DE102020112212A1

DE102020112212A1 - Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff und automatisierte Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102020112212A1
Application number: DE102020112212.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Berndl; Alfons Soller
Original assignee: Applicationtechnology & Co KG GmbH; Laepple Automotive GmbH; Lapple Automotive GmbH
Current assignee: Applicationtechnology & Co KG GmbH; Laepple Automotive GmbH; Lapple Automotive GmbH
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff (5), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen eines Zusatzwerkstoffes (5) an einem anfänglichen Schweißpunkt (8), wobei sich der anfängliche Schweißpunkt (8) an zumindest einem Bauteil (12, 13) von zwei miteinander zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) befindet, Erzeugen eines auf den anfänglichen Schweißpunkt (8) ausgerichteten Laserstrahls (3), kontinuierliches Verschieben des auf den anfänglichen Schweißpunkt (8) ausgerichteten Laserstrahls relativ gegenüber den zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) und kontinuierliches Zuführen des Zusatzwerkstoffes (5) entlang einer Schweißlinie (10), die von dem anfänglichen Schweißpunkt (8) zu einem abschließenden Schweißpunkt (9) führt, sodass entlang der Schweißlinie (10) eine Schweißnaht (11) zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) erzeugt wird, wobei eine Laserleistung (P) des Laserstrahls (3) und/oder eine Zuführgeschwindigkeit (v) des Zusatzwerkstoffes (5) beim Verschieben des Laserstrahls (3) und Zuführen des Zusatzwerkstoffes (5) entlang der Schweißlinie (10) mittels eines Steuergeräts (6) erhöht und/oder gesenkt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine korrespondierende automatisierte Schweißvorrichtung (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff und eine automatisierte Schweißvorrichtung, die zur Ausführung dieses Verfahrens eingerichtet ist.
Das automatisierte Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff, etwa mittels Schweißrobotern, wird beispielsweise in der Automobilindustrie vielfach angewendet. Die 2 und 3 zeigen das automatisiertes Laserstrahlschweißen, wie es im Stand der Technik ausgeführt wird und in der später folgenden Beschreibung zu den Figuren erläutert wird. Dabei kommt es vor, dass an Schweißpunkten entlang einer Schweißlinie, insbesondere an einem Nahtanfang und einem Nahtende der mittels des Laserstrahlschweißens erzeugten Schweißnaht, Unregelmäßigkeiten und Fehler auftreten.
Als diesen Unregelmäßigkeiten und Fehlern zugrundeliegendes Problem haben die Erfinder ein kritisches Timing zwischen der Zuführung des Zusatzwerkstoffes und des Laserstrahlschweißens identifiziert. Die Zuführung des Zusatzwerkstoffes, auch infolge seiner mechanischen Förderung, ist am Nahtanfang und Nahtende schwer gegenüber dem praktisch sofort erzeugten Laserstrahl dosierbar. Die Zuführung des Zusatzwerkstoffes ist daher besonders zeitkritisch. Wenn das Timing nicht erfolgreich ist, kommt es daher oft zu Wurzeldurchhängen, Endkratern, Zusatzwerkstoff-Verklebungen oder gar Durchschüssen am Nahtanfang oder Nahtende der erzeugten Schweißnaht.
