DE3844727C2 - Laser beam welding - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken, insbesondere von Blechen, mittels Plasma er zeugender Laserstrahlung, bei dem das Leuchten des Plasmas oder des sen Geräusch oder die Wärmestrahlung der Werkstücke mit einer Meßeinrichtung überwacht wird, die zwei beidseitig der Fügenaht angeordnete und jeweils auf einen der Werkstück ränder gerichtete Sensoren zu Ermittlung der Lage dieser Werkstückränder verwendet, und bei dem eine Änderung von Ver fahrensparametern in Abhängigkeit von einer Differenzbildung der Sensorsignale erfolgt.The invention relates to a method for joining of workpieces, in particular of sheet metal, by means of plasma generating laser radiation, in which the glow of the plasma or its noise or the heat radiation of the workpieces is monitored with a measuring device, the two on both sides the seam arranged and each on one of the workpiece edge-oriented sensors to determine the position of these Workpiece edges used, and in which a change of Ver driving parameters depending on a difference of the sensor signals.
Ein Verfahren mit den vorstehend genannten Merkmalen ist aus der DE 35 43 681 A1 bekannt. Es wird durchgeführt, um festzustellen, ob der Fügespalt zu groß oder die Laserlei stung zu klein ist. In beiden Fällen führt das zum Ausschuß. Die Ermittlung eines Höhenversatzes der Werkstückränder erfolgt nicht. Darüber hinaus wird dieses bekannte Verfahren nicht unter Verwendung nichtabschirmenden Plasmas durchgeführt.A method with the features mentioned above is known from DE 35 43 681 A1. It is done to determine whether the joint gap is too large or the laser line is too small. In both cases this leads to a committee. A height offset of the workpiece edges is determined Not. In addition, this known method is not performed using non-shielding plasma.
Aus der DE 34 24 825 C2 ist das Durchführen von Schweiß verfahren mittels nichtabschirmenden Plasmas bereits bekannt. Es erfolgt auch eine Überwachung der Schweißstelle mit einer Diagnostikeinrichtung, die fortlaufend Daten zur Prozeßrege lung übermittelt. Die Erfassung eines Höhenversatzes von Werkstücken ist jedoch nicht möglich.DE 34 24 825 C2 describes the carrying out of sweat method already known by means of non-shielding plasma. The welding point is also monitored with a Diagnostic device, the continuous data on process rain lung transmitted. The detection of a height offset of However, workpieces are not possible.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so durch zuführen, daß die Bildung von Schweißfehlern durch Ermittlung des Höhenversatzes der Werkstücke im Fügebereich vermieden wird.In contrast, the invention is based on the object the procedure with the features mentioned above cause the formation of welding defects by determination the height offset of the workpieces in the joining area avoided becomes.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit der Diffe renzbildung der Sensorsignale, unter Verwendung nicht ab schirmenden Plasmas, der Höhenversatz der Werkstückränder er mittelt wird.This problem is solved in that with the Diffe delimitation of the sensor signals, not using shielding plasma, the height offset of the workpiece edges is averaged.
Die Sensoren sind so ausgebildet, daß sie optisch und/oder akustisch und/oder thermisch überwachen können. Sie überwachen insbesondere einen I-Stoß, indem sie auf derselben Seite der Fügestücke jeweils symmetrisch rechts und links zur Naht ausgerichtet sind. Tritt ein Kanten- bzw. Höhenversatz der Fügestücke auf, so wird einer der beiden Sensoren ein verstärktes Signal liefern.The sensors are designed to be optical and / or monitor acoustically and / or thermally. she particularly monitor an I-shock by being on the same Side of the joining pieces symmetrically to the right and left to Seam are aligned. An edge or height offset occurs of the joints, one of the two sensors becomes one provide amplified signal.
