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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre, und eine Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre.
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Beim Schmelzschweißen hat die vorherrschende Gasatmosphäre, die beispielsweise beim Schutzgasschweißen, einen starken Einfluss auf den Schweißvorgang und damit auch auf die Qualität der Schweißverbindungszone.
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Nach dem Stand der Technik wird gegenwärtig durch die Zuführung von inerten oder aktiven Schutzgasen über vorgeschaltete Gasdüsen direkt im Bereich einer Schweißverbindungszone der zusammenzufügenden Bleche, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre an der Schweißverbindungszone direkt beeinflusst. Die Gasatmosphäre dort ist jedoch nicht vor äußeren Einflüssen geschützt und es kann zu einer Beeinflussung der Gaszusammensetzung kommen. Ferner besteht bei großen Bauteilen die Gefahr, dass es durch eine Verfahrbewegung und die damit notwendigen Verschiebungen der Gasdüsen zusätzlich zu Schwankungen in der Gaszusammensetzung kommt.
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In
EP 2 149 421 B1 und in
DE 196 5633 C1 werden Laserschweißverfahren vorgestellt, die den Bereich der Schweißverbindungszone vor dem Schweißen mit einem lichtundurchlässigen Schutzgehäuse abdecken und damit ein Austreten der Laserstrahlung verhindern sollen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre anzugeben, bei dem die Gasatmosphäre an der Schweißverbindungszone kontrolliert werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre anzugeben, bei der die Gasatmosphäre an der Schweißverbindungszone kontrolliert werden kann.
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Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung eine Umhausung anzugeben, mit der die Gasatmosphäre kontrolliert werden kann.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre nach Anspruch 7 gelöst.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Umhausung erfindungsgemäß mit einer Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre nach Anspruch 12 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
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Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre angegeben, wobei eine Schweißverbindungszone in einer abdichtbaren Umhausung angeordnet wird, in der ein Druckgas zugeführt wird, und der Druck und die Zusammensetzung des Druckgases mittels einer Gaszufuhr und einer Gasabfuhr in die und aus der Umhausung geregelt wird, so dass ein vorbestimmter Druck und eine vorbestimmte Gasgemisch-Zusammensetzung des Druckgases an der Schweißverbindungszone während des Schweißens vorliegt. Unter einer Gasatmosphäre ist hierbei eine Zone zu verstehen, die ein vorbestimmtes Druckgas wie beispielsweise ein Schutzgas, wie ein inertes Gas, beispielsweise CO2, Argon etc, aufweist. Durch die abdichtbare Umhausung kann ein besserer Luftabschluss bereitgestellt werden und die Gasatmosphäre kann jederzeit optimal eingestellt werden, in dem die Gaszufuhr und die Gasabfuhr geregelt wird. Die Steuerung bzw. die Regelung des Drucks im Vergleich zum Atmosphärendruck gezielt abzuändern, ist besonders vorteilhaft, da ab einem bestimmten Druck-Schwellwert des Gasdruckes positive Effekte auftreten (weniger Schweißspritzer, größere Einschweißtiefe). Insbesondere ist es besonders vorteilhaft den Druck gegenüber der Außenatmosphäre abzusenken, da hierdurch eine größere Schweißtiefe erzielt werden kann und an der Schweißverbindungszone das Auftreten von Schweißspritzern verringert oder ganz verhindert werden kann.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen wird die Umhausung gegen das zu schweißende Werkstück mit einer vorbestimmten Kraft gedrückt wird, so dass die Randabschnitte der Umhausung fluiddicht gegen das Werkstück abschließen, bevor das Druckgas in die Umhausung zugeführt wird. Das Aufbringen der vorbestimmten Kraft wird vorteilhafterweise beispielsweise mittels einer Hydraulik-Presse oder vergleichbarem aufgebracht.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen wird die Umhausung vor dem Beschicken mit dem Druckgas und / oder vor dem Start der Schweißung evakuiert, so dass ein Unterdruck in der Umhausung erzeugt wird, insbesondere in einem Bereich von 0.1 kPa bis 10 kPa, und / oder dass die Umhausung (20, 32) vor dem Erzeugen eines Unterdrucks mit dem Druckgas (G) gespült wird. Dies hat außerdem den Vorteil, dass die Schweißverbindungszone unter Luftabschluss gehalten werden kann und gleichzeitig die Gasatmosphäre kontrolliert werden kann.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen werden ein oder unterschiedliche Gase über die Gaszufuhr in die Umhausung zugeführt, um das vorbestimmte Druckgas zu erzeugen und/oder, dass Druckgas wird bereits vorgemischt über die Gaszufuhr in die Umhausung zugeführt wird. Beim Laserschweißen sind als Druckgas alle bekannten Schutzgase und Schweißgase einsetzbar. Das zu verwendende Druckgas ist je nach Werkstoff des zu schweißenden Werkstücks vorzugsweise ein inertes Schutzgas, wie beispielsweise Argon Ar, Helium He, Stickstoff N, ein aktives Schutzgas, wie beispielsweise Sauerstoff O2, Kohlendioxid CO2, Wasserstoff H2, oder ein Gemisch unterschiedlicher Gase.
