DE102020212859A1

DE102020212859A1 - Laser-Hybrid-Schweißverfahren

Info

Publication number: DE102020212859A1
Application number: DE102020212859.6A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rührnössl; Markus Schorn; Herbert Staufer; Stefan ROITHER
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Schweißvorrichtung (1) zum Verschweißen von Werkstücken (W) in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren, das durch eine Steuerung (2) der Schweißvorrichtung (1) steuerbar ist, wobei die Schweißvorrichtung (1)aufweist:einen Schweißbrenner, SB, (3) der eine Schweißdrahtelektrode, SDE, (4) aufweist, wobei in einer Schweißphase (SP) des gesteuerten Laser-Hybrid-Schweißverfahrens zwischen der Schweißdrahtelektrode, SDE, (4) und einer Schweißstelle (SS) ein Lichtbogen (LB) zur Herstellung einer Schweißnaht(SN) gezündet wird, undeine Laserstrahlquelle, LSQ, (5) die einen Laserstrahl (LS) erzeugt, der versetzt zu dem an der Schweißstelle (SS) bestehenden Lichtbogen (LB) auf die Oberflächen der beiden an einem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) derart gerichtet wird, dass während der Schweißphase (SP) und während einer der Schweißphase (SP) vorangehenden oder nachfolgenden Wärmphase (WP) des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens ein anteiliger Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W), deren Materialeigenschaften oder abhängig von einer Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren sowie eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Verschweißen von metallischen Werkstücken.
Das Laser-Hybrid-Schweißen kombiniert zwei unterschiedliche Schweißprozesse, nämlich das Laserschweißen und ein Metall-Schutzgas-Schweißverfahren. Durch die Wechselwirkung zwischen Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) und Laserschweißen besteht ein stabiler Schweißprozess mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Beim Metall-Schutzgas-Schweißen MSG schmilzt eine Schweißdrahtelektrode unter einer Schutzgasglocke ab. Das dabei eingesetzte Schutzgas kann an einem Schweißbrenner um die Schweißdrahtelektrode herum austreten, wobei sie die Schweißstelle vor Oxidation schützt. Das Metall-Schutzgas-Schweißen bietet eine gute Spaltüberbrückbarkeit des zwischen den zu verschweißenden Werkstücken bestehenden Fügespaltes und erlaubt eine gezielte Beeinflussung der Wärmeeinbringung in die Schweißstelle bzw. Werkstücke. Ein auf die Schweißstelle gerichteter Laserstrahl kann mithilfe einer Optikeinheit bzw. Fokussieroptik gebündelt werden, sodass eine hohe Energiedichte entsteht, welche das Material der zu verschweißenden Werkstücke zum Schmelzen bringen kann. Daraus ergeben sich ein tiefer Einbrand sowie eine hohe Festigkeit der entstehenden Schweißnaht.
Während des Schweißverfahrens können allerdings bei herkömmlichen Laser-Hybrid-Schweißverfahren, insbesondere beim Verschweißen von Werkstücken, die aus Aluminium bestehen, ungewollte laserbedingte Prozessporen auftreten, da nicht genügend Zeit zum Ausgasen besteht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren und eine entsprechende Schweißvorrichtung zu schaffen, die ein optimales Ausgasen der hergestellten Schweißnaht erzielt und somit unerwünschte Porenbildung verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Verschweißen von Werkstücken mittels eines Lichtbogens, der in einer Schweißphase zwischen einer Schweißdrahtelektrode und einer Schweißstelle zur Herstellung einer Schweißnaht gezündet wird, wobei während der Schweißphase des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens und während einer der Schweißphase vorangehenden und/oder nachfolgenden Wärmphase des Laser-Hybrid- Schweißverfahrens ein Wärmeeintrag in die zu verschweißenden Werkstücke mittels eines von einer Laserstrahlquelle erzeugten und auf die Oberfläche der Werkstücke gerichteten Laserstrahls abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke und/oder in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der zu verschweißenden Werkstücke und/oder in Abhängigkeit der Geometrie der zu verschweißenden Werkstücke erfolgt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens besteht darin, dass ein Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke während des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens gesteuert bzw. geregelt werden kann und somit eine gleichmäßige Temperatur der Werkstücke erreicht werden kann. Dadurch wird beidseits der Fügestelle bzw. im Bereich der Fügestelle/ Schweißstelle im Wesentlichen die gleiche Materialtemperatur erreicht.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird die Schweißnaht entlang eines zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken bestehenden Fügespaltes hergestellt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens kann ein Umschalten zwischen der Wärmphase und der Schweißphase entsprechend Umschaltbefehlen automatisch erfolgen, wobei die Umschaltbefehle von einem durch eine Steuerung ausgeführten Schweißprogramm erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Laser-Hybrid-Schweißverfahren lässt sich somit vollautomatisch unter Steuerung eines Schweißprogramms ausführen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens führt der Laserstrahl während der Wärmphase an der Schweißstelle ein vorgegebenes Bewegungsmuster aus, sodass ein Wärmeeintrag abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke mittels des auf die Oberflächen der zu verschweißenden Werkstücke gerichteten Laserstrahls in die an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke erfolgt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens weist das Bewegungsmuster des Laserstrahls eine Rotationsbewegung des Laserstrahls auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens weist das Bewegungsmuster des Laserstrahls eine Sägezahnbewegung oder eine meanderförmige Bewegung auf den Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke auf.