Es kann so verfahren werden, daß im Falle eines durch die Differenzbildung der Sensorsignale ermittelten Höhenver satzes eine verstärkte Werkstoffaufschmelzung und/oder eine Zuführung von Zusatzwerkstoff erfolgt. Die verstärkte Werk stoffaufschmelzung bewirkt ein größeres Schmelzbad, durch das der Kantenversatz besser ausgeglichen werden kann. In diesem Sinne wirkt auch die Zuführung von Zusatzwerkstoff.It can be done in such a way that in the event of a through the difference formation of the sensor signals determined Höhenver set a reinforced material melting and / or Filler metal is fed. The reinforced work reflow causes a larger weld pool, through which the edge offset can be compensated better. In this The addition of filler material also makes sense.
In beiden vorbeschriebenen Fällen kann auch so verfahren werden, daß im Falle eines durch die Differenzbildung der Sensorsignale ermittelten Höhenversatzes eine Änderung der Strahlungsintensität oder der Strahlungsleistung erfolgt.This can also be done in both of the cases described above be that in the case of a by the difference of the Sensor signals determined height offset a change in Radiation intensity or the radiation power takes place.
Das Verfahren kann so ausgestaltet werden, daß zur Ände rung der Strahlungsintensität oder der Strahlungsleistung die Fokuslage oder die Fokussierung oder die Streckenenergie oder die Pulsform oder das Puls-Pausen-Verhältnis geändert werden oder daß von einem Betrieb mit gepulster Laserstrahlung in einen Betrieb mit kontinuierlicher Laserstrahlung übergegan gen wird. Dabei ist im jeweiligen Falle die Änderung eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung, wenn das der zu errei chende Effekt erfordert, also beispielsweise die Spaltweite, das Durchschweißen, die Vermeidung von Poren-, Loch- und Spritzerbildung, auch bei beschichteten Blechen, oder die Verminderung von Schweißfehlern infolge Kantenversatzes.The method can be designed so that the change radiation intensity or radiation power Focus position or focusing or distance energy or the pulse shape or the pulse-pause ratio are changed or that from an operation with pulsed laser radiation in an operation with continuous laser radiation will. The change is a in each case Enlargement or downsizing if that is the case required effect, for example the gap width, welding through, avoiding pores, holes and Splashing, even with coated sheets, or the Reduction of welding defects due to edge misalignment.
Das Verfahren kann des weiteren so ausgestaltet werden, daß zusätzlich zur Änderung der Strahlungsintensität oder der Strahlungsleistung oder statt dessen die Zuführgeschwindigkeit von Zusatzwerkstoff oder ein Strahloszillieren quer zur Vor schubrichtung oder die Fügegeschwindigkeit geändert wird. Auch mit diesen Maßnahmen kann fehlerhaftes Schweißen von Stößen, beim Durchschweißen und infolge von Poren-, Loch- und Spritzerbildung, auch beim Schweißen von beschichteten Ble chen bzw. bei Höhenversatz der Fügestücke positiv beeinflußt werdenThe method can furthermore be designed in such a way that that in addition to changing the radiation intensity or Radiant power or the feed rate instead of filler metal or a beam oscillation across the front thrust direction or the joining speed is changed. Even with these measures, incorrect welding of Shocks, when welding through and as a result of pore, hole and Spatter formation, even when welding coated lead Chen or positively influenced in the event of a height offset of the joints become
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:The invention is explained with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, Fig. 1 is a block diagram of an apparatus,
Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Vorrichtungen zum Zuführen von Zusatzwerkstoffen, und Fig. 2 to 4 different devices for feeding filler materials, and
Fig. 5, 6 unterschiedliche Werkstückausgestaltungen. Fig. 5, 6 different workpiece configurations.
Gemäß Fig. 1 soll eine Werkstückanordnung 1, die aus zwei Teilen 2, 3 besteht, mit Hilfe eines Lasers 4 gefügt werden. Der vom Laser 4 erzeugte Laserstrahl 5 wird von einer Laser optik 6 fokussiert.According to Fig. 1 to a workpiece arrangement 1, which consists of two parts 2, 3, are joined by means of a laser 4. The laser beam 5 generated by the laser 4 is focused by a laser optics 6 .
