DE102017126697A1

DE102017126697A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102017126697A1
Application number: DE102017126697.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten Rösler
Original assignee: Sklt Strahlkraft Lasertechnik GmbH
Current assignee: BIG Technology Services De GmbH
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken (5) an einer Fügestelle unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes. Das Aufbringen des Zusatzwerkstoffes erfolgt mittels einer Werkstoffzuführeinrichtung (3), die eine oder mehrere Auftragsdüsen (3b) zum Abscheiden von Einzelsträngen (4) eines pastösen Ausgangswerkstoffes aufweist, wobei die Einzelstränge (4) mit jeweils individueller Zuführgeschwindigkeit in den Bereich einer Schweißzone gefördert werden. Unter Aufschmelzung und Abscheidung der Ausgangswerkstoffe wird die Fügenaht (6) in der Schweißzone gebildet. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gewährleisten eine hohe Prozessstabilität bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung einer oder mehrerer, z. B. metallischer, Schichten, insbesondere zum Fügen von Werkstücken an einer Fügestelle mittels Lötens oder Schweißens mit Zusatzdraht, wobei Werkstoffe mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, aufgeschmolzen und abgeschieden werden.
Aus der Schweißtechnik sind Fügeverfahren bekannt, bei denen ein abzuschmelzender Schweißdraht über eine Drahtzuführeinrichtung kontinuierlich auf eine Fügestelle nachgeführt wird.
Hierzu wird drahtförmiger Werkstoff mittels der Drahtzuführeinrichtung in den Bereich der Schweißzone am Spot des Energiestrahls auf der Formkörperoberfläche gefördert, wobei der Drahtwerkstoff infolge des Energieeintrages an der Drahtspitze in den schmelzflüssigen Zustand übergeht. Nach Kontakt des schmelzflüssigen Materials mit der Werkstückoberfläche bildet sich im Bereich der Schweißzone das Schweißgut aus, welches nach seiner Erstarrung die Fügenaht ausbildet.
In den etablierten Prozessen gibt es derzeit zwei Arten der Drahtzuführung, bezogen auf die Ausrichtung von Energiespot und des Drahtes bezüglich Fahrtrichtung der Führungsmaschine.
Einerseits wird eine so genannte schleppende Anordnung verwendet, bei der der Draht vorlaufend, aus Fahrtrichtung der Führungsmaschine kommend, meist im Winkel von 10° bis 45° in die Prozessstelle gefördert wird.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Orientierung zwischen Spot und Drahtzuführung relativ zur Bewegungsrichtung der Führungsmaschine bzw. des Bauteils immer gleich bleiben muss, d. h., der Spot wird stets hinter dem Draht geführt. Eine Änderung der Bewegungsrichtung ist nur möglich, wenn die Lage von Draht und Spot gleichzeitig angepasst wird. D.h., eine seitliche Bewegung der Fügeeinrichtung ohne eine vorherige Drehung der Anordnung ist nicht möglich, da sonst der Spot seitlich des zugeführten Drahtes auftreffen würde.
Eine Alternative für diese Ausführung besteht darin, den Draht senkrecht (d. h. im Winkel von ca. 90°) in den Prozesspunkt zu führen. Dafür ist es erforderlich, den Energiestrahl so aufzuteilen, dass der Draht erst im Prozessunkt getroffen wird. Dies kann über eine ringförmige Aufweitung oder eine mehrfache Aufteilung des Strahls durch entsprechende optische Elemente erfolgen, wie aus DE 10 2013 104 548 B3 oder DE 10 2009 045 400 B3 bekannt.
Beiden Arten der Drahtzuführung haftet der Nachteil an, dass sich der Draht nur mit begrenzter Geschwindigkeit und in eng begrenzten geometrischen Abmessungen in die Prozessstelle fördern lässt. Eine motorische Drahtförderung macht es erforderlich, den zu fördernden Werkstoff elastisch soweit zu verbiegen, dass er sich dem Förderweg vom Vorratsbehälter zur Prozessstelle anpassen und den vorgegebenen Richtungswechseln folgen kann. Dicke Materialien oder Material mit ungünstiger Geometrie (z.B. Bänder) lassen sich nur schwer oder nur in eine Richtung biegen. Deshalb ist eine Förderung über einen längeren Weg mit konstanter Geschwindigkeit nur schwer technisch darstellbar. Dies gilt auch für alle dickeren und stabileren Drähte, die oftmals durch Schlupf an den Antriebsrollen ungleichmäßig gefördert werden. Zur Verringerung der Reibung im Förderweg müssen bei längeren Strecken spezielle Führschläuche, z. B. mit innenliegenden Rollen oder Führelementen, eingesetzt werden.
