DE102016221364B3 - Laser processing device with integrated heating device and laser processing method using this laser processing device - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit integrierter Erwärmungseinrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung dieser Laserbearbeitungsvorrichtung. Um eine Laserbearbeitung, insbesondere das Laserschweißen von Werkstücken, in einer hohen Geschwindigkeit, prozesssicher und mit hoher Qualität zu ermöglichen, umfasst die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung wenigstens ein Druckstück, das dazu konfiguriert ist, gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück gedrückt zu werden, um das Werkstück während der Laserbearbeitung zu fixieren, wobei in dem Druckstück wenigstens eine Erwärmungseinrichtung zur Erwärmung des Werkstücks integriert ist. Zudem wird ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung dieser Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellt.The present invention relates to a laser processing apparatus with integrated heating means and a laser processing method using this laser processing apparatus. In order to enable laser machining, in particular the laser welding of workpieces, at high speed, reliably and with high quality, the laser machining device according to the invention comprises at least one pressure piece which is configured to be pressed against at least one workpiece to be machined, around the workpiece to fix the laser processing, wherein in the pressure piece at least one heating device for heating the workpiece is integrated. In addition, a laser processing method using this laser processing apparatus is provided.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit integrierter Erwärmungseinrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung dieser Laserbearbeitungsvorrichtung. Durch das Vorwärmen der Werkstücke ist die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung dafür geeignet, heißrissanfällige Werkstoffe sowie beschichtete Werkstoffe prozesssicher zu schweißen.The present invention relates to a laser processing apparatus with integrated heating means and a laser processing method using this laser processing apparatus. By preheating the workpieces, the laser processing device according to the invention is suitable for welding hot-crack-susceptible materials and coated materials reliably.

Um die Bearbeitung von Werkstücken durch Laserstrahlung zu optimieren, wird aktuell an Laserwerkzeugen geforscht, bei welchen der Laserstrahl vom Umgebungsbereich durch eine Einhausung abgeschirmt wird. Dabei schirmt die Einhausung nur einen kleinen Bereich um den sich bewegenden Laserstrahl ab.In order to optimize the machining of workpieces by laser radiation, research is currently being carried out on laser tools in which the laser beam is shielded from the surrounding area by an enclosure. The enclosure shields only a small area around the moving laser beam.

Derartige Laserbearbeitungsvorrichtungen werden beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt. Grundsätzlich werden dabei zwei Bauarten unterschieden. Nämlich zum einen die Ausprägung als eine Laserschweißzange, die zwei Druckstücke zum Klemmen von Werkstücken umfasst, und andererseits die Ausprägung als ein Laserschweißpicker, der nur ein Druckstück aufweist, welches auf das zu bearbeitende Werkstück gedrückt wird. Die hierin offenbarte Erfindung ist prinzipiell auf beide Bauarten anwendbar.Such laser processing devices are used for example for laser welding. Basically, two types are distinguished. Namely on the one hand the expression as a laser welding gun, which includes two plungers for clamping workpieces, and on the other hand, the expression as a laser welding picker, which has only one pressure piece, which is pressed onto the workpiece to be machined. The invention disclosed herein is applicable in principle to both types.

Wirtschaftlich wäre es von Vorteil, mit einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung eine möglichst hohe Schweißgeschwindigkeit zu erzielen. Jedoch kann eine hohe Schweißgeschwindigkeit zu einer ungünstigen Schmelzbadausbildung führen, wodurch bei dafür anfälligen Werkstoffen Heißrisse auftreten können. Grundsätzlich lassen sich Heißrisse bei hohen Schweißgeschwindigkeiten durch den Einsatz von Schweißzusatzstoffen vermeiden. Jedoch wurde festgestellt, dass sich die Zuführung von Schweißzusatzstoffen bei Laserschweißzangen bzw. Laserschweißpickern äußerst umständlich gestaltet.Economically, it would be advantageous to achieve the highest possible welding speed with such a laser processing device. However, a high welding speed can lead to an unfavorable formation of molten bath, as a result of which hot cracks can occur in susceptible materials. In principle, hot cracks at high welding speeds can be avoided by the use of welding consumables. However, it has been found that the supply of welding consumables in laser welding guns or laser welding pickles is extremely cumbersome.

Eine weitere konventionell angewandte Möglichkeit zur Vermeidung von Heißrissen ist eine schrittweise Durchführung des Schweißvorgangs, wie offenbart in der Patentanmeldung DE 10 2012 021 755 A1 . Dabei wird die Schweißnaht aus mehreren Teilschweißnähten zusammengesetzt. Ein solches Verfahren ist jedoch nur bei der gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Schweißnähte wirtschaftlich. Bei der Verwendung von Laserschweißzangen/-pickern ist das aber nicht möglich, weswegen ein solches Verfahren hier keine Vorteile bietet.Another conventionally used way of avoiding hot cracks is to perform the welding step by step, as disclosed in the patent application DE 10 2012 021 755 A1 , The weld is composed of several partial welds. However, such a method is economical only when simultaneously processing multiple welds. However, this is not possible when using laser welding guns / pickers, which is why such a method offers no advantages here.

