DE102014017563A1

DE102014017563A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke mittels Laserschweißen

Info

Publication number: DE102014017563A1
Application number: DE102014017563.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kiefer
Original assignee: SCA Schucker GmbH
Current assignee: Atlas Copco IAS GmbH
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-29
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Fügen zweier Werkstücke (28) mittels Laserschweißen mit einer Zange (12) zum Aneinanderpressen der Werkstücke (28), die zwei aufeinander zu und voneinander weg bewegliche Klemmbacken (18) aufweist, welche jeweils mit einem freien Ende (20) zur Anlage an eine dem jeweils anderen Werkstück (28) abgewandte Werkstückoberfläche (26) bestimmt sind, und mit mindestens einem Laser, wobei mindestens eine der Klemmbacken (18) hohl ist und einen zu ihrem freien Ende (20) hin offenen Innenraum (22) umschließt und wobei ein vom mindestens einen Laser ausgesandter Laserstrahl (24) durch den Innenraum (22) der mindestens einen hohlen Klemmbacke (18) auf deren offenes freies Ende (20) gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke mittels Laserschweißen.
Bei bekannten Laserschweißverfahren werden die zu fügenden Werkstücke in Klemmvorrichtungen eingespannt, und es wird eine durchgehende Schweißnaht erzeugt, indem der Laserstrahl über die eingespannten Werkstücke geführt wird. Dabei müssen mittels der Klemmvorrichtung die Flächen der beiden Werkstücke aneinanderliegend gehalten werden, so dass der Klemmvorgang recht aufwendig ist bzw. mit größeren Klemmvorrichtungen durchgeführt werden muss. Zudem sind kürzere Schweißnähte oder Punktschweißungen mit den bekannten Laserschweißverfahren und -vorrichtungen nicht oder nur mit großem Aufwand durchzuführen. Desweiteren muss der Laserstrahl aus Gründen der Arbeitssicherheit aufwendig abgeschirmt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das mit weniger Aufwand einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, sowohl die Klemm- als auch die Schweißfunktion in der Zange zu vereinigen, so dass es keiner gesonderten Klemmwerkzeuge bedarf. Das Zusammenpressen der Werkstücke erfolgt punktuell im Bereich der Klemmbacken, und auch das Aufschmelzen der Werkstücke durch den Laserstrahl erfolgt punktuell. Insbesondere ist es möglich, im Abstand zueinander angeordnete Schweißpunkte zu erzeugen, so dass beispielsweise Schweißverbindungen punktgenau beispielsweise zwischen Klebstoffraupen, die die Werkstücke in Form von Klebstoffnähten miteinander verbinden, gesetzt werden können. Die Zuleitung des Laserstrahls durch den Innenraum der mindestens einen hohlen Klemmbacke hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Laserstrahl gegenüber der Umgebung abgeschirmt ist, so dass, anders als bei üblichen Laserschweißverfahren, nicht mit einer zusätzlichen aufwendigen Einhausung gearbeitet werden muss, um das Ausdringen von Streulicht zu verhindern. Zudem können auch mehr als zwei aufeinanderliegende Bleche in vorteilhafter Weise miteinander verschweißt werden, indem sie an der Fügestelle zusammengepresst und mit dem oder den Laserstrahl(en) beaufschlagt werden.
Es ist möglich, dass nur eine der Klemmbacken für das Zuleiten des Laserstrahls zum Werkstück ausgebildet ist. Die andere Klemmbacke kann dann massiv ohne hohlen Innenraum ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass beide Klemmbacken hohl sind und jeweils einen zu ihrem freien Ende hin offenen Innenraum umschließen, wobei durch jeden der Innenräume ein Laserstrahl auf das offene freie Ende der jeweiligen Klemmbacke gerichtet ist, so dass beide Werkstücke mit einem Laserstrahl bzw. einem Teilstrahl beaufschlagt werden können. Zu diesem Zweck kann ein Strahlteiler vorgesehen sein, der den vom Laser ausgesandten Laserstrahl in zwei Teilstrahlen teilt, von denen ein erster durch den Innenraum der einen und ein zweiter durch den Innenraum der anderen Klemmbacke auf deren offenes freies Ende gerichtet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass ein erster und ein zweiter Laser vorgesehen sind, wobei der Laserstrahl des ersten Lasers durch den Innenraum der einen und der Laserstrahl des zweiten Lasers durch den Innenraum der anderen Klemmbacke auf deren offenes freies Ende gerichtet ist. In beiden Fällen kann die Intensität der beiden Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen in Abhängigkeit vom Material und/oder von der Dicke des jeweiligen Werkstücks variiert werden, um den Energieeintrag zu optimieren.