Derartige Unregelmäßigkeiten und Fehler in der Schweißnaht führen, insbesondere bei Aluminiumbauteilen, zur Reduzierung der Betriebsfestigkeit. Unterliegen die zu verschweißenden Bauteile hohen Anforderungen an die Betriebsfestigkeit und die Steifigkeit, müssen diese Unregelmäßigkeiten und Fehler nachgearbeitet werden. Dies ist beispielsweise bei crashrelevanten Bauteilen im Automobilbereich regelmäßig der Fall und führt zu erhöhten Fertigungskosten und -zeiten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und schnelles Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff bereitzustellen, das eine Schweißnaht ohne Unregelmäßigkeiten und Fehler oder zumindest mit geringeren Unregelmäßigkeiten und weniger Fehlern als aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren erzeugt.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine automatisierte Schweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen automatisierten Schweißvorrichtung sowie umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

(a) Zuführen eines Zusatzwerkstoffes an einem anfänglichen Schweißpunkt, wobei sich der anfängliche Schweißpunkt an zumindest einem Bauteil von zwei miteinander zu verschweißenden Bauteilen befindet,
(b) Erzeugen eines auf den anfänglichen Schweißpunkt ausgerichteten Laserstrahles,
(c) Kontinuierliches Verschieben des auf den anfänglichen Schweißpunkt ausgerichteten Laserstrahls relativ gegenüber den zu verschweißenden Bauteilen und kontinuierliches Zuführen des Zusatzwerkstoffes entlang einer Schweißlinie, die von dem anfänglichen Schweißpunkt zu einem abschließenden Schweißpunkt führt, sodass entlang der Schweißlinie eine Schweißnaht zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Bauteilen erzeugt wird, wobei eine Laserleistung des Laserstrahls und/oder eine Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes beim Verschieben des Laserstrahls und beim Zuführen des Zusatzwerkstoffes entlang der Schweißlinie mittels eines Steuergeräts erhöht und/oder gesenkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demgemäß vor, dass die Laserleistung, die Zuführgeschwindigkeit oder beides erhöht, gesenkt oder während einer Zeitspanne erhöht und während einer anderen Zeitspanne gesenkt wird. Dem liegt die Erkenntnis der Erfinder zugrunde, dass durch das schrittweise Erhöhen oder Senken entweder der Laserleistung oder der Zuführgeschwindigkeit das Timing der Zuführung des Zusatzwerkstoffes gegenüber dem Erzeugen des Laserstrahls verbessert werden kann, sodass Unregelmäßigkeiten und Fehler vermieden werden können.
So kann beispielsweise an dem anfänglichen Schweißpunkt der Schweißlinie, oder mit anderen Worten am Nahtanfang der Schweißnaht, die Laserleistung, die Zuführgeschwindigkeit oder beides erhöht werden, um nicht sofort die volle Laserleistung und/oder Zuführgeschwindigkeit bereitzustellen, sondern die Laserleistung und die Zuführgeschwindigkeit relativ zueinander zu timen. Dadurch wird eine Art Rampe erzeugt, die verhindert, dass gleich am anfänglichen Schweißpunkt etwa zu wenig Zusatzwerkstoff relativ gegenüber der bereitgestellten Laserleistung zur Verfügung steht und es zu einem Durchschuss kommt, oder dass zu viel Zusatzwerkstoff relativ gegenüber der bereitgestellten Laserleistung zur Verfügung steht und es zu einer Zusatzwerkstoff-Verklebung kommt.
Analoges Beispiel gilt für den abschließenden Schweißpunkt der Schweißlinie, oder mit anderen Worten am Nahtende der Schweißnaht, wobei hier die Laserleistung, die Zuführgeschwindigkeit oder beides schrittweise gesenkt wird.
Die Erhöhung und/oder Senkung der Laserleistung und/oder Zuführgeschwindigkeit erfolgt mittels eines dafür eingerichteten Steuergeräts. In dem Steuergerät kann eine entsprechende Steuerfunktion hinterlegt sein. Da das Steuergerät das Erhöhen und/oder Senken ausführt, kann dieser Vorgang auch als kontrolliert oder gesteuert bezeichnet werden. Insoweit unterscheidet sich dieser bewusst gewollte Vorgang des Erhöhens und/oder Senkens von einem technisch bedingten Erhöhen und/oder Senken beim Erzeugen des Laserstrahls und Zuführen des Zusatzwerkstoffes, das womöglich nicht schlagartig, wie näherungsweise beobachtet wird, erfolgt.
Die Erhöhung und/oder Senkung der Laserleistung und/oder Zuführgeschwindigkeit kann schrittweise oder stufenweise erfolgen. Dass ein schrittweises oder stufenweises Erhöhen und/oder Senken erfolgt, bedeutet, dass die Laserleistung, die Zuführgeschwindigkeit oder beides in mehreren regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen erhöht und/oder gesenkt wird. Dadurch ergibt sich in einem Graphen, in dem auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit abgetragen ist, eine ansteigende oder absteigende Rampe. Die schrittweise oder stufenweise Erhöhung und/oder Senkung kann zwar theoretisch kontinuierlich, etwa anhand einer Steuerfunktion, die beispielsweise linear sein kann, erfolgen, aber aufgrund der realen Anwendung in einem Laserstrahlgerät, das die Laserleistung einstellt, und in einem Zusatzwerkstoffzuführgerät, das die Zuführgeschwindigkeit einstellt, ist dieser Prozess bei naher und mit bloßem Auge nicht erkennbarer Betrachtung diskontinuierlich und damit schrittweise oder stufenweise.
