Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens einem ersten und einem zweiten Fügepartner entlang einer Schweißnaht in einem Fügeprozess mittels eines Strahlwerkzeugs mit wenigstens einem Laserstrahl, wobei ein Auftreffpunkt des Laserstrahls im Bereich der Schweißnaht durch wenigstens eine Positioniereinrichtung manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung mit wenigstens einem ersten Regelkreis. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Fügepartnern entlang einer Schweißnaht. The invention relates to a method for producing a permanent connection between at least a first and a second joining partner along a weld in a joining process by means of a jet tool with at least one laser beam, wherein a point of impact of the laser beam is manipulated in the region of the weld by at least one positioning and with a Control device with at least one first control loop. The invention also relates to a device for producing a permanent connection between joining partners along a weld seam.
Bei Schweißprozessen werden zur Wärmeeinbringung in die Fügepartner häufig Laserstrahlen verwendet, deren Richtung durch die optische Achse des Strahlwerkzeugs und gegebenenfalls durch sich im Strahlverlauf anschließende optische Elemente bestimmt ist. Um eine ausreichende Festigkeit der Schweißnaht zu erzielen, ist es notwendig, in beiden Fügepartnern bezüglich der Grenzflächen ausreichende Einschweißtiefen in jeden der beiden Fügepartner sicherzustellen. Ein großer Vorteil von Laserschweißprozessen ist die Existenz von Positioniereinrichtungen, mit denen der Auftreffpunkt des Laserstrahles auf einer der Grenzflächen sehr schnell verstellt werden kann. Dadurch wird das kostengünstige Verschweißen komplexer Bauteile ermöglicht, so etwa bei der Produktion ganzer Karosserien oder von Teilen derselben. In diesem Produktionssektor kennt man auch sogenannte Scanner, bei denen der Anstellwinkel des Laserstrahles über Spiegel um eine oder mehrere Drehachsen verfahren werden können. Solche Scanner werden häufig auch noch mit Robotern kombiniert. In welding processes, laser beams are frequently used to introduce heat into the joining partners, the direction of which is determined by the optical axis of the jet tool and, if appropriate, by optical elements adjoining in the beam path. In order to achieve sufficient strength of the weld, it is necessary to ensure sufficient weld depths in each of the two joining partners in respect of the interfaces in both joining partners. A great advantage of laser welding processes is the existence of positioning devices, with which the point of impact of the laser beam on one of the interfaces can be adjusted very quickly. This allows the cost-effective welding of complex components, such as in the production of whole bodies or parts thereof. In this production sector, so-called scanners are known in which the angle of incidence of the laser beam can be moved by mirrors about one or more axes of rotation. Such scanners are often combined with robots.
Die Anwendbarkeit der entsprechenden Schweißvorrichtungen wird häufig durch die bei einer konkreten Schweißnahtgeometrie für die Positionierung des Auftreffpunktes – also des Schnittpunkts der optischen Achse des Laserstrahls mit einer der diesem Strahl zugewandten Grenzflächen der Fügepartner – relativ zu der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen benötigte Genauigkeit begrenzt. Bei Kehlnähten etwa ist es vorteilhaft, wenn diese Positioniergenauigkeit kleiner als der Durchmesser des Laserstrahles ist, welcher typischerweise zwischen 0,1 mm und 2 mm beträgt. Allerdings kann die Position der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen auch variieren, etwa weil einer der Fügepartner, bei denen es sich typischerweise um dünne Bleche handelt, sich durch den Wärmeeintrag verbiegt. Auch Ungenauigkeiten bei Scanner und Roboter haben Einfluss auf die relative Positionierung zwischen den Fügepartnern und der Positioniereinrichtung und sind daher als Fehlerquellen bei der Positionierung zu beachten. Ähnliches gilt für Schweißungen an Stumpfstößen. Bei Überlappstößen ist die Positionierung der heutigen Schweißvorrichtungen dagegen ausreichend genau. Im Karosseriebau werden daher häufig unterschiedliche Positioniereinrichtungen für unterschiedliche Geometrien von Schweißnähten verwendet. The applicability of the corresponding welding devices is often limited by the accuracy required in a specific weld geometry for the positioning of the point of impact - ie the intersection of the optical axis of the laser beam with one of the beam surfaces facing the joining partners - relative to the intersection between the interfaces. For fillet welds, for example, it is advantageous if this positioning accuracy is smaller than the diameter of the laser beam, which is typically between 0.1 mm and 2 mm. However, the position of the cut line between the interfaces may also vary, perhaps because one of the joining partners, which are typically thin sheets, bends due to the heat input. Even inaccuracies in the scanner and robot have an influence on the relative positioning between the joining partners and the positioning device and are therefore to be considered as sources of error in the positioning. The same applies to welds on butt joints. In the case of overlapping joints, however, the positioning of today's welding devices is sufficiently accurate. In body construction, therefore, different positioning devices are often used for different geometries of welds.
Bei der Herstellung von Kehlnähten kennt man bisher spezielle Schweißköpfe, bei denen über einen Draht die Blechkante taktil angetastet wird. Diese sind aufwändig einzustellen und der kurze Arbeitsabstand macht das Umfahren von Spannmitteln schwierig und teilweise unmöglich. Dies gilt insbesondere beim Verschweißen komplexer Bauteile wie etwa Karosserien. Für eine solch aufwändige Schweißnahtführung ist beispielsweise aus der DE 10 2009 057 209 A1 ein Triangulationssensor bekannt, der sich aber in der Praxis insoweit als nachteilig erweist, als er, anders als beschrieben, nicht mit scannenden 2D- oder 3D-Schweißoptiken kombinierbar ist. Weiter sind scannende Positioniereinrichtungen mit einer oder mehreren orthogonal angeordneten Drehachsen bekannt (http://trumpflaser.com/produkte/festkoerperlaser/strahlfuehrung/fokussieroptiken/pfo.html). Viele dieser Positioniereinrichtungen verfügen auch über ein Kamerafenster zur koaxialen-Prozessbeobachtung. Bei Lasertiefschweißprozessen sind auch Verfahren bekannt, mit denen die Tiefe der Dampfkapillare relativ zur direkten Umgebung des Laserstrahles gemessen werden kann (Abt, F.; Wölfelschneider, H.; Baulig, C.; Höfler, H.; Weber, R.; & Graf, T. (2011). Online measurement and closed loop control of penetration depth in laser welding processes, in: Washio, Kunihiko, Laser Institute of America-LIA-: ICALEO, 30th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, (S. 110–117), Orlando, Florida, USA (LIA 614), bzw. ein indirektes Maß dafür gewonnen werden kann (Sibillano, T.; Rizzi, D.; Ancona, A.; Saludes-Rodil, S.; Rodriguez Nieto, J.; Chmeliökovä, H.; Sebestova, H. (2012), Spectroscopic monitoring of penetration depth in CO2 Nd:YAG and fiber laser welding processes, in: Journal of Materials Processing Technology 212 (4), S. 910–916). Des weiteren sind auch