Ein weiteres Problem bei konventionellen Schweißverfahren ist das Verschweißen beschichteter Materialien. Durch das vorzeitige Ausgasen der Beschichtung sinkt die Schweißnahtqualität und es kann beim Schweißvorgang zu vermehrter Spritzerbildung kommen. Davon betroffen sind beispielsweise verzinkte Stahlbleche. Um dieses Problem zu lösen, wurden im Stand der Technik Abstandshalter vorgeschlagen, wodurch zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ein Spalt entsteht. Durch diesen Spalt können beim Schweißen entstehende Gase austreten. Die Abstandshalter können durch Umformen oder durch anderweitiges Bearbeiten eines der zu schweißenden Werkstücke hergestellt werden oder als zusätzliche Elemente zwischen die Werkstücke eingebracht werden. Eine solche Lösung bringt jedoch einen erhöhten Aufwand für das Herstellen bzw. Einbringen der Abstandshalter mit sich.Another problem with conventional welding processes is the welding of coated materials. The premature outgassing of the coating reduces the quality of the weld seam and can lead to increased spatter formation during the welding process. This affects, for example, galvanized steel sheets. In order to solve this problem, spacers have been proposed in the prior art, which creates a gap between the workpieces to be welded. This gap can leak gases generated during welding. The spacers can be made by forming or otherwise machining one of the workpieces to be welded or introduced as additional elements between the workpieces. However, such a solution brings an increased effort for the manufacture or introduction of the spacer with it.

In dem Patentdokument DE 100 47 492 A1 wird beschrieben, wie durch induktives Vorwärmen von Werkstücken die Rissempfindlichkeit während eines Schweißvorgangs gesenkt werden kann. Allerdings wird keine Lösung offenbart, um eine solche Vorwärmung prozesssicher bei einem Laserbearbeitungsverfahren einzusetzen.In the patent document DE 100 47 492 A1 It describes how inductive preheating of workpieces can reduce crack sensitivity during a welding operation. However, no solution is disclosed in order to reliably use such a preheating in a laser processing method.

Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind auch aus der DE 10 2014 209 473 A1 , DE 10 2008 041 774 A1 oder der DE 10 2006 048 580 A1 bekannt.Laser processing devices according to the preamble of claim 1 are also known from DE 10 2014 209 473 A1 . DE 10 2008 041 774 A1 or the DE 10 2006 048 580 A1 known.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welche die Laserbearbeitung, insbesondere das Laserschweißen von Werkstücken, in einer hohen Geschwindigkeit, prozesssicher und mit hoher Qualität ermöglichen. Dabei sollen generell Hitzerisse vermieden werden und beim Laserschweißen eine hohe Schweißnahtqualität beim Schweißen beschichteter Werkstücke erzielt werden. Außerdem soll die Umgebung so gut wie möglich von während dem Bearbeitungsvorgang entstehendem Streulicht geschützt werden.The object of the present invention is therefore to provide a laser processing apparatus and a corresponding method, which enable the laser processing, in particular the laser welding of workpieces, in a high speed, reliable and with high quality. In general, heat cracks are to be avoided and a high weld seam quality is achieved during laser welding when welding coated workpieces. In addition, the environment should be protected as much as possible from stray light arising during the machining process.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit den Gegenständen des Vorrichtungsanspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 9.According to the invention this object is achieved with the objects of the device claim 1 and the method claim. 9

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung umfasst wenigstens ein Druckstück, das dazu konfiguriert ist, gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück gedrückt zu werden, um das Werkstück während der Laserbearbeitung zu fixieren, wobei in dem Druckstück wenigstens eine Erwärmungseinrichtung zur Erwärmung des Werkstücks integriert ist. Durch die Erwärmungseinrichtung kann das Werkstück vor der Laserbearbeitung erwärmt werden, so dass die Bildung von Heißrissen verhindert wird. Die Integration der Erwärmungseinrichtung in mindestens ein Druckstück erlaubt einen kompakten Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung und stellt sicher, dass genau die Stelle des Werkzeugs vorgewärmt wird, die auch der Bearbeitung unterliegt. Der Begriff Werkstück bezieht sich auf ein einzelnes Werkstück oder zwei oder mehr Werkstücke, insbesondere im Falle der Laserverschweißung.The laser processing device according to the invention for processing workpieces by means of laser radiation comprises at least one pressure piece which is configured to be pressed against at least one workpiece to be machined to fix the workpiece during laser processing, wherein integrated in the pressure piece at least one heating device for heating the workpiece is. The heating device allows the workpiece to be heated prior to laser processing so that the formation of hot cracks is prevented. The integration of the heating device in at least one pressure piece allowed a compact structure of the laser processing device and ensures that exactly the location of the tool is preheated, which is also subject to the processing. The term workpiece refers to a single workpiece or two or more workpieces, especially in the case of laser welding.