Die Fügestelle ist mit 20 bezeichnet. Sie erhält be darfsweise einen Zusatzwerkstoff 8 (s. Fig. 2) zugeführt, näm lich durch ein Führungselement 9, das beispielsweise als Röhrchen ausgebildet ist und den Zusatzwerkstoff 8 in Gestalt eines Schweiß- oder Lötdrahtes an die gewünschte Stelle im Bereich der Fügestelle mechanisch zuleitet. Die Förderung des Zusatzwerkstoffs 8 erfolgt mit einer Fördereinrichtung 10 und die Zufuhrgeschwindigkeit wird mit einer Meßvorrichtung 11 gemessen und einem Regler 12 signalisiert. Dieser regelt die Fördergeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs 8 durch Einfluß nahme auf die Fördereinrichtung 10 entsprechend weiterer Be triebsparameter. Ein solcher Betriebsparameter wird von der Strahldiagnostik 13 geliefert, welche die Qualität des Laser strahls 5 feststellt, insbesondere dessen Intensität, und demgemäß den Regler 12 beaufschlagt. Weiterer Betriebsparame ter ist die Geschwindigkeit der Werkstücke 2, 3 relativ zum Laserstrahl 5, welche durch die Meß- und Steuereinrichtung 14 erfaßt und vom Regler 12 beeinflußt wird. Die Meßeinrichtun gen 15, 16 und 17 erfassen Betriebsparameter, die sich aus der Überwachung der Fügestelle 20 ergeben, und zwar akustisch (Meßeinrichtung 15), optisch (Meßeinrichtung 16), wobei bei spielsweise eine Temperaturüberwachung der Fügestelle z. B. beim Löten erfolgt oder eine spektroskopische Plasmaüberwa chung, und ebenfalls optisch (Meßeinrichtung 17), wobei bei spielsweise zur Ermittlung der Naht- bzw. Spaltgeometrie, insbesondere der Spaltweite oder eines Nahteinfalls im Be reich der Fügestelle ein Schnittlinienverfahren zur Anwendung kommt. Der demgemäß beaufschlagte Regler 12 sorgt automatisch für die Beaufschlagung des Lasers 4 bzw. der Laseroptik 6, so daß das Fügeverfahren vollständig prozeßkontrolliert statt findet.The joint is designated 20. You may be supplied with a filler material 8 (see FIG. 2), namely by a guide element 9 , which is designed, for example, as a tube and mechanically feeds the filler material 8 in the form of a welding or soldering wire to the desired location in the area of the joint . The filler material 8 is conveyed by a conveyor 10 and the feed speed is measured by a measuring device 11 and signaled to a controller 12 . This regulates the conveying speed of the filler material 8 by influencing the conveying device 10 in accordance with further operating parameters. Such an operating parameter is supplied by the beam diagnostics 13 , which determines the quality of the laser beam 5 , in particular its intensity, and accordingly acts on the controller 12 . Another operating parameter is the speed of the workpieces 2 , 3 relative to the laser beam 5 , which is detected by the measuring and control device 14 and is influenced by the controller 12 . The Meßeinrichtun conditions 15 , 16 and 17 detect operating parameters resulting from the monitoring of the joint 20 , namely acoustically (measuring device 15 ), optically (measuring device 16 ), with for example temperature monitoring of the joint z. B. takes place during soldering or a spectroscopic plasma monitoring, and also optically (measuring device 17 ), a cutting line method being used for example for determining the seam or gap geometry, in particular the gap width or a seam incidence in the area of the joint. The controller 12 thus acted upon automatically ensures that the laser 4 or the laser optics 6 are acted on, so that the joining process takes place in a completely process-controlled manner.