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Das Schweißen in einem Unterdruckbereich, insbesondere unter 1kPa, vorteilhafterweise in einem Bereich von 10kPa bis 0,1 kPa, erlaubt auch mit einer geringeren Laserleistung und mit einem geringeren Wärmeintrag das zu schweißende Werkstück zu schweißen, was zu einer geringeren thermischen Belastung des Werkstückes führt und mögliche Verzüge desselben verringert.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen wird beim Schweißen die Umhausung stationär einseitig, oder mehrseitig an der Schweißverbindungszone angeordnet und ein von einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung erzeugter Laserstrahl relativ zu und innerhalb und/oder außerhalb der Umhausung hin zu der Schweißverbindungszone positioniert. Die Umhausung kann an unterschiedlichen Positionen je nach Ort der Schweißverbindungszone angeordnet werden. Optional hat jede Schweißverbindungszone eine eigene Umhausung. Jedoch können auch ein Mehrzahl von Schweißverbindungszonen von einer Umhausung abgedeckt werden. Bei einem kompletten Durchschweißen des Werkstückes oder der gestoßenen Bauteile werden vorteilhafterweise an gegenüberliegenden Seiten der Schweißverbindungzone Umhausungen angeordnet, so dass auch beim Durchschweißen die Dichtigkeit durch die Umhausungen und Abschnitten des nicht zu schweißenden Werkstückes aufrechterhalten werden kann.
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Nach einer Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen wird der Druck, die Temperatur und / oder die Druckgaszusammensetzung vor, beim und/oder nach dem Scheißvorgang gemessen und/oder überwacht, wobei der Druck ein vorbestimmter Druck ist der größer, kleiner und / oder gleich dem Umgebungsdruck außerhalb der Umhausung ist.
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Nach der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre angegeben, aufweisend eine Laserstrahlerzeugungsvorrichtung, mit der ein Laserstrahl zum Schweißen erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Positionier-Vorrichtung zum Positionieren des Laserstrahls in einer Schweißverbindungszone, in der eine Schweißverbindung auszubilden ist, eine Umhausung, die wenigstens eine Gaszufuhr-Vorrichtung für eine Gaszufuhr eines Druckgases in die Umhausung und eine Gasabfuhr-Vorrichtung für eine Gasabfuhr des Druckgases aus der Umhausung aufweist, wobei zwischen der Schweißverbindungszone und der Laserstrahlerzeugungsvorrichtung die Umhausung angeordnet ist.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen sind die Laserstrahlerzeugungsvorrichtung und die Laserstrahl-Positionier-Vorrichtung außerhalb der Umhausung angeordnet.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen ist ein Laserschweißkopf der Laserstrahlerzeugungsvorrichtung relativ zu der Umhausung positionierbar.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen weist die Vorrichtung eine erste Umhausung und andererseits eine zweite Umhausung auf, die an unterschiedlichen Positionen der Schweißverbindungszone anordenbar sind.
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen weist die Gaszufuhr und die Gasabfuhr jeweils ein Stellglied auf, mittels dem das Zuführen und Abführen des Druckgases gesteuert und/oder geregelt wird. Das Stellglied kann eine Gassteckdose, ein regelbares Ventil, wie beispielsweise ein Unterdruckventil und/oder ein Überdrückventil aufweisen.
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Nach der Erfindung wird eine Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre für ein Verfahren zum Laserschweißen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 und für eine Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11 angegeben, wobei die Umhausung einen lokalen Gassammelraum definiert der einerseits eine Mündung aufweist, die durchgängig für ein in dem Gassammelraum bereitstellbares Druckgas ist, und andererseits auf der der Mündung entgegengesetzten Seite fluiddicht verschlossen ist, und die Umhausung eine Gaszufuhr-Vorrichtung und eine Gasabfuhr-Vorrichtungen aufweist.
