DE10355051A1

DE10355051A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen mit verringerter Abzeichnung

Info

Publication number: DE10355051A1
Application number: DE10355051A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Adelmann; Wolfgang Dr.-Ing. Becker; Markus Dr. Beck; Daniel Dipl.-Ing. Zauner (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP2005199350A; US20050178751A1; DE10355051B4

Abstract

Beim Laserstrahlschweißen zweier oder mehrerer Werkstücke kommt es meist zu einer Abzeichnung der Schweißnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks. Liegt diese Seite im Sichtbereich, so muss sie aufwendig nachbearbeitet werden. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen anzugeben, welche die Ausbildung einer Laserschweißnaht mit verringerter Abzeichnung ermöglichen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein kritischer Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit in die zu schweißenden Werkstücke ermittelt wird, ab dem es zu einer ein vorgebbares Maß überschreitenden Abzeichnung der Schweißnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks kommt, und dass der Laserstrahl derart gesteuert oder geregelt wird, dass dieser kritische Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweissen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Beim Laserstrahlschweißen zweier oder mehrerer Werkstücke kommt es meist zu einer Abzeichnung der Schweissnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks. Liegt diese Seite im Sichtbereich, so muss sie in vielen Anwendungsbereichen, insbesondere im Automobilbau, aufwendig nachbearbeitet werden. Dies gilt im besonderen Maße für zu lackierende Werkstücke wie beispielsweise Karosserien.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweissen anzugeben, welche die Ausbildung einer Laserschweissnaht mit verringerter Abzeichnung auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite der Werkstücke ermöglichen.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren zum Laserstrahlschweißen mit verringerter Abzeichnung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben, sowie in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 5. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 2 bis 4).

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zum Laserstrahlschweißen mit verringerter Abzeichnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein kritischer Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit in die zu schweissenden Werkstücke ermittelt wird, ab dem es zu einer ein vorgebbares Maß überschreitenden Abzeichnung der Schweissnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks kommt, und dass der Laserstrahl derart gesteuert oder geregelt wird, dass der kritische Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit nicht überschritten wird.

Dabei kann der kritische Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit direkt ermittelt werden, also in J/m²/s, oder auch indirekt in äquivalenter Form, d.h. in einer Kombination geeigneter Verfahrensparameter, bis zu deren Erreichen keine Abzeichnung auftritt. Geeignete Verfahrensparameter sind beispielsweise Laserleistung, Fokussierung (bzw. Laserstrahldurchmesser im Schweissbereich) und Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls.

Sobald der kritische Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit ermittelt ist, kann mittels bekannter Steuer- oder Regeleinrichtungen der Laserstrahl so gesteuert oder geregelt werden, dass sich keine oder nur noch eine tolerierbare Abzeichnung der Lasernaht auf der Werkstückrückseite ausbildet. Das Ausmaß der tolerierbaren Abzeichnung kann über eine mit der Steuer- oder Regeleinrichtung verbundene Eingabeeinrichtung auf einfache Weise vorgegeben werden.

Durch die Vorgabe eines kritischen Energieeintrags pro Flächen- und Zeiteinheit kann nicht nur das Maß der Abzeichnung reguliert werden, sondern auch die Tiefe der Schweissnaht in das dem Laserstrahl abgewandte Werkstück, meist als sog. Un terblech bezeichnet. Damit kann insbesondere bei dünnen Blechen auch evtl. Verzug minimiert werden.

Die Minimierung von Abzeichnung und Verzug ermöglicht es, z.B. Sicken und Abdeckungen wirtschaftlicher zu fügen – ohne aufwendige Nachbearbeitung der Schweissnaht. Dies ist insbesondere im Karosseriebau vorteilhaft.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden geeignete Steuer- oder Regelparameter für den Laserstrahl ermittelt durch Simulation des Schweissverfahrens und/oder empirisch vor dem Schweissen der Werkstücke und/oder durch Messung von Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks während des Schweissens, insbesondere IR-Emission.