Es kann von Vorteil sein, wenn das Druckstück als laserführendes Druckstück ausgebildet ist und einen Kanal aufweist, durch den Laserstrahlung während der Laserbearbeitung auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet werden kann. Durch das laserführende Druckstück mit dem Kanal kann die Umgebung vor der Laserstrahlung geschützt werden, sodass die Laserbearbeitungsvorrichtung nach dieser Ausführung einer besonderen Laserschutzklasse zugeordnet werden kann.It may be advantageous if the pressure piece is designed as a laser-guiding pressure piece and has a channel, can be passed through the laser radiation during laser processing on the workpiece to be machined. By the laser-carrying pressure piece with the channel, the environment can be protected from the laser radiation, so that the laser processing device according to this embodiment can be assigned to a special laser protection class.

Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Gegendruckstück aufweist, welches dazu konfiguriert ist, um von einer von dem laserführenden Druckstück abgewandten Seite gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück gedrückt zu werden, um wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück während der Laserbearbeitung klemmend zwischen dem laserführenden Druckstück und dem Gegendruckstück zu fixieren und/oder um gegenüber der Mündung des Kanals des laserführenden Druckstücks angeordnet zu werden, um den Laserbearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung optisch abzudichten. Dadurch kann das zu bearbeitende Werkstück besonders sicher gegenüber der Laserbearbeitungsvorrichtung positioniert werden.However, it may also be useful if the laser processing device has a counter-pressure piece which is configured to be pressed against a workpiece to be machined by a side remote from the laser-guiding pressure piece, in order to clamp at least one workpiece to be machined during the laser processing to fix the laser-carrying pressure piece and the counter-pressure piece and / or to be arranged opposite the mouth of the channel of the laser-guiding pressure piece to optically seal the laser processing area of the laser processing apparatus. As a result, the workpiece to be machined can be positioned particularly reliably with respect to the laser processing device.

Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die Erwärmungseinrichtung in dem laserführenden Druckstück und/oder in dem Gegendruckstück integriert ist. Die Anordnung der Erwärmungsvorrichtung in entweder nur dem laserführenden Druckstück und/oder einem optionalen Gegendruckstück ermöglicht es, die Wärmeleistung optimal an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen.It may prove useful if the heating device is integrated in the laser-guiding pressure piece and / or in the counterpressure piece. The arrangement of the heating device in either only the laser-carrying pressure piece and / or an optional counter-pressure piece makes it possible to optimally adapt the heat output to the processing task.

Dabei kann es sinnvoll sein, dass die Erwärmungseinrichtung eine Induktionsspule umfasst, die dazu konfiguriert ist, bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung einer Frequenz von 1 kHz bis 1 MHz ein Magnetfeld in das Werkstück zu induzieren, dadurch Wirbelströme in dem Werkstück zu erzeugen und dieses so zu erwärmen. Die Frequenz bestimmt, in welcher Tiefe das Werkstück erwärmt wird und wird daher in Abhängigkeit der Anwendung gewählt. Eine induktive Erwärmung des Werkstücks bzw. der Werkstücke kann mit einer hohen Wärmeleistung und daher sehr dynamisch ausgeführt werden. Zudem lassen sich Induktionsspulen einfach an die geometrischen Gegebenheiten eines Druckstücks anpassen.It may be expedient that the heating device comprises an induction coil, which is configured to induce a magnetic field in the workpiece upon application of an alternating voltage of a frequency of 1 kHz to 1 MHz, thereby generating eddy currents in the workpiece and so to heat. The frequency determines the depth at which the workpiece is heated and is therefore chosen depending on the application. An inductive heating of the workpiece or the workpieces can be carried out with a high heat output and therefore very dynamic. In addition, induction coils can be easily adapted to the geometric conditions of a pressure piece.

Falls die Erwärmungseinrichtung eine Induktionsspule umfasst, kann es von Vorteil sein, wenn die Erwärmungseinrichtung außerdem eine Induktionsspulenisolierung umfasst, welche die Induktionsspule so umgibt, dass sich das durch die Induktionsspule hervorgerufene Magnetfeld in eine vorbestimmte Richtung ausbreitet. Dadurch wird erreicht, dass im Wesentlichen nur die Bereiche eines Werkstücks erwärmt werden, die für die Bearbeitung durch einen Laserstrahl vorgesehen sind.If the heating device comprises an induction coil, it may be advantageous if the heating device further comprises an induction coil insulation, which surrounds the induction coil such that the magnetic field caused by the induction coil propagates in a predetermined direction. This ensures that substantially only the areas of a workpiece are heated, which are provided for processing by a laser beam.