Verschiedene Bewegungsmuster können bei einer bevorzugten Ausführungsform des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens aus einem Datenspeicher ausgelesen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird das Bewegungsmuster in Abhängigkeit einer Art der herzustellenden Schweißnaht detektiert bzw. ausgewählt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens kann das Bewegungsmuster zusätzlich Größe, Materialeigenschaften und Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke berücksichtigen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird der Laserstrahl während der Wärmphase und während der Schweißphase des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens durch eine steuerbare Optikeinheit in verschiedene Laserstrahlen aufgespalten, die auf die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke gerichtet werden, sodass ein Wärmeeintrag abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke mittels der aufgespalteten Laserstrahlen in die beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke erfolgt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird der Laserstrahl während der Wärmephase und während der Schweißphase des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens versetzt zu dem an der Schweißstelle während der Schweißphase bestehenden Lichtbogen auf eine Oberfläche desjenigen Werkstückes der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke gerichtet, das im Bereich der Schweißstelle eine größere Dicke aufweist.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens führt der Laserstrahl, der während der Wärmphase und während der Schweißphase versetzt zu dem an der Schweißstelle während der Schweißphase bestehenden Lichtbogen auf eine Oberfläche des dickeren der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke gerichtet ist, auf der Oberfläche des dickeren Werkstückes eine Bewegung entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster, insbesondere entsprechend einem Rotationsbewegungsmuster, aus.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens werden vor oder während der Durchführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke zur Ermittlung einer Breite und einer Tiefe des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken bestehenden Fügespaltes und/oder einer Lage der beiden zu verschweißenden Werkstücke optisch, elektrisch, akustisch und/oder mechanisch von einer Abtasteinheit abgetastet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird eine Laserstrahlform des Laserstrahls und/oder eine Bewegung des Laserstrahls entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster automatisch in Abhängigkeit der ermittelten Breite und ermittelten Tiefe des Fügespaltes und/oder in Abhängigkeit der Lage der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke gesteuert.
Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken mit den in Patentanspruch 11 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren, das durch eine Steuerung der Schweißvorrichtung steuerbar ist, wobei die Schweißvorrichtung aufweist:

einen Schweißbrenner, der eine Schweißdrahtelektrode aufweist, wobei in einer Schweißphase des gesteuerten Laser-Hybrid-Schweißverfahrens zwischen der Schweißdrahtelektrode und einer Schweißstelle ein Lichtbogen zur Herstellung einer Schweißnaht gezündet wird, und
eine Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, der versetzt zu dem an der Schweißstelle bestehenden Lichtbogen auf die Oberflächen der beiden an einem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke derart gerichtet wird, dass während der Schweißphase und während einer der Schweißphase vorangehenden und/oder nachfolgenden Wärmphase des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens ein anteiliger Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke, deren Materialeigenschaften oder abhängig von einer Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke erfolgt.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung weist die Steuerung der Schweißvorrichtung einen Prozessor auf, der ein Schweißprogramm ausführt, welches Umschaltbefehle zur automatischen Umschaltung zumindest zwischen einer Wärmphase und einer Schweißphase während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens erzeugt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung steuert die Steuerung der Schweißvorrichtung die Laserstrahlquelle und/oder eine Optikeinheit der Schweißvorrichtung zur Einstellung einer Laserstrahlform und/oder einer Bewegung des Laserstrahls entsprechend einem Bewegungsmuster auf den Oberflächen der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke während der Schweißphase und/oder während der Wärmphase des Schweißverfahrens entsprechend dem auf dem Prozessor ausgeführten Schweißprogramm in Abhängigkeit von erhaltenen Abtastwerten.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung steuert die Steuerung der Schweißvorrichtung die Optikeinheit der Schweißvorrichtung zur Aufspaltung des von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahls während der Schweißphase und/oder während der Wärmphase des Schweißverfahrens entsprechend dem auf dem Prozessor der Steuerung ausgeführten Schweißprogramm in Abhängigkeit von erhaltenen Abtastwerten.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung weist diese eine Abtasteinheit auf, welche vor oder während des Schweißverfahrens die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt zu verschweißenden Werkstücke zur Ermittlung einer Breite und zur Ermittlung einer Tiefe des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken bestehenden Fügespaltes und/oder zur Ermittlung einer Lage der beiden zu verschweißenden Werkstücke abtastet und entsprechende Abtastwerte an die Steuerung der Schweißvorrichtung liefert.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens sowie der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer exemplarischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung;
2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
3A, 3B, 3C Diagramme zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
4A, 4B, 4C, 4D Diagramme zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
5A, 5B Diagramme zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
6A, 6B Diagramme zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
7A, 7B, 7C, 7D Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens;
8 ein Beispiel einer während eines Schweißvorganges durch einen rotierenden Laserstrahl ausgeführten spiralförmigen Bewegung.

1 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1 zum Verschweißen von Werkstücken W in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren. Bei dem in 1 dargestellten Anwendungsbeispiel werden zwei Werkstücke W1, W2 an einem Fügespalt FSP miteinander in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren verschweißt. Die Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird durch eine Steuerung 2 der Schweißvorrichtung 1 gesteuert. Die Steuereinheit 2 der Schweißvorrichtung 1 weist bei einer möglichen Ausführungsform einen Prozessor, insbesondere einen Mikroprozessor, auf, welcher ein Schweißprogramm ausführt. Dieses Schweißprogramm erzeugt Steuerbefehle zur Ansteuerung verschiedener Einheiten der Schweißvorrichtung 1 während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. Darüber hinaus kann das Steuerprogramm auch Messwerte, insbesondere Abtastwerte, verarbeiten.
Die Schweißvorrichtung 1 weist einen Schweißbrenner 3 auf, der eine Schweißdrahtelektrode 4 hat. In einer Schweißphase SP des durch die Steuerungseinheit 2 gesteuerten Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird zwischen der Schweißdrahtelektrode 4 und einer Schweißstelle SS ein Lichtbogen LB zur Herstellung einer Schweißnaht gezündet.
Die Schweißvorrichtung 1 weist ferner eine Laserstrahlquelle 5 auf, die einen Laserstrahl LS erzeugt, der während der Schweißphase SP und während der vorangehenden oder der nachfolgenden Wärmphase WP versetzt zu dem an der Schweißstelle SS während der Schweißphase SP bestehenden Lichtbogen LB auf die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 derart gerichtet wird, dass während der Wärmphase WP und auch während der Schweißphase SP ein Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 entsprechend einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 erfolgt. Der Wärmeeintrag durch den Laserstrahl LS während der Wärmphase WP und während der Schweißphase SP kann auch in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und/oder in Abhängigkeit der Geometrie bzw. der Außenkonturen der Werkstücke W1, W2 erfolgen. Bevorzugt ist der Laserstrahl LS gegenüber dem Lichtbogen LB voreilend. Selbstverständlich kann dieser auch nacheilend oder parallel sein.
