DE202014105648U1

DE202014105648U1 - Device for joining workpieces to a lap joint

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Publication number: DE202014105648U1
Application number: DE202014105648.3U
Authority: DE
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2014-12-23
Anticipated expiration: 2024-11-25

Abstract

Fügevorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks (6) mit einem zweiten Werkstück (7) an einem Überlappungsstoß mittels eines Bearbeitungsstrahls (2), aufweisend eine Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit (1), eine Remote-Bearbeitungsoptik mit Scannervorrichtungen (4a, 4b) in Form von hochdynamisch angetriebenen, aktiven Umlenkeinheiten zum Führen und zum Ausführen einer durch Oszillationsparameter definierten, räumlich oszillierenden Bewegung des Bearbeitungsstrahls (2) auf der Oberfläche des ersten (6) und/oder des zweiten (7) der zu fügenden Werkstücke sowie mit zumindest zum Teil beweglichen optischen Elementen (3, 5) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (2) auf die Oberfläche des ersten (6) und/oder des zweiten (7) der zu fügenden Werkstücke, eine Nahtführungssensorik, eine Sensorik zur Bestimmung von Höhenpositionen bezüglich der Lotrechten auf jeweils einem an eine durch den Bearbeitungsstrahl (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsposition am Überlappungsstoß angrenzenden Oberflächenabschnitt des ersten (6) und des zweiten (7) Werkstückes, und eine mit den Sensoriken, der Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit (1) und der Remote-Bearbeitungsoptik verbundene Auswerte- und Regeleinheit (15), die derart konfiguriert ist, dass basierend auf einem aus den Höhenpositionen bestimmten Spalt (16) zwischen dem ersten (6) und dem zweiten (7) Werkstück am Überlappungsstoß die Remote-Bearbeitungsoptik und die Bearbeitungsstrahlerzeugungseinheit (1) regelbar sind, wobei während des Fügens mindestens ein Oszillationsparameter der oszillierenden Bewegung des Bearbeitungsstrahls (2) von der Auswerte- und Regeleinheit (15) derart festlegbar ist, dass die Oszillationen des Bearbeitungsstrahls (2) in auf der Oberfläche des Schmelzbads (17) ausgebildete Schmelzewellen einkoppeln, sodass geschmolzenes Material aus dem Schmelzbad (17) an der Bearbeitungsposition in den am Überlappungsstoß zwischen den beiden Werkstücken (6, 7) ausgebildeten Spalt (16) fließt.Joining device for joining a first workpiece (6) to a second workpiece (7) at an overlap joint by means of a processing beam (2), having a processing beam generating unit (1), remote processing optics with scanner devices (4a, 4b) in the form of highly dynamically driven, Active deflection units for guiding and executing a spatially oscillating movement of the machining beam (2) defined by oscillation parameters on the surface of the first (6) and / or the second (7) of the workpieces to be joined and with at least partially movable optical elements (3 , 5) for focusing the machining beam (2) on the surface of the first (6) and / or the second (7) of the workpieces to be joined, a seam guide sensor system, a sensor system for determining height positions with respect to the perpendicular on each one to one through the Processing beam (2) processing position to be processed on the surface adjacent to the overlap joint nsection of the first (6) and second (7) workpiece, and an evaluation and control unit (15) connected to the sensors, the machining beam generation unit (1) and the remote machining optics, which is configured in such a way that based on one of the Height positions determined gap (16) between the first (6) and the second (7) workpiece at the overlap joint, the remote processing optics and the processing beam generating unit (1) can be regulated, with at least one oscillation parameter of the oscillating movement of the processing beam (2) during the joining of the evaluation and control unit (15) can be determined in such a way that the oscillations of the machining beam (2) couple into melt waves formed on the surface of the weld pool (17) so that melted material from the weld pool (17) at the processing position into the one at the overlap joint between the two workpieces (6, 7) formed gap (16) flows.

Description

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. The invention relates to a device for joining a first and a second workpiece of a similar material, in particular aluminum or a high-strength steel material, or workpieces of dissimilar metallic materials to a component by means of a continuously emitting machining beam by forming a weld along a lap joint. By filling a gap formed between the workpieces at the lap joint, the weld quality is improved.