Dass das Laserstrahlschweißen automatisiert ist, bedeutet, dass es nicht manuell, sondern durch eine automatisierte Schweißvorrichtung, beispielsweise einen Schweißroboter, ausgeführt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Laserleistung des Laserstrahls und die Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes beim Verschieben des Laserstrahles und beim Zuführen des Zusatzwerkstoffes entlang der Schweißlinie simultan erhöht und/oder gesenkt werden. Dadurch kann das kritische Timing noch weiter verbessert werden, da durch das simultane Erhöhen oder Senken sowohl der Laserleistung als auch der Zuführgeschwindigkeit beide aufeinander abgestimmt werden.
Zudem kann vorgesehen sein, dass beim Erhöhen der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit eine Schweißgeschwindigkeit des Laserstrahlschweißens erhöht wird und/oder beim Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit die Schweißgeschwindigkeit gesenkt wird. Die Schweißgeschwindigkeit kann durch den durch das Verschieben zurückgelegten Weg des Laserstrahls entlang der Schweißlinie pro Zeiteinheit definiert werden. Durch das Anpassen der Schweißgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ gegenüber dem Erhöhen oder Senken der Laserleistung oder Zuführgeschwindigkeit wird erreicht, dass die Schweißnaht trotz der Erhöhung oder Senkung sauber verarbeitet wird. So kann beispielsweise am anfänglichen Schweißpunkt die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden, da mit zunehmender Laserleistung und/oder Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes schneller geschweißt werden kann und am abschließenden Schweißpunkt die Schweißgeschwindigkeit gesenkt werden, um bei abnehmender Laserleistung und/oder Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes sicherzustellen, dass hinreichend Zusatzwerkstoff und Laserenergieeintrag pro Zeiteinheit bereitgestellt wird, sodass die Schweißnaht noch besser verarbeitet wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit einem linear approximierbaren zeitlichen Verlauf folgt. Mit anderen Worten kann das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit einen näherungsweisen linearen zeitlichen Verlauf aufweisen. Dass nur linear approximiert werden kann bzw. der Verlauf näherungsweise linear ist, hängt damit zusammen, dass das Verändern der Laserleistung und der Zuführgeschwindigkeit in der Realität technisch bedingt nicht kontinuierlich, sondern nur schrittweise bzw. diskontinuierlich erfolgt, auch wenn mit bloßem Auge ein kontinuierlicher Verlauf erkannt werden kann.
Auch kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit ab einem Mindestwert einer Laserleistung und/oder einem Mindestwert einer Zuführgeschwindigkeit erfolgt und/oder das Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit bis zu einem Mindestwert einer Laserleistung und/oder einem Mindestwert einer Zuführgeschwindigkeit erfolgt. Der Mindestwert kann für die Laserleistung beispielsweise zumindest so hoch gewählt werden, dass der Laserstrahl gerade in das zumindest eine Bauteil und/oder den Zusatzwerkstoff einkoppelt und nicht nur reflektiert. Ferner kann der Mindestwert für die Zuführgeschwindigkeit entsprechend auf diesen Mindestwert der Laserleistung angepasst gewählt werden. Es wird also vermieden, dass das schrittweise Erhöhen von einer Laserleistung und einer Zuführgeschwindigkeit von null bzw. einer nicht effektiven Höhe sowie das schrittweise Senken bis zu einer Laserleistung und einer Zuführgeschwindigkeit auf null bzw. auf eine nicht effektive Höhe erfolgt. Stattdessen erfolgt dies jeweils ab bzw. bis zum Mindestwert; so wird das Verfahren zeitlich abgekürzt und nur zum notwendigen zeitkritischen Zeitpunkt, an dem tatsächlich Fehler und Unregelmäßigkeiten gebildet werden könnten, das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit durchgeführt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit an dem anfänglichen Schweißpunkt erfolgt und/oder das schrittweise Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit an dem abschließenden Schweißpunkt endet. Der anfängliche und der abschließende Schweißpunkt haben sich als besonders kritisch hinsichtlich des kritischen Timings und der Bildung von Unregelmäßigkeiten und Fehlern erwiesen, sodass das erfindungsgemäße Verfahren an diesen Schweißpunkten besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, um eine Bildung von Unregelmäßigkeiten und Fehlern zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit entlang der Schweißlinie zwischen dem anfänglichen Schweißpunkt und dem abschließenden Schweißpunkt erfolgt. So kann die Schweißnaht entlang der gesamten Schweißlinie verbessert werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit an einem Schweißpunkt eines Formüberganges der Schweißlinie erfolgt. Ein Formübergang ist durch eine Änderung der Form der Schweißlinie gekennzeichnet. Beispielsweise kann die Schweißlinie an einem Formübergang von einer linearen Schweißlinie in eine zirkuläre Schweißlinie bzw. Rundung oder umgekehrt übergehen oder eine Knickstelle aufweisen. Bei derartigen Schweißpunkten von Formübergängen kann vorgesehen sein, die Schweißgeschwindigkeit zu senken oder zu erhöhen. Mittels des Verfahrens können so auch Unregelmäßigkeiten und Fehler an einer solchen Schweißnaht vermieden werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Amplitude und/oder eine Dauer der Erhöhung und/oder Senkung der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem Material der zu verschweißenden Bauteile und/oder einem Material des Zusatzwerkstoffes eingestellt wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass das Material hierbei ein wesentlicher Parameter ist und unterschiedliche Materialien entsprechend unterschiedliche Anforderungen stellen. Die Amplitude ist dabei die Höhe der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit, die schrittweise erhöht und/oder gesenkt werden. Die Dauer ist die Zeitperiode, während der die Erhöhung und/oder Senkung der Laserleistung und/oder der Zuführgeschwindigkeit erfolgt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch eine automatisierte Schweißvorrichtung, insbesondere einen Schweißroboter, mit einem Laserstrahlgerät, einem Zusatzwerkstoffzuführgerät und einem Steuergerät, wobei die automatisierte Schweißvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
Das Laserstrahlgerät kann einen Arbeitsbereich bzw. eine Bandbreite einer Laserleistung aufweisen, in dem/der diese variabel verändert werden kann. Das Zusatzwerkstoffzuführgerät kann ebenfalls einen Arbeitsbereich aufweisen, in dem die Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes variabel eingestellt werden kann.
Das Zusatzwerkstoffzuführgerät kann insbesondere ein Drahtvorschubgerät sein, wobei der Zusatzwerkstoff als ein Draht zugeführt bzw. vorgeschoben wird. Die Zuführgeschwindigkeit ist dann eine Vorschubgeschwindigkeit. Diese Art des mechanischen Vorschubs ist besonders schwer relativ gegenüber der Laserleistung einstellbar bzw. dosierbar, ist jedoch eine kostengünstige und damit oftmals bevorzugte Art, den Zusatzwerkstoff zuzuführen.
Insbesondere ist das Steuergerät derart eingerichtet, dass es das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, und ferner wie hierin beschrieben, ausführt bzw. das Laserstrahlgerät und das Zusatzwerkstoffzuführgerät entsprechend steuert.
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen automatisierten Schweißvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen automatisierten Schweißvorrichtung;
2 einen ein Laserstrahlschweißen gemäß dem Verfahren aus dem Stand der Technik repräsentierenden Graphen für die Schweißlinie aus 1 mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;
3 den Graphen aus 2 mit Ist-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;
4 einen ein Laserstrahlschweißen gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens repräsentierenden Graphen für die Schweißlinie aus 1 mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;
5 den Graphen aus 4 mit Ist-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;
6 eine gegenüber der 1 alternative Schweißlinie;
7 einen ein Laserstrahlschweißen gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens repräsentierenden Graphen für die Schweißlinie aus 6 mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;
8 den Graphen aus 7 mit Ist-Werten für Laserleistung und Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes;

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen automatisierten Schweißvorrichtung 1. Die automatisierte Schweißvorrichtung 1 weist ein Laserstrahlgerät 2, ein Zusatzwerkstoffzuführgerät 4 und ein Steuergerät 6 auf. Das Steuergerät 6 ist zur Steuerung des Laserstrahlgeräts 2 und des Zusatzwerkstoffzuführgeräts 4 mit diesen steuerungstechnisch gekoppelt.
Das Zusatzwerkstoffzuführgerät 4 ist vorliegend als ein Drahtvorschubgerät ausgebildet, wobei der Zusatzwerkstoff 5 in Drahtform zugeführt bzw. vorgeschoben wird.