2 zeigt schematisch das Laser-Hybrid-Schweißverfahren mit Wärmephasen WP und einer Schweißphase SP, in welcher der Schweißprozess durchgeführt wird. Zunächst erfolgt bzw. startet das Schweißverfahren eine erste Wärmphase WP 1 gefolgt von einer Schweißphase SP. Daran kann sich optional noch eine zweite Wärmphase WP2 anschließen. Das Schweißverfahren ist demnach nach der Schweißphase SP oder nach der zweiten Wärmphase WP2 beendet. Die erste Wärmphase WP 1 bildet eine Vorwärmphase vor der Schweißphase SP. Die zweite Wärmphase WP2 bildet eine Nachwärmphase.
Ein Umschalten zumindest zwischen einer Wärmephase WP und der Schweißphase SP erfolgt während der Durchführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens entsprechend Umschaltbefehlen, welche von dem Steuerprogramm, welches auf dem Mikroprozessor der Steuereinheit 2 ausgeführt wird, generiert werden. Die Steuerung 2 der Schweißvorrichtung 1 weist einen Prozessor auf, der ein Schweißprogramm ausführt, welches Umschaltbefehle zur automatischen Umschaltung zumindest zwischen einer Wärmephase WP und einer Schweißphase SP während des Schweißverfahrens generiert bzw. erzeugt. Die Steuerung 2 kann über Steuersignalleitungen die Laserstrahlquelle 5 der Schweißvorrichtung 1 ansteuern. Darüber hinaus kann die Steuerung 2 der Schweißvorrichtung 1 über Steuersignalleitungen auch eine Optikeinheit 6 der Schweißvorrichtung 1 ansteuern, wie in 1 dargestellt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Steuereinheit 2 zudem an eine Abtasteinheit 7 angeschlossen. Die Abtasteinheit 7 kann auch über eine Kamera K verfügen, welche Kamerabilder KB generiert. Weiterhin ist die Steuerung 2 mit einem Datenspeicher 8 verbunden. Darüber hinaus ist die Steuerung 2 mit einem Programmspeicher 9 der Schweißvorrichtung 1 verbunden. In dem Programmspeicher 9 können sich verschiedene Schweißprogramme zum Verschweißen von Werkstücken W mittels eines Laser-Hybrid-Schweißverfahrens befinden. Ein Nutzer bzw. Schweißer kann bei einer möglichen Ausführungsform über eine Nutzerschnittstelle 10 ein in dem Programmspeicher 9 abgelegtes Schweißprogramm auswählen, welches durch die Steuerung 2 anschließend zur Durchführung des Schweißverfahrens ausgeführt wird.
In dem Datenspeicher 8 der Schweißvorrichtung 1 können zudem Messwerte, insbesondere Abtastwerte, zur weiteren Datenverarbeitung abgelegt werden. Die Messwerte umfassen beispielsweise eine zwischen der Schweißdrahtelektrode 4 und der Schweißstelle SS eines Schweißvorganges bestehende Schweißspannung U. Darüber hinaus können die Messwerte einen während des Schweißvorganges fließenden Schweißstrom I umfassen. Weiterhin kann der Datenspeicher 8 dazu verwendet werden, Abtastwerte zu speichern, welche von der Abtasteinheit 7 vor oder während der Durchführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens geliefert werden. Der Laserstrahl LS kann durch die Optikeinheit 6 fokussiert und/oder in verschiedene Laserstrahlen LS gespalten bzw. aufgeteilt werden. Der Laserstrahl LS wird bei einer möglichen Ausführungsform während der Wärmphase WP und während der Schweißphase SP versetzt zu dem an der Schweißstelle SS bestehenden Lichtbogen LB auf eine Oberfläche desjenigen Werkstückes W der an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet, das im Bereich der Schweißstelle SS eine größere Dicke D aufweist. Zudem kann der Laserstrahl LS, der versetzt zu dem an der Schweißstelle SS bestehenden Lichtbogen LB auf eine Oberfläche des dickeren der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet ist, auf der Oberfläche dieses dickeren Werkstückes W eine Bewegung entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster ausführen. Das Bewegungsmuster kann bei einer möglichen Ausführungsform ebenfalls in dem Datenspeicher 8 der Schweißvorrichtung 1 abgelegt sein. Verschiedenartige Bewegungsmuster können in dem Datenspeicher 8 gespeichert sein, um die Bewegung des Laserstrahls LS bzw. der aufgespaltenen Laserstrahlen auf den Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 zu steuern. Die Bewegungsmuster umfassen beispielsweise eine lineare translatorische Bewegung des Laserstrahls LS, eine Rotationsbewegung des Laserstrahls LS, eine mäanderförmige Bewegung des Laserstrahls LS auf den Oberflächen der Werkstücke W1, W2 oder eine sägezahnförmige Bewegung des Laserstrahls LS auf der Oberfläche der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2. Die Selektion des Bewegungsmusters kann bei einer möglichen Implementierungsvariante durch das ausgewählte und ausgeführte Steuerprogramm erfolgen. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Selektion des während einer Phase zu verwendenden Bewegungsmusters des Laserstrahls LS in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere in Abhängigkeit von momentanen Abtastwerten, welche von der Abtasteinheit 7 vor und/oder während des Schweißprozesses bzw. Schweißverfahrens generiert werden. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1 tastet die Abtasteinheit 7 der Schweißvorrichtung 1 vor und/oder während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens die Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 an dem Fügespalt FSP zur Ermittlung einer Breite B und zur Ermittlung einer Tiefe T des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücke W bestehenden Fügespaltes FSP ab. Weiterhin kann die Abtasteinheit 7 bei einer weiteren möglichen Ausführungsform durch die Abtastung eine Lage der beiden zu verschweißenden Werkstücke W abtasten und entsprechende Abtastwerte an die Steuerung 2 der Schweißvorrichtung 1 liefern. Anhand der Abtastwerte kann beispielsweise die Steuereinheit 2 bei Ausführung des Schweißprogramms in Echtzeit eine Relativlage der beiden Werkstücke W1, W2 zueinander an dem Fügespalt FSP ermitteln. Weiterhin können kontinuierlich Abtastwerte während des Schweißprozesses bzw. Schweißverfahrens von der Abtasteinheit 7 in den Datenspeicher 8 eingeschrieben werden, sodass sie zur Auswertung durch das auf der Steuereinheit 2 ausgeführte Steuerprogramm zur Verfügung stehen. Diese Abtastwerte umfassen bei einer möglichen Ausführungsform eine momentane Breite und eine momentane Tiefe des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken W1, W2 bestehenden Fügespaltes FSP entlang der herzustellenden Schweißnaht. Der Schweißbrenner 3 der Schweißvorrichtung 1 kann über ein Schlauchpaket mit einer Schweißstromquelle der Schweißvorrichtung 1 verbunden sein, über das er einen Schweißstrom sowie das Schutzgas bezieht. An dem Schweißbrenner 3 kann eine Schutzgasdüse vorgesehen sein, welche ein Schutzgas auf die Schweißstelle SS zum Schutz vor Oxidation richtet.