Geeignete Steuer- oder Regelparameter sind beispielsweise die bereits o.g. Laserleistung, Fokussierung und Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls. Geeignete Werte dieser Parameter zur Gewährleistung einer maximal tolerierbaren oder auch gar keiner Abzeichnung lassen sich mittels bekannter Simulationsverfahren auf einfache Weise ermitteln. Alternativ oder additiv können sie auch empirisch ermittelt werden, indem Probewerkstücke bei jeweils verschiedenen Werten der Parameter unterschiedliche Wertebereiche durchfahren und mit den jeweiligen Parametern geschweisst werden und anschließend das Ausmaß der Abzeichnung der Lasernaht ermittelt wird. Der Vergleich der Abzeichnung liefert auf einfache Weise einen geeigneten Parametersatz. Alternativ oder additiv können auch Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks während des Schweissens gemessen werden und mit einem kritischen Wert verglichen werden, ab dem es zu einer ein vorgebbares Maß überschreitenden Abzeichnung der Schweissnaht kommt. Dieser kritische E missionswert kann wiederum mittels Simulation oder empirisch bestimmt werden.

Die Emissionsmessung erfolgt vorteilhaft im Infrarot-Bereich (IR), da eine Erwärmung der dem Laserstrahl abgewandten Seite durch die von dem Laserstrahl eingebrachte Energie wesentlich früher messbar ist, als beispielsweise eine Veränderung dieser Werkstückseite im optischen Messbereich. Somit kann eine sich anbahnende Abzeichnung lange vor ihrer Ausbildung sicher anhand ihrer charakteristischen Erwärmung, d.h. IR-Emission, sicher erkannt werden und durch geeignete Regelung des Laserstrahls vollständig verhindert werden. Geeignete IR-Sensoren, z.B. Dioden oder auch Kameras sowie Licht- oder Bildleiter soweit aus Platzgründen evtl. erforderlich, sind bekannt.

Die Emissionsmessung kann aber auch im optischen Bereich erfolgen, da eine sich anbahnende Abzeichnung sich bereits vorab durch eine Verfärbung der Oberfläche andeutet. Auch solche Verfärbungen können mittels geeigneter Bilderkennungssoftware sicher und rechtzeitig vor Ausbildung der Abzeichnung erkannt werden und durch geeignete Regelung des Laserstrahls vollständig verhindert werden. Die optische Messung hat den Vorteil, dass sie einem Bediener auch direkt zur Prozessüberwachung zur Verfügung gestellt werden kann, während die IR-Überwachung für einen menschlichen Bediener erst in eine geeignete Darstellung, z.B. Falschfarbendarstellung, umgewandelt werden muss.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden geeignete Steuer- oder Regelparameter für den Laserstrahl lokal ermittelt und der Laserstrahl damit gesteuert oder geregelt.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass so auch unterschiedliche Werkstückdicken oder evtl. Abweichungen in der Geometrie von Werkstück und/oder Schweissnaht berücksichtigt werden können und trotz dieser lokalen Unterschiede eine gleichmäßige Nahtqualität erreicht werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schweissnaht verbreitert, insbesondere durch

– Überlagerung der Vorschubbewegung des Laserstrahls mit einer lokalen lateralen Bewegungskomponente, und/oder
– mehrfaches lateral versetztes Abfahren der Schweissnaht.

Eine besonders geeignete laterale Strahlbewegung verläuft in Form einer transversal zur Naht überlagerten Kreisbewegung als Verbreiterung der Schweißnaht (sog. Beam spinning). So wird eine gleichmäßige Überdeckung eines verbreiterten Nahtbereiches gewährleistet, woraus ein verbreiterter Anbindungsquerschnitt resultiert. Ebenfalls geeignet sind sinus- oder zickzackartige Nahtformen oder eine leichte Vibration der Strahlführung, die vorzugsweise mehrfach leicht versetzt durchlaufen werden und so einen verbreiterten Anbindungsquerschnitt erzeugen. Die einfachste Verbreiterung des Anbindungsquerschnitt erreicht man jedoch durch mehrere parallel versetzte gerade Schweissnähte.

