DE102018124313A1

DE102018124313A1 - Verfahren und Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE102018124313A1
Application number: DE102018124313.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Ziegler
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-04-02
Also published as: EP3860801A1; WO2020070195A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle (14) zwischen zwei Werkstücken (15) mit einem Laserstrahl (33) sowie eine Spannvorrichtung (11) zur Durchführung des Verfahrens, die zueinander positioniert werden, bei dem das erste Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des ersten Spannelementes (18) und ein zweites Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des zweiten Spannelementes (20) gehalten werden, wobei vor dem Beginn eines Laserschweißprozesses einem, mehreren oder jedem Spannelement (18, 20, 22) über einen Anschluss (27) ein Schutzgas zugeführt wird, welches durch einen Austrittsspalt (51) im Spannelement (18, 20, 22) in Richtung auf die Stoßstelle (14) ausgegeben wird, und nach der Bespülung der Stoßstelle (14) der zwei zu verschweißenden Werkstücke (15) mit Schutzgas der Laserschweißprozess gestartet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl, bei der die miteinander zu verschweißenden Werkstücke mit einer Spannvorrichtung positioniert werden, und ein erstes Werkzeug zwischen einem Grundblock der Spannvorrichtung und einer Spannfläche eines ersten Spannelementes der Spannvorrichtung sowie ein zweites Werkstück zwischen dem Grundblock und einer Spannfläche eines zweiten Spannelementes der Spannvorrichtung gehalten werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 10 2016 124 353 B3 ist ein Laserschweißverfahren mit einer Spannvorrichtung bekannt, durch welche zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke während des Laserschweißprozesses gehalten werden. Die Spannvorrichtung umfasst eine Spannplatte, an deren Unterseite eine Gasleiteinrichtung vorgesehen ist, durch welche Gas in einzelne Bereiche den zu verschweißenden Werkstücken zugeführt werden kann. Dadurch soll ein beim Schweißen entstehendes Plasma gezielt abgeführt werden, um die Prozessstabilität zu gewährleisten.
Ein solches Verfahren weist den Nachteil auf, dass in einzelne Bereiche das Gas nicht oder nicht hinreichend zugeführt wird. Es kann zu Oxidationen kommen, die optisch sichtbar sind und das hergestellte Bauteil beeinträchtigen. Zudem kann keine hinreichende Kühlung erzielt werden, wodurch sich nahe der Schweißstelle Anlassfarben bilden.
Aus der DE 10 2012 102 820 A1 ist ein Spannmodul für eine Spannvorrichtung zum Spannen von Blechbauteilen bekannt, welche mittels einem Schweißprozess zu einem Bauteil verbunden werden. Durch diese Spannvorrichtung können einzelne Blechbauteile exakt zueinander ausgerichtet und positioniert werden. Durch den modularen Aufbau können vielfältige Schweißaufgaben gelöst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl bereitzustellen, wodurch eine hohe Schweißqualität erzielt und insbesondere sichtbare Oxidationen verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht gelöst, bei welchem vor dem Beginn eines Laserschweißprozesses mit dem Laserstrahl einem, mehreren oder jedem Spannelement über zumindest einen Anschluss ein Schutzgas zugeführt wird, welches durch einen Austrittsspalt im Spannelement in Richtung auf die Schweißstelle ausgegeben und nach der Bespülung der Stoßstelle der zwei zu verschweißenden Werkstücke mit dem Schutzgas der Laserschweißprozess gestartet wird. Bevorzugt wird die Bespülung der Stoßstelle mit Schutzgas während des gesamten Laserschweißprozesses aufrechterhalten. Die Bespülung kann auch mit einem Nachlauf nach dem Ende des Schweißprozesses betrieben werden. Durch das Zuführen des Schutzgases über einen Austrittsspalt im Spannelement wird über eine Länge der zu bildenden Schweißnaht gleichmäßig ein Schutzgasstrom ausgegeben, wodurch die Stoßstelle entlang der Schweißnaht gegenüber Sauerstoff abgeschlossen wird. Dadurch wird verhindert, dass während der Herstellung der Schweißnaht Sauerstoff an die Stoßstelle gelangt. Gleichzeitig kann eine hinreichende Kühlung an der Schweißstelle erzielt werden, um die Bildung von Anlassfarben zu verhindern.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass Spannelemente benachbart zur Stoßstelle der zu verbindenden Werkstücke ausgerichtet werden und der Austrittsspalt am Spannelement für das Schutzgas gegenüber der Stoßstelle zurückversetzt ist und dadurch zwischen dem Austrittsspalt am Spannelement und der Stoßstelle der Werkstücke ein Spülkanal gebildet wird. Durch eine weitere Umlenkung zwischen dem Austrittsspalt und dem Spülkanal kann die Strömung weiter laminiert werden. Der Spülkanal ist zur Stoßstelle ausgerichtet, sodass über die gesamte Länge der Schweißnaht ein Schutzgasmantel oder Schutzgasvorhang gebildet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Spülkanal, der zwischen dem Spannelement und dem Werkstück gebildet wird, gleich lang oder länger als die Schweißnaht ausgebildet wird. Durch die Länge des Spülkanals, welcher sich zumindest über die gesamte Länge der Schweißnaht hinaus erstreckt, wird auch sichergestellt, dass am Beginn und am Ende der Schweißnaht eine Schutzgasumhüllung gebildet wird, um Oxidationen zu vermeiden und eine Kühlung zu erzielen.
