DE102017213942B4

DE102017213942B4 - Vorrichtung zum Laserschweißen

Info

Publication number: DE102017213942B4
Application number: DE102017213942.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Riedel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2037-08-11
Also published as: DE102017213942A1; WO2019030016A1

Abstract

Vorrichtung zum Laserschweißen von Werkstücken, bei der mindestens ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl durch ein manuell von einem Bediener bewegbares Laserbearbeitungsgerät in den Fügebereich von Werkstücken gerichtet ist undam und/oder im Gehäuse mindestens ein Sensorelement, das zur Erfassung der Position der Schweißnahtfuge und der Position des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche ausgebildet ist, vorhanden ist und die mit dem/den Sensorelement(en) erfassten Positionssignale einer Regeleinrichtung zuführbar sind, wobeidie Regeleinrichtung so ausgebildet ist, dass eine Auslenkung der Position des Brennflecks des mindestens einen Laserstrahls auf eine vorgegebene Position im Fügebereich der Werkstücke entlang eines vorgegebenen Schweißnahtverlaufs erreichbar ist undder Brennfleck bei seiner Vorschubbewegung entlang des vorgegebenen Schweißnahtverlaufs gleichzeitig zwischen zwei Umkehrpunkten sich hin und her bewegend, kreisförmig oder elliptisch auslenkbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen, wobei die Vorschubbewegung des Laserstrahls manuell von einem Bediener realisiert wird.
Das Laserstrahlschweißen hat sich wegen seiner vielen Vorteile (hohe Produktivität, geringer Wärmeeintrag, geringer Verzug etc.) und in vielen Bereichen der Metall verarbeitenden Industrie etabliert. Dabei trifft der Laserstrahl im Arbeitspunkt (Brennfleckdurchmesser im Fokus, üblich sind: 600, 300, 200, 100 µm) mit einer hohen Energiedichte auf die zu bearbeitenden (zu verschweißenden) Werkstücke. Durch den sehr kleinen Durchmesser des Brennflecks des verwendeten Laserstrahls werden bis heute die Laserbearbeitungsoptiken mechanisiert geführt (Handlingssysteme, Roboter, Portale) und die Laserschweißanlagen arbeiten mit hohen Automatisierungsgraden (z. B. Automobilindustrie).
Für kleine Stückzahlen und geometrisch große Bauteile sind diese automatisierten Laserschweißprozesse nicht abbildbar. Hier hätte ein handgeführter Laserstrahlschweißprozess ein großes Potenzial.
Dies bisher entwickelten Laserbearbeitungsköpfe können Anwendung finden, wenn für eine Positionierung geringe maßliche Anforderungen (z. B. Überlappverbindungen) oder eine manuelle Positionierung zeitlich überhaupt möglich sind (z. B. Heftschweißungen).
Für die Anwendung des Laserstrahlhandschweißens in den überwiegenden Anwendungsbereichen (z. B. das Verschweißen von Stumpfstößen in Blechbereichen ab ca. 1 mm Blechdicke) ist eine präzise Nahtverfolgung bei relativ hoher Schweißgeschwindigkeit erforderlich. Ein solches Handling ist allein mit einer manuellen Führung des Laserbearbeitungskopfes ohne technische Hilfsmittel nicht möglich.
Die entscheidenden technische/technologischen Probleme konnten bisher nicht gelöst werden:

- Die hinreichend genaue Positionierung des Laserbearbeitungsstrahles (Brennfleckdurchmesser: 0,6 mm - 0,1 mm) insbesondere während der manuellen Führung entsprechend der erforderlichen Vorschub(schweiß)geschwindigkeit.
- Die Spaltüberbrückbarkeit von realen, schwankenden, technischen Schweißfugen (Spaltbreiten: > 0,1 mm).