Besonders problematisch wird das Verfahren, wenn zum Zweck der Volumenerhöhung mehrere Einzeldrähte gleichzeitig, diese jedoch ggf. mit unterschiedlichen Fördergeschwindigkeiten zugeführt werden sollen. In diesem Fall wird eine sehr komplexe elektromechanische Anordnung erforderlich, die aus mehreren Einzelantrieben oder komplexeren Getriebeeinheiten bestehen muss. Darüber hinaus ist für jeden Einzeldraht eine separate Zuführung bis zum Prozesspunkt erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der Drahtzuführung hinsichtlich Komplexität, Reibung und Widerstand im Förderweg, Beschränkung der Fördergeschwindigkeit und der Fähigkeit zur Umorientierung in der Bearbeitungsrichtung zu eliminieren, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen bereitgestellt werden, die eine Anpassung der Werkstoffzuführung in den Parametern Menge, Verteilung und Zuführungsrichtung im laufenden Prozess an die Gegebenheiten ermöglichen, wodurch auf verschiedene oder sich ändernde Bauteilgeometrien, Änderungen der Geometrie in der zu erstellenden Fügenaht und auf Umorientierungen der Bearbeitungsrichtung reagiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach den Ansprüchen 1 bzw. 6 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 11.
Nach Maßgabe der Erfindung werden bei der Schichtabscheidung zum Fügen mit Zusatzwerkstoff pastöse, d. h. in pastöser Form vorliegende, Ausgangswerkstoffe verwendet. Unter der Bezeichnung „pastös“ wird hierin eine pastenartige Konsistenz (d. h. mit geringem Kraftaufwand plastisch verformbar, jedoch mit ausreichend hoher Viskosität und damit geringer Fließfähigkeit) verstanden.
Die für den Fügeprozess benötigten pastösen Ausgangswerkstoffe werden aus einem Vorratsbehälter über eine Materialfördereinheit in eine Werkstoffzuführeinrichtung befördert. Hierzu kann die Materialfördereinheit mittels Schlauchverbindungen mit dem Vorratsbehälter und/oder der Werkstoffzuführeinrichtung verbunden sein. Die Werkstoffzuführeinrichtung umfasst wenigstens eine Dosiereinrichtung sowie wenigstens eine mit derselben verbundene Auftragsdüse. Mittels dieser Werkstoffzuführeinrichtung werden der oder die pastösen Ausgangswerkstoffe dosiert an die Bearbeitungsposition befördert und dort auf die Bearbeitungsoberfläche aufgetragen. Auf diesen Prozessschritt erfolgt unmittelbar das Umschmelzen des oder der Ausgangswerkstoffe mittels Energiestrahls, d. h., das Aufschmelzen in der Bearbeitungsposition wird zeitgleich mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffes durchgeführt.
Unter „Bearbeitungsoberfläche“ wird hierin diejenige Oberfläche eines oder mehrerer Werkstücke verstanden, auf welche eine Schicht aufgetragen werden soll. Die Bearbeitungsoberfläche kann also der Bereich an der Fügestelle auf der Oberfläche zweier zu fügender Werkstücke sein.
Der Energieeintrag zum Aufschmelzen der Ausgangswerkstoffe und, falls gewünscht, der Werkstücke im Bereich der Fügestelle erfolgt erfindungsgemäß mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, in der Schmelzzone an der Bearbeitungsposition, d. h. an der Auftrefffläche des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche. Im Bereich der Bearbeitungsposition bildet sich nach dem Abscheiden der aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffe, entweder unter Vermischung mit dem angeschmolzenen Werkstückmaterial oder nur unter Benetzung der Oberflächen der Fügepartner, an der Bearbeitungsoberfläche das schmelzflüssige Schweißgut aus, welches anschließend zu der Fügenaht erstarrt, wodurch nach dem Erstarren eine Verbindung der Fügepartner hergestellt ist.
Vorzugsweise wird der Energiestrahl in Bearbeitungsrichtung nachlaufend auf die Bearbeitungsposition gelenkt, d. h., die Werkstoffzuführeinrichtung zur Zufuhr des oder der pastösen Ausgangswerkstoffe ist vorzugsweise in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition angeordnet.
Die pastösen Ausgangswerkstoffe unterliegen bei der Förderung vor allem hydraulischen Gesetzmäßigkeiten, sodass die von einer Drahtzuführung bekannten mechanischen Beeinträchtigungen (Biegewiderstand, Reibung, Schlupf an den Antriebsrollen, Verschleiß der Fördereinrichtung, Förderwege und Drahtdüsen) weitgehend vermieden werden.
Gleichzeitig ergibt sich durch die pastöse Form bei entsprechender Viskosität die Möglichkeit, in einem Arbeitsgang bestimmte Überhöhungen in Teilbereichen der Bearbeitungsbahn, z. B. bei veränderlichen Spaltgeometrien, zu erzeugen und diese mithilfe eines dynamisch geführten Energiestrahls selektiv nacheinander aufzuschmelzen, wodurch ein bestimmtes Höhenprofil in der Bearbeitungsbahn erzeugt werden kann. Diese Prozessführung verhindert, dass bei schmaleren Konturen aufgeschmolzenes Material an den Rändern abfließt, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität der erzeugten Kontur führen würde.
