DE3626974A1 - Vorrichtung und verfahren zum stumpfschweissen von blechen mittels eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Blechen an deren Kanten mittels einer Laserstrahlschweißeinrichtung mit einer Spanneinheit für die Bleche, die aus unteren, einen Längsspalt zwischen sich bildenden Spannbacken und diesen zugeordneten oberen, ebenfalls einen Längsspalt zwischen sich bildenden Spannbacken besteht, von denen mindestens ein Spannbacken parallel zur Blechebene und quer zu der in Längsspaltrichtung liegenden Schweißlinie bewegbar gelagert ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Stumpfschweißen von Blechen an deren Kanten mittels eines Laserstrahls, der längs der zwischen den gegenüberliegenden Kanten der Bleche liegenden Schweißlinie verfahren wird, wobei die Bleche jeweils neben der Schweißlinie von einem Spannbacken eingeklemmt gehalten werden.

Es ist bekannt, Bleche mittels einer Laserstrahlschweißeinrichtung stumpf zusammenzuschweißen. Bei einer bekannten Einrichtung wird das Ende eines gewalzten Bandes mit dem Anfang eines gewalzten Bandes stumpf zusammengeschweißt, um bei der Weiterverarbeitung das Band ohne Unterbrechung beschichten zu können. Um den Schweißvorgang ausführen zu können, weist die Einrichtung eine Spanneinheit auf, mit der das Bandende und der Bandanfang zueinander ausgerichtet werden können. Die Spanneinheit besteht aus zwei oberen, zwischen sich einen Spalt bildenden Spannbacken und zwei unteren, ebenfalls einen Spalt zwischen sich bildenden Spannbacken. Während das eine Spannbackenpaar das Bandende festklemmt und ortsfest hält, ist das andere Spannbackenpaar, das den Bandanfang festklemmt, auf einem Schlitten horizontal verfahrbar angeordnet, so daß Bandende und Bandanfang bis auf einen kleinen Spalt unbestimmter Breite zusammengebracht werden können. Um den Spalt beim Schweißen zu schließen, muß Schweißdraht zugeführt werden (EP 01 17 751 A2).

Für bestimmte Zwecke, z. B. für durch Tiefziehen herzustellende Formteile, die für Karosserien von Kraftfahrzeugen verwendet werden, werden Blechtafeln mit einer Breite benötigt, für die die heute zur Verfügung stehenden Anlagen, insbesondere die Anlagen zum Aufbringen von Oberflächenkorrosionsschutz, nicht ausgelegt sind. Um gleichwohl Blechtafeln mit größerer Breite zu erhalten, ist man dazu übergegangen, zwei oder mehr Blechtafeln stumpf zusammenzuschweißen. Von derart zusammengeschweißten Blechtafeln wird verlangt, daß die Schweißnähte beim Tiefziehen den auftretenden Kräften auch dann standhalten, wenn im Bereich der Schweißnaht eine plastische Verformung eintritt.

Darüber hinaus wird von solchen Blechtafeln verlangt, daß sie beim späteren Einsatz als Konstruktionselemente periodischen Biege- und Torsionsbeanspruchungen standhalten. Aus diesen Gründen müssen die Schweißnähte solcher Blechtafeln fehlerfrei sein, das heißt, daß sie keine Einschlüsse oder Löcher oder ein ungleichmäßiges Gefüge haben dürfen. Sofern korrosionsgeschützte, beispielsweise verzinkte oder kunststoffbeschichtete Bleche verwendet werden, muß es möglich sein, den Schweißvorgang mit einer möglichst schmalen Naht auszuführen, damit auch im Bereich der Schweißnaht der Korrosionsschutz erhalten bleibt. Bei bekannten Vorrichtungen sind keine Vorkehrungen für die Herstellung einer Schweißnaht getroffen, die ohne Zusatzwerkstoff hergestellt werden kann. Deshalb geht hier regelmäßig der Korrosionsschutz der korrosionsgeschützten Bleche im Bereich der Schweißnaht verloren. Dieser Nachteil beruht darauf, daß die Kanten der miteinander zu verschweißenden Bleche über die Länge des Schweißspaltes nicht präzise genug positioniert werden können (DE 35 02 368 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Blechen, insbesondere korrosionsgeschützten Blechen der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine sehr präzise Positionierung der miteinander zu verschweißenden Blechkanten und damit auch die Herstellung sehr schmaler Schweißnähte unter reproduzierbaren Bedingungen ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen zu schaffen, mit dem die vorgenannten Forderungen erfüllt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in den von den Spannbacken gebildeten Spalt ein ein- oder mehrteiliger Mittenanschlag einführbar ist und parallel zur Blechebene und quer zur Schweißlinie verfahrbare Außenanschläge auf der der Schweißlinie gegenüberliegenden jeweiligen Außenseite eines jeden Klemmbackenpaares vorgesehen sind.