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Nach einer Ausführungsform der Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre definiert die Umhausung einen Gassammelraum, der zum Regeln des Drucks in der Umhausung eine Gaszufuhr-Vorrichtungen für eine Gaszufuhr eines Druckgases und eine Gasabfuhr-Vorrichtung für eine Gasabfuhr des Druckgases aus dem Gassammelraum aufweist, wobei wenigstens eine Seitenwandung oder Kappe der Umhausung störungsfrei von einem Laserstrahl durchdringbar ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre definieren die Gaszufuhr-Vorrichtungen und / oder die Gasabfuhr-Vorrichtung jeweils eine Durchgangöffnung, in der ein Stellglied zum Öffnen und Schließen der Durchgangsöffnung montierbar ist und / oder wenigstens ein Stellglied mittels einer Regeleinheit steuerbar ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre weist die Umhausung einen Sensor auf, mit dem die Zusammensetzung, der Druck und/oder die Temperatur des in der Umhausung bereitstellbaren Schutzgases messbar sind/ist. Bei dem Sensor kann es sich um einen Sensor zum Druckmessen, Temperaturmessen oder Chemosensor zum Messen der Gaszusammensetzung handeln. Mit den aus diesen Sensoren gemessenen Daten wird dann die Gaszusammensetzung und der Druck bzw. Temperatur über ein Zuführen und oder Abführen von Druckgas geregelt. Zur Regelung der Temperatur kann beispielsweise gekühltes Druckgas zugeführt und
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Nach einer Ausführungsform der Umhausung zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre weist das Stellglied eine Gassteckdose, ein Ventil, ein Unterdruckventil und/oder ein Überdrückventil auf.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 in einer schematischen Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Schweißen mit einer Umhausung zum Ausbilden eines fluiddichten Gassammelraums zum einseitigen Schweißen,
- 1A ist eine vergrößerte Schnittansicht, nach der kreisförmigen Schnittführung I, die einen Endabschnitt der Wandung der Umhausung der Vorrichtung nach 1 zeigt,
- 2 in einer schematischen Teilschnittansicht eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Schweißen unter einem fluiddichten Gasabschluss zum zweiseitigen Schweißen,
- 2A eine Detailteilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Umhausung der Vorrichtung zum Schweißen mit einer Umhausung zum Ausbilden eines fluiddichten Gassammelraums zum zweiseitigen Schweißen,
- 3 in einer schematischen Perspektivansicht eine robotergeführte Laserschweißvorrichtung zusammen mit der Umhausung der Vorrichtung zum Laserschweißen von überlappend gestoßenen Werkstücken, und
- 4 in einer perspektivischen schematischen Ansicht eine Umhausung, die auf der Schweißverbindungszone vorgesehen ist, wobei der zum Schweißen bereitgestellte Laserstrahl über einen Laserscanner hin zu der Schweißverbindungszone positionierbar ist.
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Nachfolgend sind in den 1 bis 4 jeweils zwei unterschiedliche Bezugssysteme gezeigt. Das Bezugssystem BL mit den an den jeweiligen Enden der Richtungsachsen angezeigten Doppelpfeilspitzen bezieht sich auf die möglichen Bewegungsrichtungen eines Laserstrahls L in x-, y-, z-Richtung, der mittels einer Laserschweißvorrichtung erzeugt wird, und das andere Bezugssystem BT bezieht sich auf die Bauteilabmessungen der jeweiligen Werkstücke 1, 2 in Bauteildickenrichtung T, Bauteillängsrichtung L und in Bauteilbreitenrichtung B.
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1 zeigt in einer schematischen Teilschnittansicht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks 1 mit einem zweiten Werkstück 2. Die beiden Werkstücke 1, 2 sind beispielsweise Metallbleche, die derart übereinander in Bauteildickenrichtung T angeordnet sind, so dass auf wenigstens einer Seite die jeweiligen Seitenränder 11 des einen Werkstückes 1 im Wesentlichen parallel zu den Seitenrändern 21 des anderen Werkstückes 2 sind. Je nach Bauteilabmessungen in Bauteildickenrichtung T, Bauteillängsrichtung L und Bauteilbreitenrichtung B und / oder Krümmung des jeweiligen Werkstückes 1 und 2 können sich auch andere Stoßstellen 10 und Schweißverbindungszonen S ergeben. Die Werkstücke können beispielsweise an der Stoßstelle als Stumpfstoß, Überlappstoß, Parallelstoß, T-Stoß, Kreuzstoß, Eckstoß, Mehrfachstoß, Schrägstoß oder Bördelstoß angeordnet werden. Die Umhausung 20 weist einen zu der Stoßstelle komplementären Verlauf auf, so dass die Umhausung 20 die Stoßstelle und insbesondere die Schweißverbindungszone S fluiddicht umgibt.
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An der Stoßstelle 10 soll eine Schweißverbindungszone S mit vorbestimmter Tiefe und Länge ausgebildet werden, wobei hierfür über eine Laserstrahlerzeugungsvorrichtung 60, die wenigstens in Längsrichtung L und Breitenrichtung B des Werkstücks 1 verlagerbar ist, ausgebildet werden.
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Die Laserstrahlvorrichtung 60 kann beispielsweise eine Robotervorrichtung 61 aufweisen, mittels der die Lage und Position des von der Laserstrahlvorrichtung 60 erzeugten Laserstrahls L veränderbar ist, wie beispielsweise in 3 gezeigt.
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Der über die Laserstrahlvorrichtung 60 erzeugte Laserstrahl L kann aber auch mittels einer Laserscannervorrichtung 65 wie in 4 gezeigt, an vorbestimmte Positionen in und an der Schweißverbindungszone S positioniert werden.
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Die Lage und Position des Laserstrahls L an der Scheißstelle S ist auch mittels anderen Vorrichtungen manipulierbar. Die oben genannten Ausführungsformen für die Veränderungen der Position des Laserstrahls L sind nicht abschließend und können auch mit hier nicht aufgeführten Positionsmanipulations-Vorrichtungen durchgeführt werden und sind lediglich für das bessere Verständnis der Erfindung aufgeführt worden.
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Die Vorrichtung zum Laserschweißen weist wenigstens eine Umhausung 20, die einerseits gegen ein zu bearbeitendes Werkstück über einer Schweißverbindungszone S ausreichend fluiddicht andrückbar ist, so dass in der Umhausung 20 ein Druckgas G bereitstellbar ist, und andererseits für einen Laserstrahl an wenigstens einem Abschnitt durchgängig ist, so dass an der Schweißverbindungszone S ein Schweißvorgang durchführbar ist, und die Laserstrahlvorrichtung 60 auf.