Die flüssigen Bestandteile der pastösen Ausgangswerkstoffe wirken beim Fügen in vorteilhafter Weise als Flussmittel.
Eine vorteilhafte Ausprägung der pastösen Ausgangswerkstoffe kann sein, dass deren flüssige Bestandteile beim Umschmelzen in den gasförmigen Zustand übergehen, aus der Schmelze entweichen und dadurch eine Schutzatmosphäre an der Position des Fügens bilden.
Es kann vorgesehen sein, dass nur ein pastöser Ausgangswerkstoff verwendet wird, der in der Werkstoffzuführeinrichtung in mehrere separate Ausgangswerkstoffstränge aufgeteilt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, mehrere unterschiedliche pastöse Ausgangswerkstoffe zu verwenden, die jeweils separat der Bearbeitungsposition zugeführt und dort einzeln oder zugleich umgeschmolzen werden.
Beispielsweise wird aus mehreren nebeneinander (z. B. weitestgehend parallel oder in einem Winkel zueinander) oder ringförmig angeordneten Auftragsdüsen jeweils ein pastöser Ausgangswerkstoffstrang in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert, wobei die Zuführgeschwindigkeit, d. h. die pro Zeiteinheit aus der Auftragsdüse austretende Menge an Ausgangswerkstoff, für jeden Einzelstrang individuell mittels einer jeweils zugeordneten Dosiereinrichtung steuerbar sein kann. D. h., die Einzelstränge können mit jeweils unterschiedlicher Zuführgeschwindigkeit an die Bearbeitungsposition gefördert werden. Die Zufuhr einzelner Ausgangswerkstoffstränge kann bei Bedarf komplett gestoppt werden. Unter individuell steuerbarer Zuführgeschwindigkeit wird also auch das Stoppen der Einzelstränge verstanden.
Auf diese Art ist es ermöglicht, mehrere bzw. unterschiedliche pastöse Ausgangswerkstoffstränge gleichzeitig oder zeitlich versetzt in den Bereich der Bearbeitungsposition zu befördern.
Bei Verwendung einer Werkstoffzuführeinrichtung mit mehreren ringförmig angeordneten Auftragsdüsen kann vorgesehen sein, die Ausgangswerkstoffstränge ringförmig um die Bearbeitungsposition auf die Bearbeitungsoberfläche aufzubringen. Insbesondere können bei dieser Ausgestaltung mittels der entsprechenden Dosiereinrichtungen nur diejenigen Ausgangswerkstoffstränge zugeführt werden, die in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition zugeführt werden. Die Auftragsdüsen in Bearbeitungsrichtung hinter und, falls gewünscht oder erforderlich, neben der Bearbeitungsposition bzw. deren Dosiereinrichtungen sind also geschlossen. Auf diese Art wird jeweils wenigstens ein Ausgangswerkstoffstrang der Bearbeitungsposition vorlaufend zugeführt. Bei Änderung der Bearbeitungsrichtung sind lediglich die entsprechenden Dosiereinrichtungen anzusteuern, sodass stets nur in Bearbeitungsrichtung vorlaufend pastöse Ausgangswerkstoffstränge zugeführt werden. Die Werkstoffzuführeinrichtung kann somit bei einer Änderung der Bearbeitungsrichtung unbewegt bleiben. Auf diese Weise lässt sich in vorteilhafter Weise eine Unabhängigkeit der Anordnung gegenüber der Umorientierung der Bearbeitungsrichtung erreichen.
Die Einzelstränge können je nach Anwendungsfall einen kreisförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Zudem ist es möglich, unterschiedliche Ausgangswerkstoffe für jeden der Einzelstränge zu verwenden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, mittels des Energiestrahls den Werkstoff der Bearbeitungsoberfläche an einer Position in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition vorzuwärmen oder anzuschmelzen. Somit wird der pastöse Ausgangswerkstoff auf die bereits angewärmte Bearbeitungsoberfläche aufgebracht bzw. in ein auf der Bearbeitungsoberfläche ausgebildetes Schmelzbad eingeführt.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Energiestrahl, z. B. mittels einer Scannervorrichtung, quer zur Bearbeitungsrichtung pendelnd oder um die Bearbeitungsposition oszillierend bewegt werden. Hierbei kann auch vorgesehen sein, die Leistung des Energiestrahls synchron zur Pendelbewegung bzw. Oszillation zu steuern.
Insbesondere kann gemäß dieser Ausführungsform der Energiestrahl derart auf der Bearbeitungsoberfläche hin und her bewegt werden, dass in Bearbeitungsrichtung vor der Bearbeitungsposition eine Erwärmung bzw. Anschmelzen der Bearbeitungsoberfläche und - quasi simultan - an der Bearbeitungsposition ein Umschmelzen des oder der zugeführten pastösen Ausgangswerkstoffe erfolgt.
