DE102022120970A1

DE102022120970A1 - Laserschweißzange

Info

Publication number: DE102022120970A1
Application number: DE102022120970.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhardt Macke; Benjamin Gerhards; Stefan Meyer; David Bunse; Christian Otten
Original assignee: Lava X GmbH
Current assignee: Lava X GmbH
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserschweißzange (10), aufweisend eine Stützeinrichtung (11), die sich entlang einer Längsachse (12) erstreckt, ein optisches Einkoppelelement (13) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (16) auf eine Schweißzone (23) in der Laserschweißzange (10), eine erste Spannbacke (18) zum Halten der Werkstücke während des Schweißvorgangs, die in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) vor der Schweißzone (23) angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Spannbacke (18) entlang der Stützeinrichtung (11) axial verschiebbar an der Stützeinrichtung (11) angeordnet oder ausgebildet ist, sowie einen Antrieb (24), der zum Verschieben der ersten Spannbacke (18) zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Laserschweißzange für das Laserstrahlschweißen im Vakuum bereitgestellt ist, dass die erste Spannbacke (18) als eine erste Vakuumkammer (19) ausgebildet ist, oder eine erste Vakuumkammer (19) aufweist, dass die erste Vakuumkammer (19) optisch mit dem optischen Einkoppelelement (15) gekoppelt ist, dass in der ersten Spannbacke (18) eine Austrittsöffnung (26) für den Laserstrahl (16) ausgebildet ist und dass die erste Vakuumkammer (19) in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) austrittseitig der Austrittsöffnung (26) um die Austrittsöffnung (26) herum angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Vakuumkammer (19) so konfiguriert ist, dass sie die Schweißzone (23) in der Schweißposition umschließt und ein begrenztes lokales Vakuum um die Schweißzone (23) herum generiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Laserschweißzange gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken mit einer entsprechenden Laserschweißzange.
Die vorliegende Erfindung ist auf dem technischen Gebiet des Laserschweißens im Vakuum angesiedelt. Das Laserschweißen im Vakuum ist eine Verfahrenskombination der etablierten Fügetechniken Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen.
Beim Laserschweißen wird durch eine Lasereinrichtung erzeugtes Bearbeitungs-Laserlicht mit Hilfe einer Fokussieroptik auf einen kleinen Fleck gebündelt. Da die Energiedichte des Laserlichts sehr hoch ist, wird das zu schweißende Material schnell geschmolzen und teilweise verdampft und es entsteht schnell eine Schweißnaht. Das Laserschweißen findet gewöhnlich bei Atmosphärendruck statt.
Beim Elektronenstrahlschweißen erfolgt die Strahlerzeugung in der sogenannten Elektronenstrahlkanone durch Erwärmung einer Glühkathode und Anlegen einer Beschleunigungsspannung. Die Glühkathode ist bei den gängigen Varianten der Elektronenstrahlerzeuger ein Verschleißteil und muss, je nachdem welcher Werkstoff geschweißt wird, nach wenigen Stunden ausgetauscht werden. Einbaufehler, Verschmutzungen oder sonstige Änderungen dieser filigranen Komponente resultieren sofort in einer Veränderung der Strahleigenschaften und damit der Schweißnahtqualität. Die Strahlformung und -fokussierung erfolgt durch magnetische Spulen. Beim Elektronenstrahlschweißen ist verfahrensbedingt ein Hochvakuum notwendig. Denn eine Kollision der Elektronen mit den Luftmolekülen führt zu einer Aufweitung des Strahls und damit zum Absinken der Intensität am Werkstück.
In jüngerer Zeit hat sich das Laserschweißen im Vakuum entwickelt, mit zunehmend neuen und sich stetig erweiternden Anwendungsbereichen. Das Laserschweißen im Vakuum beziehungsweise Laserstrahlschweißen im Vakuum ist eine Verfahrensmodifikation des Laserschweißens beziehungsweise Laserstrahlschweißens. Es kombiniert die Vakuumtechnik, die normalerweise beim Elektronenstrahlschweißen zum Einsatz kommt, mit der etablierten Fügetechnik des Laserschweißens. Durch eine dadurch realisierbare Reduzierung der Siedetemperatur ist weniger Energie notwendig, um das zu bearbeitende Material, üblicherweise Metall, zu verdampfen. Während die Größe der Dampfkapillare maßgeblich vom Strahldurchmesser bestimmt wird, führt eine Temperaturverringerung in der Dampfkapillare auch zu einer Verkleinerung des umgebenden Schmelzbades. Spritzer- und Porenneigung werden deutlich reduziert. Neben der Qualitätssteigerung der Laserschweißnaht führt das Laserschweißen im Vakuum weiter zu einem signifikant reduzierten Wärmeeintrag, bei gleicher Einschweißtiefe. Dieser Effekt ist besonders bei temperatursensiblen oder heißrissanfälligen Werkstoffen, oder wenn besonders verzugsarm geschweißt werden soll, von großem Nutzen.
Das Laserschweißen im Vakuum wird in der Regel in dafür vorgesehenen Vakuumkammern ausgeführt. Beispielsweise kann in stationären Vakuumkammern geschweißt werden. Hier werden die zu schweißenden Werkstücke in die Vakuumkammer eingebracht. Anschließend erfolgt der Schweißvorgang innerhalb der Vakuumkammer. In stationären Vakuumkammern ist allerdings nicht jede Art von Schweißprozessen möglich. Beispielsweise auf dem Gebiet des Schweißens von Autokaroserien ist eine stationäre Vakuum-Schweißkammer nicht geeignet. Diese müsste viel zu groß sein, was mindestens unwirtschaftlich ist.
Beim Schweißen von Autokarosserien kommen deshalb vornehmlich lokal agierende Schweißvorrichtungen zum Einsatz, die man auch als Schweißzange bezeichnet.
Beim Schweißen von Autokarosserien ist derzeit noch das Widerstandspunktschweißen die vorherrschende Schweißmethode. Hier kommen Punktschweißzangen zum Einsatz. Die zu fügenden Bauteile werden zwischen zwei Elektroden positioniert, welche die zu schweißenden Bauteile zusammendrücken. Anschließend werden die Elektroden mit einem Schweißstrom beaufschlagt, wodurch sich die Fügestelle erhitzt. Dabei erfolgt eine punktuelle Erwärmung, so dass sich die zu schweißenden Bauteile unter Druck stoffschlüssig miteinander verbinden. Anschließend werden die Elektroden von der Schweißzone gelöst und ein nächster Schweißpunkt kann gesetzt werden. Das Prinzip der Widerstandspunktschweißens besteht somit darin, dass den zu verschweißenden Bauteilen über die Elektroden unter der Wirkung von Kraft Strom zugeführt wird. Problematisch beim Widerstandspunktschweißen ist unter anderem der so genannte Stromnebenfluss. Wenn die Schweißpunkte nicht weit genug auseinander liegen, fließt der Schweißstrom nicht nur über die aktuelle Schweißstelle, sondern auch über benachbarte Schweißpunkte. Weiterhin kann es zu Problemen kommen, wenn unterschiedlich dicke Werkstücke, beispielsweise Bleche, miteinander verschweißt werden sollen. Ein weiterer Nachteil ist der Elektrodenverschleiß. Es besteht deshalb das Bedürfnis, auf dem Gebiet der lokal agierenden Schweißvorrichtungen Alternativen zum Widerstandspunktschweißen zu finden.
Diesbezüglich ist es bereits bekannt geworden, beim Schweißen von Autokarosserien Schweißzangen zu verwenden, die zum Laserstrahlschweißen bereitgestellt sind. Eine Laserschweißzange ist dabei eine alternative Spann- und Fügetechnik zum Widerstandspunktschweißen. Im Gegensatz zum Widerstandspunktschweißen bietet die Laserschweißzange neben der Vermeidung der obigen Nachteile auch eine höhere Schweißgeschwindigkeit und eine höhere übertragbare Kraft der Schweißnähte.
Eine solche Laserschweißzange ist beispielsweise in der EP 2 149 421 B1 beschrieben. Die bekannte Laserschweißzange weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls auf. Bei dem Laser handelt es sich um einen Faserlaser. Weiterhin sind ein Kollimator und ein Wobbelgenerator vorgesehen. Diese Bauteile befinden sich an einem verfahrbaren ersten, oberen Zangenarm. Die genannten Bauteile sind in einem am oberen Zangenarm angeordneten Gehäuse angeordnet. Die Laserstrahlen können nur aus einem Austrittsschlitz aus dem Gehäuse austreten. Der Laserstrahl ist von dem Gehäuse vollständig umhaust. Während des Schweißvorgangs wird der obere Zangenarm so in Richtung des zu schweißenden Bauteils verfahren, dass der Austrittsschlitz auf der Bauteiloberfläche aufsitzt und ein oberes Druckstück bildet. Weiterhin realisiert ist bei dieser bekannten Lösung ein unterer Zangenarm, an dessen freiem Ende sich ebenfalls ein Druckstück befindet. Die Druckstücke haben die Funktion, die Bauteile passgenau zusammenzufügen. Diese Laserschweißzange ist jedoch nicht für das Laserschweißen im Vakuum konzipiert.
Die WO 2014/063153 A1 betrifft ebenfalls eine Schweißzange, ähnlich wie die vorgenannte Lösung. Hier weist der Zangenarm an seinem freien Ende, das ein Halteelement für das zu bearbeitende Bauteil betrifft, eine Absaugvorrichtung auf, die einen Unterdruck erzeugen kann. Zweck dieser Ausgestaltung ist es aber, beim Schweißvorgang entstehende Verunreinigungen abzusaugen, nicht aber, eine Vakuumkammer für das Laserschweißen bereitzustellen.
Bei der in der US 5,170,028 B offenbarten Lösung wird ein zu schweißendes Bauteil in einer Spannvorrichtung gehalten, die ein unteres Gehäuse und ein oberes Gehäuse aufweist, In dem oberen Gehäuse wird ein Vakuum eingestellt. Die beiden Kammern sind über ein Dichtungselement, das aus Gummi bestehen kann, miteinander verbunden. Diese bekannte Lösung betrifft jedoch ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen.