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Nach einem bevorzugten Verfahren wird, bevor die Schweißverbindungszone S in den Werkstücken 1 und 2 mittels des Laserstrahls L, der von der Laserstrahlvorrichtung 60 erzeugt wird, die Umhausung 20 bzw. Umhausung 20 mit einer vorbestimmten Kraft F gegen das Werkstück 1 angedrückt, so dass die Umhausung 20 mit ihrem nach unten gegen das oder die Werkstücke abgrenzenden Randabschnitt 24 ausreichend fluiddicht gegen die Oberfläche des Werkstücks 1 abschließt. Zum Unterstützen des Andrückvorgangs, kann in der gegen das jeweilige Werkstück 1, 2 angedrückten Umhausung 20 ein Vakuum ausgebildet werden. Ein Vakuum kann in der Umhausung selbst oder in Saugkanälen in der Wandungen 22, die die Umhausung 20 definiert, aufgebaut werden.
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Zur Verbesserung und Unterstützung der Dichtigkeit zwischen dem Randabschnitt 24 der Umhausung 20 und der Oberfläche 21 des Werkstücks 1, die an den Randabschnitt 24 angrenzt, können Dichtigkeit-erhöhende-Maßnahmen oder Einrichtungen an dem Randabschnitt 24 und / oder an der Oberfläche des der Umhausung 20, 32 angrenzenden Werkstückes 1, 2 angebracht werden, die nach der Beendigung des Laserschweißvorgangs wieder von dem Werkstück 1, 2 entfernbar sind. Beispielsweise wird, bevor das für den Laserschweißvorgang vorgesehene Gas in den Gassammelraum 26 zugeführt, zuerst ein Unterdruck erzeugt, in dem der vorhandene Luftsauerstoff bzw. die Umgebungsluft aus dem Gassammelraum 26 der Umhausung 20 ausgepumpt wird, um somit zusätzlich zu den Anpresskräften F die Umhausung 20 fluiddicht gegen das Werkstück 1 anzusaugen. Der hierbei aufgebaute Unterdruck kann in einem nachfolgenden Verfahrens-Schritt genutzt werden, um das vorbestimmte Druckgas G für den Schweißvorgang in die Umhausung 20 einzubringen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform weist die Umhausung zum Steuern des Unterdrucks ein Unterdruckventil auf, insbesondere ein Unterdruckventil das steuerbar oder regelbar ist.
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Hiermit kann auch die gewünschte Abdichtung des Randabschnitts 24 der Umhausung 20 gegen das Werkstück 1 erzeugt werden.
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Beispielsweise kann, wie im Detail in 1A an dem Randabschnitt 24, der der Oberfläche des Werkstücks 1 im Laserschweißzustand zugewandt bzw. angrenzend ist, eine Dichtungslippe 25 vorgesehen sein, die schürzenartig den Randabschnitt 24 umgibt, und durch die Anpresskraft F derart gegen die Oberfläche 21 des Werkstücks 1 angedrückt wird, dass eine Abdichtung mittels der Dichtungslippe 25 gegenüber der Oberfläche 21 des Werkstücks 1 erfolgt. Der Randabschnitt 24 der Umhausung ist vorzugsweise komplementär zum Oberflächenverlauf des Stoßstellenbereichs der oder des zu schweißenden Werkstückes 1, 2 ausgebildet, so dass der Randabschnitt 24 möglichst bündig gegen die Oberfläche 21 des jeweiligen Werkstückes 1, 2 anliegt.
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Zum Verbessern des gasdichten Kontakts an der Kontaktstelle der Wandung 22 die Dichtungslippe 25 oder eine Dichtschürze vorgesehen sein, die beispielsweise aus einem elastischen Material, wie Gummi oder Silikon, ausgebildet ist, so dass das angepresste Gehäuse im Wesentlichen gasdicht gegen die Oberfläche 21 des Werkstücks 1 angedrückt werden kann.
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Ferner können zusätzlich oder ausschließlich lösbare Dichtringe oder Dichtmassen seitlich und / oder randseitig an den Endabschnitten der Wandungen 22 der Umhausung 20 vorgesehen werden, die gegen das jeweilige Werkstück angedrückt werden, um die Dichtigkeit der Umhausung 20 bzw. des Randabschnitts 24 gegenüber dem jeweiligen Werkstück 1, 2 zu erhöhen. Die Umhausung 20 definiert zusammen mit dem daran fluiddicht angebrachten Werkstück 1, 2 einen Gassammelraum 26 für den nachfolgenden Schweißvorgang.