Verfahren zum sogenannten "Seam Tracking", also zur lateralen Nachführung des Auftreffpunktes an Stumpfstößen bekannt (Regaard, B; Kaierle, S.; Poprawe, R., Seam-tracking for high precision laser welding applications – Methods, restrictions and enhanced concepts, Journal of Laser Applications 2009, Vol. 21, S. 183–195), diese sind jedoch gerade unabhängig von der Einschweißtiefe. Überdies ist aus der DE 10 2010 013 914 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem an Überlapp-Schweißstößen die Einschweißtiefe bezogen auf eine Grenzfläche bestimmt wird, und schließlich kennt man auch ein Verfahren, bei dem bei Schweißstößen die Einschweißtiefe bezogen auf die Grenzfläche bestimmt werden kann (Blug, A.; Abt, F.; Nicolosi, L.; Heider, A.; Weber, R.; Carl, D. et al. (2012): The full penetration hole as a stochastic process: controlling penetration depth in keyhole laserwelding processes, in: Appl. Phys. B 108 (1), S. 97–107). In the production of fillet welds, special welding heads have hitherto been known in which the sheet edge is touched tactilely via a wire. These are complicated to set and the short working distance makes it difficult and sometimes impossible to drive around clamping devices. This is especially true when welding complex components such as bodies. For such a complex weld seam guide is for example from the DE 10 2009 057 209 A1 a triangulation sensor known, but in practice proves to be disadvantageous insofar as it, unlike described, is not combinable with scanning 2D or 3D welding optics. Furthermore, scanning positioning devices with one or more orthogonally arranged rotary axes are known (http://trumpflaser.com/produkte/festkoerperlaser/strahlfuehrung/fokussieroptiken/pfo.html). Many of these positioning devices also have a camera window for coaxial process observation. In laser deep welding processes, methods are also known with which the depth of the vapor capillary can be measured relative to the direct surroundings of the laser beam (Abt, F. Wölfelschneider, H., Baulig, C., Höfler, H., Weber, R .; & Graf , T. (2011), Lasithiko, Laser Institute of America-LIA: ICALEO, 30th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Pp. 110-117), Orlando, Florida, USA (LIA 614), or an indirect measure thereof (Sibillano, T., Rizzi, D., Ancona, A., Saludes-Rodil, S., Rodriguez Nieto, J .; Chmeliokova, H., Sebestova, H. (2012), Spectroscopic monitoring of penetration depth in CO 2 Nd: YAG and fiber laser welding processes, in: Journal of Materials Processing Technology 212 (4), p. 910 Furthermore, methods for so-called "seam tracking", that is to say for the lateral tracking of the point of impact on the butt, are also possible loosely known (Regaard, B; Kaierle, S .; Poprawe, R., Seam tracking for high precision laser welding applications - Methods, restrictions and enhanced concepts, Journal of laser applications 2009, Vol. 21, P. 183-195), these are just independent of the welding depth. Moreover, from the DE 10 2010 013 914 A1 a method is known in which the welding depth is determined based on an interface at lap welding joints, and finally, a method is known in which welding depths the welding depth can be determined based on the interface (Blug, A, Abt, F. Nicolosi, L., Heider, A., Weber, R .; Carl, D. et al. (2012): The full penetration hole as a stochastic process: controlling penetration depth in keyhole laser welding processes, in: Appl. Phys. B 108 (1), pp. 97-107).
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die jeweils die Position des Auftreffpunktes des Laserstrahls in der Nähe der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen der Fügepartner derart regeln, dass in jedem der beiden Fügepartner eine ausreichende Nahtfestigkeit sichergestellt ist. It is therefore an object to provide a method for joining joint partners and an apparatus for performing such a method, each of which regulate the position of the point of impact of the laser beam in the vicinity of the intersection between the interfaces of the joining partners such that in each of Both joining partners a sufficient seam strength is ensured.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem durch Messung ermittelte Werte für wenigstens eine erste Stellgröße zumindest mittelbar als Regelgröße wenigstens eines zweiten Regelkreises der Regeleinrichtung verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung der Auftreffpunkt des Laserstrahls manipuliert wird. This object is achieved by a method of the aforementioned type in which values determined by measurement for at least one first manipulated variable are used at least indirectly as controlled variable of at least one second control loop of the control device, by means of which the impingement point of the laser beam is manipulated via the positioning device.
Dies kann konkret für einen als Fügeprozess eingesetzten Schweißprozess bedeuten, dass zunächst ein oder mehrere Abstandsmaße für den Abstand zwischen der Schweißnaht und einer der Grenzflächen der Fügepartner durch Messung gewonnen wird oder werden, die entweder als Abstandswert zu einer Grenzfläche eines Fügepartners oder als Wert der Einschweißtiefe weiter verwendet werden. Das betreffende Signal der Einschweißtiefe wird von dem ersten Regelkreis mit einem Sollwert als Führungsgröße verglichen, worauf im Fall von Abweichungen die erste Stellgröße angepasst wird. Der Wert der ersten Stellgröße dient aber gleichzeitig als Regelsignal für den zweiten Regelkreis, welcher diese mit einer zweiten Führungsgröße vergleicht. Bei Abweichungen wird über eine zweite Stellgröße, etwa ein Positionssignal für die Drehachse, das an die Positioniereinrichtung übermittelt wird, der Auftreffpunkt senkrecht zum Vorschub u verstellt. In concrete terms, this may mean, for a welding process used as a joining process, that one or more distance measurements for the distance between the weld seam and one of the interfaces of the joining partners is obtained by measurement or as either the distance to an interface of a joining partner or the value of the welding depth continue to be used. The relevant signal of the welding depth is compared by the first control loop with a nominal value as a reference variable, whereupon in the case of deviations the first manipulated variable is adjusted. The value of the first manipulated variable, however, also serves as a control signal for the second control loop, which compares this with a second reference variable. In the event of deviations, the impact point is adjusted perpendicularly to the feed u via a second manipulated variable, for example a position signal for the axis of rotation which is transmitted to the positioning device.
Dabei ist es von Vorteil, nicht aber prinzipiell notwendig, wenn die vorstehend erwähnten Abstandsmaße koaxial, d.h. von der Positioniereinrichtung aus näherungsweise parallel zur optischen Achse des Laserstrahles gewonnen werden. It is advantageous, but not necessary in principle, if the above-mentioned distance dimensions coaxial, i. be obtained from the positioning of approximately parallel to the optical axis of the laser beam.
Weiter vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wie der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments and further developments of the method according to the invention, such as the device, emerge from the subclaims.
