DE102020214560B4

DE102020214560B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102020214560B4
Application number: DE102020214560.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Cornelius
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: Thyssenkrupp Automotive Body Solutions De GmbH; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: DE102020214560A1; WO2022106316A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mittels eines Laserstrahls. Hierbei kann es sich beispielsweise um Laserstrahlschweißen oder eine Reinigung einer Werkstückoberfläche mittels eines Laserstrahls handeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mittels eines Laserstrahls. Hierbei kann es sich beispielsweise um Laserstrahlschweißen oder eine Reinigung einer Werkstückoberfläche mittels eines Laserstrahls handeln.
Beim Laserstrahlschweißen bilden sich in der Regel Schweißspritzer sowie Schweißrauch und Schweißschmauch. Das Bilden von Schweißspritzern ist im Wesentlichen abhängig von dem Energieeintrag in die Prozessstelle, der chemischen Zusammensetzung der zu schweißenden Werkstoffe, beispielsweise deren Beschichtung, und den technologischen Randbedingungen des Schweißprozesses. Beim Laserstrahlschweißen von kritischen Werkstoffen, z.B. verzinkten oder aluminiertem Strahlblechen, kann die Spritzerbildung teilweise so intensiv sein, dass die Optik der Schweißstelle und angrenzender Bereiche nicht akzeptabel ist und das zu schweißende Werkstück und aber auch die Schweißvorrichtung durch die Spritzer beschädigt werden können. Soweit möglich ist dann im Anschluss eine Nacharbeit des Werkstücks oder auch eine Reinigung der Schweißvorrichtung zur Entfernung der Schweißspritzer notwendig. In der DE 10 2010 005 043 A1 ist eine Schweißeinrichtung mit einer Absaugvorrichtung beschrieben. Mit der Vorrichtung wird eine Absaugung der Umgebungsluft aus der Umgebung der jeweiligen Schweißposition durch eine Abschirmung von der Schweißstelle weggesaugt und dann abgeführt. Für den Schutz der Laseroptik ist eine Blende an der Abschirmung vorgesehen und über die Absaugung soll die Laseroptik vor Verschmutzung und Spritzer geschützt werden. Zudem ist noch die DE 38 24 047 A1 zu nennen, die das Problem der Plasmabildung während des Schweißvorgangs adressiert und zu deren Reduzierung einen örtlich begrenzten Unterdruck im Bearbeitungsbereich vorschlägt.
Ein wesentlicher Grund für die Instabilitäten in der Prozessführung liegt darin, dass die während des Schweißvorgangs sich bildende Prozessfackel zu einer Abschattung des Laserstrahls führt. Die Prozessfackel wird im Wesentlichen durch Rauch, Schmauch, Gase und Schweißspritzer gebildet. Die Abschattung ist allerdings nichts konstant, sondern infolge der Dynamik innerhalb der Prozessfackel kommt es zu einem sich ständig ändernden Grad der Abschattung des Laserstrahls während des Schweißprozesses. Diese sich ständig verändernde Abschattung des Laserstrahls durch die flackernde Prozessfackel führt zu einem schwankenden Energieeintrag in die Bearbeitungsstelle. Dies bedeutet, dass im Mittel ein geringerer Energieeintrag in die Bearbeitungsstelle erfolgt, verglichen mit dem Energieeintrag, der für einen idealen, störungsfreien Schweißprozess anzunehmen bzw. erforderlich ist. Zum Ausgleich des Verlustes an Energieeintrag in die Bearbeitungsstelle infolge der Abschattung durch die Prozessfackel wird der Schweißprozess in der Regel mit einer 10% bis 20% höheren Energie des Schweißlasers geführt. Durch diese höhere eingebrachte Energie ergibt sich zunächst das Erfordernis der adäquaten Abschirmung der Schweißanlage gegenüber der Umgebung. Außerdem kann diese höhere Energie wiederum zu einer unruhigeren Prozessfackel führen, da es während des Schweißprozesses rein stochastisch verteilt kurze Zeitspannen geben wird, in der der Laserstrahl nicht oder nur in sehr geringem Maße von der Prozessfackel abgeschattet wird, so dass während dieser Zeitspanne der volle bzw. annähernd volle Energieeintrag in die Bearbeitungsstelle erfolgt, wobei dieser Energieeintrag in diesem Moment dann allerdings über den prozesstechnisch idealen und geringen Energieeintrag liegt. Dieser dann prozesstechnisch zu hohe Energieeintrag kann in der Folge zu einer stärkeren und unruhigeren Prozessfackel führen.
