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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen von einem ersten und einem zweiten Werkstück aus einem gleichartigen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einem hochfesten Stahlwerkstoff, oder von Werkstücken aus ungleichartigen metallischen Werkstoffen zu einem Bauteil mittels eines kontinuierlich emittierenden Bearbeitungsstrahls durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang eines Überlappungsstoßes. Durch Ausfüllen eines zwischen den Werkstücken am Überlappungsstoß ausgebildeten Spaltes wird die Schweißnahtqualität verbessert.
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Beim Schweißprozess mittels eines Bearbeitungsstrahls, beispielsweise mittels eines Lasers, entsteht an der Stelle, an der der Bearbeitungsstrahl auf die zu fügenden Werkstücke trifft, ein Schmelzbad. Die Schmelzbadform (Breite, Länge) ist gekennzeichnet durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstücken, die Eigenschaften des Bearbeitungsstrahls und in hohem Maße durch die zu fügenden Werkstücke. Homogene Schweißnahtverläufe führten in der Regel zur Ausbildung eines gleichmäßigen Schmelzbades, d. h., das Schmelzbad wies während des Schweißprozesses eine konstante Größe auf. Änderungen im Schweißnahtverlauf (Spalt zwischen den Werkstücken am Fügestoß, geänderte Geschwindigkeit der Relativbewegung und Wärmeableitung) bewirken jedoch Änderungen in der Größe des Schmelzbades.
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Beim Tiefschweißen sind sehr hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig. Der Bearbeitungsstrahl schmilzt das Metall dann nicht nur auf, sondern erzeugt auch Dampf. In der Metallschmelze bildet sich sodann ein tiefes, schmales, dampfgefülltes Loch: die sog. Dampfkapillare – auch Keyhole genannt (englisch für Schlüsselloch). Die Dampfkapillare ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen Druck des verdampfenden Materials sowie auf die Schmelze wirkender Oberflächenspannung und Schwerkraft, welche dem Dampfdruck entgegen wirken um die Dampfkapillare zu schließen. Auch die Dampfkapillare beeinflusst die Qualität der Schweißnaht.
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Eine im Laufe des Schweißprozesses sich ändernde Größe des Schmelzbades und insbesondere die Einflüsse der einer hohen Dynamik unterworfenen Dampfkapillare können zur Folge haben, dass sich die von der Größe des Schmelzbades abhängigen Eigenschwingungen an determinierten Stellen auf der Schmelzbadoberfläche überlagern und sogenannte „Schmelzewellen“ bilden.
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Die Anforderungen an die Bauteilqualitäten steigen zunehmend. Insbesondere in dem Bereich Automotive gibt es die Anforderung, Qualität in Verbindung mit Massenstückzahl zu verbinden. Die Qualität einer Naht wird definiert an der Nahtoberseite anhand der Nahtanmutung (Schuppigkeit, Ebenheit), an der Nahtunterseite anhand des Nahtdurchhangs, sowie anhand der mechanischen Tragfähigkeit (Querschnitt, Form, Randkerben) und der Dichtigkeit (geschlossene Naht).
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Beim Fügen von Werkstücken mittels eines Bearbeitungsstrahls wird – trotz bereits großen Aufwands hinsichtlich der Werkstückvorbereitung, beginnend bei dem Design des Bauteils, der Abpressung, der Logistik, bis hin zur Spanntechnik und der Schweißreihenfolge bzw. dem eigentlichen Fügen – immer ein undefinierter, nicht konstanter Spalt zwischen den zu fügenden Werkstücken vorhanden sein. Diese Problematik betrifft insbesondere die hochfesten Stahl-Werkstoffe, welche zunehmende Verbreitung finden. Hochfeste Stahl-Werkstoffe werden während des Umformprozesses gehärtet. In den nachfolgenden Fügestationen können die aus der Positionierungen der hochfesten Werkstücke resultierenden Spalte, trotz sehr hoher Anpresskräfte, nicht eliminiert werden. Als weiterer Aspekt kommt die durch den Fügeprozess in die Bauteile eingeleitete Wärme, die zu einem Wärmeverzug führt, erschwerend hinzu. So kann es sein, dass Bauteile im kalten Zustand einen Nullspalt aufweisen und erst während der Wärmeeinbringung ein Spalt entsteht, der also für die Produktion unsichtbar und daher nicht kompensierbar ist. Insbesondere der hochautomatisierte Betrieb bedingt undefinierte Spalte. Diese müssen, um den zunehmenden Anforderungen an Qualität gerecht zu werden, erkannt und bereits im Fügeprozess korrigiert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Fügen (z. B. Schweißen oder Löten) von Werkstücken (z. B. Blechen) mittels eines Laserstrahls bekannt, bei denen ein Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes an die zu erstellende Schweißnaht gebracht wird, um insbesondere einen zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken an der Fügenaht klaffenden Spalt während des Schweißens mit Material verfüllen zu können.
