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Ein
Grundproblem beim Laserschweißen von
verzinkten Stahlblechen, insbesondere bei Überlappverbindungen, ist die
Ausgasung und Verdampfung der als Beschichtung auf den Blechen aufgetragenen
Zinkschicht im Schweißpunkt.
Durch die Verdampfung kommt es in der Schmelze um den Schweißpunkt zu
einer Bildung von Blasen, die als Einschlüsse in der erkaltenden Schweißnaht erhalten bleiben.
Diese Einschlüsse
führen
zu starken Unregelmäßigkeiten
innerhalb der Schweißnaht
und verschlechtern die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht in
einem erheblichen Maße.
Insbesondere bei Mehrblechverbindung wird daher angestrebt, dass
die Bleche beim Verschweißen,
insbesondere beim Laserschweißen,
nicht mit einem Nullspalt aufeinander liegen, sondern ein schmaler
Spalt zwischen den aufeinander liegenden Blechen vorhanden bleibt.
Durch diesen Zwischenraum können die
Schweißemissionen,
wie z.B. die verdampfende Zinkbeschichtung, ausgasen.
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Im
Stand der Technik werden bisher zwei Lösungsansätze zur Erzeugung eines Ausgasungsspaltes
zwischen den Blechen offenbart:
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In
der ersten Lösung
werden die Bleche mechanisch aufgebogen, so dass ein Spalt zwischen den
Blechen erzeugt wird. So beschreibt die
DE 101 16 402 A1 eine mitlaufende
Andrückvorrichtung
zum Auseinanderspannen zweier oder mehrerer Bleche. Dabei ist vorgesehen,
dass die Andrückvorrichtung als
konische Hülse
ausgebildet ist. An der Lagerung der Hülse ist ein Ausleger befestigt,
an dessen freiem Ende eine frei drehbare Messerrolle gelagert ist,
deren Schneide zwischen den Flansch eines ersten Blechs und eines
zweiten Werkstücks
drückt
und damit die Bleche aufbiegt. Durch diese Aufbiegung wird ein Ausgasungsspalt
zwischen dem Flansch und dem zu verschweißenden Werkstück erzeugt.
Nachteilig ist hierbei, dass die drehbare Messerrolle während des
fortlaufenden Schweißbetriebes
schwer zu positionieren ist und damit eine fortlaufende Aufbiegung
der Bleche, insbesondere bei tiefgezogenen Blechen mit breiten Maßtoleranzen,
während
des Schweißens
nicht gewährleistet.
Weiterhin erzeugt der permanente Andruck der Vorrichtung auf dem Werkstück Beschädigungen
auf der Blechoberfläche und
an den Blechkanten im Kontaktbereich der Messerrolle.
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Weiterhin
wird im Stand der Technik die Einfügung von Abstandhaltern zwischen
den Blechen vor dem Verschweißen
offenbart. Die
DE
100 42 538 A1 beschreibt ein Verfahren zum Laserschweißen mit
definierter Spaltweite zur Verschweißung von verzinkten Blechen.
Hierzu wird im Bereich eines Überlappungsstoßes zwischen
zwei Blechen eine Rauhigkeit mit einer Rautiefe angebracht, so dass
durch den so geschaffenen Spalt die Schweißemissionen, insbesondere der
Zinkdampf entweichen kann.
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Weiterhin
offenbart die
DE 100
53 789 A1 ein Laserschweißverfahren zur Verbindung von
zwei Materialien. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird im Zwischenraum
der Bleche eine Strukturierung erzeugt, beispielsweise durch eine
auf die Blechoberflächen
aufgetragene Folie mit einer Strukturierung. Die Strukturierung
kann dabei unterschiedlich ausgestaltet und mit unterschiedlichen
Höhen versehen sein.
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Die
DE 101 12 744 A1 offenbart
ein Laserschweißverfahren,
wobei der Zwischenspalt zwischen den Blechen mit einem Fixierungsmittel
ausgefüllt
ist. Das Fixierungsmittel enthält
dabei Feststoffpartikel in Form von Glaskugeln, die einen Abstand
zwischen den Blechen auch bei äußerer Kompression
der Bleche gewährleisten.
Weiterhin dient das Fixierungsmittel zur Abdichtung gegenüber äußeren Einflüssen, wie
z.B. Korrosion.