Des Weiteren wird bevorzugt zumindest ein in dem Spannelement vorgesehener Austrittskanal, der in den Austrittsspalt mündet, in einem Winkel von kleiner 90° ausgerichtet. Bevorzugt ist die Strömungsrichtung des Austrittskanals in einem Winkel von kleiner 90° zur Spannfläche des Spannelementes ausgerichtet. Dadurch erfolgt die Zuströmrichtung des Schutzgases von dem Austrittskanal in Richtung auf die Stoßstelle, wodurch ein strömungsgünstiger Austritt des Schutzgases erzielt werden kann. Zudem wird bevorzugt auch eine Umlenkung zwischen der Austrittsrichtung des Austrittskanals zum Spülkanal für den Schutzgasstrom eingestellt, um die Bildung einer laminaren Strömung in dem Spülkanal sicherzustellen, aus welchem die Schutzgasströme zur Stoßstelle austreten.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Spannelemente in der jeweiligen Spannposition zum Grundblock derart zueinander angeordnet und ausgerichtet, dass diese oberhalb der Stoßstelle einen gemeinsamen Spülkanal bilden. Bevorzugt ist der Winkel zwischen diesem gemeinsamen Spülkanal und dem zwischen Spannelement und Werkstück gebildeten Spülkanal größer als 90°. Jedes Spannelement ist benachbart zur Stoßstelle in einer Spannposition positioniert, wodurch die jeweiligen Spülkanäle aufeinander zuweisen. Die Strömungen aus den Spülkanälen treffen oberhalb der Stoßstelle aufeinander. Durch den oberhalb der Stoßstelle gebildeten gemeinsamen Spülkanal ist eine verbesserte Schutzgasumspülung der Oberseite der Stoßstelle ermöglicht, da durch den gemeinsamen Spülkanal die Schutzgasströme an der Oberseite weiter gesammelt und komprimiert werden, wodurch ein verbesserter Schutzgasmantel bezüglich der Stoßstelle ermöglicht ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl gelöst, welche einen Grundblock zur Anlage von zumindest zwei Werkstücken umfasst sowie zumindest zwei Spannelemente, wobei jedes Spannelement benachbart zur Stoßstelle der Werkstücke ausgerichtet ist und das Werkstück zwischen dem Spannelement und dem Grundblock geklemmt gehalten ist und mit zumindest einem an dem Spannelement vorgesehenen Anschluss zum Zuführen von einem Schutzgas oder mehreren Schutzgasen oder einem Gemisch von Schutzgasen, wobei jedes Spannelement einen Austrittsspalt zur Ausgabe des Schutzgases oder des Schutzgasstromes zur Stoßstelle der Werkstücke aufweist. Durch solche Spannelemente kann eine gleichmäßige Strömung über eine gesamte Länge der Schweißnaht der Stoßstelle der zu verschweißenden Werkstücke zugeführt werden, sodass das zugeführte Schutzgas die Stoßstelle im Wesentlichen vollständig umhüllt. Durch den Sauerstoffausschluss an der Schweißnaht kann die Bildung einer Oxidation verhindert sein.
Vorteilhafterweise ist der Austrittsspalt an die Spannfläche angrenzend vorgesehen. Dadurch kann unmittelbar und benachbart zur Stoßstelle die Zuführung des Schutzgases erfolgen und ein Spülkanal mit dem gespannten Werkstück gebildet sein.
Bevorzugt ist der Austrittsspalt in dem Spannelement für das Schutzgas über die gesamte Länge des Spannelementes ausgebildet. Bevorzugt ist die Spaltbreite des Austrittspaltes über die Länge des Austrittspaltes konstant. Vorteilhafterweise ist der Austrittsspalt seitlich durch jeweils einen Wandabschnitt des Spannelementes begrenzt. Dadurch kann entlang der gesamten Länge der Schweißnaht eine laminare Strömung des Schutzgases austreten und auch eine gleichmäßige Kühlung über die gesamte Länge der Schweißnaht ermöglicht werden.
Vorteilhafterweise ist in jedem Spannelement zwischen dem zumindest einen Anschluss zum Zuführen des Schutzgases und dem Austrittsspalt ein Labyrinth aus mehreren aneinandergereihten Kanalabschnitten ausgebildet. Durch diese Anordnung wird innerhalb des Labyrinths ein Gegendruck während dem Zuführen des Schutzgases aufgebaut. Dadurch kann auch ein zunächst punktuelles oder durch mehrere Einzelströme zugeführtes Schutzgas geglättet werden, um eine laminare Strömung zumindest kurz vor dem Austrittspalt zu erzielen. Bevorzugt ist zumindest eine Umlenkung des Schutzgasstromes um 90° und darauffolgend eine Umlenkung um 45° oder kleiner vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Spannelementes sieht vor, dass sich an den Anschluss zur Zuführung des Schutzgases zumindest eine Bohrung im Spannelement anschließt, welche mehrere Einzelbohrungen umfasst, die in den zumindest einen Kanalabschnitt des Labyrinths oder einer Verteilerkammer münden. Dadurch kann unmittelbar nach dem Zuführen des Schutzgases durch den Anschluss bereits eine erste Aufteilung des Schutzgases über mehrere Einzelströme in einen Kanalabschnitt erfolgen.