Der verbreiterte Anbindungsquerschnitt ermöglicht auch bei geringer Einschweisstiefe der Naht ein hohe Verbindungsstabilität der verschweissten Werkstücke.

Die beschriebenen Verfahrensschritte können prinzipiell auf einer konventionellen Schweißvorrichtung ablaufen, die vorzugsweise aus Präzisions- und Geschwindigkeitsgründen einen Roboter zur Strahlführung beinhaltet.

Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch, wenn der Laserstrahl mittels einer Scanner-Einrichtung auf die Oberfläche gelenkt wird. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahl-Ablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegeln) oder auch aus akusto-optische Modulatoren.

Der große Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Scanner-Einrichtung gleichmäßig relativ zur Oberfläche eines Bleches bewegt wird und dabei die Scanner-Einrichtung den Laserstrahl z.B. für einen kurzen Bearbeitungszeitraum sinusförmig über einen ersten Teil einer ersten Naht führt und dann sehr schnell zum Beginn eines leicht parallel versetzten zweiten Teils der sinusförmigen Naht umlenkt und danach sehr schnell zu einer zweiten entsprechenden mehrteiligen Naht führt. Hierdurch entfallen sowohl die apparativen Einrichtungen für die optische Führung eines zweiten Laserstrahls als auch die für die Umpositionierung der Laserstrahlen erforderlichen Zeiten, während deren ein roboter-geführter Laserstrahl üblicherweise ausgeschaltet werden muß. Somit wird eine sehr hohe Auslastung des Lasersystems ermöglicht. Im Gegensatz dazu werden bei konventionellem Systemen Laserstrahlen mittels starrer Linsensysteme über die Bearbeitungslinien gelenkt. Um eine neue Bearbeitung zu beginnen, muß der Laserstrahl zu deren Beginn geführt werden und dazu muß das Linsensystem relativ zum Bauteil bewegt werden. Währenddessen muß der Laser ausgeschaltet werden um unbeabsichtigte Entschichtung des Bauteils zu vermeiden. In folgedessen benötigt diese Ausgestaltung der Erfindung nur einen Bruchteil der Bearbeitungszeit im Vergleich zu konventionellen Systemen.

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen mit verringerter Abzeichnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Einrichtung zur Messung von Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks aufweist, welche mit einer Einrichtung zur Regelung des Laserstrahls verbunden ist.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Regelung des Schweissens mittels geeigneter Regelparameter wie beispielsweise Laserleistung, Fokussierung und Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls. Dazu werden Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks während des Schweissens gemessen werden und mit einem kritischen Wert verglichen, ab dem es zu einer ein vorgebbares Maß überschreitenden Abzeichnung der Schweissnaht kommt. Dieser kritische Emissionswert kann wiederum mittels Simulation oder empirisch bestimmt werden. Diese Vorrichtung gewährleistet daher das Einhalten einer maximalen Abzeichnung oder auch einer vorgebbaren Schweisstiefe ohne jegliche Abzeichnung.

Geeignete Einrichtungen zur Regelung und zur Emissionsmessung sind bekannt. Beispielhaft seien IR oder optische Sensoren, insbesondere Dioden oder CCDs, genannt. Diese können je nach Zugänglichkeit der Beobachtungsstellen in direkter Sichtlinie angeordnet werden oder indirekt über IR- oder optische Lichtleiter die Emissionen erfassen.

Als besonders schnell und damit vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Scanner-Einrichtung, welche den Laserstrahl zu den Bearbeitungsstellen lenkt.