In der DE 10 2019 102 233 A1 wird ein Verfahren zum Schweißen von Bauteilen beschrieben. Der Schweißvorgang findet zwar bei einem Systemdruck statt, der geringer als der Atmosphärendruck ist. Das Schweißen im Vakuum wird jedoch explizit als nachteilig beschrieben. Da die Prozessanforderungen beim Schweißen mit einem solchen Systemdruck anders sind als die Prozessanforderungen beim Schweißen im Vakuum, lässt sich die Lehre dieser bekannten Druckschrift nicht ohne Weiteres auf das Anwendungsgebiet des Laserschweißens im Vakuum übertragen. Ein weiteres Problem tritt bei der bekannten Lösung dann auf, wenn zwei Werkstücke im Überlappstoß geschweißt werden. Mit der bekannten Lösung kann nicht gewährleistet werden, dass zwischen den Werkstückoberflächen während des Schweißvorgangs ein „Nullspalt“ besteht. Diese Problematik wird im Zusammenhang mit der Erfindungsbeschreibung weiter unten näher erläutert.
Alle zuvor beschriebenen Lösungen zum Stand der Technik eignen sich nicht zum Laserstrahlschweißen im Vakuum.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserschweißzange bereitzustellen, die mit Vakuum arbeitet, und die dabei die Prozessvorteile des Widerstandspunktschweißens, des Laserstrahlschweißens und des Elektronenstrahlschweißens vereint.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Laserschweißzange mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, die den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16, das den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die hinsichtlich des Vorrichtungsaspekts beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch hinsichtlich des Verfahrensaspekts, und umgekehrt, so dass alle Merkmale des Vorrichtungsaspekts wechselseitig auch im Zusammenhang mit den Merkmalen des Verfahrensaspekts und umgekehrt gelten, so dass darauf wechselseitig Bezug genommen wird. Insbesondere wird im Zusammenhang mit den einzelnen Komponenten der Laserschweißzange auch deren Funktionsweise erläutert, was insoweit dann gleichzeitig auch Verfahrensmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
Zunächst werden die grundlegenden Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Laserschweißzange beschrieben, bevor daran folgend die einzelnen Aspekte der Erfindung im Einzelnen erläutert werden.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Laserstrahlschweißen im Vakuum realisiert wird, wobei es sich bei dem Vakuum um ein begrenztes lokales Vakuum handelt. Das bedeutet, dass das Vakuum auf eine bestimmte Fläche beziehungsweise auf ein bestimmtes Volumen begrenzt ist. Bei dieser Fläche handelt es sich insbesondere um die Schweißzone, in der der eigentliche Schweißvorgang stattfindet, oder um die unmittelbare Umgebung der Schweißzone. Das Vakuum ist auf diesen bestimmten Bereich begrenzt, sprich lokal. Das Vakuum wird somit nur dort bereitgestellt, wo es für den Schweißvorgang tatsächlich benötigt wird. Im Vergleich zu stationären Vakuumkammern hat dies unter anderem den Vorteil, dass nur sehr kurze Absaugzeiten erforderlich sind. Denn das für den Schweißprozess benötigte Vakuum wird nur in einem sehr kleinen Volumen um die Schweißzone beziehungsweise die Schweißstelle herum generiert. Bei der Schweißzone handelt es sich insbesondere um den schmelzflüssigen Bereich, in dem der Schweißprozess selbst stattfindet.
Die Laserschweißzange kommt bevorzugt im Verfahren des Laserstrahlschweißens im lokalen Vakuum zum Einsatz. Die Laserschweißzange ist insbesondere eine mobil und/der lokal agierende Laserschweißzange. Die Laserschweißzange ist insbesondere ein mobiles Schweißgerät, welches beispielsweise von Hand, oder mittels eines Manipulators, etwa eines Industrieroboters, zum Schweißort geführt wird.
Die erfindungsgemäße Laserschweißzange ist für eine große Bandbreite an Werkstoffen und Werkstoffkombinationen einsetzbar. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für das Schweißen von verschiedenen Aluminiumlegierungen, Stahllegierungen, metallischen Leichtbauwerkstoffen und dergleichen, die insbesondere für die Automobilindustrie von großem Interesse sind, wobei die Erfindung natürlich nicht auf diese genannten Metalle beschränkt ist und andere Arten von Metallen mit der Laserschweißzange ebenfalls geschweißt werden können. Die Erfindung soll insbesondere bei der Herstellung von Karosseriebauteilen zum Einsatz kommen. Hier ist derzeit noch das Widerstandspunktschweißen eine vorherrschende Schweißmethode. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese bestimmte Anwendungsform beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo lokal agierende Schweißvorrichtungen vorteilhaft sind.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das für den Schweißprozess benötigte Vakuum in einem nur sehr kleinen Volumen um die Schweißzone herum generiert wird. Die Spanntechnik fungiert gleichzeitig auch als Vakuumkammer, wobei die Laserbearbeitung in der Vakuumkammer erfolgt, um einen Vakuumschweißprozess zu ermöglichen. Deshalb muss der Laserstrahl innerhalb der Vakuumkammer positioniert werden. Gleichzeitig kann während des Schweißprozesses immer ein Nullspalt realisiert werden, was weiter unten im Detail beschrieben wird.
In einer Anwendungsform werden Laser-Schweißvorgänge automatisiert, insbesondere unter Verwendung von Robotern, das heißt robotergeführt, durchgeführt. Mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange ist es insbesondere möglich, diese an einem Manipulator, beispielsweise an einem Roboterarm zu befestigen. Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Laserschweißzange gegen bereits vorhandene Widerstandspunktschweißzangen zu ersetzen und auszutauschen. Aufwändige Spannvorrichtungen, wie beispielsweise in stationären Vakuumkammern oder beim Laser-Remote-Schweißen üblich, können entfallen, da die Spanntechnik direkt in der Laserschweißzange integriert ist.
Der Schweißvorgang, beispielsweise die Erzeugung einer Schweißnaht, erfolgt innerhalb der Laserschweißzange. Dazu weist die Laserschweißzange in an sich bekannter Weise vorzugsweise eine oder zwei Spannbacken auf. Bei einer Spannbacke handelt es sich insbesondere um ein Halteelement, welches ein zu bearbeitendes Werkstück während eines Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise eines Schweißvorgangs, hält und in der Bearbeitungsposition fixiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Spannbacken gleichzeitig auch die Funktion der Vakuumkammer. Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur eine solche Spannbacke mit Vakuumkammerfunktion vorhanden ist. Die Spannbacken sind ein wesentliches Bauteil der Laserschweißzange. Denn mit Ihnen wird das zu schweißende Werkstück, beziehungsweise die zu schweißenden Werkstücke, zusammengedrückt. Dies ist eine ganz wesentliche Voraussetzung, denn während des Vakuum-Laserschweißvorgangs muss zwischen den zu verschweißenden Bauteilen ein Nullspalt vorliegen. Das bedeutet, dass zwischen den zu verschweißenden Bauteilen kein Spalt vorhanden ist. Würde zwischen den zu verschweißenden Bauteilen ein Spalt existieren, würde sich dies negativ auf das Vakuum und damit auf den Vakuum-Laserschweißprozess auswirken, da durch den Spalt eine undichte Vakuumkammer mit einer Leckage entstehen kann. Der Nullspalt ist somit wichtig, damit die Bleche die Schweißnaht beim Anpressen vom Umgebungsdruck abschirmen und eine Vakuumschweißung ermöglicht wird. Weiterhin ist die Vermeidung eines Spalts zwischen den zu verschweißenden Bauteilen, das heißt die Realisierung eines Nullspalts auch deshalb sehr wichtig, da ansonsten Luft, insbesondere Zugluft, zwischen die zu verschweißenden Werkstücke eindringen kann beziehungsweise eindringt, die dann das schmelzflüssige Material durch den Druckunterschied in die Vakuumkammer drückt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserschweißzange für das Schweißen im Überlappstoß bereitgestellt. Beim Schweißen im Überlappstoß liegen mehrere Werkstücke, beispielsweise Bleche, vorzugsweise parallel, aufeinander und überlappen sich. Dabei kann ein Werkstück über ein anderes hinausragen. Beispielsweise können auch zwei Werkstücke auf einer Ebene liegen und von einem dritten Werkstück überlappt werden.
Beispielsweise werden mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise Bleche, vorzugsweise im Überlappstoß, verschweißt. Mit zunehmender Blechdicke nimmt auch die Steifigkeit der Bleche zu. Bei erhöhter Blechdicke muss die Spannkraft der Spannbacken erhöht werden, um einen Nullspalt zwischen den Blechen zu erzeugen. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses genannte Anwendungsbeispiel beschränkt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Laserschweißzange zur Erzeugung einer Schweißnaht zum Verbinden von Werkstücken vorzugsweise im Überlappstoß, bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
In herkömmlicher Weise weist die Laserschweißzange zunächst eine Stützeinrichtung auf, die sich entlang einer Längsachse erstreckt. An der Stützeinrichtung werden die einzelnen Komponenten der Laserschweißzange angeordnet. Bei der Stützeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Stützarm, einen Stützrahmen, ein Stützgestell, eine Stützstruktur oder dergleichen handeln. Über die Stützeinrichtung kann die Laserschweißzange beispielsweise an einem Manipulator, etwa einem Roboterarm, montiert oder montierbar sein, oder aber gegebenenfalls auch von Hand geführt werden.
Weiterhin weist die Laserschweißzange ein optisches Einkoppelelement auf, welches zum Einkoppeln eines Laserstrahls auf/in eine Schweißzone in der Laserschweißzange bereitgestellt ist. Ein erzeugter Laserstrahl wird über das optische Einkoppelelement eingekoppelt und in der Laserschweißzange auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet und auf dem Werkstück positioniert. Wie dies im Einzelnen umgesetzt wird, wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Bei dem optischen Einkoppelelement handelt es sich beispielsweise um ein Einkoppelglas, welches vorzugsweise auch die Funktion eines Schutzglases übernimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform, die weiter unten näher beschrieben wird, wird durch das optische Einkoppelelement der Atmosphärendruck außerhalb der Laserschweißzange vom Druck innerhalb der Vakuumkammer, getrennt. Das optische Einkoppelelement ist an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Im ersten Fall handelt es sich um ein eigenständiges Element, das an der Stützeinrichtung montiert wird. Im zweiten Fall handelt es sich um einen integralen Bestandteil der Stützeinrichtung.