Das Fügen erfolgt vornehmlich als geregeltes Einschwei ßen von Ein- oder Mehrfachüberlappnähten dünner Werkstücke, insbesondere dünner Bleche, wie sie im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Bei diesem Schweißen muß gegebenenfalls sichergestellt werden, daß die Fügestelle auf der Außen- bzw. Unterseite des Karosserieblechs nicht sicht bar ist. Trotzdem muß die Verbindung zuverlässig sein und es soll mit möglichst hoher Geschwindigkeit geschweißt werden, um eine hohe Produktion zu erzielen. Infolgedessen wird die Intensität der Laserstrahlung durch den Regler 12 in Abhän gigkeit eines oder mehrerer Fügestellenparameter geregelt, von denen mindestens einer aussagt, ob die Laserstrahlung la serinduziertes Plasma an der Fügestelle 20 erzeugt. Das Vor handensein von Plasma oder dessen Entstehung wird beispiels weise optisch ermittelt, da in diesem Fall Werkstoff der Werkstücke verdampft, was spektralanalytisch überwacht werden kann. Sobald also die Meßeinrichtung 16 für den zu verschwei ßenden Werkstoff charakteristische Spektrallinien ermittelt, wird der Regler 12 entsprechend beaufschlagt und verändert die Laserintensität zum gegebenen Zeitpunkt.The joining takes place primarily as controlled welding of single or multiple lap seams of thin workpieces, in particular thin sheet metal, as used in the bodywork of motor vehicles. With this welding it may be necessary to ensure that the joint on the outside or underside of the body panel is not visible. Nevertheless, the connection must be reliable and it should be welded at the highest possible speed in order to achieve high production. As a result, the intensity of the laser radiation is regulated by the controller 12 as a function of one or more joint parameters, at least one of which states whether the laser radiation generates laser-induced plasma at the joint 20 . The presence of plasma or its formation is determined optically, for example, since in this case material of the workpieces evaporates, which can be monitored spectrally analytically. As soon as the measuring device 16 determines characteristic spectral lines for the material to be welded, the controller 12 is acted upon accordingly and changes the laser intensity at the given time.
In den Fig. 2 bis 4 wird die Zuführung von Zusatzwerk stoff 8 zu Fügestellen 20 mittels eines Führungselements 9 erläutert, wobei Werkstücke 2, 3 miteinander verschweißt wer den sollen, die einen Spalt 18 zwischen sich einschließen. Der Zusatzwerkstoff, der in Gestalt eines Drahtes zugeführt wird, dient dabei der Auffüllung der Spalthöhe, damit ein Nahteinfall im Bereich der Fügestelle 20 vermieden wird. Der Zusatzwerkstoff 8 ist als Draht ausgebildet und sein Durch messer entspricht etwa der Größenordnung des Durchmessers des Flecks des Laserstrahls 5 auf der Fügestelle 20. Das Schwei ßen erfolgt in der Richtung der Pfeile 21, wobei davon ausge gangen wird, daß der Laserstrahl 5 entsprechend bewegt wird. Dieser Bewegung muß eine Blasdüse 22 folgen, welche den La serstrahl 5 konzentrisch umgibt und in Strahlungsrichtung ein Schutzgas leitet, damit an der Fügestelle 20 etwa entstehende Spritzer nicht auf die Laseroptik 6 gelangen können.In Figs. 2 to 4, the supply of filler material 8 will be explained to joints 20 by means of a guide member 9 material, said workpieces 2, 3 are welded together who want to which enclose a gap 18 between them. The filler material, which is fed in the form of a wire, serves to fill the gap height, so that incidence of seams in the area of the joint 20 is avoided. The filler material 8 is formed as a wire and its diameter corresponds approximately to the order of magnitude of the diameter of the spot of the laser beam 5 on the joint 20 . The welding takes place in the direction of the arrows 21 , it being assumed that the laser beam 5 is moved accordingly. This movement must be followed by a blowing nozzle 22 , which concentrically surrounds the laser jet 5 and directs a protective gas in the direction of radiation, so that any splatters that may occur at the joint 20 cannot reach the laser optics 6 .