Die Optikeinheit 6 der Schweißvorrichtung 1 kann bei einer möglichen Ausführungsform über verschiedene optische Elemente (beispielsweise Linsen) verfügen. Mithilfe dieser optischen Elemente ist es möglich, den von der Laserstrahlquelle 5 erzeugten Laserstrahl LS zu fokussieren, aufzuspalten und während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens auf den Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 entsprechend dem selektierten Bewegungsmuster zu bewegen. Während des Schweißprozesses bzw. Schweißverfahrens liefert die Abtasteinheit 7 Abtastwerte. Die Abtastung der Oberflächen der beiden Werkstücke W1, W2 sowie der Breite B und der Tiefe T des Fügespaltes FSP erfolgt bei einer möglichen Ausführungsform optisch mittels einer im Bereich der Schweißstelle SS vorgesehenen Kamera K. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Abtastung durch die Abtasteinheit 7 mechanisch, optisch, akustisch oder elektrisch erfolgen, insbesondere mithilfe der Schweißdrahtelektrode 4 (Wire-Sense). Bei Wire-Sense erfolgt eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Schweißdrahtelektrode 4, wobei anhand eines detektierten Kurzschlusses das Vorhandensein einer Oberfläche eines Werkstückes erkannt werden kann. Darüber hinaus können Lichtbogenparameter während des Schweißprozesses als Messwerte in den Datenspeicher 8 zur Auswertung eingeschrieben werden. In Abhängigkeit der erfassten Lage und Art der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 sowie der Breite B und Tiefe T des Fügespaltes FSP wird bei einer möglichen Ausführungsform der Laserstrahl LS und der Lichtbogen LB während des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens durch die Steuereinheit 2 der Schweißvorrichtung 1 entsprechend einem geeigneten Bewegungsmuster für verschiedene Phasen des Schweißverfahrens optimal eingestellt. Dabei kann die Form des Laserstrahls LS sowie die Laserleistung P des Laserstrahls LS während verschiedenen Phasen des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens durch die Steuereinheit 2 eingestellt werden, um einen geeigneten Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 in verschiedenen Phasen des Schweißverfahrens zu erreichen. Durch diese optimierte Einstellung der verschiedenen Schweißparameter, insbesondere der Form und Bewegung des Laserstrahls LS, kann eine Verbesserung der herzustellenden Schweißnaht erzielt werden, da die Verteilung der eingebrachten Leistung bzw. Wärme optimal an eine Breite B sowie Tiefe T des Fügespaltes FSP angepasst werden kann. Insbesondere beim Verschweißen von Werkstücken W1, W2, die aus Aluminium bestehen, kann hierdurch ein optimales Ausgasen der hergestellten Schweißnaht erreicht werden und dadurch eine unerwünschte Porenbildung zuverlässig verhindert werden.
Während der Wärmephase WP und der Schweißphase SP des Schweißverfahrens wird durch die Optikeinheit 6 der Laserstrahl LS bei einer möglichen Ausführungsform in verschiedene Laserstrahlen LS aufgespaltet, wie auch in 1 dargestellt, wobei die aufgespaltenen Laserstrahlen LS auf die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet werden, sodass während der Wärmephase WP und der Schweißphase SP ein Wärmeeintrag mittels der aufgespaltenen Laserstrahlen LS in die beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 abhängig von dem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 erfolgt. Der Laserstrahl LS kann während der Wärmephase WP und während der Schweißphase SP des Schweißverfahrens auf eine Oberfläche desjenigen Werkstückes W der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet werden, das im Bereich der Schweißstelle SS eine größere Dicke D und somit auch ein größeres Volumen aufweist.
2 zeigt schematisch einen Ablauf eines Laser-Hybrid-Schweißverfahrens, welches durch ein Steuerprogramm der Steuereinheit 2 der Schweißvorrichtung 1 gesteuert wird. Wie man aus 2 erkennen kann, kann vor und gegebenenfalls auch nach der Schweißphase SP eine Wärmephase WP vorgesehen sein. Zwischen den Wärmephasen WP und der Schweißphase SP erfolgt ein Umschalten durch Umschaltbefehle, welche von dem Steuerprogramm erzeugt werden. Die Dauer der Wärmephasen WP und der Schweißphase SP hängt von dem jeweiligen Schweißprogramm ab. Während einer Wärmphase WP wird ein Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 mittels des auf die beiden Werkstücke W1, W2 gerichteten Laserstrahls LS abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 ausgeführt.
Der Wärmeeintrag kann auch in Abhängigkeit von Materialeigenschaften oder der Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 erfolgen.
Während der Schweißphase SP des Schweißverfahrens erfolgt ein Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2, mittels des von der Laserstrahlquelle 5 erzeugten und auf die Oberflächen der Werkstücke W gerichteten Laserstrahls LS ebenfalls abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 und/oder in Abhängigkeit der Materialeigenschaften oder Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2. Dabei wird beispielsweise das größere bzw. dickere Werkstück W entsprechend dem Steuerprogramm in der Schweißphase SP anteilig mehr Energie durch den Laserstrahl LS eingetragen als in das kleinere bzw. dünnere Werkstück W. Der Laserstrahl LS kann während der Schweißphase SP des Schweißprozesses bzw. Schweißverfahrens auf eine Oberfläche desjenigen Werkstückes W der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W gerichtet werden, das im Bereich der Schweißstelle SS eine größere Dicke aufweist. Dabei kann der Laserstrahl LS während der Schweißphase SP und während der Wärmephasen WP versetzt zu dem während der Schweißhase SP an der Schweißstelle SS bestehenden Lichtbogen LB auf eine Oberfläche des dickeren der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet werden und auf der Oberfläche des dickeren Werkstückes W eine Bewegung entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster, beispielsweise entsprechend einem Rotationsbewegungsmuster, ausführen, um innerhalb des dickeren Werkstückes W einen gleichmäßigen Energieeintrag zu erreichen. Weiterhin kann die Laserstrahlform des Laserstrahls LS sowie dessen Bewegung entsprechend dem Bewegungsmuster automatisch in Abhängigkeit der durch die Abtasteinheit 7 ermittelten momentanen Breite B und der ermittelten momentanen Tiefe T des Fügespaltes FSP eingestellt bzw. gesteuert werden - wie in den folgenden Figuren dargestellt und beschrieben. Auf den Lichtbogen wird hier nicht im Detail eingegangen, ist aber in den Schweißphase SP wie zuvor beschrieben präsent.