Des Weiteren ist aus der WO 2019 / 051 273 A1 ein Verfahren zum Laserschweißen von zwei Werkstücken bekannt. Dabei offenbart die WO 2019 / 051 273 A1 eine Laserschweißvorrichtung, wobei der Laserstrahl mit einem Winkel zwischen 0° und 10° bezüglich der Werkstücke ausgerichtet werden kann. Zudem kann eine Abgaskammer vorgesehen sein, wobei während des Schweißvorgangs in dieser Abgaskammer ein Gas zirkulieren kann, um die Werkstücke vor den beim Schweißen der Werkstücke entstehenden Gasen zu schützen und diese abzusaugen.
Ferner ist aus der US 5 662 762 A und der DE 10 2018 201 803 A1 jeweils eine Vorrichtung bekannt, die unter Einsatz eines Laserstrahls eine Beschichtung von einem Werkstück abtragen kann. Diese Vorrichtung umfasst dabei eine Abschirmeinrichtung und eine Absaugeinrichtung. Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, dass das oben skizzierte Problem adressiert und ein verbessertes Führen des Schweißprozesses ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserschweißvorrichtung zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mittels eines Laserstrahls, mit einer Abschirmeinrichtung und einem von einer Strahlquelle emittierten und in der Abschirmeinrichtung entlang einer Strahlenrichtung verlaufenden Laserstrahl, wobei die Abschirmeinrichtung an einem der Strahlquelle entgegengesetzten Ende eine Öffnung ausbildet, zum Austritt des Laserstrahls auf eine Oberfläche des Werkstücks und einer Absaugeinrichtung, die in einem Betriebszustand in der Abschirmeinrichtung einen Volumenstrom unter einem Winkel von mindestens 10° bezogen auf die Strahlenrichtung des Laserstrahls erzeugt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird gewährleistet, dass der Laserstrahl unter einem anderen Winkel auf der Bearbeitungsstelle des Werkstücks trifft, als der Winkel, unter dem die Prozessfackel an der Bearbeitungsstelle auf dem Werkstück steht. Laserstrahl und Prozessfackel stehen sich somit nicht im Weg bzw. laufen aneinander vorbei. Mit einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung ist ein gleichmäßigerer Energieeintrag in die Bearbeitungsstelle gewährleistet und der benötigte Energieeintrag für den Schweißprozess kann in Richtung des prozesstechnisch idealen Energieeintrags unter idealen Bedingungen minimiert werden. Dies ist insbesondere eine Folge der reduzierten Spritzerbildung und damit der konstanter stehenden Prozessfackel. Während des Schweißprozesses entsteht ein stabiles Keyhole an der Bearbeitungsstelle, so dass sich hierdurch eine gleichmäßigere Entgasung beispielsweise von Beschichtungen ergibt. Die Erfindung sieht vor, dass die Absaugeinrichtung einen bezüglich einer Strömungsgeschwindigkeit geregelten Volumenstrom erzeugt. Hierdurch ist es möglich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit insgesamt zu reduzieren, um insbesondere im Bereich der Prozessfackel eine turbulenzfreie Zone zu erreichen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Winkel zwischen dem von der Absaugeinrichtung erzeugten Volumenstrom und der Strahlenrichtung des Laserstrahls mindestens 15° beträgt. Hierdurch ist bei gewissen Anwendungen in erhöhtem Maße sichergestellt, dass die Prozessfackel nicht den Laserstrahl abschattet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abschirmeinrichtung ein trichterförmiges Innenvolumen ausbildet und in einem erweiterten Bereich des Innenvolumens ein Strömungselement zwischen einem Strömungskanal des Volumenstroms und einem Strahlkanal des Laserstrahls angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich strömungsoptimierte eine Spülluft vor der optischen Laserstrahleinheit einzubinden. Hierbei kann in konkreter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der von der Absaugeinrichtung erzeugte Volumenstrom einen Nebenvolumenstrom in dem Strahlkanal des Laserstrahls in dem Bereich des Strömungselements induziert. Hierbei wird der Nebenvolumenstrom als Spülluft vor der optischen Einheit genutzt.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke mittels Laserschweißvorrichtung mit einer Abschirmeinrichtung und einem von einer Strahlquelle emittierten und in der Abschirmeinrichtung entlang einer Strahlenrichtung verlaufenden Laserstrahl, bei dem die durch die Laserbearbeitung entstehende Prozessfackel über einen durch eine Absaugeinrichtung erzeugte Volumenstrom unter einem Winkel von mindestens 10° bezogen auf die Strahlenrichtung des Laserstrahls eingestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren profitiert von den gleichen Vorteilen, wie sie schon im Zusammenhand mit der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung beschrieben wurde, mit der das Verfahren bevorzugt ausgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren ausgeführt, indem ein Wert der Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms geregelt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Abschirmeinrichtung an einem der Strahlquelle entgegengesetzten Ende eine Öffnung zum Austritt des Laserstrahls auf eine Oberfläche des Werkstücks ausgebildet und ein Abstand zwischen der Öffnung und der Oberfläche des Werkstücks eingestellt. In konkreter Verfahrensausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Öffnung und der Oberfläche des Werkstücks auf einen Wert kleiner als 1,5mm eingestellt wird. Aufgrund des geringen Abstands der Abschirmeinrichtung zum Werkstück kann ein Austritt der Laserstrahlung vermieden werden. Die Eignung als Laserwerkzeug der Laserschutzklasse 1 ist damit möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen

1 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Laserschweißvorrichtung und
2 die Laserschweißvorrichtung gemäß 1 mit einer skizzierten Strömung im Bereich der Bearbeitungsstelle.

