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Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, die insbesondere für das Fügen von Aluminium- oder Stahlblechen im Karosseriebau geeignet ist.
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Insbesondere dort, wo Werkstücke mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler Schweißnahtform und geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen, wird das Laserstrahlschweißen angewendet. Die zu fügenden Werkstücke werden z. B. mittels dafür vorgesehener Aufnahme- bzw. Fixiervorrichtungen in der jeweils gewünschten Positionierung fixiert und dann mittels Laserstrahlschweißens miteinander verbunden.
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Gemäß dem Stand der Technik ist bislang, insbesondere im Bau von automobilen Karosserien (im sogenannten Rohbau), beim Schweißen am Überlappstoß die I-Naht die vorherrschende Nahtform. Hierzu werden hauptsächlich Punktschweißungen unter Erzeugung der I-Nähte durchgeführt. Beispielsweise wird eine Punktschweißzange an die Werkstücke herangeführt und geschlossen; sodann wird der Schweißprozess ausgeführt.
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Ein wesentlicher verfahrenstechnischer Nachteil der I-Naht am Überlappstoß ist, dass, da der obere Fügepartner durchschweißt werden muss, um an die eigentliche Fügezone zu gelangen, ein höherer Leistungseintrag notwendig ist als bei einer Kehlnaht, an welcher der Bearbeitungsstrahl unmittelbar an der Fügezone positioniert wird. Da zudem die zwischen den Fügepartnern ausgebildete I-Naht nach dem Fügeprozess nicht sichtbar ist, wird in der Regel der Prozess so eingestellt, dass sicher durch das Oberblech durchgeschweißt wird und auf der Rückseite des Unterblechs die Leistungseinbringung bewertet werden kann.
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Trotz einer derartigen Prozesseinstellung kann es vorkommen, dass kein tragender Querschnitt zwischen den Fügepartnern ausgebildet ist. So kann es leicht zu sogenannten „falschen Freunden“ kommen, bei welchen sich die Naht zwar an der Ober- und der Unterseite des Bauteiles gut abzeichnet, zwischen den beiden Blechen aber trotzdem keine Verbindung ausgebildet ist. Die Ursache hierfür ist in der Regel ein Spalt zwischen den Fügepartnern. Dadurch ist es schwierig, eine stets homogene Fügeverbindung zwischen den Blechen zu erreichen, weil der qualitätsbestimmende Spalt zwischen den Bauteilen vor oder während des Prozesses unentdeckt bleibt. Insbesondere Aluminium-Legierungen, die neben den Stahlwerkstoffen zunehmend im Rohbau verwendet werden, können aufgrund ihrer Neigung zu Schmelzbadinstabilitäten (AL5xxxx) bzw. zu Heißrissen (AL6xxx) zurzeit nur mit Sonder-Widerstandspunktschweißzangen gefügt werden, da das Unterblech nicht durchgeschweißt, sondern nur gezielt eingeschweißt werden darf.
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Aufgrund der beim Laserschweißen verwendeten hohen Lichtintensitäten werden Laserschweißvorrichtungen in der Regel in einer separaten Sicherheitskabine betrieben, welche ein Abschirmen der Umgebung vor der Laserstrahlung gewährleistet. Solche Sicherheitskabinen erhöhen jedoch, da sie in der Regel die gesamte Laserbearbeitungsvorrichtung umhausen, den Platzbedarf einer solchen Vorrichtung und der Betrieb der Kabinen ist aufwendig und kostenintensiv.
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Die
EP 2 149 421 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wobei der Laserstrahl eines Faserlasers mittels eines in einem Gehäuse angeordneten Kollimators fokussiert wird. Der Kollimator ist mittels eines Linearantriebs parallel zu einem Austrittsschlitz, der in einem Druckabschnitt bzw. Druckstück des Gehäuses vorgesehen ist, derart verfahrbar, dass der Laserstrahl durch den Austrittsschlitz hindurch aus dem Gehäuse austreten kann und eine geradlinigen Schweißnaht auf einem Werkstück erzeugen kann, das zwischen dem Druckstück des Gehäuses und einem zweiten Druckstück fixiert ist.