Der Innenraum der mindestens einen hohlen Klemmbacke kann zudem dazu genutzt werden, das beim Laserschweißen regelmäßig benötigte Schutzgas der Stelle des Werkzeugs zuzuführen, welche gerade mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird. Einer gesonderten Schutzgaszuführung bedarf es dann nicht.
Vorteilhaft ist die mindestens eine hohle Klemmbacke mittels einer Kühleinrichtung kühlbar. Sind beide Klemmbacken hohl, so wird bevorzugt, dass beide Klemmbacken kühlbar sind. Dabei kann eine gemeinsame Kühleinrichtung verwendet werden, oder aber für jede der Klemmbacken kann eine gesonderte Kühleinrichtung vorgesehen sein. Zudem kann die Kühlung der Klemmbacken unabhängig von der jeweils anderen Klemmbacke gesteuert oder geregelt werden, so dass beispielsweise ein von der einen Klemmbacke beaufschlagtes dünnes Blech stärker gekühlt wird als ein von der anderen Klemmbacke beaufschlagtes dickes Blech.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich desweiteren dadurch aus, dass sie an einem Schweißroboter montiert und gegen eine übliche Schweißzange zum Widerstands-Punktschweißen ausgetauscht werden kann. So kann eine Schweißzange zum Widerstands-Punktschweißen vorteilhaft für Werkstücke aus Stahl, eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft für Werkstücke aus Aluminium oder für eine Kombination eines Werkstücks aus Stahl mit einem Werkstück aus Aluminium verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematischer dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine Laserschweißvorrichtung und
2 eine schematische Darstellung der Klemmbacken mit zwischen ihnen eingeklemmten Werkstücken im Schnitt.
Die in der Zeichnung dargestellte Schweißvorrichtung 10 weist eine Zange 12 und einen nicht näher dargestellten Laser auf. Die Zange 12 weist zwei Arme 14 auf, die um eine Schwenkachse 16 gegeneinander verschwenkbar sind. Jeder der Arme 14 trägt eine Klemmbacke 18, die sich bis zu einem freien Ende 20 erstreckt, wobei die freien Enden 20 durch Verschwenken der Arme 14 um die Schwenkachse 16 aufeinander zu und voneinander weg beweglich sind.
Wie in 2 gezeigt, sind die Klemmbacken 18 hohl ausgebildet und umschließen jeweils einen zum jeweiligen freien Ende 20 hin offenen Innenraum 22. Der vom Laser ausgesandte Laserstrahl wird mittels eines nicht näher dargestellten Strahlteilers in zwei Teilstrahlen 24 aufgeteilt, wobei durch jeden Innenraum 22 einer der Teilstrahlen 24 zum freien Ende 20 gerichtet wird. Die freien Enden 20 liegen an den einander abgewandten Oberflächen 26 zweier zu fügender Werkstücke 28 an, so dass die Werkstücke 28 im Bereich der Klemmbacken 18 aneinandergepresst werden können. Die Teilstrahlen 24, deren Intensität abhängig vom Material und der Dicke der Werkstücke 28 variiert werden kann, schmelzen die Werkstücke 28 punktuell auf, so dass diese unter Bildung einer Schweißverbindung zusammengefügt werden. Zudem wird Schutzgas in die Innenräume 22 eingeleitet, das im Bereich der freien Enden 20 wieder austritt und eine Oxidation der Werkstücke 28 beim Schweißen verhindert. Sobald ein Schweißpunkt fertiggestellt ist, werden die Klemmbacken 18 durch Verschwenken der Arme 14 um die Schwenkachse 16 von den Werkstücken 28 abgehoben und an der nächsten zu fügenden Stelle wieder unter Kraftbeaufschlagung der Werkstücke 28 auf deren Oberfläche 26 aufgesetzt.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 10 zum Fügen zweier Werkstücke 28 mittels Laserschweißen mit einer Zange 12 zum Aneinanderpressen der Werkstücke 28, die zwei aufeinander zu und voneinander weg bewegliche Klemmbacken 18 aufweist, welche jeweils mit einem freien Ende 20 zur Anlage an eine dem jeweils anderen Werkstück 28 abgewandte Werkstückoberfläche 26 bestimmt sind, und mit mindestens einem Laser, wobei mindestens eine der Klemmbacken 18 hohl ist und einen zu ihrem freien Ende 20 hin offenen Innenraum 22 umschließt und wobei ein vom mindestens einen Laser ausgesandter Laserstrahl 24 durch den Innenraum 22 der mindestens einen hohlen Klemmbacke 18 auf deren offenes freies Ende 20 gerichtet ist.

