DE19745929C1 - Schweißeinrichtung für zwei über eine in sich geschlossene Schweißnaht miteinander zu verbindende Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung für zwei über eine in sich geschlossene und stetig verlaufende Schweißnaht miteinander zu verbindende Werkstücke mit einer Werkstückaufnahme, einer mit einer Fokussieroptik verbundenen Laserstrahlungsquelle und einem über den Werkstücken angeordneten, die Fokussieroptik tragenden Schwenkarm, der um seine senkrecht zur Schweißebene und innerhalb der in sich geschlossenen Schweißnaht liegenden Schwenkachse rotiert, wobei die Fokussieroptik in ihrer Position auf dem als Führung dienenden Schwenkarm mittels eines Antriebs veränderbar ist.

Schweißeinrichtungen mit und ohne vorlaufendem Nahtfolgesensor dieser Art sind bekannt.

Aus der DE-OS 44 10 039 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein die Laserstrahlung aussendender Laserkopf an einer Führungsplatte befestigt ist. Die Führungsplatte wird mittels eines Schwenkarms auf einer geschlossenen Umlaufbahn um eine zentrale Rotationsachse über das Werkstück geführt entsprechend der auszuführenden Schweißbewegung. Der Abstand der Umlaufbahn von der Rotationsachse hängt von der Schrägstellung eines die Drehbewegung übertragenden Glieds des Schwenkarms relativ zur zentralen Rotationsebene ab. Durch diese Ausführung weist die Vorrichtung eine große Bauhöhe auf und erfordert durch die Vielzahl der Lager des Schwenkarms und seine Führung einen großen konstruktiven Aufwand wenn die Führungsgenauigkeit des Laserkopfs gegeben sein soll.

Bei einer bekannten Laserschweißeinrichtung (DE 40 04 544 A1) ohne Nahtfolgesensor ist die Fokussieroptik der Laserstrahlquelle stationär angeordnet und die miteinander entlang einer kreisförmigen Naht zu verbindenden Werkstücke werden gegenüber dieser Fokussieroptik mit der Werkstückaufnahme gedreht. Um die beiden Werkstücke bei dieser Drehbewegung in der gewünschten Position zueinander zu halten, ist ein großer maschinentechnischer Aufwand erforderlich. Die damit einhergehende große Masse der Werkstückaufnahme, zu der noch die Masse der Werkstücke hinzukommt, machen eine entsprechend groß dimensionierte Lagerung und einen entsprechend groß dimensionierten Antrieb erforderlich. Wenn man berücksichtigt, daß sehr schmale Fügespalte erwünscht sind und der Fokusdurchmesser des Laserstrahls sehr klein ist (z. B. 0,2 mm) muß auch ein großer Aufwand bei der Justierung der beweglichen Werkstückaufnahme gegenüber der stationären Laseroptik getrieben werden. Aber selbst bei einem großen vorrichtungstechnischen Aufwand und großen Justieraufwand ist es schwierig, zu optimalen Schweißergebnissen zu kommen.

Bei einer anderen bekannten Schweißeinrichtung (EP 0 088 501 A1) ohne Nahtfolgesensor zum Schweißen einer kreisförmigen Naht an Rohren ist das Rohr ortsfest, während die Fokussieroptik der Laserstrahlquelle das Rohr umfährt. Dazu ist die Fokussieroptik auf einer kreisförmigen Schiene, die das Rohr konzentrisch umgibt, geführt. Voraussetzung für eine einwandfreie Schweißnaht ist, daß das Rohr und die Führungsschiene exakt zueinander ausgerichtet sind. Eine Korrektur bei vom Sollverlauf abweichenden Verlauf der Schweißnaht ist nicht möglich. Hinzu kommt, daß die als CO₂ ausgebildete Laserstrahlquelle eine aufwendige Optik mit Spiegeln für die Führung des Laserstrahls von der Strahlungsquelle zu der eine Kreisbahn beschreibenden Fokussieroptik erforderlich macht.

Bei einer weiteren bekannten Schweißeinrichtung (JP 09150283 A) die im Prinzip den gleichen Aufbau wie die vorherige Schweißeinrichtung hat, ist anstelle einer CO₂ Laserstrahlquelle eine YAG-Laserstrahlquelle vorgesehen. Daraus resultiert eine vereinfachte Führung des Laserstrahls über eine optische Drehdurchführung. Im übrigen bestehen aber hier die gleichen Nachteile wie bei der zuvor beschriebenen Schweißeinrichtung.