DE 196 10 242 A1 beschreibt ein derartiges Verfahren, bei dem der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad der Fügestelle in Vorschubrichtung hinter dem Laserstrahl zugeführt wird. Durch die Verwendung von Zusatzdraht gehen allerdings lange Taktzeiten einher, wodurch der Prozess relativ langsam ist. Dies wiederum widerspricht einer effizienten Massenfertigung.
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Es ist auch bekannt, dass ein vorher zu messender Spalt zwischen zwei Werkstücken über eine Anpassung von Laserprozessparametern geschlossen werden kann.
DE 38 20 848 A1 und
DE 38 44 727 C2 beschreiben ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mittels Laserstrahlung, bei dem die Höhendifferenz zwischen den an den Fügestoß angrenzenden Rändern der beiden Werkstücke gemessen und die Intensität der Laserstrahlung an der Fügestelle in Abhängigkeit dieser Höhendifferenz in der Art angepasst wird, dass der Spalt entweder mit durch Laserstrahlung zu schmelzenden Zusatzwerkstoff oder mit durch verstärkte Werkstoffaufschmelzung erzeugten schmelzflüssigen Werkstoff an der Fügestelle geschlossen wird. Die Messung der Höhendifferenz erfolgt hierbei unter Verwendung eines nicht abschirmenden Plasmas, welches kurzzeitig von dem Laserstrahl erzeugt wird.
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Insbesondere die zunehmende Verbreitung des Werkstoffs Aluminium und pressgehärteter, hochfester Stahlwerkstoffe im Fahrzeugbau erlaubt keine Variation der Höhe des zwischen den zu fügenden Werkstücken ausgebildeten Spaltes, da das Prozessfenster bei Aluminium an sich schon relativ klein ist oder weil es technisch nicht möglich ist bei gehärteten Materialien diese in einen definierten – für den Prozess – kleine Spaltsituation zu drücken.
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Die Absorptionsrate von Laserlicht aus fasergekoppelten Laserquellen bewegt sich bei Raumtemperatur des Werkstoffes Aluminium zwischen 1 und 2%; d. h., 98% der Laserleistung werden reflektiert. Somit ist es zum Starten des Prozesses notwendig, eine Dampfkapillare (Keyhole) zu öffnen, in welcher sich die Absorption des Laserlichts sprunghaft auf annähernd 90% erhöht. Mit ca. 600°C ist der Schmelzpunkt von Aluminium relativ gering, sodass bei geöffnetem Keyhole die Gefahr besteht, dass zu viel Leistung in das Bauteil eingebracht wird. Dadurch kann die Naht auf der Bauteilunterseite durchhängen, was wiederum einem Bauteilausschuss entspricht. Das Prozessfenster ist somit relativ klein. Sowohl bei Schwankungen der externen Prozessbedingungen als auch bei schon kleinen Änderungen der Spaltbreite (max. 0,2 mm) verringert sich das Prozessfenster schlagartig.
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Zusätzlich ist der Aluminiumwerkstoff im schmelzflüssigen Zustand, bedingt durch eine auf der Oberfläche der Schmelze im Kontakt mit der Luft ausgebildete Oxidhaut, sehr pastös (d. h. teigig), wobei deren Oberflächenspannung hier maßgeblich ist. Dieser pastöse Zustand beeinträchtigt das Fließen des Werkstoffes. Es ist somit nicht ausreichend, den Bearbeitungsstrahl mehr auf das Oberblech, d. h. das während des Fügens am Überlappungsstoß oben liegende Werkstück, zu positionieren, um ausreichend Materialvolumen zu generieren. Aufgrund der Oxidhaut wird das schmelzflüssige Aluminium nicht auf das Unterblech fließen. Es sind also weitere Maßnahmen zu ergreifen, welche die Schmelzbadbewegung an sich beeinflussen, um ein Fließen des schmelzflüssigen, pastösen Aluminiums in den Spalt auszulösen. Die dafür notwendigerweise anzupassenden Prozessparameter sind jedoch mehrdimensional voneinander abhängig.