Bevorzugt münden die Einzelbohrungen, welche bevorzugt gleichmäßig verteilt über die Länge der Verteilerkammer vorgesehen sind, in der Verteilerkammer, bevor diese Verteilerkammer in den zumindest einen Kanalabschnitt übergeht. Diese Verteilerkammer weist einen gegenüber der Summe der Einzelbohrungen vergrößerten Querschnitt auf, sodass darin Verwirbelungen erzeugt werden, um ein weitestgehend gleichmäßiges Füllen der Verteilerkammer mit Schutzgas zu erzielen.
Die Verteilerkammer und/oder der zumindest eine Kanalabschnitt weisen bevorzugt eine Länge auf, die im Wesentlichen der Länge des Austrittsspaltes entspricht oder gleich ist. Damit wird bereits unmittelbar nach der Zuführung des Schutzgases in das Spannelement eine Aufteilung des Schutzgases innerhalb des Spannelementes ermöglicht.
Vorteilhafterweise schließt sich an die Verteilerkammer zumindest ein erster Kanalabschnitt an, der das in der Verteilerkammer zugeführte Schutzgas umlenkt. Dadurch wird die zugeführte Strömung des Schutzgases aufgestaut beziehungsweise es findet eine Verwirbelung statt, um eine laminare Strömung zu erzeugen.
Vorteilhafterweise ist in der Verteilerkammer ein Diffusor vorgesehen. Dieser Diffusor kann aus einem gewebeförmigen Material, einem Filz oder dergleichen bestehen. Dieser Diffusor begünstigt eine Durchmischung der Einzelströme des Schutzgases, welche durch die Einzelbohrungen in die Verteilerkammer gelangen.
Des Weiteren schließt sich bevorzugt an den ersten Kanalabschnitt zumindest ein Austrittskanal an, dessen Strömungsrichtung von der Strömungsrichtung des ersten Kanalabschnittes abweicht. Eine solche Anordnung, bestehend aus dem ersten Kanalabschnitt und einem Austrittskanal, bildet ein kurzes Labyrinth, welches bereits die Herstellung einer laminaren Strömung für den Austritt über den Austrittsspalt ermöglicht.
Bevorzugt ist zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem Austrittskanal zumindest ein weiterer Kanalabschnitt vorgesehen, der zu dem jeweils vorausgehenden Kanalabschnitt in Strömungsrichtung abweichend ausgerichtet ist. Bei mehreren Umlenkungen der Strömungsrichtung innerhalb der aufeinanderfolgenden Kanalabschnitte im Labyrinth kann eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten des Schutzgases im Austrittsspalt erzielt werden.
Das Spannelement weist bevorzugt an die Spannfläche angrenzend den Austrittsspalt auf. Der in den Austrittsspalt mündende Austrittskanal ist bevorzugt in einem Winkel von weniger als 90° zur Spannfläche des Spannelements ausgerichtet. Dadurch kann eine weitere Umlenkung des Schutzgases nach Austritt aus dem Austrittsspalt bis zur Stoßstelle erzielt werden. Bevorzugt ist der Winkel zwischen dem Austrittskanal und der Spannfläche kleiner 60°. Insbesondere liegt dieser bei 45°. Dadurch kann gleichzeitig auch noch eine hinreichende hohe Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist das Spannelement aus einem Spannblock und einem Kühlblock gebildet, wobei zwischen dem Spannblock und dem Kühlblock der Austrittsspalt gebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung eines sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Spannelementes erstreckenden Austrittsspalts sowie des zumindest einen zum Austrittspalt führenden Kanalabschnitt und/oder Austrittskanal. Somit können zumindest ein Kanalwandabschnitt an dem Spannblock und der korrespondierende Kanalwandabschnitt am Kühlblock ausgebildet sein. Dadurch kann ein innenliegendes Labyrinth geschaffen werden, bei dem mehrere Umlenkungen in der Strömungsrichtung vorgesehen sein können.
Des Weiteren ist bevorzugt an dem Kühlblock ein erster Wandabschnitt vorgesehen, der gegenüber der Spannfläche am Spannblock zurückversetzt ist und der an den Austrittsspalt angrenzt, sodass in einer Spannposition des Spannelementes mit dem Werkstück ein sich an den Austrittskanal anschließender Spülkanal gebildet ist. Der Spülkanal erstreckt sich über die Länge der Schweißnaht oder darüber hinaus. Dadurch kann ein Schutzgasvorhang der Stoßstelle zur oxidationsfreien Bildung der Schweißnaht zugeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Spannelementes sieht an dem Kühlblock einen sich an den ersten Wandabschnitt anschließenden zweiten Wandabschnitt vor, der in einer Spannposition mit einem gegenüberliegenden Spannelement einen gemeinsamen Spülkanal bildet. Dieser gemeinsame Spülkanal liegt oberhalb der Stoßstelle. Der Grundblock mit den daran angrenzenden Spannelementen ist unterhalb der Stoßstelle angeordnet. Die jeweiligen Spülkanäle zwischen dem Grundblock und dem ersten und zweiten Spannelement gehen im Bereich der Stoßstelle in den gemeinsamen Spülkanal über. Dadurch kann die Schutzgasumhüllung der Stoßstelle weiter verbessert werden.
