DE19858018C1 - Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Schweißen von Metall sowie Schutzgasduschvorrichtung hierfür - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Stahlblech mit Hilfe eines Lasers ist bekannt. DOLLAR A Erfindungegemäß wird der Laserstrahl während des Schweißvorganges im Bereich der Schweißstelle von einer Schutzgasatmosphäre umschlossen, die ein Anlaufen oder Anlassen der zu schweißenden Werkstücke außerhalb der Schweißstelle verhindert. DOLLAR A Einsatz für Diodenlaser zur Schweißung von Edelstahlblechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung ei­ nes Verfahrens zum Schweißen von Metall mittels eines Dioden­ laserstrahles mit einer Diodenlasereinheit, die einen Dioden­ laserkopf aufweist, aus dem im Laserbetrieb ein Diodenlaser­ strahl für das Auftreffen auf eine Schweißstelle wenigstens eines Werkstückes austritt, wobei dem Diodenlaserkopf eine Schutzgasvorrichtung zugeordnet ist, die ein Schutzgas derart bereitstellt, dass der Diodenlaserstrahl bei seinem Auftref­ fen auf die Schweißstelle von einer Schutzgasatmosphäre um­ mantelt ist, sowie eine Schutzgasduschvorrichtung für eine solche Vorrichtung.

Eine solche Vorrichtung ist aus der Zeitschrift Laser-Praxis, Oktober 1998, Seiten LS 10 bis LS 11 durch den Artikel Brett­ schneider, C. "Im Vordergrund steht die Ästhetik" bekannt. Dort ist bereits offenbart, dass Edelstahl-Spülen mit einem Diodenlaser geschweißt werden. Dort ist auch allgemein be­ schrieben, dass zur Erzielung einer blanken, optisch anspre­ chenden Schweißnaht eine Gasdusche entwickelt worden ist. Diese Gasdusche wird hier jedoch nicht näher ausgeführt.