Schließlich sind Laserschweißeinrichtungen zum Schweißen von z. B. Längsnähten an Rohren bekannt (Aufsatz "Sensorsystem zur hochgenauen Erfassung von Schweißfugen beim Laserstrahlschweißen" in Zeitschrift "Schweißen und Schneiden" 47(1995) Heft 11, S. 924-927; Aufsatz "Intelligente Nahtsensorik für das Laserschweißen", Tagungsband der 4. Konferenz für Strahltechnik, Halle (Saale); 8. Und 9. Mai 1996, 5.196-199, Veranstalter: DVS Deutscher Verband für Schweißtechnik e. V., Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle), bei denen der zumindest im wesentlichen stationär angeordneten, nur von einem Stellglied, z. B. einem Schwenkarm, für Korrekturen verstellbaren Fokussieroptik ein vorlaufender Nahtfolgsesensor in fester geometrischer Beziehung zugeordnet ist. Das zu verschweißende Werkstück wird gegenüber dieser Optik in Richtung der Schweißnaht vorbewegt. Stellt der Nahtfolgesensor fest, daß die Schweißfuge sich nicht in optimaler Lage zum Laserstrahl befindet, dann kann die Fokussieroptik mittels eines am Schwenkarm angreifend gesteuerten Antriebes in ihrer Position korrigiert werden. Diese Art und Weise der Nachführung der Fokussieroptik erfordert keinen großen apparativen Aufwand. Wesentlich aufwendiger ist dagegen, wenn der Meßwert des Nahtfolgesensors mittels einer CNC-Anlage die relative Lage von Laserstrahl und Werkstück nachführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißeinrichtung zu schaffen, mit der bei geringem vorrichtungstechnischen Aufwand und mit geringem Aufwand an Rüstzeiten in sich geschlossene Schweißnähte, insbesondere kreisrunde Schweißnähte an Werkstücken fehlerfrei erzeugt werden können.

Diese Aufgabe der Erfindung wird bei einer Schweißeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Position der Fokussieroptik auf dem nach Art einer Speiche in einem drehbar gelagerten Ring gehaltenen Schwenkarms in Abhängigkeit von dem Meßergebnis eines in fester geometrischer Beziehung zur Fokussieroptik angeordneten, vorlaufenden Nahtfolgesensors korrigiert wird.

Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung hat einen einfachen mechanischen Aufbau. Da der Schwenkarm mit seiner Schwenkachse im Zentrum der geschlossenen Schweißnaht, bei einer kreisrunden Schweißnaht im Kreismittelpunkt liegt, ist die Kreisbahn, auf die die Fokussieroptik auf dem Schwenkarm eingestellt ist, deckungsgleich mit der kreisrunden Schweißnaht. Geringfügige Abweichungen von der Überdeckung dieser beiden Kreise werden durch die Korrektur der Stellung der Fokussieroptik auf dem Schwenkarm ausgeglichen. Dies gilt in jedem Fall, d. h. sowohl bei nicht ganz kreisrunder Schweißnaht als auch bei einer exzentrischen Anordnung von Schweißnaht und Rotationsbahn der Fokussieroptik infolge einer nicht völlig exakten Ausrichtung der Werkstücke auf die Schwenkachse des Schwenkarms. Grundsätzlich erlaubt die Erfindung auch das Schweißen von nicht kreisrunden Schweißnähten, solange diese bei der Rotation des Schwenkarms vom Nahtfolgesensor verfolgt werden können und der Stellbereich der Fokussieroptik auf dem Schwenkarm ausreicht.

Durch die flache Bauweise der Speiche und des Rings kann die Bauhöhe der Schweißeinrichtung klein gehalten werden. Eine genaue Position der Fokussieroptik ist durch die rotatorische Bewegung des Rings und eine translatorische Bewegung auf der Speiche einfach einzustellen.

Zwar läßt sich die Einrichtung mit verschiedenen Laserstrahlungsquellen (z. B. CO₂- oder YAG-Laser)einrichten, doch um die Strahlführung des Laserstrahls möglichst zu vereinfachen, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Laserstrahlungsquelle eine YAG- Laserstrahlungsquelle ist und die Fokussieroptik mit der YAG- Laserstrahlungsquelle über eine optische Drehdurchführung verbunden ist. Die Übertragung erfolgt dabei über Glasfaserkabel. Die Drehdurchführung verhindert ein Verdrillen der Glasfaserkabel bei der Rotationsbewegung der Fokussieroptik.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ring vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet. Bei einem solchen Hohlzylinder läßt sich die Lagerung auf einfache Weise außen verwirklichen. Dies gilt auch für den Antrieb. Als Antrieb kann ein Zahnrad oder Zahnriemenantrieb dienen.