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Es besteht somit, speziell im Hinblick auf Aluminium oder hochfeste Stähle, der Wunsch, die hochperformante Laser-Remote-Technik (d. h., die Positionierung des Bearbeitungs- bzw. Laserstrahls erfolgt mit hochdynamisch angetrieben Umlenkspiegeln) einzusetzen, wobei die Spalthöhe (d. h. die Höhe eines zwischen den zwei zu fügenden Werkstücken am Fügestoß ausgebildeten Spaltes) kontinuierlich zu messen und durch Anpassung der Prozessparameter der Spalt zuverlässig mit aufgeschmolzenem Werkstoff zu verschließen ist, wobei diese Prozessparameter in einem geschlossenen Steuermodell hinterlegt sein müssen, welches in eine geschlossene, autonom agierende Systemtechnik mit geeigneten dynamischen Eigenschaften integriert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fügevorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer zwei Werkstücke an einem Überlappungsstoß, der einen Spalt zwischen den zwei Werkstücken mit über die gesamte Länge des Überlappungsstoßes variierender Breite bzw. Höhe aufweist, mittels eines Bearbeitungsstrahles gefügt werden können, wobei durch Anpassung von Prozessparametern der Fügeprozess derartig beeinflussbar sein soll, dass der am Überlappungsstoß ausgebildete Spalt während des Fügeprozesses entlang des gesamten Überlappungsstoßes durch bedarfsgerechtes Aufschmelzen des Werkstoffes lückenlos kompensierbar ist. Diese Anpassung der Prozessparameter zum Schließen des Spaltes soll von der Fügevorrichtung dynamisch, automatisiert und kontinuierlich während des gesamten Schweißvorganges ermöglicht sein, wobei die Ausbildung der Schweißnaht für eine Kontrolle und ggf. Korrektur der verwendeten Prozessparameter überwacht werden soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum Fügen mehrerer Werkstücke, insbesondere solcher aus dem Werkstoff Aluminium oder hochfester Stahl, an einem Überlappungsstoß mittels eines Bearbeitungsstrahls bereitgestellt. Die zu fügenden Werkstücke können z. B. Blechteile aus Aluminium sein. Der Bearbeitungsstrahl kann z. B. ein Laserstrahl sein; es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl allgemein ein Strahl elektromagnetischer Strahlung (z. B. ein Infrarotstrahl), ein Teilchenstrahl (z. B. ein Elektronenstrahl) oder ein Schallstrahl (z. B. in Form von gerichtetem Ultraschall) ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt beim Fügen eine Kompensation des am Überlappungsstoß zwischen zwei zu fügenden Werkstücken auftretend Spaltes durch ein Abschmelzen von Werkstoff mit dem Bearbeitungsstrahl vom Oberblech, d. h. dem beim Schweißen am Überlappungsstoß (in Bezug auf die Lotrechte) oben angeordneten Blech bzw. Werkstück, in der Art, dass der Spalt an der Fügenaht durch ein Herab- und/oder Hineinfließen von schmelzflüssigem Werkstoff vollständig mit Material verfüllt wird. Eine anfänglich (d. h. vor Beginn des Schweißvorganges) gerade Naht, welche beispielsweise in ihrer Mitte einen größeren Spalt aufweist, würde somit nach dem Fügen eine kleine Krümmung aufweisen, wobei der Scheitelpunkt der Krümmung aufgrund des Abschmelzens von Werkstoff des Oberblechs an der Position des größten Spaltes auftritt.
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Gemäß der Aufgabenstellung ist eine Fügevorrichtung vorgesehen, die über eine sogenannte Remote-Bearbeitungsoptik verfügt, d. h., die (z. B. optischen) Elemente zur Führung und Fokussierung des Bearbeitungsstrahles sind derart (beweglich) ausgeführt, dass ein großer Bearbeitungsabstand zwischen Bearbeitungsoptik und Fügenaht ermöglicht ist, wobei insbesondere die Bewegungen des Bearbeitungsstrahles (und damit auch die Bewegungen des durch den Bearbeitungsstrahl auf den Werkstückoberflächen erzeugten Brennflecks) durch einzelne bewegliche, von Aktoren angetriebene Elemente innerhalb der Bearbeitungsoptik durchgeführt werden, sodass eine, die gesamte (ggf. von einer Umhausung umhauste) Bearbeitungsoptik umfassende Einheit, außer einer möglichen Vorschubbewegung, unbewegt sein kann.
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Das zielgerechte Aufschmelzen, insbesondere des Oberblechs, erfolgt durch Ansteuerung der in der Fügevorrichtung integrierten Aktoren zur Bewegung, Leistungsregelung und Fokussierung des Bearbeitungsstrahles basierend auf einer Anpassung von Prozessparametern anhand eines programmierten Prozessmodells, welches als Eingangsparameter die Art des Werkstoffes (d. h. die Materialart), die Spalthöhe, die Dicke der Werkstücke und die Positionierung der Werkstücke im Raum und relativ zueinander einbezieht, wobei zumindest die Ermittlung der Spalthöhe und Bauteilkantenlage auf kontinuierlichen Messungen basiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Spalthöhe entweder direkt zu bestimmen, z. B. mittels eines Lichtschnittverfahrens, oder indirekt durch Messung der Höhenpositionen (in lotrechter Richtung in Bezug auf eine Referenzposition, beispielsweise an der Fügevorrichtung) der an den Überlappungsstoß angrenzenden Oberseitenabschnitte (d. h. derjenigen Oberflächenabschnitte, die während des Fügeprozesses oben angeordnet sind) der zu fügenden Werkstücke, wobei unter Berücksichtigung der Blechdicke des Oberblechs, d. h. des während des Fügens am Überlappungsstoß oben liegenden Werkstückes, die Spalthöhe zu berechnen ist.
