DE19639667C1 - Verfahren zum Schweißen von Profilen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen mittels Laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Pro­ filen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen mittels Laserstrahlen, insbesondere von Stringern auf zylindrisch oder sphärisch gekrümmten Hautblechen im Luftfahrzeugbau, un­ ter Verwendung eines das Strukturbauteil aufnehmenden vari­ lerbaren Trägers, eines Rollenführungs- und Spannsystems, mit welchem das zu verschweißende Profil nach seiner Vorpositio­ nierung auf dem Strukturbauteil fixiert und durch eine CNC-An­ lage geführt wird, und eines von dem Rollenführungs- und Spannsystem entkoppelten Laserstrahl-Führungssystems, durch welches zwei Laserstrahlen von zwei Seiten gleichzeitig an die Schweißstelle geführt werden.

In den VDI-Fortschrittsberichten, Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 326 Dissertation 07.94 von Dipl.-Ing. Peter Heider "Lasergerechte Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweißen großformatiger Aluminium-Strukturbauteile" ist ein Schweißverfahren beschrieben. Um beispielsweise derartige AL-Strukturbauteile in der Haut-Stringer-Bauweise fehlerfrei, d. h. rißfrei, und ohne größere Bauteildeformationen herzustel­ len, werden die T-Stöße der Stringer und Hautbleche mittels zweier Laser beidseitig und gleichzeitig geschweißt. Zum Erreichen eines gemeinsamen Schmelzbades werden beide Laser­ strahlen sich gegenüberliegend an identischer Position auf den Fügestoß fokussiert. Es wird somit ein gleichmäßiger Wärmeverlauf erhalten, wodurch eine Minimierung von Schweißeigenspannungen in den Schweißnähten erzielt wird.

Als lasergerechte Fertigungsmittel werden hier alle Kompo­ nenten angesehen, die an den speziellen Anwendungsfall des Laserstrahlschweißens der Aluminium-Legierung AlMgSiCu im T-Stoß angepaßt sind. Dazu gehören Bewegungseinheit, Bearbei­ tungskopf mit Strahlführung und Gaszuführung, Spannvorrich­ tung und Zusatzwerkstoffeinbringung, wobei durch die Verwen­ dung von artfremden Zusatzwerkstoffen, wie z. B. AlSil2, das Problem der Rißbildung gelöst wird.

Die bekannte Schweißvorrichtung zur beidseitigen gleichzei­ tigen Verschweißung von Stringern mit einem Hautblech weist u. a. einen variierbaren Träger zur Aufnahme des Hautbleches und ein flexibles Rollenführungs- und Spannsystem zur exak­ ten Positionierung und Fixierung der Stringer auf dem Haut­ blech während eines Schweißvorganges auf. Hierbei wird die seitliche Führung eines Stringers von einem dem Laserstrahl vorlaufenden und einem nachlaufenden Rollenpaar übernommen. Jedes der beiden Rollenpaare besteht aus einer Führungsrolle zur Bestimmung der Lage des Stringers und einer Spannrolle. Die Positionierung des Stringers wird vom Bearbeitungskopf vorgenommen, der wiederum über ein CNC-Programm verfahren wird, welches sich über Fixpunkte an der realen Lage des Hautbleches orientiert. Der Andruck eines Stringers auf das Hautblech wird durch zwei über der Schweißstelle angeordnete Rollen gewährleistet. Hierbei ist die Vorspannung der An­ druckrollen sowie der seitlichen Spannrollen über Federn einstellbar, während die Relativbewegung zwischen Bearbei­ tungskopf und den Werkstücken sowohl von den Werkstücken als auch vom Bearbeitungskopf vorgenommen werden kann. Von Nachteil ist allerdings, daß die Spann- und Fixiereinrich­ tungen der vorbekannten Schweißvorrichtung bauteilspezifisch ausgebildet sind.

In der CH 644 046 A5 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von im wesentlichen zylindrischen Schiffskörpersektionen zum Bau von Unterseebooten beschrieben, wobei eine eine vollständige Schiffskörpersektion bildende Schalenbaugruppe von einer Stützeinrichtung radial umschlossen wird und innere - Spann­ backen aufweisende - Presseinrichtungen anzuschweißende T-Span­ ten radial gegen die Innenfläche der Schalenbaugruppe pressen. Schweißenergie wird in Form von Laserstrahlung von einer La­ serstrahlungsquelle über Führungseinrichtungen zwei Schweiß­ köpfen zugeführt, welche die Laserstrahlen von zwei Seiten des T-Spants auf die Berührungsstelle des T-Spants mit der Innenfläche der Schalenbaugruppe richten. Während eines Schweißvorganges werden die Schweißköpfe und die Schalenbau­ gruppe relativ zu einander bewegt, so daß eine Umfangsstoß­ schweißung entsteht. Diese vorbekannte Vorrichtung ist nur für den Einsatz von zylindrischen Bauteilen vorgesehen, die fest fixiert und positioniert werden. An sphärischen Bautei­ len können Schweißungen normal zur Oberfläche nicht vorge­ nommen werden.