Weitgehend im Sinne der DIN IEC 60050-351 sollen die anschließend aufgeführten Begrifflichkeiten wie folgt verstanden werden. Als Führungsgröße soll eine aus einer Zielgröße abgeleitete, den Sollwert der Regelgröße festlegende Eingangsgröße eines Vergleichsgliedes einer Regeleinrichtung verstanden sein. Die Regelgröße sei die am Ausgang der Regelstrecke gemessene Größe, deren Werte mit dem Sollwert verglichen werden. Aus diesem Vergleich leitet der Regler eine oder mehrere Stellgrößen für die Regelstrecke ab, die auf die Regelgröße zurückwirken. Die Regeleinrichtung bezeichnet die Funktionseinheiten eines oder mehrerer Regelkreise, die dazu bestimmt sind, die Regelstrecke entsprechend der Regelungs- oder Steuerungsaufgabe zu beeinflussen, während die Funktionseinheiten, die entsprechend der Regelungs- oder Steuerungsaufgabe beeinflusst werden, die eine oder mehrere Regelstrecke bilden. Schließlich bildet die Stellgröße eine Ausgangsgröße der Regeleinrichtung, die auch eine Eingangsgröße der Regelstrecke ist. For the purposes of DIN IEC 60050-351, the following terms should be understood as follows. The reference variable is to be understood as meaning a starting variable derived from a target variable and defining the setpoint value of the controlled variable of a comparison element of a control device. The controlled variable is the quantity measured at the output of the controlled system whose values are compared with the setpoint. From this comparison, the controller derives one or more manipulated variables for the controlled system that have an effect on the controlled variable. The control device designates the functional units of one or more control circuits, which are intended to influence the controlled system in accordance with the control or control task, while the functional units that are influenced according to the control task that form one or more controlled system. Finally, the control variable forms an output of the control device, which is also an input variable of the controlled system.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei in teilweise schematisierter Darstellung die The invention is explained below with reference to embodiments in the drawing. Here are shown in partially schematic representation of the
1 eine ebene, geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Herstellung einer Kehlnaht mittels der Vorrichtung an zwei Fügepartnern sowie mit einer Positionier- und einer Messeinrichtung; 1 a planar, sectional side view of a first embodiment of the invention with the production of a fillet weld by means of the device at two joining partners and with a positioning and a measuring device;
2 eine ebene, geschnittene Seitenansicht eines Ausschnitts aus der 1 mit einem Auftreffpunkt der optischen Achse des Laserstrahls in etwa am Schnittpunkt der Grenzflächen der Fügepartner; 2 a flat, sectional side view of a section of the 1 with an impact point of the optical axis of the laser beam approximately at the intersection of the interfaces of the joining partners;
3 eine ebene, geschnittene Seitenansicht ähnlich derjenigen aus der 2 eines Ausschnitts aus der 1 mit in den aufrecht dargestellten Fügepartner hinein verschobenem Auftreffpunkt der optischen Achse des Laserstrahls; 3 a flat, sectional side view similar to that of 2 a section of the 1 with the impact point of the optical axis of the laser beam shifted into the joining partner shown upright;
4 ein Schaubild mit Auftragungen verschiedener Prozessgrößen gegen den Auftreffpunkt des Laserstrahls; 4 a graph with plots of different process variables against the point of impact of the laser beam;
5 einen Wirkungsplan als symbolische Darstellung der Wirkungsabläufe in dem Fügeverfahren durch Blöcke und Verzweigungsstellen, die durch Wirkungslinien verbunden sind; 5 an action plan as a symbolic representation of the effects in the joining process by blocks and branch points, which are connected by lines of action;
6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Herstellung einer Kehlnaht an zwei Fügepartnern, an denen ein Spannmittel angeordnet ist; 6 a perspective view of another embodiment of the invention with the production of a fillet weld on two joining partners, where a clamping means is arranged;
7 ein Schaubild mit Auftragungen verschiedener Prozessgrößen gegen die Zeit. 7 a diagram with plots of different process variables against time.
In den 1, 2, 3 und 6 ist eine im Ganzen mit 50 bezeichnete Vorrichtung zur Durchführung eines Fügeprozesses zwischen zwei ebenen Fügepartnern 1, 2 zu erkennen, die an einer Schweißnaht 3 verbunden werden. Zur Wärmeeinbringung in die Fügepartner 1, 2 kommen von einem Laser 51 ausgesandte Laserstrahlen 4 zum Einsatz, deren Richtung durch die optische Achse 5, 5´ gegeben ist. Um eine ausreichende Festigkeit der Schweißnaht 3 zu erzielen, ist es notwendig, an beiden Fügepartnern 1, 2 bezüglich deren Grenzflächen 6, 8 ausreichende Einschweißtiefen 7, 9 in die beiden Fügepartner sicherzustellen. An der Vorrichtung 50 ist eine Positioniereinrichtung 10 zu erkennen, mittels derer der Auftreffpunkt 11, 11´ des Laserstrahles auf einer der Grenzflächen 6, 8 sehr schnell verstellt werden kann. An der Positioniereinrichtung ist auch eine nicht in größerem Detail gezeigte Messeinrichtung 52 angeordnet. Die Vorrichtung 50 ermöglicht das kostengünstige Verschweißen komplexer Bauteile, etwa bei der Produktion von Karosserien, hierfür kann der Anstellwinkel 12 des Laserstrahls 4 über Spiegel um eine oder mehrere Drehachsen 13 der Positioniereinrichtung 10 verfahren werden. Die Anwendbarkeit für solche Schweißvorrichtungen 50 wird häufig begrenzt durch die Genauigkeit, die bei einer Schweißnahtgeometrie für die Positionierung des Auftreffpunktes 11, 11´ relativ zu der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 benötigt wird. Diese Schnittlinie 41 verläuft in 1 senkrecht zur Zeichenebene. Bei als Kehlnähten ausgebildeten Schweißnähten 3, wie sie in 1 im Querschnitt gezeichnet sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Positioniergenauigkeit kleiner als der Durchmesser des Laserstrahles 4 ist, der typischerweise zwischen 0,1 und 2 mm beträgt. Allerdings kann die Position der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 variieren, zum Beispiel weil sich einer der Fügepartner 1, 2, hier gezeigt als dünne Bleche, durch den Wärmeeintrag des Lasers 51 verbiegt. Weitere Quellen der Unsicherheit für die relative Positionierung zwischen den Fügepartnern 1, 2 und der Positioniereinrichtung 10 sind Ungenauigkeiten bei Scanner und gegebenenfalls zur Bewegung der Fügepartner eingesetzten Robotern. In the 1 . 2 . 3 and 6 is one in total with 50 designated device for performing a joining process between two planar joining partners 1 . 2 to recognize that at a weld 3 get connected. For heat input into the joining partners 1 . 2 come from a laser 51 emitted laser beams 4 used, their direction through the optical axis 5 . 5 ' given is. To ensure adequate strength of the weld 3 To achieve this, it is necessary to work on both joining partners 1 . 2 concerning their interfaces 6 . 8th adequate welding depths 7 . 9 in the two joining partners. At the device 50 is a positioning device 10 to recognize, by means of which the impact point 11 . 11' of the laser beam on one of the interfaces 6 . 8th can be adjusted very quickly. At the positioning device is also a measuring device not shown in greater detail 52 arranged. The device 50 allows the cost-effective welding of complex components, such as in the production of bodies, this can be the angle of attack 12 of the laser beam 4 over mirrors around one or more axes of rotation 13 the positioning device 10 be moved. Applicability for such welding devices 50 is often limited by the accuracy of a weld geometry for the positioning of the impact point 11 . 11' relative to the cutting line 41 between the interfaces 6 . 8th is needed. This cutting line 41 runs in 1 perpendicular to the drawing plane. When trained as fillet welds 3 as they are in 1 drawn in cross section, it is advantageous if this positioning accuracy is smaller than the diameter of the laser beam 4 which is typically between 0.1 and 2 mm. However, the position of the cutting line can be 41 between the interfaces 6 . 8th vary, for example because one of the joining partners 1 . 2 , shown here as thin sheets, by the heat input of the laser 51 bends. Further sources of uncertainty for relative positioning between joining partners 1 . 2 and the positioning device 10 are inaccuracies in the scanner and possibly used for moving the joining partners used robots.