Dem optischen Einkoppelelement kann beispielsweise ein Sensorelement zugeordnet sein, welches derart bereitgestellt ist, dass es in der Lage ist, eine Verschmutzung des optischen Einkoppelelements zu detektieren. Denn ein verschmutztes optisches Einkoppelelement beeinflusst den Laserstrahl und damit den Laserschweißprozess negativ.
Des Weiteren weist die Laserschweißzange eine erste Spannbacke zum Halten des oder der Werkstücke während des Schweißvorgangs auf. Eine Spannbacke ist insbesondere eine Vorrichtung, mittels der das oder die zu bearbeitende(n) Werkstück(e) aufgenommen, gehalten und während des Schweißprozesses fixiert wird/werden.
Die erste Spannbacke ist in Strahlrichtung des Laserstrahls vor der Schweißzone angeordnet oder ausgebildet. Die erste Spannbacke erzeugt somit insbesondere eine von oben auf das zu schweißende Werkstück wirkende Spannkraft. Die erste Spannbacke ist entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Auf diese Weise kann die erste Spannbacke auf das zu schweißende Werkstück aufgesetzt und von diesem auch wieder abgehoben werden. Beispielsweise kann die erste Spannbacke über einen ersten Tragarm axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet sein. Das bedeutet, die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm ist beweglich, wobei die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm vorzugsweise linear entlang der Längsachse verfahren werden kann. Entweder handelt es sich bei der ersten Spannbacke beziehungsweise dem ersten Tragarm um ein eigenständiges Bauteil, welches beweglich an der Stützeinrichtung angeordnet ist. Oder aber die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm ist als ein integraler Bestandteil der Stützeinrichtung ausgebildet. In diesem Fall muss zur Erzeugung der genannten Beweglichkeit die gesamte Stützeinrichtung entsprechend beweglich sein.
Die erste Spannbacke wird zur Initialisierung eines Schweißprozesses in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks verfahren, und nach Beendigung des Schweißprozesses von dem nun geschweißten Werkstück wegbewegt, damit dieses von der Laserschweißzange entfernt oder entnommen werden kann. Über die erste Spannbacke wird das zu schweißende Werkstück, beispielsweise zwei zu verschweißende Bleche, so gedrückt, dass ein Nullspalt zwischen Spannbacke und Werkstück, sowie auch zwischen den beiden Blechen, entsteht.
Um die Beweglichkeit der ersten Spannbacke und insbesondere des ersten Tragarms realisieren zu können, weist die Laserschweißzange einen Antrieb auf, der zum Verschieben der ersten Spannbacke oder des ersten Tragarms oder der Stützeinrichtung zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist. In diesem Fall ist der Antrieb Teil der Laserschweißzange und bevorzugt an der Stützeinrichtung angeordnet. In einer anderen Ausführungsform weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einem Antrieb auf, der zum Verschieben der ersten Spannbacke oder des ersten Tragarms oder der Stützeinrichtung zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist. In diesem Fall ist der Antrieb an sich nicht Bestandteil der Laserschweißzange. Die Antriebskraft wird dann außerhalb der Laserschweißzange generiert und über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise eine Leitung oder einen Schlauch, übertragen.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Antriebsarten beschränkt. Beispielsweise ist der Antrieb so ausgebildet, dass er eine gleichförmige, insbesondere lineare, Verfahrbewegung erzeugt. Beispielseise kann der Antrieb auch zur Erzeugung einer Geschwindigkeitsvariation ausgebildet sein. Der Antrieb ist beispielsweise als Pneumatikantrieb oder als Hydraulikantrieb ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb jedoch als ein elektrischer Antrieb ausgebildet, beispielsweise als ein Elektromotor, etwa ein Servomotor. Im Fall eines elektrischen Antriebs umfasst dieser bevorzugt auch eine Wandlereinrichtung, die derart bereitgestellt ist, dass sie die Motorrotation in eine lineare Translationsbewegung übersetzen kann, beispielsweise um eine Kugelumlaufspindel.
Erfindungsgemäß ist die Laserschweißzange, wie weiter oben allgemein beschrieben, für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum bereitgestellt.
Dazu ist die erste Spannbacke als eine erste Vakuumkammer ausgebildet ist, oder die erste Spannbacke weist eine erste Vakuumkammer auf. Im ersten Fall ist die erste Vakuumkammer integraler Bestandteil der ersten Spanbacke. Im zweiten Fall ist die erste Vakuumkammer ein eigenständiges Bauteil, welches an der ersten Spannbacke angeordnet ist/wird.
Dabei ist die erste Vakuumkammer optisch mit dem optischen Einkoppelelement gekoppelt, so dass der erzeugte Laserstrahl, der über das optische Einkoppelelement in die Laserschweißzange eingekoppelt wird, in der ersten Vakuumkammer und damit, beim Betrieb der Laserschweißzange, in der Schweißzone auf dem zu schweißenden Werkstück positioniert werden kann.
In der ersten Spannbacke ist eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl ausgebildet. Der Laserstrahl tritt aus der Austrittsöffnung aus und wird anschließend in der Schweißzone positioniert. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungen der Austrittsöffnung beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass die Austrittsöffnung so bemessen ist, dass der aus dieser austretende Laserstrahl die gesamte Schweißzone erreichen und überstreichen kann. Beispielswiese kann die Austrittsöffnung rund, oval oder in beliebiger Weise eckig ausgebildet sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Austrittsöffnung als Austrittschlitz ausgebildet. Ein Schlitz ist insbesondere eine längliche schmale Öffnung, deren Länge um ein Vielfaches größer ist als deren Breite. Beispielsweise kann es sich bei der Austrittsöffnung um ein Langloch handeln. Ein Langloch ist insbesondere eine längliche Bohrung oder Nut, deren schmale Seiten durch Halbkreise abgeschlossen sind, deren Durchmesser der Breite des Langlochs entspricht. Die Längsseiten des Langlochs verlaufen vorzugsweise parallel.
Die erste Vakuumkammer ist in Strahlrichtung des Laserstrahls austrittseitig der Austrittsöffnung um die Austrittsöffnung herum angeordnet oder ausgebildet ist. Dies wird im weiteren Verlauf im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen der Vakuumkammer näher beschrieben. Die erste Vakuumkammer ist dabei so konfiguriert, wie weiter oben allgemein beschrieben ist, dass sie die Schweißzone in der Schweißposition umschließt und ein begrenztes lokales Vakuum um die Schweißzone herum generiert.
Erfindungsgemäß wird die Schweißnaht innerhalb der ersten Spannbacke erzeugt, die gleichzeitig die Funktion einer Vakuumkammer erfüllt. Es liegen für den Schweißvorgang somit zwei energetische Eingangsgrößen vor: die Laserstrahlung und die Vakuum-Umgebung in der Vakuumkammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Laserschweißzange eine zweite Spannbacke zum Halten des oder der Werkstücke während des Schweißvorgangs auf. Die zweite Spannbacke ist in Strahlrichtung des Laserstrahls hinter oder unterhalb der Schweißzone angeordnet oder ausgebildet. Die zweite Spannbacke erzeugt somit insbesondere eine von unten auf das zu schweißende Werkstück wirkende Spannkraft. Die zweite Spannbacke ist entweder entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Oder aber, die zweite Spannbacke ist feststehend an der Stützeinrichtung angeordnet. Beispielsweise kann die zweite Spannbacke über einen zweiten Tragarm an der Stützeinrichtung angeordnet sein, der entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet ist, oder der feststehend an der Stützeinrichtung angeordnet ist, oder der Bestandteil der Stützeinrichtung ist. Die Schweißzone ist zwischen der ersten und zweiten Spannbacke ausgebildet.
Bevorzugt ist auch die zweite Spannbacke als eine zweite Vakuumkammer ausgebildet, oder die zweite Spannbacke weist eine zweite Vakuumkammer auf. Bezüglich der Ausgestaltung und Funktion des zweiten Tragarms, der zweiten Spannbacke und der zweiten Vakuumkammer wird auch auf die Ausführungen zum ersten Tragarm, zur ersten Spannbacke und zur ersten Vakuumkammer verwiesen.
Grundsätzlich für die Erfindung ausreichend ist eine einseitige Zugänglichkeit durch Aufsetzen der ersten, oberen Spannbacke, beziehungsweise der ersten Vakuumkammer, auf dem zu schweißenden Werkstück. Eine zweite Spannbacke, beziehungsweise eine zweite Vakuumkammer, kann hier entfallen. Die erforderliche Abdichtung erfolgt dann insbesondere durch einseitiges Anpressen der ersten, oberen Vakuumkammer und es erfolgt eine Einschweißung, statt einer Durchschweißung, beispielsweise ins untere Werkstück, wenn zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise zwei Bleche, miteinander verschweißt werden. Bei einer Durchschweißung ist insbesondere die zweite, untere Spannbacke mit der zweiten, unteren Vakuumkammer realisiert.
Vorzugsweise kann in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit der ersten Spannbacke weiter oben beschrieben auch die zweite Spannbacke eine entsprechende Austrittsöffnung aufweisen, wobei dies aber nicht zwingend erforderlich ist.
Vorzugsweise ist an oder in der ersten Spannbacke und/oder der zweiten Spannbacke, insbesondere an oder in dem ersten Tragarm und/oder dem zweiten Tragarm eine Kraftmesseinrichtung angeordnet oder ausgebildet, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, um die an den zu schweißenden Werkstücken während des Schweißvorgangs anliegenden Kräfte zu überwachen. Die Kraftmesseinrichtung ist beispielsweise in Form einer Kraftmessdose ausgebildet. Vorzugsweise ist die Kraftmesseinrichtung nur einachsig auf Zug oder Druck belastet oder belastbar. Dadurch wird ein reales Messergebnis erhalten und eine Zerstörung der Kraftmesseinrichtung, etwa bei zu hoher Querkraft, wird verhindert.