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Für das Abschmelzen anzupassende Prozessparameter können sein: die Vorschubgeschwindigkeit (d. h. die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstücken), eine die Vorschubbewegung überlagernde räumliche Oszillation des Bearbeitungsstrahls (d. h., der Brennfleck auf dem Schweißgut schwingt periodisch hin und her), wobei diese Oszillation durch einen oder mehrere Oszillationsparameter, beispielsweise Amplitude oder Frequenz, gekennzeichnet sind, die relative Lage des Brennflecks in Bezug zur Werkstückkante, den Auftreffwinkel des Bearbeitungsstrahles auf der Werkstückoberseite sowie die Leistung und die Fokussierung des Bearbeitungsstrahles (d. h. die Größe des Brennflecks auf der Werkstückoberseite).
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Diese Prozessparameter können einzeln oder gemeinsam zielgerichtet und dynamisch während des Schweißprozesses angepasst werden; d. h., die Prozessparameter können während des Schweißens in Abhängigkeit der beim Schweißen vorliegenden (und z. B. durch die Messungen erfassten) Bedingungen verändert werden.
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Die räumliche Oszillation (d. h. Schwingung der Ablenkung) des Bearbeitungsstrahls während des Schweißprozesses kann längs und/oder quer, vorzugsweise jedoch quer, zur Vorschubrichtung (d. h. der Richtung der Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstücken) erfolgen. Hierfür wird der Bearbeitungsstrahl mittels der innerhalb der Bearbeitungsoptik angeordneten, von Aktoren angetriebenen Elemente zur Strahlumlenkung in mindestens einer der drei Raumrichtungen abgelenkt. Beispielsweise kann eine Ablenkung eines Laserstrahlstrahls längs oder quer zur Vorschubrichtung durch Galvanometerscanner hervorgerufen werden.
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Das Schmelzbad und, falls ausgebildet, die Dampfkapillare werden während des Schweißprozesses in Vorschubrichtung entlang des Fügestoßes der beiden zu fügenden Werkstücke bewegt, wobei die Dampfkapillare durch ihre Oszillation, hervorgerufen durch die aktive räumliche Brennfleckpositionierung auch die Oszillation des sie umgebenden Schmelzbades beeinflusst. Ein wichtiger Faktor, der die Oszillationen bestimmt, ist hierbei das Material der zu fügenden Werkstücke bzw. auf die Werkstücke aufgebrachte Beschichtungen.
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Durch die mittels Strahloszillation bewirkte Schwingungsbeeinflussung der Dampfkapillare und/oder der Schmelze kann abhängig von Werkstückmaterial, Spalthöhe am Überlappungsstoß und Vorschubgeschwindigkeit beim Schweißen ein Fließen der aluminiumhaltigen (und mit einer Oxidschicht bedeckten) Schmelze beobachtet werden. Hierbei fließen insbesondere die Oszillationsparameter, wie z. B. Frequenz, Amplitude und Schwingungsform (z. B. Sinus, Rechteck, Dreieck oder Sägezahn), als Faktoren ein.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass mittels beweglicher, z. B. optischer, Elemente in der Remote-Bearbeitungsoptik der Fügevorrichtung der Auftreffwinkel des Bearbeitungsstrahles auf die Werkstückoberfläche, die Brennweite und/oder die Kollimation und damit die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls verändert werden können. Dadurch ist es ermöglicht, die Größe (d. h. die räumliche Ausdehnung) und die geometrische Form des Brennflecks auf der Werkstückoberfläche, ebenso wie die Leistungsdichte gezielt einzustellen. Die Winkel- und Fokussierungsverstellung kann motorisch, piezoelektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben (in axialer Strahlrichtung) erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung weist eine erste Sensorik zur Erkennung der Lage des Fügestoßes relativ zum Bearbeitungskopf und eine zweite Sensorik, die geeignet ist, den Abstand zwischen dem Ober- und dem Unterblech (quantitativ) zu detektieren, auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Sensorik zur Erkennung der Lage des Fügestoßes und die zweite Sensorik zur Bestimmung der Spalthöhe in einer einzigen Sensorik vereint sind. Diese Sensorik umfasst z. B. einen Projektor, der an der Fügestelle in einem Bereich in Vorschubrichtung vor dem auf die Werkstücke auftreffenden Bearbeitungsstrahl (d. h. des Brennflecks) eine Lichtlinie senkrecht über den Fügestoß auf die Werkstückoberseiten projizieren kann, und eine digitale Kamera, beispielsweise basierend auf CCD- oder CMOS-Mikrochips, die derart gestaltet und angeordnet ist, dass mit dieser Kamera Bilder von der Fügestelle im Bereich der auf die Werkstückoberflächen projizierten Lichtlinie zumindest im Wellenlängenbereich des vom Projektor emittierten Lichts, vorzugsweise jedoch im sichtbaren, nahen infraroten und infraroten Wellenlängenbereich mit einer Bildaufnahme-Frequenz von mindestens 50 Hz aufgenommen werden können.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Fügevorrichtung eine mit der bzw. den Sensoriken verbundene Auswerte- und Regeleinheit auf, mit deren Hilfe u. a. eine automatisierte Bearbeitung und Auswertung der mit den Sensoriken erfassten Messdaten, die z. B. mit einer Kamera aufgenommenen Bilder umfassen können, durchgeführt werden können, wobei die Auswerte- und Regeleinheit derart gestaltet ist, dass sie mittels Software betrieben werden kann. Beispielsweise ist die Auswerte- und Regeleinheit ein Computer (PC) mit zur Anbindung an die Sensoriken ausgestatteten Schnittstellen oder eine hochintegrierte Steuerung mit sog. „embedded“ (englisch für „eingebettet“) Software.