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Die beschriebene Linearführung ermöglicht jedoch lediglich eine geradlinige Strahlführung, sodass z. B. zum Erzeugen gekrümmter Schweißnähte ein wiederholtes Umpositionieren der zu schweißenden Werkstücke und somit ein entsprechend hoher Zeitaufwand erforderlich ist. Des Weiteren ist die Vorschubgeschwindigkeit des Laserprozesses durch den Linearantrieb vorgegeben und z. B. aufgrund der mechanischen Stabilität des Kollimatorsystems begrenzt, wobei solche Kollimatoren in der Regel sensible optische Komponenten aufweisen und daher z. B. keinen allzu hohen Beschleunigungen ausgesetzt werden sollten.
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Des Weiteren geht die
EP 2 149 421 A1 nicht auf die Form bzw. Gestalt der zu bearbeitenden Werkstücke ein; z. B. berücksichtigen die beschriebene Vorrichtung bzw. die zugehörigen Druckstücke nicht, dass die Form der zu fixierenden Werkstücke variieren kann und/oder Werkstücke mit einer unregelmäßigen (z. B. nicht planparallelen, sondern etwa dreidimensional gewölbten oder gestuften) Form zu bearbeiten sein können. Beim Bearbeiten von Werkstücken mit einer solchen unregelmäßigen Gestalt kann es z. B. vorkommen, dass der Austrittsschlitz des Gehäuses nicht vollständig von dem Werkstück abgedeckt werden kann und somit Laserstrahlung an dem Werkstück vorbei aus dem Gehäuse austreten und etwa Personen treffen kann.
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Die
DE 10 2008 041 774 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen mit einem einzigen beweglichen Anpresselement, das in eine Halterung eines Laserbearbeitungskopfs integriert ist, und einer fest eingestellten Optik zum Formen des Laserstrahls. Die
DE 100 59 246 A1 beschreibt ein Laser-Materialbearbeitungsgerät mit einer Einrichtung zum Führen eines Laserstrahls und einem Abdichtelement, das den Laserstrahl umgibt.
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Es besteht somit, speziell im Hinblick auf Aluminium oder hochfeste Stähle, der Wunsch, Überlappstöße mit der Festigkeit von I-Nähten und der (im Vergleich zu I-Nähten) weniger aufwendigen Prozessführung bei Kehlnähten zu verbinden, wobei die Spalthöhe (d. h. die Höhe eines zwischen den zu fügenden Werkstücken am Fügestoß ausgebildeten Spaltes) kontinuierlich zu messen und die Prozessparameter entsprechend dynamisch anzupassen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken (z. B. Blechen) mittels eines Laserstrahls bereitzustellen, die ein Laserbearbeiten von Werkstücken unterschiedlicher Geometrien bzw. Formen mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit unter der Erzeugung von Kehlnähten an vorgegebenen, flanschfernen Positionen ermöglicht und gleichzeitig ein Austreten von Laserstrahlung zuverlässig unterbindet.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Schutzanspruch 1; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß der Erfindung wird eine Laserschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken (z. B. Blechen aus verzinktem Stahl) mittels eines Laserstrahls bereitgestellt, wobei die Laserschweißvorrichtung eine Scanneroptik zum Führen des Laserstrahls (in Richtung zu den Werkstücken hin und auf den Oberflächen der Werkstücke in mindestens einer Richtung) und mehrere Andruckelemente, die während des Fügeprozesses zum Fixieren der Werkstücke entlang einer entsprechenden Andruckrichtung auf zumindest eines der zu fügenden Werkstücke gepresst bzw. gedrückt werden, aufweist. Des Weiteren weist die Laserschweißvorrichtung ein (z. B. mehrteiliges) Gehäuse auf, das die Scanneroptik und den von der Scanneroptik zu den Werkstücken hin verlaufenden Laserstrahl (zumindest teilweise oder auch vollständig) umhaust. Die Andruckelemente bilden einen Teil des Gehäuses und sind relativ zu dem übrigen Gehäuse mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad – aktiv und/oder passiv – bewegbar. Zum Beispiel kann ein jeweiliges der Andruckelemente an dem übrigen Gehäuse (dem „Restgehäuse“) bewegbar gelagert sein, d. h. bewegbar mit dem Restgehäuse verbunden sein.