Der Kühlblock ist bevorzugt lösbar mit dem Spannblock, insbesondere durch eine Verschraubung, verbunden. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Labyrinths sowie eine schnelle und vereinfachte Montage. Zudem kann der Kühlblock auch in einfacher Weise nach einer Beschädigung oder einem möglichen Verschleiß ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise ist ein Abstand zwischen dem Kühlblock und dem Spannblock veränderbar. Dadurch können eine Breite eines Kanalabschnitts und/oder die Breite des Spülkanals einstellbar sein. Dies ermöglicht eine individuelle Anpassung des austretenden Schutzgasstromes an die zu verschweißenden Werkstücke und die daraus resultierenden Schweißparameter.
Des Weiteren ist bevorzugt der Spannblock aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, und der Kühlblock aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere Kupfer, hergestellt. Diese Kombination weist auch den Vorteil einer kostengünstigen Herstellung von solchen Spannelementen auf. Bevorzugt ist ein wärmeleitfähiges Material für den Kühlblock aus Kupfer vorgesehen, da Kupfer ein hochreflektives Material ist und gegenüber Laserstrahlung, insbesondere gegenüber NIR (near-infrared)-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge > 1 µm, unempfindlicher als andere Materialien ist..
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der in dem Spannelement vorgesehene Arbeitsspalt entlang seiner gesamten Länge abgewinkelt ist. Der Arbeitsspalt kann beispielsweise um einen Winkel von 90° abgewinkelt sein. Das Spannelement kann somit als ein sogenanntes Eckspannelement ausgebildet sein, bei welchem ein Eckbereich beispielsweise aus drei zueinander ausgerichteten Werkstücken miteinander verschweißt werden kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht auf eine Spannvorrichtung,
2 eine schematische Ansicht von oben auf die Spannvorrichtung gemäß 1,
3 eine schematische Schnittansicht der Spannvorrichtung entlang der Linie II-II in 2,
4 eine schematisch vergrößerte Ansicht eines Spannelementes in einer Spannposition mit einem Werkstück zum Grundblock der Spannvorrichtung,
5 eine schematische Ansicht auf einen Spannblock des Spannelementes,
6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie V-V in 5,
7 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Spannvorrichtung zu 1,
8 eine schematische Schnittansicht der Spannvorrichtung gemäß 7,
9 eine schematisch vergrößerte Ansicht der Spannvorrichtung gemäß 7 im Bereich der Stoßstelle von zwei Werkstücken, und
10 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Spannelemente zum Verschweißen von Werkstücken unter Bildung eines Eckbereiches.

In 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung 11 zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle 14 zwischen zwei Werkstücken 15 dargestellt. Die 2 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf die Spannvorrichtung 11 gemäß 1. Diese Spannvorrichtung 11 umfasst einen Grundblock 17 sowie zwei Spannelemente 18, 20. Die Spannvorrichtung 11 kann auch abweichend zur 1 aus mehreren Grundblöcken und/oder mehreren Spannelementen bestehen. An dem Grundblock 17 ist eine Auflagefläche 19 vorgesehen, um die zu verschweißenden Werkstücke 15 aufzunehmen. Bevorzugt ist ein Halteelement 21 der Auflagefläche 19 zugeordnet. Dieses Halteelement 21 kann in Abhängigkeit der Größe der zu verschweißenden Werkstücke 15 zum Grundblock 17 einstellbar sein.
Die zu verschweißenden Werkstücke 15 sind bevorzugt aus einem plattenförmigen Material ausgebildet. Insbesondere sind Bleche vorgesehen.
In Abhängigkeit der Winkelanordnung der zu verschweißenden Werkstücke 15 sind die Aufnahmeflächen 19 zueinander ausgerichtet. Im Beispielsfall sind die Auflageflächen 19 am Grundblock 17 in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet.
Nach dem Auflegen der Werkstücke 15 auf den Grundblock 17 werden die Spannelemente 18, 20 zur Stoßstelle 14 positioniert und ausgerichtet. Zur passgenauen Anlage der Spannelemente 18, 20 sind Fixierelemente 23 vorgesehen. Die Spannelemente 18, 20 und der Grundblock 17 der Spannvorrichtung 11 sind derart ausgebildet, dass diese gleichlang oder länger als die Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 sind, an welcher die Schweißnaht ausgebildet ist.