Aus der DE 40 16 200 A1 ist eine Düse zum Laserstrahlschwei­ ßen oder Laserstrahlschneiden bekannt, an deren Austrittsende ein ringförmiges Sintermaterial- oder Siebpaket angeordnet ist. Von dem Sintermaterial- oder Siebpaket aus wird der Gas­ strom direkt auf die zu schweißende Oberfläche geleitet, wo­ bei aufgrund der entsprechend veränderten Gasströmung eine Oxidation der Werkstückoberfläche vermieden werden kann.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Metall mit Hilfe eines Lasers sind allgemein bekannt. Dabei tritt aus einem Laserkopf des Lasers ein Laserstrahl aus, der auf die zu schweißende Verbindungsstelle gerichtet wird. Für das Legen einer entsprechenden Schweißnaht wird entweder der La­ ser oder die zu schweißenden Werkstücke entsprechend verfah­ ren. Hierdurch werden insbesondere Edelstahlblechkonstruktio­ nen für den Küchenbereich geschweißt. Nachteilig ist es, dass um die entsprechenden Schweißstellen, d. h. Schweißnähte oder Schweißpunkte, herum durch ungewollte Anlassvorgänge in un­ terschiedlichen Anlassfarben Verfärbungen der Blechoberflä­ chen auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen optisch ansprechenden Eindruck entsprechender Schweißstellen vermittelt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schutzgasdusch­ vorrichtung ein Gehäuse aufweist, das koaxial zu einer Aus­ trittsachse des Diodenlaserstrahles an den Diodenlaserkopf anschließt, dass das Gehäuse mit einem Anschluss für eine Schutzgasleitung sowie mit Strömungsleitmitteln für eine na­ hezu drucklose Verteilung des Schutzgases um den Diodenlaser­ strahl herum und für eine Führung zur Schweißstelle hin ver­ sehen ist, dass die Strömungsleitmittel einen koaxial zur Austrittsachse des Laserstrahles angeordneten Ringkanal auf­ weisen, der wenigstens abschnittsweise zur Austrittseite des Gehäuses hin offen ist, und dass das Gehäuse einen an den Gehäuses hin offen ist, und dass das Gehäuse einen an den Ringkanal anschließenden, trichterartigen Gehäuseabschnitt aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass nur die Schweiß­ stellen selbst entsprechend verfärbt sind, die unmittelbare Umgebung der Schweißstellen hingegen farblich zumindest weit­ gehend unverändert bleibt. Dadurch werden optisch saubere Schweißnähte oder -punkte geschaffen, die den optischen Ge­ samteindruck des zu schweißenden Werkstückes erheblich verbessern. Dadurch ist es möglich, exakte und saubere Schweißnähte zu ziehen, ohne dass die Umgebung der Schweiß­ nähte zusätzlich verfärbt ist. Dadurch wird umlaufend um den Laserstrahl herum eine Schutzgasatmosphäre geschaffen, die eine starke Hitzeabstrahlung des Laserstrahles verhindert, die zu Anlass- oder Anlaufvorgängen des zu schweißenden Me­ talles in der Umgebung des entsprechenden Schweißbereiches führen könnte. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein ke­ gelförmiger Laserstrahl erzielbar, wobei unter dem Begriff des Laserstrahles selbstverständlich nicht nur ein einzelner Laserstrahl, sondern auch eine entsprechend gebündelte Laser­ strahlung verstanden werden muss. Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet eine gleichmäßige, mantelförmige Schutzgasatmo­ sphäre für den entsprechenden Laserstrahl. Die Schutzgasströ­ mung erfährt lediglich einen äußerst geringen Überdruck, so dass das Schutzgas schwaden- oder hauchartig aus dem Gehäuse heraus zur Schweißstelle hin austritt. Entsprechende Beein­ flussungen der Schweißstelle selbst werden dadurch ausge­ schlossen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der der Austrittseite zu­ gewandten offenen Seite des Ringkanales eine Porenstruktur zur Strömungsvergleichmäßigung des Schutzgases zugeordnet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Porenstruktur durch einen Sintermetallring gebildet. Dies ist eine beson­ ders vorteilhafte Ausgestaltung, um Verwirbelungen im Bereich der Schweißstelle mit in der Umgebungsluft enthaltenem Sauer­ stoff zu verhindern. Das Schutzgas streicht hauchartig über die Schweißnaht und um die Schweißnaht herum. Es ergibt sich somit ein sehr ruhiges Schweißbad sowie eine saubere Schweiß­ naht, die nahezu keine Nachbearbeitungen mehr erfordert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzgas­ duschvorrichtung mit einer Kühlvorrichtung versehen. Dadurch wird gewährleistet, dass Überhitzungen der Schutzgasduschvor­ richtung vermieden werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Schutzgas­ duschvorrichtung eine Temperatursensoreinrichtung zugeordnet, die an eine Steuer- oder Regeleinheit angeschlossen ist, die die Energie des Laserstrahls und/oder die Kühlung der Schutz­ gasduschvorrichtung und/oder den Volumenstrom des Schutzgases abhängig von den ermittelten Temperaturwerten der Temperatur­ sensoreinrichtung als Vergleich mit entsprechenden Funktions­ sollwerten für definierte Schweißbedingungen steuert oder re­ gelt. Dadurch ist es möglich, die notwendigen Schweißvorgänge zu automatisieren, so dass die Schweißungen durch eine Robo­ teranlage vorgenommen werden können. Bei Gefahr für den Laser durch Überhitzung wird dieser entsprechend abgeschaltet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse mit einer dem Laserkopf nachgeschalteten, transparenten Schutz­ platte versehen, und die Temperatursensoreinrichtung ist zwi­ schen der Schutzplatte und dem Laserkopf angeordnet. Die Schutzplatte gewährleistet einen Schutz des Laserkopfes und insbesondere einen Schutz der Laserstrahlbündelungseinheit, insbesondere des entsprechenden Linsensystems. Durch die An­ ordnung der Temperatursensoreinrichtung im Bereich zwischen der Schutzplatte und dem Laserkopf werden Verschmutzungen der Schutzplatte, die zu einer Temperaturerhöhung im Laserkopf oder im Gehäuse der Schutzgasduschvorrichtung führen können, frühzeitig erfasst.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungs­ beispiel der Erfindung beschrieben und anhand der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Laserschweißvorrichtung in Form einer Roboterschweißanlage,

Fig. 2 in vergrößerter, teilweise längsgeschnittener Dar­ stellung eine Lasereinheit der Laserschweißvorrich­ tung nach Fig. 1, und

Fig. 3 in weiter vergrößerter Längsschnittdarstellung eine Schutzgasduschvorrichtung der Lasereinheit nach Fig. 2.