Mit dem Mittenanschlag und den Außenanschlägen ist es möglich, die einzelnen Bleche bezüglich der miteinander zu verschweißenden Kanten in reproduzierbarer Weise exakt zu positionieren. Der dafür erforderliche konstruktive Aufwand im Umfang des Mittenanschlages und der beiden verfahrbaren Außenanschläge ist denkbar klein. Der Mittenanschlag ermöglicht es, sehr exakt die Kante des Bleches über ihre gesamte Länge auf die Schweißlinie zu legen und hier zu fixieren. Die so auf der Schweißlinie fixierte Kante des einen Bleches dient dann zum Ausrichten der Kante des anderen Bleches. Dabei kann der Mittenanschlag und der obere, parallel zur Blechebene bewegbare Klemmbacken zu Führungszwecken herangezogen werden, wodurch verhindert wird, daß das zweite Blech mit seiner Kante die Kante des anderen Bleches über- oder unterwandert.

Eine konstruktiv robuste Ausgestaltung der oberen Spannbacken, die auch ein leichtes Einführen der Bleche ermöglicht, besteht darin, daß die Spannbacken um zur Schweißlinie parallelen Achsen schwenkbar sind. Zum Verschwenken können hydraulische oder pneumatische Zylinderkolbenanordnungen dienen. Mit ihnen läßt sich schnell und kraftvoll die Klemmkraft an den Spannbacken aufbringen. Der Mittenanschlag ist vorzugsweise vertikal verfahrbar. Sofern die unteren Spannbacken als Baueinheit in Form einer Spannschiene mit einer nach oben offenen Nut zur Bildung des Längsspaltes ausgebildet sind, kann der Mittenanschlag durch diese Spannschiene verschiebbar sein, wodurch er eine Führung erhält.

Die oberen Spannbacken können an ihrer der Schweißlinie zugewandten Seite verschleißfeste Spannschienen aufweisen. Vorzugsweise sollten sie aus einem Material mit hoher Wärmebeständigkeit und Leitfähigkeit sein. Die letztere Eigenschaft sollten sie vor allem dann aufweisen, wenn sie durch ein Kühlmittel gekühlt sind. Das Einklemmen der Bleche in unmittelbarer Nähe der Schweißlinie durch die planeben anliegenden Spannbacken und die Kühlung der Spannbacken tragen dazu bei, daß das Blech sich beim Schweißen nicht verwirft, sondern auch im Bereich der Schweißnaht planeben bleibt.

Wie die Spannschienen der oberen Spannbacken auswechselbar sein können, kann auch die untere Spannschiene auswechselbar montiert sein. Insbesondere kann sie in der Führung eines Bettes der Vorrichtung einschiebbar sein. Dies ermöglicht bei Verschmutzung oder Beschädigung ein schnelles Auswechseln und die exakte Positionierung der neuen unteren Spannschiene in bezug auf die Laserstrahleinheit, ohne daß eine neue Justierung notwendig ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ein Reinigungsschlitten auf die unteren Spannbacken, insbesondere auf die von ihnen gebildete Spannschiene absenkbar sein. Vorzugsweise ist dieser Schlitten entlang der Schweißlinie verfahrbar angeordnet.

Es hat sich als nützlich erwiesen, zur Steuerung der Laserstrahleinrichtung eine Diodenzeilenkamera einzusetzen, die entlang der Schweißlinie verfahrbar ist. Dabei sollte der Diodenzeilenkamera eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Schweißspaltes zugeordnet sein.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist vorgesehen, daß zum Zwecke der Positionierung der Bleche zunächst das eine Blech bei geöffnetem Spannbacken bis an einen auf der Schweißlinie angeordneten Mittenanschlag bewegt wird, daß nach dem Festklemmen dieses Bleches durch die Spannbacken der Mittenanschlag aus der Schweißlinie entfernt wird und dann das andere Blech bei geöffnetem Spannbacken praktisch bis zum Anliegen an der Kante des festgeklemmten Bleches bewegt wird und in dieser Lage ebenfalls festgeklemmt wird. Dabei wird vorzugsweise das andere Blech bei dessen Bewegung gegen die Kante des festgeklemmten Bleches an seiner Kante zumindest im unmittelbaren Bereich vor der Kante des festgeklemmten Bleches und in dessen Ebene an seiner Ober- und Unterseite geführt.