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. During the welding process by means of a machining beam, for example by means of a laser, a molten bath is formed at the location where the machining beam meets the workpieces to be joined. The melt-bath shape (width, length) is characterized by the speed of the relative movement between the machining beam and the workpieces, the properties of the machining beam and, to a large extent, the workpieces to be joined. Homogeneous weld seams usually led to the formation of a uniform melt pool, d. h., The molten bath had a constant size during the welding process. Changes in the weld seam (gap between the workpieces at the joint, changed speed of the relative movement and heat dissipation), however, cause changes in the size of the molten bath.

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. Deep penetration welding requires very high power densities of about 1 megawatt per square centimeter. The machining jet not only melts the metal but also generates steam. In the molten metal then forms a deep, narrow, steam-filled hole: the so-called. Dampfkapillare - also called Keyhole (English for keyhole). The vapor capillary is the result of a balance between the pressure of the evaporating material and the surface tension and gravity acting on the melt, which counteract the vapor pressure to close the vapor capillary. The vapor capillary also influences the quality of the weld.

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. A variable size of the molten bath in the course of the welding process and in particular the effects of the highly flexible steam capillary can have the result that the natural oscillations which are dependent on the size of the molten bath are superimposed on determinate points on the molten bath surface and form so-called "melt waves".

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). The demands on the component qualities are increasing. Especially in the field of automotive there is the requirement to combine quality in connection with mass quantity. The quality of a seam is defined on the upper side of the seam on the basis of the seam appearance (flakiness, flatness), on the underside of the seam on the basis of the seam sag, as well as on the mechanical load-bearing capacity (cross-section, shape, edge notches) and the tightness (closed seam).

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. When joining workpieces by means of a machining beam is - despite already great expense in terms of workpiece preparation, starting with the design of the component, the Abpressung, the logistics, to the clamping technology and the welding sequence or the actual joining - always an undefined, non-constant gap be present between the workpieces to be joined. This problem relates in particular to the high-strength steel materials, which are becoming increasingly widespread. High-strength steel materials are hardened during the forming process. In the subsequent joining stations, the gaps resulting from the positioning of the high-strength workpieces can not be eliminated despite very high contact forces. As a further aspect, the heat introduced into the components by the joining process, which leads to a thermal distortion, is aggravated. So it may be that components have a zero gap in the cold state and only during the heat input creates a gap, which is therefore invisible to production and therefore not compensated. In particular, the highly automated operation requires undefined column. In order to meet the increasing demands on quality, these must be recognized and corrected already in the joining process.

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. The prior art discloses methods and devices for joining (eg welding or soldering) workpieces (eg metal sheets) by means of a laser beam, in which a filler material in the form of a wire is brought to the weld seam to be produced, in particular, in order to be able to fill a gap gap between the two workpieces to be welded at the joining seam during welding with material. DE 196 10 242 A1 describes such a method in which the filler material is fed to the molten bath of the joint in the feed direction behind the laser beam. However, the use of additional wire involves long cycle times, which makes the process relatively slow. This in turn contradicts efficient mass production.

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. It is also known that a gap to be measured previously between two workpieces can be closed by adapting laser process parameters. DE 38 20 848 A1 and DE 38 44 727 C2 describe a method for joining workpieces by means of laser radiation, in which the height difference between the at the Joining joints adjacent edges of the two workpieces measured and the intensity of the laser radiation at the joint in response to this height difference is adjusted in such a way that the gap is closed either with filler metal to be melted by laser radiation or with molten material produced by reinforced material melting at the joint. The measurement of the height difference takes place here using a non-shielding plasma, which is briefly generated by the laser beam.

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. In particular, the increasing use of the material aluminum and press-hardened, high-strength steel materials in vehicle construction does not allow variation in the height of the gap formed between the workpieces to be joined, since the process window in aluminum itself is relatively small or because it is not technically possible for hardened materials into a defined - for the process - small gap situation to press.