Vorzugsweise weist die Laserschweißzange eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls auf, die dann an der Stützenrichtung angeordnet ist. Die Einrichtung weist eine Reihe von Komponenten auf, wobei mindestens einige der Komponenten dann an der Stützeinrichtung angeordnet sind. In diesem Fall wird der Laserstrahl innerhalb der Laserschweißzange erzeugt, oberhalb des optischen Einkoppelelements. Oder aber, in anderer Ausgestaltung, weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls auf- In diesem Fall wird der Laserstrahl außerhalb der Laserschweißzange erzeugt und über das optische Einkoppelelement in die Laserschweißzange eingekoppelt. Die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls muss nicht notwendiger Weise an der Laserschweißzange verbaut sein. Die Einrichtung weist zunächst eine Laserquelle auf, wobei alle Arten von Laserquellen genutzt werden können, gegebenenfalls auch Elektronenstrahlquellen. Zudem weist die Einrichtung bevorzugt auch eine Laseroptik auf. Dabei können 0- bis 3D-Optiken verbaut werden/sein. Des Weiteren kann die Einrichtung auch einen Kollimator, eine Einrichtung zur Optikmanipulation, und dergleichen aufweisen. Die Einrichtung, beziehungsweise zumindest einzelne Komponenten davon können, insbesondere linear, verfahrbar an der Stützeinrichtung angeordnet sein, insbesondere in Längsrichtung der Stützeinrichtung. Die verfahrbaren Komponenten können somit auch dann bewegt werden, wenn die Spannbacken der Laserschweißzange fest verspannt sind.
In weiterer Ausgestaltung weist die Laserschweißzange bevorzugt eine Einrichtung zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls auf, die an der Stützenrichtung angeordnet ist. Oder aber, in anderer Ausgestaltung, weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls auf, wobei die Einrichtung zum Ablenken des erzeugten Laserstrahls vorzugsweise linear verschiebbar ist. Eine solche Ablenkungs-Einrichtung wird auch als Laserscanner bezeichnet. Sie ermöglicht das zeilenartige und/oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen des zu bearbeitenden Werkstücks, um dieses bearbeiten zu können. Anstelle eines Laserscanners könnte auch eine Festoptik zum Einsatz kommen, die dann, vorzugsweise linear, in Richtung der Schweißnaht verfahren wird. Bevorzugt ist realisiert, dass die Ablenkungs-Einrichtung verfahrbar, insbesondere linear verfahrbar, etwa entlang der Längsachse der Stützeinrichtung, an der Stützeinrichtung angeordnet ist. Die Ablenkungs-Einrichtung kann somit auch dann bewegt werden, wenn die Spannbacken der Laserschweißzange fest verspannt sind.
Mittels einer verfahrbaren Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls und/oder einer verfahrbaren Ablenkungseinrichtung kann beispielsweise der Fokusabstand des erzeugten Laserstrahls variiert werden. Insbesondere kann der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl defokussiert werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dadurch die Endkrater einer Schweißnaht optimiert und insbesondere eine Endkrater-Rissbildung reduziert werden kann. Derartige Endkrater beziehungsweise eine Endkratervermeidung wird/werden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter unten im Detail beschrieben.
Zusätzlich kann die Laserschweißzange einen Laserkopf aufweisen, der bevorzugt an der Stützeinrichtung angeordnet ist, und der die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls und/oder die Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls, oder zumindest einzelne Komponenten davon, mit der Laserschweißzange, beispielsweise der Laser-Schweißzange, verbindet. In dem Laserkopf kann das optische Einkoppelelement angeordnet oder ausgebildet sein.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, wie die erste und/oder zweite Vakuumkammer bevorzugt ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer eine Kontaktfläche für die Werkstücke auf. Über die Kontaktfläche kommt die Vakuumkammer während des Spannvorgangs mit dem Werkstück in Kontakt und steht während es späteren Schweißvorgangs mit diesem in Kontakt. Während des Spannvorgangs wird das zu schweißende Werkstück über die Spanbacke(n) beziehungsweise die Vakuumkammer(n) mit einer Spannkraft gehalten, die dann über die Kontaktfläche von der/den Spannbacke(n), insbesondere von deren Vakuumkammer(n) auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird.
Bevorzugt ist die erste, obere Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen. Dabei ist die erste Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg begrenzt, der in Richtung der Schweißzone, das heißt nach unten, insbesondere von der ersten Spannbacke, abragt. Das freie Ende der ersten Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ist bevorzugt als die vorstehend beschriebene Kontaktfläche ausgebildet. Beispielsweise weist die erste Spannbacke eine mit einer Austrittsöffnung versehene Grundplatte oder Grundstruktur auf, wobei der erzeugte Laserstrahl von oben durch die Austrittsöffnung hindurchtritt, um auf dem zu bearbeitenden Werkstück positioniert zu werden. Hinsichtlich der Austrittsöffnung wird an dieser Stelle auch auf die entsprechenden Ausführungen dazu weiter oben Bezug genommen und verwiesen. Diese Austrittsöffnung definiert beziehungsweise begrenzt insbesondere die Schweißzone.
Von dieser Grundplatte oder Grundstruktur der Spannbacke ragt dann die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, nach unten, das heißt in Richtung der Schweißzone, ab. Die Vakuumkammerwand ist dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass sie die Austrittsöffnung für den Laserstrahl umgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, direkt und ohne Versatz an die Austrittsöffnung an. Die Kontur der Vakuumkammerwand entspricht dabei vorzugsweise der Kontur der Austrittsöffnung. Die Vakuumkammerwand kann in diesem Fall als eine Art Verlängerung der Austrittsöffnung angesehen werden. In anderer Ausgestaltung kann die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, in einem geringen Abstand zur Austrittsöffnung bereitgestellt sein, In diesem Fall besteht zwischen Austrittsöffnung und Vakuumkammerwand ein geringer Versatz. Beispielsweise kann dieser Versatz 1cm oder kleiner betragen. In diesem Fall muss die Kontur der Vakuumkammerwand nicht zwangsläufig mit der Kontur der Austrittsöffnung übereinstimmen. Je näher sich die Vakuumkammerwand an der Austrittsöffnung befindet, desto kleiner ist das Volumen, das für den durchzuführenden Schweißprozess evakuiert werden muss.
Die Vakuumkammer, und insbesondere die Vakuumkammerwand, ist dasjenige Element oder derjenige Bestandteil der Spannbacke, welches mit dem zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere über die Kontaktfläche, als erstes in Kontakt kommt. Die Vakuumkammer übernimmt somit insbesondere auch Spannbackenfunktion.
In gleicher Weise kann zusätzlich oder alternativ auch die zweite, untere Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen sein, wobei die zweite Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg, begrenzt ist, der in Richtung der Schweißzone, insbesondere von einer Grundplatte oder Grundstruktur, abragt, diesmal nach oben. Das freie Ende der zweiten Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ist bevorzugt als die vorstehend beschriebene Kontaktfläche ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform wird die Spannbacke beziehungsweise die Vakuumkammer, die nach unten beziehungsweise nach oben, das heißt in jedem Fall in Richtung der Werkstückoberfläche offen ist, von einer Vakuumkammerwand, insbesondere mit einem umlaufenden Steg begrenzt. Dadurch entsteht beim Auftreffen der Vakuumkammerwand, vorzugsweise der Kontaktfläche, insbesondere ein elastischer Eindruck der Spannbacke im Werkstück, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht, da er die Schweißzone, die sich innerhalb der Vakuumkammerwand befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch der geforderte Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, realisiert werden kann. Durch die Vakuumkammerwand wird die Schweißzone gegen den Umgebungsdruck abgedichtet. Die Schweißzone liegt innerhalb der Vakuumkammerwand, beispielsweise des umlaufenden Stegs, um zum einen die Vakuumdichtheit, zum anderen aber auch einen Schutz vor den Laserstrahlen, zu gewährleisten. Über die Vakuumkammerwand, beispielsweise den Steg, wird zudem auch ein eventuell geforderter Nullspalt ermöglicht. Die Vakuumkammerwand, beispielsweise der Steg, kann beispielsweise eine Breite von 1 mm haben.
In bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführungsform ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder in der Vakuumkammerwand, insbesondere im Steg, beispielsweise in der Kontaktfläche, eine Dichtungseinrichtung, insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt, Zur Fixierung der Dichtungseinrichtung ist optional eine, vorzugsweise keilförmige, schwalbenschwanzförmige oder anders ausgebildete, Nut zur Aufnahme der Dichtungseinrichtung bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Ausführung, bei der einer wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform beschriebenen auftretenden Werkstückverformung entgegengewirkt wird. Dazu ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder innerhalb einer entsprechend breit ausgebildeten Vakuumkammerwand, insbesondere eines Stegs, eine Dichtungseinrichtung, beispielsweis in Form eines Dichtrings vorgesehen. Zur Fixierung des Dichtungseinrichtung ist diese in der Nut eingelegt, die beispielsweise in der Kontaktfläche ausgebildet ist. Die Realisierung des geforderten Nullspalts erfolgt wiederum über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, der sich, räumlich gesehen, innerhalb der Dichtungseinrichtung, das heißt im Vergleich zur Dichtungseinrichtung näher an der Austrittsöffnung, befindet. Bei der Betätigung des Spannbacke berührt zunächst die Dichtungseinrichtung das Werkstück und wird zusammengedrückt. Dadurch wird die Vakuumabdichtung realisiert. Beim weiteren Zusammenfahren trifft die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf die Werkstückoberfläche und drückt, beispielsweise wenn zwei Werkstücke im Überlappungsstoß verschweißt werden, die Werkstücke zusammen, wodurch der Nullspalt realisiert werden kann. Da aber über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, nicht mehr die Abschirmung vom Atmosphärendruck erfolgen muss, kann die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, bei dieser Ausführungsform breiter ausgebildet sein, was eine größere Auflagefläche bewirkt und eine dauerhafte Verformung des Werkstücks verhindert.
Vorzugsweise ist/sind zur Erzeugung eines Unterdrucks die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden. Über die Evakuierungseinrichtung wird der gewünschte Unterdruck, beziehungsweise das gewünschte Vakuum, in der/den Vakuumkammer(n) erzeugt. Da die Vakuumkammern, insbesondere im Vergleich zu stationären Vakuumkammern, nur ein sehr geringes zu evakuierendes Volumen aufweisen, kann die Evakuierung schnell und mit wenig Aufwand erfolgen. Je nach Ausgestaltung können beide Vakuumkammern mit ein und derselben Evakuierungseinrichtung, oder jeweils mit eigenen individuellen Evakuierungseinrichtungen verbunden sein.