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Problematisch
an all diesen Lösungen
ist, dass die Abstandhalter auch nach dem Verschweißen zwischen
den Blechen verbleiben. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften
der miteinander verschweißten
Bleche negativ beeinflusst werden. Weiterhin ist hierbei ebenfalls
unvorteilhaft, dass in einem zusätzlichen Produktionsprozess – vor dem eigentlichen
Verschweißen
der Bleche – die
Abstandshalter zwischen die Bleche eingebracht werden müssen.
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Die
zur Durchführung
der obigen Verfahren verwendeten Vorrichtungen weisen ebenfalls
Nachteile auf. So müssen
die bisher bekannten Andrückvorrichtungen
aufgrund ihrer Baugröße zwangsläufig neben
der Bearbeitungsstelle angreifen, wodurch relativ breite Flansche
benötigt
werden. Andere Nachteile entstehen z.B. durch die Erwärmung und
Verschmutzung der bekannten Andrückvorrichtungen. So
kann die Verschmutzung der Lager der Andrückrollen durch Spritzer und
Schweißrauche
zum Verklemmen der Rolle führen.
Auch kann es vorkommen, dass speziell die untere Andrückvorrichtung
in den Strahlengang des Laserstrahls unterhalb des Fokus hineinragt.
Falls die Bearbeitungsparameter ungünstig gewählt sind, so dass es zur Durchschweißung kommt
(das Schmelzbad reicht bis zur Unterseite des Werkstücks, so
dass der Laserstrahl teilweise austreten kann), wird dann die untere
Andrückvorrichtung
durch den Laserstrahl aufgeheizt und kann beschädigt werden.
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Bekannt
sind Laserbearbeitungsköpfe
mit dem grundsätzlich
bekannten Prinzip der Wirkungsweise mit doppelten Andruckrollen
(eine obere und eine untere Andruckrolle). Der Nachteil der Anordnung
mit Rollen besteht allerdings darin, dass die Andruckrollen relativ
viel Bauraum einnehmen, was die Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes
zum Werkstück
einschränkt.
Zum anderen liegt der Andruckpunkt der Rollen zwangsläufig neben
der Schweißstelle,
dadurch werden die Bauteile neben dem eigentlichen Fügepunkt
zusammengespannt. Weiterhin wird eine relativ große Flanschbreite
der zu verschweißenden
Bauteile benötigt,
um die Andruckrolle neben dem Laserstrahl positionieren zu können.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Laserbearbeitungsoptik zur Bearbeitung eines Werkstückes unter
Verbesserung der Zugänglichkeit
des Bearbeitungskopfes sowie einer Optimierung des Schweißprozesses
zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der auf die Laserbearbeitungsoptik
gerichteten Patentansprüche
gelöst.
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Die
Erfindung basiert grundsätzlich
auf dem oben beschriebenen Prinzip der Wirkungsweise eines Laserbearbeitungskopfes
mit doppelten Andruckrollen (eine obere und eine untere Andruckrolle).
Im Gegensatz dazu sieht die erfindungsgemäße Lösung folgendes Prinzip vor:
Die Laserbearbeitungsoptik (16) ist fest mit einem oberen
Andruckfinger (10) gekoppelt. An der Einheit Bearbeitungsoptik mit
Andruckfinger" ist
ein zweiter (unterer) Andruckfinger (20) befestigt. Die
Spitze des oberen Andruckfingers liegt üblicherweise in der Ebene des
Laserstrahlfokus (13). Der zweite (untere) Andruckfinger kann
z.B. über
eine Lineareinheit oder ein Drehelement, z.B. ein Drehgelenk, gegenüber dem
ersten Andruckfinger bewegt werden. Die Bewegungsrichtung beim oberen
und unteren Antrieb ist eine Linearbewegung, sofern es sich bei
der unteren Antriebseinheit ebenfalls um einen Linearantrieb handelt
und daher üblicherweise
parallel zur Achse des Laserstrahls. Im Falle der Verwendung eines
Drehgelenks für
die untere Antriebseinheit erfolgt die Bewegungsrichtung auf einer
Kreisbahn. Letzteres ist aus sterischen Gründen bei einigen Bearbeitungsprozessen bevorzugt,
da räumliche
Begrenzungen eine lineare Zuführung
des Andruckfingers begrenzen könnten.