An der Blasdüse 22 ist das als Röhrchen ausgebildete Führungselement 9 befestigt und folgt infolge seiner antriebsmäßigen Verbindung mit der Laseroptik 6 allen Bewegungen des Laserstrahls 5 exakt.The guide element 9 , which is designed as a tube, is attached to the blowing nozzle 22 and, due to its drive connection to the laser optics 6, exactly follows all movements of the laser beam 5 .
Das Führungselement 9 endet entsprechend Fig. 2, 4 ober halb und in Schweißrichtung 21 vor der Fügestelle 20, so daß der Zusatzwerkstoff 8 entsprechend vor der Fügestelle 20 ab geschmolzen wird. Dabei ragt der Zusatzwerkstoff 8 gemäß Fig. 2 so weit aus dem Führungselement 9 in Richtung auf die Fügestelle 20 vor, daß der stillstehende Laserstrahl 5 Zu satzwerkstoff direkt in diese Fügestelle 20 einschmelzen kann. In Fig. 2 wird der Laserstrahl 5 in Vorschubrichtung der Werkstücke 2, 3 gewedelt, also oszillierend verschwenkt und schmilzt dabei Zusatzwerkstoff 8 nur in seiner gestrichelt dargestellten Stellung auf das Werkstück 2 auf, von wo aus er eingeschmolzen wird, wenn die Fügestelle 20 entsprechend weit vorgewandert ist. Das Verschwenken des Laserstrahls 5 bedeu tet ein zeitlich begrenztes Aufschmelzen von Zusatzwerkstoff 8, was ausreicht, wenn dieser eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur hat. Zusätzlich kann die Strahlungsintensi tät beim Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs 8 verringert wer den.The guide element 9 ends according to FIGS. 2, 4 above and half in the welding direction 21 in front of the joint 20 , so that the filler 8 is melted accordingly in front of the joint 20 . Here, the filler material 8 projects in FIG. 2 as far from the guide element 9 in the direction of the joint 20 before that the stationary laser beam 5 can be set to material melted directly into this joint 20. In Fig. 2, the laser beam 5 is wagged in the feed direction of the workpieces 2 , 3 , that is to say oscillated and melts the filler material 8 only in its position shown in dashed lines on the workpiece 2 , from where it is melted when the joint 20 is correspondingly wide hiked. The pivoting of the laser beam 5 means a time-limited melting of filler material 8 , which is sufficient if it has a comparatively low melting temperature. In addition, the radiation intensity can be reduced when the filler 8 melts.
In Fig. 4 endet das Führungselement 9 nicht gerade, son dern etwa nahtparallel dicht an der Fügestelle 20 mit einer gekrümmten Spitze 9′, so daß der Zusatzwerkstoff, also ein Draht, fügestellenparallel verlegt wird und daher auch erst im Bereich der Fügestelle 20 vom Laserstrahl 5 aufgeschmolzen wird.In Fig. 4, the guide element 9 does not end straight, son changes approximately parallel to the joint 20 with a curved tip 9 ', so that the filler material, i.e. a wire, is laid parallel to the joint and therefore only in the region of the joint 20 by the laser beam 5 is melted.