Vorzugsweise ist/sind die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, zur Ausübung einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche bereitgestellt. Dies kann beispielsweise über den Antrieb realisiert werden. Das bedeutet, dass die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke derart auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, dass die definierte Spannkraft auf das zu schweißende Werkstück ausgeübt wird und dass das zu schweißende Werkstück mit der definierten Spannkraft gehalten wird. Die Höhe der definierten Spannkraft ergibt sich beispielsweise aus dem zu schweißenden Werkstück, insbesondere dessen Materialeigenschaften, und/oder aus den gewünschten Spannresultaten. Beispielsweise kann die definierte Spannkraft eine Größe haben, die im Spannzustand eine elastische Verformung der Werkstückoberfläche erzeugt. Alternativ oder zusätzlich, wenn zwei Werkstücke im Überlappstoß geschweißt werden, kann die Spannkraft eine Größe haben, die im Spannzustand einen Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken erzeugt. Die erforderliche Spannkraft kann über eine entsprechende Betätigung des Antriebs realisiert werden.
Vorzugsweise ist in der zweiten Vakuumkammer ein Lichtsensorelement angeordnet, oder der zweiten Vakuumkammer ist ein Lichtsensorelement zugeordnet. Bei der Verwendung von zwei Vakuumkammern, das heißt bei einer oberen und einer unteren Vakuumkammer, fungiert das Lichtsensorelement als Qualitätssicherung. Insbesondere kann damit das Durchschweißen erfasst und aufgezeichnet werden.
Vorzugsweise weist die Laserschweißzange zwischen dem optischen Einkoppelelement und der ersten Vakuumkammer eine Einhausung für den Laserstrahl auf. In Strahlrichtung des Laserstrahls unterhalb beziehungsweise hinter dem optischen Einkoppelelement beginnt dann vorzugsweise der Vakuumbereich der Laserschweißzange. Zur Atmosphäre hin wird das Vakuum mit dem optischen Einkoppelelement, der Einhausung und der ersten Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer abgeschirmt. Vorzugsweise ist die Einhausung als ein Membranbalg oder als ein Faltenbalg ausgebildet. Wenn die erste, obere Spannbacke beweglich, insbesondere linear beweglich ist, muss die erste Vakuumkammer ebenfalls in entsprechender Weise beweglich sein. Aus Sicherheitsgründen muss der Laserstrahl, der über das optische Einkoppelelement eingekoppelt wird, jedoch eingehaust sein. Wenn die erste Vakuumkammer bewegt wird, verändert sich auch der Abstand zum optischen Einkoppelelement. Um dabei die Abschirmung des Laserstrahls zu gewährleisten, ist die Einhausung bevorzugt ein Membranbalg, bei dem es sich beispielsweise um einen Faltenbalg handelt, der die Funktion eines Gehäuses um den Laserstrahl übernimmt. Ein Faltenbalg ist insbesondere ein Volumenköper, beispielsweise ein ringförmiger Zylinder oder ein mehreckiger, beispielsweise viereckiger, insbesondere rechteckiger oder quadratischer Volumenkörper, der einen wellenförmig wechselnden Innen-Querschnitt, beispielsweise Durchmesser, aufweist. Ein Faltenbalg kann somit Bewegungen in axialer Richtung ausführen, indem sich dieser „ziehharmonikamäßig“ auseinanderziehen und zusammendrücken lässt. Bevorzugt besteht der Faltenbalg aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl. Wenn die zu schweißenden Werkstücke in der Laserschweißzange fest eingespannt sind, kann der Membranbalg oder Faltenbalg dennoch verfahren werden, etwa, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung und/oder Ablenkung des Laserstrahls in der wie weiter oben beschriebenen Weise verfahren, insbesondere linear verfahren, wird. Die Einhausung kann insbesondere als Laserschutz dienen. Die Einhausung schirmt den Laserstrahl, auch reflektierte Strahlung ab und schützt somit Personen in der Umgebung der Laserschweißzange. Eine Einhausung der gesamten Schweißvorrichtung oder der gesamten Schweißzange kann somit entfallen. Zusätzlich können auch noch Schutzschalter mit Performancelevel an der Schweißzange angeschlossen werden oder sein, so dass eine Blickdichte und somit die Lasersicherheit in jedem Fall garantiert werden kann.
In weiterer Ausgestaltung weist die Laserschweißzange bevorzugt eine Schutzeinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls auf, welcher zum Schutz des optischen Einkoppelelements in Strahlrichtung des Laserstrahls hinter dem optischen Einkoppelelement bereitgestellt ist/wird. Der Schutzgasstrahl tritt über einen Schutzgaseintritt unterhalb des optischen Einkoppelelements ein, beispielsweise in eine unter dem optischen Einkoppelelement beginnende Einhausung, strömt an dem optischen Einkoppelelement vorbei, beispielsweise durch die Einhausung hindurch, und tritt über einen Schutzgasaustritt, beispielsweise aus der Einhausung, aus. Der Schutzgasstrahl strömt bevorzugt parallel zum optischen Einkoppelelement, damit dieses nicht verschmutzt wird. Ein mit dem optischen Einkoppelelement zusammenwirkendes Sensorelement, welches zur Überwachung und Meldung eines verschmutzten optischen Einkoppelelements ausgebildet ist, kann dann beispielsweise auch Rückmeldung an die Schutzeinrichtung geben, damit gegebenenfalls der Schutzgasstrahl angepasst wird.
Im Schweißprozess entstehende Verunreinigungen, beispielsweise Dämpfe, Spritzer und dergleichen, können sich auf dem optischen Einkoppelelement, beispielsweise einem Schutzglas, absetzen und die eintretende Laserstrahlung negativ beeinflussen, beispielsweise zum Teil absorbieren. Dadurch kann der Schweißprozess negativ beeinflusst werden. Um das zu verhindern, wird zum einen die beschriebene Schutzeinrichtung eingesetzt. Wenn, beispielsweise durch das Sensorelement, erkannt wird, dass das optische Einkoppelelement zu stark verschmutzt ist, kann man dieses gegebenenfalls austauschen. Befindet sich das optische Einkoppelelement beispielsweise in einem weiter oben beschriebenen Laserkopf, kann dieser beispielsweise eine entsprechende Aufnahme, beispielsweise eine Schublade, zum austauschbaren Aufnehmen des optischen Einkoppelelements aufweisen.
Durch den Schutzgasstrahl entsteht eine Art Vorhang, der schädliche Prozessemissionen davon abhält, zum optischen Einkoppelelement zu gelangen und sich auf diesem abzusetzen. Prozessemissionen, die in den Schutzgasstrahl gelangen, werden über den Schutzgasaustritt ausgetragen. Die Absaugung kann dem Schutzgaseintritt gegenüber angeordnet werden, um einen möglichst gleichförmigen Gasfluss zu ermöglichen.
Vorzugsweise kann die Laserschweißzange eine Gas-Beströmungseinrichtung aufweisen, welche zum Beströmen der Schweißzone mit Gas bereitgestellt ist. Dies dient zum einen der Werkstücksauberkeit. Zum anderen können dadurch Prozessemissionen und Ablagerungen auf und neben der Schweißnaht vermieden werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 16 aufweist. Das Verfahren wird mittels einer Laserschweißzange gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Zum Ablauf des Verfahrens und dessen Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle deshalb auch vollinhaltlich auf die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Laserschweißzange Bezug genommen und verwiesen.
Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Ein erzeugter Laserstrahl wird über ein optisches Einkoppelelement in der ersten Vakuumkammer positioniert, wobei der Laserstrahl über eine Austrittsöffnung in einer ersten Spannbacke der Laserschweißzange in die erste Vakuumkammer eintritt und auf wenigstens einem zu schweißenden Werkstück in der Schweißzone positioniert wird;
b) Die erste Vakuumkammer wird auf das in der Schweißzone befindliche Werkstück aufgesetzt, wobei sich die Schweißzone innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, beziehungsweise die Schweißzone von der ersten Vakuumkammer begrenzt ist;
c) In der ersten Vakuumkammer wird um die Schweißzone herum ein begrenztes lokales Vakuum erzeugt;
d) Nach Evakuierung der ersten Vakuumkammer erfolgt der Laserschweißprozess in der ersten Vakuumkammer.

Der Ablauf der einzelnen Verfahrensschritte ist dabei nicht auf die vorgenannte Reihenfolge festgelegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Werkstücke, beispielsweise zu verschweißende Bleche, insbesondere im Überlappstoß verschweißt.
Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur die erste Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer vorgesehen ist. Wenn jedoch zusätzlich noch eine zweite Spannbacke mit einer zweiten Vakuumkammer zum Einsatz kommt, ist insbesondere die erste Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer beweglich, während die zweite Spannbacke mit der zweiten Vakuumkammer vorzugsweise feststeht. Die Vakuumkammern sind dabei Bestandteil der Spannbacken, oder entsprechen den Spannbacken, mittels derer das zu bearbeitende Werkstück gehalten und während des Schweißprozesses fixiert wird/ist. Die erste, obere Vakuumkammer ist beweglich und kann nach oben und unten verfahren werden, so dass die zu schweißenden Werkstücke zwischen den Vakuumkammern gespannt werden können.
Im Betrieb der Laserschweißzange wird beispielsweise ein Laserkopf, der im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt beschrieben ist, über einen Antrieb, insbesondere linear, bewegt. Der Laserstahl verläuft aus dem Laserkopf in das optische Einkoppelelement und tritt durch dieses hindurch in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche. Dabei tritt der Laserstrahl in die erste, obere Vakuumkammer ein. Wenn die obere Spannbacke beweglich, das heißt linear beweglich ist, muss die erste Vakuumkammer ebenfalls in entsprechender Weise beweglich sein. Aus Sicherheitsgründen ist der Laserstrahl jedoch vorzugsweise eingehaust. Auf diese Weise schließt sich die erste obere Vakuumkammer vorzugsweise an das optische Einkoppelelement, und insbesondere an den Laserkopf, an. Um die Beweglichkeit der ersten Vakuumkammer dennoch zu gewährleisten, ist ein Membranbalg, bei dem es sich beispielsweise um einen Faltenbalg handelt, zwischen dem optischen Einkoppelelement, beispielsweise dem Laserkopf, und der ersten, oberen Vakuumkammer vorgesehen, der die Funktion eines Gehäuses um den Laserstrahl übernimmt.
