DE3346144C1 - Vorrichtung für das Schweißen mit optischen Energiestrahlen hoher Energiedichte - Google Patents

Description

• In der JP-OS 56- 1 34 093 ist ein Umlenkspiegel mit in einer Erstreckungsrichtung von 0% auf 100% zuneh- mender Reflexionsfähigkeit bei umgekehrt entsprechend abnehmender Lichtdurchlässigkeit aufgezeigt. Im von einem Laser ausgesendeten Lichtbündel angeordnet, lenkt der quer zum Lichteinfall in der Spiegelebene translatorisch verschiebbare Spiegel einen seiner Verschiebelage entsprechenden Lichtanteil auf ein Werkstück um.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei ständig konstantem Betrieb des Lasers auch während des Schweißstellenwechsels angebotene Strahlungsenergie vollständig zum Schweißen zu nutzen und dabei qualitativ hochwertige Schweißnähte, was insbesondere Anfangs- und Endbereiche von Nähten betrifft, zu erzeugen.
• Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch wenigstens einen quer zum Laserlichtbündel verschiebbaren Umlenkspiegel können abhängig von seiner Lage vollständig in oder außerhalb des Strahlenwegs zwei räumlich getrennte Schweißstellen sequentiell mit Laserlicht beaufschlagt werden. Der Wechsel von einer Schweißstelle zur anderen erfolgt durch translatorisches Bewegen des Umlenkspiegels quer zum Lichtbündel. Sobald der vorzugsweise gerade Rand des Umlenkspiegels im Querschnitt des Lichtbündels liegt, wird das Lichtbündel in zwei Teilbündel geteilt. Es werden dann zwei Schweißstellen gleichzeitig mit Laserlicht beaufschlagt. Die Gesamtleistung beider Teillichtbündel entspricht der stationären Schweißleistung. Bei entsprechend abgestimmter Verschiebegeschwindigkeit des Umlenkspiegels kann erreicht werden, daß die Leistung der Teilbündel nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit kontinuierlich ansteigt bzw.
• abnimmt, wie sie zum kraterfreien Schweißen im Nahtanfang bzw. Nahtende benötigt wird. Voraussetzung sind zwei räumlich getrennte Schweißstellen, wobei jeweils gleichzeitig Nahtanfang der einen und das Nahtende der anderen geschweißt werden kann. Während die begonnene Naht, nachdem die Schweißleistungen der Schweißstelle auf den stationären Wert angehoben ist, fortgeführt wird, wird die andere gerade erst fertiggestellte Schweißstelle entfernt und eine neue eingerichtet. Durch translatorisches Verschieben des Spiegels in die andere Richtung wird erneut ein Schweißanfang und ein Schweißende an vertauschten Orten eingeleitet.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigt F i g. 1 eine räumliche Ansicht einer Schweißvorrichtung mit einem translatorisch in der Spiegelebene quer zum Strahlenweg des Laserlichtbündels bewegbaren Umlenkspiegel, F i g. 2 die Draufsicht auf eine Kurvenscheibe, die zur Steuerung der Querbewegung des Umlenkspiegels dient.
• Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung besteht im wesentlichen aus einem Laser 1, sowie zwei Reflektoren zur Strahlumlenkung. Die Reflektoren sind ebene Umlenkspiegel 2, 3, die geneigt zum horizontal verlaufenden Laserlichtbündel angeordnet sind, und zwar so, daß das Laserlicht vertikal auf die Schweißstellen an den Werkstücken 4, 5 zweier Schweißstationen auftrifft. Der Tisch 6, auf dem die Werkstücke aufliegen, ist horizontal, beispielsweise in der durch einen Pfeil am Tisch eingetragenen Richtung verschiebbar. Der Abstand zwischen den Schweißstellen ist so groß, daß die Werkstücke 4, 5 in allen Schweißphasen hintereinander liegend angeordnet werden können. Selbstverständlich könnten die Werkstückvorschübe in vorteilhafter Weise auch getrennt ausgeführt sein. Während der Umlenkspiegel 3 in seiner Lage starr fixiert ist, ist der Umlenkspiegel 2 in Schienen 7 in der Spiegelebene translatorisch quer zum einfallenden Lichtbündel verschiebbar.