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Des Weiteren umfasst die Auswerte- und Regeleinheit mindestens eine (weitere) Schnittstelle zur Anbindung an die Remote-Bearbeitungsoptik der Fügevorrichtung und den Aktor zur Erzeugung der Vorschubbewegung auf, über die den Bearbeitungsstrahl betreffende Prozessparameter, wie Oszillation oder Fokussierung, und die Vorschubgeschwindigkeit regelbar sind. Auch kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Regeleinheit eine Schnittstelle zur Anbindung an eine Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit, welche den Bearbeitungsstrahl erzeugt, aufweist, beispielsweise zum Zwecke der Leistungsregelung.
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Die Fügevorrichtung kann außerdem derart gestaltet sein, dass mittels einer der Sensoriken die Lage der Werkstücke, d. h. ihre jeweilige Drehung um die drei rotatorischen Freiheitsgrade, relativ zum Bearbeitungskopf messbar ist. Für eine Bestimmung der Drehung der Werkstücke zur Lotrechten kann die Fügevorrichtung eine, beispielsweise am Bearbeitungskopf angeordnete, zusätzliche Winkellagensensorik aufweisen.
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Ein mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung durchführbares Fügeverfahren mit adaptiver Anpassung der Prozessparameter zum Zwecke der Verbesserung der Schweißnahtqualität während des Fügens eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück an einem einen Fügespalt aufweisenden Überlappungsstoß mittels der oben beschriebenen Fügevorrichtung wird wie folgt durchgeführt:
Auf der Grundlage einer Höhenbestimmung des Fügespaltes zwischen erstem und zweitem zu fügenden Werkstück am Überlappungsstoß, des Werkstoffes (d. h. Materials) und einer eventuellen Beschichtung der beiden zu fügenden Werkstücke sowie der anzuwendenden Schweißvorschubgeschwindigkeit werden die während des Schweißvorganges einzustellenden Prozessparameter festgelegt. Dies kann vorzugsweise durch die Auswerte- und Regeleinheit geschehen, nachdem man die von den Sensoriken nicht erfassbaren Eingangsparameter manuell eingegeben hat.
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Die Höhenbestimmung des Fügespaltes kann beispielsweise durch eine Messung der Sprunghöhe des Überlappungsstoßes und anschließendes Subtrahieren der (bekannten) Blechdicke des Oberblechs erfolgen. Eine Höhenmessung der Sprunghöhe des Überlappungsstoßes kann (automatisiert) über Lasertriangulation erfolgen. Es können aber auch andere Verfahren zur Bestimmung der Höhe, wie beispielsweise optische Kohärenztomografie oder Auswertung der Verzerrung einer über den Überlappungsstoß projizierten Lichtlinie, eingesetzt werden.
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Im nächsten Schritt werden auf Basis der Werkstoffe, der Spalthöhe, der Dicke der Werkstücke und der Positionierung der Werkstücke im Raum (d. h. relativ zur Remote-Bearbeitungsoptik der Fügevorrichtung) und relativ zueinander die Prozessparameter, z. B. die Oszillationsparameter des Bearbeitungsstrahls, die Vorschubgeschwindigkeit und die Brennfleckgröße, festgelegt. Diese Parameter beeinflussen die Größe des Schmelzbades und die Schmelzbadströmungen in entscheidender Weise. Insbesondere kann durch eine gezielte Vorgabe der Oszillationsparameter des Bearbeitungsstrahls erreicht werden, dass durch eine, beispielsweise resonante, Einkopplung der Bearbeitungsstrahloszillationen in die auf dem Schmelzbad ausgebildeten Schmelzewellen die pastöse, aluminiumhaltige Schmelze vom Oberblech auf das Unterblech und in den zwischen dem Oberblech und dem Unterblech ausgebildeten Fügespalt fließt. Die festgelegten Soll-Prozessparameter können hierbei von den aktuell im Fügeprozess verwendeten Ist-Prozessparametern abweichen.