Vorzugsweise ist die erste Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen, wobei die erste Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg begrenzt ist, und wobei beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer auf dem zu bearbeitenden Werkstück eine Abdichtung der ersten Vakuumkammer gegen Atmosphäre erzeugt wird, insbesondere ein elastischer Eindruck der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, im Werkstück erzeugt wird, die/der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht. Hierbei wird die erste Spannbacke beziehungsweise die erste Vakuumkammer, die nach unten, das heißt in Richtung der Werkstückoberfläche, offen ist, mit der Vakuumkammerwand, insbesondere mit dem umlaufenden Steg versehen beziehungsweise begrenzt. Dadurch entsteht beim Auftreffen der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ein elastischer Eindruck im Werkstück, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht, da er die Schweißstelle, die sich innerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch der geforderte Nullspalt realisiert werden kann. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die zweite Vakuumkammer. Diesbezüglich wird auch auf die entsprechenden Ausführungen zur Laserschweißzange weiter oben verwiesen.
In weiterer Ausgestaltung kann außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, der ersten Vakuumkammer, oder darin, eine Dichtungseinrichtung, insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt sein, wobei beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer auf dem zu bearbeitenden Werkstück zunächst die Dichtungseinrichtung das Werkstück berührt und ihre Dichtwirkung entfaltet, und wobei anschließend die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufsetzt, vorzugsweise ohne eine Verformung des Werkstücks. Hierbei handelt es sich um eine Ausführung, bei der einer bei der zuvor beschriebenen Ausführung auftretenden Werkstückverformung entgegengewirkt wird. Dazu ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder darin, die Dichtungseinrichtung, beispielsweis in Form eines Dichtrings vorgesehen. Zur Fixierung des Dichtrings ist dieser in einer, vorzugsweise keilförmigen oder schwalbenschwanzförmigen oder anders ausgestalteten, Nut eingelegt. Die Realisierung des geforderten Nullspalts erfolgt wiederum über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, der sich innerhalb des Dichtrings befindet. Bei der Betätigung des Spannbacke berührt zunächst der Dichtring das Werkstück und wird zusammengedrückt. Dadurch wird die Vakuumabdichtung realisiert. Beim weiteren Zusammenfahren trifft die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf die Werkstückoberfläche und drückt die Werkstückteile zusammen, wodurch der Nullspalt realisiert werden kann. Da aber über die Vakuumkammerwand nicht mehr die Abschirmung vom Atmosphärendruck erfolgen muss, kann diese bei dieser Ausführung breiter ausgebildet sein, was eine größere Auflagefläche bewirkt und eine dauerhafte Verformung des Werkstücks verhindert. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die zweite Vakuumkammer. Diesbezüglich wird auch auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange verwiesen.
Vorzugsweise wird zum Spannen der Werkstücke die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt. Das bedeutet, dass die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke derart auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, dass die definierte Spannkraft auf das zu schweißende Werkstück ausgeübt wird und dass das zu schweißende Werkstück mit der definierten Spannkraft gehalten wird. Beispielsweise kann die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, die im Spannzustand eine elastische Verformung des Werkstücks erzeugt. Das bedeutet, dass beim Aufsetzen auf die Werkstückoberfläche eine elastische Verformung des Werkstücks erfolgt. Alternativ oder zusätzlich, wenn zwei Werkstücke im Überlappstoß geschweißt werden, kann die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, die im Spannzustand einen Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken erzeugt. Das bedeutet, dass beim Aufsetzen auf die Werkstückoberfläche die beiden Werkstücke so zusammengedrückt werden, dass zwischen diesen ein Nullspalt besteht.
Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Schweißnaht in einer durchlaufenden Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Vakuumkammer in der Schweißzone, wobei der Laserstrahl am Schweißnahtende defokussiert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Verschiebung, insbesondere einer Linearverschiebung, der Abtast-Einrichtung realisiert werden, wie im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt weiter oben beschrieben ist. Auf diese Weise können insbesondere Endkraterrisse vermieden werden. Üblicherweise entsteht am Ende der Schweißnaht ein so genannter Endkrater. Hierbei handelt es sich um ein dem Fachmann geläufiges Phänomen, das deshalb an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben werden muss. Im Endkrater liegt häufig eine starke Unterwölbung der Schweißnaht vor, aus der hohe dreidimensionale Spannungen resultieren, die im erstarrenden Schmelzbad zu Heizrissen führen. Wird der Laserstrahl am Ende der Schweißnaht defokussiert, führt dies zu einer zeitlich abnehmenden, vom Werkstück absorbierten Laserleistung. Dies führt zu einer langsameren Erstarrung im Endkrater. Überraschender Weise wurde nun herausgefunden, dass, wenn der Laserstrahl am Nahtende defokussiert wird, das heißt der Fokuspunkt wird vergrößert, und die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzvolumens verlangsamt wird, beim Laserschweißen im Vakuum dadurch ein rissfreier Endkrater erzielt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in größerem Detail beschrieben. Es zeigen

1 eine schematische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Laserschweißzange;
2 bis 5 verschiedene Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserschweißzange;
6 und 7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer;
8 und 9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen^ Vakuumkammer;
10 in schematischer Darstellung einen Schweißvorgang im Überlappstoß unter Verwendung der erfindungsgemäßen Laserschweißzange; und
11 und 12 zwei schematische Darstellungen zur Erläuterung des Nullspalts.

In den Figuren ist jeweils eine Laserschweißzange 10 dargestellt, die für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum eingesetzt wird.
Anhand der 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau und die grundsätzliche Funktionsweise einer solchen Laserschweißzange 10 erläutert.
Die Laserschweißzange 10 weist zunächst eine Stützeinrichtung 11 auf, die sich entlang einer Längsachse 12 erstreckt, und an der die Komponenten der Laserschweißzange 10 angeordnet sind. Über die Stützeinrichtung 11 kann die Laserschweißzange beispielsweise an einem Manipulator, etwa an einem Roboterarm, angeordnet werden.
An der Stützeinrichtung 11 ist ein optisches Einkoppelelement 13 angeordnet, mittels dessen ein Laserstrahl 16 in die Laserschweißzange 10 eingekoppelt wird. Die Strahlrichtung des Laserstrahls 16 ist durch den Pfeil 16a dargestellt. Das optische Einkoppelelement 13 kann beispielsweise ein Schutzglas sein. Der Laserstrahl wird in einer Einrichtung 14 zum Erzeugen des Laserstrahls erzeugt und über eine Einrichtung 15 zur Ablenkung des Laserstrahls, bei der es sich um einen Laserscanner, eine 1d-Optik oder dergleichen handelt, in gewünschter Wese abgelenkt. Die Einrichtungen 14 und 15 können Bestandteil der Laserschweißzange 10 sein, und sind in diesem Fall an der Stützeinrichtung 11 angeordnet, beispielsweise mittels eines geeigneten Laserkopfs 32 (siehe 2 bis 5).
An der Stützeinrichtung 11 ist ein erster Tragarm 17 angeordnet, der entlang der Längsachse 12 linear beweglich ist, was mittels eines geeigneten Antriebs 24 erfolgt, beispielsweise mittels eines elektrischen Antriebs. Am Ende des ersten Tragarms 17 befindet sich eine erste Spannbacke 18, die in Form einer ersten Vakuumkammer 19 ausgebildet ist. Die erste Vakuumkammer 19 befindet sich in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls 16 oberhalb der Schweißzone 23, in der der eigentliche Schweißprozess erfolgt. Der Laserstahl 16 tritt über eine Austrittsöffnung der ersten Spannbacke 18 in die erste Vakuumkammer 19 ein, wobei sicherste Vakuumkammer in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls 16 austrittseitig der Austrittsöffnung befindet (6 bis 10).
Unterhalb der Schweißzone 23 befindet sich eine zweite Spannbacke 21, die in Form einer zweiten Vakuumkammer 22 ausgebildet ist, und die über einen zweiten Tragarm 20 fest, das heißt unbeweglich, mit der Stützeinrichtung 11 verbunden ist. Der zweite Tragarm 20 könnte aber auch beweglich ausgestaltet sein.
Die beiden Vakuumkammern 19, 22 sind zur Erzeugung eines lokalen begrenzten Vakuums ausgebildet, was insbesondere im Zusammenhang mit den 6 bis 9 weiter unten verdeutlicht wird.
Die zu schweißenden Werkstücke, beispielsweise zwei übereinanderliegende zu verschweißende Bleche, werden in die Schweißzone 23 eingebracht. Der Schweißvorgang, beispielsweise die Erzeugung einer Schweißnaht im Überlappstoß, erfolgt innerhalb der Laserschweißzange 10. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Spannbacken 18, 21 gleichzeitig auch die Funktion der Vakuumkammern 19, 22. Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur eine solche Spannbacke 18 mit Vakuumkammerfunktion vorhanden ist. Die Spannbacken 18, 21 sind ein wesentliches Bauteil der Laserschweißzange 10. Denn mit Ihnen wird das zu schweißende Werkstück, beziehungsweise die zu schweißenden Werkstücke, zusammengedrückt. Dies ist eine ganz wesentliche Voraussetzung, denn während des Vakuum-Laserschweißvorgangs muss zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ein Nullspalt vorliegen.
In den 2 bis 5 sind verschiedene Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschweißzange 10 gezeigt. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, 3 zeigt eine Ansicht von der Seite, 4 zeigt eine Ansicht von vorne und 5 zeigt eine Explosionsansicht.
Die Laserschweißzange 10 verfügt über eine Stützeinrichtung 11, an der die einzelnen Komponenten der Laserschweißzange 10 angeordnet sind. Hierbei handelt es sich zunächst um eine, lediglich schematisch dargestellte, Einrichtung 14 zur Erzeugung des Laserstrahls 16 und eine Einrichtung 15 zum Ablenken des Laserstrahls 16 in Form einer Scannereinrichtung. Beide Einrichtungen 14, 15 sind über einen Laserkopf 32 mit der Stützeinrichtung 11 verbunden. In dem Laserkopf 32 befindet sich eine Aufnahme 33 zum Aufnehmen der optischen Einkoppeleinrichtung in Form eines Schutzglases (siehe 1). An der Stützeinrichtung 11 befindet sich ein erster Tragarm 17, an dessen Ende sich die erste Spannbacke 18 befindet, die wiederum die erste Vakuumkammer 19 aufweist oder ausbildet oder aufnimmt. Über einen Antrieb 24 kann der erste Tragarm 17 linear bewegt werden, so dass die erste Vakuumkammer 19 die mit dem Pfeil 35 gekennzeichnete Bewegungsrichtung ausführen kann. An der Stützeinrichtung 11 ist über einen zweiten Tragarm 20 die zweite Spannbacke 21, die die zweite Vakuumkammer 22 aufweist, ausbildet oder aufnimmt, fest, das heißt unbeweglich angeordnet. Zwischen dem Laserkopf 32 und der ersten Vakuumkammer 19 befindet sich eine Einhausung 34 in Form eines Membranbalgs oder Faltenbalgs, mittels derer der Laserstrahl 16 abgeschirmt wird.