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Die
Laserbearbeitungsoptik mit oberem Andruckfinger und Lineareinheit
mit unterem Andruckfinger ist über
eine obere Lineareinheit mit der Führungsmaschine verbunden. Im
Bearbeitungsprozess wird die komplette Einheit mit dem oberen Andruckfinger
auf das Werkstück
positioniert, dabei ist die untere Antriebseinheit voll ausgefahren,
damit ein maximaler Abstand zwischen oberem und unterem Andruckfinger
besteht. Das Werkstück
ist üblicherweise eine
Mehrblechverbindung, bevorzugt auch in Geometrie eines Flansches.
Die untere Antriebseinheit wird dann eingefahren, wobei der untere
Andruckfinger gegen den oberen Andruckfinger gefahren wird und dadurch
die zu verschweißenden
Bauteile gegeneinander gedrückt
werden – je
nach Antriebselement entweder linear in Richtung der Strahlachse oder
auf einer Kreisbahn. Daraufhin kann der Schweißvorgang starten. Die Position
der beiden Andruckfinger ist üblicherweise
im Vorlauf zur Schweißstelle.
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Es
gibt Schweißvorgänge, bei
denen die Werkstücke
selbst nicht mit Nullspalt aufeinander gedrückt werden, damit die Möglichkeit
des Entgasens geschaffen wird, z.B. bei beschichteten Werkstücken. Die
Erfindung sieht hierfür
vor, dass durch eine geeignete Ansteuerung der Andruckfinger mittels
der Antriebseinheiten es erreicht wird, dass sich zwischen den Werkstücken ein
definierter Spalt einstellen kann. Dabei werden die Bauteile nicht
bis zum Kontakt aneinandergedrückt;
stattdessen wird der untere Andruckfinger gegen den oberen Andruckfinger
gefahren bis zu einem Abstand, der der Summe der Werkstückstärken plus
der Toleranzhöhe
entspricht. Durch die Erfindung wird mithin gewährleistet, dass sich die Werkstücke während des
Verschweißens
frei und relativ zueinander entlang einer Weglänge (Abstand) in senkrechter
Richtung zu den Werkstückoberflächen bis
zu einem maximalen Gesamtabstand bewegen können, wobei der Gesamtabstand
der Summe der Werkstückstärken und
einer zusätzlichen
Toleranzhöhe
entspricht. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Werkstücke nicht
unter einer äußeren Kraft
gespannt werden, sondern eine Aufbiegung der Werkstücke durch
eine thermisch induzierte Verspannung innerhalb der Werkstücke selbst
einen Spalt zwischen den Werkstücken
erzeugt. Dabei können
die äußeren Werkstücke maximal
die durch den Gesamtabstand vorgegebene Toleranzhöhe aufgrund
der äußeren Begrenzung
annehmen. Die thermisch induzierte Aufbiegung wird durch die hohen
Temperaturgradienten in den Nähe des
Schweißpunkts
und die damit verbundenen lokalen thermischen Verspannungen in den
Werkstücken erzeugt.
In unmittelbarer Umgebung des Schweißpunkts wird hierdurch zwischen
den Werkstücken
ein ausreichender Spalt erzeugt, wobei durch den Spalt die entstehenden
Schweißemissionen
entweichen können.
Hierdurch wird ein Entweichen der Schweißemission durch die den Schweißpunkt umgebende Schmelze
und damit eine entsprechende Blasenbildung in der Schweißnaht verhindert.
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Durch
die Vorgabe des maximalen Gesamtabstands zwischen den äußersten
Werkstücken
wird die Weglänge
in senkrechter Richtung zu den Werkstückoberflächen begrenzt, so dass eine
vertikale und vorgegebene Verschiebung senkrecht zur Werkstückoberfläche maximal
auftreten kann. Diese Begrenzung der Weglänge wird durch eine geeignete Ansteuerung
der Andruckfinger erreicht, die im Folgenden als 'Begrenzungselemente' bezeichnet werden.
Die Begrenzungselemente sind daher nicht primär kraft-, sondern weggesteuert,
oder „kraftgesteuert
mit zusätzlichen
Mitteln einer Wegbegrenzung" bzw. „kraftgesteuert
mit zusätzlichen
Mitteln einer Positionsverriegelung" und üben einen deformationsabhängigen Andruck
auf die äußeren Werkstückoberflächen aus,
wobei die Deformation durch die thermisch induzierte Aufbiegung
erzeugt wird. Dadurch verbleibt zwischen den Werkstücken ein
Spalt, durch den die Schweißemissionen
entweichen können,
wobei die Summe der maximalen Abstände zwischen den Werkstücken der
vorgegebenen Toleranzhöhe
entspricht.