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Das Gehäuse ist zu dem oder den Werkstücken hin offen und umhaust – wenn die Andruckelemente als Teil des Gehäuses auf dem bzw. den Werkstücken aufsitzen – zusammen mit dem oder den Werkstücken den Laserstrahl vollständig, wobei dann das oder die Werkstücke sozusagen die Öffnung des Gehäuses schließen.
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Die Andruckelemente werden – zum Fixieren der Werkstücke – entlang einer entsprechenden Andruckrichtung (d. h. der Richtung des von einem Andruckelement beim Fixieren des Werkstücks ausgeübten Drucks) auf zumindest eines der Werkstücke gepresst, wobei die Werkstücke z. B. zwischen einem jeweiligen der Andruckelemente und einem entsprechenden Widerlager (z. B. einem weiteren Andruckelement) eingeklemmt und somit fixiert werden.
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Indem die Andruckelemente relativ zu dem Restgehäuse bewegbar gelagert sind, kann das zuverlässige Fixieren von Werkstücken mit unterschiedlichen dreidimensionalen Formen bei gleichzeitigem lichtdichten Abschließen des Gehäuses ermöglicht werden.
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Um eine Gefährdung von Personen auszuschließen, kann vorgesehen sein, das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls mit dem Aufsitzen und Anheben der Andruckelemente zu synchronisieren; d. h., der Laser wird erst eingeschaltet, wenn oder (kurz) nachdem die Andruckelemente auf dem Blech aufgesetzt, und abgeschaltet, wenn oder (kurz) bevor die Andruckelemente wieder angehoben werden. Ein solches synchronisiertes Schalten des Lasers kann automatisch über geeignete Schalter bzw. Sensoren erfolgen.
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Bevorzugt wird von innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses angeordneten, in einen Sicherheitskreis integrierten Sensoren die Intensität von (z. B. an den Werkstücken) gestreuter Laserstrahlung detektiert. Die Streustrahlungs-Intensität kann elektronisch erfasst und ausgewertet werden, wobei bei Überschreiten eines Grenzwertes Alarm ausgelöst und/oder der Fügeprozess unterbrochen werden kann.
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Der Laserstrahl kann von einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Laser oder von einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Laser erzeugt und mittels lichtleitender optischer Elemente (z. B. Lichtleitfasern, Spiegel, Linsen etc.) in das Gehäuse zu der Scanneroptik geführt werden, wobei die lichtleitenden Elemente und die Strahlführung von dem Laser zu der Scanneroptik bevorzugt lichtdicht ummantelt sind.
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Die Scanneroptik weist mindestens einen (z. B. mittels eines Galvanometer-Antriebs) schwenkbar angeordneten Scanner- bzw. Ablenkspiegel zum Führen bzw. Umpositionieren des Laserstrahls (bzw. der Fokusposition des Laserstrahls) auf. Da solche Ablenkspiegel relativ klein gehalten sein können und somit in der Regel ein geringes Massenträgheitsmoment aufweisen, ermöglichen sie ein schnelles Umpositionieren zu einer anderen Drehwinkelposition und somit ein schnelles Umpositionieren des Laserstrahls. Des Weiteren kann die Scanneroptik auch zwei Scannerspiegel aufweisen, die um senkrecht zueinander verlaufende (Galvanometer-)Achsen schwenkbar sind, sodass der Laserstrahl durch Reflexion an den Spiegeln und entsprechendes Ändern der Drehwinkelposition der Spiegel zweidimensional geführt werden kann, wobei z. B. gekrümmte Schweißnähte zeiteffektiv ohne ein Umpositionieren der zu bearbeitenden Werkstücke erzeugt werden können.
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Die Scanneroptik kann weiterhin eine Fokussiervorrichtung zum Einstellen der Fokusposition des Laserstrahls aufweisen.