Sofern aus einem Walzband geschnittene Bleche zusammengeschweißt werden sollen, werden vorzugsweise die an demselben Rand des Bandes liegenden Kanten miteinander verschweißt. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die miteinander zu verschweißenden Schweißkanten in der Blechdicke und in der Materialstruktur sehr ähnlich sind, was für die Qualität der herzustellenden Schweißnaht günstig ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Die Vorrichtung zum Stumpfschweißen von zwei Blechplatten 1, 2 weist ein Maschinenbett 3, 4 auf, in dem eine Führung 5 zum Einschieben einer Spannschiene 6 ausgebildet ist. Die Spannschiene 6 weist zwei wassergekühlte Spannbacken 7, 8 auf, zwischen denen eine nach oben offene Nut 9 vorgesehen ist. Ein Mittenanschlag 10 ist mittels einer Zylinderkolbeneinheit 11 vertikal durch die Spannschiene 6 verstellbar.

Über dem Maschinenbett 3, 4 sind zwei als Guß- oder Schweißkonstruktion ausgebildete Spannbacken 12, 13, die wassergekühlte, aus besonders verschleißfestem, gut wärmeleitendem Material, z. B. hartverchromten Kupfer, bestehende Spannschienen 14, 15 tragen. Die Spannschienen 14, 15 bilden zwischen sich einen Spalt, in dessen Mitte die Schweißlinie verläuft und auf die eine über den Blechtafeln 1, 2 angeordnete und längs der Schweißlinie verfahrbare Laserstrahlschweißeinrichtung 17 verfahrbar ist. Die Spannbacken 12, 13 sind mittels hydraulisch oder pneumatisch zu betätigender Zylinderkolbeneinheiten 18, 19 um parallel zur Schweißlinie verlaufende Schwenkachsen 20, 21 verschwenkbar, so daß die Spannschienen 14, 15 in Klemmstellung bewegt oder gelüftet werden können.

Auf der jeweiligen, dem Mittenanschlag 10 gegenüberliegenden Außenseite der Spannbacken 12, 13 sind verschwenkbare Außenanschläge 23, 24 angeordnet, die auf die Blechtafeln 1, 2 einwirken.

Zum Zwecke der seitlichen Ausrichtung der Blechtafeln 1, 2 können Seitenanschläge in Form von mehreren hintereinander angeordneten Rollen vorgesehen sein, die einen Versatz der Blechtafeln 1, 2 gegeneinander in Richtung der Schweißlinie verhindern.

Mit dieser Vorrichtung erfolgt das Stumpfschweißen auf folgende Art und Weise. Bei gelüfteten Spannschienen 14, 15 werden die an ihren Kanten miteinander zu verschweißenden Blechtafeln 1, 2 auf das Maschinenbett 3, 4 gelegt und zwischen die Spannbackenpaare 7, 12 bzw. 8, 13 geschoben. Der in die in der Zeichnung dargestellte Position hochgefahrene Mittenanschlag 10 begrenzt die Bewegung der durch den Außenanschlag 24 vorgeschobenen Blechtafel 1. Die vordere Kante der Blechtafel 1 richtet sich durch Anlage an der Seite des Mittenanschlages 10 aus. Nach dieser Ausrichtung wird durch Verschwenken der Spannbacke 13 die Blechtafel 1 zwischen der Spannbacke 8 und der Spannschiene 15 festgeklemmt. Der Mittenanschlag 10 wird bis auf eine Position abgesenkt, in der seine Oberkante 25 in der Ebene der Unterseite der Blechtafel 1 liegt. Die Spannbacke 12 wird in Richtung auf die Spannbacke 13 vorbewegt und die Spannschiene 14 in eine Position gebracht, in der ihre Unterseite im wesentlichen in der Ebene der Oberseite der Blechtafel 1 liegt. Auf diese Art und Weise wird zwischen der Oberkante 25 des Mittenanschlages 10 und der Unterseite der Spannschiene 14 ein Führungsspalt für die zweite Blechtafel 2 gebildet. Wird nun die zweite Blechtafel 2 durch de Außenanschlag 23 eingeschoben, dann ist gewährleistet, daß die Blechtafel 2 mit ihrer vorderen Kante nicht die gegenüberliegende Kante der Blechtafel 1 über- oder unterwandert, sondern ausgerichtet in die gewünschte Lage zum Stumpfschweißen gebracht wird. Danach wird die Spannbacke 12 in ihre in der Zeichnung dargestellte Stellung zurückbewegt und die Blechtafel 2 zwischen der Spannbacke 7 und der Spannschiene 14 eingeklemmt. Der Mittenanschlag 10 kann jetzt entfernt werden, weil die Spannbackenpaare 7, 12 und 8, 13 die Kanten der beiden Blechtafeln 1, 2 in der ausgerichteten Lage planeben zueinander halten. Die Laserstrahlschweißeinrichtung 17 findet dann optimal auf die Schweißlinie ausgerichtete, eng aneinanderliegende Kante vor, die beim Laserstrahlschweißen mit äußerst schmaler Schweißnaht und ohne Zusatz von Schweißdraht sich verschweißen lassen.