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Für eine Ansteuerung der Aktoren, z. B. in der Remote-Bearbeitungsoptik, der Fügevorrichtung und der Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit mittels der Auswerte- und Regeleinheit ist eine Synchronisierung der Steuersignalvorgaben notwendig. So wird z. B. die Leistung des Bearbeitungsstrahls mit einer Frequenz von bis zu 8 kHz, bzw. an die Reglergrenze der handelsüblichen Bearbeitungsstrahlquellen, mit der Bewegung der aktiven Scannereinheiten, der Autofokusse, sowie der weiteren Lagesensorik miteinander abgestimmt.
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Die Festlegung der verfahrensgemäßen Soll-Prozessparameter kann mittels der Auswerteeinheit anhand einer Datenbank erfolgen (z. B. in Form einer sog. „Look-up-table“), in der für eine Vielzahl von Eingangsparameter-Kombinationen die entsprechend anzuwendenden Prozessparameter, welche z. B. empirisch bestimmt wurden, hinterlegt sind. Diese Datenbank kann in der Auswerte- und Regeleinheit gehalten werden, sodass die Auswahl der anzuwendenden Prozessparameter automatisiert durch die Auswerte- und Regeleinheit erfolgen kann.
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Die Festlegung der Soll-Prozessparameter kann aber auch über eine analytische Funktion (welche ebenfalls empirisch, beispielsweise durch Kurvenanpassung an Daten von ausgedehnten Versuchsreihen, bestimmt worden sein kann) geschehen. Ebenso ist es möglich, dass die Soll-Prozessparameter mit Hilfe eines (komplexen) Simulationsmodells, welches automatisiert in der Auswerte- und Regeleinheit durchgerechnet wird, ermittelt werden.
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Da einschließlich der oben genannten Prozessparameter eine Vielzahl an Einflussgrößen auf das Fließen der Schmelze in den Spalt und das vollständige Verfüllen desselben zu berücksichtigen sind, kann erfindungsgemäß, dem Fügeprozess nachlaufend, eine Nahtqualitätserfassungs-Sensorik zur Echtzeitüberwachung der ausgebildeten Schweißnaht vorgesehen sein. Hiermit wird während des Fügens mit der Zielstellung einer kontrollierten Schweißnahtausbildung sowie einer gegebenenfalls notwendigen Anpassung der Prozessparameter im Hinblick auf eine Stabilisierung und/oder Erhöhung der Nahtqualität die Ausbildung der durch den Fügeprozess ausgebildeten Fügenaht überwacht.
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Diese im Nachgang des Schweißvorganges durchgeführte Schweißnahtbeobachtung und -analyse dient somit zur Kontrolle und ggf. Nachregelung der Prozessparameter. Hierzu wird mit der Nahtqualitätserfassungs-Sensorik die Schweißnaht unmittelbar (in Vorschubrichtung) hinter dem Schmelzbad erfasst und automatisiert eine Analyse der Schweißnahtqualität (z. B. bezüglich der Nahtanmutung an der Nahtoberseite, des Nahtdurchhangs an der Nahtunterseite, der die mechanische Tragfähigkeit beeinflussenden topographischen Eigenschaften der Naht und/oder ihrer Dichtigkeit) durchgeführt. Ergibt die Analyse z. B. einen unvollständig geschlossenen Fügespalt, so wird über die Auswerte- und Regeleinheit eine Anpassung der Prozessparameter in der Art durchgeführt, dass der Fügespalt im weiteren Verlauf des Schweißprozesses wieder vollständig mit schmelzflüssigem Werkstoff, der vom Oberblech abgeschmolzen wird, geschlossen wird.
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Die Schweißnahtbeobachtung und –analyse kann gleichzeitig, d. h. als ein Arbeitsschritt, oder aufeinanderfolgend in der Nahtqualitätserfassungs-Sensorik durchgeführt werden. Alternativ kann die Erfassung der Schweißnaht mit der Nahtqualitätserfassungs-Sensorik und die Analyse in der mit der Nahtqualitätserfassungs-Sensorik verbundenen Auswerte- und Regeleinheit erfolgen.