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Außerdem ist eine Kantenerfassungssensorik innerhalb des Gehäuses angeordnet, mittels welcher Stufen bzw. Kanten (z. B. von in das Blech eingebrachten Ausnehmungen) zumindest auf der Oberfläche des Oberblechs erfassbar sind. Diese Sensorik kann einen Lichtprojektor, der eine Lichtlinie auf die Werkstückoberfläche projizieren kann, und einen Lichtdetektor, mit dem eine Lichtreflektion der projizierten Lichtlinie von der Oberfläche erfassbar ist, umfassen, d. h. die Kantenerfassungssensorik arbeitet nach dem Lichtschnittverfahren, welches lineare Formen erfassen kann. Die Kantenerfassungssensorik kann auch eine Kamera, z. B. eine digitale Kamera basierend auf CCD- oder CMOS-Mikrochips, umfassen, die zumindest einen Ausschnitt der Werkstückoberflächen im Bereich der zu erstellenden Fügenaht erfassen kann. Ebenso kann die Kantenerfassungssensorik Laseremitter und (ortsauflösende) Lichtdetektoren für eine Triangulation umfassen, oder auf gescannten Abstandsmessverfahren (Optische Kohärenztomografie – OCT) basieren.
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Ferner weist die Fügevorrichtung eine mit der Kantenerfassungssensorik verbundene Auswerte- und Steuereinheit auf, mit deren Hilfe u. a. eine automatisierte Bearbeitung und Auswertung der mit der Sensorik erfassten Messdaten, z. B. mit einer Kamera aufgenommene Bilder, durchgeführt werden können, wobei die Auswerte- und Steuereinheit frei programmierbar ist. Beispielsweise ist die Auswerte- und Steuereinheit ein Computer (z. B. ein Einplatinen-PC) mit zur Anbindung an die Sensorik ausgestatteten Schnittstellen oder eine hochintegrierte Steuerung mit sog. „embedded“ (englisch für „eingebettet“) Software.
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Die Auswerte- und Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Graubildauswertung von mit einer Kamera erfassten Bildern der Werkstückoberflächen zur Erkennung von Mustern, z. B. in das Oberblech eingebrachte Ausnehmungen, durchzuführen.
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Die Auswerte- und Steuereinheit weist mindestens eine (weitere) Schnittstelle zur Anbindung an die Scanneroptik der Fügevorrichtung und den Aktor zur Erzeugung der Vorschubbewegung auf, über die den Laserstrahl betreffende Prozessparameter, wie Oszillation oder Fokussierung, und die Vorschubgeschwindigkeit regelbar sind.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Steuereinheit eine Schnittstelle zur Anbindung an den Laser aufweist, beispielsweise zum Zwecke der Laserleistungsregelung.
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Die Auswerte- und Steuereinheit ist durch ihre Anbindung an die Scanneroptik eingerichtet, den Laserstrahl exakt auf der Werkstückoberfläche zu positionieren bzw. entlang der mit Hilfe der Kantenerfassungssensorik erkannten Muster zu führen. So kann beispielsweise entlang einer Kante einer in das Oberblech eingebrachten Ausnehmung eine Kehlnaht gesetzt werden, wobei die Höhe eines zwischen Ober- und Unterblech an der Ausnehmungskante gebildeten Spaltes durch Anpassung der Prozessparameter zuverlässig schließbar ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist, dass in das Oberblech eingebrachte Ausnehmungen erkannt und dadurch die Fügepartner mittels entlang der Ausnehmungskanten angebrachten Kehlnahtverbindung gefügt werden können. Damit werden auch Mehrblechverbindungen sicher mit der vorgesehenen Nahtlänge schweißbar. Die Prozessführung wird sicherer, schneller und ggf. sauberer. Gleichzeitig können bekannte Verfahren zur Spaltüberbrückung und Verfahren zur Vermessung der Nahtgeometrie zur Qualitätssicherung genutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eines der Andruckelemente um eine (im Wesentlichen) senkrecht zu der Andruckrichtung verlaufende Achse schwenkbar bzw. verkippbar an dem übrigen Gehäuse gelagert, sodass das jeweilige Andruckelement beim Andrücken unter Ausnutzung dieses mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrades entsprechend der Oberflächenform des zu fixierenden Werkstücks orientiert wird, sodass ein lückenloses Aufsitzen des Andruckelements auf dem Werkstück resultiert.
