DE10216434A1

DE10216434A1 - Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken

Info

Publication number: DE10216434A1
Application number: DE10216434A
Authority: DE
Inventors: Hermann Leguin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels einem Laser (6), insbesondere zum Reparaturschweißen von bspw. Formen, wobei sich der Laser an einem Positioniergestell (5) befindet, soll das Positioniergestell (5) an einer Säule (2) angeordnet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken mittels einem Laser, insbesondere zum Reparaturschweissen von bspw. Formen, wobei sich der Laser an einem Positioniergestell befindet.
Insbesondere in der industriellen Praxis werden eine grosse Anzahl von Gegenständen durch Spritzgiessen oder Umformen hergestellt. Hierbei wird die Endkontur des Gegenstands direkt durch die Form des Werkzeuges bestimmt. In der Praxis kann es zu Abweichungen von der Sollkontur des Werkzeuges kommen, im positiven Fall handelt es sich um Änderungen oder Anpassungen, im negativen um Verschleiss oder Beschädigung. Da derartige Werkzeuge sehr komplexe Formen annehmen können und dementsprechend teuer sind, ist es nicht üblich wegen geringfügiger geometrischer Abweichungen die Formen zu ersetzten. Um Änderungen an den vorhandenen Formen vorzunehmen, wird Material auf- oder abgetragen. Während zweiteres durch Schleifen oder Fräsen problemlos durchführbar ist, birgt der Materialauftrag einige Probleme in sich. In der Regel wird nach einer Reinigung durch einen Schweissprozess Material auf die aufzufüllende Stelle aufgebracht und dann die gewünscht Sollkontur nachgefräst.
Die gängigste Methode, eine Metallschicht aufzutragen, ist das Auftragsschweissen mit WIG, MIG oder einem Plasmabrenner. Diese Verfahren generieren allerdings eine dicke und gut haftende Spur. Es wird deshalb vermehrt auf den Laser zurückgegriffen, vor allem feinere Konturen auszuarbeiten, die mit im wesentlichen kleineren Spuren generierbar sind. Ein grosser Vorteil des Lasers gegenüber dem klassischen Verfahren ist auch die geringe thermische Belastung des Bauteils. Dies hat den Vorteil, dass ein Nacharbeiten auf Grund thermischen Verzugs minimiert wird oder ganz entfällt.
Da es sich bei der Reparatur von Formen um einen sehr individuellen Prozess handelt, bei dem jede Form anders ist und andere Fehler aufweist, ist eine Automatisierbarkeit dieses Prozesses nur schwer möglich. Nicht zuletzt mangels geeigneter Maschinen wird in den meisten Betrieben die Reparaturbeschichtung von Hand ausgeführt und höchstens das Nachfräsen auf einem modernen Bearbeitungszentrum nachgeholt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Art zu entwickeln, mittels denen eine Automatisierung des Laserschweissens und insbesondere des Reparaturschweissens möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass das Positioniergestell an eine Säule angeordnet ist.
Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass eine derartig Vorrichtung nicht nur zum Reparaturschweissen geeignet ist, sondern die Automatisierung jedes Laserschweissens zulässt.
Die Anordnung eines Positionsiergestells an einer Säule hat den Vorteil, dass für die gesamte Vorrichtung relativ wenig Platz in Anspruch genommen werden muss, so dass ein Ausrichten einer Form gegenüber einem Laser erleichtert ist.
An der Säule soll ein Werkstückträger angeordnet sein, der in der Höhe verstellbar und/oder wegschwenkbar ist. Die Höhenverstellung hat den Vorteil, dass mittels des Werkstückträgers eine Grobeinstellung gegenüber dem Laser erfolgen kann, die Feineinstellung erfolgt dann vor allem durch das Positioniergestell und die darin enthaltenen Bauelemente.
Dass der Werkstückträger wegschwenkbar ist, hat vor allem bei grossen Formen einen wesentlichen Vorteil. Grosse Formen sind schwer zu handhaben, so dass sie in der Regel nicht auf einen Werkstückträger gelegt werden. Wenn der Werkstückträger wegschwenkbar ist, kann bspw. mittels eines Hubwagens eine schwere Form unter den Laser verfahren werden, so dass dann lediglich noch eine Ausrichtung des Lasers gegenüber der Form notwendig ist.
Das Positioniergestell selbst sitzt auf der Säule auf. Hierzu kann bspw. ein schwenkbarer Grundträger vorgesehen sein, der mit einem Kreuzschlitten od. dgl. belegt ist.
Wesentlich ist, dass Schlitten bzw. Tragarme in zumindest zwei unterschiedlichen Richtungen bewegbar sind. Der Laser selbst kann dann bspw. über eine Kugelverbindung mit einem Schlitten- oder Teleskoparm verbunden sein, wobei diese Verbindung eine allseitige Drehbarkeit des Lasers zulässt.
Wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist auch das nachfolgend beschriebene Verfahren, wobei dieses selbstverständlich auch mit anderen Laservorrichtungen durchgeführt werden kann. In jedem Fall soll die zu schweissende Stelle mit Hilfe einer 3D-Erfassung abgebildet und mit einer vorgegebenen Geometrie, insbesondere einer CAD-Geometrie verglichen werden, wobei dann anhand des Unterschiedes zwischen der 3D-Erfassung und der vorgegebenen Geometrie eine vollautomatische Steuerung des Schweissens erfolgt.
Das bedeutet, dass ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt wird, so dass der gesamte Ablauf automatisiert werden kann.
Die 3D-Erfassung kann durch beliebige bildgebende Verfahren ausgeführt werden. Gedacht ist vor allem an eine CCD-Kamera und Streifenprojektion. Diese Verfahren sind sehr schnell, liefern aber nur eine begrenzte Genauigkeit.
Eine andere Möglichkeit ist eine Einzelpunkt erfassende Messmethode, wobei als Messkopf ein optischer oder ein taktiler Sensor eingesetzt werden kann. Der Vorteil der optischen Sensoren liegt in einer höheren Geschwindigkeit und darin, dass keine Zerstörungen am Prüfkörper auftreten können. Ein gravierender Nachteil liegt in der starken Abhängigkeit von der Oberfläche (Farbe, Textur). Bei den taktilen Verfahren ist zu unterscheiden, ob die einzelnen Messpunkte gezielt angefahren werden oder ob ein scannender Betrieb verwendet wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens soll die zu schweissende Stelle vor dem Schweissen und der Erfassung behandelt, bspw. ausgefräst werden. Hierdurch wird ein Einschluss von Fremdkörpern und von Luft vermieden.
Zur Kontrolle der Spurhöhe wird ferner bevorzugt ein Sensor eingesetzt oder ein Geometrieerfassungs-Schritt zwischengeschaltet.
Der Schweissvorgang erfolgt bevorzugt computergesteuert. D. h., es wird eine Kontur programmiert, welcher nach erfolgtem Startimpuls gefolgt wird. Dies hat zum Nachteil, dass auf dieser Kontur nicht beliebig vor- und zurückgefahren werden kann, wenn z. B. ein Fehler in der Schweissung ist. Stand der Technik ist, dass hier beispielsweise mit einem Repos-Befehl wieder zur Position zurückgefahren wird. Beim Auftragsschweissen ist dies ein ganz bedeutender Nachteil, da hier oft mit manueller Drahtzufuhr, d. h. von Hand, gearbeitet wird. Zur Lösung des Problems führt in vorliegender Erfindung, dass eine, bislang nicht vorhandene, Betriebsart programmiert wird, welche es ermöglicht mittels elektronischem Handrad oder sogenanntem Joystick einer zuvor programmierten 3D-Kontur entlang zu verfahren und dies, unabhängig der jeweils aktuellen Position auf dieser Kontur, vorwärts oder rückwärts innerhalb den jeweiligen Endpunkten, so, als würde man einen Schlitten auf einer gekrümmten Schiene entlang hin und her schieben.
Da die Oberfläche der aufgeschweissten Spur keine Endqualität besitzt, wird es ratsam sein, in einer Nachbearbeitung gemäss der gegebenen CAD-Geometrie die schadhafte Stelle nachzubehandeln, insbesondere nachzufräsen. Anstelle des Fräsens können selbstverständlich auch andere Verfahren, wie Schleifen oder Erodieren, eingesetzt werden.
Als Werkzeug für das Auftragsschweissen wird ausschliesslich der Laser verwendet. Vorzugsweise kommt ein Nd:YAG-Laser zum Einsatz oder ein Diodenlaser.
Als Schweisswerkstoff wird pulverförmiges Material und eine Koaxialdüse bevorzugt. Der Grund hierfür liegt in der grösseren Bandbreite an Untersuchungsparametern bei Pulver und in der einfacheren Steuerbarkeit bei der Programmierung der Geometrie.
Dennoch ist auch an den Einsatz von Draht gedacht, wobei bevorzugt der Draht synchron mit dem gepulsten Laserstrahl zur Schweissstelle vorgeschoben und während dem Laserschuss um ein geringes Mass zurückgezogen wird. Dies erlaubt die Zufuhr einer exakt definierten Menge an Schweisswerkstoff.
Beim Einsatz vom Laser müssen Maßnahmen zum Schutz der Augen vor Strahlung sowie gegen die Ausbreitung gefährliche Stäube und Nebel bei der Materialbearbeitung getroffen werden. Deshalb ist es notwendig, beim Betrieb des Lasers eine Schutzbrille zu tragen. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird, auch unabhängig von den beiden anderen Erfindung, vorgeschlagen, dass in der Schutzbrille ein Sender od. dgl. integriert wird, der nur dann beim Betreten bspw. eines Laserraums ein Signal an einen Schalter ausgibt, wenn die Bedienperson tatsächlich die Schutzbrille trägt. Erst durch die Betätigung des Schalters wird der Laser betriebsbereit.