Die 1 zeigt in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Laserschweißvorrichtung 10. Die Laserschweißvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das im Wesentlichen als Abschirmeinrichtung ausgebildet ist und in dem in einem oberen Bereich eine Strahlquelle 14 angeordnet ist. Die Strahlquelle 14 umfasst ferner eine nicht näher dargestellte Optik. Die Strahlquelle 14 kann auch über einen Faser in das Gehäuse 20 eingekoppelt werden. Über die Strahlquelle 14 wird während eines Betriebs der Laserschweißvorrichtung 10 ein Laserstrahl 16 entlang einer Strahlenrichtung Rs emittiert. Die Abschirmeinrichtung 12 bildet an einem der Strahlquelle 14 entgegengesetzten Ende eine Öffnung 18 aus. Über die Öffnung 18 kann der Laserstrahl 16 auf eine Oberfläche 4 eine Werkstücks 2 aus der Abschirmeinrichtung 12 austreten. Ferner ist eine Absaugeinrichtung 20 vorgesehen, die während eines Betriebs der Laserschweißvorrichtung 10 einen Volumenstrom in einem Innenvolumen 22 der Abschirmeinrichtung 12 erzeugt, um die durch den Schweißprozess erzeugte Prozessfackel 30, die im Wesentlichen durch Rauch, Schmauch, Gase und Schweißspritzer gebildet wird, abzusaugen und von der Bearbeitungsstelle wegzuführen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl 16 und die Prozessfackel 30 von dem Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück 2 aus gesehene unter einem Winkel α zueinander stehen. Dies bedeutet, dass bezogen auf die Flächennormale des bearbeiteten Werkstücks der Laserstrahl 16 unter einem bestimmten Teilwinkel einfällt und die Prozessfackel 30 bezogen auf die Flächennormale, bei einer zweidimensionalen Betrachtung, zur anderen Seite unter einem bestimmten Teilwinkel gehalten wird. Dieser Teilwinkel der Prozessfackel 30 bezogen auf die Flächennormale wird insbesondere durch die Funktion und Positionierung der Absaugeinrichtung 20 bezogen auf die Abschirmeinrichtung 12 bestimmt. Zudem wird der Teilwinkel der Prozessfackel 30 über die Belüftung der Prozessstelle durch den Abstand A zwischen der Öffnung 18 und der Oberfläche 4 des Werkstücks 2 beeinflusst. Für die Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung 10 können die Strahlquelle 14 und die Absaugeinrichtung 20 in einem oberen Bereich des Gehäuses 12 beabstandet nebeneinander angeordnet sein. Der Winkel α beträgt bevorzugt in einem Bereich zwischen 10° und 15°, wobei die Flächennormale des bearbeiteten Werkstücks nicht zwingend die Winkelhalbierende des Winkels α sein muss, sondern die oben beschriebenen Teilwinkel ungleich sein können.
In der 2 sind die Strömungsverhältnisse im Bereich der Öffnung 18 und des Abstandes A zwischen der Oberfläche 4 des Werkstücks und der Abschirmeinrichtung 12 zur Ausrichtung der Prozessfackel 30 einskizziert. Durch die gezielte Luftführung in diesem Bereich und die Anordnung der Absaugeinrichtung 20 lässt sich der Winkel α zwischen der Prozessfackel 30 und der Strahlrichtung Rs des Laserstrahls 16 beeinflussen bzw. einstellen. Zudem ist in der 2 in dem Bereich des Strömungselements 24 ein Pfeil 32 einskizziert, der eine Spülluft vor der Strahlquelle 14 und deren optischen Einheit symbolisiert. Die Spülluft kann dann vorgesehen werden, wenn die jeweilige Schweißanwendung eine gezielte und separate Reinhaltung des Bereichs um die optische Einheit erfordert.