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Zum Beispiel kann – wenn ein Andruckelement mit einem geradlinigen bzw. ebenen Andruckabschnitt verwendet wird und das einzuspannende bzw. zu fixierende Werkstück eine keilförmige Gestalt aufweist – das Andruckelement beim Aufsetzen auf das Werkstück um den Öffnungswinkel des keilförmigen Werkstücks verkippen, sodass der Andruckabschnitt des Andruckelements plan auf der Keiloberfläche aufliegt und somit kein Laserlicht zwischen dem Andruckelement und dem Werkstück hindurchtreten kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, ein Andruckelement – z. B. mittels einer Kugelkalotte – um mehrere Achsen bzw. um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar bzw. verkippbar zu lagern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eines der Andruckelemente entlang der Andruckrichtung (relativ zu dem übrigen Gehäuse) bewegbar, z. B. verfahrbar, an dem übrigen Gehäuse gelagert bzw. angebracht.
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Zum Beispiel können mehrere entlang der Andruckrichtung verfahrbare Andruckelemente vorgesehen sein, wobei z. B. – beim Einspannen eines stufenförmigen Werkstücks – jedes der Andruckelemente mit seinem Andruckabschnitt auf eine einer jeweiligen Stufe des Werkstücks entsprechende Höhe verfahren werden kann, sodass ein lichtdichtes Einspannen eines solchen gestuften Werkstücks möglich ist.
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Zum Beispiel kann ein solches Andruckelement entlang der Andruckrichtung – aktiv und/oder passiv – in das Restgehäuse (d. h. in das übrige Gehäuse) einfahrbar bzw. in Richtung zu einem zu fixierenden Werkstück hin ausfahrbar sein. Es kann z. B. vorgesehen sein, das Andruckelement mittels Federn (etwa Spiralfedern oder pneumatischer Federn) passiv bewegbar an dem übrigen Gehäuse derart anzubringen, dass beim Aufsetzen des Andruckelements auf ein Werkstück ein Abfedern der Aufsetzbewegung erfolgt.
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Ferner kann ein solches Andruckelement – z. B. mittels elektromotorischer oder hydraulischer Aktoren – aktiv bewegbar an dem übrigen Gehäuse z. B. derart angeordnet sein, dass es unabhängig von einer Bewegung des übrigen Gehäuses an die Werkstücke heranbewegt und von diesen weg bewegt werden kann. Dies ist z. B. vorteilhaft, da für einen Positionswechsel der Vorrichtung oder für ein Nachführen der zu fügenden Werkstücke nicht zwingend das gesamte Gehäuse, sondern lediglich die als Andruckelement dienenden Gehäuseteile mittels der Aktoren etwas von dem Werkstück abgehoben werden brauchen. Zudem ist eine Erkennung von Unregelmäßigkeiten am Werkstück oder der Vorrichtung (z. B. an den Andruckelementen) möglich, z. B. indem die Abweichung der angefahrenen Position von einer Sollposition ermittelt wird. Fehler wie Schweißperlen auf dem Werkstück, unzulässige Welligkeit der Bleche oder fehlerhafte Blechdicken können somit erkannt werden.
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Ferner kann durch entsprechende Aktoren sichergestellt werden, dass die Andruckelemente mit einer definierten Andruckkraft an den Blechen anliegen, z. B. indem die Position und der Anpressdruck der Elemente über eine Motorstromauswertung ermittelt und überwacht werden. Auf die gleiche Weise kann die für das Öffnen der Andruckelemente notwendige Kraft gemessen werden, womit z. B. Anhaftungen der Andruckelemente am Werkstück detektiert und Beschädigungen der Vorrichtung vermieden werden können.