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Nachdem eine ausreichende Dichtigkeit der Randabschnitte 24 der Umhausung 20 mit dem angrenzenden Werkstück 1 aufgebaut worden ist, wird in der von der Umhausung 20 definierten Gassammelraum 26 über Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 ein Druckgas zugeführt bzw. abgeführt, um einen vorbestimmten Gasdruck in der Gassammelraum 26 der Umhausung 20 auszubilden und/oder die vorhandene Luft aus dem Gassammelraum 26 zu verdrängen. Die Gaszufuhr GZ und die Gasabfuhr GA wird bevorzugt von einer Regelungseinheit geregelt, wie einer CPU 90, die beispielsweise über Kommunikationsleitungen 901, 902, die Stellgliedern der Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 verbunden sind, die die Signale zum Betätigen der Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 von der CPU 90 und zurück übertragen. Der Verlauf der Kommunikationsleitungen 901 ist lediglich symbolisch. Anstelle der Kommunikationsleitungen 901 können für die Kommunikation der Regelungseinheit mit den Stellgliedern auch andere Kommunikationsverbindungen montiert werden, wie beispielsweise eine drahtlose Fernsteuerung, wie WLAN (Wireless Local Area Network).
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Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Schweißen unter Gasatmosphäre sind der Gaseinlass 101 und der Gasauslass 101 mit Schlauch-Montageabschnitten 100 versehen, die jeweils in eine Durchgangsöffnung 111, 112 in der jeweiligen Wandung 22 der Umhausung 20 ausgebildet sind.
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Nach einer Ausführungsform der Umhausung 20 definiert die Gaszufuhr-Vorrichtung 101 eine Durchgangsöffnung 111, an der eine Gasquelle anschließbar ist, wie beispielsweise eine Gasflasche. Die Durchgangsöffnung 111 ist hierfür mit einer Gasteckdose und / oder mit einem Innen- oder Außengewinde zum Anschließen einer Gasversorgungsleitung versehen. An die Gasteckdose ist das Stellglied zum Zuführen des Gases montierbar, wie beispielsweise ein Wegeventil mit ein oder mehren Schaltstellungen und / oder Durchflusswegen zum Zuführen eines oder unterschiedlicher Gase.
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Eine Mischung von unterschiedlichen Gasen kann in dem Gassammelraum 26 durchgeführt werden, wird aber bevorzugt außerhalb des Gassammelraums 26, beispielsweise mit einer Mischbatterie, durchgeführt.
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Die Gasabfuhr-Vorrichtung 102 definiert eine Durchgangsöffnung 112 zum Ablassen des Gases. Nach einer Ausführungsform ist in der Durchgangsöffnung 112 und der Durchgangsöffnung 111 ein Überdruckventil bzw. ein Unterdruckventil (jeweils nicht dargestellt) montiert, mittels dem der Gasdruck in der Umhausung 20 auf ein vorbestimmtes Niveau einsteuerbar bzw. einregelbar ist. Die Durchgangsöffnung 112 ist bevorzugt ebenfalls zusätzlich oder ausschließlich mit einer Gassteckdose versehen. Das über die CPU 90 steuerbare Stellglied kann in der Durchgangsöffnung 112, in der Abführleitung der Gasabfuhr GA und /oder an einem Sammelbehälter (nicht dargestellt) für das abzulassende Gas vorgesehen sein. In einer der Durchgangsöffnungen kann auch ein Unterdruckventil montiert sein, so dass über das Zusammenwirken des Überdruckventils und des Unterdruckventils der Druck in der Umhausung 20, 32 einstellbar ist.
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Um die vorhandene Gaskonzentration und die vorbestimmte Druckgaszusammensetzung und den vorbestimmten Druck in der Gassammelraum 26 zu überwachen und zu regeln, können entsprechende Sensoren 80, 81 vorgesehen sein. In der gezeigten Ausführungsform wird die Zusammensetzung des Gases mittels eines Chemosensor 81, der die Zusammensetzung und die Art des Gases detektiert, und den in der Umhausung 20 vorliegenden Druck, beispielsweise einem Drucksensor 80, gemessen, der direkten oder indirekten Kontakt mit dem Gas bzw. Druckgas G in dem Gassammelraum 26 hat.
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Der Chemosensor 81 ist zum Nachweis und zur Detektion vorbestimmter chemischer Verbindungen vorgesehen und wird zur Überwachung der Zusammensetzung und/ oder der Konzentration des Druckgases in der Umhausung 20 verwendet, um gegebenenfalls das Gemisch durch beispielsweise Zufuhr und/oder Ablassen von vorbestimmten Gasen in der Umhausung 20 zu steuern und /oder um die Gaszusammensetzung zu überwachen, so dass beispielsweise erst mit dem Laserschweißen begonnen wird, wenn eine vorbestimmte Gaszusammensetzung und / oder vorbestimmter Druck in der Umhausung 20, 32 vorliegt.
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Die Sensoren 80, 81 sind mit einer Steuereinheit 90, wie beispielsweise eine programmierbaren CPU (Central Processor Unit) verbunden, die über die erfassten Signale aus den Sensoren 80, 81, den Gasdruck durch Zuführen und Abführen des Druckgases in der Gassammelraum 26 der Umhausung 20 regelt.
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Nachdem die Dichtigkeit der Randabschnitte 24 gegenüber der Oberfläche des Werkstücks 1 sichergestellt worden ist, wird über die Gaszufuhröffnung 101 ein Druckgas oder ein vorbestimmtes Gas in die Gassammelraum der Umhausung 20 zugeführt, wobei vorab die Gasabfuhröffnung 102 verschlossen worden ist, um den vorbestimmten Druck in der Umhausung 20 auszubilden.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Gassammelraum 24 von der Umhausung 20 und von einer laserstrahldurchlässige Kappe 23 definiert, die für einen von einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung erzeugten Laserstrahl L transparent und durchgängig ist, wobei die Kappe 23 fluiddicht mit den Seitenwänden 22 der Umhausung 20 verbunden ist.