Die erste Vakuumkammer 19 bildet eine obere Vakuumkammer, während die zweite Vakuumkammer 22 eine untere Vakuumkammer bildet. Zwischen den beiden Vakuumkammern 19, 22 befindet sich die Schweißzone 23, in der der eigentliche Schweißvorgang abläuft. Die Schweißzone 23 liegt innerhalb der Vakuumkammern 19, 22, das heißt sie wird von den Vakuumkammern 19, 22, das heißt von entsprechend umlaufenden Stegen 27 (siehe hierzu insbesondere auch die 6 bis 9) begrenzt.
Zur Erzeugung des Vakuums innerhalb der Vakuumkammern 19, 22 sind diese mit entsprechenden Evakuierungseinrichtungen 30 verbunden. Zudem ist eine Gas-Beströmungseinrichtung 31 vorgesehen, welche zum Beströmen der Schweißzone 23 mit Gas bereitgestellt ist. Dies dient zum einen der Werkstücksauberkeit. Zum anderen können dadurch Prozessemissionen und Ablagerungen auf und neben der Schweißnaht vermieden werden.
Der über die Einrichtung 14 erzeugte Laserstrahl 16, der von der Ablenkungs-Einrichtung 15 in der gewünschten Weise abgelenkt wird, tritt über das optische Einkoppelelement im Laserkopf 32 und die Einhausung 34 in die sich an die Einhausung anschließende erste Vakuumkammer 19 ein und wird in dieser zum Schweißen auf dem in der Schweißzone 23 befindlichen Werkstück positioniert. Grundsätzlich für die Erfindung ausreichend ist eine einseitige Zugänglichkeit durch Aufsetzen der ersten, oberen Spannbacke 18, beziehungsweise der ersten Vakuumkammer 19, auf dem zu schweißenden Werkstück. Eine zweite Spannbacke 21, beziehungsweise eine zweite Vakuumkammer 22, kann hier entfallen. Die erforderliche Abdichtung erfolgt dann insbesondere durch einseitiges Anpressen der ersten, oberen Vakuumkammer 18 und eine Einschweißung, statt einer Durchschweißung, beispielsweise ins untere Werkstück, wenn zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise zwei Bleche, miteinander verschweißt werden. Bei einer Durchschweißung ist insbesondere die zweite, untere Spannbacke 21 mit der zweiten, unteren Vakuumkammer 22 realisiert.
Vorzugsweise ist die Ablenkungs-Einrichtung 15 verfahrbar, insbesondere linear verfahrbar, etwa in der mit 35 gekennzeichneten Bewegungsrichtung, an der Stützeinrichtung 11, etwa am Laserkopf 32 angeordnet. Damit kann der Fokusabstand des erzeugten Laserstrahls 16 variiert werden. Insbesondere kann der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl 16 defokussiert werden. Dadurch können Endkrater einer Schweißnaht optimiert und insbesondere eine Endkrater-Rissbildung reduziert werden.
In den 6 und 7 sind zwei verschiedene Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer dargestellt. Erläutert wird dies anhand einer ersten Vakuumkammer 19, wobei eine zweite Vakuumkammer 22 in gleicher Weise ausgebildet sein kann.
Die erste Vakuumkammer 19 ist Bestandteil der ersten Spannbacke 18. Die erste Spannbacke 18 weist eine Austrittsöffnung 26 in Form eines Austrittschlitzes auf, der in einer Grundplatte 25 der Spannbacke 18 ausgebildet ist. Über die Austrittsöffnung 26 tritt der Laserstrahl in Strahlrichtung 16a in die erste Vakuumkammer 19 ein. Die erste Vakuumkammer 19 befindet sich in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls hinter der Austrittsöffnung 26 in der ersten Spannbacke 18. Sie stellt insoweit insbesondere eine Verlängerung der Austrittsöffnung 26 bereit. Die erste Vakuumkammer 19 ist in Richtung der Schweißzone 23 offen, wobei die erste Vakuumkammer 19 von einem umlaufenden Steg 27 begrenzt ist, über den beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer 19 auf dem zu bearbeitenden Werkstück eine Abdichtung der ersten Vakuumkammer 19 gegen Atmosphäre erzeugt wird. Der umlaufende Steg 27 begrenzt die erste Vakuumkammer 19, wobei der umlaufende Steg 27 die Austrittsöffnung 26 und damit auch die Schweißzone 23 umgibt. Am freien Ende weist der Steg 27 eine Kontaktfläche 27a auf, über die die erste Vakuumkammer 19mit dem zu schweißenden Werkstück in Kontakt kommt. Setzt die Vakuumkammer 19 über den Steg 27 auf dem zu schweißenden Werkstück auf, wird das Vakuum lokal begrenzt nur im unmittelbaren Bereich des Schweißvorgangs in der Schweißzone 23, das heißt im Bereich innerhalb des umlaufenden Stegs 27 erzeugt. Es wird insbesondere ein elastischer Eindruck des Stegs 27 im Werkstück erzeugt, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht. da er die Schweißzone 23, die sich innerhalb des Stegs 27 befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch ein geforderter Nullspalt realisiert werden kann, wie dies im Zusammenhang mit der allgemeinen Beschreibung weiter oben im Detail erläutert ist.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wie mit einer solchen Laserschweißzange 10 zwei Werkstücke 36, 37 in Form von Blechen im Überlappstoß geschweißt werden. Die beiden Werkstücke 36, 37 werden übereinandergelegt. Die beiden Spanbacken 19 und 21 spannen die Werkstücke 36, 37 ein, wobei jeweils die erste Vakuumkammer 19 der ersten Spannbacke 18 beziehungsweise deren umlaufender Steg 27, und die zweite Vakuumkammer 22 der zweiten Spannbacke 21, beziehungsweise deren umlaufender Steg 27, von oben und unten gegen die Werkstücke 36 drücken. Die Schweißzone 23 liegt innerhalb der Austrittsöffnungen 26. Über die Spannbacken 18, 21, beziehungsweise die Vakuumkammern 19, 22 werden die Werkstücke 36, 37, und damit die Werkstückoberflächen 36a, 37a so zusammengedrückt, dass eine elastische Verformung der Werkstücke 36, 37 eintritt. Auf diese Weise wird ein Nullspalt 38 zwischen den Werkstücken 36, 37 realisiert. Luft, insbesondere Zugluft, kann nicht mehr zwischen die zu verschweißenden Werkstücke 36, 37 eindringen, die dann das schmelzflüssige Material durch den Druckunterschied in die Vakuumkammer 19, 22 drücken könnte.
Das in den 8 und 9 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht vom Grundaufbau her dem in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel, ist aber noch um weitere Komponenten ergänzt. Hier ist in dem umlaufenden Steg 27 der ersten Vakuumkammer 18, insbesondere in der Kontaktfläche 27a, eine Dichtungseinrichtung 28, insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt, wobei beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer 18 auf dem zu bearbeitenden Werkstück zunächst die Dichtungseinrichtung 28 das Werkstück berührt und ihre Dichtwirkung entfaltet, und wobei anschließend der Steg 27 auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufsetzt, vorzugsweise ohne eine Verformung des Werkstücks. Hierbei handelt es sich um eine Ausführung, bei der einer bei der zuvor beschriebenen Ausführung auftretenden Werkstückverformung entgegengewirkt wird. Zur Fixierung der Dichtungseinrichtung 28 ist diese in einer, vorzugsweise keilförmigen oder schwalbenschwanzförmigen, Nut 29 eingelegt. Da über den Steg 27 nicht mehr die Abschirmung vom Atmosphärendruck erfolgen muss, kann der Steg 27 bei dieser Ausführung breiter ausgebildet sein, was eine größere Auflagefläche bewirkt und eine dauerhafte Verformung des Werkstücks verhindert.
In den 11 und 12 wird die Nullspalt-Thematik anhand zweier Prinzipskizzen erläutert.
11 zeigt eine bevorzugte Situation, in der ein Nullspalt 38 zwischen den Werkstücken 36, 37 realisiert ist. Es werden zwei Werkstücke 36 und 37 im Überlappstoß geschweißt. Durch die erste Vakuumkammer 19 und die zweite Vakuumkammer 22 werden die Werkstücke 36, 37 so aufeinandergedrückt, insbesondere auch mit elastischer Verformung der Werkstückoberflächen 36a, 37a, dass zwischen den Werkstückoberflächen 36a, 37a ein Nullspalt 38 realisiert ist und die Schweißnaht 40 in der Schweißzone 23 problemlos erzeugt werden kann.
In 12 ist eine Situation dargestellt, bei der zwischen den Werkstücken 36, 37 ein Spalt 39 besteht, so dass die Vakuumkammern 19, 22 undicht sind und eine Leckage aufweisen. In diesem Fall kann Luft, insbesondere Zugluft, in den Spalt 39 zwischen den zu verschweißenden Werkstücken 36, 37 eindringen, die dann das schmelzflüssige Material in der Schweißnaht 40 durch den Druckunterschied in die Vakuumkammern 19, 22 drückt. Dadurch wird das Schweißergebnis unbrauchbar, selbst dann, wenn der Spalt 39 nur einige Mikrometer groß ist.