Die automatisierte Schweißvorrichtung 1 in 1 ist im Schweißbetrieb gezeigt, bei dem zwei Bauteile 12, 13 miteinander verschweißt werden. Dazu sind die beiden Bauteile 12, 13 relativ aneinander angeordnet. Entlang einer Schweißlinie 10 zwischen den beiden Bauteilen 12, 13 verfährt ein Laserstrahl 3 des Laserstrahlgeräts 2, und mit diesem der Zusatzwerkstoff 5, der aus dem Zusatzwerkstoffzuführgerät 4 kontinuierlich zugeführt wird.
Das Laserstrahlschweißen erfolgt in einem Dampfkanal 7, der sich entlang der Schweißlinie 10 von einem anfänglichen Schweißpunkt 8 zu einem abschließenden Schweißpunkt 9 verschiebt. Das Verfahren bzw. Verschieben des Laserstrahls 3 und des Zusatzwerkstoffs 5 entlang der Schweißlinie 10 kann dabei durch ein entsprechendes Verfahren von Laserstrahlgerät 2 und Zusatzwerkstoffzuführgerät 4 und/oder der Bauteile 12, 13, beispielsweise auf einem verfahrbaren Träger, erfolgen. Der Abstand zwischen dem Laserfokus des Laserstrahlgeräts 2 und dem Schweißpunkt entlang der Schweißlinie 10 bleibt dabei bevorzugt gleich. Dadurch wird eine Schweißnaht 11 entlang der Schweißlinie 10 ausgebildet, die die beiden Bauteile 12, 13 betriebsfest zusammenhält.
Um den anfänglichen Schweißpunkt 8 und den abschließenden Schweißpunkt 9 fehlerfrei zu schweißen und einen Nahtanfang und ein Nahtende zu erzeugen, die hinsichtlich der Betriebsfestigkeit der Schweißnaht tadellos sind, kommt das im Folgenden anhand der 4 und 5 erläuterte Verfahren zum Einsatz. Zuvor wird das Verfahren gemäß dem Stand der Technik mit Verweis auf die 2 und 3 erläutert.
2 zeigt einen ein Laserstrahlschweißen gemäß dem Verfahren aus dem Stand der Technik repräsentierenden Graphen mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5. Dabei werden der Laserstrahl 3 und der Zusatzwerkstoff 5 an dem anfänglichen Schweißpunkt 8 aus 1 erzeugt bzw. zugeführt, entlang der Schweißlinie 10 und bis zu dem abschließenden Schweißpunkt 9 aus 1 geführt.
In dem Graphen der 2 sind die Soll-Werte für die Laserleistung P und die Zuführgeschwindigkeit v eingezeichnet. Dabei wird das Zuführen des Zusatzwerkstoffes 5 zum Zeitpunkt t_5,8 und damit vor dem Erzeugen des Laserstrahls 3 zum Zeitpunkt t_3,8 an dem anfänglichen Schweißpunkt 8 bewirkt, da das Zusatzwerkstoffzuführgerät 4 aufgrund seiner mechanischen Funktionsweise träge gegenüber dem Laserstrahlgerät 3 ist. Selbiges gilt für das Beenden des Laserstrahlschweißens an dem abschließenden Schweißpunkt 9, an dem das Zuführen des Zusatzwerkstoffes 5 zum Zeitpunkt t_5,9 und damit vor dem Ausschalten des Laserstrahls 3 zum Zeitpunkt t_3,9 an dem abschließenden Schweißpunkt 9 bewirkt wird. Zwischen dem anfänglichen Schweißpunkt 8 und dem abschließenden Schweißpunkt 9 der Schweißlinie 10 wird dabei eine konstante Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v bereitgestellt.
3 zeigt den Graphen aus 2 mit Ist-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5. Dieser Graph zeigt, dass aufgrund der obigen Maßnahmen des Initiierens des Zuführens des Zusatzwerkstoffes 5 vor dem Laserstrahl 3 und entsprechend auch des Beendens des Zuführens des Zusatzwerkstoffes 5 vor dem Ausschalten des Laserstrahles 3 die Anfangszeitpunkte t_5,8 und t_3,8 sowie die Endzeitpunkte t_5,9 und t_3,9 miteinander übereinstimmen. Dadurch wird vermieden, dass der Laserstrahl 3 am anfänglichen Schweißpunkt 8 und am abschließenden Schweißpunkt 9 ohne zugeführten Zusatzwerkstoff 5 arbeitet und dadurch Fehler in der Schweißnaht 11 erzeugt.