Eine vollautomatische Laserschweißanlage 1 in Form einer Ro­ boteranlage weist eine Lasereinheit 3 auf, die als Diodenla­ sereinheit gestaltet ist. Die Lasereinheit 3 ist mittels ei­ nes Robotergelenkes 2 in grundsätzlich bekannter Weise beweg­ lich angeordnet. Die Lasereinheit 3 ist einem Schweißtisch 4 zustellbar, auf dem das oder die zu schweißenden Werkstücke positioniert sind. Als Werkstücke sind insbesondere Edel­ stahlblechteile vorgesehen, die für den Küchenbereich einge­ setzt werden. Wie anhand der Fig. 2 und 3 detailliert erkenn­ bar ist, ist einem Laserkopf der Lasereinheit 5 eine Schutz­ gasduschvorrichtung 6 zugeordnet, die nachfolgend näher be­ schrieben werden wird. Die Laserschweißanlage 1 ist durch ei­ ne zentrale Steuereinheit S steuer- oder regelbar. Dabei kom­ muniziert die Steuereinheit S über Steuerleitungen S₁ bis S₄ (strichpunktierte Darstellung in Fig. 1) sowohl mit einem Netzteil 9 der Lasereinheit 5 als auch mit einer Kühlvorrich­ tung 7 für die Schutzgasduschvorrichtung 6 einerseits (Kühl­ leitung K₁) und für den Schweißtisch 4 andererseits (Kühllei­ tung K₂). Außerdem steuert oder regelt die Steuereinheit S eine Kühlvorrichtung 8 für die Lasereinheit 5 selbst. Für ei­ ne Steuerung oder Regelung durch die Steuereinheit S sind so­ wohl das Netzteil der Lasereinheit 5 als auch die Kühlvor­ richtungen 7 und 8 jeweils durch Sensoren überwacht, die an eine zentrale Überwachungseinheit 10 über Sensorleitungen T₁ bis T₄ angeschlossen sind. Die zentrale Überwachungseinheit 10 steht über eine Kommunikationsleitung S₁ mit der Steuer­ einheit S in Verbindung. Abhängig von über diese Steuerlei­ tung S₁ empfangenen Signalen der Überwachungseinheit 10 kann die Steuereinheit S somit entsprechende Steuerbefehle an das Netzteil 9 und/oder die Kühlvorrichtung 7, 8 ausgeben, indem die Lasereinheit 5 entsprechend an- oder abgeschaltet und die Kühlleistungen der Kühlvorrichtungen 7, 8 entsprechend erhöht oder reduziert werden.

Außerdem kann die Steuereinheit S in nicht näher dargestell­ ter Weise auch noch die Schutzgaszufuhr für die Schutzgas­ duschvorrichtung 6 sowie die Bewegungen des Robotergelenkes 2 steuern. Die Steuerung der einzelnen Komponenten durch die zentrale Steuereinheit S bzw. die automatische Regelung auf­ grund vorgegebener Funktionsabläufe erfolgt abhängig von lau­ fenden Soll-/Istwertvergleichen innerhalb der Steuereinheit, die mittels geeigneter Elektronikkomponenten ausgewertet und in Steuerbefehle umgewandelt werden.