Die Anordnung der Fokussieroptik auf dem als Führung dienenden Schwenkarm schafft auch eine Voraussetzung für einen einfach gestalteten Antrieb. So kann der Antrieb für die Fokussieroptik und den Nahtfolgesensor als Spindel-, Zahnstangen- oder Zugseilantrieb ausgebildet sein. Als Nahtfolgesensor hat sich ein nach dem Triangulationsprinzip arbeitender Sensor bewährt.

Um die Betriebszeit der Schweißeinrichtung voll ausnutzen zu können, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Werkstückaufnahme mit mindestens einer weiteren Werkstückaufnahme in einem Wechseltisch oder Drehtisch vorgesehen ist. Während bei einer derart ausgestalteten Schweißeinrichtung eine Schweißnaht an einem Werkstückpaar erstellt wird, kann das andere Werkstückpaar schon in die zu verschweißende Position zueinander gebracht werden, so daß die Wechselzeit von dem einen Werkstückpaar zum nachfolgenden Werkstückpaar, in der die Schweißeinrichtung nicht arbeiten kann, sehr klein gehalten wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Schweißeinrichtung mit Werkstückaufnahme und Fokussieroptik in isometrischer Darstellung und,

Fig. 2 die Schweißeinrichtung der Fig. 1 mit Fokussieroptik über zwei miteinander zu verschweißenden Werkstücken in schematischer Darstellung im Vertikalschnitt.

Gemäß Fig. 1 befinden sich zwei Werkstücke, und zwar eine ebene Blechplatine 1 mit einer kreisförmigen Aussparung und eine darin mit einem möglichst geringen Spalt eingesetzte Ronde 2 in Schweißposition unter der eigentlichen Schweißeinrichtung 3. Während die Platine 1 aus einem dünnen Blech von z. B. 1,5 mm besteht, besteht die Ronde 2 aus einem wesentlich dickeren Blech von beispielsweise 2,5 mm. Mit dieser unterschiedlichen Blechstärke wird bei möglichst geringem Gesamtgewicht der später örtlich unterschiedlichen Belastung des Bauteils 1, 2 Rechnung getragen. Das aus der Platine 1 und der Ronde 2 zusammengeschweißte Bauteil 1, 2 ist z. B. für die Herstellung von Federbeinaufnahmen (Federbeindome) an Kraftfahrzeugen bestimmt. Dafür wird es noch durch Pressen oder Tiefziehen umgeformt.

Die Verspannung der Platine 1 und der Ronde 2 in der Werkstückaufnahme erfolgt vorzugsweise von unten, z. B. durch magnetische oder pneumatische Spannmittel.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird das Bauteil 1, 2 von einer Werkstückaufnahme 4 gehalten, die als Wechseltisch ausgebildet ist. Die Besonderheit eines solchen Wechseltisches besteht darin, daß ein Bauteil 1, 2 sich in Schweißposition befindet, während ein gleiches aus Platine 5 und Ronde 6 bestehendes Bauteil sich neben der Schweißposition in einer Vorbereitungsposition befindet, in der es zusammengesetzt und ausgerichtet wird. Ist das erste Bauteil 1, 2 zusammengeschweißt, dann wird das zweite Bauteil 5, 6 in die Schweißpositionen gebracht. Damit es in dieser Schweißposition zur Schweißeinrichtung 3 ausgerichtet ist, sind einfache Führungen und Anschläge vorgesehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Die im Detail in Fig. 2 dargestellte Schweißeinrichtung 3 weist eine Laserstrahlungsquelle, und zwar eine in der Zeichnung nicht dargestellte YAG-Laserstrahlungsquelle und eine Fokussieroptik 7 auf. Die Fokussieroptik 7 ist mit der YAG-Laserstrahlungsquelle über ein Lichtfaserkabel 8 und eine optische Drehdurchführung 9 verbunden. Die Fokussieroptik 7 und ein ihr in fester geometrischer Beziehung zugeordneter Nahtfolgesensor 10 werden von einem als Führung dienenden Schwenkarm 11 getragen, der nach Art einer Speiche in einem als Hohlzylinder ausgebildeten Ring 12 ausgebildet ist. Auf diesem Schwenkarm 11 sind die Fokussieroptik 7 und der Nahtfolgesensor 10 in radialer Richtung geführt und können von einem Antrieb 13 verstellt werden. Die Verstellung erfolgt entsprechend einem vom Nahtfolgesensor 10 an eine nicht dargestellte Steuereinheit gegebenen Meßsignal.