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. The absorption rate of laser light from fiber-coupled laser sources moves at room temperature of the material aluminum between 1 and 2%; d. h., 98% of the laser power is reflected. Thus, to start the process, it is necessary to open a vapor capillary (keyhole) in which the absorption of the laser light increases abruptly to approximately 90%. At around 600 ° C, the melting point of aluminum is relatively low, so with the keyhole open, there is a risk that too much power will be introduced into the component. This allows the seam to sag on the underside of the component, which in turn corresponds to a component scrap. The process window is thus relatively small. Both in the case of fluctuations in the external process conditions and even small changes in the gap width (maximum 0.2 mm), the process window is suddenly reduced.

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. In addition, the aluminum material in the molten state, due to an oxide skin formed on the surface of the melt in contact with the air, is very pasty (i.e. doughy), the surface tension of which being decisive here. This pasty state impairs the flow of the material. It is therefore not sufficient, the processing beam more on the top sheet, d. H. Position the workpiece at the top of the overlap joint during joining, to generate sufficient volume of material. Due to the oxide skin, the molten aluminum will not flow to the bottom plate. So there are more measures to be taken, which affect the molten bath movement in itself to trigger a flow of molten, pasty aluminum in the gap. However, the process parameters necessarily to be adapted for this are multidimensionally dependent on each other.

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. There is thus a desire, particularly with regard to aluminum or high-strength steels, to use the high-performance laser remote technique (ie, the positioning of the machining or laser beam with highly dynamically driven deflecting mirrors), the gap height (ie the height of a between the two workpieces to be joined at the joint formed gap) continuously and to close by adjusting the process parameters of the gap reliably with molten material, these process parameters must be stored in a closed control model, which in a closed, autonomously acting system technology with suitable Dynamic properties is integrated.

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. The invention has for its object to provide a joining device by means of which two workpieces can be joined to a lap joint having a gap between the two workpieces with over the entire length of the overlap impact varying width or height, by means of a processing beam, wherein by adaptation of process parameters of the joining process should be influenced such that the gap formed at the overlap joint during the joining process along the entire overlap shock by need-based melting of the material is completely compensated. This adaptation of the process parameters for closing the gap should be made possible by the joining device dynamically, automatically and continuously during the entire welding process, wherein the formation of the weld for monitoring and, if necessary, correction of the process parameters used should be monitored.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen. The solution of this object is achieved by a device having the features according to protection claim 1; expedient embodiments of the invention are located in the subclaims.

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. According to the invention, a joining device is provided for joining a plurality of workpieces, in particular those made of the material aluminum or high-strength steel, to a lap joint by means of a machining beam. The workpieces to be joined can, for. B. sheet metal parts made of aluminum. The processing beam can z. B. be a laser beam; however, it may also be provided that the machining beam is generally a beam of electromagnetic radiation (eg an infrared beam), a particle beam (eg an electron beam) or a sound beam (eg in the form of directed ultrasound).

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. According to the invention, a compensation of the gap occurring at the overlap joint between two workpieces to be joined takes place during the joining by melting the material with the workpiece Machining beam from the top sheet, ie the sheet or workpiece arranged at the top during welding at the overlap joint (with respect to the perpendiculars), in such a way that the gap at the joint seam is completely filled with material by a downwards and / or inward flow of molten material , Thus, a straight seam (ie, prior to the beginning of the welding operation) having a larger gap at its center would thus have a small curvature after joining, the apex of the bend due to the melting of upper sheet material at the position of the largest gap occurs.

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. According to the task a joining device is provided, which has a so-called remote processing optics, d. h., The (eg optical) elements for guiding and focusing of the processing beam are designed such (movable) that a large processing distance between the processing optics and joining seam is made possible, in particular the movements of the processing beam (and thus also the movements of the machining beam on the workpiece surfaces produced focal spot) can be performed by individual movable, driven by actuators elements within the processing optics, so that a, the entire (possibly surrounded by a housing housed) processing optics unit, except for a possible feed motion, can be unmoved.

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. The targeted melting, in particular of the upper sheet, takes place by controlling the actuators integrated in the joining device for movement, power control and focusing of the machining beam based on an adaptation of process parameters based on a programmed process model which uses as input parameters the type of material (ie the material type) Gap height, the thickness of the workpieces and the positioning of the workpieces in space and relative to each other, at least the determination of the gap height and component edge position based on continuous measurements.