Die Lasereinheit 5 weist austrittseitig eine Laserstrahlbün­ delungseinheit in Form eines Linsensystemes auf, durch die der Laserstrahl L (Fig. 2 und 3) eine kegelförmige Gestalt einnimmt, die sich an einer entsprechenden Schweißstelle ei­ nes Werkstückes W zu einem Schweißpunkt bzw. bei entsprechen­ der Längsbewegung der Lasereinheit 5 und/oder des Werkstückes W zu einer Schweißlinie konzentriert. Austrittseitig ist an den Laserkopf und damit an die nicht dargestellte Laser­ strahlbündelungseinheit eine Schutzgasduschvorrichtung 6 an­ geschlossen, die den kegelförmigen Laserstrahl in eine Schutzgasatmosphäre einhüllt. Dadurch wird ein exaktes Schweißbad und demzufolge eine exakte Schweißnaht erzielt, die Anlaß- oder Anlaufbereiche um die Schweißstelle herum vermeidet.

Die Schutzgasduschvorrichtung 6 weist ein glockenartiges Ge­ häuse 11 auf, das den Laserstrahl L koaxial zu seiner Mittel­ längsachse umschließt. Das Gehäuse 11 setzt sich aus einem trichterartigen Gehäuseabschnitt 11a und einem ringartigen Gehäuseabschnitt 11b zusammen, die untereinander über Schraub­ verbindungen 20 verbunden sind. Wenigstens der ringartige Ge­ häuseabschnitt 11b weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Diesem ringartigen Gehäuseabschnitt 11b ist außenseitig ein Kühlring 13 zugeordnet, der mit der Kühlvorrichtung 7 verbun­ den ist. An den als geschlossener Ringkanal gestalteten Kühl­ ring 13 ist die Kühlleitung K₂ angeschlossen. Der trichterar­ tige Gehäuseabschnitt 11a weist austrittseitig einen kreis­ förmigen Durchtritt für den Laserstrahl L auf.

Im ringartigen Gehäuseabschnitt 11b ist mittels eines Di­ stanzringes 16 und eines Sicherungsringes 17 eine Schutzplat­ te 15 in Form einer Schutzglasscheibe gehalten, die das Lin­ sensystem vor einer Beeinflussung durch die Hitze des Schweißbades und der Schweißstelle schützt. Die Schutzglas­ scheibe kann unterschiedlich dick gestaltet sein. Entspre­ chend wird die Dicke des Distanzringes 16 angepaßt. Falls ei­ ne Schutzglasscheibe gewählt wird, die neben der dargestell­ ten Dicke auch noch die gesamte Dicke des Distanzringes 16 umschließt, liegt der Sicherungsring 17 direkt auf der Schutzglasscheibe an. Der Distanzring entfällt in diesem Fall. Sowohl der entsprechende Distanzring 16 als auch die Schutzplatte 15 sowie der Sicherungsring 17 sind lösbar ange­ ordnet, so daß die Schutzplatte 15 je nach Anforderung ausge­ tauscht werden kann. Die Schutzplatte 15 dient neben dem Schutz des Linsensystems auch zum Schutz des gesamten Laser­ kopfes gegen Überhitzung und als Spritzschutz gegen Spritzer des Schweißbades.

Die Kühlung mittels des Kühlringes 13 sorgt für weitgehend konstante Temperaturen zwischen dem Laserkopf und der Schutz­ platte 15 in dem dargestellten Zwischenraum. Zur Überwachung der Temperatur zwischen dem Laserkopf und der Schutzplatte 15 ist in den Zwischenraum zudem ein Temperatursensor 14 einge­ bracht, der über die Sensorleitung T₁ mit der Überwachungs­ einheit 10 und damit mit der Steuereinheit S in Verbindung steht.