Da durch den Mittenanschlag die Schweißlinie für alle Blechtafeln gleich ist, erübrigt sich jeweils ein Ausrichten der Laserstrahleinrichtung auf die aneinanderstoßenden Kanten der ausgerichteten Blechtafeln.

Mittels der in der Zeichnung nicht dargestellten, aber an sich bekannten Diodenzeilenkamera, die entlang der Schweißlinie über den Schweißspalt geführt werden kann, wird die Lage und Breite des Schweißspaltes festgestellt. Die Diodenzeilenkamera kann ein Steuersignal an die Laserstrahlschweißeinrichtung geben, die den Schweißvorgang ausführt.

Die über die gesamte Länge der Schweißlinie verlaufende Längsnut 9 in der Spannschiene 6 kann zur Zufuhr von Inertgas zur Beaufschlagung der Unterseite der Blechtafeln 1, 2 im Bereich der Schweißnaht dienen.

Um bei fortlaufender Schweißung (Serien von Blechtafeln) Schweißnähte gleichmäßig guter Qualität zu erhalten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Längsnut 9, die unteren Spannbacken 7, 8 und die oberen Spannschienen 14, 15 in regelmäßigen Abständen von anhaftendem Schweißgut und Zunder befreit werden. Dies kann auf einfache Art und Weise mittels eines absenkbaren und einschiebbaren Reinigungsschlittens geschehen, der entlang der Schweißlinie verfahrbar sein kann.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Blechen an deren Kanten mittels einer Laserstrahlschweißeinrichtung mit einer Spanneinheit für die Bleche, die aus unteren, einen Längsspalt zwischen sich bildenden Spannbacken und diesen zugeordneten, oberen, ebenfalls einen Längsspalt zwischen sich bildenden Spannbacken besteht, von denen mindestens ein Spannbacken parallel zur Blechebene und quer zu der in Längsspaltrichtung liegenden Schweißlinie bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den von den Spannbacken (7, 8, 12, 13) gebildeten Spalt (9, 16) ein ein- oder mehrteiliger Mittenanschlag (10) einführbar ist und parallel zur Blechebene und quer zur Schweißlinie verfahrbare Außenanschläge (23, 24) auf der der Schweißlinie gegenüberliegenden jeweiligen Außenseite eines jeden Spannbackenpaares (7, 12 bzw. 8, 13) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Spannbacken (12, 13) um zur Schweißlinie parallele Achsen (20, 21) schwenkbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenanschlag (10) vertikal, insbesondere durch den von den unteren Spannbacken (7, 8) gebildeten Spalt (9), insbesondere durch die von den Spannbacken (7, 8) gebildete Spannschiene (6) verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Spannbacken (12, 13) an ihrer der Schweißlinie zugewandten Seite verschleißfeste Spannschienen (14, 15) aus einem Material mit hoher Wärmefestigkeit und/oder mit Kühlung aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spannschiene (6) bildenden unteren Spannbacken (7, 8) in einer Führung (5) des Maschinenbettes (3, 4) der Vorrichtung einschiebbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reinigungsschlitten auf die unteren Spannbacken (7, 8), insbesondere auf die von ihnen gebildete Spannschiene (6) absenkbar und insbesondere entlang der Schweißlinie verfahrbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer die Laserstrahlschweißeinrichtung steuernden Sensoreinheit für den Schweißspalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit eine Diodenzeilenkamera ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenzeilenkamera mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Schweißspaltes ausgerüstet ist.

9. Verfahren zum Stumpfschweißen von Blechen an deren Kanten mittels eines Laserstrahls, der längs der zwischen den gegenüberliegenden Kanten der Bleche liegenden Schweißlinie verfahren wird, wobei die Bleche jeweils neben der Schweißlinie von einem Spannbackenpaar eingeklemmt gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Positionierung der Bleche zunächst ein Blech bei gelüfteten Spannbacken bis an einen auf der Schweißlinie angeordneten Mittenanschlag bewegt wird, daß nach dem Festklemmen dieses Bleches durch die Spannbacken der Mittenanschlag von der Schweißlinie entfernt wird und dann das andere Blech bei gelüfteten Spannbacken bis zum Anliegen an der Kante des festgeklemmten Bleches bewegt und in dieser Lage ebenfalls festgeklemmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Blech bei dessen Bewegung gegen die Kante des festgeklemmten Bleches an seiner Kante zumindest im unmittelbaren Bereich vor der Kante des festgeklemmten Bleches und in deren Ebene an seiner Ober- und Unterseite geführt wird.

11. Verfahren zum Stumpfschweißen von Blechen gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von aus einem Walzband geschnittenen Blechen die an demselben Rand des Bandes liegenden Kanten miteinander verschweißt werden.