So sind in DE 195 19 150 A1 ein Laserstrahlgerät und ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken beschrieben, mit denen Einfluss auf die Bearbeitung genommen werden kann.
DE 103 35 501 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen oder Schneiden mit Laserstrahl.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung mindestens einen Laserstrahl von einem Bediener mit einem manuell bewegten Laserbearbeitungsgerät entlang eines vorgegebenen Schweißnahtverlaufs führen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die Position der Schweißnahtfuge (Bauteilkanten der zu verschweißenden Teile) mit Bezug zur Position des manuellen Laserbearbeitungsgerätes(kopfes) mit der jeweiligen Position des auf das Werkstück auftreffenden Brennflecks des Laserstrahles wird mittels Sensortechnik bestimmt. Dazu an/im einem Laserbearbeitungsgerät mindestens ein Sensorelement genutzt. Das mindestens eine Sensorelement ist dabei zur Erfassung der Position des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche ausgebildet. Beim Schweißen wird ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl durch ein manuell von einem Bediener bewegbares Laserbearbeitungsgerät in den Fügebereich von Werkstücken gerichtet.
Die mit dem/den Sensorelement(en) erfassten Positionssignale eines Brennflecks werden einer Regeleinrichtung zugeführt. Die Regeleinrichtung ist dazu so ausgebildet, dass eine Auslenkung der Position des Brennflecks des mindestens einen Laserstrahls auf eine vorgegebene Position im Fügebereich der Werkstücke entlang eines vorgegebenen Schweißnahtverlaufs erreichbar ist. Im oder am Laserbearbeitungsgerät ist eine Einrichtung, die zur Auslenkung des Laserstrahls in mindestens eine Achsrichtung ausgebildet ist, vorhanden. Mit dieser wird eine Auslenkung der Position des Brennflecks des mindestens einen Laserstrahls auf eine vorgegebene Position im Fügebereich der Werkstücke entlang eines vorgegebenen Schweißnahtverlaufs erreicht.
Ein Sensorelement kann optisch durch online Bildauswertung, mittels Lasertriangulation; mit einem taktilen Fühler, berührungslos durch die Verwendung von Wirbelstromsensoren oder mit einem optischen Detektor mit dem eine ortsaufgelöste Erfassung des von der Werkstückoberfläche zurück reflektierten Laserstrahls erreichbar ist, die jeweilige momentane Position des Brennflecks erfassen.
Mittels der Regeleinrichtung kann die jeweilige Position des Brennflecks korrigiert werden, wenn eine Abweichung von einer vorgegebenen Position entlang des Schweißnahtverlaufs detektiert worden ist. Dies betrifft insbesondere eine Abweichung, die senkrecht zum momentanen Schweißnahtverlauf aufgetreten ist.
Ein auftreffender Laserstrahl kann im Bereich der Schweißfuge mittels optischer Komponenten so ausgelenkt werden, dass die Position des auftreffenden Brennflecks des Laserstrahls z.B. mit mindestens einem beweglichen, insbesondere um eine Rotationschse verschwenkbares reflektierenden Element (Spiegel, z.B. Galvanometerspiegel) korrigiert, so dass der Brennfleck des Laserstrahls während des Schweißprozesses immer (während der gesamten manuellen/teilmechanisierten Bewegung des Laserbearbeitungsgerätes exakt auf eine vorgegebenen Position (Schweißfuge) auftrifft.
Eine Auslenkung kann aber auch mit mindestens einem verkippbaren optischen Element erreicht werden, das zwei ebene in einem bestimmten Winkel zueinander geneigte oder parallele ebene Oberflächen aufweist und durch das der Laserstrahl auf die Oberfläche der Werkstücke gerichtet ist, erreicht werden. Das Verkippen kann beispielsweise mit mindestens einem piezoelektrischen Element direkt oder über ein Hebelsystem erreicht werden.
Mit dieser Einrichtung ist es möglich, dass das Laserbearbeitungsgerät „nur“ noch manuell innerhalb eines Korridors geführt werden muss und durchgehend eine tatsächliche Feinpositionierung der momentanen Position des Brennflecks über den beschriebenen Regelkreis erfolgt.
Mit dieser Einrichtung ist es gleichermaßen möglich, toleranzbedingte Abweichungen des Schweißnahtverlaufes (Schweißfugenverlaufes) auszugleichen.
Dieses Verfahren kann auch so ausgelegt werden, dass ungewollte manuelle Lageabweichungen des Laserbearbeitungsgerätes in y-Richtung (Winkelabweichungen) durch eine Strahllagekorrektur automatisch und unabhängig vom Bediener ausgeglichen werden.
An der Vorrichtung kann ein System vorhanden sein, mit dem ein Bediener zusätzlich über generierte visuelle und/oder akustisch Signale über den Korrektorverlauf informiert werden kann, wenn die Abweichungen größer werden, als die Abweichungen der Brennfleckposition, die durch die beschriebene Regeleinrichtung automatisch ausgeglichen werden können.
Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich, mit manuell geführten Laserbearbeitungsgeräten das Laserschweißen mit einer durchgehend exakten automatischen Strahlpositionierung (unabhängig vom Bediener) vorzunehmen. Ein weiteres Potenzial der Erfindung besteht darin, dass die Schweißgeschwindigkeit (manueller Vorschub) unabhängig von der manuell erreichbaren Positioniergenauigkeit des Bedieners ist und somit deutlich gesteigert werden kann.
Um die Spaltüberbrückbarkeit mit manuellen Laserbearbeitungsgeräten deutlich zu vergrößern, wird die Laserhandschweißoptik durch Komponenten erweitert, die den Wirkbereich/-fläche des Laserstrahls am Werkstück deutlich vergrößern und somit technische Spalte bzw. Abweichungen überbrücken.
Im oder am Laserbearbeitungsgerät kann eine Einrichtung, die zur Auslenkung des Laserstrahls in mindestens eine Achsrichtung ausgebildet ist, vorhanden sein. Die Auslenkung soll in mindestens eine Achsrichtung erfolgen, die in einem Winkel von mindestens 10 ° in Bezug zur Richtung des Schweißnahtverlaufs an der jeweiligen Position des Brennflecks ausgerichtet ist.
Am oder im Laserbearbeitungsgerät kann mindestens ein optisches Element zur Strahlformung oder Strahlteilung vorhanden sein, mit dem die geometrische Form und/oder die Dimensionierung des Brennflecks verändert werden kann. Allein oder zusätzlich kann auch ein Strahlteiler oder ein diffraktives optisches Element vorhanden sein, mit dem ein Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen, die zum Schweißen auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden können, aufgeteilt werden kann.
Für diese technische Realisierung können folgende prinzipielle Strategien umgesetzt werden:

1. Erweiterung der Laserhandschweißoptik mit Komponenten die eine oszillierende (mehrere Hertz bis Kilohertz quer zur Schweißrichtung) Bewegung (Pendeln, kreisförmig oder elliptisch) des Brennflecks des Laserstrahls ermöglichen. Solche optische Komponenten können 1,2,3-D-Scanner, mechanisch [mittels Piezo-Aktoren, elektrische Antriebe mit Nocken o.ä., bewegte Umlenkspiegel oder Galvanometerspiegel sein.
2. Erweiterung der Laserhandschweißoptik mit optischen Komponenten (z.B. diffraktive optische Elemente) die eine Strahlformung (Linie, Aufweitung, Mehrfoki) ermöglichen.
3. Die Verwendung von mehreren Laserstrahlen und den dazugehörigen optischen Komponenten.

Mit dieser Alternative der Erfindung wird es möglich sein, die Toleranzanforderungen an die miteinander zu verschweißenden Werkstücke zu senken bzw. Abweichungen auszugleichen.
Mit der Erfindung können auch indirekt dazu Positionierabweichungen ausgeglichen werden.
Es können die Voraussetzung geschaffen werden, mit denen manuelle Laserschweißen in ein breites und relevantes Gebiet wie Stahl-, Behälter- und Anlagenbaus einsetzbar ist. Damit kann zukünftig ein riesiges Anwendungspotenzial erschlossen werden.
Mit der Erfindung können weiter folgende Vorteile erreicht werden:

- Deutliche Verringerung der Anforderungen an die Positioniergenauigkeit beim manuellen Laserstrahlschweißen (automatische Nahtführung).
- Steigerung der Bearbeitungs(schweiß)geschwindigkeit, da die Laserstrahlpositionierung nicht mehr von der manuellen Führung des Bearbeitungsgerätes abhängig ist.
- Ausgleich von Ungenauigkeiten des Bedieners und Bauteiltoleranzen.
- Mittels Signalen (akustische, visuelle) kann der Bediener über Korrekturen informiert werden bzw. darüber, dass zusätzliche manuelle Maßnahmen (bei Überschreiten des automatisch ausregelbaren Korridors) erforderlich sind.
- Deutliche Verringerung der Anforderungen (Toleranzen) an die zu verarbeitenden Werkstücke beim manuellen Laserstrahlschweißen durch Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit.
- Durch die Vergrößerung der Schweißnahtbreite kann die Anbindungsfläche der Schweißnaht und damit die Tragfähigkeit/Festigkeit gesteigert werden.
- Durch die Oszillationsfrequenz/-Amplitude eines verschwenkbaren reflektierenden Elements (Umlenkspiegels) kann neben der Schweißnahtbreite auch die Einschweißtiefe variiert bzw. geregelt werden.
- Es ist eine Reglung der Schweißnahtbreite bzw. Scanbreite in Abhängigkeit der Schweißnahtform (Spaltbreite) möglich.

Claims

Vorrichtung zum Laserschweißen von Werkstücken, bei der mindestens ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl durch ein manuell von einem Bediener bewegbares Laserbearbeitungsgerät in den Fügebereich von Werkstücken gerichtet ist und am und/oder im Gehäuse mindestens ein Sensorelement, das zur Erfassung der Position der Schweißnahtfuge und der Position des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche ausgebildet ist, vorhanden ist und die mit dem/den Sensorelement(en) erfassten Positionssignale einer Regeleinrichtung zuführbar sind, wobei die Regeleinrichtung so ausgebildet ist, dass eine Auslenkung der Position des Brennflecks des mindestens einen Laserstrahls auf eine vorgegebene Position im Fügebereich der Werkstücke entlang eines vorgegebenen Schweißnahtverlaufs erreichbar ist und der Brennfleck bei seiner Vorschubbewegung entlang des vorgegebenen Schweißnahtverlaufs gleichzeitig zwischen zwei Umkehrpunkten sich hin und her bewegend, kreisförmig oder elliptisch auslenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Laserbearbeitungsgerät eine Einrichtung vorhanden ist, die zur Auslenkung des Laserstrahls in mindestens eine Achsrichtung ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Achsrichtung in einem Winkel von mindestens 10 ° in Bezug zur Richtung des Schweißnahtverlaufs an der jeweiligen Position des Brennflecks ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorelement zur optischen Detektion der Position eines Brennflecks eines Laserstrahls durch online Bildauswertung, mittels Lasertriangulation, mit einem taktilen Fühler, als mindestens ein Wirbelstromsensor oder mit einem optischen Detektor mit dem eine ortsaufgelöste Erfassung des von der Werkstückoberfläche zurück reflektierten Laserstrahls erreichbar ist, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Position des Brennflecks eines Laserstrahls mindestens ein bewegliches, insbesondere verschwenkbares reflektierendes Element und/oder mindestens ein verkippbares optischen Element, das zwei ebene in einem bestimmten Winkel zueinander geneigte oder parallel zueinander ausgerichtete ebene Oberflächen aufweist, durch das der Laserstrahl auf die Oberfläche der Werkstücke gerichtet ist, Bestandteil der Regeleinrichtung ist/sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein verkippbares optisches Element mit mindestens einem piezoelektrischen Element direkt oder über ein Hebelsystem verkippbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein System vorhanden ist, mit dem ein Bediener zusätzlich über generierte visuelle und/oder akustisch Signale über den Korrekturverlauf informierbar ist, wenn die Abweichungen der Position des Brennflecks eines Laserstrahls von einer vorgegebenen Position größer werden, als die Abweichungen, die durch die Regeleinrichtung automatisch ausgeglichen werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Laserbearbeitungsgerät mindestens ein optisches Element zur Strahlformung oder Strahlteilung vorhanden ist.