Die Vorrichtung zur Erstellung einer Fügenaht beim Fügen zweier Werkstücke weist einen Strahlgenerator zur Erzeugung des Energiestrahls, wenigstens einen Vorratsbehälter für pastöse Ausgangswerkstoffe, jeweils eine mit diesem verbundene Materialfördereinheit und die mit den Materialfördereinheiten verbundene Werkstoffzuführeinrichtung mit einer oder mehreren Dosiereinrichtungen und jeweils einer mit diesen Dosiereinrichtungen mittel- oder unmittelbar verbundenen Auftragsdüse, mittels derer wenigstens ein Strang pastösen Ausgangswerkstoffes in den Bereich der Bearbeitungsposition förderbar ist, auf. Erfindungsgemäß ist jede Dosiereinrichtung individuell zur Steuerung der Zuführgeschwindigkeit des jeweiligen Ausgangswerkstoffstranges regelbar.
Durch diese Individualsteuerung der Einzelstrangzuführung bei mehreren Dosiereinrichtungen ist ein flexibler Schichtabscheideprozess gewährleistet.
Die oben gelisteten Komponenten der Vorrichtung können in einer baulichen Einheit, z. B. einem Gehäuse, zusammengefasst sein. Auch kann der Strahlgenerator als ein eigenständiges Bauteil ausgebildet sein, das z. B. über lösbare Befestigungsmittel mit der Werkstoffzuführung verbunden bzw. verbindbar ist.
Die Vorrichtung kann um eine vorzugsweise lotrecht angeordnete Achse drehbar gelagert sein. Bei gewöhnlichem, bestimmungsgemäßem Gebrauch steht diese Drehachse senkrecht zur Bearbeitungsoberfläche, d. h. die Vorrichtung ist um die Normale zur Ebene der Bearbeitungsoberfläche rotierbar. Die rotatorische Lagerung ist zum Beispiel Teil eines Mehrachsbewegungssystems.
Die Vorrichtung zum Fügen kann außerdem eine Bearbeitungsplattform aufweisen, auf welcher die zu fügenden Werkstücke fixiert werden. Die Bearbeitungsplattform kann relativ zur Werkstoffzuführeinrichtung in der Ebene der Bearbeitungsoberfläche bewegbar sein, zum Beispiel indem die Bearbeitungsplattform translatorisch oder rotarisch in gleichbleibender Höhe in Bezug zur Werkstoffzuführeinrichtung bewegt wird. Alternativ kann auch, mittels entsprechender Aktoren, die Werkstoffzuführeinrichtung gemeinsam mit dem Strahlgenerator relativ zur feststehenden Bearbeitungsplattform bewegbar sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsplattform auch in vertikaler Richtung bewegbar ist, oder dass die Werkstoffzuführeinrichtung in der Höhe variierbar ist.
Die Realisierung aller Bewegungsmöglichkeiten ist durch Implementierung allgemein bekannter Mehrachsbewegungssysteme für Bearbeitungsmaschinen erreichbar.
Die Auftragsdüsen können eine kreis- oder ellipsenförmige, eine rechteckige, insbesondere eine schlitzförmige, oder eine ringförmige Auslassöffnung aufweisen. Auch ist jede andere Querschnittsform der Auslassöffnung zur Gestaltung spezieller Konturen der der Bearbeitungsposition zugeführten Stränge pastösen Ausgangswerkstoffes möglich. Bei einer Werkstoffzuführeinrichtung mit mehreren Auftragsdüsen kann auch eine, mehrere oder jede der Auftragsdüsen eine individuelle - und somit von den anderen Auftragsdüsen unterschiedliche - Querschnittsform der Auslassöffnung aufweisen.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Einrichtung zur Positionierung der Ausgangswerkstoffstränge - z. B. zur Nahtführung oder Verfolgung von Konturen - in Form einer taktilen Führungsspitze oder einem speziell geformten, ggf. auch aktiven oder adaptiven, Führungselement aufweisen.
Die Vorrichtung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Positionierung der Werkstoffzuführung und des Energiestrahls durch ein bewegliches Element, vorzugsweise durch ein Schwenkelement erfolgt, wobei die Halterung für die Werkstoffzuführung entstehende Längenabweichungen in Bauteilrichtung ausgleicht (sog. Planfeldkorrektur).
In einer Ausführung der Vorrichtung umfasst die Werkstoffzuführeinrichtung mehrere Auftragsdüsen. Diese können entlang einer Linie parallel zueinander angeordnet sein. Bevorzugt sind sie jedoch ringförmig um den Energiestrahl angeordnet, d. h. der Energiestrahl wird durch die Werkstoffzuführeinrichtung hindurch durch das Zentrum des Auftragsdüsenringes geführt. Gemäß dieser Ausführungen kann vorgesehen sein, dass die Auftragsdüsen - z. B. entkoppelt vom Stahlgenerator - um eine vorzugsweise lotrecht angeordnete Achse (manuell oder z. B. von einer Justageeinheit steuerbar angetrieben) um den Energiestrahl herum bewegbar sind, sodass eine Rotation der Düsenanordnung um die Strahlachse ermöglicht ist.