Die gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 50 soll demgemäß die Position des Auftreffpunktes 11, 11´ des Laserstrahls 4, also den Schnittpunkt der optischen Achse 5, 5´ mit einer der Grenzflächen 6, 8, in der Nähe der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 so regeln, dass in jedem der beiden Fügepartner 1, 2 eine ausreichende Nahtfestigkeit sichergestellt ist. Hierfür werden im Schweißprozess ein oder mehrere auf einen der Fügepartner 1, 2 bezogene Einschweißtiefen 7, 9 oder der Abstand 14 der Schweißnahtunterseite von der Grenzfläche 15 eines der Fügepartner als Abstandsmaße 7, 9, 14 für den Abstand zwischen der Schweißnaht 3 zu einer der Grenzflächen 6, 8, 15 gewonnen. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Einschweißtiefe 16 kann anhand eines aus diesen Größen abgeleiteten Regelsignals der Auftreffpunkt 11 über die Positioniereinrichtung 10 verändert werden. The device according to the invention shown 50 should accordingly the position of the point of impact 11 . 11' of the laser beam 4 , ie the intersection of the optical axis 5 . 5 ' with one of the interfaces 6 . 8th , near the cutting line 41 between the interfaces 6 . 8th so that in each of the two joining partners 1 . 2 a sufficient seam strength is ensured. For this purpose, in the welding process one or more of one of the joining partners 1 . 2 related welding depths 7 . 9 or the distance 14 the weld bottom from the interface 15 one of the joining partners as distance measurements 7 . 9 . 14 for the distance between the weld 3 to one of the interfaces 6 . 8th . 15 won. Taking into account the actual welding depth 16 can use a derived from these variables control signal of the impact point 11 via the positioning device 10 to be changed.
In den 2 und 3 wird die Vorrichtung 50 mit Laser 51 und Messeinrichtung 52 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, wobei in der 2 eine Situation dargestellt ist, in der der Auftreffpunkt 11 der optischen Achse 5 des Laserstrahles 4 in etwa dem Schnittpunkt der Grenzflächen 6, 8 entspricht. Die Einschweißtiefe ist so gewählt, dass die Anbindebreite zwischen dem Querschnitt der Schweißnaht 3 und dem einen Fügepartner 1 größer ist als die Anbindebreite zwischen dem Querschnitt der Schweißnaht 3 und dem anderen Fügepartner 2. Die Schenkellänge 17 des größten in die Nahtquerschnittsfläche einschreibbaren gleichschenkligen Dreiecks begrenzt deshalb die Höhe 18, die der Nahtbreite entspricht. Der Winkel α zwischen den beiden gleich langen Schenkeln mit Länge r beträgt 45°, weil unter diesem Winkel die Fläche F = r2sin(α/2)cos(α/2) des Dreiecks maximal wird. In the 2 and 3 becomes the device 50 with laser 51 and measuring equipment 52 not shown for reasons of clarity, wherein in the 2 a situation is shown in which the impact point 11 the optical axis 5 of the laser beam 4 at about the intersection of the interfaces 6 . 8th equivalent. The welding depth is chosen so that the tying width between the cross section of the weld 3 and the one joining partner 1 is greater than the tying width between the cross section of the weld 3 and the other joining partner 2 , The thigh length 17 Therefore, the largest isosceles triangle inscribable in the seam cross-sectional area limits the height 18 that corresponds to the seam width. The angle α between the two equal length legs of length r is 45 °, because at this angle the area F = r 2 sin (α / 2) cos (α / 2) of the triangle becomes maximum.
Wenn der Auftreffpunkt 11 – wie in 2 gezeigt – im Bereich der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 liegt, wird die Nahtbreite und somit die Festigkeit von der durch die Schenkellänge 17 repräsentierten Anbindebreite in Fügepartner 2 dominiert. Verschiebt man den Auftreffpunkt 11 für den Betrachter nach links, dann fällt die Festigkeit weiter ab. Verschiebt man ihn für den Betrachter nach rechts, also in den aufrecht stehenden Fügepartner 2 hinein, dann wird die Festigkeit durch die Breite der Schweißnaht 3 im Spalt zwischen den Fügepartnern 1, 2 begrenzt. Dies ist in 3 gezeigt. Der Radius des größten, in die Fläche der Schweißnaht 3 einschreibbaren Kreises wird durch die Spaltenschweißnahtbreite 19 im Spalt begrenzt. Diese wiederum ergibt sich aus der Breite 20 der Schweißnaht 3 senkrecht zur optischen Achse 5 und dem Anstellwinkel 21 zwischen der optischen Achse 5 und der Grenzfläche 6. Da bei Lasertiefschweißprozessen in vielen Werkstoffen – z.B. in Stahlwerkstoffen – die Breite 20 der Schweißnaht 3 in einem weiten Bereich nahezu unabhängig von der Einschweißtiefe 16 ist, kann man davon ausgehen, dass die Breite 19 der Schweißnaht 3 im Spalt nahezu unverändert bleibt, wenn man den Auftreffpunkt 11 weiter als in 3 gezeigt nach rechts verschiebt. Dies ändert sich erst dann wieder, wenn der Auftreffpunkt 11 die rückseitige Grenzfläche 22 des in der 3 aufrechten Fügepartners 2 erreicht. If the impact point 11 - as in 2 shown - in the area of the cutting line 41 between the interfaces 6 . 8th is, the seam width and thus the strength of the leg length 17 represented connection width in joining partner 2 dominated. Moves the impact point 11 for the viewer to the left, then the strength drops further. Moving it for the viewer to the right, ie in the upright joining partner 2 into it, then the strength is determined by the width of the weld 3 in the gap between the joining partners 1 . 2 limited. This is in 3 shown. The radius of the largest, in the area of the weld 3 inscribable circle is determined by the column weld width 19 limited in the gap. This in turn results from the width 20 the weld 3 perpendicular to the optical axis 5 and the angle of attack 21 between the optical axis 5 and the interface 6 , As in laser deep welding processes in many materials - eg in steel materials - the width 20 the weld 3 in a wide range almost independent of the welding depth 16 is, one can assume that the width 19 the weld 3 in the gap remains virtually unchanged when the impact point 11 further than in 3 shown moved to the right. This only changes again when the point of impact 11 the back interface 22 in the 3 upright joining partner 2 reached.