Der Hohlzylinder 12 ist außen über Lager 14, 15 gelagert und von außen angetrieben, z. B. mittels eines Zahnriemens, der in ein Zahnrad 16 eingreift.

Das in der Schweißposition befindliche Bauteil 1, 2 sollte mit dem Mittelpunkt seiner Ronde 2 mit der Schwenk- /Rotationsachse S des Schwenkarms 11 bzw. der Fokussieroptik 7 fluchten. Eine geringfügige Exzentrizität d ist so lange unkritisch, als sie durch Nachführen der Fokussieroptik 7 auf dem Schwenkarm 11 ausgeglichen werden kann. Damit dies möglich ist, muß zunächst der Nahtfolgesensor 10 in der Lage sein, die Abweichung zu erfassen. In der Regel wird ein nach dem Triangulationsprinzip arbeitender Sensor (z. B. ein Lichtschnittsensor) eingesetzt, das ist ein Sensor, der eine quer zur Schweißnaht N verlaufende Meßlinie hat.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß mit ein und derselben Schweißeinrichtung 3 ein großer Durchmesserbereich von in sich geschlossenen Schweißnähten N abgedeckt werden kann, weil die Fokussieroptik 7 über den gesamten Durchmesser verfahren werden kann. Eine sehr genaue Ausrichtung von Werkstücken 1, 2 und Fokussieroptik 7 ist nicht erforderlich, weil die Fokussieroptik 7 auf einfache Art und Weise auf dem als Führung dienenden Schwenkarm 11 in ihrer Position korrigiert werden kann. Eine zusätzliche Höhenverstellung ist nicht erforderlich, weil bei unterseitiger Einspannung die Werkstücke 1, 2 gewechselt werden können, ohne daß sie mit der Fokussieroptik 7 und dem Nahtfolgesensor 10 kollidieren.

Die Verdrehung der Fokussieroptik 7 gegenüber der Laserstrahlungsquelle um mehr als 360° unter Berücksichtigung einer Sensorvorlaufstrecke und einem Überschweißungsbereich ist unkritisch, weil beim Einsatz von YAG- Laserstrahlungsquellen die optische Drehdurchführung 9 eingesetzt werden kann.

Claims (8)

1. Schweißeinrichtung für zwei über eine in sich geschlossene und stetig verlaufende Schweißnaht (N) miteinander zu verbindende Werkstücke (1, 2) mit einer Werkstückaufnahme (4), einer mit einer Fokussieroptik (7) verbundenen Laserstrahlungsquelle und einem über den Werkstücken (1, 2) angeordneten die Fokussieroptik (7) tragenden Schwenkarm (11), der um seine senkrecht zur. Schweißebene und innerhalb der in sich geschlossenen Schweißnaht (N) liegenden Schwenkachse (S) rotiert, wobei die Fokussieroptik (7) in ihrer Position auf dem als Führung dienenden Schwenkarm (11) mittels eines Antriebes (13) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Fokussieroptik (7) auf dem nach Art einer Speiche in einem drehbar gelagerten Ring (12) gehaltenen Schwenkarm (11) in Abhängigkeit von dem Meßergebnis eines in fester geometrischer Beziehung zur Fokussieroptik (7) angeordneten Nahtfolgesensors (10) . korrigiert wird.

2. Schweißeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, data die Laserstrahlungsquelle eine YAG-Laserstrahlungsquelle ist und die Fokussieroptik (7) mit der YAG- Laserstrahlungsquelle über eine optische Drehdurchführung (9) verbunden ist.

3. Schweißeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (12) als Hohlzylinder ausgebildet ist.

4. Schweißeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (12) außen gelagert ist und von außen angetrieben ist.

5. Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, data der Antrieb (13) der Fokussieroptik (7) und des Nahtfolgesensors (10) als Spindel-, Zahnstangen- oder Zugseilantrieb ausgebildet ist.

6. Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nahtfolgesensor (10) nach dem Triangulationsprinzip arbeitet.

7. Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (4) mit mindestens einer weiteren Werkstückaufnahme in einem Wechseltisch oder Drehtisch vorgesehen ist.

8. Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (4) magnetische oder pneumatische oder hydraulische, von unten angreifende Spannmittel aufweist.