Aus der DE 44 33 675 A1 ist ein kompakter Laserbearbeitungs­ kopf zur Lasermaterialbearbeitung ersichtlich. Dieser Bear­ beitungskopf besteht aus einem Sensor zur Geometrieerfassung und/oder Konturverfolgung, einem oder mehreren Spiegeln und/oder Spiegelsystemen, einer definierten Schnittstelle zum Strahlführungssystem der Maschine und weiteren notwendigen Bauelementen, Anschlüssen und Leitungen. Der Sensor ist voll­ ständig konstruktiv in dem Laserbearbeitungskopf integriert und gemeinsam mit anderen Zusatzeinrichtungen des Bearbei­ tungskopfes um die Sensordrehachse drehbar gelagert. Bei die­ sem vorbekannten Bearbeitungskopf wird lediglich ein Laser­ strahl nachgeführt, so daß eine Schweißung eines T-Stoßes von zwei Seiten gleichzeitig nicht möglich ist. Weiterhin ist keine Bauteilenachführung vorgesehen, vielmehr muß der Kopf normal auf der Bauteiloberfläche geführt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit welchem eine hohe Flexibilität der Geometrien der zu verschweißenden Profile und AL-Strukturbauteile ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bei­ den Laserstrahlen des Laserstrahl-Führungssystems mit Hilfe eines Nahtsuchsystems automatisiert an die tatsächliche Schweißnahtposition der zu verschweißenden Bauelemente ge­ führt werden, und daß die Bewegung des Laserstrahl-Führungs­ systems durch eine Sensorsteuerschaltung des Nahtsuchsystems und durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage und die Bewegung des entkoppelten Rollenführungs- und Spannsystems durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage gesteuert werden.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß vorhandene Ab­ weichungen von einer Sollage der Fügenaht infolge von bei­ spielsweise Bauteiltoleranzen, thermisch bedingtem Verzug infolge des Schweißprozesses oder mechanisch bedingtem Ver­ zug infolge einer Bauteileinspannung durch die vorzugsweise optische Erfassung der Ist-Lage und die anschließende auto­ matische Nachführung der Laserstrahlen während des Schweiß­ vorganges korrigiert werden. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht in der Minimierung der prozeßbedingt indu­ zierten Spannungen, da die Bauteilkomponenten nahezu span­ nungsfrei zueinander positioniert werden.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Vorrichtung in Vorderansicht, die zum Schweißen von Profilen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren dient, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der aus Fig. 1 ersichtlichen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist lediglich ein sich in unmittelbarer Nähe einer Schweißstelle 8 befindliches Laserstrahl-Führungssystem 1 einer Laserschweißvorrichtung dargestellt. Dieses System weist zwei Laserstrahlen 2 und 3 auf, die mittels jeweils zweier Umlenkspiegel 4 und 5 bzw. 6 und 7 gleichzeitig von zwei Seiten an die Schweißstelle 8 geführt werden. Die Schweißstelle 8 wird durch ein großformatiges Aluminium- Strukturbauteil 9 und ein normalerweise senkrecht auf dem Bauteil 9 angeordnetes Profil 10 gebildet. In dem vorliegen­ den Beispiel handelt es sich um ein gekrümmtes Hautblech ei­ ner Flugzeug-Rumpfstruktur aus zum Beispiel AlMgSiCu und um ein Stringerprofil, von dem typischerweise bis zu 20 Stück auf der Innenseite eines Hautbleches angeschweißt sind. Hier­ bei befindet sich vor einem Schweißvorgang zwischen dem Haut­ blech 9 und den Stringerprofilen 10 jeweils ein Depot eines artfremden Zusatzstoffes 11, beispielsweise AlSil2, der bei einem Schweißvorgang in die Schweißnaht eindringt und die Bildung von Rissen verhindert. Der Depot-Zusatzstoff wird in Form einer auf das Hautblech 9 aufgetragenen Auflage vor einem Schweißvorgang aufgebracht, wodurch die Zuführung von Zusatzstoffen mittels einer Drahtvorrichtung entfällt. Das­ selbe Wirkprinzip ist auch bei Verwendung von Zusatzdraht anwendbar.