Die Spannelemente 18, 20 sind im Aufbau gleich ausgebildet und symmetrisch zur Stoßstelle 14 ausgerichtet. Die Spannelemente 18, 20 sind an dem Grundblock 17 in einer Spannposition 25 angeordnet. Das Spannelement 18, 20 weist zumindest einen Anschluss 27 zur Zuführung eines Schutzgases auf. Dieses Schutzgas wird in dem Spannelement 18, 20 umgelenkt und der Stoßstelle 14 zugeführt. Das Spannelement 18, 20 umfasst einen Spannblock 28 sowie einen Kühlblock 29. Der Kühlblock 29 und der Spannblock 28 sind vorzugsweise zueinander lösbar ausgebildet. Insbesondere ist eine Verschraubung 31 vorgesehen.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in 2 dargestellt. Die Werkstücke 15 sind im Bereich der Stoßstelle 14 teilweise überlappend einander zugeordnet. Nach Einnahme der Spannposition 25 der Spannelemente 18, 20 wird die Stoßstelle 14 mit Schutzgas umströmt oder umhüllt. Nach der Bildung einer Schutzgasumhüllung an der Stoßstelle 14 wird ein Laserstrahl 33 auf die Stoßstelle 14 gerichtet. Ein Verfahrweg entlang der Stoßstelle 14 bestimmt die Länge der Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken 15. Der Laserstrahl 33 wird über einen Bearbeitungskopf 34, insbesondere eine Optik, ausgegeben und bezüglich der Stoßstelle 14 fokussiert. Dieser Bearbeitungskopf 34 ist Teil einer nicht näher dargestellten Laserbearbeitungsmaschine. Der Bearbeitungskopf 34 kann sowohl über ein Ein- oder Mehrachsenlinearsystem geführt werden als auch durch eine ein- oder mehrachsige Roboter-Handhabungseinrichtung. Die Ausrichtung des Laserstrahls 33 bezüglich seiner Strahlachse zur Stoßstelle 14 kann anwendungsspezifisch eingestellt werden.
In 4 ist eine schematisch vergrößerte Ansicht von nur einem Spannelement 18, 20 in der Spannposition 25 dargestellt. Zwischen dem Grundblock 17 und einer Spannfläche 36 des Spannelementes 18, 20 ist das erste Werkstück 15 geklemmt gehalten. Analoges gilt für das zweite Werkstück 15. Das zweite Spannelement 18, 20 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Spannfläche 36 ist bevorzugt an dem Spannblock 28 vorgesehen. In dem Spannelement 18, 20 ist bevorzugt ein Labyrinth 38 aus Kanalabschnitten 41, 42, 43, 45 gebildet, durch welche das Schutzgas von dem Anschluss 27 bis zum Austrittsspalt 51 geführt ist.
Ausgehend von dem Anschluss 27 erfolgt eine Bohrung 53, wie diese in 3 dargestellt ist. Von dieser Bohrung 53 zweigen mehrere Einzelbohrungen 54 ab und münden in einer Verteilerkammer 55. Diese Verteilerkammer 55 steht mit einem ersten Kanalabschnitt 41 in Verbindung. Diese bewirkt bevorzugt eine 90° Umlenkung des Schutzgasstroms. Gemäß 4 schließt sich daran ein zweiter Kanalabschnitt 42 an, der in Strömungsrichtung abweichend zum ersten Kanalabschnitt 41 ausgerichtet ist. Beispielsweise ist ein dritter Kanalabschnitt 43 vorgesehen, der in der Strömungsrichtung bevorzugt abweichend zum vorausgehenden Kanalabschnitt 42 ausgerichtet ist. Der dritte Kanalabschnitt 43 geht in einen Austrittskanal 45 über. Der Austrittskanal 45 mündet in den Austrittsspalt 51. Die in 4 gezeigte Anzahl der Kanalabschnitte und die Ausrichtung der einzelnen Kanalabschnitte zueinander sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die Kanalabschnitte 41, 42, 43 und der Austrittskanal 45 sind jeweils voneinander abweichend ausgerichtet und durch eine strömungsgünstige Umlenkung miteinander verbunden.
Durch die über die Länge der Verteilerkammer 55 vorzugsweise gleichmäßig verteilten Einzelbohrungen 54, wie dies aus 5 hervorgeht, strömt das Schutzgas in die Verteilerkammer 55. Dabei entstehen Verwirbelungen und eine erste Verteilung des Schutzgases in der Verteilerkammer 55. Darauffolgend strömt das Schutzgas in den ersten Kanalabschnitt 41. Durch die Umlenkung erfolgt ein Gegendruck, wodurch eine Glättung der Verwirbelungen erzielt wird, sodass die Verwirbelungen reduziert werden. Durch die zumindest eine weitere Umlenkung in den Austrittskanal 45 wird eine laminare Strömung des Schutzgases erzielt, bevor dieses über den Austrittsspalt 51 austritt. Bevorzugt sind mehrere Kanalabschnitte 41, 42, 43 vorgesehen, um eine möglichst gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit entlang des Labyrinths 38 zu erzielen, sodass der Schutzgasstrom im Wesentlichen gleichförmig an dem Austrittsspalt 51 austritt.