Diese Ausführung der Vorrichtung ermöglicht es, die Einzelstränge, die z. B. innerhalb einer Linie parallel zueinander angeordnet sind, hinsichtlich der Relativbewegungsrichtung von Bearbeitungsoberfläche und Energiestrahl auszurichten.
Vorteilhafterweise werden in einer Linie parallel angeordnete Einzelstränge fortwährend senkrecht zur veränderlichen Relativbewegungsrichtung ausgerichtet, d. h., die Linie der Einzelstränge ist während der Schichtabscheidung vorzugsweise immer quer zur Bearbeitungsrichtung orientiert. Dadurch wird die Abscheidung des pastösen Ausgangswerkstoffes stets in voller Breite ermöglicht; eine gegenseitige Überlappung der Einzelstränge wird vermieden.
Alternativ kann die Ausgangswerkstoffzuführung über eine koaxial um den Energiestrahl angeordnete, durchgehende Ringdüse erfolgen, die auch partiell aufgeteilt bzw. ansteuerbar sein kann. Hierdurch können lokal unterschiedlich aufbringbare Volumina des Ausgangswerkstoffes oder eine genaue Positionierung des Ausgangswerkstoffes hinsichtlich des Auftreffpunktes des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche eingestellt werden.
Die individuelle Ansteuerung einzelner Ausgangswerkstoffstränge erlaubt den schnellen Wechsel bei sich ändernden Konturen der Geometrie der zu erstellenden Fügenaht. Die Geometrie der erzeugten Fügenaht kann durch die Ab- und Zuschaltung der Einzelstränge oder durch Steuerung der aus einer einzelnen Düse austretenden Werkstoffmenge einer Sollkontur angepasst werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Strahlfomungswerkzeug, welches über eine dynamische Strahlführung (Ablenkungseinheit) verfügt, oder eine Scanneroptik umfasst, die es ermöglichen, den Energiestrahl in vorgegebener Weise abzulenken und den Spot des Energiestrahls auf der Bearbeitungsoberfläche gezielt zu positionieren. Bekannte Ausführungen derartiger Scanneroptiken sind zum Beispiel Laserscanner mit beweglichen Spiegeln.
Mittels einer solchen Vorrichtung können zum Beispiel durch pendelnde Hin- und Herbewegung auch unterschiedlich breite Werkstoffspuren durch Spotbewegung sicher bearbeitet werden.
Mittels einer Strahlführungseinheit, z. B. einer Scanneroptik, kann der Spot des Energiestrahls mehrere Einzelstränge pastösen Ausgangswerkstoffes sukzessive überstreichen und die Einzelstränge punktuell aufschmelzen; es entstehen räumlich eng begrenzte Fügezonen.
Eine Alternative dazu - mit geringerem gerätetechnischem Aufwand - stellt die Anwendung eines Strahlgenerators dar, der einen Energiestrahl mit linienförmigem Spot erzeugt. In dieser Ausführung kann durch Variation der Spotlinienbreite die Energiezufuhr bzw. die Größe der Schweißzone verändert werden.
Ebenso kann ein Strahlformungswerkzeug in den Strahlengang des Energiestrahles eingebracht sein, welches die Querschnittsform des Energiestrahles verändert, sodass verschieden breite Werkstoffspuren mit angepassten Spotgrößen oder Spotformen bearbeitet werden können.
Weiterhin kann der Strahlgenerator auch derart ausgebildet sein, dass mehrere Energiestrahlen erzeugbar sind, die z. B. in separaten Einzelspots auf die Einzelstränge pastösen Ausgangswerkstoffes auftreffen. Dies ermöglicht wiederum, die Einzelstränge punktuell aufschmelzen.
Durch - in bekannter Weise - positions- und zeitabhängige Veränderung der Energiestrahlleistung sind zudem sowohl die Abschmelzraten der Einzelstränge steuerbar als auch eine Anpassung an individuell zeitlich veränderliche Volumina der jeweils zugeführten Ausgangswerkstoffstränge ermöglicht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung Vorratsbehälter für flüssige und feste Einzelbestandteile der pastösen Ausgangswerkstoffe sowie für jeden pastösen Ausgangswerkstoff eine zwischen den Vorratsbehältern und der jeweiligen Materialfördereinheit angeordnete ansteuerbare Pastenmischeinheit, mittels derer die flüssigen und festen Bestandteile des pastösen Ausgangswerkstoffes zu einer Paste mit vorgegebener Viskosität mischbar sind. Die Pastenmischeinheit kann eine Schnittstelle aufweisen, über die - auch während eines laufenden Prozesses - Befehle zur Einstellung eines genauen Mischungsverhältnisses der flüssigen und festen Bestandteile empfangbar sind. Somit ist während der Fertigung, d. h. in Echtzeit, die Viskosität der pastenförmigen Ausgangswerkstoffe vorgebbar bzw. an gegebene Anforderungen anpassbar.