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. The invention provides to determine the gap height either directly, z. By means of a light-slit method, or indirectly by measuring the height positions (in the vertical direction with respect to a reference position, for example at the joining device) of the top portions adjacent to the lap joint (ie, those surface portions positioned at the top during the joining process) of the workpieces to be joined taking into account the sheet thickness of the upper sheet, d. H. of the workpiece lying at the top during the joining at the lap joint, the gap height is to be calculated.

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). Process parameters to be adapted for melting may be: the feed rate (ie the speed of relative movement between the machining beam and workpieces), spatial oscillation of the machining beam (ie, the focal spot on the weld metal reciprocates periodically), this oscillation being oscillated by a or more oscillation parameters, such as amplitude or frequency, the relative position of the focal spot with respect to the workpiece edge, the angle of incidence of the machining beam on the workpiece top and the power and the focus of the processing beam (ie, the size of the focal spot on the workpiece top side).

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. These process parameters can be adjusted individually or together purposefully and dynamically during the welding process; d. That is, the process parameters may be varied during welding depending on the conditions present during welding (and, for example, detected by the measurements).

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. The spatial oscillation (i.e., oscillation of the deflection) of the machining beam during the welding process may be longitudinal and / or transverse, but preferably transverse to the feed direction (i.e., the direction of relative movement between the machining beam and workpieces). For this purpose, the processing beam is deflected by means disposed within the processing optics, driven by actuators elements for beam deflection in at least one of the three spatial directions. For example, a deflection of a laser beam along or transverse to the feed direction can be caused by galvanometer scanner.

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. The molten bath and, if formed, the vapor capillaries are moved in the advancing direction along the joint of the two workpieces to be joined during the welding process, the vapor capillaries also being affected by the oscillation of the surrounding molten bath due to their oscillation caused by the active spatial focal spot positioning. An important factor that determines the oscillations is the material of the workpieces to be joined or the coatings applied to the workpieces.

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. As a result of the vibration oscillation of the vapor capillary and / or melt caused by radiation oscillation, a flow of the aluminum-containing (and oxide-coated) melt can be observed, depending on workpiece material, gap height at the lap joint and feed rate during welding. In particular, the oscillation parameters, such. B. Frequency, amplitude and waveform (eg. Sine, rectangle, triangle or sawtooth) as factors.

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. In addition, it can be provided that by means of movable, z. B. optical, elements in the remote processing optics of the joining device of the angle of incidence of the processing beam on the workpiece surface, the focal length and / or the collimation, and thus the focusing of the processing beam can be changed. This makes it possible to selectively adjust the size (i.e., the spatial extent) and the geometric shape of the focal spot on the workpiece surface, as well as the power density. The angular and focusing adjustment can be motorized, piezoelectric, hydraulically or pneumatically driven (in the axial beam direction).

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. The joining device according to the invention has a first sensor for detecting the position of the joint relative to the machining head and a second sensor, which is adapted to detect the distance between the upper and the lower plate (quantitatively) on. It may also be provided that the first sensor system for detecting the position of the joining joint and the second sensor system for determining the gap height are combined in a single sensor system. This sensor includes z. Example, a projector that can project at the joint in a range in the feed direction in front of the incident on the workpieces processing beam (ie the focal spot) a line of light perpendicular to the joint on the workpiece top sides, and a digital camera, for example based on CCD or CMOS Microchips designed and arranged so that with this camera images of the joint in the projected onto the workpiece surfaces light line at least in the wavelength range of the light emitted by the projector, but preferably in the visible, near infrared and infrared wavelength range with an image recording frequency of at least 50 Hz can be recorded.

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. Furthermore, the joining device according to the invention has an associated with the or the sensors evaluation and control unit, with the help u. a. an automated processing and evaluation of the measured data recorded with the sensors, the z. B. can include images taken with a camera, can be performed, wherein the evaluation and control unit is designed such that it can be operated by software. For example, the evaluation and control unit is a computer (PC) with interfaces for the connection to the sensor systems or a highly integrated control with so-called "embedded" software.

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. Furthermore, the evaluation and control unit comprises at least one (further) interface for connection to the remote processing optics of the joining device and the actuator for generating the feed movement over which the processing beam process parameters such as oscillation or focusing, and the feed rate can be controlled. It can also be provided that the evaluation and control unit has an interface for connection to a processing beam generating unit which generates the processing beam, for example for the purpose of power control.