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Ferner weist die Umhausung 20 an der der Schweißverbindungszone S zugewandten Seite eine Mündung 21 auf, die den Zugang des Gases und des Laserstrahls L an die Schweißverbindungszone S erlaubt.
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Die Umhausung 20 ist auf der der Kappe 23 abgewandten Seite auf der Seite, die der Schweißverbindungszone zugewandt ist, bevorzugt wenigstens gasdurchgängig offen, so dass das in der Druckgas-Umhausung vorhandene Druckgas bzw. Gas in direkten Kontakt mit der Schweißverbindungszone S steht.
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Die Laserstrahlvorrichtung 60 ist außerhalb der Umhausung 20 angeordnet, wobei lediglich der von der Laserstrahlvorrichtung 60 erzeugte Laserstrahl L in die Umhausung 20 eindringt, um an seinem Brennpunkt die zu verschweißenden Werkstücke 1 und 2 an der Schweißverbindungszone S zu verschweißen. Die Umhausung 20 hat die Funktion, das Druckgas G bzw. das verwendete Schutzgas an Ort und Stelle zu halten.
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Um eine in der dreidimensionalen Erstreckung der Werkstücke 1 und 2 sich erstreckende Schweißverbindungszone S auszubilden, ist die Laserstrahleinrichtung in allen drei Dimensionen in x-y-z-Richtung, wie mit dem Bezugssystem BL angezeigt, verfahrbar, so dass der Laserstrahl-Brennpunkt beispielsweise eine dreidimensionale Schweißverbindungszone S in den beiden Werkstücken 1 und 2, wie schematisch in 1 dargestellt, ausbilden kann.
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In 1 und 2 sind in einer schematischen Schnittansicht eine Stoßstelle SG eines ersten und zweiten Werkstücks 1, 2 gezeigt, die in Bauteildickenrichtung T übereinander angeordnet sind.
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Die in 1 und 2 gestoßenen Werkstücke 1 und 2 sind insbesondere übereinander gestapelt angeordnet, wobei nicht nur eine Verbindung der Stoßstelle an den seitlichen Seiten, sondern auch eine Verbindung der Werkstücke 1, 2 gegeneinander ausgebildet werden soll. Die Schweißverbindungszone S ist an einem vorbestimmten Abschnitt der jeweiligen Werkstücke 1, 2 vorgesehen.
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Die Werkstücke 1, 2 können auch in einer anderen Position gegeneinander angrenzend angeordnet werden. Beispielsweise können die Werkstücke bzw. Bleche auch stirnseitig an den Randabschnitten angrenzend gegeneinander angeordnet werden, wobei an wenigstens einer vorbestimmten Stelle der stirnseitigen Stoßstelle (nicht dargestellt) wenigstens eine Schweißverbindungszone S vorgesehen ist. Die zu verschweißenden Werkstücke 1, 2 sind bevorzugt aus Metall. Die Werkstücke könne jedoch auch andere Materialien aufweisen und / oder aus anderen Materialien bestehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verschweißen weist die Umhausung 20 auf, die einen Gassammelraum 24 definiert, und die auf der der Schweißverbindungszone zugewandten Seite eine Mündung 21 aufweist, die seitlich von Wandungen 22 definiert wird, so dass der Schweißbereich S von einem Laserstrahl L abgetastet werden kann.
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Die Wandungen 22 der Umhausung 20 definieren einen Strahlengang 27, der quer zur Erstrechungsrichtung B der Wandungen 22 einerseits von einer von der offenen Mündung 21 und andererseits von einer laserstrahltransparenten, druckdichten Kappe 23 definiert wird, die die Umhausung 20 auf der der Mündung 21 abgewandten Seite fluiddicht verschließt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Umhausung 20 und die Kappe 23 stofflich einstückig aus einem transparenten, laserstrahldurchlässigen Material, wie Glas oder Kunststoff ausgebildet.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann die Umhausung 20 aus einem anderen Material wie die Kappe 23 ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Kappe 23 aus einem laserstrahldurchlässigen Kunststoff und die Wandungen 22 der Umhausung 20, 32 aus einem thermischen und chemisch stabilen Material, wie Glas oder Keramik. Ferner kann die Kappe 23 lösbar an der Umhausung 20 montiert werden, beispielweise über ein Gewinde, eine Schraubenverbindung, eine Bajonett-Verbindung etc., wobei die lösbare Verbindung bevorzugt durch auswechselbare Dichtmittel fluiddicht ausgebildet werden kann.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen und eine zweite Ausführungsform der Umhausung 20, die die Ausbildung einer zweiseitigen Schweißverbindungszone S erlaubt, die sich durchgängig durch das eine Werkstück 1 und das andere Werkstück erstreckt, von der ersten Seite S1 des ersten Werkstückes 1, die der gemeinsamen Stoßstelle SG der Werkstücke abgewandt ist, hin zu der zweiten Seite S2 des zweiten Werkstückes 2, der gemeinsamen Stoßstelle SG der Werkstücke abgewandt ist.