Um die erfindungsgemäße Schutzgasatmosphäre um den kegelför­ migen Laserstrahl L herum insbesondere im Bereich der Schweißstelle zu schaffen, ist in dem ringartigen Gehäuseab­ schnitt 11b zudem etwa auf Höhe des Sicherungsringes 17 ra­ dial außerhalb ein koaxial zur Mittellängsachse des Laser­ strahles L ausgerichteter Ringkanal 18 vorgesehen, der zur Austrittseite und damit zum trichterartigen Gehäuseabschnitt 11a hin offen ist. Der Ringkanal 18 ist über einen Anschluß 12 an eine Schutzgasleitung angeschlossen, deren Volumenstrom in geeigneter Weise durch die Steuereinheit S gesteuert wer­ den kann. Das Schutzgas wird über den Ringkanal 18 unter äu­ ßerst geringem Überdruck in das Innere des trichterartigen Gehäuseabschnittes 11a gebracht, wodurch es hauch- oder schwadenartig zur Schweißstelle hin durch den Durchtritt des trichterartigen Gehäuseabschnittes 11a austritt. Um die hauchartige Strömung des Schutzgases im Inneren des trichter­ artigen Gehäuseabschnittes 11a sowie zur Schweißstelle hin zu gewährleisten, ist der offenen Seite des Ringkanales 18 ein Sintermetallring 19 zugeordnet, dessen Porenstruktur die ge­ wünschte Hauchströmung des Schutzgases erzielt. Strömungsver­ wirbelungen des Schutzgases im Bereich der Schweißstelle, die sich nachteilig auf das Schweißbad oder die Schweißnaht aus­ wirken könnten, werden durch den Einsatz des Sintermetallrin­ ges 19 vermieden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Schweißen von Metall mittels eines Diodenlaserstrahles mit einer Diodenlasereinheit, die einen Diodenlaserkopf aufweist, aus dem im Laserbetrieb ein Diodenlaserstrahl für das Auf­ treffen auf eine Schweißstelle wenigstens eines Werkstückes austritt, wobei dem Diodenlaserkopf eine Schutzgasduschvor­ richtung zugeordnet ist, die ein Schutzgas derart bereit­ stellt, dass der Diodenlaserstrahl bei seinem Auftreffen auf die Schweißstelle von einer Schutzgasatmosphäre ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasduschvorrichtung (6) ein Gehäuse (11) auf­ weist, das koaxial zu einer Austrittsachse des Diodenlaser­ strahles (L) an den Diodenlaserkopf anschließt, dass das Ge­ häuse (11) mit einem Anschluss (12) für eine Schutzgasleitung sowie mit Strömungsleitmitteln (18, 19, 11a) für eine nahezu drucklose Verteilung des Schutzgases um den Diodenlaserstrahl (L) herum und für eine Führung zur Schweißstelle hin versehen ist, dass die Strömungsleitmittel einen koaxial zur Aus­ trittsachse des Laserstrahles (L) angeordneten Ringkanal (18) aufweisen, der wenigstens abschnittsweise zur Austrittseite des Gehäuses (11) hin offen ist, und dass das Gehäuse (11) einen an den Ringkanal (18) anschließenden, trichterartigen Gehäuseabschnitt (11a) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gehäuse (11) eine Diodenlaserstrahlbündelungseinheit vorgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Austrittseite zugewandten offenen Seite des Ringkanales (18) eine Porenstruktur (19) zur Strömungsver­ gleichmäßigung des Schutzgases zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur durch einen Sintermetallring (19) ge­ bildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasduschvorrichtung (6) mit einer Kühlvorrich­ tung (7, 13) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasduschvorrichtung (6) eine Temperatursensor­ einrichtung (10, 14) zugeordnet ist, die an eine Steuer- oder Regeleinheit (S) angeschlossen ist, die die Energie des La­ serstrahles (L) und/oder die Kühlung der Schutzgasduschvor­ richtung (6) und/oder den Volumenstrom des Schutzgases abhän­ gig von den übermittelten Temperaturwerten der Temperatursen­ soreinrichtung (10, 14) als Vergleich mit entsprechenden Funktionssollwerten für definierte Schweißbedingungen steuert oder regelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) mit einer dem Laserkopf nachgeschalte­ ten, transparenten Schutzplatte (15) versehen ist, und dass die Temperatursensoreinrichtung (14) zwischen der Schutzplat­ te (15) und dem Laserkopf angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal mit dem zugeordneten Sintermetallring auf Höhe der Schutzplatte angeordnet ist und diese radial außen umgibt.

9. Schutzgasduschvorrichtung für eine Vorrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8, die die Merkmale der Schutzgas­ duschvorrichtung von einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.