Es ist auch möglich, dass die Erwärmungseinrichtung eine Heizpatrone umfasst. Darüber kann eine besonders kostengünstige Möglichkeit der Werkstückerwärmung realisiert werden.It is also possible that the heating device comprises a heating cartridge. In addition, a particularly cost-effective possibility of workpiece heating can be realized.

Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn die Erwärmungseinrichtung den Kanal abschnittsweise oder vollständig umgibt. Insbesondere in der Ausführung der Erwärmungseinrichtung mit einer Induktionsspule kann es nützlich sein, wenn sich die Induktionsspule um den Kanal herum windet. Dadurch ist eine besonders kompakte Anordnung der Erwärmungseinrichtung möglich.But it may also be useful if the heating device surrounds the channel sections or completely. In particular, in the embodiment of the heating device with an induction coil, it may be useful when the induction coil winds around the channel. As a result, a particularly compact arrangement of the heating device is possible.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die Laserschweißvorrichtung mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist:Furthermore, it may be advantageous if the laser welding device has at least one of the following features:

  • – Die Führung der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung erfolgt maschinell, insbesondere durch einen Roboter- The leadership of the laser welding device according to the invention is done by machine, in particular by a robot
  • – Die Führung der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung erfolgt manuell.- The leadership of the laser welding device according to the invention is carried out manually.
  • – In Erstreckungsrichtung einer zu erstellenden Schweißnaht hat ein Druckstück eine Länge von kleiner 200 mm, vorzugsweise von kleiner 100 mm. In einer Richtung senkrecht auf die Erstreckungsrichtung einer zu erstellenden Schweißnaht und parallel zur Werkstückoberfläche hat ein Druckstück eine Breite von kleiner 50 mm, vorzugsweise von kleiner 20 mm.- In the direction of extension of a weld to be created, a pressure piece has a length of less than 200 mm, preferably less than 100 mm. In a direction perpendicular to the direction of extension of a weld to be created and parallel to the workpiece surface, a pressure piece has a width of less than 50 mm, preferably less than 20 mm.
  • – Bei Verwendung einer Induktionsspule erstreckt sich diese im Wesentlichen in einer Ebene, die senkrecht zu der Richtung verläuft, in welche das laserführende Druckstück verfahren werden kann, oder in einer Ebene parallel zur Werkstückoberfläche. Die Induktionsspule ist vorzugsweise ringförmig oder oval ausgeprägt.- When using an induction coil, this extends substantially in a plane which is perpendicular to the direction in which the laser-carrying pressure piece can be moved, or in a plane parallel to the workpiece surface. The induction coil is preferably annular or oval pronounced.
  • – Bei Verwendung einer Induktionsspule ist deren Ausdehnung in ihrer Erstreckungsebene gleich oder größer als eine Projektion des durch das laserführende Druckstück optisch eingehausten Bereichs auf die Erstreckungsebene der Induktionsspule. Die maximale Ausdehnung der Induktionsspule in ihrer Erstreckungsebene wird durch die Größe des Druckstücks begrenzt, in das die Induktionsspule integriert ist.When an induction coil is used, its extent in its plane of extent is equal to or greater than a projection of the region optically guarded by the laser-carrying pressure piece onto the plane of extent of the induction coil. The maximum extent of the induction coil in its plane of extent is limited by the size of the pressure piece in which the induction coil is integrated.
  • – Eine Induktionsspulenisolierung kann als eine Anordnung keramischer Platten realisiert sein. Alternativ kann eine Induktionsspulenisolierung auch als eine Beschichtung mit wärmebeständigen, nicht leitfähigen Materialien erfolgen. Die Induktionsspulenisolierung ist vorzugsweise innerhalb des Druckstücks, angrenzend an die Induktionsspule und auf einer dem Werkstück abgewandten Seite der Induktionsspule angebracht.An induction coil insulation can be realized as an arrangement of ceramic plates. Alternatively, induction coil isolation may also be done as a coating of heat-resistant, non-conductive materials. The induction coil insulation is preferably mounted within the pressure piece, adjacent to the induction coil and on a side of the induction coil facing away from the workpiece.
  • – Die Erwärmung des Werkstücks wird durch eine dafür geeignete Elektronik gesteuert oder geregelt.- The heating of the workpiece is controlled or regulated by a suitable electronics.
  • – Die Erwärmungseinrichtung ist so konfiguriert, dass sie ein Werkstück auf eine Temperatur von bis zu 600°C aufheizen kann.- The heater is configured to heat a workpiece to a temperature of up to 600 ° C.
  • – Die maximale Wärmeleistung der Erwärmungseinrichtung ist so gewählt, dass ein Werkstück in wenigen Sekunden, vorzugsweise in einem Zeitraum von weniger als 10 Sekunden und besonders bevorzugt in einem Zeitraum von weniger als 5 Sekunden auf die Zieltemperatur aufgeheizt werden kann.- The maximum heat output of the heating device is selected so that a workpiece in a few seconds, preferably in a period of less than 10 seconds and more preferably in a period of less than 5 seconds can be heated to the target temperature.
  • – Die aktuelle Temperatur des Werkstücks kann mit Sensoren erfasst werden, insbesondere durch Infrarot-Sensoren. Die Sensoren können dabei außerhalb des Druckstücks/der Druckstücke angebracht sein, oder in wenigstens einem Druckstück integriert sein.- The current temperature of the workpiece can be detected by sensors, in particular by infrared sensors. The sensors may be mounted outside of the pressure piece / the pressure pieces, or be integrated in at least one pressure piece.