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Andererseits
gibt es aber auch Schweißvorgänge, bei
denen gerade ein Nullspalt zwischen den zu verweißenden Werkstücken erwünscht ist.
Auch für
derartige Prozesse ist die Erfindung geeignet, da der Abstand zwischen
den Andruckfingern frei wählbar
ist und somit auch „Null" einnehmen kann.
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Die
Weglänge
der aufeinander liegenden Werkstücke
wird durch die Begrenzungselemente (= Andruckfinger) begrenzt, wobei
die Begrenzungselemente die jeweils äußeren Werkstücke begrenzen und
die Weglänge
zwischen den Begrenzungselementen dem Gesamtabstand entspricht.
Hierzu werden die Begrenzungselemente mit dem die Werkstücke verschweißenden Schweißpunkt parallel
zu den äußeren Werkstückoberflächen mitgeführt und
damit in gleicher räumlicher
Nähe zum
sich bewegenden Schweißpunkt
gehalten. Hierdurch wird gerade die thermisch induzierte Aufbiegung
der Werkstücke
im Bereich des Schweißpunkts
durch die Begrenzungselemente bis zur Toleranzhöhe eingeschränkt. Der durch
die thermisch induzierte Aufbiegung erzeugte Spalt zwischen den
Werkstücken
wird damit in enger räumlicher
Nähe zum
Schweißpunkt
und somit zum Ort der maximalen Schweißemission gebildet.
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Die
Laserbearbeitungsoptik zur Bearbeitung eines Werkstückes, insbesondere
einer Mehrblechverbindung, ist insbesondere erfindungsgemäß derart
ausgestaltet, dass
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- – sie
aus oberem und unterem Andruckfinger besteht, wobei der obere Andruckfinger
mit einer Lineareinheit, bestehend aus Linearführung und Linearantrieb, verbunden
ist, und der untere Andruckfinger beweglich gelagert und angetrieben ist
und die Bewegungsrichtung entweder linear in Richtung der Strahlachse
oder auf einer Kreisbahn erfolgt, und wobei die Spitze des oberen
Andruckfingers in der Ebene des Laserstrahlfokus liegt und der untere
Andruckfinger gegenüber dem
ersten Andruckfinger bewegbar ist, und
- – die
Laserbearbeitungsoptik mit oberem Andruckfinger und unterer Antriebseinheit
mit unterem Andruckfinger über
die obere Lineareinheit mit der Führungsmaschine verbunden ist,
und
- – während des
Bearbeitungsprozesses die Laserbearbeitungsoptik mit dem oberen
Andruckfinger auf das Werkstück
positioniert ist, wobei die untere Antriebseinheit voll ausgefahren
ist, damit ein maximaler Abstand zwischen oberem und unteren Andruckfinger
besteht, und
- – anschließend die
untere Antriebseinheit dann wieder einfahrbar ist, wobei der untere
Andruckfinger in Richtung des oberen Andruckfingers verfahrbar ist
bis zu einer vorgebbaren Position in Relation zum oberen Andruckfinger,
- – und
dadurch die zu verschweißenden
Bauteile gegeneinander in einer gewünschten Position gehalten sind,
und letztlich daraufhin
- – der
Schweißvorgang
einsetzt.
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Erfindungsgemäß ist auch
vorgesehen, dass die aufeinander liegenden Werkstücke bis
auf die Summe der Werkstückstärken zusammengedrückt werden
und anschließend
die Weglänge
um die Toleranzhöhe
auf den Gesamtabstand vergrößert wird.
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Die
Toleranzhöhe
ist dabei die Summe der jeweiligen zugelassenen Werkstückabstände zwischen
den Werkstücken
zueinander, wobei die jeweiligen Werkstückabstände zwischen 0,05 mm und 0,3 mm
liegen.
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Ferner
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
-
- – die
Andruckfinger als Begrenzungselemente dienen, die den Abstand der übereinander
liegenden Werkstücke
begrenzen,
- – wobei
die Begrenzungselemente die jeweils äußeren Werkstücke begrenzen
und den Abstand zwischen den Begrenzungselementen dem Gesamtabstand
(_ Summe der Werkstückstärken plus
Toleranzabstände)
entspricht,
- – wobei
die Begrenzungselemente mit dem die Werkstücke verschweißenden Schweißpunkt parallel
zu den jeweiligen äußeren Werkstückoberflächen mitgeführt und
damit in gleicher räumlicher Nähe zum sich
bewegenden Schweißpunkt
gehalten werden.