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Die Nahtqualitätserfassungs-Sensorik kann eine Hochgeschwindigkeitskamera umfassen, die auch im Infrarotbereich sensitiv ist. Die Analyse kann automatisiert mittels einer Bildverarbeitungssoftware, die die mit der Kamera aufgenommenen Bilder der Schweißnaht in Echtzeit auf charakteristische Fehlerbilder absucht, erfolgen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist, dass durch eine zielgerichtete Anpassung der Prozessparameter (wie beispielsweise Oszillationsfrequenz oder -amplitude) kontinuierlich in Echtzeit ein am Überlappungsstoß ausgebildeter Spalt, der eine entlang des Fügestoßes in zufälliger Weise sich ändernde Spalthöhe aufweist, stets zuverlässig geschlossen werden kann. Da die anzuwendenden Prozessparameter während des Schweißvorgangs stetig anhand der mittels der Sensoriken erfassten Ist-Situation neu bestimmt werden, kann ihre Anpassung dynamisch während des Prozesses erfolgen, wobei auf sich ändernde Eingangsparameter (wie beispielsweise Positionsänderungen der Werkstücke relativ zueinander an der Schweißnaht) ebenfalls in Echtzeit reagiert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung vereinigt die Messwerterfassung und die Steuerung aller notwendigen Stellgrößen in einem Gerät. Der Fügeprozess kann vollkommen automatisiert ablaufen, d. h. es müssen keine weiteren externen Maßnahmen eingeleitet werden. Lediglich zu Beginn des Schweißprozesses ist die (manuelle) Eingabe von den Fügeprozess beeinflussenden Größen, wie Werkstoffzusammensetzung der Werkstücke oder Blechdicke, in beispielsweise die Auswerte- und Regeleinheit notwendig.
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Außerdem ist durch die dem Schmelzbad nachlaufende Nahtqualitätserfassungs-Sensorik eine instantane Korrektur der anzuwendenden Soll-Prozessparameter ermöglicht, falls die Schweißnahtanalyse eine sich verschlechternde Schweißnahtqualität ergibt, sodass eine stets gleichbleibend gute Qualität der Schweißnaht gewährleistet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Fügevorrichtung kann der Aufwand in die Teilevorbereitung deutlich gesenkt werden. Weiterhin kann die Spannvorrichtung, welche die zu fügenden Werkstücke aufeinander presst, vereinfacht werden bzw. muss die Spannvorrichtung nicht mit der sonst üblichen Genauigkeit eingestellt werden, um die Werkstücke mit einem konstanten, kleinen Spalt oder evtl. sogar spaltfrei aufeinander zu fixieren. Dadurch werden Prozesszeiten deutlich verkürzt und Kosten eingespart.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Oszillation des Bearbeitungsstrahls, d. h. der zeitliche Kurvenverlauf der Oszillationsamplitude, die Form einer Sinuskurve, eines Dreiecks (Sägezahn), eines Rechtecks oder einer anderen Funktion höherer Ordnung aufweist, um die Leistungsverteilung den Bauteilgegebenheiten anzupassen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Fügevorrichtung derart ausgestaltet sein, dass zu einer von der nachlaufenden Nahtqualitätserfassungs-Sensorik erkannten, notwendigen Korrektur der Soll-Prozessparameter ein evolutionärer Algorithmus implementiert ist. Dieser evolutionäre Algorithmus erlaubt eine (Re-)Kombination der Eingangsparameter bzw. Messgrößen, vorzugsweise der Spalthöhe, mit anzuwendenden Prozessparametern anhand guter Schweißergebnisse. Auf diese Art wird ein lernendes System erzeugt, wobei kontinuierlich auf sich verändernde Einflüsse reagiert werden kann. Die somit neu erhaltenen Parameterkombinationen können beispielsweise dauerhaft in eine in der Auswerte- und Regeleinheit hinterlegten Datenbank oder während der Dauer des Schweißprozesses in einem von der Datenbank unabhängigen Speicherbereich abgelegt werden. Durch diese uneingeschränkte Flexibilität des Verfahrens können die Prozessparameter in Abhängigkeit der durch das Schweißen erzeugten Schweißnahtqualität jeweils dynamisch während des Schweißvorganges angepasst werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass bei während des Schweißvorganges aufgrund (externer) prozessbedingter Anforderungen notwendigen Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit die Prozessparameter (mit Ausnahme der Vorschubgeschwindigkeit) in Abhängigkeit der geänderten Vorschubgeschwindigkeit gewählt werden, d. h., die Vorschubgeschwindigkeit wird als unbeeinflussbarer Prozessparameter behandelt, während die restlichen Prozessparameter während des Schweißvorganges an eine durch externe Vorgaben sich ändernde Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zur Verbesserung der Fließeigenschaften einer aluminiumhaltigen Schmelze und zur temporären Entfernung einer auf der Schmelzoberfläche ausgebildeten Oxidhaut auf den Bearbeitungsstrahl ein kurzzeitiger Puls aufmodulierbar, d. h. der kontinuierlich aus der Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit emittierte Bearbeitungsstrahl wird pulsartig (in der Leistung) verstärkt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Puls während des Schweißprozesses am gleichen Wirkort des kontinuierlich emittierten Bearbeitungsstrahles auf der Werkstückoberfläche auftrifft, oder dass der Bearbeitungsstrahl für die Dauer des Pulses auf eine Position auf den Werkstückoberflächen gelenkt wird, die in unmittelbarer Nähe des Wirkortes zur Schweißnahterzeugung liegt, wobei der Abstand vorzugsweise kleiner 4 mm ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
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1 die erfindungsgemäße Fügevorrichtung im Querschnitt und den Überlappungsstoß im Längsschnitt;
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2 den Überlappungsstoß im Querschnitt mit senkrecht dazu oszillierendem Bearbeitungsstrahl; und
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3 die Intensitätsverteilung des senkrecht zum Überlappungsstoß oszillierenden Bearbeitungsstrahles im Brennfleck.