Ein Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst die Schritte:

  • a. Drücken des wenigstens einen Druckstücks gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück;
  • b. Vorwärmen des zu bearbeitenden Werkstücks durch die Erwärmungseinrichtung;
  • c. Bearbeitung des Werkstücks durch Laserstrahlung.
A method for laser machining of workpieces using the laser processing apparatus according to one of the preceding claims comprises the steps:
  • a. Pressing the at least one pressure piece against at least one workpiece to be machined;
  • b. Preheating the workpiece to be machined by the heating device;
  • c. Machining of the workpiece by laser radiation.

Insbesondere ist dieses Verfahren vorteilhaft, wenn zwei Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden, und diese Werkstücke miteinander verschweißt werden. Durch die Vorwärmung kann hierbei eine deutlich bessere Schweißnahtqualität erreicht werden.In particular, this method is advantageous when two workpieces are processed simultaneously, and these workpieces are welded together. By preheating this can be achieved a much better weld quality.

Zudem ist dieses Verfahren sinnvoll, wenn mindestens ein zu bearbeitendes Werkstück aus beschichtetem Material besteht, insbesondere verzinktem Stahl. Die Spritzerbildung durch ausdampfendes Beschichtungsmaterial wird durch die Vorwärmung signifikant reduziert.In addition, this method is useful if at least one workpiece to be machined consists of coated material, in particular galvanized steel. The spattering by evaporating coating material is significantly reduced by the preheating.

Neben der Anwendung zum Laserschweißen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Schneiden und/oder Gravieren und/oder Strukturieren eines Werkstücks verwendet werden.In addition to the application for laser welding, the method according to the invention can also be used for cutting and / or engraving and / or structuring of a workpiece.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich neben dem Fügen von Metallwerkstoffen auch zum artgleichen Fügen anderer Materialien wie Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen. Auch ein artfremdes Fügen von Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen mit beispielsweise metallischen Werkstoffen ist mit dem Verfahren möglich.The inventive method is suitable in addition to the joining of metal materials for the same kind of joining other materials such as plastics or fiber composites. Also, a foreign joining of plastics or fiber composites with, for example, metallic materials is possible with the method.

Als wesentliche Vorteile der Erfindung sind zu nennen:

  • – Auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten treten keine Heißrisse auf;
  • – es können Werkstoffe verschweißt werden, die aufgrund der Legierungszusammensetzung mit konventionellem Laserstrahlschweißen nicht schweißbar sind;
  • – Schweißen von beschichteten Werkstoffen, insbesondere von verzinkten Stellen aber auch von anderen beschichteten Werkstoffen, wird hinsichtlich der Schweißnahtqualität signifikant verbessert und die Spritzerbildung wird reduziert;
  • – Durch die Reduzierung des beim Schweißen entstehenden Temperaturgradienten verbessern sich die mechanischen Eigenschaften der Verbindung;
As essential advantages of the invention are to call:
  • - Even at higher welding speeds no hot cracks occur;
  • - It can be welded materials that are not weldable due to the alloy composition with conventional laser welding;
  • - Welding of coated materials, in particular galvanized parts but also of other coated materials, is significantly improved with regard to weld quality and spatter formation is reduced;
  • - Reducing the temperature gradient generated during welding improves the mechanical properties of the joint;

Industrielle Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Produktionsanlagen aller Bereiche, in denen Werkstücke verschweißt werden müssen, wie Automobil- oder Schiffsbau, Luft- und Raumfahrt oder der Blech verarbeitenden Industrie.Industrial application areas include, for example, production plants in all areas in which workpieces must be welded, such as automotive or shipbuilding, aerospace or the sheet metal industry.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt eine schematische seitliche Ansicht der Laserschweißvorrichtung und der zu verschweißenden Werkstücke. 1 shows a schematic side view of the laser welding device and the workpieces to be welded.