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. The joining device can also be designed such that by means of one of the sensors the position of the workpieces, d. H. their respective rotation about the three rotational degrees of freedom, relative to the machining head is measurable. For a determination of the rotation of the workpieces to the vertical, the joining device can have an additional angular position sensor, for example arranged on the machining head.

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. A joining method which can be carried out with the joining device according to the invention with adaptive adaptation of the process parameters for the purpose of improving the weld quality during the joining of a first workpiece to a second workpiece at an overlapping joint having a joint gap by means of the above-described joining device is carried out as follows:
On the basis of a height determination of the joint gap between the first and second workpiece to be joined at the lap joint, the material (ie material) and a possible coating of the two workpieces to be joined and the welding feed speed to be applied, the process parameters to be set during the welding process are determined. This can preferably be done by the evaluation and control unit, after having manually entered the non-detectable by the sensors input parameters.

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. The height determination of the joint gap can be done, for example, by measuring the jump height of the overlap joint and then subtracting the (known) sheet thickness of the upper sheet. A height measurement of the jump height of the overlap shock can be done (automated) via laser triangulation. However, other methods for determining the height, such as, for example, optical coherence tomography or evaluation of the distortion of a light line projected via the overlap impact, can also be used.

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. In the next step, based on the materials, the gap height, the thickness of the workpieces and the positioning of the workpieces in space (ie relative to the remote processing optics of the joining device) and relative to one another the process parameters, e.g. Example, the oscillation parameters of the processing beam, the feed rate and the focal spot size determined. These parameters decisively affect the size of the molten bath and the molten bath flows. In particular, can be achieved by a targeted specification of the oscillation parameters of the machining beam that formed by a, for example, resonant, coupling the machining beam oscillations in the molten bath formed on the molten bath, the pasty, aluminum-containing melt from the upper sheet on the lower sheet and in between the upper sheet and the lower sheet Joint gap flows. The specified target process parameters may differ from the actual process parameters currently used in the joining process.

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. For controlling the actuators, z. B. in the remote processing optics, the joining device and the processing beam generation unit by means of the evaluation and control unit, a synchronization of the control signal specifications is necessary. So z. B. the power of the processing beam with a frequency of up to 8 kHz, or to the controller limit of the commercial processing beam sources, with the movement of the active scanner units, the autofocus, and the other position sensors coordinated with each other.

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. The definition of the desired process parameters according to the method can take place by means of the evaluation unit on the basis of a database (eg in the form of a so-called "look-up table"), in which the correspondingly applicable process parameters for a multiplicity of input parameter combinations, which e.g. , B. empirically determined, are deposited. This database can be kept in the evaluation and control unit so that the selection of the process parameters to be used can be automated by the evaluation and control unit.

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. However, the definition of the desired process parameters can also be done via an analytical function (which may also have been determined empirically, for example by curve fitting to data from extensive test series). It is likewise possible for the desired process parameters to be determined with the aid of a (complex) simulation model, which is automatically calculated in the evaluation and control unit.

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. Since, including the abovementioned process parameters, a large number of factors influencing the flow of the melt into the gap and the complete filling thereof are to be considered, a seam quality detection sensor system for real-time monitoring of the formed weld seam can be provided according to the invention following the joining process. Hereby, the formation of the joining seam formed by the joining process is monitored during the joining with the objective of a controlled weld formation and any necessary adaptation of the process parameters with a view to stabilizing and / or increasing the seam quality.

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. This weld seam observation and analysis carried out in the wake of the welding process thus serves to control and possibly readjust the process parameters. For this purpose, the weld seam is detected immediately (in the feed direction) behind the molten bath with the seam quality detection sensor and automates an analysis of the weld quality (eg with regard to the seam appearance on the seam upper side, the seam seam at the seam underside, the topographical properties of the mechanical load bearing capacity Seam and / or its tightness) performed. If the analysis yields z. B. an incomplete closed joint gap, an adjustment of the process parameters in the way is performed on the evaluation and control unit in such a way that the joint gap in the course of the welding process again completely closed with molten material, which is melted off the top sheet.