Wie man den 11 und 12 entnehmen kann, hat die erfindungsgemäße Spanntechnik, mit der ein Nullspalt 38 realisiert wird, einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Schweißergebnisses, da Spalte 39 zwischen den Werkstücken 36, 37 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

10: Laserschweißzange
11: Stützeinrichtung
12: Längsachse
13: Optisches Einkoppelelement
14: Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls
15: Einrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls
16: Laserstrahl
16a: Strahlrichtung des Laserstrahls
17: Erster Tragarm
18: Erste Spannbacke
19: Erste Vakuumkammer
20: Zweiter Tragarm
21: Zweite Spannbacke
22: Zweite Vakuumkammer
23: Schweißzone
24: Antrieb
25: Grundplatte
26: Austrittsöffnung
27: Steg
27a: Kontaktfläche
28: Dichtungseinrichtung
29: Nut
30: Evakuierungseinrichtung
31: Gas-Beströmungseinrichtung
32: Laserkopf
33: Aufnahme für Einkoppeleinrichtung
34: Einhausung
35: Bewegungsrichtung der ersten Vakuumkammer
36: Werkstück
36a: Werkstückoberfläche
37: Werkstück
37a: Werkstückoberfläche
38: Nullspalt
39: Spalt
40: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2149421 B1 [0010]
WO 2014063153 A1 [0011]
US 5170028 B [0012]
DE 102019102233 A1 [0013]

Claims

Laserschweißzange (10) zur Erzeugung einer Schweißnaht zum Verbinden von Werkstücken (36, 37), insbesondere im Überlappstoß, aufweisend eine Stützeinrichtung (11), die sich entlang einer Längsachse (12) erstreckt, ein optisches Einkoppelelement (13), welches zum Einkoppeln eines Laserstrahls (16) auf eine Schweißzone (23) in der Laserschweißzange (10) bereitgestellt ist und welches an der Stützeinrichtung (11) angeordnet oder ausgebildet ist, eine erste Spannbacke (18) zum Halten der Werkstücke (36, 37) während des Schweißvorgangs, die in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) vor der Schweißzone (23) angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Spannbacke (18) entlang der Stützeinrichtung (11) axial verschiebbar an der Stützeinrichtung (11), insbesondere über einen ersten Tragarm (17), angeordnet oder ausgebildet ist, oder wobei die erste Spannbacke (18) Bestandteil der Stützeinrichtung (11) ist, welche axial verschiebbar ist, sowie einen Antrieb (24), der zum Verschieben der ersten Spannbacke (18) oder des ersten Tragarms (17) oder der Stützeinrichtung (11) zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist, oder eine Schnittstelle zu einem Antrieb (24), der zum Verschieben der ersten Spannbacke (18) oder des ersten Tragarms (17) oder der Stützeinrichtung (11) zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißzange (10) für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum bereitgestellt ist, dass die erste Spannbacke (18) als eine erste Vakuumkammer (19) ausgebildet ist, oder dass die erste Spannbacke (18) eine erste Vakuumkammer (19) aufweist, dass die erste Vakuumkammer (19) optisch mit dem optischen Einkoppelelement (15) gekoppelt ist, dass in der ersten Spannbacke (18) eine Austrittsöffnung (26) für den Laserstrahl (16) ausgebildet ist und dass die erste Vakuumkammer (19) in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) austrittseitig der Austrittsöffnung (26) um die Austrittsöffnung (26) herum angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Vakuumkammer (19) so konfiguriert ist, dass sie die Schweißzone (23) in der Schweißposition umschließt und ein begrenztes lokales Vakuum um die Schweißzone (23) herum generiert.
Laserschweißzange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine zweite Spannbacke (21) zum Halten der Werkstücke (36, 37) während des Schweißvorgangs aufweist, wobei die zweite Spannbacke (21) in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) hinter der Schweißzone (23) angeordnet oder ausgebildet ist, dass die zweite Spannbacke (21) entlang der Stützeinrichtung (11) axial verschiebbar oder feststehend an der Stützeinrichtung (11) angeordnet oder ausgebildet ist, insbesondere über einen zweiten Tragarm (20), dass die Schweißzone (23) zwischen der ersten (18) und zweiten (21) Spannbacke ausgebildet ist, und dass die zweite Spannbacke (21) als eine zweite Vakuumkammer (22) ausgebildet ist, oder dass die zweite Spannbacke (21) eine zweite Vakuumkammer (22) aufweist.
Laserschweißzange nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Spannbacke (21) eine Austrittsöffnung (26) für den Laserstrahl (16) ausgebildet ist und dass die zweite Vakuumkammer (21) um die Austrittsöffnung (26) herum angeordnet oder ausgebildet ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Spannbacke (18) und/oder der zweiten Spannbacke (21) eine Kraftmesseinrichtung zugeordnet ist, dass die Kraftmesseinrichtung insbesondere an oder in dem ersten Tragarm (17) und/oder dem zweiten Tragarm (20) angeordnet oder ausgebildet ist, und dass die Kraftmesseinrichtung derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, um die an den zu schweißenden Werkstücken (36, 37) während des Schweißvorgangs anliegenden Kräfte zu überwachen.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Laserstrahls (16), die an der Stützenrichtung (11) angeordnet ist, oder dass die Laserschweißzange (10) eine Schnittstelle zu einer Einrichtung (14) zur Erzeugung eines Laserstrahls aufweist, und dass zumindest einzelne Komponenten der Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Laserstrahls (16) optional, vorzugsweise linear, verschiebbar sind.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15) zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls (16), die an der Stützenrichtung (11) angeordnet ist, oder dass die Laserschweißzange (10) eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls (16) aufweist, und dass die Einrichtung (15) zum Ablenken des erzeugten Laserstrahls (16) optional, vorzugsweise linear, verschiebbar ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22) eine Kontaktfläche (27a) für die Werkstücke (36, 37) aufweisen.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vakuumkammer (19) in Richtung der Schweißzone (23) offen ist, und dass die erste Vakuumkammer (19) von einem umlaufenden Steg (27) begrenzt ist, der in Richtung der Schweißzone (23) abragt, und/oder dass die zweite Vakuumkammer (22) in Richtung der Schweißzone (23) offen ist, und dass die zweite Vakuumkammer (22) von einem umlaufenden Steg (27) begrenzt ist, der in Richtung der Schweißzone (23) abragt.
Laserschweißzange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des umlaufenden Stegs (27) oder im Steg (27) eine Dichtungseinrichtung (28), insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt ist, und dass optional zur Fixierung der Dichtungseinrichtung (28) eine Nut (29) zur Aufnahme der Dichtungseinrichtung (28) bereitgestellt ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Unterdrucks die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22) mit einer Evakuierungseinrichtung (30) verbunden ist/sind.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannbacke (18) und/oder die zweite Spannbacke (21), insbesondere über die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22), vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche (27a), zur Ausübung einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche (36a, 37a) bereitgestellt ist, und dass die definierte Spannkraft eine Größe hat, die im Spannzustand eine elastische Verformung der Werkstückoberfläche 36a, 37a) erzeugt, und/oder, wenn zwei Werkstücke (36, 37) im Überlappstoß geschweißt werden, dass die Spannkraft eine Größe hat, die im Spannzustand einen Nullspalt (38), zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken (36, 37) erzeugt.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Vakuumkammer (22) ein Lichtsensorelement angeordnet ist, oder dass der zweiten Vakuumkammer (22) ein Lichtsensorelement zugeordnet ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwischen dem optischen Einkoppelelement (13) und der ersten Vakuumkammer (19) eine Einhausung (24) für den Laserstrahl (16) aufweist, und dass die Einhausung (24) vorzugsweise als ein Membranbalg oder als ein Faltenbalg ausgebildet ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Schutzeinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls aufweist, welcher zum Schutz des optischen Einkoppelelements (13) in Strahlrichtung des Laserstrahls (16) hinter dem optischen Einkoppelelement (13) bereitgestellt ist.
Laserschweißzange nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Gas-Beströmungseinrichtung (31), welche zum Beströmen der Schweißzone (23) mit Gas bereitgestellt ist.
Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum, insbesondere zum Laserschweißen von Werkstücken (36, 37) im Überlappstoß, mittels einer Laserschweißzange (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ein erzeugter Laserstrahl (16) wird über ein optisches Einkoppelelement (13) in der ersten Vakuumkammer (19) positioniert, wobei der Laserstrahl (16) über eine Austrittsöffnung (26) in einer ersten Spannbacke (18) der Laserschweißzange (10) in die erste Vakuumkammer (18) eintritt und auf wenigstens einem zu schweißenden Werkstück (36) in der Schweißzone (23) positioniert wird; b) Die erste Vakuumkammer (19) wird auf dem in der Schweißzone (23) befindlichen Werkstück (36) aufgesetzt, wobei die Schweißzone (23) von der ersten Vakuumkammer (19) begrenzt ist; c) In der ersten Vakuumkammer (19) wird um die Schweißzone (23) herum ein begrenztes lokales Vakuum erzeugt; d) Nach Evakuierung der ersten Vakuumkammer (19) erfolgt der Laserschweißprozess in der ersten Vakuumkammer (19).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22) in Richtung der Schweißzone (23) offen ist/sind, dass die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22) von einem umlaufenden Steg (27) begrenzt ist/sind, und dass beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer (19) und/oder der zweiten Vakuumkammer (22) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (36, 37) eine Abdichtung der ersten Vakuumkammer (19) und/oder der zweiten Vakuumkammer (22) gegen Atmosphäre erzeugt wird, insbesondere ein elastischer Eindruck des Stegs (27) im Werkstück (36, 37) erzeugt wird, die/der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des umlaufenden Stegs (27) oder im Steg (27) der ersten Vakuumkammer (19) und/oder der zweiten Vakuumkammer (22) eine Dichtungseinrichtung (28), insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt ist, dass beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer (19) und/oder der zweiten Vakuumkammer (22) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (36, 37) zunächst die Dichtungseinrichtung (28) das Werkstück (36, 37) berührt und ihre Dichtwirkung entfaltet, und dass anschließend der Steg (27) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (36, 37) aufsetzt, vorzugsweise ohne eine Verformung des Werkstücks (36, 37).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Spannen der Werkstücke (36, 37) die erste Spannbacke (18) und/oder die zweite Spannbacke (21), insbesondere über die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22), vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche (27a), mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche (36a, 37a) aufgesetzt wird, die im Spannzustand eine elastische Verformung des Werkstücks (36, 37) erzeugt, und/oder dass, wenn zwei Werkstücke (36, 37) im Überlappstoß geschweißt werden, die erste Spannbacke (18) und/oder die zweite Spannbacke (21), insbesondere über die erste Vakuumkammer (19) und/oder die zweite Vakuumkammer (22), vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche (27a), mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche (36a, 37a) aufgesetzt werden, die im Spannzustand einen Nullspalt (38) zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken (36, 37) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schweißnaht in einer durchlaufenden Bewegung des Laserstrahls (16) erfolgt, und dass der Laserstrahl (16) am Schweißnahtende defokussiert wird.