Nichtsdestotrotz kommt es bei diesem Verfahren gemäß dem Stand der Technik üblicherweise zu Fehlern in der Schweißnaht 11 am anfänglichen Schweißpunkt 8 und an dem abschließenden Schweißpunkt 9. Die Laserleistung P wird zum Zeitpunkt t_3,8 schlagartig in voller Höhe für das anschließende Laserstrahlschweißen entlang der Schweißlinie 10 bereitgestellt und zum Zeitpunkt t_3,9 von dieser Höhe schlagartig heruntergefahren. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiges Timing von Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v zu Unregelmäßigkeiten und Fehlern in der Schweißnaht 11 führt.
4 zeigt einen ein Laserstrahlschweißen gemäß eines ersten Ausführungsbei-spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens repräsentierenden Graphen für die Schweißlinie 10 aus 1 mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5.
5 zeigt den Graphen aus 4 mit Ist-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5.
Insoweit nutzt auch dieses Verfahren die oben bereits erläuterten Maßnahmen des Initiierens des Zuführens des Zusatzwerkstoffes 5 vor dem Laserstrahl 3 und entsprechend auch des Beendens des Zuführens des Zusatzwerkstoffes 5 vor dem Ausschalten des Laserstrahls 3, sodass die Anfangszeitpunkte t_5,8 und t_3,8 sowie die Endzeitpunkte t_5,9 und t_3,9 miteinander übereinstimmen.
Gegenüber dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik unterscheidet sich das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und wie in den 4 und 5 gezeigt jedoch darin, dass am anfänglichen Schweißpunkt 8 zu den Zeitpunkten t_3,8 und t_5,8 die Laserleistung P des Laserstrahls 3 und die Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5 von einem jeweiligen Mindestwert an und jeweils um einen Wert einer Amplitude A_3,8 und A_5,8 schrittweise erhöht werden. Ebenso werden am abschließenden Schweißpunkt 9 zu den Zeitpunkten t_3,9 und t_5,9 die Laserleistung P des Laserstrahls 3 und die Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5 bis zu einem jeweiligen Mindestwert an und jeweils um einen Wert einer Amplitude A_3,9 und A_5,9 schrittweise gesenkt.
Das schrittweise Erhöhen und Senken sind graphisch in Gestalt von Rampen mit linearem Verlauf gezeigt. Der Verlauf kann aber ebenso einen anderen Verlauf, beispielsweise einen quadratischen oder exponentiellen, aufweisen. Dadurch wird das Timing von Laserleistung P des Laserstrahls 3 auf Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5 verbessert, und Fehler und Unregelmäßigkeiten in der erzeugten Schweißnaht 11 werden vermieden.
6 zeigt eine gegenüber der 1 alternative Schweißlinie 10. Die Schweißlinie 10 weist gegenüber der Schweißlinie 10 aus 1 zwei weitere Schweißpunkte 14, 15 auf, an denen jeweils ein Formübergang vorliegt. Der Schweißpunkt am ersten Formübergang 14 führt von einer linearen Form in eine zirkuläre Form der Schweißlinie 10. Der Schweißpunkt am zweiten Formübergang 15 führt wiederum von einer zirkulären Form in eine lineare Form der Schweißlinie 10. Die Anzahl und Art der Schweißpunkte mit Formübergang sind hierbei jeweils nur beispielhaft gewählt.
7 zeigt nun einen ein Laserstrahlschweißen gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens repräsentierenden Graphen für die Schweißlinie 10 aus 5 mit gegenüber der Zeit abgetragenen Soll-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5.
8 zeigt den Graphen aus 7 mit Ist-Werten für Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v des Zusatzwerkstoffes 5.