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. Weld seam observation and analysis can be performed simultaneously, i. H. be performed as one operation, or sequentially in the seam quality detection sensor. Alternatively, the detection of the weld can be made with the seam quality detection sensor and the analysis in the evaluation and control unit connected to the seam quality detection sensor.

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. The seam quality detection sensor may include a high speed camera that is also sensitive in the infrared range. The analysis can be carried out automatically by means of image processing software which scans the images taken by the camera of the weld in real time on characteristic defect images.

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. The advantage of the joining device according to the invention is that by a targeted adaptation of the process parameters (such as oscillation frequency or amplitude) continuously in real time formed at the overlap joint gap having a gap along the joint in a randomly changing gap height, can always be reliably closed. Since the process parameters to be applied are continually redetermined during the welding process based on the actual situation detected by the sensors, their adaptation can be done dynamically during the process, taking into account changing input parameters (such as Changes in position of the workpieces relative to each other at the weld) can also be reacted in real time.

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. The joining device according to the invention combines the measured value acquisition and the control of all necessary correcting variables in one device. The joining process can be completely automated, ie. H. no further external action is required. Only at the beginning of the welding process is the (manual) input of variables influencing the joining process, such as material composition of the workpieces or sheet thickness, necessary in, for example, the evaluation and control unit.

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. In addition, the weld seam trailing seam quality detection sensor technology enables an instantaneous correction of the target process parameters to be used, if the weld seam analysis results in a deteriorating weld seam quality, so that a consistently good quality of the weld seam is ensured.

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. By the joining device according to the invention, the effort in the parts preparation can be significantly reduced. Furthermore, the clamping device, which presses the workpieces to be joined together, can be simplified or the clamping device does not have to be adjusted with the usual accuracy in order to fix the workpieces with a constant, small gap or possibly even without gaps. This significantly reduces process times and saves costs.

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. It can be provided that the oscillation of the processing beam, i. H. the temporal waveform of the oscillation amplitude, the shape of a sine curve, a triangle (sawtooth), a rectangle or other higher-order function, to adjust the power distribution to the component conditions.

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. According to one embodiment, the joining device can be configured such that an evolutionary algorithm is implemented for a necessary correction of the desired process parameters recognized by the trailing seam quality detection sensor system. This evolutionary algorithm allows a (re-) combination of the input parameters or measured variables, preferably the gap height, with applicable process parameters based on good welding results. In this way, a learning system is created, whereby it is possible to react continuously to changing influences. The newly obtained parameter combinations can be stored, for example, permanently in a database stored in the evaluation and control unit or during the duration of the welding process in a memory area independent of the database. As a result of this unlimited flexibility of the method, the process parameters can be adjusted dynamically during the welding process, depending on the weld seam quality produced by welding.

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. It can also be provided that, during changes in the feed rate necessary during the welding process due to (external) process-related requirements, the process parameters (with the exception of the feed rate) are selected as a function of the changed feed rate, ie. that is, the feed rate is treated as an uncontrollable process parameter, while the remaining process parameters are adjusted during the welding process to a feed rate that changes as a result of external presets.

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. According to one embodiment, to improve the flow properties of an aluminum-containing melt and for the temporary removal of an oxide skin formed on the melt surface, a short-term pulse can be modulated onto the processing beam, i. H. the processing beam continuously emitted from the machining beam generating unit is amplified in a pulse-like manner (in power). In this case, it can be provided that the pulse impinges on the workpiece surface at the same point of action of the continuously emitted processing beam during the welding process, or that the processing beam is directed to a position on the workpiece surfaces for the duration of the pulse, which is in the immediate vicinity of the point of action for producing the weld seam , wherein the distance is preferably less than 4 mm.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. These show in a schematic representation of the

1 die erfindungsgemäße Fügevorrichtung im Querschnitt und den Überlappungsstoß im Längsschnitt; 1 the joining device according to the invention in cross section and the lap joint in longitudinal section;

2 den Überlappungsstoß im Querschnitt mit senkrecht dazu oszillierendem Bearbeitungsstrahl; und 2 the overlap joint in cross section with perpendicularly oscillating machining beam; and

3 die Intensitätsverteilung des senkrecht zum Überlappungsstoß oszillierenden Bearbeitungsstrahles im Brennfleck. 3 the intensity distribution of perpendicularly to the overlap shock oscillating processing beam in the focal spot.