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Erfindungsgemäß ist auch
eine Vorrichtung vorgesehen, die zumindest zwei Andruckfinger als Begrenzungselemente
zur Einstellung des Abstands aufweist und dadurch den Gesamtabstand
zwischen den äußeren Werkstücken einstellt,
wobei die Abstandseinstellung mittels mindestens eines Antriebs erfolgt
und der bewegliche Teil des Antriebs über eine Halterung mit dem
unteren Begrenzungselement (Andruckfinger) verbunden ist. Das obere
Begrenzungselement (Andruckfinger) ist über eine Halterung mit der
Laserbearbeitungsoptik und der oberen Lineareinheit verbunden, wobei
die Begrenzungselemente letztlich über die untere Antriebseinheit
miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind.
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Da
erfindungsgemäß die Begrenzungselemente
entlang mindestens einer Achse gegeneinander verschieb- oder schwenkbar
sind, dient der untere Antrieb zur Führung und relativen Positionierung der
Andruckfinger zueinander. Insbesondere ist eine relative Verschiebung
der Begrenzungselemente entlang der Längsachse des Laserstrahls vorgesehen,
wobei der untere Antrieb zur Führung
und relativen Fixierung der Begrenzungselemente dient.
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Im
Falle eines schwenkbaren Begrenzungselements mit einem steuerbaren
Gelenk als unteres Führungselement
(anstatt der unteren Lineareinheit) ist eine schnelle Positionierung
des oberen Andruckfingers an die äußere Werkstückoberfläche gewährleistet. Insbesondere kann
dann die Positionierung des oberen Andruckfingers mit einer ausschließlich vertikalen
Verfahrbewegung der Führungsmaschine erfolgen,
oder mittels der oberen Lineareinheit; ein seitliches Verfahren
der Führungsmaschine
ist dann nicht erforderlich. Durch eine in Schweißrichtung
gelegene Schwenkachse als Führungsgelenk
wird der untere Andruckfinger auf einer Kreisbahn an die untere äußere Werkstückoberfläche positioniert
und gesteuert.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das obere Begrenzungselement mit der Laserbearbeitungsoptik als
Schweißvorrichtung
verbunden ist, wobei die Schweißvorrichtung über das
obere Führungselement
(oberer Linearantrieb) mit der Führungsmaschine
verbunden und entlang einer senkrecht zur Werkstückoberfläche liegenden Achse relativ
zur Führungsmaschine
bewegbar ist. Über
den oberen Linearantrieb wird die Schweißvorrichtung relativ zur Führungsmaschine
entlang einer senkrecht zur Werkstückoberfläche liegenden Achse bewegt
und kann damit zur äußeren Werkstückoberfläche kraftreduziert
geführt
werden.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „kraftreduziert" eine Minimierung
der Auflagekräfte
bei der Führung
der Begrenzungselemente entlang der Werkstückoberfläche verstanden. So erzeugt
auch bei eingestelltem Gesamtabstand zwischen den Begrenzungselementen,
also eines größeren Abstandes
zwischen den äußeren Werkstückoberflächen als
der Summe der Werkstückstärken, ein
auf einem Werkstück
aufliegendes Begrenzungselement – bedingt durch die Gewichtskraft – eine Auflagekraft
im Werkstück
bzw. eine Reaktionskraft im Begrenzungselement. Diese während des Schweißvorganges
entstehenden zusätzlichen
Auflage- bzw. Reaktionskräfte
auf der Werkstückoberfläche und
in den Begrenzungselementen werden durch die kraftreduzierte Führung der
Begrenzungselemente minimiert. Durch die Einhaltung des vorgegebenen
maximalen Gesamtabstands zwischen den Begrenzungselementen mittels
des unteren Antriebs in Verbindung mit der Steuerung der gesamten
Vorrichtung durch den oberen Antrieb wird eine kraftreduzierte Führung der
gesamten Vorrichtung und insbesondere der Begrenzungselemente entlang
der beiden äußeren Werkstückoberflächen gewährleistet.