Weiter kann die Vorrichtung eine optische und/oder taktile Sensoreinrichtung umfassen. Die Position des Auftreffpunktes der Ausgangswerkstoffstränge auf der Bearbeitungsoberfläche kann ebenso wie der Verlauf der Fügestelle mittels einer optischen - zum Beispiel im Graubild- oder Lichtschnittverfahren - oder taktilen oder einer Interferenz-Sensoreinrichtung detektiert werden. Die Position des Auftreffpunktes des Energiestrahles kann mittels einer optischen Sensoreinrichtung detektiert werden. Beispielsweise kann die Zuführgeschwindigkeit der Ausgangswerkstoffe und oder die Positionierung der Werkstoffzuführeinheit auf Basis dieser Überwachungsparameter regelbar sein. Ein optischer Sensor kann zum Beispiel koaxial um den Energiestrahl angeordnet sein.
Durch optische Sensoreinrichtungen ist zudem die Qualitätsüberwachung der ausgebildeten Fügenaht, z. B. die Höhe und Form, in situ während des Fügens messbar. Die Geometriedaten der so ermittelten Ist-Geometrie der Fügenaht können mit Vorgabedaten verglichen werden und ermöglichen auf dieser Basis eine adaptive Prozesssteuerung durch Anpassung der Werkstoffmenge und entsprechende Anpassung der Fügeenergie.
Des Weiteren kann die Sensoreinrichtung zum Detektieren der Wärmestrahlung aus dem Bereich der Schweißzone ausgebildet sein, wobei mit deren Hilfe Schmelzbadtemperaturen ebenso wie Oberflächentemperaturen der Werkstücke im Bereich der Fügestelle oder angrenzend zur Schmelzzone zwecks Prozessüberwachung oder - regelung bestimmt werden. Auch die zeitabhängigen Temperaturänderungen, zum Bespiel Abkühlraten, sind zur Prozesskontrolle und -regelung geeignet.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Fügen mit Zusatzwerkstoff sind anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Dazu zeigen

1: die Vorrichtung zum Fügen gemäß einer ersten Ausführung in Längsschnitt,
2: die Vorrichtung zum Fügen gemäß einer zweiten Ausführung in Perspektivansicht; .
3: die Vorrichtung zum Fügen gemäß einer dritten Ausführung in Perspektivansicht;
4: die Vorrichtung zum Fügen gemäß einer vierten Ausführung in Perspektivansicht; und
5: die Vorrichtung zum Fügen gemäß einer weiteren Ausführung.

Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst den Strahlgenerator 1 zur Erzeugung des Energiestrahls 2, die Strahlführungseinheit 10, den Materialvorratsbehälter 20, die Materialfördereinheit 9 und die Werkstoffzuführeinrichtung 3. Die Strahlführungseinheit 10 beinhaltet die Kollimationseinheit 14, die aktive Ablenkungseinheit 11 und die passive Ablenkungseinheit 12, die Fokussiereinheit 13 sowie die Kamera 16 mit der Fokussiereinheit 15 zur Detektion der Messstrahlung 17. Außerdem umfasst die Vorrichtung ebenfalls zur Detektion der Messstrahlung 17 noch die Sensoreinrichtung 18, welche über einen entsprechenden Steuer/Regelkreis (nicht dargestellt) zur Positionierung von Werkstoff und Energiestrahl die Strahlführungseinheit 10 und die Werkstoffzuführeinrichtung 3 ansteuert.
Mittels dieser Vorrichtung wird auf das Werkstück 5 bzw. auf die Bearbeitungsoberfläche 7 die Fügenaht 6 aufgebracht. Der pastöse Ausgangswerkstoff wird hierfür von der Materialfördereinheit 9 aus dem Materialvorratsbehälter 20 über das flexible Verbindungselement 9a und die Anschlusselemente 9b in die Werkstoffzuführeinrichtung 3 befördert. Innerhalb der Werkstoffzuführeinrichtung 3 befindet sich die Dosiereinrichtung 3a, mittels derer der pastöse Ausgangswerkstoff exakt dosiert durch die Auftragsdüse 3b auf die Bearbeitungsoberfläche 7 aufgebracht wird, wo er vom Energiestahl 2 zu der Fügenaht 6 umgeschmolzen wird. Während der Fertigung wird das Werkstück 5 entgegen der Bearbeitungsrichtung relativ zu der Werkstoffzuführeinrichtung 3 bzw. der Strahlführungseinheit 10 bewegt (veranschaulicht durch den Pfeil 23).
Zur exakten Justierung des Abstandes von Auftragsdüse 3b zur Bearbeitungsoberfläche 7 dienen die Aufhängung 8, die als Teleskopelement in z-Richtung ausgebildet ist, und das taktile Element 21.