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Des Weiteren können mit der Auswerte- und Steuereinheit verbundene Abstands- oder Positionssensoren, z. B. eine kapazitive Sensorik und/oder eine Ultraschallsensorik, zur Überwachnung der Positionierung bzw. Bewegung der Andruckelemente vorgesehen sein. Diese Sensoren können in die Andruckelemente integriert oder an ihnen befestigt sein. Somit ist es ermöglicht, über die aufgesetzten Andruckelemente den Abstand der zu fügenden Werkstücke zueinander, deren Dicke und einen Spalt zwischen den Werkstücken zu bestimmen. Es kann ferner vorgesehen sein, die Andruckelemente derart anzusteuern, dass ein vorgegebener Spalt zwischen den Fügepartnern eingestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eines der Andruckelemente einen Andruckabschnitt aus einem flexiblen (d. h. elastisch verformbaren) Material auf.
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Gemäß dieser Ausführung kann z. B. der Andruckabschnitt (d. h. derjenige Abschnitt des Andruckelements, der beim Fixieren eines Werkstücks mit demselben in Kontakt steht) bzw. die Stirnseite des Andruckelements ein Dichtelement aus einem flexiblen (und z. B. hitzebeständigen) Material aufweisen bzw. aus einem flexiblen Material bestehen. Es kann auch vorgesehen sein, das gesamte Andruckelement aus einem flexiblen Material auszubilden. Somit kann sich das Andruckelement (bzw. dessen Form) beim Andrücken an ein Werkstück der Oberflächenform des Werkstücks anpassen und es kann ein lichtdichter Abschluss zwischen Andruckelement und Werkstück ermöglicht werden; außerdem kann ein solches flexibles Material das Entstehen von Druckmarken auf dem Werkstück unterbinden.
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Die oben beschriebenen Merkmale der Andruckelemente – das Schwenken bzw. Verkippen, das geradlinige Verfahren und die elastische Verformung – sind auch beliebig kombinierbar, wobei z. B. mittels eines schwenkbar und (geradlinig) verfahrbar an dem Restgehäuse angeordneten Andruckelements, das einen flexiblen Andruckabschnitt aufweist, zuverlässig ein lichtdichter Abschluss zwischen einem Werkstück und dem Andruckelement realisiert werden kann.
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Da das Gehäuse mehrere Andruckelemente aufweist, die jeweils einen Teil des Gehäuses zum Abschirmen der Laserstrahlung bilden und (z. B. jeweils separat) relativ zu dem übrigen Gehäuse mit jeweils mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad bewegbar sind, kann für jedes der Elemente einer oder mehrere der oben beschriebenen Freiheitsgrade vorgesehen sein.
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Wie oben am Beispiel eines stufenförmigen Werkstücks erläutert, kann damit zuverlässig ein Fixieren von unregelmäßig geformten dreidimensionalen Werkstücken bei gleichzeitigem lichtdichten Abschluss zwischen den Andruckelementen und der jeweiligen Werkstückoberfläche realisiert werden, z. B. indem jedes der Andruckelemente lediglich eine in guter Näherung als eben anzusehende Teilfläche der Werkstückoberfläche kontaktiert und nicht die gesamte unregelmäßig geformte (z. B. bogenförmig gewölbte) Werkstückoberfläche abdecken muss.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserschweißvorrichtung als Zange (im Folgenden auch als „Schweißzange“ bezeichnet) ausgebildet, wobei das Gehäuse mit den mehreren Andruckelementen einen Schenkel der Schweißzange und ein Träger mit mindestens einem weiteren Andruckelement den zweiten Schenkel der Schweißzange bildet. Das bzw. die an dem Träger ausgebildeten Andruckelemente können analog zu den oben beschriebenen Konfigurationen relativ zu dem Träger mit mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad (aktiv und/oder passiv) bewegbar sein.
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Es kann – z. B. für das Anfertigen kurzer oder unterbrochener Schweißnähte – vorgesehen sein, die Andruckelemente an den beiden Schenkeln der Schweißzange synchronisiert zu öffnen und zu schließen, wobei die gesamte Vorrichtung (oder die zu fügenden Werkstücke) vor dem erneuten Schließen der Andruckelemente, z. B. um den Betrag der zuvor erzeugten Naht, in Vorschubrichtung versetzt wird. Der Bearbeitungslaser kann entsprechend synchronisiert an- und abgeschaltet werden, sodass ein Austreten des Laserstrahls bei geöffneter Schweißzange vermieden wird.