• Querverschiebbar bedeutet, daß der Umlenkspiegel 2 in den Strahlenweg des Lichtbündels und wieder aus dem Strahlenweg heraus, also beispielsweise auch wie im Ausführungsbeispiel orthogonal zur Winkelhalbierenden des einfallenden und ausfallenden Lichtbündels verschiebbar ist. Die Steuerung der Querbewegung des Umlenkspiegels 2 übernimmt eine um eine starre Achse rotatorisch antreibbare Kurvenscheibe 8, deren Umfang über einen starren in der Spiegelebene liegenden Geber 9 mit dem Umlenkspiegel 2 verbunden ist. Der Geber 9 greift mit seinem sich erweiternden Kopf in eine hinterschnittene Umfangsnut der Kurvenscheibe 8 ein und führt radiale Bewegungen entsprechend den Radiusänderungen der Kurvenscheibe 8 aus. F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kurvenscheibe 8 mit dem Geber 9.
• Wie bereits erwähnt, dient die Schweißvorrichtung dazu, den Laser optimal zu nutzen und dabei Vorsorge zu treffen, daß Schweißnahtanfang und -ende kraterfrei erzeugt werden. Den Laser optimal zu nutzen heißt im günstigsten Falle ununterbrochen die stationäre Schweißleistung zu fahren, also ohne Unterbrechung durch Nahtanfang, Nahtende oder Werkstückwechsel.
• Damit die Naht dennoch durchgehend fehlerfrei ist, muß am Nahtanfang und Nahtende jeweils einer Schweißnaht die anfallende Leistung langsam auf die volle stationäre Schweißleistung angehoben bzw. auf Null abgesenkt werden. Bei der der stationären Schweißleistung entsprechenden Leistungsabgabe des Lasers wird dies erreicht, indem das Laserlichtbündel in zwei Teilbündel aufgeteilt wird, deren Gesamtleistung der stationären Schweißleistung entspricht. Diese Aufteilung in zwei Teilbündel kann durch den translatorisch quer zum Lichtbündel verschiebbaren Umlenkspiegel 2 vorgenommen werden. -Wenn dessen unterer Horizontalrand innerhalb des Querschnitts des Laserlichtbündels liegt, fällt ein Teil des Laserlichts über den Umlenkspiegel 2 auf die Schweißstelle an den Werkstücken 4 und ein anderer Teil über den Umlenkspiegel 3 auf die Schweißstelle an den Werkstücken 5. Die jeweils an den beiden Schweißstellen einfallende Intensität kann dadurch verändert werden, daß die Querposition des Umlenkspiegels zum Laserlichtbündel verändert wird.
• Durch eine kontinuierliche Querbewegung des Umlenkspiegels kann deshalb eine entsprechend kontinuierliche gegenläufige Veränderung der Schweißleistung an zwei Schweißstationen erzielt werden. Die zur Querbewegung verwendete Kurvenscheibe 8 ist in zwei Umfangsbereiche mit jeweils unterschiedlichen Radien aufgeteilt, die voneinander durch ein stetiges Übergangsstück getrennt sind. Im Ausführungsbeispiel würde eine Umfangslage der Kurvenscheibe 8, bei der der Geber 9 mit dem Umfangsbereich auf kleinerem Radius verbunden ist, einer Hochlage des Umlenkspiegels 2 entsprechen. Die gesamte Laserleistung fällt dann allein auf die Schweißstelle an den Werkstücken 5, umgekehrt fällt bei abgesenktem Umlenkspiegel 2, wenn also der Geber 9 im Umfangsbereich der Kurvenscheibe 8 am größeren Radius anliegt, die gesamte Laserleistung auf die Schweißstelle an den Werkstücken 4. Liegt der Geber im Übergangsbereich an der Kurvenscheibe 8 an, wird das Laserlichtbündel in zwei Teilbündel aufgeteilt und jeweils gleichzeitig der Nahtanfang der einen und der Nahtauslauf der anderen Schweißnaht ausgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird an den Werkstücken 4 gerade das Nahtende herausgeführt, weshalb Umlenkspiegel 2 sich in angehobener Position befindet, so daß die auftreffende Intensität an den Werkstücken 4 kontinuierlich kleiner werden kann, weil ein immer kleiner werdender Anteil vom Umlenkspiegel 2 umgelenkt wird. Der für Krater verantwortliche Dampfkanal wird immer niedriger. An der Schweißstelle der Werkstücke 5 wird gleichzeitig der Nahtanfang ausgeführt. Bei sich aus dem Strahlenweg entfernendem Umlenkspiegel 2 wird gleichzeitig die am Umlenkspiegel 3 auffallende Leistung immer größer, bis die stationäre Schweißleistung erreicht ist. Mit Beginn der stationären Schweißphase am Werkstück 5 kann das Werkstück 4 vom Tisch 6 genommen werden und in entsprechender Position neue zu verschweißende Werkstücke 4 eingelegt werden. Entnahme- und Einlegearbeiten müssen jedoch abgeschlossen sein, bevor mit der Leistungsabsenkung für das Schweißnahtende begonnen wird, da ja für optimale Lasernutzung gleichzeitig mit dem Nahtanfang an den Werkstücken 4 begonnen wird. Entsprechend wiederholt sich der Vorgang beim Werkstück 5 nach Beendigung des Schweißvorgangs.