3A, 3B, 3C dienen zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. 3A zeigt eine Situation, bei der zwei aufgespaltene Laserstrahlen LS', LS", welche von der Optikeinheit 6 abgegeben werden, während einer Wärmphase WP oder während der Schweißphase SP des Schweißverfahrens auf die Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 in der Nähe des Fügespaltes FSP gerichtet werden. Der Laserstrahl LS kann während der Wärmephase WP und/oder während der Schweißphase SP des Schweißverfahrens durch die Optikeinheit 6 in verschiedene Laserstrahlen LS aufgespalten werden, die auf die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 gerichtet werden, wobei ein Wärmeeintrag mittels der aufgespaltenen Laserstrahlen LS', LS" in die beiden an dem Fügespalt FSP zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 abhängig von dem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 erfolgt. Bei dem in 3A dargestellten Beispiel tragen die aufgespaltenen Laserstrahlen LS', LS" in etwa die gleiche Menge an Energie in die beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 während der Wärmphase WP bzw. Aufwärmphase oder während der Schweißphase SP ein.
3B zeigt eine mögliche Situation während einer Wärmphase oder der Schweißphase SP. Nachdem die Optikeinheit 6 einen entsprechenden Umschaltbefehl erhalten hat, wird ein fokussierter Laserstrahl LS als Einzelspot auf die Oberfläche des Werkstückes W1 gerichtet, wie in 3B dargestellt. Damit erfolgt der gesamte Energieeintrag mittels des von der Laserstrahlquelle 5 stammenden Laserstrahls LS in das Werkstück W1, das beispielsweise im Bereich der Schweißstelle SS eine größere Dicke D bzw. ein größeres Volumen als das Werkstück W2 besitzt. Bei dem in 3B dargestellten Beispiel erfolgt in der Schweißphase SP somit der gesamte Energieeintrag (100 %) durch den Laserstrahl LS in das dickere Werkstück W1.
3C zeigt eine alternative Situation, bei der während einer Wärmphase WP oder der Schweißphase SP kein Eintrag der gesamten Energie des Laserstrahls LS in das dickere Werkstück W1 erfolgt, sondern anteilig bzw. abhängig von den Größenverhältnissen auch ein Energieeintrag in das andere Werkstück W2. Beispielsweise trägt der aufgespaltene Laserstrahl LS' 75 % der Laserenergie in das dickere Werkstück W1 und der andere aufgespaltene Laserstrahl LS" 25 % der Energie des Laserstrahls LS in das dünnere Werkstück W2 ein. Die Aufteilung der Energie entsprechend der Größenverhältnisse kann von dem Steuerprogramm anhand der Abtastwerte in Echtzeit gesteuert werden.
Die 4A bis 4D zeigen weitere Beispiele zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. Bei der in 4A dargestellten Situation führt der von der Laserstrahlquelle 5 stammende Laserstrahl LS eine Rotationsbewegung entlang des Fügespaltes FSP aus. Die Figuren 4A bis 4D zeigen die Situation in der Wärmephase WP ohne Schweißung und ohne Bewegung des rotierenden Laserstrahls LS entlang des Fügespaltes FSP. Während des Schweißens in der Schweißphase SP wird der Rotationsbewegung des Laserstrahls LS eine Translationsbewegung gemäß der Schweißrichtung (Pfeil) überlagert, so dass eine Spirale entsteht, wie in 8 dargestellt. Die Rotationsbewegung des Laserstrahls LS kann durch Ansteuerung der Optikeinheit 6 erreicht werden. Gemäß 8 werden also die Werkstücke W1 und W2 verschweißt. Wie schematisch dargestellt ist die Schweißnaht SN im Bereich der Spirale und der noch zu verschweißende Fügespalt FSP vor der Spirale.
Bei dem in 4A dargestellten Beispiel führt der Laserstrahl LS während der Wärmephase WP und/oder während der Schweißphase SP eine Rotationsbewegung aus, um einen Wärmeeintrag an die beiden an dem Fügespalt FSP anliegenden Werkstücke W1, W2 abhängig von dem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 zu erzielen.
Während der Durchführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens kann das Zentrum der Rotationsbewegung des Laserstrahls LS während einer Wärmphase oder während der Schweißphase SP versetzt werden, sodass ein höherer Energieeintrag durch den Laserstrahl LS in das dickere bzw. größere der beiden Werkstücke W1 erfolgt, wie in 4B schematisch dargestellt. Bei dem in 4B dargestellten Beispiel erfolgt ein anteiliger Energieeintrag zwischen den beiden Werkstücken W1, W2 entsprechend ihren Größenverhältnissen, beispielsweise kann in das dickere Werkstück W1 75 % der Laserstrahlenergie eingetragen werden, während in das dünnere Werkstück W2 25 % der Laserenergie eingetragen wird.
Bei dem in 4C dargestellten Beispiel führt der Laserstrahl LS eine Rotationsbewegung auf der Oberfläche des dickeren Werkstückes W1 aus, so dass durch den Laserstrahl LS kein Energieeintrag in das andere dünnere Werkstück W2 erfolgt. Während der Schweißphase SP bringt der Lichtbogen zusätzlich zum Laserstrahl LS Energie in beide Werkstücke W1 und W2 ein.
Ferner kann, wie in 4D dargestellt, anstatt einer Rotationsbewegung des Laserstrahls LS während der Wärmephase WP oder während der Schweißphase SP auch ein fokussierter Laserstrahl LS auf das dickere der beiden Werkstücke W1 gerichtet werden, um die gesamte Energie des Laserstrahls LS in dieses dickere Werkstück W1 einzubringen.