Als Antriebe bieten sich insbesondere Servomotoren und Linearantriebe
an. Vor allem erlaubt die Verwendung eines doppelwirkenden pneumatischen Zylinders
mit einem Zweikammersystem als Antrieb, aufgrund der unabhängigen Ansteuerung
der gegeneinander wirkenden Zylinderkammern, eine genaue Positionierung
oder Einstellung der Auflagekräfte
der gesamten Vorrichtung und der Begrenzungselemente relativ zu
den beiden äußeren Werkstücken.
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Ebenfalls
können
mittels mindestens eines Kraftmessers die Andrücke der Begrenzungselemente
auf den äußeren Werkstückoberflächen gemessen und
durch eine Elektronik permanent die gemessenen Andrücke mit
einem vorgegebenen Soll-Andruck verglichen
werden, wobei der untere Antrieb die Weglänge zwischen den Begrenzungselementen
bei Erreichen des vorgegebenen Soll-Andrucks um die Toleranzhöhe erweitert.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung
bietet sich vor allem bei unbekannten Werkstückstärken oder bei Werkstücken mit
großen Maßtoleranzen
an, da durch die erste Messung die Gesamtwerkstückstärke ermittelt und anschließend durch
den unteren Antrieb der Abstand zwischen den Begrenzungselementen
um die Toleranzhöhe
nachjustiert wird.
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Ferner
ist eine Laserbearbeitungsoptik bevorzugt, wobei Kraftmesser die
Andrücke
der Andruckfinger auf den jeweiligen äußeren Werkstückoberflächen messen
und die Andruckfinger in einem konstanten Kraftverhältnis halten
und gegebenenfalls mittels des oberen Linearantriebs nachregulieren.
Vorteilhaft hieran ist, dass die Bearbeitungsoptik in einem Schwebezustand
relativ zu den Werkstücken
gehalten wird, was letztlich einer kraftreduzierten Führung entspricht.
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Durch
einen verstellbaren Anschlag am unteren Antrieb kann die maximale
mögliche
Weglänge zwischen
den Begrenzungselementen zusätzlich
eingestellt werden. Hierdurch wird die Positionierung und Fixierung
der Begrenzungselemente zueinander zusätzlich mechanisch unterstützt.
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Die
Schweißvorrichtung
ist eine Laserschweißvorrichtung.
Das Begrenzungselement ist erfindungsgemäß ein Andruckfinger. Der Effekt
der Aufbiegung durch die thermisch induzierte Verspannung innerhalb
der Werkstücke
kann durch eine externe Wärmequelle
in der Nähe
des Schweißpunkts, z.B.
einen zusätzlichen
Diodenlaser, einen Infrarot-Strahler oder einen Plasma-Brenner,
durch die lokale zusätzliche
Aufheizung der Werkstücke
unterstützt
werden.
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Vorteile
der Erfindung lassen sich daher wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung
behebt die Nachteile des Andrucksystems mit der Doppelrolle:
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- – Wenn
die Andruckfinger vorlaufend in Schweißrichtung positioniert werden,
werden die zu verschweißenden
Bauteile direkt an der Schweißstelle
zusammengedrückt.
- – Die
Bauteile können
mit oder ohne Nullspalt miteinander verschweißt werden.
- – Aufgrund
der sehr geringen Baugröße des Doppelfinger-Andrucksystems
kann die Erfindung auch bei Bauteilen mit erschwerter Zugänglichkeit zur
Fügestelle
eingesetzt werden.
- – Die
Flanschbreite der zu schweißenden
Bauteile kann erheblich verringert werden, da die Finger direkt
im Vorlauf in der Störgeometrie
des Laserstrahls angeordnet sind. Geringere Flanschbreiten bedeuten
z.B. Gewichtsersparnis für
das zu fügende
Bauteil.
- – -Erhöhte Prozesssicherheit
dadurch, dass die Bauteile mit höheren
Toleranzen gegeneinander positioniert werden können, ohne dass im Fügevorgang
die Gefahr besteht, dass eines der Andruckelemente von den zu fügenden Teilen
abrutschen kann.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den übrigen
Unteransprüchen
beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden
Figuren näher
beschrieben; es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Laserschweißvorrichtung;
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2 Ansicht entsprechend 1 mit zwei zu verbindenden
Werkstücken;
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3 eine Ausschnittsvergrößerung von zwei
zu verbindenden Werkstücken,
welche durch die beiden Andruckfinger in Position gehalten werden;
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4 seitliche Ansicht der
Anordnung von oberem- und unterem Andruckfinger in geöffneter Stellung
und des Laserfokus;
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5 seitliche Ansicht der
Anordnung von oberem- und unterem Andruckfinger mit minimalem Abständen und
des Laserfokus.