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Die Fügevorrichtung gemäß 1 ist eine Laserstrahlschweißvorrichtung mit Remote-Laser-Bearbeitungsoptik; der Bearbeitungsstrahl ist somit ein Laserstrahl. Die Laserstrahlerzeugungseinheit 1 generiert den Laserstrahl 2, der von der entlang der Strahlachse verfahrbaren Kollimationseinheit 3 auf die um ihre jeweiligen Querachsen oszillierenden Ablenkungseinheiten 4a und auf die um ihre Längsachse oszillierenden Ablenkungseinheiten 4b kollimiert. Die Fokussiereinheit 5 schließlich erzeugt auf der Oberfläche der Werkstücke 6 (Oberblech) und 7 (Unterblech) den Laserbrennfleck 8, der mit der Vorschubgeschwindigkeit vs entlang des Fügestoßes bewegt wird.
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Der Projektor 10 projiziert mittels des Messlichts 11 auf die Werkstückoberflächen eine Lichtlinie senkrecht über den Fügestoß. Die Sensoren 13 erfassen diese Lichtlinie, wobei die Sensor-Fokussiereinheit 12 dem Sensor 13 vorgeschaltet sein kann. Die mit den Sensoren verbundene Auswerte- und Regeleinheit 15 berechnet daraus die exakte Fügestoßposition, die Lage der Werkstücke 6 und 7 zueinander (bzw. welches der beiden Werkstücke das Oberblech 6 ist) sowie die Höhe des Fügespaltes 16 zwischen den Werkstücken 6 und 7 am Fügestoß.
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Die Nahtqualitätserfassungs-Sensorik 18 erzeugt eine Momentaufnahme der Schweißnaht in Vorschubrichtung (x) unmittelbar hinter dem Brennfleck 8. Diese Aufnahmen werden von der Auswerte- und Regeleinheit 15 verarbeitet und bei Anzeichen einer sich verschlechternden Schweißnahtqualität die Prozessparameter entsprechend eines in der Auswerte- und Regeleinheit 15 hinterlegten Prozessmodells spezifisch den erfassten Anzeichen angepasst.
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2 zeigt eine der Ablenkungseinheiten 4a der Remote-Laser-Bearbeitungsoptik, die – von der Auswerte- und Regeleinheit 15 angesteuert – den Laserstrahl 2 über den Überlappungsstoß in der Art oszillieren lässt, dass das Oberblech 6, das aus dem Werkstoff Aluminium besteht, aufgeschmolzen wird, sodass das Schmelzbad 17 gebildet wird. Außerdem sind die Oszillationsparameter in der Art geregelt, dass zumindest ein Teil des pastösen Schmelzbades 17 auf das Unterblech 7 herunterfließt, wobei es den Fügespalt 16 verschließt.
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In 3 ist die auf den Werkstückoberflächen erzeugte Intensitätsverteilung des Laserbrennflecks 8 dargestellt. Die Oszillationen des Laserstrahls 2 (bzw. des Laserbrennflecks 8) sind so eingestellt, das das Maximum I2 der quer zum Fügestoß vom Laserstrahl 2 in die Werkstückoberflächen eingebrachten Intensität I auf dem Oberblech 6 liegt. Ein zusätzliches lokales Maximum I1 der Intensität I liegt auf dem Unterblech 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungslaser
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Kollimationseinheit
- 4a
- Ablenkungseinheit, um ihre Querachse oszillierend
- 4b
- Ablenkungseinheit, um ihre Längsachse oszillierend
- 5
- Fokussiereinheit
- 6
- Werkstück (Oberblech)
- 7
- Werkstück (Unterblech)
- 8
- Laserbrennfleck
- 10
- Projektor
- 11
- Messlicht
- 12
- Sensor-Fokussiereinheit
- 13
- Sensor
- 15
- Auswerte- und Regeleinheit
- 16
- Spalt
- 17
- Schmelzbad
- 18
- Nahtqualitätserfassungs-Sensorik
- vs
- Vorschubgeschwindigkeit
- I
- Intensität
- x
- x-Richtung/Vorschubrichtung
- y
- y-Richtung/Richtung quer zum Vorschub
- z
- z-Richtung/Lotrechte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19610242 A1 [0007]
- DE 3820848 A1 [0008]
- DE 3844727 C2 [0008]