Für die Führung der in der 3 nicht gezeigten Positioniereinrichtung 10 bedeutet das, dass der Auftreffpunkt 11 etwa in der in 3 gezeigten Position gehalten werden muss. Hierfür muss eine für eine Positionsregelung des Auftreffpunktes 11 geeignete Führungsgröße gefunden werden. Diese kann man aus der Querschnittsfläche der Schweißnaht 3 ableiten, wenn man annimmt, dass der Wirkungsgrad η des Schweißprozesses, konstant ist, wie das bei vielen Werkstoffen, etwa bei Stahlwerkstoffen, bei den typischerweise gewählten Prozessparametern der Fall ist. Die prozesswirksame Energie ist die thermische Energie, welche zum Aufheizen des Volumens F ds von der Raumtemperatur T0 auf die Schmelztemperatur Ts des Werkstoffes benötigt wird. Es gilt daher η P / uds = (TS – T0)cWρWFds (1). For the leadership of the 3 Not shown positioning 10 that means that the point of impact 11 about in the 3 shown position must be kept. For this one must for a position control of the impact point 11 suitable reference variable can be found. This can be seen from the cross-sectional area of the weld 3 derive, assuming that the efficiency η of the welding process, is constant, as with many materials, such as steel materials, the typically selected Process parameters is the case. The process-effective energy is the thermal energy which is required for heating the volume F ds from the room temperature T 0 to the melting temperature T s of the material. It therefore applies η P / uds = (T S - T 0 ) c W ρ W Fds (1).
Der Prozesswirkungsgrad η steht für den Anteil der prozesswirksamen Energie an der gesamten eingestrahlten thermischen Energie, welcher zum Schmelzen des Werkstückes verwendet wird. Der Energieeintrag erfolgt über einen Laserstrahl mit der Leistung P. Die Energiemenge pro Streckenelement ds in Schweißrichtung (in 1 steht es senkrecht zur Zeichenebene) wird durch den Vorschub u bestimmt. Die prozesswirksame Energie ergibt sich aus der Wärmekapazität und der Temperaturdifferenz zwischen der Schmelztemperatur TS des Werkstoffes und der Umgebungstemperatur T0. In dieser Gleichung bezeichnen CW die massenspezifische Wärmekapazität und ρW die Dichte des Werkstoffes. Das aufzuheizende Volumen folgt aus dem Produkt der Querschnittsfläche F der Schweißnaht 3 und dem dazu senkrecht ausgerichteten Streckenelement ds. Bei einem konstanten Vorschub u ist die Laserleistung P deshalb proportional zur Einschweißtiefe 16. The process efficiency η stands for the proportion of process-effective energy to the total incident thermal energy, which is used to melt the workpiece. The energy input takes place via a laser beam with the power P. The amount of energy per line element ds in welding direction (in 1 it is perpendicular to the plane) is determined by the feed u. The process-effective energy results from the heat capacity and the temperature difference between the melting temperature T S of the material and the ambient temperature T 0 . In this equation, C W denotes the mass-specific heat capacity and ρ W the density of the material. The volume to be heated follows from the product of the cross-sectional area F of the weld 3 and the perpendicularly oriented track element ds. At a constant feed u, the laser power P is therefore proportional to the welding depth 16 ,
Erfindungsgemäß kann also eine Fügevorrichtung in der 1, beispielsweise im Bereich ihrer Positioniereinrichtung 10, um eine Messeinrichtung 52 ergänzt sein, die als Abstandsmaße 7, 14 die Einschweißtiefe in den Fügepartner 1 bezogen auf eine von dessen Grenzflächen 6, 15 misst. Ein erster Regelkreis 53 regelt wahlweise die den Abstand 7 als Einschweißtiefe senkrecht zur oberen Grenzfläche 6 des ersten Fügepartners 1 oder den Abstand 14 der Schweißnaht 3 zur unteren Grenzfläche 15. Als Stellgrößen für den ersten Regelkreis können wahlweise die Laserleistung P, der Laserstrahldurchmesser oder der Vorschub u verwendet werden. Das Ergebnis dieses ersten Regelkreises 53 ist, dass die Abstände 7 bzw. 14 unabhängig vom Auftreffpunkt 11 konstant sind, solange der Regelkreis 53 in der Lage ist, die Stellgröße anzupassen. Die Stellgröße dieses ersten Regelkreises 53 kann daher als Maß für die Lage des Auftreffpunktes 11 relativ zum Schnittpunkt der Grenzflächen 6, 8 verwendet werden. Verwendet man beispielsweise die Laserleistung P als Stellgröße, dann steigt diese mit zunehmender Verschiebung des Auftreffpunktes 11 an. According to the invention, therefore, a joining device in the 1 , for example in the area of their positioning device 10 to a measuring device 52 be supplemented, the distance measurements 7 . 14 the welding depth into the joining partner 1 based on one of its interfaces 6 . 15 measures. A first control loop 53 optionally regulates the distance 7 as welding depth perpendicular to the upper interface 6 of the first joining partner 1 or the distance 14 the weld 3 to the lower interface 15 , The manipulated variables for the first control loop can optionally be the laser power P, the laser beam diameter or the feed u. The result of this first control loop 53 is that the distances 7 respectively. 14 regardless of the point of impact 11 are constant as long as the control loop 53 is able to adjust the manipulated variable. The manipulated variable of this first control loop 53 can therefore be used as a measure of the location of the point of impact 11 relative to the intersection of the interfaces 6 . 8th be used. If, for example, the laser power P is used as the manipulated variable, then this increases with increasing displacement of the impingement point 11 at.
4 erläutert diesen Zusammenhang. Die durchgezogenen Linien zeigen qualitativ den Verlauf der Regelgröße des ersten Regelkreises 53 der Regeleinrichtung 55, der Nahtbreite 18 und der als Stellgröße 1 bezeichneten Streckenenergie P/u; die gepunkteten Kurven skizzieren den Verlauf der entsprechenden Größen ohne Regeleinrichtung. Die Punkte a), b) und c) auf den horizontalen Achsen entsprechen den Positionen des Auftreffpunktes 11:
- a) wie in 2, also an der Schnittlinie 41 der Grenzflächen 6, 8;
- b) wie in 3;
- c) an einer Schnittfläche zwischen Grenzflächen 6, 22.
4 explains this relationship. The solid lines show qualitatively the course of the control variable of the first control loop 53 the control device 55 , the seam width 18 and as a manipulated variable 1 designated path energy P / u; the dotted curves outline the course of the corresponding quantities without control device. The points a), b) and c) on the horizontal axes correspond to the positions of the impact point 11 : - a) as in 2 So at the cutting line 41 the interfaces 6 . 8th ;
- b) as in 3 ;
- c) at an interface between interfaces 6 . 22 ,
Ohne Regeleinrichtung 55 wird der Prozess bei nominell konstanter Streckenenergie P/u gefahren. Daher ist der Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogenen Einschweißtiefe vor Punkt a) entsprechend hoch. Da die Querschnittsfläche F der Schweißnaht 3 nahezu konstant bleibt, verringert sich der Abstand 7 mit dem Flächenanteil in dem weiteren Fügepartner 2. Die Nahtbreite nimmt – wie oben erläutert – bei Punkt b) ihr Maximum an und fällt erst wieder ab, wenn der Auftreffpunkt 11 über die Grenzfläche 22 hinauswandert. Without control device 55 the process is run at nominally constant energy P / u. Therefore, the distance 7 as a joining partner 1 related welding depth before point a) correspondingly high. Since the cross-sectional area F of the weld 3 remains almost constant, the distance decreases 7 with the area fraction in the other joining partner 2 , The seam width assumes - as explained above - at point b) to its maximum and only falls off again when the impact point 11 over the interface 22 also emigrated.