Die 5A, 5B zeigen weitere Beispiele zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. Bei dem in 5A dargestellten Beispiel wird der Laserstrahl LS durch die Optikeinheit 6 in vier verschiedene Laserspots aufgespalten, wobei jedes der beiden Werkstücke W1, W2 in der Wärmephase WP oder in der Schweißphase SP jeweils zwei auf sie gerichtete Laserstrahlen LS erhält und somit eine Menge an Laserstrahlenergie entsprechend den Größenverhältnissen der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke empfängt. Falls die beiden Werkstücke W1,W2 beispielsweise die gleiche Größe bzw. Dicke aufweisen können die Laserstrahlen LS die gleiche Menge an Laserstrahlenergie in die beiden Werkstücke W1,W2 einbringen. Umgekehrt können während einer Wärmphase WP oder während der Schweißphase SP auch zwei aufgespaltene Laserstrahlen LS als Laserspots auf das dickere Werkstück W1 gerichtet werden, um die gesamte Laserstrahlenergie des Laserstrahls LS dort einzubringen, wie in 5B dargestellt. Während der Schweißphase SP bringt der Lichtbogen zusätzlich zur Laserstrahlenergie Energie bzw. Wärme in die beiden an dem Fügespalt FSP anliegenden zu verschweißenden Werkstücke W1, W2 ein. Die Energie des Lichtbogens wird dabei im Wesentlichen gleichmäßig auf die Werkstücke W1, W2 aufgeteilt.
Die 6A, 6B zeigen ein weiteres Beispiel zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. Bei dem in den 6A, 6B dargestellten Beispiel führt der Laserstrahl LS ein sägezahnförmiges Bewegungsmuster entlang des Fügespaltes FSP zwischen den beiden Werkstücken W1, W2 aus. 6A zeigt die Bewegung des Laserstrahls LS während einer Wärmphase WP oder während der Schweißphase SP, bei der die Energie des Laserstrahls LS auf die beiden Werkstücke W1, W2 abhängig von dem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke W aufgeteilt wird. Durch Umschalten entsprechend einem Umschaltbefehl wird beispielsweise das sägezahnförmige Bewegungsmuster des Laserstrahls LS ausschließlich auf der Oberfläche des dickeren Werkstückes W1 ausgeführt, um die Energie des Laserstrahls LS vollständig in dieses dickere Werkstück W1 einzubringen, wie in 6B dargestellt.
Bei einer möglichen Ausführungsform befinden sich in dem Datenspeicher 8 der Schweißvorrichtung 1 verschiedene Bewegungsmuster, beispielsweise Rotationsbewegungsmuster mit unterschiedlichen Radien oder sägezahnförmige Bewegungsmuster wie in den 6A, 6B dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform wählt die Steuereinheit 2 der Schweißvorrichtung 1 ein besonders geeignetes Bewegungsmuster des Laserstrahls LS aus. Dabei kann ein Bewegungsmuster in Abhängigkeit von der Art der herzustellenden Schweißnaht sowie der Größe des bestehenden Fügespaltes FSP zwischen den Werkstücken W1, W2 ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Amplitude des in 6A dargestellten sägezahnförmigen Bewegungsmusters in Abhängigkeit der Breite B des Fügespaltes FSP automatisch eingestellt werden. Weiterhin kann beispielsweise der Radius des in 4A dargestellten Rotationsbewegungsmusters in Abhängigkeit der Breite B des bestehenden Fügespaltes FSP automatisch eingestellt werden. Je breiter der Fügespalt FSP ist, desto größer ist die Amplitude bzw. der Radius des Bewegungsmusters einzustellen, um beide Werkstücke W1, W2 an ihrem Rand entsprechend dem Fügespalt zur Einbringung von Wärmeeintrag zu überstreichen.
Der in 1 dargestellte Schweißbrenner 3 der Schweißvorrichtung 1 wird während der Durchführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens entlang des Fügespaltes FSP bewegt. Dabei bildet die Rotationsbewegung des Laserstrahls LS während der Ausführung des Schweißprogramms beispielsweise eine Spiralform. Die Schweißgeschwindigkeit des Schweißbrenners 3 während des Schweißprozesses bzw. Schweißverfahrens beträgt beispielsweise einige Meter pro Minute. Der Radius eines Laserstrahls LS zur Durchführung eines Rotationsbewegungsmusters beträgt beispielsweise einige Millimeter, beispielsweise 0,5 mm. Weiterhin kann der Durchmesser eines fokussierten Laserstrahls LS beispielsweise 0,3 mm betragen. Bei einer möglichen Ausführungsform kann sich beispielsweise ein Laserstrahl LS in einer Rotationsbewegung entsprechend einem selektierten Bewegungsmuster mit einer bestimmten Drehzahl in einem vorgegebenen Radius bzw. Durchmesser bewegen. Beispielsweise bewegt sich der Laserstrahl LS mit einer Drehzahl von 6000 U/min und mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 1 mm. Hierdurch können laserbedingte Prozessporen durch die dadurch erzeugte Schmelzbaddynamik des Schmelzbades zuverlässig vermieden werden. Der Laserstrahl LS wird mit dem MSG-Schweißprozess kombiniert. In Abhängigkeit des Fügespaltes FSP kann mit einem Einzellaserstrahlspot oder mit mehreren Laserstrahlspots geschweißt werden. Beim Auftreten eines größeren Fügespaltes FSP kann beispielsweise von einem Einzellaserstrahlspot auf einen Ringfokus mit zentralem Einzelfokus oder mit einer Strahlaufteilung auf verschiedene Laserstrahlspots durch die Steuereinheit 2 dynamisch umgeschaltet werden. Der Fügespalt FSP, ein Versatz oder Geometrieänderung kann als Messwerte bzw. Schweißparameter durch die Abtasteinheit 7 erfasst bzw. abgetastet werden.
Die 7A und 7B zeigen Schnittdarstellungen von an einem Fügespalt FSP zu verscheißenden Werkstücken W1, W2 zur Erläuterung verschiedener möglicher Anwendungsbeispiele zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens mithilfe der in 1 dargestellten Schweißvorrichtung 1.
In 7A werden zwei in etwa gleich dicke Werkstücke W1, W2, die entlang ihrer Breit- oder Längsseite an einem Fügespalt FSP miteinander verschweißt.