2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Druckstücks mit Erwärmungseinrichtung, die eine Induktionsspule und eine Induktionsspulenisolierung umfasst. 2 shows a schematic plan view of a pressure piece with heating device comprising an induction coil and an induction coil insulation.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed Description of the Preferred Embodiments

Die 1 zeigt eine seitliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung in der Ausprägung als Laserschweißzange. Diese umfasst ein laserführendes Druckstück 1 und ein Gegendruckstück 3. Die beiden Druckstücke 1 und 3 sind gegenüberliegend angeordnet, so dass sie gegeneinander verfahren und dazwischen liegende Werkstücke 2 klemmen können.The 1 shows a side view of a laser processing device according to the invention in the form of a laser welding gun. This includes a laser-guiding pressure piece 1 and a counterpressure piece 3 , The two pressure pieces 1 and 3 are arranged opposite each other, so that they move against each other and intermediate workpieces 2 can clamp.

Beim Andrücken an die Werkstücke 2 dichten die Druckstücke 1 und 3 einen zu bearbeitenden Bereich der Werkstücke 2 optisch so ab, dass um den zu bearbeitenden Bereich eine Einhausung entsteht. Bei der Laserbearbeitung dringt daher kein oder nur wenig Laserlicht aus dieser Einhausung heraus. Zum Verschweißen der Werkstücke 2 wird Laserlicht durch einen nicht gezeigten Kanal des laserführenden Druckstücks 1 auf die Werkstücke 2 geleitet. Durch eine hier nicht näher beschriebene Vorrichtung zur Bewegung des Laserstrahls kann dieser innerhalb der gebildeten Einhausung so bewegt werden, dass er zwischen den Werkstücken 2 eine Schweißnaht erzeugt.When pressed against the workpieces 2 seal the pressure pieces 1 and 3 a work area of the workpieces 2 optically so that an enclosure is created around the area to be machined. During laser processing, therefore, little or no laser light penetrates out of this enclosure. For welding the workpieces 2 Laser light is through a channel, not shown, of the laser-guiding pressure piece 1 on the workpieces 2 directed. By a device not described in more detail here for the movement of the laser beam, this can be moved within the enclosure formed so that it is between the workpieces 2 creates a weld.

Wie in den 1 und 2 zu erkennen ist, ist in dem Gegendruckstück 3 eine Erwärmungseinrichtung 5 angeordnet, die eine Induktionsspule 6 umfasst. Durch eine Beaufschlagung mit Wechselspannung im Bereich von 1 kHz bis 1000 kHz bzw. 1 MHz induziert die Induktionsspule 6 ein Magnetfeld in die Werkstücke 2, wodurch in den Werkstücken 2 wiederum Wirbelströme entstehen, die zur Erwärmung der Werkstücke 2 führen.As in the 1 and 2 can be seen, is in the counter-pressure piece 3 a heating device 5 arranged, which has an induction coil 6 includes. By applying AC voltage in the range of 1 kHz to 1000 kHz or 1 MHz induces the induction coil 6 a magnetic field in the workpieces 2 , causing in the workpieces 2 In turn, eddy currents arise, which are used to heat the workpieces 2 to lead.

Die Induktionsspule 6 ist dabei so angeordnet, dass sie in der Lage ist, den Bereich der Werkstücke 2 zu erwärmen, der durch die von den Druckstücken 1, 3 gebildete Einhausung optisch abgedichtet ist. Die Induktionsspule 6 kann dabei in der Erstreckungsebene der Werkstücke 2 größer ausgebildet werden als der durch die Druckstücke 1, 3 eingehauste Bereich, so dass die Werkstücke 2 auch an den Randbereichen der Einhausung geeignet erwärmt werden können.The induction coil 6 is arranged so that it is capable of the range of workpieces 2 to heat that by the pressure pieces 1 . 3 formed housing is optically sealed. The induction coil 6 can in the plane of extension of the workpieces 2 be formed larger than that through the plungers 1 . 3 housed area, so that the workpieces 2 can be heated to the edge of the enclosure suitable.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Induktionsspule 6 mit einer Induktionsspulenisolierung 4 umgeben, die so angeordnet ist, dass sich das durch die Induktionsspule 6 hervorgerufene Magnetfeld in eine vorbestimmte Richtung ausbreitet. Die Erwärmung von Werkstückbereichen, die nicht der Laserbearbeitung unterliegen, wird damit verhindert oder zumindest eingeschränkt.In this embodiment, the induction coil 6 with an induction coil insulation 4 surrounded, which is arranged so that through the induction coil 6 caused magnetic field propagates in a predetermined direction. The heating of workpiece areas that are not subject to the laser processing, is thus prevented or at least limited.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Verschweißen zweier Werkstücke 2 mit der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Laserschweißzange erläutert. Zunächst werden die beiden Werkstücke 2 manuell oder durch eine geeignete Vorrichtung so positioniert, dass zwischen den Werkstücken 2 eine Schweißnaht ausgebildet werden kann.The following is a method for welding two workpieces 2 explained with the laser welding gun described in this embodiment. First, the two workpieces 2 manually or by a suitable device positioned so that between the workpieces 2 a weld can be formed.