Nachfolgend wird anhand von sechs Ausführungsbeispielen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden zwei Bleche aus Standard-Stahl ST 14 übereinander ausgerichtet. Die Bleche haben eine Dicke von jeweils circa 1 mm. Eine Scanner-Einrichtung wird gleichmäßig darüber verfahren und lenkt einen Laserstrahl, der von einer Vorrichtung zum Laserstrahlschweissen emittiert wird, über die Bearbeitungsfläche. Die Scanner-Einrichtung besteht aus einem zwei-dimensional schwenkbaren computer-gesteuerten Spiegelsystem.
Empirische Messungen an Probeblechen haben ergeben, dass für diese Bleche ein kritischer Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit nicht überschritten wird, wenn folgende Steuerparameter für den Schweissprozess eingestellt werden: Laserleistung circa 1900 Watt, Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls circa 3 m/min, Fokus auf der zu schweißenden Oberfläche mit Fokusdurchmesser von circa 0,7 mm. Der Fokus befindet sich auf der zu schweißenden Oberfläche, wenn die Scanner-Einrichtung circa 300 mm Abstand zur Oberfläche des Bleches aufweist. Die Einstellung dieser Steuerparameter gewährleistet, dass es zu keiner sichtbaren Abzeichnung der Schweissnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entfernteren Bleches kommt.
Die Schweissnaht wird verbreitert, indem der Vorschubbewegung des Laserstrahls eine lokale laterale Bewegungskomponente in Form einer Kreisbewegung mit einem Durchmesser von circa 1 mm überlagert wird; sog. beam spinning. Die spinning Frequenz beträgt x Hz. Diese Verbreiterung der Schweissnaht auf circa 1,7 mm Breite gewährleistet eine ausreichende Anbindungsstabilität trotz verringerter Schweissnahttiefe.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden zwei Bleche aus höherfestem Stahl ZSTE 340 übereinander ausgerichtet. Das strahlzugewandte Blech hat eine Dicke von circa 1 mm. Das strahlabgewandte Blech hat eine Dicke von circa 0,5 mm.
Simulationsberechnungen haben ergeben, dass für diese Bleche ein kritischer Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit nicht überschritten wird, wenn folgende Steuerparameter für den Schweissprozess eingestellt werden: Laserleistung circa 1800 Watt, Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls circa 4 m/min, Fokus auf der zu schweißenden Oberfläche mit Fokusdurchmesser von circa 0,7 mm.
Die Schweissnaht wird analog zum ersten Ausführungsbeispiel durch kreisförmiges beam spinning verbreitert. Da das Unterblech aber hier dünner ist und deshalb ein geringer Energieeintrag gesteuert wird, wird parallel zur ersten verbreiterten Naht im Abstand von 2 mm eine zweite verbreiterte Naht geschweisst. Dies ist mittels der Scanner-Einrichtung einfach und schnell möglich und gewährleistet auch bei diesem sehr dünnen Unterblech eine abzeichnungsfreie doppelte Naht mit ausreichend stabilen Anbindungsquerschnitten.
In einem dritten Ausführungsbeispiel werden zwei Bleche aus Standard-Stahl ST 14 übereinander ausgerichtet. Die Bleche haben eine Dicke von jeweils circa 1,2 mm.
Die Vorrichtung zum Laserstrahlschweissen weist zusätzlich eine Einrichtung zur Messung von Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl abgewandten Bleches auf, welche mit einer Einrichtung zur Regelung des Laserstrahls verbunden ist. Die Einrichtung zur Messung von Emissionen umfaßt eine optische CCD-Kamera, die auf die dem Laserstrahl abgewandte Seite des Unterblechs – also auf die Unterseite der zu schweissenden Naht – ausgerichtet ist. Die CCD-Kamera ist mit einem Computer verbunden, der mittels bekannter Bildanalyse-Verfahren die von der CCD-Kamera gelieferten Bilder hinsichtlich Verfärbungen untersucht. Eine Verfärbung ist ein erstes Anzeichen für die Abzeichnung der Naht – also für das Erreichen eines kritischen Energieeintrages in das Unterblech. Der Computer dient auch als Regeleinrichtung für den Laserstrahl. Sobald eine Verfärbung erkannt wird, wird