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Es kann auch – z. B. für das Anfertigen langer unterbrechungsfreier Schweißnähte – vorgesehen sein, beim Fügeprozess über die Andruckelemente Ultraschallimpulse derart in das Werkstück einzuleiten, dass sich die Vorrichtung (bzw. die zu fügenden Werkstücke) trotz der auf dem Werkstück aufsitzenden Andruckelemente leicht verschieben lässt; ein (aktives) Öffnen und Schließen der Andruckelemente oder ein Unterbrechen des Fügevorgangs ist kann somit entfallen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Werkstücke mittels ineinander liegender Andruckelemente fixiert werden, wobei z. B. jedes Gehäuse bzw. jeder Schenkel einer entsprechenden Schweißzange ein äußeres Andruckelement und ein von demselben umgebenes inneres Andruckelement aufweist, wobei diese beiden Andruckelemente sozusagen ineinander verschachtelt sind. Gemäß dieser Konfiguration liegt z. B. beim Fügeprozess eines der Andruckelemente am Werkstück an und wird zusammen mit dem von ihm fixierten Werkstück entgegen der Vorschubrichtung des Laserprozesses synchron mit demselben verfahren, während das andere Andruckelement vom Werkstück angehoben ist und in Vorschubrichtung des Laserprozesses bewegt wird, wobei die Vorschubgeschwindigkeit dieses Andruckelementes größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit des Laserprozesses. Wenn oder (kurz) bevor das am Werkstück anliegende Andruckelement seine vorgegebene Endposition erreicht, wird das bislang angehobene Andruckelement auf das Werkstück aufgesetzt und nun zusammen mit demselben entgegen der Vorschubrichtung des Laserprozesses synchron mit demselben verfahren, wohingegen das bislang auf dem Werkstück aufsitzende Andruckelement angehoben und in Vorschubrichtung bewegt wird. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Vorschub der Vorrichtung bzw. der Werkstücke und ein unterbrechungsfreies Fügen von langen Nähten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 und 2 veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1: eine geschlossene Schweißzange mit in Andruckrichtung verfahrbaren Andruckelementen; und
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2: eine Schweißzange gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form einer Schweißzange 1 ausgeführte Laserschweißvorrichtung beim Fügen zweier Werkstücke 3, 5 mittels des Laserstrahls 7, welcher mittels der Scanneroptik 9 geführt bzw. positioniert wird. Die Schweißzange 1 weist zwei an dem oberen Schenkel 11 der Zange angeordnete obere Andruckelemente 13, 15 und zwei an dem Träger 17 des unteren Schenkels 19 angeordnete untere Andruckelemente 21, 23 auf. Die Schenkel 11, 19 sind schwenkbar mit der Führungseinheit 25 verbunden und pressen über die Andruckelemente 13, 15, 21, 23 die zu fügenden Werkstücke 3, 5 – hier in Form von Blechen – aneinander. Der obere Schenkel 11 bildet ein Gehäuse 27, das die Scanneroptik 9 und den von der Scanneroptik 9 zu den Werkstücken 3, 5 hin verlaufenden Laserstrahl 7 umhaust. Die oberen Andruckelemente 13, 15 bilden einen Teil des Gehäuses 27 und sind – hier als Beispiel mittels elektromotorischer Aktoren 35, 37 – im Wesentlichen entlang der Andruckrichtung relativ zu dem übrigen Gehäuse bzw. Restgehäuse 29 verfahrbar an dem Restgehäuse 29 angebracht. Die unteren Andruckelemente 21, 23 sind auf analoge Weise mittels Aktoren 39, 41 verfahrbar an dem Träger 17 angebracht, sodass alle Andruckelemente 13, 15, 21, 23 unabhängig von der Andruckbewegung der Schenkel 11, 19 an die Bleche 3, 5 gedrückt bzw. von denselben losgelöst werden können.
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Die Andruckelemente 15 und 21 umfassen jeweils einen Positionssensor 53, mittels derer die Positionierung der Andruckelemente 15, 21 relativ zueinander bzw. relativ zu den Werkstücken 3 und 5 bestimmbar ist.