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2A zeigt in einer schematischen Detailschnittansicht den Umhausungs-Endabschnitt einer anderen Ausführungsform der Umhausung 32 von 2, wobei die Umhausung 32 zusätzlich eine laserstrahldurchlässige Kappe 23, wie die erste Umhausung 20 aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Schweißverbindungszone S gleichzeitig von unterschiedlichen Positionen verschweißbar ist.
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Die in 2A gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform lediglich darin, dass zusätzlich zu der Umhausung 20, die auf der ersten Seite S1 des ersten Werkstückes 1 angeordnet ist, eine zweite Umhausung 32, vorgesehen ist, die die Schweißverbindungszone S auf gegenüberliegenden Seite S2 der Stoßstelle SG umgibt, um bei einer Durchschweißung der Schweißverbindungszone den fluiddichten Gassammelraum zum zweiseitigen Schweißen aufrechtzuerhalten. In ihrer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Umhausung 32 ebenfalls wie die erste Umhausung wenigstens eine Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 und Sensoren 80,81 aufweisen. Die Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 sind hierbei wie die Gaszufuhr- und Gasabfuhr-Vorrichtungen 101 und 102 der ersten Umhausung 20 ausgebildet.
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Die zweite Umhausung 32 kann auch ohne Sensoren 80, 81 ausgebildet sein, und nur ausschließlich als Gassammelraum dienen.
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Die Kappe 23 kann wie bei der Umhausung 32 auswechselbar in der Umhausung montiert sein, falls die Kappe 23 durch die Wirkung des Laserstrahls blind oder durch äußere Einflüsse verkratzt oder beschädigt worden ist.
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3 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht die Vorrichtung zum Laserschweißen, wobei an der Schweißverbindungszone S eine Umhausung 20 vorgesehen ist, und der Laserstrahl L, der von einer Laserstrahlvorrichtung 60 erzeugt wird, über eine Laserstrahl-Positionier-Vorrichtung 69, hier einem Roboterarm 61 lagegenau an den vorbestimmten Schweißverbindungszonen positionierbar ist, in dem die Laserstrahlvorrichtung 60, die zugehörige FokussierEinrichtung und / oder der Laserschweißkopf der Laserstrahlvorrichtung 60 mittels des Roboterarm 61 positioniert wird, so dass der Laserstrahl L an der vorbestimmten Stelle in der Schweißverbindungszone S positionierbar ist.
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Wie in 3 dargestellt, kann die Umhausung 20 einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Grundriss der Umhausung auch L-förmig, W-förmig oder jede andere Grundriss-Gestalt aufweisen, wobei der Grundriss in Abhängigkeit vom Verlauf der auszubildenden Schweißverbindungszone S mit einem ausreichenden Achsabstand zu den Rändern der Schweißverbindungszone S ausgebildet ist.
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Wie in 3 dargestellt, ist die Umhausung 20 fluiddicht gegen die zu verschweißenden Werkstücke 1, 2 angebracht. Dies kann beispielsweise durch Ausbildung eines Vakuums an oder in den Wandungen 22 ausgebildeten Röhren zur Ausbildung von Vakuumsäulen durchgeführt werden (nicht dargestellt), oder die Umhausung 20 wird durch eine Anpresskraft über einen Anpressmechanismus fluiddicht gegen die zu verbindenden Werkstücke 1, 2 durchgeführt, wobei eine entsprechende Gegenhalterung, beziehungsweise entsprechendes Widerlager auf der Umhausung 20 angeordneten Seite vorgesehen ist (nicht dargestellt).
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Laserschweißen, wobei der Laserstrahl L mit einer anderen Ausführungsform der Laserstrahl-Positionier-Vorrichtung 69, einer Laserscanvorrichtung 65 hin zu den jeweiligen Schweißstellpositionen der Schweißverbindungszone S ausgelenkt wird.
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Die Laserscanvorrichtung 65 weist einen Stellmotor 62 auf, der über eine Welle einen Umlenkspiegel 63 in vorbestimmte Positionen verstellen kann. Ferner weist der Laserscanner 65 eine Laserstrahlerzeugungsvorrichtung 60 auf, wobei der Laserstrahl 60 über eine geeignete Optik 64 hin zu einem Umlenkspiegeln 63 geführt wird, um den Laserstrahl L hin zu der Schweißverbindungszone S abzulenken. Die Optik 64, der Umlenkspiegel und/oder der Stellmotor können auch Teil des Laserschweißkopfes sein, der mittels des Roboterarms positionierbar sind und bevorzugt mittels einer CPU gesteuert werden.
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Ferner kann die Laserscanvorrichtung 65 entsprechende Abtastsensoren haben, die automatisch den Umlenkspiegel und die Optik 64 auf den geforderten Abstand einstellen, sodass der Brennpunkt des Laserstrahls L an der vorbestimmten Schweißverbindungszone S liegt.
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Die Umhausung 20, 32 kann aber auch einen dreieckförmigen, rechteckförmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen, je nachdem wie der Verlauf der Schweißverbindungszone bzw. Schweißverbindungszone S an den zu einander verbindenden Werkstücken 1, 2 ist.