• Der Verlauf der Leistungszu- bzw. -abnahme über der Zeit . Leistungsrampe - am Nahtende kann durch die Verschiebegeschwindigkeit des Umlenkspiegels 2, Spiegelform und Leistungsverteilung des Lichtbündels beeinflußt werden. Die Verschiebegeschwindigkeit hängt ab von der Ausformung des Übergangsbereichs der Kurvenscheibe 8, der Drehzahl der Kurvenscheibe 8, sowie von der Schweißstellenvorschubgeschwindigkeit und damit verbundenden bekannten Schweißparametern. Die Spiegelform ebenso wie auch die Form des Lichtbündelquerschnitts - kreisrund, rechteckig - und die Leistungsverteilung über den Querschnitt - konstant, Gauß-Verteilung - führen nach Bedarf zu einer mehr oder minder linearen oder auch nicht-linearen Leistungsrampe. Für den praktischen Einsatz ist die Kurvenscheibe so zu gestalten, daß sich eine Leistungsrampe ergibt, bei der Krater sicher vermieden werden.
• Das dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich in verschiedenen Details ändern und auch erweitern. Sollte beispielsweise die Zeit für einen stationären Schweißabschnitt nicht ausreichend groß sein, um Einlege- und Entnahmearbeiten zu erledigen, können entsprechend mehr Schweißstationen und Werkstücke, beispielsweise in drei Schweißstationen bereit liegen. Entsprechend sind dann zwei translatorisch quer verschiebbare Umlenkspiegel erforderlich, die sich zeitlich aufeinander abgestimmt bewegen, so daß immer in zwei Schweißstationen gearbeitet werden kann, während eine dritte frei ist.
• Grundsätzlich könnte auch auf einen starr fixierten Umlenkspiegel 3 verzichtet werden, wenn nur die Werkstücke 5 entsprechend positioniert würden. Anstatt die Werkstücke unter den Laserstrahl hinwegzubewegen, könnten auch für den Schweißstellenvorschub die Umlenkspiegel bewegt werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung für das Schweißen mit Energiestrahlen hoher Energiedichte, mit einem ein Laserlichtbündel aussendenden Laser, sowie einem in den Strahlenweg hinein bewegbaren und das Lichtbündel zeitlich nacheinander an zwei räumlich auseinanderliegenden Schweißstellen beaufschlagenden Reflektor, ferner mit Mitteln für den Schweißstellenvorschub, wobei beim Schweißstellenwechsel Reflektorbewegung und Schweißstellenvorschub derart miteinander gekoppelt sind, daß das Lichtbündel von einer Schweißstelle in einem Schweißnahtende auf eine Schweißstelle in einem Schweißnahtanfang umlenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor ein in der Reflektorebene quer zur Richtung des einfallenden Lichtbündels längsverschiebbarer, ebener Umlenkspiegel mit berandungsfreiem und scharfkantigem Rand ist und beim Schweißstellenwechsel Reflektorbewegung und Schweißstellenvorschub derart gekoppelt sind, daß während des Durchwanderns des Reflektorrands durch das Lichtbündel hindurch gleichzeitig ein kontunierlich in der Intensität abnehmendes Teillichtbündel an der Schweißstelle im Schweißnahtauslauf, und ein kontinuierlich in der Intensität zunehmendes Teillichtbündel an der Schweißstelle im Schweißnahtanfang einfällt.
2. 2. Vorrichtung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine definierte Querbewegung der Reflektor mit einer Kurvenscheibe oder mit einem definiert ansteuerbaren elektrischen oder fluidischen Stellglied gekoppelt ist.