Mit Regeleinrichtung 55 wird die erste Stellgröße so angepasst, dass der Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogenen Einschweißtiefe immer konstant dem Sollwert S1 entspricht. Der qualitative Verlauf der Nahtbreite ändert sich gegenüber dem gestrichelten Verlauf ohne Regeleinrichtung 55 nur geringfügig, während die Streckenenergie P/u an die Einschweißtiefe angepasst wird. Da sowohl die Einschweißtiefe 16 als auch die Nahtbreite 20 bei Laserschweißprozessen mit der Streckenenergie P/u zunehmen, steigt auch die Streckenenergie P/u zwischen den Punkten a) und c) streng monoton an. Der Wert der Streckenergie P/u kann daher in diesem Bereich einem Auftreffpunkt 11 eindeutig zugeordnet werden. Er kann daher gleichzeitig als Regelgröße für einen zweiten Regelkreis 54 verwendet werden. With control device 55 the first manipulated variable is adjusted so that the distance 7 as a joining partner 1 Welding depth always corresponds to setpoint S1. The qualitative course of the seam width changes compared to the dashed curve without control device 55 only slightly, while the path energy P / u is adapted to the welding depth. Because both the welding depth 16 as well as the seam width 20 In laser welding processes with the path energy P / u increase, the path energy P / u between the points a) and c) increases strictly monotonous. The value of the track energy P / u can therefore be a hit point in this area 11 be clearly assigned. It can therefore simultaneously as a control variable for a second control loop 54 be used.
Der erwähnte (streng) monotone Zusammenhang der ersten Stellgröße ermöglicht daher, auf den ersten Regelkreis einen zweiten aufzusetzen, der einen Sollwert S2 als Maß für eine Sollposition S3 des Auftreffpunktes 11 im Bereich zwischen den Positionen b und c verwendet, in dem die wirksame Nahtbreite 18 maximal ist. Der zweite Regelkreis 54 verwendet daher die Stellgröße des ersten Regelkreises als Regelgröße. Als Stellgröße dient der Anstellwinkel 12 der Positioniereinrichtung 10. Liegt die von der ersten Regeleinrichtung 53 eingestellte Streckenenergie unter dem Sollwert S3, dann wird der Anstellwinkel so verstellt, dass der Auftreffpunkt 11 in den weiteren Fügepartner 2 hinein verschoben wird. The mentioned (strictly) monotonous relationship of the first manipulated variable therefore makes it possible to set up on the first control loop a second, which sets a desired value S2 as a measure of a desired position S3 of the impingement point 11 used in the area between the positions b and c, in which the effective seam width 18 is maximum. The second control circuit 54 therefore uses the manipulated variable of the first control loop as a controlled variable. The manipulated variable is the angle of attack 12 the positioning device 10 , Is that from the first control device 53 set path energy below the setpoint S3, then the angle of attack is adjusted so that the impact point 11 in the other joining partners 2 is moved into it.
Entsprechend erkennt man, dass es sich um eine kaskadierte Regelung handelt, bei der die Zeitkonstante des ersten Regelkreises 53 deutlich kleiner ist als die des zweiten Regelkreises 54. 5 zeigt den zugehörigen Wirkungsplan. In diesem erkennt man, auch unter Rückgriff auf die 1, eine Fügevorrichtung 50 zum Beispiel mit einem Schweißlaser 51, der über ein Lichtleiterelement 26 mit einer Positioniereinrichtung 10 gekoppelt ist. Diese verstellt den Auftreffpunkt 11 und somit den Ort der Schweißnaht 3, 33 relativ zu den Fügepartnern 1, 2. Bei der Positioniereinrichtung 10 kann es sich beispielsweis um einen Schweißkopf mit Scanner handeln, der den Anstellwinkel 12 der optischen Achse 5 eines Laserstrahls 4 über eine oder mehrere Drehachsen 13 verstellen kann. Die Elemente 51, 10 und 3 bzw. 33 bilden die Regelstrecke des ersten Regelkreises 53 der Regeleinrichtung 55. Das Regelsignal 27 dieses Regelkreises 53 bilden Messwerte für den Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogene Einschweißtiefe, welche mit Hilfe einer Messeinrichtung 52 gewonnen werden. Diese Messeinrichtung 52 kann entweder den Abstand 7 relativ zur oberen Grenzfläche 6 oder den Abstand 14 der Schweißnaht 3 zur unteren Grenzfläche 15 des Fügepartners 1 messen. Das Einschweißtiefensignal 29 wird vom Regler 30 des ersten Regelkreises 53 mit einem Sollwert 31 als Führungsgröße verglichen, und im Fall von Abweichungen die erste Stellgröße 32, welche mit dem Schweißlaser 51 verbunden ist, anpasst. Der Wert der ersten Stellgröße 32 dient gleichzeitig als Regelsignal 38 für den Regler 34 des zweiten Regelkreises 54, welche dieses mit einer zweiten Führungsgröße 35 vergleicht. Bei Abweichungen wird über eine zweite Stellgröße 36, z.B. ein Positionssignal für die Drehachse 13, welches an die Positioniereinrichtung 10 gerichtet ist, der Auftreffpunkt 11 senkrecht zum Vorschub u verstellt. Die Regelstrecke der zweiten Regeleinrichtung bilden demnach die Positioniereinrichtung 10 und die Schweißnaht 3. Accordingly, one recognizes that it is a cascaded control in which the time constant of the first control loop 53 significantly smaller than that of the second control loop 54 , 5 shows the corresponding impact plan. In this one recognizes, also with recourse to the 1 , a joining device 50 for example with a welding laser 51 , which has a light guide element 26 with a positioning 10 is coupled. This adjusts the point of impact 11 and thus the location of the weld 3 . 33 relative to the joining partners 1 . 2 , At the positioning device 10 For example, it may be a welding head with a scanner that detects the angle of attack 12 the optical axis 5 a laser beam 4 via one or more rotary axes 13 can adjust. The Elements 51 . 10 and 3 respectively. 33 form the controlled system of the first control loop 53 the control device 55 , The control signal 27 this control loop 53 form measurements for the distance 7 as a joining partner 1 related welding depth, which by means of a measuring device 52 be won. This measuring device 52 can either the distance 7 relative to the upper interface 6 or the distance 14 the weld 3 to the lower interface 15 of the joining partner 1 measure up. The weld depth signal 29 is from the regulator 30 of the first control loop 53 with a setpoint 31 compared as a reference variable, and in the case of deviations, the first manipulated variable 32 , which with the welding laser 51 connected, adapts. The value of the first manipulated variable 32 serves as a control signal at the same time 38 for the controller 34 of the second control loop 54 which this with a second reference variable 35 compares. In the event of deviations, a second manipulated variable is used 36 , eg a position signal for the axis of rotation 13 which is connected to the positioning device 10 directed, the point of impact 11 adjusted vertically to the feed u. The controlled system of the second control device accordingly form the positioning device 10 and the weld 3 ,