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Der Querschnitt der Umhausung 20 kann eine entsprechend der Gestalt der Schweißverbindungszone S bzw. dem Schweißverbindungszonenverlauf angepasste Grundriss-Form aufweisen.
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Nach einem Verfahren zum Laserschweißen unter Gasatmosphäre wird wenigstens ein zu schweißende Werkstück 1,2 in eine vorbestimmte Scheißposition gebracht und arretiert.
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Dann wird die Umhausung 20 zum Halten und Bereitstellen eines Schutzgases und / oder Druckgases um den Bereich der Schweißverbindungszone S des einen Werkstückes, bzw. der Stoßstelle SG von einem ersten Werkstück 1 und einem zweiten Werkstück 2 positioniert, so dass die vorbestimmte Schweißverbindungszone S oder Abschnitte davon fluiddicht innerhalb der Umhausung 20 liegen. Bevorzug wird die Umhausung 20 gegen die Oberfläche 21 des einen und / oder des anderen Werkstückes 1, 2 mit einer vorbestimmten Kraft F gedrückt, die je nach vorliegendem Gasdruck innerhalb der Umhausung 20 variiert werden kann. Wesentlich ist hierbei, dass die Randabschnitte 24 der Umhausung 20, 32 fluiddicht gegen die Oberfläche des jeweiligen Werkstückes 1, 2 anliegen.
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Zur Erhöhung der Fluiddichtigkeit werden optional zusätzliche Dichtmittel an der Schnittstelle zwischen der Oberfläche 21 des jeweiligen Werkstückes 1, 2, und der Umhausung 20 vorgesehen, wie Dichtgummis, Dichtmasse, etc. Dies kann insbesondere bei hohen Druckunterschieden in der Umhausung 20, 32 und dem Umgebungsdruck erforderlich werden, um beispielsweise ein Grobvakuum in der Umhausung 20, 32 ausbilden zu können.
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Je nach verwendetem Druckgas G wird optional die angepresste Umhausung evakuiert und die darin enthaltene Luft abgesaugt. Unter Aufrechterhaltung der Andrückkraft F wird das vorbestimmte Schutzgas G bzw. die vorbestimmte Schutzgasmischung in die Umhausung zugeführt, bis sich der vorbestimmte Druck aufgebaut hat. Gegebenenfalls wird die Andrückkraft F erhöht, um ein Abheben der Umhausung 20 zu verhindern.
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Bevorzugt wird die Gaszusammensetzung, der Druck und optional die Temperatur des Schutzgases G innerhalb der Umhausung 20 vor, beim und nach dem Schweißen gemessen und durch Zuführen und Ablassen von Druckgas G nachgeregelt. Optional kann die Umhausung 20 auch temperiert werden, wobei entsprechende Kühl- und / oder Wärmeleitungen und/oder Heizdrähte in den Wandungen der Umhausung ausgebildet sind.
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Wenn die vorbestimmte Gaszusammensetzung, der vorbestimmte Druck und die vorbestimmte Temperatur in der Umhausung 20 eingeregelt sind, wird unter der vorliegenden Gasatmosphäre geschweißt, wobei der Druck, die Temperatur und die Gaszusammensetzung gemessen werden und gegebenenfalls nachgeregelt wird.
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Die zur Herstellung des Unterdruckes notwendige Absaugung des Innenraumes der Umhausung kann gleichzeitig zum Absaugen der entstehenden Schweißdämpfe und Stäube genutzt werden.
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Über die Gaszuführung können verschiedene Gase zugeführt werden und über das Verhältnis zugeführte Gasmenge zu abgesaugter Gasmenge kann, z.B. über einen Regelkreis, ein definierter Druck (auch Überdruck) und eine definierte Gaszusammensetzung innerhalb der Umhausung eingestellt werden, um den Schweißprozess oder die Reinigungswirkung zu beeinflussen. Des Weiteren kann die Gasabsaugung/-zuführung so geregelt werden, dass vor dem Start des Schweißen eine Absaugung mit großer Absaugleistung erfolgt, um z.B. schnell einen bestimmten Druck herzustellen, wobei während des Schweißens die Absaug- und Zuführleistung so eingestellt wird, dass die eingestellte Atmosphäre erhalten bleibt und die Gasströmung den Schweißprozess nicht negativ beeinflusst, in dem die Zu-und Abfuhr des Druckgases beispielsweise mit einer besonders geringen Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.
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Die Umhausung ist auch in Verbindung mit einer Laserschweißzange anwendbar, wobei die bereitgestellte lokale Schutzumhausung der Laserschweißzange in die erfindungsgemäße Umhausung modifiziert wird.
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Es ist aber auch eine Anwendung ohne eine direkte Kopplung zwischen Bearbeitungsoptik und Umhausung möglich. Möglich ist die Anwendung beim Remoteschweißen: Hierbei werden ein oder mehrere zusätzliche Roboter oder eine direkte in die Vorrichtung integriert Umhausung oder eine Mehrzahl von Umhausungen, die die Schweißbereiche abdeckt und die Gasatmosphäre herstellen, bereitgestellt.
