EP2170550A1 - Laser beam welding device and method - Google Patents

Laser beam welding device and method

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Publication number
EP2170550A1
EP2170550A1 EP08774660A EP08774660A EP2170550A1 EP 2170550 A1 EP2170550 A1 EP 2170550A1 EP 08774660 A EP08774660 A EP 08774660A EP 08774660 A EP08774660 A EP 08774660A EP 2170550 A1 EP2170550 A1 EP 2170550A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser beam
workpiece
beam welding
movement
welding apparatus
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08774660A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reiner Ramsayer
Sonja Kittel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0823—Devices involving rotation of the workpiece

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Abstract

The invention relates to a laser beam welding device (1) comprising a laser scanner (2) for moving a laser beam (3) along a pre-defined course in a first direction of movement (6) on at least one workpiece (4, 13). According to the invention, drive means (7) are used to drive the workpiece (4, 10) in a second movement direction (8) in order to increase the relative speed between the laser beam (3) and the workpiece (4, 10). The invention also relates to a laser beam welding method.

Description

Beschreibungdescription
Titeltitle
Laserstrahlschweißvorrichtung und Laserstrahlschweißverfah- renLaser beam welding device and Laserstrahlschweißverfah- ren
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Laserstrahlschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a laser beam welding apparatus according to the preamble of claim 1 and to a laser beam welding method according to the preamble of claim 10.
Beim Laserstrahlschweißen wird der Laserstrahl in der Füge- zone (Schweißzone) zweier oder mehrerer zu verschweißender Werkstücke fokussiert. Die Absorption des Laserstrahls führt zum Aufheizen und Aufschmelzen und oftmals zum teilweisen Verdampfen des Materials. Aus der beim Fügen mehrer Werkstücke erfolgenden Durchmischung der Schmelze und der anschließenden Wiedererstarrung des Materials entsteht die Schweißverbindung. Durch die lokale Wärmedehnung, gegebenenfalls eine Gefügeumwandlung und die Erstarrung des Materials tritt unerwünschter Verzug auf, der an dem aus den Werkstücken bestehenden Bauteil zu Form- und Maßänderungen und somit zu Funktionsbeeinträchtigungen und im ungünstigsten Fall zum Ausfall des Bauteils führen kann. Insbesondere beim Schweißen von ungleichartigen Materialien, d.h. verschiedenen Werkstoffen können aufgrund von unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten während der Schweißung Ris- se entstehen.In laser beam welding, the laser beam is focused in the joining zone (welding zone) of two or more workpieces to be welded. The absorption of the laser beam leads to heating and melting and often to partial evaporation of the material. From the mixing of the melt occurring during the joining of several workpieces and the subsequent re-solidification of the material, the welded connection is formed. Due to the local thermal expansion, possibly a structural transformation and the solidification of the material occurs undesirable delay, which can lead to the component consisting of the workpieces to shape and dimensional changes and thus to functional impairments and in the worst case to failure of the component. In particular, when welding dissimilar materials, i. Different materials can cause cracks due to different thermal expansion coefficients during welding.
Bei dem herkömmlichen Schweißen von Umfangsnähten tritt aufgrund einer unvermeidbaren Überlappungszone, die zweimal von dem Laserstrahl überfahren wird, eine ungleichmäßige und asymmetrische Erwärmung der Fügezone auf. Diese Asymmetrie führt zu einer Abweichung im Plan- und Rundlauf des Bauteils, was insbesondere beim Laserschweißen von Ventil- sitzen kritisch sein und die Dichtfunktion des Ventils beeinträchtigen kann.In the conventional welding of peripheral seams, it occurs twice because of an unavoidable overlap zone is traversed by the laser beam, an uneven and asymmetric heating of the joining zone. This asymmetry leads to a deviation in the concentricity and concentricity of the component, which can be critical in particular during laser welding of valve seats and impair the sealing function of the valve.
Zur Vermeidung dieser Nachteile existieren bereits verschiedene Verfahrensstrategien. Ein Ansatz zur Verringerung des Bauteilverzugs ist das homogene Einbringen von Energie, d.h. eine gleichmäßige symmetrische Erwärmung der Fügezone, wie dies beispielsweise aus der DE 100 20 327 Al bekannt ist .To avoid these disadvantages, various process strategies already exist. One approach to reducing component distortion is the homogeneous introduction of energy, i. a uniform symmetrical heating of the joining zone, as is known for example from DE 100 20 327 Al.