Zwischen dem Spannelement 18 und dem Werkstück 15 ist an den Austrittskanal 45 angrenzend ein Spülkanal 57 ausgebildet. Dieser endet an oder nahe der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15. Bevorzugt ist der Kühlblock 29 mit einem ersten Wandabschnitt 58 gegenüber der Spannfläche 36 zurückversetzt, um den Spülkanal 57 zu bilden.
Der Austrittskanal 45 ist beispielsweise in einem Winkel von 45° zur Spannfläche 36 ausgerichtet. Dadurch ist zwischen dem Austrittskanal 45 und dem Spülkanal 57 eine zusätzliche Umlenkung zur weiteren Vergleichmäßigung des Schutzgasstromes vorgesehen.
Der Kühlblock 29 und der Spannblock 28 sind bevorzugt in deren Position zueinander veränderbar, um die Breite des Spülspaltes 57 und/oder die Breite der Kanalabschnitte 41, 42, 43 und/oder des Austrittskanals 45 einzustellen.
In 5 ist eine schematische Ansicht auf den Spannblock 28 mit einem abgenommenen Kühlblock 29 dargestellt. Die 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 5. 5 illustriert die Breite des Austrittsspaltes 51 anhand eines Pfeils 52. Die seitlichen Wandabschnitte 61 begrenzen den Austrittsspalt 51 und insbesondere die Breite des Labyrinths 38. Durch die zweiteilige Anordnung des Spannelementes 18 kann in einfacher Weise eine Mehrfachumlenkung der Kanalabschnitte 41, 42, 43 und/oder Austrittskanals 45 herstellbar sein. In der Verteilerkammer 55 kann ein Diffusor eingesetzt sein. Dieser Diffusor kann aus einem Gewebe, einem Filz oder einem sonstigen maschenförmigen Gewebe oder dergleichen bestehen, um die in die Einzelbohrungen 54 gelangenden Einzelströmungen aufzulösen und gleichmäßig zu verteilen.
Zur Herstellung einer Schweißnaht an der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 werden zunächst die Werkstücke 15 durch die Spannvorrichtung 11 geklemmt gehalten. Darauffolgend wird über eine nicht näher dargestellte Fördereinrichtung Schutzgas den Anschlüssen 27 der Spannelemente 18, 20 zugeführt. Dieses Schutzgas verteilt sich innerhalb des Spannelementes 18 über die gesamte Länge der Verteilerkammer 55 oder des ersten Kanalabschnitts 41 und gelangt zum Austrittsspalt 51. Durch die Verteilerkammer 55 und/oder den zumindest einen Kanalabschnitt 41, 42, 43 und/oder den Austrittskanal 45 wird eine laminare Strömung erzeugt. Diese laminare Strömung gelangt über den Austrittsspalt 51 in den Spülkanal 57. Das Schutzgas tritt nahe der Stoßstelle 14 aus dem Spülkanal 57 aus, wodurch die Stoßstelle 14 von dem Schutzgas umgeben ist. Nach der Bildung der Umhüllung mittels Schutzgas wird der Laserschweißprozess gestartet. Ein Laserstrahl 33 wird auf die Stoßstelle 14 gerichtet. Durch eine Verfahrbewegung wird die Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken 15 eingebracht. Während des gesamten Schweißprozesses wird Schutzgas den Spannelementen 18, 20 zugeführt. Nach dem Einbringen der Schweißnaht wird die Schutzgaszuführung stillgesetzt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Schutzgaszuführung nach Einbringen der Schweißnaht noch für kurze Zeit zum Kühlen der Schweißnaht aufrechterhalten wird. Die Spannelemente 18 werden vom Grundblock 17 abgehoben, und das geschweißte Werkstück 15 wird entnommen.
In 7 ist eine alternative Ausführungsform der Spannvorrichtung 11 gemäß 1 dargestellt. In 8 ist eine schematische Schnittansicht der alternativen Spannvorrichtung 11 gemäß 7 dargestellt. In 9 ist eine vergrößerte, geschnittene Ansicht der Spannvorrichtung 11 im Bereich der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 dargestellt. Diese Spannvorrichtung 11 weist einen zusätzlichen gemeinsamen Spülkanal 66 auf, der in 9 vergrößert dargestellt ist.
Die Spannelemente, 20 18 weisen an den ersten Wandabschnitt 58 angrenzend einen weiteren Wandabschnitt 61 auf, der sich entgegengesetzt zum Grundblock 17 oberhalb der Stoßstelle 14 erstreckt. Nach Einnahme der Spannposition 25 der Spannelemente 18 kann der gemeinsame Spülkanal 66 oberhalb der Stoßstelle 14 ausgebildet sein, wie dies in 9 dargestellt ist. Die Wandabschnitte 61 können parallel zueinander ausgerichtet sein, wodurch ein gemeinsamer Spülkanal 66 mit einer gleichen Breite über dessen Höhe entsteht. Die Wandabschnitte 61 können auch geneigt zueinander ausgerichtet sein, sodass diese sich gegenüber der Stoßstelle 14 aufweiten oder verengen.