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Gemäß 1 ist das obere Werkstück 3 ein stufenförmiges Blech, d. h. weist Abschnitte unterschiedlicher Blechdicke auf, wobei im Bereich einer zu erstellenden Kehlnaht eine Ausnehmung in das Werkstück 3 eingebracht ist. Indem die oberen Andruckelemente 13, 15 (separat voneinander) verfahrbar sind, können sie bis auf die Höhe des jeweiligen Blechabschnitts abgesenkt werden und somit (zusammen mit dem Werkstück 3) das Gehäuse 27 lichtdicht abschließen. Durch Rückkopplung mit den Positionssensoren 53 können die beiden Werkstücke 3, 5 derart zueinander justiert werden, dass zwischen ihnen ein (Entgasungs-)Spalt verbleibt.
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Die Kantenerfassungssensorik 51, hier bestehend aus einem Lichtprojektor und Lichtschnittsensoren, detektiert Muster, namentlich Ausnehmungen, auf der Oberfläche des Werkstücks 3. Die Auswerte- und Steuereinheit 55 ist mit der Kantenerfassungssensorik 51, den Streulichtsensoren 43, 45 und dem Pyrometer 47 verbunden, um die von diesen Sensoren erfassten Messdaten auszuwerten. Die Auswerte- und Steuereinheit 55 ist auch mit der Scanneroptik 9, der Lasersteuereinheit L und den Aktoren 35, 37, 39, 41 verbunden, um den Fügeprozess zu steuern.
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Der Laserstrahl 7 wird von dem Bearbeitungslaser 31 erzeugt und – über die Linsen und Spiegel der Scanneroptik 9 durch das Gehäuse 27 verlaufend – mittels des bewegbaren Scannerspiegels 33, der schwenkbar an einer Achse 49 eines Galvanometerantriebs (nicht dargestellt) angebracht ist, über die Oberfläche des oberen Werkstücks 3 geführt.
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Über die Streulichtsensoren 43 wird das von den Werkstücken 3, 5 in die Scanneroptik 9 reflektierte Laserlicht und über den Streulichtsensor 45 das durch einen eventuellen Spalt zwischen den Werkstücken 3, 5 und den oberen Andruckelementen 13, 15 austretende Streulicht detektiert. Sollte über den Streulichtsensor 45 Streulichtstrahlung festgestellt werden, wird der Bearbeitungslaser 31 sofort abgeschaltet, um eine Personengefährdung auszuschließen. Mit dem im unteren Schenkel 19 positionierten Pyrometer 47 wird die Temperatur des unteren Blechs 5 von der prozessabgewandten Seite her gemessen.
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2 zeigt eine zu 1 ähnliche Schweißzange 1, wobei hier die Kantenerfassungssensorik 51 eine Graubildkamera ist. Gemäß 2 werden drei Bleche, das Oberblech 3, das Mittelblech 4 und das Unterblech 5 an in das Oberblech 3 und das Mittelblech 4 eingebrachten Ausnehmungen durch Ausbilden von Kehlnähten gefügt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweißzange
- 3
- oberes Werkstück / Oberblech
- 4
- mittleres Werkstück / Mittelblech
- 5
- unteres Werkstück / Unterblech
- 7
- Laserstrahl
- 9
- Scanneroptik
- 11
- oberer Schenkel
- 13, 15
- obere Andruckelemente
- 17
- Träger
- 19
- unterer Schenkel
- 21, 23
- untere Andruckelemente
- 25
- Führungseinheit
- 27
- Gehäuse
- 29
- Restgehäuse
- 31
- Bearbeitungslaser
- 33
- Scannerspiegel
- 35, 37
- obere Aktoren
- 39, 41
- untere Aktoren
- 43, 45
- Streulichtsensoren
- 47
- Pyrometer
- 49
- Achse des Galvanometerantriebs
- 51
- Kantenerfassungssensorik
- 53
- Positionssensor
- 55
- Auswerte- und Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2149421 A1 [0007, 0009]
- DE 102008041774 A1 [0010]
- DE 10059246 A1 [0010]