Bei dem in 7B dargestellten Beispiel kann beispielsweise ein oberes Blech W1 mit einem unteren Blech W2 überlappend mithilfe des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens verschweißt werden. In dem dargestellten Beispiel weist das oben liegende Werkstück W1 eine etwas größere Dicke auf als das unten liegende Werkstück W2. Geschweißt wird in der Schweißphase SP an der Ecke des Werkstückes W1 und der Oberfläche des Werkstückes W2 entlang des in 7B dargestellten Fügespaltes FSP. Während der Wärmphase WP und während der Schweißphase SP erfolgt vorzugsweise ein höherer Energieeintrag mithilfe des Laserstrahls LS in das obere dickere Blech W1. Die Breite und/oder die Tiefe des zwischen den zu verschweißenden Werkstücken W1, W2 bestehenden Fügespaltes FSP kann anhand der Abtastwerte ermittelt werden, sodass ein geeigneter Betriebsmodus zur Bereitstellung des Laserstrahls LS während der Durchführung des Schweißprozesses anhand der Messwerte eingestellt wird. Bei den zu verschweißenden Werkstücken W1, W2 kann es sich beispielsweise um verzinkte Bleche handeln.
7C zeigt eine Draufsicht auf eine herzustellende Bördelschweißnaht BSN zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken W1, W2, bei der das erfindungsgemäße Laser-Hybrid-Schweißverfahren eingesetzt werden kann. Da das in 7C dargestellte Werkstück W1 größer ist als das Werkstück W2 erfolgt in der Wärmphase WP und in der Schweißphase SP eine höherer Energieeintrag bzw. Wärmeeintrag durch den Laserstahl LS in das größere Werkstück W1.
7D zeigt eine Schnittdarstellung bei einer Verschweißung von zwei Werkstücken W1, W2 mit einem T-Stoß, beispielsweise mittels einer entlang eines Fügespaltes FSP gebildeten Kehlschweißnaht KSN.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens erfolgt die Auswahl des Bewegungsmusters für den Laserstrahl LS in Abhängigkeit der herzustellenden Geometrie der Schweißnaht. Beispielsweise kann für eine Bördelschweißnaht BSN gemäß 7C ein anderes Bewegungsmuster ausgewählt werden als für eine Kehlscheißnaht KSN entsprechend 7D. Darüber hinaus hängt das Bewegungsmuster vorzugsweise auch von der Größe des Fügespaltes FSP zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken W1, W2 ab. Beispielsweise kann der Durchmesser bzw. der Radius des Laserstrahls LS dem Rotationsbewegungsmuster während des Schweißprozesses durch das Schweißprogramm entsprechend dem momentan gemessenen Breiten- bzw. Tiefenwert dynamisch in Echtzeit angepasst werden. Die Größe bzw. Tiefe T des Fügespaltes FSP kann beispielsweise optisch durch Bildauswertung von Kamerabildern KB erfolgen, die von einer Kamera K aus der Abtasteinheit 7 an einen Bilddatenverarbeitungsprozessor der Steuereinheit 2 geliefert werden. Alternativ kann die Abtastung des Fügespaltes FSP auch mechanisch, elektrisch oder akustisch erfolgen. Die Abtastfrequenz zur Erzeugung der Abtastwerte ist bei einer möglichen Ausführungsform einstellbar. Beispielsweise kann die Abtastfrequenz zur Erzeugung der Abtastwerte in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißbrenners 3 eingestellt werden. Je höher die Schweißgeschwindigkeit bzw. Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißbrenners 3 ist, desto höher wird die Abtastfrequenz zur Erzeugung der Abtastwerte eingestellt. Die Abtastwerte werden vorzugsweise in dem Datenspeicher 8 zur weiteren Auswertung abgelegt.
In einem möglichen Anwendungsbeispiel kann eine Kehlschweißnaht KSN zwischen zwei Werkstücken W1,W2 mit Überlappstoß durch das erfindungsgemäße Laser-Hybrid-Schweißverfahren hergestellt werden, wie auch in 7D dargestellt ist. Die Erzeugung der Kehlscheißnaht KSN mit Überlappstoß erfolgt beispielsweise bei der Herstellung von Batteriewannen. Hierbei werden zum Start des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens die beiden zu verschweißenden Bauteile bzw. Werkstücke W in einer Wärmphase WP vorgewärmt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Laserrotationsbewegung des Laserstrahls LS entlang des Fügespaltes FSP für eine vorbestimmte Zeit von beispielsweise 1 sec. Anschließend erfolgt ein Umschalten in die eigentliche Schweißphase SP, in der der Laserstrahl LS und der Lichtbogen LB versetzt auf die Schweißstelle SS gerichtet werden. Beispielsweise sind der Laserstrahl LS und der Lichtbogen LB etwa 1 bis 3 mm voneinander versetzt. Während der Wärmphase WP und der Schweißphase SP kann der Laserstrahl LS auf der Oberfläche des dickeren oberen Bauteils eine Rotationsbewegung ausführen und der Lichtbogen LB zwischen der Spitze der Schweißdrahtelektrode 4 und der Schweißstelle SS an dem Fügespalt FSP der herzustellenden Kehlscheißnaht KSN gezündet werden.
Nach Abschluss der Schweißphase SP kann bei einer möglichen Ausführungsform am Ende der Schweißnaht eine Nachwärmung in einer Wärmphase WP erfolgen, um Rissbildungen zu vermeiden. Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren kann ein sehr gezielter Wärmeeintrag in die verschiedenen Werkstücke W während der Schweißung ausgeführt werden, um Schweißmängel, insbesondere unerwünschte Porenbildung, in der hergestellten Schweißnaht zu verhindern. Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren lässt sich somit die Qualität der hergestellten Schweißnaht erhöhen.