Das gekrümmte Hautblech 9 ist auf Stützelementen 12 eines Trägers 13 angeordnet. Die Stützelemente 12 weisen derart einstellbare Aufnahmeelemente 14 auf, daß der somit variier­ bare Träger 13 Bleche unterschiedlichster Geometrie reprodu­ zierbar positionieren kann. Zur Positionierung und Fixierung der Stringerprofile 10 auf dem Hautblech 9 während eines Schweißvorganges ist ein von der Laserschweißvorrichtung ent­ koppeltes Rollenführungs- und Spannsystem 15 vorgesehen. Die­ ses System weist jeweils zwei Rollenpaare 16 und 17 auf, von denen das Rollenpaar 16 zur Erzeugung des Andruckes zwischen dem Stringerprofil 10 und dem Hautblech 9 und das Rollenpaar 17 zur Führung des Systems über das Stringerprofil 10 dienen. Hierbei wird das Rollenpaar 17 einseitig durch das NC-Programm der CNC-Anlage geführt. Die für einen Schweißprozeß erforder­ liche Relativbewegung zwischen dem Hautblech 9 und dem Strin­ gerprofil 10 sowie dem Rollenführungs- und Spannsystem 15 er­ folgt durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage, während die Re­ lativbewegung zwischen dem Hautblech 9 und dem Stringerprofil 10 sowie dem Laserstrahl-Führungssystem 1 durch eine Sensor­ steuerschaltung 19 eines Nahtsuchsystems 20 und durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage gesteuert wird.

Für die Relativbewegung zwischen dem Hautblech und dem Strin­ gerprofil sowie dem Laserstrahl-Führungssystem ist aus Fig. 1 ein Sensor 18 ersichtlich, mit dessen Hilfe während eines Schweißvorganges die Ist-Lage-Daten der Bauteilkomponenten zur NC-Sollage der zu verschweißenden Stringerprofile 10 und des Hautbleches 1 ermittelt werden. Der vorzugsweise opti­ sche Sensor 18 ist ebenso wie eine ihm nachgeordnete Sensor- Steuerung 19 Bestandteil eines Nahtsuchsystems 20, welches in einem definierten Abstand zur Schweißstelle 8 im Nahtvor­ lauf positioniert ist. Dieser Abstand ist zur Gewährleistung gleicher Lastbedingungen an der Schweißstelle und am Sensor­ meßpunkt mit der Position des oberen Führungsrollenpaares 16 abgeglichen.

Das Sensorsystem 20 erfaßt einseitig die komplette Kontur am Übergang vom Hautblech 9 zum Stringerprofil 10, so daß horizontale und vertikale Lageinformationen vorliegen. Da die Schweißstelle 8 und der Sensormeßpunkt nicht überein­ stimmen, setzen sich diese Lagedaten aus geometrisch ge­ wollten und toleranz-, prozeßbedingten Anteilen zusammen, so daß für eine Ermittlung der Stellgrößen der Hilfsachsen (v, q, w-Achsen) der erstgenannte Anteil zu eliminieren ist. Dies erfolgt durch eine Rechenoperation in der Sensor-Steu­ erung 19 nach der Bereitstellung der Solldaten. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, werden diese Solldaten über den Prozes­ sor (Postprozessor) von der CNC-Steuerung der Anlage ermit­ telt und bereitgestellt.

Bezugszeichenliste

1 Laserstrahl-Führungssystem
2 bis 3 Laserstrahlen
4 bis 7 Umlenkspiegel
8 Schweißstelle
9 Strukturbauteil/Hautblech
10 Profil/Stringer
11 Zusatzwerkstoff
12 Stützelement
13 Träger
14 Aufnahmeflächen der Stützelemente 12
15 Rollenführungs- und Spannsystem
16 bis 17 Rollenpaare
18 Sensor
19 Sensorsteuerschaltung
20 Nahtsuchsystem

Claims (3)

1. Verfahren zum Schweißen von Profilen auf großformatigen Aluminium-Strukturbauteilen mittels Laserstrahlen, insbe­ sondere von Stringern auf zylindrisch oder sphärisch ge­ krümmten Hautblechen im Luftfahrzeugbau, unter Verwendung eines das Strukturbauteil aufnehmenden variierbaren Trä­ gers, eines Rollenführungs- und Spannsystems, mit welchem das zu verschweißende Profil nach seiner Vorpositionierung auf dem Strukturbauteil fixiert und durch eine CNC-Anlage geführt wird, und eines von dem Rollenführungs- und Spann­ system entkoppelten Laserstrahl-Führungssystems, durch welches zwei Laserstrahlen von zwei Seiten gleichzeitig an die Schweißstelle geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlen (2, 3) des Laserstrahl-Füh­ rungssystems (1) mit Hilfe eines Nahtsuchsystems (20) au­ tomatisiert an die tatsächliche Schweißnahtposition (8) der zu verschweißenden Bauelemente (9, 10) geführt werden, und daß die Bewegung des Laserstrahl-Führungssystems (1) durch eine Sensorsteuerschaltung (19) des Nahtsuchsystems (20) und durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage und die Be­ wegung des entkoppelten Rollenführungs- und Spannsystems (15) durch die NC-Steuerung der CNC-Anlage gesteuert wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißprozesses Zusatzwerkstoffe (11) zur Vermeidung von Rissen in den Schweißnähten von dem Rol­ lenführungs- und Spannsystem (15) entkoppelt zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe (11) in Form einer auf dem Strukturbau­ teil (9) angeordneten Auflage zugeführt werden.