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Schweißen mit optischen Energiestrahlen hoher Energiedichte nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US-PS 40 88 865 als bekannt hervorgeht.

   Wie beim konventionellen Schweißen müssen auch beim Schweißen mit Laserlicht am Nahtanfang und am Nahtende von Schweißnähten die Schweißparameter in instationärer Weise geändert werden, um dort Kraterbildung zu vermeiden, um also über der gesamten Länge eine qualitativ gute Schweißnaht zu erzielen. Würde am Schweißbeginn bzw. am Schweißende die volle, für den stationären Schweißbetrieb erforderliche Laserleistung schlagartig zu- bzw. abgeschaltet, so würde sich ohne besondere Abstimmung, beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, kein gleichmäßiger Schmelzfluß einstellen und es würden festigkeitsmin dernde Krater und Trichter auftreten. Würde insbesondere am Nahtende der Laser plötzlich abgeschaltet, so würde ein in die Tiefe reichender Dampfkanal plötzlich erstarren und dadurch einen Endkrater bilden. Durch von der Schweißstellenvorschubgeschwindigkeit abhängig kontinuierliche Intensitätssteigerung der Laserstrahlung am Schweißbeginn und kontinuierliche Intensitätsabsenkung am Schweißende wird die erwünschte fehlerfreie Schweißnaht erzielt. Die Intensitätsänderung wird einfach dadurch vorgenommen, indem z. B. die Pumpleistung des Lasers beeinflußt wird. Dies ist aber kein optimaler Betrieb des Lasers, da die verfügbare Ausgangsleistung nicht ständig in vollem Umfang genutzt wird.

   Wie aus der Zeitschrift »Machine Design«, John. K.

   Krouse, Nov. 9, 1978, S.114, hervorgeht, kann ein von einem einzigen Laser ausgesendetes Lichtbündel mittels Umlenkspiegeln derart geteilt und umgelenkt werden, daß beispielsweise Schweißarbeiten an mehreren Werkstücken gleichzeitig ausführbar sind. Es ist auch möglich durch geeignete Umlenkmittel~ Drehspicgel ~das Lichtbündel zeitlich nacheinander auf unterschiedliche Arbeitsstellen hin zu richten.

   Zu der eingangs erwähnten, als gattungsbildender Stand der Technik zugrundegelegten US-PS 4088865 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der, je nach Ausbildung eines Umlenkspiegels das von einem Laser einfallende Lichtbündel geteilt wird und so zwei verschiedenen Schweißstellen gleichzeitig Energie zugeführt wird, oder zeitlich nacheinander im Wechsel zwei verschiedene Schweißstellen mit der gesamten Energie beaufschlag werden. Im ersten Fall befindet sich ein teildurchlässiger Umlenkspiegel in ständig unveränderter Lage im Strahlengang. Bei dieser Anwendung werden zwei Schweißnähte gleichzeitig begonnen und beendet.

   Im zweiten Fall ist der Umlenkspiegel als Klappspiegel ausgebildet, mit dem durch Verschwenken der weitere Verlauf des einfallenden Lichtbündels zur einen oder anderen Schweißstelle festgelegt wird. Während des Verschwenkens kann an keiner Schweißstelle geschweißt werden, da der in Richtung des einfallenden Lichts umklappbare Spiegel kein Licht auf eine Schweißstelle lenken kann. Während des Verschwenkens kann der Laser also nicht genutzt werden. Da angenommen werden muß, daß durch das Umklappen des Spiegels die Laserleistung schlagartig zu bzw. abgeschaltet wird, kann die Qualität der erzeugten Schweißnähte zumindest im Nahtanfang und -ende nicht besonders gut ausfallen.

   Zum Perforieren, beispielsweise von Zigarettenfilterpapier, wird ein von einem Laser ausgesendetes Lichtbündel in mehrere Teilbündel aufgeteilt. Eine Spiegelanordnung, die dies ermöglicht ist beispielsweise in der EP-OS 47 604, aufgezeigt. Durch eine rotierende Drehscheibe, die auf ihrem Umfang im Wechsel lichtdurchlässige und lichtumlenkende Mittel trägt, wird das einfallende Lichtbündel zunächst in pulsierende Teillichtbündel aufgeteilt. In den Strahlweg der Teillichtbündel hineinragend sind Umlenkspiegel angeordnet, die den Teil des Lichts, der auf sie fällt, umlenken, wodurch das ankommende Lichtbündel weiter aufgeteilt wird. Um die Intensität bzw. den Anteil des umgelenkten Lichts regeln. zu können, sind diese Umlenkspiegel justierbar gehaltert. Die Justage erfolgt durch Dreh- und Verschiebemöglichkeiten der Spiegel quer zum einfallenden Licht.

   In der US-PS 41 25 755 wird von einem Laser ausgesandtes Schweißlicht und von-einem weiteren Laser ausgesandtes Tastlicht über eine gemeinsame Optik und einen gemeinsamen Umlenkspiegel zum Schweißgut hin ausgerichtet. Durch eine translatorische, von einer Kurvenscheibe gesteuerte Bewegung des Umlenkspiegels in der Richtung der einfallenden Lichtbündel, werden in einer Ebene angeordnete Werkstücke nacheinander angetastet und geschweißt, wobei der das Schweißlicht aussendende Laser immer dann aktiviert wird, wenn das dem Schweißlicht voraneilende Tastlicht ein Werkstück erfaßt hat. In jeder Stellung des Umlenkspiegels wird das gesamte vom Laser ausgesandte Licht umgelenkt.