Die in einer Linie parallel nebeneinander angeordneten Einzelstränge 4 des Ausgangswerkstoffes werden - gemäß 2 - mittels der Werkstoffzuführeinrichtung 3, die den von der Materialfördereinheit 9 über die Verbindungselemente 9a und Anschlusselemente 9b aus dem Materialvorratsbehälter 20 zugeführten pastösen Ausgangswerkstoff entsprechend aufteilt, zur Bearbeitungsoberfläche 7 gefördert. Hierbei ist jedem der Einzelstränge 4 eine Dosiereinrichtung 3a zugeordnet, sodass die Einzelstränge 4 unabhängig voneinander dosierbar sind. Der von der Strahlführungseinheit 10 geführte Energiestrahl 2 pendelt quer zur Relativbewegung 23 des Werkstückes 5 hin und her (vgl. Doppelpfeil). Am Spot des Energiestrahls 2 bildet sich die Schweißzone aus, in der die Einzelstränge 4 umgeschmolzen werden.
3 zeigt die Ausgestaltung der Vorrichtung mit ringförmig um die Strahlachse des Energiestrahles 2 angeordnete Auftragsdüsen 3b. Durch Einzelansteuerung der zugeordneten Dosiereinrichtungen 3a werden stets - auch bei Änderung der Bearbeitungsrichtung 19 - Einzelstränge 4 nur in Bearbeitungsrichtung 19 dem Energiestrahl 2 vorlaufend abgeschieden. Die Werkstoffzuführeinrichtung kann somit zumindest rotatorisch unbewegt bleiben. Mittels der optischen Sensoreinrichtung 18 wird der Verlauf der Fügestelle verfolgt und zur entsprechenden Positionierung die Werkstoffzuführeinrichtung 3 und die Strahlführungseinheit 10 angesteuert.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ist in 4 gezeigt, bei welcher die Werkstoffzuführeinrichtung 3 zentral innerhalb mehrerer möglicher Laufwege des Energiestrahls 2 angeordnet ist. Die Strahlführungseinheit 10 wird derart angesteuert, dass der Energiestrahl 2 in Bearbeitungsrichtung 19 stets, d. h. auch bei Änderung der Bearbeitungsrichtung 19, dem Einzelstrang 4 nachlaufend positioniert ist.
Nach dem Aufschmelzen des Einzelstrangs 4 in der Bearbeitungsposition und dem Abscheiden des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs bildet sich wiederum die Fügenaht 6 auf dem Werkstück 5 aus.
In 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zusätzlich das Schwenkelement 22 aufweist. Die Aufhängung 8 der Werkstoffzuführeinrichtung 3 ist fest mit der Strahlführungseinheit 10 verbunden. Mittels des Schwenkelements 22 können so die Werkstoffzuführeinrichtung 3 und der Energiestrahl 2 synchron geschwenkt werden.
Bezugszeichenliste

1: Strahlgenerator
2: Energiestrahl
3: Werkstoffzuführeinrichtung
3a: Dosiereinrichtung für Werkstoffzuführung
3b: Auftragsdüse
4: Einzelstrang pastösen Ausgangswerkstoffes
5: Werkstück
6: Fügenaht / Zusatzwerkstoffläge
7: Bearbeitungsoberfläche
8: Aufhängung für Werkstoffzuführeinrichtung und taktiles Element
9: Materialfördereinheit
9a: Flexibles Verbindungselement
9b: Anschlusselement
10: Strahlführungseinheit
11: aktive Ablenkungseinheit
12: passive Ablenkungseinheit
13: Fokussiereinheit
14: Kollimationseinheit
15: Kamera-Fokussiereinheit
16: Kamera
17: Messstrahlung
18: Sensoreinrichtung
19: Bearbeitungsrichtung
20: Vorratsbehälter
21: Taktiles Element
22: Schwenkelement
23: Relativbewegung des Werkstückes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013104548 B3 [0007]
DE 102009045400 B3 [0007]

Claims

Verfahren zum Fügen von Werkstücken (5), wobei wenigstens ein Ausgangswerkstoff in einer Bearbeitungsposition auf eine Bearbeitungsoberfläche (7) auf die Werkstücke (5) aufgebracht und dort mittels eines Energiestrahls (2) zu einer Schmelze aufgeschmolzen wird, die nach ihrem Erkalten eine Fügenaht 6 ausbildet, wobei die Bearbeitungsposition in einer Bearbeitungsrichtung (19) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - pastöse Ausgangswerkstoffe verwendet werden; -jeder der pastösen Ausgangswerkstoffe mittels einer Materialfördereinheit (9) und einer wenigstens eine Dosiereinrichtung (3a) umfassenden Werkstoffzuführeinrichtung (3) an die Bearbeitungsposition befördert wird; und - das Aufschmelzen in der Bearbeitungsposition zeitgleich mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffes durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pastöse Ausgangswerkstoff in der Werkstoffzuführeinrichtung (3) in mehrere, nebeneinander oder ringförmig um die Bearbeitungsposition angeordnete Ausgangswerkstoffstränge (4) aufgeteilt wird, wobei jeder der Ausgangswerkstoffstränge (4) mittels einer jeweils zugeordneten Dosiereinrichtung (3a) individuell mit jeweils vorgebbarer Zuführgeschwindigkeit in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pastöse Ausgangswerkstoff in der Werkstoffzuführeinrichtung (3) in mehrere ringförmig um die Bearbeitungsposition angeordnete Ausgangswerkstoffstränge (4) aufgeteilt wird, wobei mittels derjenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) vor der Bearbeitungsposition positioniert sind, jeweils ein Ausgangswerkstoffstrang (4) mit jeweils individuell vorgebbarer Zuführgeschwindigkeit in den Bereich der Bearbeitungsposition gefördert wird und diejenigen Dosiereinrichtungen (3a), die in Bearbeitungsrichtung (19) hinter der Bearbeitungsposition positioniert sind, geschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Bearbeitungsoberfläche (7) vorliegende Material in Bearbeitungsrichtung (19) vor der Bearbeitungsposition mittels des Energiestrahls (2) zu einem Schmelzbad aufgeschmolzen und der pastöse Ausgangswerkstoff in der Bearbeitungsposition auf das Schmelzbad abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spot des Energiestrahls (2) mittels einer Strahlführungseinheit (10) in einer Richtung quer zur Bearbeitungsrichtung (19) pendelnd bewegt wird, wobei die Leistung des Energiestrahls (2) synchron zur Pendelbewegung gesteuert wird.
Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken (5) mittels eines Zusatzwerkstoffs durch Abscheiden und Aufschmelzen von Ausgangswerkstoffen im Bereich einer Bearbeitungsposition eines Energiestrahls (2) auf einer Bearbeitungsoberfläche (7), wobei die Vorrichtung eine Werkstoffzuführeinrichtung (3) zur Zuführung der Ausgangswerkstoffe und einen Strahlgenerator (1) zur Erzeugung des Energiestrahls (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorrichtung eine optische (16, 18) und/oder taktile (21) Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung des Verlaufes der Fügestelle aufweist; - die Vorrichtung wenigstens einen Vorratsbehälter (20) für pastöse Ausgangswerkstoffe und/oder Einzelbestandteile für pastöse Ausgangswerkstoffe und jeweils eine mit diesem verbundene Materialfördereinheit (9) umfasst; - die Werkstoffzuführeinrichtung (3) wenigstens eine Dosiereinrichtung (3a) mit jeweils einer mittel- oder unmittelbar verbundenen Auftragsdüse (3b) aufweist, mittels derer wenigstens ein Strang (4) pastösen Ausgangswerkstoffes in den Bereich der Bearbeitungsposition förderbar ist, wobei eine Menge des pastösen Ausgangswerkstoffes sowie eine Zuführgeschwindigkeit jedes Stranges (4) mittels der dem jeweiligen Strang (4) zugeordneten Dosiereinrichtung (3a) individuell steuerbar ist.
Vorrichtung zum Fügen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mit der Werkstoffzuführeinrichtung (3) mechanisch verbundene Strahlführungseinheit (10) zur steuerbaren Ablenkung des Energiestrahls (2) und/oder einen Strahlgenerator (1) zur Erzeugung eines Energiestrahls (2) mit linienförmiger Querschnittsfläche oder zur Erzeugung mehrerer Teil-Energiestrahlen (2) oder zur Modifikation der Strahlquerschnittsgeometrie aufweist.
Vorrichtung zum Fügen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Vorratsbehälter (20) für flüssige und feste Einzelbestandteile der pastösen Ausgangswerkstoffe sowie für jeden pastösen Ausgangswerkstoff eine zwischen den Vorratsbehältern (20) und der jeweiligen Materialfördereinheit (9) angeordnete ansteuerbare Pastenmischeinheit, mittels derer in Echtzeit die flüssigen und festen Bestandteile des pastösen Ausgangswerkstoffes zu einer Paste mit vorgegebener Viskosität mischbar sind, umfasst.
Vorrichtung zum Fügen nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Werkstoffzuführeinrichtung (3) um eine im Wesentlichen senkrecht zu der Bearbeitungsoberfläche (7) angeordnete Achse drehbar gelagert ist.
Vorrichtung zum Fügen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffzuführeinrichtung (3) mehrere Dosiereinrichtungen (3a) mit jeweils mittel- oder unmittelbar verbundener Auftragsdüse (3b) aufweist, wobei die Auftragsdüsen (3b) ringförmig oder entlang einer Linie angeordnet sind.
Vorrichtung zum Fügen nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische (16, 18) und/oder die taktile (21) Sensoreinrichtung auch zur Positionsbestimmung des wenigsten einen Stranges (4) Ausgangswerkstoff und/oder die optische Sensoreinrichtung (16, 18) zur Positionsbestimmung des Auftreffpunktes des Energiestrahls (2) auf der Bearbeitungsoberfläche (7) und/oder zur Detektion von Wärmestrahlung ausgebildet ist.