Claims

Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Verschweißen von Werkstücken (W) mittels eines Lichtbogens (LB), der in einer Schweißphase (SP) des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens zwischen einer Schweißdrahtelektrode, SDE,(4) und einer Schweißstelle (SS) zur Herstellung einer Schweißnaht (SN) gezündet wird, wobei während der Schweißphase (SP) des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens und während einer der Schweißphase(SP) vorangehenden und/oder nachfolgenden Wärmphase (WP) des Laser-Hybrid- Schweißverfahrens ein Wärmeeintrag in die zu verschweißenden Werkstücke(W) mittels eines von einer Laserstrahlquelle, LSQ, (5) erzeugten und auf die Oberfläche der Werkstücke (W) gerichteten Laserstrahls (LS) abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke (W) oder in Abhängigkeit von Materialeigenschaften der zu verschweißenden Werkstücke (W) oder in Abhängigkeit der Geometrie der zu verscheißenden Werkstücke (W) erfolgt.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach Anspruch 1, wobei die Schweißnaht, SN, entlang eines zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken (W) bestehenden Fügespaltes (FSP) hergestellt wird.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach Anspruch 2, wobei ein Umschalten zwischen der Wärmphase (WP) und der Schweißphase (SP) entsprechend Umschaltbefehlen automatisch erfolgt, die von einem durch eine Steuerung (2) ausgeführten Schweißprogramm erzeugt werden.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserstrahl (LS) während der Wärmphase (WP) und während der Schweißphase (SP) an der Schweißstelle (SS) ein vorgegebenes Bewegungsmuster ausführt, sodass ein Wärmeeintrag mittels des auf die Oberflächen der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) gerichteten Laserstrahls (LS) in die beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke (W), deren Materialeigenschaften oder deren Geometrie erfolgt.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach Anspruch 4, wobei das Bewegungsmuster des Laserstrahls (LS) eine Rotationsbewegung des Laserstrahls (LS) aufweist.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Laserstrahl (LS) während der Wärmphase (WP) und während der Schweißphase (SP) durch eine Optikeinheit (6) in verschiedene Laserstrahlen (LS', LS'') aufgespalten wird, die auf die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) gerichtet werden, sodass ein Wärmeeintrag mittels der aufgespalteten Laserstrahlen (LS', LS'') in die beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der zu verschweißenden Werkstücke(W), deren Materialeigenschaften oder deren Geometrie erfolgt.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Laserstrahl (LS) während der Wärmphase (WP) und während der Schweißphase (SP) versetzt zu dem an der Schweißstelle (SS) während der Schweißphase (SP) bestehenden Lichtbogen (LB) auf eine Oberfläche desjenigen Werkstückes (W) der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) gerichtet wird, das im Bereich der Schweißstelle (SS) eine größere Dicke, D, aufweist.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laserstrahl (LS), der während der Wärmphase (WP) und während der Schweißphase (SP) versetzt zu dem an der Schweißstelle (SS) während der Schweißphase (SP)bestehenden Lichtbogen (LB) auf eine Oberfläche des dickeren der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) gerichtet ist, auf der Oberfläche des dickeren Werkstückes (W) eine Bewegung entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster, insbesondere einem Rotationsbewegungsmuster, ausführt.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei vor und/oder während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) zur Ermittlung einer Breite (B) und einer Tiefe (T) des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken (W) bestehenden Fügespaltes (FSP) und/oder einer Lage der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) optisch, elektrisch, akustisch oder mechanisch abgetastet werden.
Laser-Hybrid-Schweißverfahren nach Anspruch 9, wobei eine Laserstrahlform des Laserstrahls (LS) und/oder eine Bewegung des Laserstrahls (LS) entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster automatisch in Abhängigkeit der ermittelten Breite (B) und der ermittelten Tiefe (T) des Fügespaltes (FSP) und/oder in Abhängigkeit der Lage der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) gesteuert wird.
Schweißvorrichtung (1)zum Verschweißen von Werkstücken(W)in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren, das durch eine Steuerung (2) der Schweißvorrichtung (1) steuerbar ist, wobei die Schweißvorrichtung (1)aufweist: einen Schweißbrenner, SB, (3) der eine Schweißdrahtelektrode, SDE, (4) aufweist, wobei in einer Schweißphase (SP) des gesteuerten Laser-Hybrid-Schweißverfahrens zwischen der Schweißdrahtelektrode, SDE, (4) und einer Schweißstelle (SS) ein Lichtbogen (LB) zur Herstellung einer Schweißnaht(SN) gezündet wird, und eine Laserstrahlquelle, LSQ,(5) die einen Laserstrahl (LS) erzeugt, der versetzt zu dem an der Schweißstelle (SS) bestehenden Lichtbogen (LB) auf die Oberflächen der beiden an einem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke(W)derart gerichtet wird, dass während der Schweißphase (SP) und während einer der Schweißphase (SP) vorangehenden und/oder nachfolgenden Wärmphase (WP) des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens ein anteiliger Wärmeeintrag in die beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) abhängig von einem Größenverhältnis der Größen der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W), deren Materialeigenschaften oder abhängig von einer Geometrie der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) erfolgt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuerung (2) der Schweißvorrichtung (1) einen Prozessor aufweist, der ein Schweißprogramm ausführt, welches Umschaltbefehle zur automatischen Umschaltung zumindest zwischen der Schweißphase (SP) und einer Wärmphase (WP) während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens erzeugt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuerung (2) die Laserstrahlquelle, LSQ, (5) und/oder eine Optikeinheit (6) der Schweißvorrichtung (1) zur Einstellung einer Laserstrahlform und/oder einer Bewegung des Laserstrahls (LS) entsprechend einem Bewegungsmuster auf den Oberflächen der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) während der Schweißphase (SP) und/oder während der Wärmphase (WP) entsprechend dem Schweißprogramm in Abhängigkeit von erhaltenen Abtastwerten steuert.
Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuerung (2) der Schweißvorrichtung (1) die Optikeinheit (6) der Schweißvorrichtung (1) zur Aufspaltung des von der Laserstrahlquelle, LSQ, (5) erzeugten Laserstrahls (LS) während der Schweißphase (SP) und/oder während der Wärmphase (WP) entsprechend dem Schweißprogramm in Abhängigkeit von erhaltenen Abtastwerten steuert.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Abtasteinheit (7) der Schweißvorrichtung (1) vor und/oder während der Ausführung des Laser-Hybrid-Schweißverfahrens die Oberflächen der beiden an dem Fügespalt (FSP) zu verschweißenden Werkstücke (W) zur Ermittlung einer Breite (B) und zur Ermittlung einer Tiefe (T) des zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken (W) bestehenden Fügespaltes (FSP) und/oder zur Ermittlung einer Lage der beiden zu verschweißenden Werkstücke (W) abtastet und entsprechende Abtastwerte an die Steuerung (2) der Schweißvorrichtung (1) liefert.