Die Messeinrichtung 52 kann in einer ersten Variante als Abstandsmesseinrichtung ausgeführt sein, welche mindestens einen Messpunkt innerhalb der Schweißnaht 3, 33 – bei Lasertiefschweißprozessen handelt es sich vorzugsweise um den Boden der Dampfkapillare – sowie mindestens einen zweiten Messpunkt auf mindestens einer der beiden Grenzflächen 6, 8 neben der Schweißnaht 3, 33 erfasst. In einer zweiten Variante können auch Bildmerkmale für das Erreichen einer der Grenzflächen 6, 8 oder 15 im Prozessleuchten des Schweißprozesses verwendet werden. Der erste Regelkreis 53 kann auch so ausgebildet sein, dass immer bis zur unteren Grenzfläche 15 durchgeschweißt wird. Der Abstand 14 zwischen Schweißnaht 3 und zugeordneter Grenzfläche 15 ist dann null. In einer dritten Variante kann die Messeinrichtung 52 auch so ausgeführt werden, dass sie sowohl 3D-Messpunkte auf mindestens einer der Grenzflächen 6, 8 mit mindestens einem Wert für die Einschweißtiefe 16 verwendet, der mit einem zweiten Verfahren ermittelt wurde. Beispielsweise kann die Elektronentemperatur im Prozessleuchten ermittelt werden. The measuring device 52 can be performed in a first variant as a distance measuring device, which at least one measuring point within the weld 3 . 33 - Lasertiefschweißprozessen is preferably the bottom of the vapor capillary - and at least one second measuring point on at least one of the two interfaces 6 . 8th next to the weld 3 . 33 detected. In a second variant, image features can also be used to reach one of the interfaces 6 . 8th or 15 used in the process lights of the welding process. The first control loop 53 can also be designed so that always up to the lower interface 15 is welded through. The distance 14 between weld 3 and associated interface 15 is zero then. In a third variant, the measuring device 52 also be executed so that they have both 3D measuring points on at least one of the interfaces 6 . 8th with at least one value for the welding depth 16 used, which was determined by a second method. For example, the electron temperature can be determined in the process lights.
Die beiden Führungsgrößen 31, 35 können in einer ersten Variante der Regeleinrichtungen der Regler 30, 34 der Regelkreise 53, 54 als zeitlich konstante Sollwerte ausgeführt sein. Sie können in einer zweiten Variante aber auch zeitlich variiert werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Prozesseinflüsse vorliegen, die das Verhältnis zwischen der Streckenenergie P/u und dem Auftreffpunkt 11 verändern. Beispielsweise verändert eine Defokussierung des Laserstrahles 4 in Richtung der optischen Achse 5 die Breite 20 des Schmelzbades und damit über die Querschnittfläche F das Verhältnis zwischen Streckenenergie P/u und Einschweißtiefe 16. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein, die Führungsgrößen 31, 35 synchron auf Referenzpunkte zu setzen. Dabei kann es sich beispielsweise um Auftreffpunkte 11 handeln, welche in 4 links von Punkt a) liegen. The two benchmarks 31 . 35 can in a first variant of the control devices of the controller 30 . 34 the control circuits 53 . 54 be executed as a time constant setpoints. They can be varied in a second variant, but also temporally. This is particularly useful if there are process influences which are the ratio between the energy P / u and the point of impact 11 change. For example, a defocusing of the laser beam changes 4 in the direction of the optical axis 5 the width 20 of the molten bath and thus over the cross-sectional area F, the ratio between energy P / u and weld depth 16 , In such cases, it may be useful to use the reference variables 31 . 35 synchronously to reference points. These may, for example, be hit points 11 act in which 4 to the left of point a).
In der 6 ist die Wirkungsweise dieser Zweikreisregelung gezeigt. Während im Stand der Technik ein Schweißkopf mit dem Vorschub u 40, der nahezu parallel zur Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 der Fügepartner 1, 2 verläuft, entlang der Fügepartner 1, 2 geführt. Die Abweichung des Auftreffpunktes 11 von der Schnittlinie 41 wird über den Anstellwinkel 12 zumeist über eine taktile Führung ausgeglichen. Dadurch muss der Schweißkopf sehr nahe an der Schweißnaht 3 geführt werden, wodurch es u. a. zu Kollisionen mit einem Spannmittel 43 kommen kann. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 durch den Laser 51 mit Positioniereinrichtung 10 und Regeleinrichtung 55 ein Schweißkopf gebildet, an dem eine Messeinrichtung 52 angebracht ist, die mindestens einen der Abstände 7, 9, 14 (vgl. 1) als verschiedene auf Fügepartner bezogene Einschweißtiefen bestimmt. In the 6 the mode of action of this two-circuit regulation is shown. While in the prior art, a welding head with the feed u 40 that is almost parallel to the cutting line 41 between the interfaces 6 . 8th the joining partner 1 . 2 runs along the joining partners 1 . 2 guided. The deviation of the impact point 11 from the cutting line 41 is about the angle of attack 12 mostly offset by tactile guidance. As a result, the welding head must be very close to the weld 3 led, among other things, to collisions with a clamping device 43 can come. In contrast, in the device according to the invention 50 through the laser 51 with positioning device 10 and control device 55 a welding head formed on which a measuring device 52 attached, the at least one of the distances 7 . 9 . 14 (see. 1 ) determined as different weld depths related to joint partner.
Ein erster Regelkreis 53 hält über seinen Regler 30 die betreffende Einschweißtiefe 7, 9, 14 über eine Stellgröße 32 konstant. Bei dieser Stellgröße 32 kann es sich beispielsweise um die Laserleistung P, um den Betrag des Vorschubes u 40 oder um eine Defokussierung des Laserstrahles in Richtung der optischen Achse 5, welche die Breite 20 der Schweißnaht 3 ändert, handeln. A first control loop 53 Hold over his regulator 30 the relevant welding depth 7 . 9 . 14 via a manipulated variable 32 constant. With this manipulated variable 32 For example, it may be the laser power P, the amount of the feed u 40 or a defocusing of the laser beam in the direction of the optical axis 5 which the width 20 the weld 3 changes, act.
Wie in Gleichung (1) und 4 gezeigt, ändert sich der Wert der Stellgröße 32, der zum Erreichen der Einschweißtiefe 16 notwendig ist, monoton mit der relativen Position des Auftreffpunktes 11 zur Schnittlinie 41 und der damit verbundenen wirksamen Nahtbreite 18. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Stellgröße 32 zugleich als Regelgröße 38 eines zweiten Regelkreises 54 mit Regler 34 verwendet. Dieser vergleicht den Wert der Eingangsgröße 33 mit einem Sollwert S3 35 und passt die relative Position des Auftreffpunktes 11 zur Schnittlinie 41 über eine Stellgröße 36 an. Bei dieser Stellgröße 36 kann beispielsweise der Anstellwinkel 12 über eine Drehachse 13 in dem Schweißkopf, die näherungsweise parallel zum Vorschub u 40 steht, so angepasst werden, dass die vorgegebene wirksame Nahtbreite 18 erreicht wird. As in equation (1) and 4 shown, the value of the manipulated variable changes 32 , which is to achieve the welding depth 16 is necessary, monotonically with the relative position of the impact point 11 to the cutting line 41 and the associated effective seam width 18 , Therefore, according to the present invention, the manipulated variable 32 at the same time as a controlled variable 38 a second control loop 54 with regulator 34 used. This compares the value of the input variable 33 with a setpoint S3 35 and adjusts the relative position of the point of impact 11 to the cutting line 41 via a manipulated variable 36 at. With this manipulated variable 36 For example, the angle of attack 12 over a rotation axis 13 in the welding head, which is approximately parallel to the feed u 40 is to be adjusted so that the given effective seam width 18 is reached.