der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit gesenkt. Hier geschieht dies durch sofortige Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls um 20 Prozent. Nachdem der Laserstrahl eine Schweissnahtlänge von circa 1 mm zurückgelegt hat, wird die Vorschubgeschwindigkeit wieder um circa 10 Prozent abgesenkt. Alternativ oder additiv kann vom Bediener des Computers auch eine andere Erhöhung, Schweissnahtlänge und Absenkung über die Eingabeeinheit des Computers vorgegeben werden. Ebenfalls alternativ oder additiv kann der Bediener auch Änderungen der Laserleistung bei Auftreten von Verfärbungen vorgeben.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine 3D-Scanner-Einrichtung verwendet. In diesem Fall kann der Bediener der Regeleinrichtung auch Änderungen des Laserfokusdurchmessers bei Auftreten von Verfärbungen vorgeben. Dabei wird dann jeweils die Entfernung des Scannerspiegels von der Bearbeitungsfläche verändert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Laserschweißen von Stahl-Blechen in der Automobilindustrie.
Insbesondere kann so eine deutliche Reduzierung oder gar Vermeidung von Abzeichnungen und Verzug – gerade bei dünnen Blechen – erreicht werden. Durch den Einsatz einer Scanner-Einrichtung können zusätzlich erhebliche Vorteile bezüglich der Bearbeitungszeit und Genauigkeit erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
Anstatt durch den Bediener der Steuer- oder Regeleinrichtung jeweils geeignete Steuer- oder Regelparameter eingeben zu lassen, kann auch eine Datenbank angelegt werden, in der geeignete Werte für regelmäßig verwendete Materialarten und – dicken bereits enthalten sind, so dass der Bediener nur noch daraus auswählen muss.
Das Verfahren ist insbesondere auch beim Schweissen beschichteter Bleche vorteilhaft. Damit kann nämlich eine geringe Schweisstiefe in das Unterblech vorgegeben werden, die eine ausreichend stabile Anbindung ermöglicht, ohne die Beschichtung auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite über ein tole rierbares Maß hinaus zu beschädigen. Dies verringert Korrosionsstellen oder vermeidet einen nachfolgenden Prozessschritt zu deren Behebung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht nur zum Schweisen der im Automobilbau üblicherweise verwendeten Stahlbleche geeignet, sondern ebenso zum Schweissen anderer Metalle oder auch von Kunststoffen.

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweissen von mindestens zwei Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass ein kritischer Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit in die zu schweissenden Werkstücke ermittelt wird, ab dem es zu einer ein vorgebbares Maß überschreitenden Abzeichnung der Schweissnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks kommt, dass der Laserstrahl derart gesteuert oder geregelt wird, dass der kritische Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geeignete Steuer- oder Regelparameter für den Laserstrahl ermittelt werden durch – Simulation des Schweissverfahrens und/oder – empirisch vor dem Schweissen der Werkstücke und/oder – Messung von Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks während des Schweissens, insbesondere IR-Emission.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass geeignete Steuer- oder Regelparameter für den Laserstrahl lokal ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissnaht verbreitert wird, insbesondere durch – Überlagerung der Vorschubbewegung des Laserstrahls mit einer lokalen lateralen Bewegungskomponente, und/oder – mehrfaches lateral versetztes Abfahren der Schweissnaht.
Vorrichtung zum Laserstrahlschweissen von mindestens zwei Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Messung von Emissionen auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des von dem Laserstrahl entferntesten Werkstücks aufweist, welche mit einer Einrichtung zur Regelung des Laserstrahls verbunden ist.