Claims

Vorrichtung zum Fügen zweier Werkstücke (28) mittels Laserschweißen mit einer Zange (12) zum Aneinanderpressen der Werkstücke (28), die zwei aufeinander zu und voneinander weg bewegliche Klemmbacken (18) aufweist, welche jeweils mit einem freien Ende (20) zur Anlage an eine dem jeweils anderen Werkstück (28) abgewandte Werkstückoberfläche (26) bestimmt sind, und mit mindestens einem Laser, wobei mindestens eine der Klemmbacken (18) hohl ist und einen zu ihrem freien Ende (20) hin offenen Innenraum (22) umschließt und wobei ein vom mindestens einen Laser ausgesandter Laserstrahl (24) durch den Innenraum (22) der mindestens einen hohlen Klemmbacke (18) auf deren offenes freies Ende (20) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Klemmbacken (18) massiv ohne hohlen Innenraum (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Klemmbacken (18) hohl sind und jeweils einen zu ihrem freien Ende (20) hin offenen Innenraum (22) umschließen, wobei durch jeden der Innenräume (22) ein Laserstrahl (24) auf das offene freie Ende (20) der jeweiligen Klemmbacke (18) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler, der den vom Laser ausgesandten Laserstrahl in zwei Teilstrahlen (24) teilt, von denen ein erster durch den Innenraum (22) der einen und ein zweiter durch den Innenraum (22) der anderen Klemmbacke (18) auf deren offenes freies Ende (20) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Laser, wobei der Laserstrahl des ersten Lasers durch den Innenraum (22) der einen und der Laserstrahl des zweiten Lasers durch den Innenraum (22) der anderen Klemmbacke (18) auf deren offenes freies Ende (20) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Schutzgas in den mindestens einen Innenraum (22).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine hohle Klemmbacke (18) mittels einer Kühleinrichtung kühlbar ist.
Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke (28) mittels Laserschweißen, wobei die Werkstücke (28) mit einer zwei aufeinander zu und voneinander weg bewegliche Klemmbacken (18) aufweisenden Zange (12) aneinandergepresst werden und wobei mindestens ein Laserstrahl (24) durch mindestens eine der Klemmbacken (18), welche zu diesem Zweck hohl ist und einen zu ihrem an einem der Werkstücke (28) anliegenden freien Ende (20) hin offenen Innenraum (22) umschließt, auf das betreffende Werkstück (28) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (28) an im Abstand zueinander angeordneten Schweißpunkten zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Klemmbacken (18) hohl sind und jeweils einen zu ihrem freien Ende (20) hin offenen Innenraum (22) umschließen und dass durch jeden der Innenräume (22) ein Laserstrahl (24) auf das betreffende Werkstück (28) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Laserstrahlen (24) in Abhängigkeit von der Dicke und/oder dem Material des jeweils beaufschlagten Werkstücks (28) variiert wird.
Verfahren von einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Klemmbacken (18) mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird und dass die Kühlung der einen Klemmbacke (18) unabhängig von der Kühlung der anderen Klemmbacke (18) gesteuert oder geregelt werden kann.