bauteil 4 in Richtung des Bauteils 3 in der Aufnahme 7 transportiert werden. 4 zeigt diesen Transportschritt.
  • In 5 ist die Trägerplatte 9 mit dem Bauteil 4 auf das untere Bauteil 3 in der Aufnahme 7 aufgesetzt. In dieser Stellung wird das Saugventil 14 geschlossen, so dass der Unterdruck zwischen der Trägerplatte 9 und dem oberen Bauteil 4 aufrechterhalten und letzteres an der Trägerplatte 9 gehalten wird. Der Strahlkopf 1 dockt vom Saugventil 14 ab und fährt daran anschließend die überlappenden Ränder 24, 25 der beiden Bauteile 3, 4 entlang deren dreidimensionaler Kontur ab, wobei der Laserstrahl 2 die in 3 gezeigte Schweißnaht 5 entlang der umlaufenden Ränder 24, 25 herstellt. Durch den parallel synchron dazu verlaufenden Steuermagneten 19 wird während dieses Schweißprozesses die Spannkraft zwischen den Bauteilen 3, 4 entsprechend der magnetischen Abstoßungskraft A aufgebracht – siehe 6.
  • Nach erfolgter Verschweißung dockt der Strahlkopf 1 wieder an das Saugventil 14 an, dieses wird geöffnet, wodurch der Unterdruck zwischen Trägerplatte 9 und oberem Bauteil 4 aufgehoben wird. Die Trägerplatte 9 kann so vom oberen Bauteil 4 abgehoben werden – siehe 7. Das fertige Bauelement aus den beiden Bauteilen 3, 4 kann anschließend aus der Aufnahme 7 entnommen und der Produktionsprozess für das nächste Bauelement von neuem gestartet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (12)

  1. Strahlgestützte Fügemaschine, insbesondere Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung, umfassend – einen Strahlkopf (1) zur Bereitstellung eines eine Fügenaht (5) zwischen zwei Bauteilen (3, 4) erzeugenden Fügestrahls (2), – eine Aufnahme (7) zur Lagerung des ersten Bauteils (3), und – eine Spannvorrichtung zum Spannen der Bauteile (3, 4), insbesondere zum Spannen von Bauteilen (3, 4) mit einer dreidimensional verlaufenden Fügenaht (5), welche Spannvorrichtung ein dem Verlauf der Fügenaht angepasstes Spannmittel (11, 19) zum Erzeugen einer Spannkraft zwischen den beiden Bauteilen (3, 4) zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (2) beaufschlagten Fügezone (F) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – als Spannmittel ein dem Verlauf der Fügenaht (5) angepasstes magnetisches oder magnetisierbares Band (11) vorgesehen ist, das zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (2) beaufschlagten Fügezone (F) durch einen mit dem Fügestrahl (2) geführten Steuermagneten (19) aufgrund der zwischen Band (11) und Steuermagneten (19) wirkenden Magnetkräfte die Bauteile (3, 4) mit einer Spannkraft (A) beaufschlagt.
  2. Fügemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische oder magnetisierbare Band (11) eine Vielzahl aneinandergereihter Permanentmagneten (12) aufweist, die mit gleichgerichteter Polarität (N, S) dem Steuermagneten (19) vorzugsweise derart zugewandt sind, dass zwischen letzterem und den Permanentmagneten (12) eine magnetische Abstoßungskraft (A) als Spannkraft für die zu spannenden Bauteile (3, 4) erzeugbar ist.
  3. Fügemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische oder magnetisierbare Band (11) eine in Bandlängsrichtung durchgehende, ferromagnetische Bandeinlage (13) zur Halterung der Permanentmagneten (12) aufweist.
  4. Fügemaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermagnet (19) ein mit dem Strahlkopf (1) geführter, vorzugsweise daran befestigter Elektromagnet ist.
  5. Fügemaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung mit dem magnetischen oder magnetisierbaren Band (11) in eine Handhabungseinrichtung (8) für das zweite Bauteil (4) integriert ist.
  6. Fügemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (8) eine der Form des zweiten Bauteils (4) angepasste Trägerplatte (9) aufweist, die das zweite Bauteil (4) zur Handhabung zumindest temporär hält und in deren Randbereich das magnetische oder magnetisierbare Band (11) angeordnet ist.
  7. Fügemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (4) mittels Unterdruckbeaufschlagung an der Trägerplatte (9) befestigbar ist.
  8. Fügemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (9) als semiflexible Matte, insbesondere Silikonmatte ausgeführt ist.
  9. Fügemaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (9) mit einem Saugventil (14) versehen ist, über das die Trennebene zwischen Trägerplatte (9) und zweitem Bauteil (4) mit Unterdruck beaufschlagbar ist.
  10. Fügemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (14) verschließbar ist.
  11. Fügemaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (14) gleichzeitig Andockelement für die Handhabungseinrichtung (8) der Fügemaschine ist.
  12. Fügemaschine nach Anspruch nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkopf (1) und die Handhabungseinrichtung (8) an einem gemeinsamen Manipulatorarm (6) geführt sind.
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