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6 perspektivische Darstellung
der Andruckfinger samt Halterungen mit zwei verschiedenen Ausführungen
des unteren Andruckfingers;
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7 Ausschnittvergrößerung einer Schweißstelle
mit Anordnung von Andruckfingern und Werkstücken in Richtung der Schweißnaht
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8 seitliche Ansicht der
Anordnung von Andruckfingern, deren Halterungen und Laserstrahlfokus
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1 zeigt eine schematische
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Laserschweißvorrichtung.
Die Andruckfinger 10 und 20 sind jeweils mit einem
korrespondierenden Antrieb 11 und 12 verbunden
und sind vorlaufend in Schweißrichtung
in direkter Nähe
des Laserstrahlfokus 13 positioniert. Der Abstand zwischen
den Andruckfingern 10 und 20 kann durch den unteren,
zum unteren Andruckfinger 20 gehörenden, Antrieb 12 (hier
ein Linearantrieb) verändert
werden. Ein zweiter Linearantrieb 11 ist direkt mit der
Laservorrichtung 16 verbunden. Mit dieser Lineareinheit 11 kann
der Fokus 13 des Lasers verschoben werden. Die gesamte Vorrichtung
kann an einem Roboterarm 17 befestigt sein, durch welchen
sie entlang der Schweißnaht
geführt
wird.
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Der
Laserbearbeitungskopf selbst ist vorzugsweise modulartig aufgebaut,
umfassend
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- – ein
erstes Modul, bestehend aus
a) Grundplatte 17 mit
oberem Linearantrieb 11 und Optik 16, und
b)
oberem Andruckfinger 10 mit Halterung
- – ein
zweites Modul, bestehend aus
c) unterem Andruckfinger 20 mit
Halterung
d) unterer Antriebsführung 12, mit dessen
Hilfe der untere Andruckfinger 20 relativ zum oberen Andruckfinger
beweglich und ansteuerbar ist.
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Wie
bereits erwähnt
kann es sich bei dem unteren Antrieb um einen Linearantrieb oder
um einen Antrieb mit Drehgelenk handeln.
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Die
Grundplatte 17 dient im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels
lediglich als "Adapter": Über diese
Grundplatte kann die Laserbearbeitungsoptik mit einer Führungsmaschine
(z.B. Roboterarm) verbunden sein.
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Dieser
modulartige Aufbau hat den Vorteil, dass der Laserbearbeitungskopf
in beiden Verfahrrichtungen genutzt werden kann bzw. um vorlaufenden
und nachlaufenden Betrieb zu ermöglichen.
Die Halterungen dienen gleichzeitig als Spannmittel und können rechts
und links vom Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Um Genauigkeit
und Kraftübertragung
zu gewährleisten,
sind hierzu eine Schnittstelle mit Nut-Feder-Verbindung und Anschlag
vorhanden.
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Es
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass mittels einer Nut-Feder-Schnittstelle an der unteren Antriebseinheit
(12) die Halterung (19) des unteren Andruckfingers
(20) ausgetauscht werden kann. Dies kann insbesondere bei
bestimmten Bearbeitungsprozessen von Vorteil werden, bei denen aus
räumlichen Gründen der
untere Andruckfinger seitlich an die Bearbeitungsstelle positioniert
werden muss, z.B. bei Werkstückformen,
die die freie Zugänglichkeit
beschränken
und daher eine differenziertere Ausgestaltung notwendig ist.
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Aufgrund
der hohen Belastung der Andruckfinger 10 und 20 ist
es wichtig, diesen eine hohe Festigkeit bei gleichzeitigen geringem
Verschleiß zu
verleihen. Als vorteilhaft erweist sich daher ein Material wie Hartmetall
oder Keramik oder naturharte Mineralien wie beispielsweise Korund
oder Saphir. Letztere sind aufgrund ihrer Härte, geringer Verschleißfähigkeit
und ihrer glatten Oberfläche
(Reibungsarmut) bevorteilt, da somit der Kontakt zum Werkstück optimiert
wird.
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Weiterhin
ist es wichtig, dass der Strahlengang des Lasers nicht durch die
Andruckfinger 10 und 20 verdeckt wird, was ansonsten
zu einer Beschädigung
derselben und zu einer ineffizienten Werkstückbearbeitung führen würde. Aus
diesem Grund sind die Andruckfinger und deren Halterungen derart
angeordnet, dass sie den Strahlengang des Lasers, insbesondere unterhalb
des Laserfokus nicht verdecken.