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 v_s entlang des Fügestoßes bewegt wird. The joining device according to 1 is a laser beam welding apparatus with remote laser processing optics; the machining beam is thus a laser beam. The laser beam generation unit 1 generates the laser beam 2 that of the collimator unit movable along the beam axis 3 on the deflection units oscillating about their respective transverse axes 4a and to the deflection units oscillating about their longitudinal axis 4b collimated. The focusing unit 5 finally generated on the surface of the workpieces 6 (Top sheet) and 7 (Bottom plate) the laser focal spot 8th , which is moved with the feed speed v _s along the joint.

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. The projector 10 projected by means of the measuring light 11 on the workpiece surfaces a line of light perpendicular to the joint. The sensors 13 capture this line of light, with the sensor focusing unit 12 the sensor 13 can be upstream. The evaluation and control unit connected to the sensors 15 calculates from this the exact joining position, the position of the workpieces 6 and 7 to each other (or which of the two workpieces the upper sheet 6 is) and the height of the joint gap 16 between the workpieces 6 and 7 at the joint.

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. The seam quality detection sensor 18 generates a snapshot of the weld in the feed direction (x) immediately behind the focal spot 8th , These recordings are made by the evaluation and control unit 15 and, if there are signs of deteriorating weld quality, the process parameters are processed according to one in the evaluation and control unit 15 stored process model specifically adapted to the detected signs.

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. 2 shows one of the deflection units 4a the remote laser processing optics, the - of the evaluation and control unit 15 controlled - the laser beam 2 oscillate over the lap joint in the way that the top sheet 6 , which consists of the material aluminum, is melted, so that the molten bath 17 is formed. In addition, the oscillation parameters are regulated in such a way that at least part of the pasty melt bath 17 on the lower plate 7 flows down, it being the joint gap 16 closes.

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. In 3 is the intensity distribution of the laser focal spot generated on the workpiece surfaces 8th shown. The oscillations of the laser beam 2 (or the laser focal spot 8th ) are set so that the maximum I2 of the transverse to the joint of the laser beam 2 In the workpiece surfaces introduced intensity I on the top plate 6 lies. An additional local maximum I1 of intensity I lies on the lower plate 7 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Bearbeitungslaser laser processing
22: Laserstrahl laser beam
33: Kollimationseinheit collimation
4a4a: Ablenkungseinheit, um ihre Querachse oszillierend Deflection unit, oscillating about its transverse axis
4b4b: Ablenkungseinheit, um ihre Längsachse oszillierend Deflection unit, oscillating about its longitudinal axis
55: Fokussiereinheit focusing
66: Werkstück (Oberblech) Workpiece (upper sheet)
77: Werkstück (Unterblech) Workpiece (lower plate)
88th: Laserbrennfleck Laser focal spot
1010: Projektor projector
1111: Messlicht measuring light
1212: Sensor-Fokussiereinheit Sensor-focusing
1313: Sensor sensor
1515: Auswerte- und Regeleinheit Evaluation and control unit
1616: Spalt gap
1717: Schmelzbad melting bath
1818: Nahtqualitätserfassungs-Sensorik Seam quality detection sensor
v_s v _s: Vorschubgeschwindigkeit feed rate
II: Intensität intensity
xx: x-Richtung/Vorschubrichtung x-direction / direction of feed
yy: y-Richtung/Richtung quer zum Vorschub y-direction / direction across the feed
zz: z-Richtung/Lotrechte z-direction / plumb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19610242 A1 [0007]
DE 3820848 A1 [0008]
DE 3844727 C2 [0008]