7 skizziert einen möglichen zeitlichen Verlauf der Regelsignale für die Schweißnaht 33, wie sie in 6 gezeigt ist. Die Regelgröße 1 stellt der Abstand 7 als auf einen Fügepartner bezogenen Einschweißtiefe dar. Aufgrund der Regelung durch den ersten Regelkreis 53 mit dem Regler 30 liegt sie immer sehr nahe beim konstanten Sollwert S1, der als Führungsgröße 31 dient. Am Startpunkt 44 der Schweißnaht 33, also zum Zeitpunkt t = 0, liegt der Auftreffpunkt 11 vor der Schnittlinie 41, also unterhalb von Punkt a in 4. Daher liegt die erste Stellgröße 32, die zum Erreichen dieses Sollwertes notwendig ist, am Minimum. Der zweite Regelkreis 54 mit seinem Regler 34 vergleicht die erste Stellgröße 32, die ja zugleich als zweite Regelgröße 38 dient, mit einem konstanten Sollwert S2, der als Führungsgröße 35 fungiert. Da der Wert der zweiten Regelgröße 38 zu niedrig ist, passt er die zweite Stellgröße 36 so an, dass zum Zeitpunkt t1 der Sollwert S3 für die wirksame Nahtbreite 18 erreicht wird. Durch diese Zweikreisregelung bleibt die Position zwischen Auftreffpunkt 11 im Bereich zwischen den Punkten b und c in 4, in dem die wirksame Nahtbreite 18 maximal ist. Die Steigung der zweiten Stellgröße 36 ab dem Zeitpunkt t1 soll die Auswirkung eines Fehlwinkels zwischen dem Vorschub u 40 und der Schnittlinie 41 andeuten. 7 outlines a possible time course of the control signals for the weld 33 as they are in 6 is shown. The controlled variable 1 represents the distance 7 as based on a joining partner welding depth. Due to the regulation by the first control loop 53 with the regulator 30 it is always very close to the constant setpoint S1, which is the reference variable 31 serves. At the starting point 44 the weld 33 , ie at time t = 0, the impact point 11 in front of the cutting line 41 , ie below point a in 4 , Therefore, the first control value lies 32 , which is necessary to reach this setpoint, at the minimum. The second control circuit 54 with his regulator 34 compares the first manipulated variable 32 , which at the same time is the second standard variable 38 serves, with a constant setpoint S2, as the reference variable 35 acts. Because the value of the second controlled variable 38 too low, it fits the second manipulated variable 36 so that at time t1, the setpoint S3 for the effective seam width 18 is reached. By this two-circuit regulation, the position remains between impact point 11 in the area between points b and c in 4 in which the effective seam width 18 is maximum. The slope of the second manipulated variable 36 from the time t1, the effect of a false angle between the feed u 40 and the cutting line 41 suggest.
Die Führung von Kehlnähten erfolgt heute fast ausschließlich taktil, in vielen Fällen – etwa beim Schweißen von Aluminiumdrähten – durch Antasten eines Fügepartners mit einem Draht, der dem Schweißprozess zugleich einen Zusatzwerkstoff zuführt. Der Draht wird daher verbraucht. Es handelt sich um dünne Drähte, die über bewegliche Roboterarme gefördert werden müssen und mit denen über eine komplexe Regelung schwere Schweißköpfe geführt werden. Die Prozessparameter müssen daher häufig korrigiert werden. Bei Karosserien entsteht häufig das Problem, dass Spannmittel umfahren werden müssen, was bei taktiler Nahtführung zeitaufwändig ist. Aufgrund der fixen Drahtposition ist die Kombination mit scannenden Schweißoptiken nicht sinnvoll. Daher müssen verschiedene Schweißköpfe für unterschiedliche Nahtgeometrien (etwa Überlapp- und Kehlnähte) am gleichen Bauteil eingesetzt werden. Dem begegnen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung 50 zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern 1, 2 entlang einer Schweißnaht 3, 33 in einem Fügeprozess mittels eines Strahlwerkzeugs, insbesondere eines Laserstrahls 4, wobei der Auftreffpunkt 11 des Laserstrahls 4 im Bereich einer Schweißnaht 3, 33 durch wenigstens eine Positioniereinrichtung 10 manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung 55 mit wenigstens einem Regelkreis 53, 54. Das Verfahren und die Vorrichtung 50 regeln jeweils die Position des Auftreffpunktes 11 des Laserstrahls 4 in der Nähe der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 der Fügepartner 1, 2 derart, dass in jedem der beiden Fügepartner eine ausreichende Nahtfestigkeit sichergestellt ist, wobei durch Messung ermittelte Werte für wenigstens eine erste Stellgröße 32 zumindest mittelbar als Regelgröße 38 wenigstens eines zweiten Regelkreises 53, 54 der Regeleinrichtung 55 verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung 10 der Auftreffpunkt 11 des Laserstrahls 4 manipuliert wird. Today, fillet welds are almost exclusively tactile, in many cases - for example when welding aluminum wires - by touching a joining partner with a wire, which at the same time supplies a filler material to the welding process. The wire is therefore consumed. These are thin wires which have to be conveyed by moving robot arms and which are used to guide heavy welding heads via complex control. The process parameters must therefore be corrected frequently. In the case of bodies, the problem often arises that clamping devices must be bypassed, which is time-consuming in the case of tactile seam guidance. Due to the fixed wire position, the combination with scanning welding optics does not make sense. Therefore, different welding heads for different seam geometries (such as overlap and fillet welds) must be used on the same component. This is countered by the method according to the invention and the device according to the invention 50 for producing a permanent connection between at least two joining partners 1 . 2 along a weld 3 . 33 in a joining process by means of a jet tool, in particular a laser beam 4 , where the impact point 11 of the laser beam 4 in the area of a weld 3 . 33 by at least one positioning device 10 is manipulated and with a control device 55 with at least one control loop 53 . 54 , The method and the device 50 regulate the position of the impact point 11 of the laser beam 4 near the cutting line 41 between the interfaces 6 . 8th the joining partner 1 . 2 such that a sufficient seam strength is ensured in each of the two joining partners, wherein values determined by measurement for at least one first manipulated variable 32 at least indirectly as a controlled variable 38 at least one second control loop 53 . 54 the control device 55 be used, by means of which on the positioning 10 the point of impact 11 of the laser beam 4 is manipulated.