Die Zufuhr an Zusatzwerkstoff und die Amplitude der Strahlauslenkung richten sich nach der jeweiligen Schweißge schwindigkeit und nach der Ausbildung des Spalts 18, also nach der erforderlichen Menge, für die mit den Meßeinrichtun gen 15 bis 17 ermittelte Signale als Regelgröße dienen. Die Zusatzwerkstoffzufuhr erfolgt in Fig. 4 diskontinuierlich, in Fig. 3 kontinuierlich und in Fig. 2 bei kontinuierlicher Draht zuführung kontinuierlich, sonst diskontinuierlich. Abwei chend von diesen Darstellungen kann die Drahtzufuhr auch in Richtung 21 hinter der Fügestelle 20 erfolgen, beispielsweise wenn zuvor ein Nahteinfall ermittelt werden soll.The supply of filler material and the amplitude of the beam deflection depend on the speed of the respective weld and on the formation of the gap 18 , that is to say the required amount, for the signals determined with the measuring devices 15 to 17 serve as a control variable. The filler material feed is discontinuous in FIG. 4, continuous in FIG. 3 and continuous in FIG. 2 with continuous wire feed, otherwise discontinuous. Deviating from these representations, the wire can also be fed in the direction 21 behind the joint 20 , for example if a seam incidence is to be determined beforehand.
Gemäß Fig. 5 werden blechartige Werkstücke 2, 3 mit paral lel in dieselbe Richtung vorspringenden Lappen 2′, 3′′ anein anderstoßend angeordnet, beispielsweise bei Schwellernähten von Kraftfahrzeugen. Die dabei gebildeten Fugen 27 werden mit einem Zusatzwerkstoff geschlossen, der durch Aufschmelzen ei nes Zusatzschweißdrahtes 29 mit einem Laserstrahl 5 gewonnen wird. Statt unterschiedlich dicker Zusatzschweißdrähte 29 kann auch die Drahtzufuhr beschleunigt werden. In Fig. 6 haben die Werkstücke 2, 3 zwischen ihren Verbindungslappen 2′, 3′′ einen Spalt 30, der beispielsweise durch Toleranzen bei der Werkstückherstellung entsteht. Dieser Spalt 30 wird bei der Verbindung der Werkstücke 2, 3 durch den Zusatzwerkstoff der Schweißdrähte 29 geschlossen.Referring to FIG. 5 are plate-like workpieces 2 ', 3' anein arranged paral lel with 3 projecting in the same direction flap 2 'pushing the other, for example at the sill seams of automobiles. The joints 27 formed in this way are closed with an additional material which is obtained by melting an additional welding wire 29 with a laser beam 5 . Instead of additional welding wires 29 of different thicknesses, the wire feed can also be accelerated. In Fig. 6, the workpieces 2 , 3 have between their connecting tabs 2 ', 3 ''a gap 30 which arises, for example, by tolerances in the manufacture of the workpiece. This gap 30 is closed when the workpieces 2 , 3 are connected by the filler material of the welding wires 29 .
Bei den weiter oben beschriebenen Verfahren zum Fügen von Werkstücken, wobei das Plasma von einer das Plasmaleuch ten und/oder das Plasmageräusch erfassenden Meßeinrichtung überwacht wird, können die in Fig. 1 dargestellten Meßeinrich tungen 15, 16 verwendet werden. Der Veränderung der Strah lungsenergie dienen beispielsweise ebenfalls die in den Zeichnungen dargestellten und vorbeschriebenen Ausführungs formen des Reglers 12, der Laserstrecke 4, 5, 6, 13 und der wei teren Einrichtungen, insbesondere die Fördereinrichtung 10 für Zusatzwerkstoff bzw. -draht und die Laseroptik 6. Zur Er läuterung aller weiteren Prozeßparameter wird ebenfalls auf die vorgenannte Beschreibung verwiesen.In the above-described method for joining workpieces, the plasma being monitored by a measuring device which detects the plasma light and / or the plasma noise, the measuring devices 15 , 16 shown in FIG. 1 can be used. The change in the radiation energy serve, for example, also the forms of the controller 12 shown in the drawings and described above, the laser path 4 , 5 , 6 , 13 and the other devices, in particular the conveyor 10 for filler metal or wire and the laser optics 6th . To explain all the other process parameters, reference is also made to the above description.
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