Claims

Joining device for joining a first workpiece ( 6 ) with a second workpiece ( 7 ) at a lap joint by means of a processing beam ( 2 ), comprising a processing beam generating unit ( 1 ), a remote processing optics with scanner devices ( 4a . 4b ) in the form of highly dynamically driven, active deflection units for guiding and executing a defined by Oszillationsparameter, spatially oscillating movement of the processing beam ( 2 ) on the surface of the first ( 6 ) and / or the second ( 7 ) of the workpieces to be joined and at least partially movable optical elements ( 3 . 5 ) for focusing the processing beam ( 2 ) on the surface of the first ( 6 ) and / or the second ( 7 ) of the workpieces to be joined, a seam guide sensor system, a sensor system for determining height positions with respect to the vertical on one each to a by the processing beam ( 2 ) processing position to be machined at the lap joint adjacent surface portion of the first ( 6 ) and the second ( 7 ) Workpiece, and one with the sensors, the processing beam generating unit ( 1 ) and the remote processing optics connected evaluation and control unit ( 15 ) configured such that, based on a gap determined from the height positions ( 16 ) between the first ( 6 ) and the second ( 7 ) Workpiece at the lap joint the remote processing optics and the machining beam generating unit ( 1 ) are controllable, wherein during the joining at least one oscillation parameter of the oscillating movement of the machining beam ( 2 ) of the evaluation and control unit ( 15 ) is determinable such that the oscillations of the processing beam ( 2 ) in on the surface of the molten bath ( 17 ) coupled melt waves, so that molten material from the molten bath ( 17 ) at the machining position in the at the lap joint between the two workpieces ( 6 . 7 ) formed gap ( 16 ) flows.

Joining device according to claim 1, characterized in that the sensor system for determining height positions comprises a camera and a projector for projecting at least one measuring line onto the surface of the first (FIG. 6 ) and second ( 7 ) of the workpieces to be joined, wherein the sensor system is designed such that a distortion of the projected measurement line can be detected via the camera and the distortion of the measurement line with respect to a determination of the height positions of the upper side sections of the first (FIG. 6 ) and the second ( 7 ) Workpiece is evaluable.

Joining device according to claim 1, characterized in that the sensor system for determining height positions comprises at least one laser light emitter and at least one laser light detector, wherein the sensor system is designed such that for a plurality of measuring positions on the top side sections of the first ( 6 ) and the second ( 7 ) Workpiece a term of a laser light emitted by the laser light emitter in the direction of the respective measuring position and detected by the laser light detector detectable and determined from differences in transit time, the orientation of the top sections in space and the height difference of adjacent to the processing position top portions of the first ( 6 ) and the second ( 7 ) Workpiece is determinable.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation and control unit ( 15 ) is designed such that from her oscillation parameters of the oscillating movement of the processing beam ( 2 ), a feed rate (v _s ), a power of the processing beam ( 2 ), Oscillations of the power of the machining beam ( 2 ), an angle of the beam axis of the machining beam ( 2 ) in relation to the perpendicular (z), a geometric shape and a size of a focal spot ( 8th ) of the processing beam ( 2 ) are controllable on the workpiece surfaces.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation and control unit ( 15 ) has a programmed process model, by means of which the determination of the oscillation parameters is based on at least one material composition of the workpieces to be joined ( 6 . 7 ), a height of the gap ( 17 ), the thicknesses of the workpieces ( 6 . 7 ) and a positioning of the workpieces ( 6 . 7 ) in space and relative to each other is feasible.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that the of the evaluation and control unit ( 15 ) adjustable oscillation parameters an amplitude of the spatial oscillation of the processing beam ( 2 ) and / or an oscillation frequency and / or an oscillation form.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that in the evaluation and control unit ( 15 ) a database for a plurality of values for input parameters, comprising a material composition of the workpieces to be joined ( 6 . 7 ), a gap height, a workpiece thickness, a positioning of the workpieces ( 6 . 7 ) relative to each other and / or fixed by six degrees of freedom positioning of the workpieces ( 6 . 7 ) in the room, and combinations of these are each assigned default values for the process parameters.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that the joining device angle sensors for determining a tilt of the upper sides of the first ( 6 ) and or second ( 7 ) Workpiece each relative to a processing head comprising the remote processing optics of the joining device.

Joining device according to one of the preceding claims, characterized in that the joining device a with the evaluation and control unit ( 15 ) connected seam quality detection sensor ( 18 ), with which the weld seam in the feed direction (x) immediately after the molten pool can be detected in real time, wherein the evaluation and control unit ( 15 ) is designed such that a deteriorating quality can be compensated by adjusting one or more process parameters.