Mittels der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 10 kann eine Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke ausgeführt werden. Hierbei wird die durch die Laserbearbeitung entstehende Prozessfackel über einen durch die Absaugeinrichtung 20 erzeugten Volumenstrom unter einem Winkel von mindestens 10° bezogen auf die Strahlenrichtung Rs des Laserstrahls 16 eingestellt wird.
Bezugszeichenliste

2: Werkstück
4: Oberfläche
10: Laserschweißvorrichtung
12: Abschirmeinrichtung
14: Strahlquelle
16: Laserstrahl
18: Öffnung
20: Absaugeinrichtung
22: Innenvolumen
24: Strömungselement
26: Strömungskanal
28: Strahlkanal
30: Prozessfackel
32: Spülluft

Claims

Laserschweißvorrichtung (10) zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke (2) mittels eines Laserstrahls (16), mit einer Abschirmeinrichtung (12) und einem von einer Strahlquelle (14) emittierten und in der Abschirmeinrichtung (12) entlang einer Strahlenrichtung (RS) verlaufenden Laserstrahl (16), wobei die Abschirmeinrichtung (12) an einem der Strahlquelle (14) entgegengesetzten Ende eine Öffnung (18) ausbildet, zum Austritt des Laserstrahls (16) auf eine Oberfläche (4) des Werkstücks (2) und einer Absaugeinrichtung (20), die in einem Betriebszustand in der Abschirmeinrichtung (12) einen Volumenstrom unter einem Winkel α bezogen auf die Strahlenrichtung (RS) des Laserstrahls (16) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilwinkel α₁ des Winkels α zwischen einer Normalenrichtung des oder der Werkstücke (2) und der Strahlenrichtung (Rs) zwischen 4° und 6° gebildet wird, wobei die Absaugeinrichtung (20) einen bezüglich einer Strömungsgeschwindigkeit geregelten Volumenstrom erzeugt.
Laserschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen dem von der Absaugeinrichtung (20) erzeugten Volumenstrom und der Strahlenrichtung (Rs) des Laserstrahls (16) mindestens 10° beträgt.
Laserschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen dem von der Absaugeinrichtung (20) erzeugten Volumenstrom und der Strahlenrichtung (Rs) des Laserstrahls (16) mindestens 15° beträgt.
Laserschweißvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung (12) ein trichterförmiges Innenvolumen (22) ausbildet und in einem erweiterten Bereich des Innenvolumens (22) ein Strömungselement (24) zwischen einem Strömungskanal (26) des Volumenstroms und einem Strahlkanal (28) des Laserstrahls (16) angeordnet ist.
Laserschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Absaugeinrichtung (20) erzeugte Volumenstrom einen Nebenvolumenstrom in dem Strahlkanal (28) des Laserstrahls (16) in dem Bereich des Strömungselements (24) induziert.
Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke (2) mittels einer Laserschweißvorrichtung (10) mit einer Abschirmeinrichtung (12) und einem von einer Strahlquelle (14) emittierten und in der Abschirmeinrichtung (12) entlang einer Strahlenrichtung (Rs) verlaufenden Laserstrahl (16), bei dem eine durch die Laserbearbeitung entstehende Prozessfackel über einen durch eine Absaugeinrichtung (20) erzeugten Volumenstrom unter einem Winkel von mindestens 10° bezogen auf die Strahlenrichtung (Rs) des Laserstrahls (16) eingestellt wird, wobei ein Wert der Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Teilwinkel α₁ des Winkels α zwischen einer Normalenrichtung des Werkstücks (2) und der Strahlenrichtung (Rs) zwischen 4° und 6° eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem die Abschirmeinrichtung (12) an einem der Strahlquelle (14) entgegengesetzten Ende eine Öffnung (18) zum Austritt des Laserstrahls (16) auf eine Oberfläche (4) des Werkstücks (2) ausbildet und ein Abstand (A) zwischen der Öffnung (18) und der Oberfläche (4) des Werkstücks (2) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Abstand zwischen der Öffnung (18) und der Oberfläche (4) des Werkstücks (2) auf einen Wert kleiner als 1,5 mm eingestellt wird.