Bei dieser Ausführungsform der Spannelemente 18, 20 strömt das Schutzgas aus dem Austrittsspalt 51 aus und von jeder Seite entlang des Werkstücks 15 bis zur Stoßstelle 14. Anschließend wird das Schutzgas weiterhin in dem gemeinsamen Spülkanal 66 gesammelt. Dadurch wird die Umhüllung der Stoßstelle 14 mit Schutzgas verbessert. Durch diesen gemeinsamen Spülkanal 66 wird eine Art Kamineffekt erzielt. Dies ermöglicht eine verbesserte Abkühlung einerseits und eine verbesserte Abschirmung gegenüber Sauerstoff an der Stoßstelle 14 andererseits.
Bei Spannelementen 18, 20, welche den weiteren Wandabschnitt 61 aufweisen, kann eine Einfach- oder Zweifachumlenkung des Schutzgases innerhalb des Spannelements 18, 20 genügen, um eine laminare Strömung zu erzeugen. Das Labyrinth 38 kann vereinfacht ausgebildet sein.
Im Ausführungsbeispiel umfasst das Spannelement 18, 20 eine Verteilerkammer 55, an der sich ein erster Kanalabschnitt 41 und ein Austrittskanal 45 anschließt. Die weiteren Kanalabschnitte 42, 43 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Spannelemente 18, 20 können - müssen jedoch nicht - vorgesehen sein. Im Übrigen kann auf die vorbeschriebene Ausführungsform vollumfänglich Bezug genommen werden.
In 10 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Spannvorrichtung 11 zu 1 dargestellt. Diese Spannvorrichtung 11 umfasst beispielsweise drei Spannelemente 18, 20, 22. Der Aufbau der Spannelemente 18, 20, 22 in 10 entspricht dem der Spannelemente 18, 20 in 1. Abweichend sind diese Spannelemente 18, 20, 22 als E-ckelemente ausgebildet. Dabei erstreckt sich der Austrittsspalt 51 über einen Eckbereich von 90°. Durch die Zuordnung von drei Spannelementen 18, 20, 22 zu einem entsprechend ausgebildeten Grundblock 17 können drei Werkstücke 15 zueinander ausgerichtet werden, sodass eine erste, zweite und dritte Stoßstelle 14', 14", 14'" gebildet ist. Zur Herstellung einer Schweißnaht zur Bildung des Eckbereichs der Werkstücke 15 erfolgt die Zuführung von Schutzgas, wie zuvor beschrieben. Bei dieser Ausführungsform strömt das Schutzgas durch den Austrittskanal 45 sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer zweiten um 90° versetzten Richtung zur Stoßstelle 14' und 14" beziehungsweise 14" und 14'" beziehungsweise 14' und 14'" aus. Zur Herstellung der Schweißnaht wird der Laserstrahl 33 zunächst von einer Startposition 71 auf die Eckbereiche verfahren, darauffolgend von einer Startposition 72 und des Weiteren von einer Startposition 73 jeweils zur Ecke verfahren.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle 14 zwischen zwei oder mehreren Werkstücken 15 eignet sich insbesondere bei der Herstellung von Gegenständen aus Stahl oder Edelstahl für die Nahrungsmittelindustrie, welche eine besondere Anforderung an die Gradfreiheit, Reinheit und/oder die hohe Qualität der Schweißnaht aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016124353 B3 [0002]
DE 102012102820 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle (14) zwischen zwei Werkstücken (15) mit einem Laserstrahl (33), - bei dem die zueinander zu verschweißenden Werkstücke (15) mit einer Spannvorrichtung (11), welche mehrere Spannelemente (18, 20, 22) und zumindest einen Grundblock (17) umfasst, zueinander positioniert werden, - bei dem das erste Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des ersten Spannelementes (18) und ein zweites Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des zweiten Spannelementes (20) gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, - dass vor dem Beginn eines Laserschweißprozesses einem, mehreren oder jedem Spannelement (18, 20, 22) über einen Anschluss (27) ein Schutzgas zugeführt wird, welches durch einen Austrittsspalt (51) im Spannelement (18, 20, 22) in Richtung auf die Stoßstelle (14) ausgegeben wird, und - dass nach der Bespülung der Stoßstelle (14) der zwei zu verschweißenden Werkstücke (15) mit Schutzgas der Laserschweißprozess gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (18, 20, 22) benachbart zur Stoßstelle (14) der zu verschweißenden Werkstücke (15) ausgerichtet werden und der Austrittsspalt (51) des jeweiligen Spannelementes (18, 20) für das Schutzgas gegenüber der Stoßstelle (14) der Werkstücke (15) zurückversetzt und zwischen dem Austrittsspalt (51) und der Stoßstelle (14) ein Spülkanal (57) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülkanal (57), der zwischen dem Spannelement (18, 20, 22) und dem Werkstück (15) gebildet wird, gleich lang oder länger als die zu bildende Schweißnaht an der Stoßstelle (14) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein in dem Spannelement (18, 20, 22) vorgesehener Austrittskanal (45) in den Austrittsspalt (51) mündet, der in einem Winkel kleiner 90° zur Spannfläche (36) des Spannelementes (18, 20, 22) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Stoßstelle (14) ausgerichteten Spannelemente (18, 20, 22) oberhalb der Stoßstelle (14) und dem Grundblock (17) gegenüberliegend einen gemeinsamen Spülkanal (66) bilden, der mit den zumindest zwei Spülkanälen (57) in Verbindung steht und mit jeweils einem Schutzgasstrom aus den zumindest zwei Spülkanälen (57) gefüllt wird.
Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle (14) zwischen zwei Werkstücken (15) mit zumindest einem Laserstrahl (33), - mit zumindest einem Grundblock (17) zur Anlage von wenigstens zwei Werkstücken (15), - mit zumindest zwei Spannelementen (18, 20, 22), wobei jedes Spannelement (18, 20, 22) benachbart zur Stoßstelle (14) der Werkstücke (15) ausgerichtet und das Werkstück (15) zwischen dem Spannelement (18) und dem zumindest einen Grundblock (17) geklemmt gehalten ist, und - mit zumindest einem am Spannelement (18, 20, 22) vorgesehenen Anschluss (27) zum Zuführen von Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, - dass das Spannelement (18, 20, 22) einen Austrittsspalt (51) zur Ausgabe eines Schutzgasstromes zur Stoßstelle (14) aufweist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsspalt (51) an einer Spannfläche (36) des Spannelementes (18, 20, 22) angrenzend vorgesehen ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsspalt (51) sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Spannelementes (18, 20, 22) erstreckt und vorzugsweise über die gesamte Länge eine konstante Spaltbreite aufweist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spannelement (18, 20, 22) zwischen dem zumindest einen Anschluss (27) für das Schutzgas und dem Austrittsspalt (51) ein Labyrinth (38) aus mehreren aneinandergereihten Kanalabschnitten (41, 42, 43, 45) ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den zumindest einen Anschluss (27) eine Bohrung (53) anschließt, von welcher vorzugsweise mehrere Einzelbohrungen (54) abzweigen, die in einer Verteilerkammer (55) oder in den ersten Kanalabschnitt (41) münden.
Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbohrungen (54), vorzugsweise gleichmäßig, verteilt über die Länge der Verteilerkammer (55) oder des ersten Kanalabschnitts (41) ausgerichtet sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anschluss (27) und dem ersten Kanalabschnitt (41) die Verteilerkammer (55) vorgesehen ist, an welcher sich der erste Kanalabschnitt (41) anschließt, und der erste Kanalabschnitt (41) das in der Verteilerkammer (55) eingeströmte Schutzgas umlenkt.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verteilerkammer (55) ein Diffusor vorgesehen ist, insbesondere ein die Einzelströme des Schutzgases zerstreuendes Gewebe oder Filz.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ersten Kanalabschnitt (41) zumindest ein Austrittskanal (45) anschließt, dessen Strömungsrichtung von der Strömungsrichtung des ersten Kanalabschnitts (41) abweicht.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kanalabschnitt (41) und dem Austrittskanal (45) zumindest ein weiterer Kanalabschnitt (42, 43) vorgesehen ist, der zu dem jeweils vorausgehenden Kanalabschnitt (41, 42, 43) in der Strömungsrichtung abweichend ausgerichtet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsspalt (51) an die Spannfläche (36) des Spannelementes (18, 20, 22) angrenzend vorgesehen und ein in den Austrittsspalt (51) mündender Austrittskanal (45) in einem Winkel von kleiner 90°, bevorzugt kleiner 60°, insbesondere in einem Winkel von 45° oder kleiner, ausgerichtet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) aus einem Spannblock (28) und einem Kühlblock (29) gebildet ist und zwischen dem Spannblock (28) und dem Kühlblock (29) zumindest der Austrittsspalt (51) gebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Spannblock (28) und dem Kühlblock (29) das Labyrinth (38) aus mehreren Kanalabschnitten (41, 42, 43) und des Austrittskanals (45) erstreckt.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) einen ersten Wandabschnitt (58) aufweist, der gegenüber der Spannfläche (36) des Spannelementes (18) zurückversetzt ist und an den Austrittsspalt (51) angrenzt, sodass in einer Spannposition (25) des Spannelementes (18) mit dem Werkstück (15) ein Spülkanal (57) gebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) einen sich an den ersten Wandabschnitt (58) anschließenden zweiten Wandabschnitt (61) aufweist, der in einer Spannposition (25) zum Werkstück (15) mit dem gegenüberliegenden und gleich ausgebildeten Spannelement (18, 20, 22) einen weiteren gemeinsamen Spülkanal (66) bildet, der dem Grundblock (17) gegenüberliegend zur Stoßstelle (14) ausgerichtet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (29) lösbar mit dem Spannblock (28), insbesondere durch eine Verschraubung, verbunden ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (29) und der Spannblock (28) im Abstand zueinander veränderbar und die Breite des Spülkanals (57) und/oder des Austrittsspaltes (51) einstellbar ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannblock (28) aus Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminium, und der Kühlblock (29) aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere Kupfer, hergestellt ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsspalt (51) des Spannelementes (18, 20, 22) entlang seiner Gesamtlänge zumindest einmal abgewinkelt ausgebildet ist.