Anschließend werden das laserführende Druckstück 1 und das Gegendruckstück 3 gegeneinander verfahren, so dass die beiden Werkstücke 2 zwischen den Druckstücken 1, 3 geklemmt werden. Die Laserschweißzange ist damit geschlossen. Gleichzeitig wird durch das Andrücken der Druckstücke 1, 3 an die Werkstücke 2 eine optische Einhausung um den Bereich gebildet, in welchem die Schweißnaht entstehen soll.Subsequently, the laser-carrying pressure piece 1 and the counterpressure piece 3 move against each other, leaving the two workpieces 2 between the pressure pieces 1 . 3 be clamped. The laser welding gun is closed. At the same time is by pressing the pressure pieces 1 . 3 to the workpieces 2 an optical enclosure formed around the area in which the weld is to arise.

Im nächsten Schritt werden die Werkstücke 2 durch die Induktionsspule 6 erwärmt. Eine Steuerungselektronik stellt die Wärmeleistung und die Aufwärmzeit auf vorbestimmte Werte ein. Sobald eine vorbestimmte Zieltemperatur oder eine vorbestimmte Erwärmungszeit erreicht ist, wird mit der Laserbearbeitung begonnen. Für die Ausbildung der Schweißnaht wird dann ein Laserstrahl durch einen Kanal des laserführenden Druckstücks 1 geleitet. Der Laserstrahl wird dabei innerhalb des laserführenden Druckstücks 1 so bewegt, dass er zwischen den beiden Werkstücken 2 eine Schweißnaht erzeugt. Die Laserschweißzange bleibt während des Schweißvorgangs geschlossen.In the next step, the workpieces 2 through the induction coil 6 heated. Control electronics set the heat output and the warm-up time to predetermined values. Once a predetermined target temperature or a predetermined heating time is reached, the laser processing is started. For the formation of the weld then a laser beam through a channel of the laser-carrying pressure piece 1 directed. The laser beam is thereby within the laser-carrying pressure piece 1 moved so that it is between the two workpieces 2 creates a weld. The laser welding gun remains closed during the welding process.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Laserbearbeitungsvorrichtung als Laserschweißpicker ausgebildet. Dieser umfasst ein laserführendes Druckstück 1, jedoch kein Gegendruckstück. Die Erwärmungseinrichtung 5 ist in das laserführende Druckstück 1 integriert. Zur Ausbildung einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken 2 wird der Laserschweißpicker auf den zu schweißenden Bereich der Werkstücke 2 gedrückt. Dabei ist es erforderlich, dass die Werkstücke 2 von einer hier nicht beschriebenen Vorrichtung geeignet gestützt oder gehalten werden, so dass der Druckkraft des Laserschweißpickers eine entsprechende Reaktionskraft entgegengesetzt wird. Der Schweißvorgang selbst läuft dann analog zum ersten Ausführungsbeispiel ab.In a second embodiment, the laser processing device is designed as a laser welding picker. This includes a laser-guiding pressure piece 1 , but no counterpressure. The heating device 5 is in the laser-carrying pressure piece 1 integrated. To form a weld between two workpieces 2 The laser welding picker is placed on the area of the workpiece to be welded 2 pressed. It is necessary that the workpieces 2 be suitably supported or held by a device not described here, so that the pressing force of the laser welding pick a corresponding reaction force is opposed. The welding process itself then proceeds analogously to the first embodiment.

Natürlich ist es ebenso möglich, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung als Laserschweißzange mit einem laserführenden Druckstück 1 und einem Gegendruckstück 3 ausgebildet ist, und in beiden Druckstücken 1, 3 Erwärmungsvorrichtungen 5 integriert sind.Of course, it is also possible that the laser processing device as a laser welding gun with a laser-guiding pressure piece 1 and a counterpressure piece 3 is formed, and in both pressure pieces 1 . 3 heating devices 5 are integrated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Laserführendes DruckstückLaser-guiding pressure piece
22
Werkstückworkpiece
33
GegendruckstückCounterpressure member
44
InduktionsspulenisolierungInduction coil insulation
55
Erwärmungseinrichtungheater
66
Induktionsspuleinduction coil

Claims (12)

Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken (2) mittels Laserstrahlung, umfassend wenigstens ein Druckstück (1, 3), das dazu konfiguriert ist, gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück (2) gedrückt zu werden, um das Werkstück (2) während der Laserbearbeitung zu fixieren, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Druckstück (1, 3) eine Erwärmungseinrichtung (5) zur Erwärmung des Werkstücks (2) integriert ist.Laser processing device for processing workpieces ( 2 ) by means of laser radiation, comprising at least one pressure piece ( 1 . 3 ) configured to abut at least one workpiece ( 2 ) to be pressed to the workpiece ( 2 ) during the laser processing, characterized in that in the at least one pressure piece ( 1 . 3 ) a heating device ( 5 ) for heating the workpiece ( 2 ) is integrated. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckstück (1, 3) als laserführendes Druckstück (1) ausgebildet ist und einen Kanal aufweist, durch den Laserstrahlung während der Laserbearbeitung auf das zu bearbeitende Werkstück (2) geleitet werden kann.Laser processing apparatus according to claim 1, characterized in that the at least one pressure piece ( 1 . 3 ) as a laser-guiding pressure piece ( 1 ) is formed and has a channel, by the laser radiation during laser processing on the workpiece to be machined ( 2 ) can be directed. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Gegendruckstück (3) aufweist, welches dazu konfiguriert ist, um von einer von dem laserführenden Druckstück (1) abgewandten Seite gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück (2) gedrückt zu werden, um wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück (2) während der Laserbearbeitung klemmend zwischen dem laserführenden Druckstück (1) und dem Gegendruckstück (3) zu fixieren und/oder um gegenüber der Mündung des Kanals des laserführenden Druckstücks (1) angeordnet zu werden, um den Laserbearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung optisch abzudichten.Laser processing device according to claim 2, characterized in that the laser processing device is a counter-pressure piece ( 3 ) which is configured to move from one of the laser-carrying pressure piece ( 1 ) facing away from at least one workpiece to be machined ( 2 ) to at least one workpiece to be machined ( 2 ) during the laser processing clamping between the laser-carrying pressure piece ( 1 ) and the counterpressure piece ( 3 ) and / or to the mouth of the channel of the laser-carrying pressure piece ( 1 ) to optically seal the laser processing area of the laser processing apparatus. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (5) in dem laserführenden Druckstück (1) und/oder in dem Gegendruckstück (3) integriert ist.Laser processing apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the heating device ( 5 ) in the laser-guiding pressure piece ( 1 ) and / or in the counterpressure piece ( 3 ) is integrated. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (5) eine Induktionsspule (6) umfasst, die dazu konfiguriert ist, bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung einer Frequenz von 1 kHz bis 1 MHz ein Magnetfeld in das Werkstück (2) zu induzieren, dadurch Wirbelströme in dem Werkstück (2) zu erzeugen und dieses so zu erwärmen.Laser processing device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 5 ) an induction coil ( 6 ), which is configured to apply a magnetic field to the workpiece upon application of an alternating voltage of a frequency of 1 kHz to 1 MHz ( 2 ) thereby inducing eddy currents in the workpiece ( 2 ) and to heat it so. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (5) eine Induktionsspulenisolierung (4) umfasst, welche die Induktionsspule (6) so umgibt, dass sich das durch die Induktionsspule (6) hervorgerufene Magnetfeld in eine vorbestimmte Richtung ausbreitet.Laser processing apparatus according to claim 5, characterized in that the heating device ( 5 ) an induction coil insulation ( 4 ), which the induction coil ( 6 ) so that this through the induction coil ( 6 ) propagates magnetic field in a predetermined direction. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (5) eine Heizpatrone umfasst.Laser processing device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 5 ) comprises a heating cartridge. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (5) den Kanal abschnittsweise oder vollständig umgibt.Laser processing device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the heating device ( 5 ) surrounds the channel in sections or completely. Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken (2) unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a. Drücken des wenigstens einen Druckstücks (1) gegen wenigstens ein zu bearbeitendes Werkstück (2); b. Vorwärmen des zu bearbeitenden Werkstücks (2) durch die Erwärmungseinrichtung (5); c. Bearbeitung der Werkstücke (2) durch Laserstrahlung.Method for laser machining of workpieces ( 2 ) using the laser processing apparatus according to any one of the preceding claims, comprising the steps of: a. Pressing the at least one pressure piece ( 1 ) against at least one workpiece to be machined ( 2 ); b. Preheating the workpiece to be machined ( 2 ) by the heating device ( 5 ); c. Processing of workpieces ( 2 ) by laser radiation. Verfahren zur Laserbearbeitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Werkstücke (2) gleichzeitig bearbeitet werden, und diese Werkstücke (2) miteinander verschweißt werden.Method for laser machining according to claim 9, characterized in that two workpieces ( 2 ) are machined simultaneously, and these workpieces ( 2 ) are welded together. Verfahren zur Laserbearbeitung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zu bearbeitendes Werkstück (2) aus beschichtetem Material besteht.Method for laser machining according to one of claims 9 or 10, characterized in that at least one workpiece to be machined ( 2 ) consists of coated material. Verfahren zur Laserbearbeitung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Verfahren zum Schneiden oder Gravieren oder Strukturieren eines Werkstücks verwendet wird.A method of laser machining according to any one of claims 9 to 11, wherein the method is used to cut or engrave or pattern a workpiece.
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