Gegenüber dem Verfahren gemäß 4 und 5 unterscheidet sich das Verfahren gemäß der 7 und 8 dadurch, dass an dem Schweißpunkt an dem ersten Formübergang 14 ein Senken von Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v zu den Zeitpunkten t_3,14 und t_5,14 auf einen jeweiligen Mindestwert an Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v erfolgt. Dadurch werden Fehler und Unregelmäßigkeiten der Schweißnaht an dem Schweißpunkt an dem ersten Formübergang 14 beim Übergang der linearen Form der Schweißnaht 11 in die zirkuläre Form vermieden oder zumindest vermindert. An dem Schweißpunkt an dem zweiten Formübergang 15 wiederum erfolgt ein Erhöhen von Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v zu den Zeitpunkten t_3,15 und t_5,15 ab dem jeweiligen Mindestwert an Laserleistung P und Zuführgeschwindigkeit v, um auch an dem Schweißpunkt an dem zweiten Formübergang 15 derartige Fehler und Unregelmäßigkeiten zu vermeiden und eine hohe Betriebsfestigkeit der miteinander zu verschweißenden Bauteile 12, 13 zu erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Automatisierte Schweißvorrichtung
2: Laserstrahlgerät
3: Laserstrahl
4: Zusatzwerkstoffzuführgerät
5: Zusatzwerkstoff
6: Steuergerät
7: Dampfkanal
8: anfänglicher Schweißpunkt
9: abschließender Schweißpunkt
10: Schweißlinie
11: Schweißnaht
12: erstes Bauteil
13: zweites Bauteil
14: Schweißpunkt am ersten Formübergang
15: Schweißpunkt am zweiten Formübergang
A: Amplitude
P: Laserleistung
v: Zuführgeschwindigkeit
t: Zeit

Claims

Verfahren zum automatisierten Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff (5), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Zuführen eines Zusatzwerkstoffes (5) an einem anfänglichen Schweißpunkt (8), wobei sich der anfängliche Schweißpunkt (8) an zumindest einem Bauteil (12, 13) von zwei miteinander zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) befindet, (b) Erzeugen eines auf den anfänglichen Schweißpunkt (8) ausgerichteten Laserstrahls (3), (c) Kontinuierliches Verschieben des auf den anfänglichen Schweißpunkt (8) ausgerichteten Laserstrahls relativ gegenüber den zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) und kontinuierliches Zuführen des Zusatzwerkstoffes (5) entlang einer Schweißlinie (10), die von dem anfänglichen Schweißpunkt (8) zu einem abschließenden Schweißpunkt (9) führt, sodass entlang der Schweißlinie (10) eine Schweißnaht (11) zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Bauteilen (12, 13) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserleistung (P) des Laserstrahls (3) und/oder eine Zuführgeschwindigkeit (v) des Zusatzwerkstoffes (5) beim Verschieben des Laserstrahls (3) und beim Zuführen des Zusatzwerkstoffes (5) entlang der Schweißlinie (10) mittels eines Steuergeräts (6) erhöht und/oder gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserleistung (P) des Laserstrahls (3) und die Zuführgeschwindigkeit (v) des Zusatzwerkstoffes (5) beim Verschieben des Laserstrahles (3) und Zuführen des Zusatzwerkstoffes (5) entlang der Schweißlinie (10) simultan erhöht und/oder gesenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei (a) beim Erhöhen der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) eine Schweißgeschwindigkeit des Laserstrahlschweißens erhöht wird und/oder (b) beim Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) die Schweißgeschwindigkeit gesenkt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) einem linear approximierbaren zeitlichen Verlauf folgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei (a) das Erhöhen der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) ab einem Mindestwert einer Laserleistung (P) und/oder einem Mindestwert einer Zuführgeschwindigkeit (v) erfolgt und/oder (b) das Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) bis zu einem Mindestwert einer Laserleistung (P) und/oder einem Mindestwert einer Zuführgeschwindigkeit (v) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei (a) das Erhöhen der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) an dem anfänglichen Schweißpunkt (8) erfolgt und/oder (b) das Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) an dem abschließenden Schweißpunkt (9) endet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) entlang der Schweißlinie (10) zwischen dem anfänglichen Schweißpunkt (8) und dem abschließenden Schweißpunkt (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erhöhen und/oder Senken der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) an einem Schweißpunkt eines Formüberganges (14, 15) der Schweißlinie (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Amplitude (A) und/oder eine Dauer der Laserleistung (P) und/oder der Zuführgeschwindigkeit (v) für ihre Erhöhung und/oder Senkung in Abhängigkeit von einem Material der zu verschweißenden Bauteile (12, 13) und/oder einem Material des Zusatzwerkstoffes (11) eingestellt wird.
Automatisierte Schweißvorrichtung (1), insbesondere Schweißroboter, mit einem Laserstrahlgerät (2), einem Zusatzwerkstoffzuführgerät (4) und einem Steuergerät (6), wobei die automatisierte Schweißvorrichtung (1) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche eingerichtet ist.