Der Einfachheit halber kann sich bspw. an der Schutzbrille ein Knopf befinden, der gedrückt werden muss, damit das oben erwähnt Signal abgegeben wird. Geschieht dies nicht, ist der Laser nicht betriebsbereit. Die Bedienperson muss dann erst wieder die Schutzbrille aufsetzen und den Knopf betätigen, um den Laser betriebsbereit zu schalten.
Bei den bisher bekannten, zur Reparatur benützten Laserschweissgeräte erfolgt die Auslösung des Schweissimpulses mittels eines Fusspedals. Dabei ist der Vorgang zweistufig ausgestaltet. In einer ersten Stufe der Betätigung des Fusspedals wird die Zufuhr von Schutzgas zur Schweissstelle ausgelöst, in einer zweiten Stufe der eigentliche Laserimpuls. In diesen Fällen ist die Zufuhr von Schutzgas nur ungenügend, da sie nur für kurze Zeit vor der eigentlichen Auslösung des Laserimpulses stattfindet.
Erfindungsgemäss ist deshalb daran gedacht, dem Fussschalter einen Sensor, bevorzugt eine Lichtschranke, zuzuordnen, die erkennt, wenn der Fuss in den Schalter einfährt. Bereits in diesem Augenblick soll die Zufuhr von Schutzgas ausgelöst werden, so dass eine Schutzgaszufuhr für längere Zeit zur Schweissstelle erfolgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken mit einer Bedienperson;
Fig. 2 eine vergrössert dargestellt Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung gemäss Fig. 1.
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Schweissen von nicht näher dargestellten Werkstücken ragt von einem Fuss 1 eine Säule 2 auf. An der Säule 2 ist einmal ein Werkstückträger 3 festgelegt, der in der Höhe entlang der Säule 2 verstellbar ist, aber auch um die Säule 3 gedreht werden kann. Zur Führung des Werkstückträgers 3 in einer ausgewählten Lage kann an der Säule 2 eine Schiene 4 vorgesehen sein.
Auf der Säule 2 ist ferner ein Positioniergestell 5 für einen Laser 6 angeordnet, wobei dieser Laser 6 schematisch nur als Rohr dargestellt ist.
Das Positioniergestell 5 sitzt mit einem Grundträger 7 auf der Säule 2 auf, wobei, wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, der Grundträger 7 zwei Führungen für einen Schlittenarm 8 trägt. Bei der einen Führung 9 handelt es sich um eine Schienenführung, bei der anderen Führung 10 ist bspw. eine Spindel in einem entsprechenden Gehäuse gelagert, so dass beim Drehen dieser Spindel der Schlitten 8 auf den Führungen 9 und 10 quer zur Säule 2 verstellt werden kann.
Auf dem Schlitten 8 sitzt ein Schlittenarm 11 auf, der in entgegengesetzter Richtung quer zum Schlitten 8 bewegt werden kann. Wie dies geschieht, ist von untergeordneter Bedeutung. Der Schlittenarm 11 kann dabei auch als Teleskoparm ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, den Schlittenarm 11 insgesamt gegenüber dem Schlitten 8 zu versetzen, so dass eine unterschiedliche Grundpositionierung erfolgen kann.
Der Schlittenarm 11 hält eine Tragarm 12 für den Laser 7, wobei diese Tragarm 12 in der Höhe verstellbar und/oder gegenüber dem Schlittenarm 11 verdrehbar ist. Durch diese Ausgestaltung ist eine allseitige Beweglichkeit des Lasers 6 gegeben.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Soll bspw. eine Form an einer bestimmten Stelle durch ein Auftragsschweissen repariert werden, so wird diese Form auf den Werkstückträger 3 aufgelegt. Ist die Form zu unhandlich, kann der Werkstückträger 3 weggeschwenkt und die Form bspw. auf dem Fuss 1 aufgesetzt werden. Im stationären Betrieb kann der Fuss 1 auch ganz entfallen, so dass die Form bspw. auf einem Hubwagen an die Säule 2 herangefahren werden kann.
Bevorzugt erfolgt jetzt ein Glätten der zu schweissenden Stelle. Dies kann bspw. durch Ausfräsen geschehen. Danach wird die zu schweissende Stelle eingescannt und mit einer vorgegebenen CAD-Geometrie verglichen. Durch eine Steuerung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht näher gezeigt ist, erfolgt jetzt das Schweissen mit der Zielvorgabe, die vorgegebene Geometrie in etwa zu erreichen.
Der Schweissimpuls wird übrigens bevorzugt durch ein Fusspedal ausgelöst. Dabei ist daran gedacht, dem Fussschalter eine Lichtschranke zuzuordnen. Sobald der Fuss in den Schalter einfährt, erfolgt eine Zuführung von Schutzgas zur Schweissstelle. Erst beim Drücken des Pedals erfolgt dann die Auslösung des Laserimpulses.
Nach Beendigung des Schweissens kann noch eine Nachbearbeitung erfolgen, um die korrekte vorgegebene Geometrie zu erzielen. Positionszahlenliste 1 Fuss
2 Säule
3 Werkstückträger
4 Schiene
5 Positionsgestell
6 Laser
7 Grundträger
8 Schlitten
9 Führung
10 Führung
11 Schlittenarm
12 Tragarm