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In 2 werden zwei zu verschweißende Bauteile 14, 15 durch
die Andruckfinger 10, 20 vorlaufend direkt an
der Schweißnaht
zusammengedrückt.
Durch den Linearantrieb 12 kann der Abstand zwischen den
Andruckfingern 10, 20 an die Materialstärke der
beiden Werkstücke 14, 15 angepasst
werden. Außerdem
kann damit der Abstand um die Toleranzhöhe erweitert werden. Der Fokus 13 des
Lasers ist auf die Spitze des oberen Andruckfingers 10 eingestellt. 21 kennzeichnet
die Nut-Feder-Schnittstelle zum
Austauschen des unteren Halteelements 19 mit unterem Andruckfinger.
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3 zeigt eine Ausschnittvergrößerung aus 2. Zu sehen sind die beiden
miteinander zu verbindenden Werkstücke 14 und 15,
die von den Andruckfingern 10 und 20 genau im
Fokus 13 des Lasers positioniert werden.
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Die 4 und 5 zeigen eine seitliche Ansicht der Position
der Andruckfinger 10 und 20 zu dem Fokus 13 des
Lasers. Der dortige Pfeil gibt die Bewegungsrichtung der Schweißvorrichtung
an. Es ist gut zu erkennen, dass die Andruckfinger direkt vor dem Fokus 13 des
Lasers vorlaufen. Die Position des oberen Andruckfingers 10 ist
im Verhältnis
zum Fokus 13 des Lasers fixiert. Der Abstand zwischen dem
unteren Andruckfingers 20 und dem oberen Andruckfinger 10 kann
durch die in dieser Abbildung nicht dargestellten Lineareinheit 12 verändert werden.
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Die
erfindung sieht darüber
hinaus eine hohe Reproduzierbarkeit vor, indem Verschleißelemente ohne
Neujustierung der Laserbearbeitungsoptik (16) ausgewechselt
werden können.
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6 zeigt eine perspektivische
Darstellung der Andruckfinger samt Halterungen. Der obere Andruckfinger 10 ist
durch die Halterung 18 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbunden. 6 zeigt zwei
alternative Halterungen 19 für einen unteren Andruckfinger 20.
Diese werden wahlweise über eine
Nut/Feder-Verbindung mit der unteren Antriebseinheit 12 verbunden.
Die in 6 gezeigten Ausgestaltungen
der Halterung 19 sind nur beispielhaft und können auch
andere Formen, welche die Zugänglichkeit
des Werksstücks
erleichtern, aufweisen.
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7 zeigt im Detail eine Draufsicht
auf eine Schweißstelle,
wobei mit 30 der Abstand zwischen den zu bearbeitenden
Werkstücken 14 und 15 gekennzeichnet
ist, die durch die Andruckfinger 10 und 20 gehalten
sind. Der Laserstrahlfokus 13 ist direkt auf die Schweißstelle
gerichtet.
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8 zeigt eine seitliche Ansicht
der Anordnung von Andruckfingern, deren Halterungen und Laserstrahlfokus.
Die Halterung 19 des unteren Andruckfingers 20 ist
mit der unteren Antriebseinheit 12 verbunden. Der obere
Andruckfinger ist durch die Halterung 18 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden.
Der Laserstrahlfokus 13 befindet sich direkt unterhalb,
in Richtung der Spitze des oberen Andruckfingers 10. So
wird gewährleistet,
dass Andruckpunkt und Schweißstelle
in direkter Nähe
zueinander liegen.
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- 10
- oberer
Andruckfinger
- 11
- Obere
Lineareinheit
- 12
- Untere
Antriebseinheit (zu 20)
- 13
- Laserstrahlfokus
- 14
- oberes
Werkstück
- 15
- unteres
Werkstück
- 16
- Laserbearbeitungsoptik
- 17
- Grundplatte
bzw. Adapter zur Führungsmaschine
- 18
- Halterung
für oberen
Andruckfinger
- 19
- Halterung
für unteren
Andruckfinger
- 20
- Unterer
Andruckfinger
- 21
- Schnittstelle
mit Nut/Feder-Verbindung zur Befestigung des unteren An
-
- druckfingers
- 30
- Abstand
zwischen den Andruckfingern ( = Weglänge)