Claims

1. Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken mittels einem Laser (6), insbesondere zum Reparaturschweissen von bspw. Formen, wobei sich der Laser an einem Positioniergestell (5) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniergestell (5) an einer Säule (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Säule (2) auch ein Werkstückträger (3) angeordnet ist, der in der Höhe verstellbar und/oder wegschwenkbar und/oder drehbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule (2) von einem Fuss (1) auf ragt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniergestell (5) mit einem Grundträger (7) auf der Säule (2) aufsitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Grundträger (7) ein Schlitten (8) befindet, der in einer Richtung quer zur Säule (2) verfahrbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schlitten (8) ein Schlitten- und/oder Teleskoparm (11) quer zur Fahrtrichtung des Schlittens (8) aufsitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schlitten- oder Teleskoparm (11) ein Tragarm (12) für den Laser (6) gehalten und in Vertikalrichtung verstellbar und/oder ggf. schwenkbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schlitten- oder Teleskoparm (11) ein Laserträger zugeordnet und über ein Kugelgelenk allseits bewegbar ist.

9. Verfahren zum Schweissen von Werkstücken mittels einem Laser (6), insbesondere zum Reparaturschweissen von bspw. Formen wobei sich der Laser an einem Positioniergestell (5) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweissende Stelle mit Hilfe einer 3D- Erfassung abgebildet und mit einer vorgegebenen Geometrie, insbesondere einer CAD-Geometrie verglichen wird, wobei dann anhand des Unterschiedes zwischen der 3D-Erfassung und der vorgegebenen Geometrie eine vollautomatische Steuerung des Schweissens erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweissende Stelle vor dem Schweissen und der Erfassung behandelt, bspw. ausgefräst wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spurhöhe der Schweissung durch einen Sensor kontrolliert oder nach einem vorgegebenen Schweissweg ein Geometrieerfassungs-Schritt zwischengeschaltet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schweissen eine Nachbearbeitung gemäss der vorgegebenen Geometrie durchgeführt wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweissen mittels Pulver oder Draht erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht synchron mit dem gepulsten Laserstrahl zur Schweissstelle vorgeschoben und während dem Laserschuss um ein geringes Mass zurückgezogen wird.

15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebsart mittels elektronischem Handrad und/oder sogenanntem Joystick/Verfahrtaste einer zuvor festgelegten/programmierten 3D-Kontur entlang verfahren werden kann und dies, unabhängig der Position auf dieser Kontur, vorwärts oder rückwärts innerhalb den jeweiligen Endpunkten.

16. Verfahren zum Schweissen von Werkstücken mittels einem Laser (6), insbesondere zum Reparaturschweissen von bspw. Formen, wobei sich der Laser an einem Positioniergestell (5) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Schutzbrille, die beim Betrieb des Lasers getragen wird, beim Zugang zum Laser ein Signal ausgegeben wird, mit welchem der Laser betriebsbereit geschaltet wird.

17. Verfahren zum Schweissen von Werkstücken mittels einem Laser (6), insbesondere zum Reparaturschweissen von bspw. Formen, wobei sich der Laser an einem Positioniergestell (5) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auslösen eines Schweissimpulses über einen Sensor eine Zufuhr von Schutzgas zur Schweissstelle erfolgt.