Beim quasi-kontinuierlichen Kunststoffschweißen ist es bekannt, den Laserstrahl mittels eines Scanners auszulenken und entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück bzw. einer Fügezone zwischen zwei Werkstücken zu bewegen. Bei einer ausreichend hohen Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls wird das Material im Fügebereich aufgeschmolzen und im schmelzflüssigen Zustand mehrmals überfahren, bevor die Erstarrung eintritt. Dies hat zur Folge, dass während einer bestimmten Zeitspanne ein gleichmäßig aufgeschmolzener Fügebereich entsteht, der im Anschluss gleichmäßig erstarrt.In quasi-continuous plastic welding, it is known to deflect the laser beam by means of a scanner and to move along a predetermined path in a first direction of movement on a workpiece or a joining zone between two workpieces. At a sufficiently high speed of movement of the laser beam, the material is melted in the joint area and run over in the molten state several times before the solidification occurs. This has the consequence that during a certain period of time, a uniformly melted joining region is formed, which subsequently solidifies uniformly.
Zum Verschweißen metallischer Werkstücke ist das beschriebene Verfahren nicht praktikabel. Eine gleichmäßig aufgeschmolzene Fügezone ist mittels eines Laserscanners insbe- sondere dann nicht realisierbar, wenn zwei Werkstücke mit großen Durchmessern miteinander verschweißt werden sollen, also die von dem Laserstrahl abzufahrende Bahn vergleichsweise lang ist. Offenbarung der Erfindung Technische AufgabeFor welding metallic workpieces, the described method is not practical. An evenly melted joining zone can not be realized by means of a laser scanner, in particular, when two workpieces with large diameters are to be welded together, that is, the web to be traversed by the laser beam is comparatively long. DISCLOSURE OF THE INVENTION Technical Problem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlschweißvorrichtung vorzuschlagen, die zum Verschweißen zweier metallischer Werkstücke geeignet ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend verbessertes Laserstrahlschweißverfahren vorzuschlagen .The invention has for its object to propose a laser beam welding apparatus, which is suitable for welding two metal workpieces. Furthermore, the object is to propose a correspondingly improved laser beam welding process.
Technische LösungTechnical solution
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Laserstrahlschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Laserstrahlschweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen auch rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und verfahrensgemäß beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein verfahrensmäßig offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß of- fenbart und vorrichtungsgemäß beanspruchbar sein.This object is achieved with regard to the laser beam welding apparatus having the features of claim 1 and with regard to the laser beam welding method having the features of claim 10. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. All combinations of at least two features disclosed in the description, the claims and / or the figures also fall within the scope of the invention. To avoid repetition, features disclosed purely in accordance with the device should also be disclosed as being in accordance with the method and be claimable according to the method. Likewise, features disclosed purely in terms of the method should be disclosed as being in accordance with the device and be claimable in terms of the device.
Die Erfindung hat erkannt, dass die Schwellgeschwindigkeit, ab der eine gleichmäßig aufgeschmolzene Fügezone entsteht, von der Bauteilgeometrie, der Schmelztemperatur und der Wärmeleitfähigkeit des zu fügenden Materials bzw. der zu fügenden Materialien abhängig ist. Ferner hat die Erfindung erkannt, dass in Folge dessen je nach Material ein mehr oder weniger großer Abfluss der Energie bzw. Wärme in das Material resultiert und in der Fügezone Abkühlung und Erstarrung einsetzen. Zudem hat die Erfindung erkannt, dass zum Erzeugen, bzw. zum Erhalten des aufgeschmolzenen Zu- standes der eingebrachte Energiestrom mindestens genau so groß sein muss wie der abfließende Energiestrom. Bisher war das Verfahren unter Verwendung eines Laserscanners für metallische Werkstoffe nicht praktikabel, da durch den höheren Wärmleitkoeffizient von Metall und den damit verbundenen höheren Energieverlust durch den Abfluss der Wärme in das Bauteil erheblich schnellere Geschwindigkeiten des Laserstrahls bzw. des Fokuspunktes erforderlich sind, als dies mit einem herkömmlichen Laserscanner erreichbar ist. Diese Überlegungen führen zu der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Laser- Strahlschweißverfahren, deren Grundgedanke es ist, nicht nur den Fokus des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück, bzw. in der Fügezone mindestens zweier Werkstücke zu bewegen, sondern zusätzlich das Werkstück bzw. die Werkstücke in einer zweiten Bewegungsrichtung anzutreiben, derart, dass sich eine erhöhte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem bzw. den zu fügenden Werkstücken ergibt. Das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren sieht hierzu Antriebsmittel zum Antreiben des Werkstücks bzw. der Werkstücke in der zweiten Bewegungsrichtung vor. Vorzugsweise sind die Antriebsmittel derart ausgebildet und angeordnet, dass sie das mindestens eine Werkstück zusammen mit einer entsprechenden Fixiereinrichtung zum Halten, d.h. Fixieren des mindestens einen Werkstücks antreiben. Durch die erhöhte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem Werkstück bzw. dem Fügebereich kann eine gleichmäßige Erwärmung entlang des gesamten Fügebereichs und somit ein gleichmäßiges Aufschmelzen des mindestens einen Werkstücks realisiert werden. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren zum Verschweißen metallischer Werkstücke, insbesondere aus unterschiedlichen Metallen o- der Metalllegierungen.The invention has recognized that the threshold speed from which a uniformly melted joining zone is formed depends on the component geometry, the melting temperature and the thermal conductivity of the material to be joined or the materials to be joined. Furthermore, the invention has recognized that as a result, depending on the material, a more or less large outflow of energy or heat in the Material results and in the joining zone use cooling and solidification. In addition, the invention has recognized that in order to generate or to obtain the molten state, the introduced energy flow must be at least as great as the outflowing energy flow. So far, the method using a laser scanner for metallic materials was not practical, since the higher thermal conductivity of metal and the associated higher energy loss by the outflow of heat into the component significantly faster speeds of the laser beam or the focal point are required than with A conventional laser scanner can be reached. These considerations lead to the laser beam welding apparatus according to the invention and the laser beam welding method according to the invention, the basic idea is not only to move the focus of the laser beam along a predetermined path in a first direction of movement on a workpiece, or in the joining zone of at least two workpieces, but in addition to drive the workpiece or the workpieces in a second direction of movement, such that there is an increased relative speed between the focus of the laser beam and the or to be joined workpieces. The laser beam welding method according to the invention provides for this drive means for driving the workpiece or the workpieces in the second direction of movement. Preferably, the drive means are designed and arranged such that they drive the at least one workpiece together with a corresponding fixing device for holding, ie fixing the at least one workpiece. Due to the increased relative speed between the focus of the laser beam and the workpiece or the joining region, a uniform heating along the entire joint region and thus a uniform Melting of the at least one workpiece can be realized. In particular, the laser beam welding apparatus according to the invention and the laser beam welding method according to the invention are suitable for welding metallic workpieces, in particular of different metals or metal alloys.
Da die Schweißnaht durch mehrmaliges Überfahren erzeugt wird und die Einkopplung der Energie bei erwärmten bzw. aufgeschmolzenen Material verbessert wird, können zum Erreichen einer bestimmten Einschweißtiefe auch Laserstrahlquellen mit einer niedrigeren Leistungsabgabe eingesetzt werden, als beim Schweißen von Werkstücken mit nur einmaligem Überfahren. Beispielsweise ist der Einsatz von CW- Lasern mit mittleren Spitzenleistungen möglich.Since the weld is generated by repeated driving over and the coupling of the energy is improved in heated or molten material, laser beam sources can be used with a lower power output to achieve a certain welding depth than when welding workpieces with only a single run over. For example, the use of medium power CW lasers is possible.
Besonders gute Ergebnisse wurden bei verzugskritischen Werkstücken mit einem Durchmesser von weniger als 12 mm erzielt, wobei durch Erhöhen der Relativgeschwindigkeit, ins- besondere durch Erhöhen der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahlfokus auch Werkstücke mit einem größeren Durchmesser miteinander verschweißbar sind.Particularly good results have been achieved in distortion-critical workpieces with a diameter of less than 12 mm, whereby workpieces with a larger diameter can be welded together by increasing the relative speed, in particular by increasing the travel speed of the laser beam focus.
Besonders hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem mindestens einen Werkstück können dadurch realisiert werden, dass die erste Bewegungsrichtung, mit der der Laserstrahl entlang der vorgegebenen Bahn im Fügebereich bewegt wird und die zweite Bewegungsrichtung, in welcher das Werkstück bzw. die Werkstücke ange- trieben ist/sind einander entgegengesetzt sind, der Fokus des Laserstrahls und das Werkstück also gegenläufig bewegt werden . Die Laserstrahlschweißvorrichtung bzw. das Laserstrahlschweißverfahren ist besonders geeignet zum Erzeugen ringförmiger, d.h. umfangsgeschlossener Schweißnähte, wobei die zu erzeugenden Schweißnähte beispielsweise auf einer ebenen Fläche, beispielsweise einer Werkstückstirnseite oder auch am Umfang mindestens einen Werkstücks erzeugbar sind. Bevorzugt wird das mindestens eine Werkstück hierzu mit den Antriebsmitteln rotierend um eine Drehachse angetrieben. Zusätzlich ist es denkbar, die Drehachse, um die das Werk- stück rotiert entlang einer, insbesondere umlaufenden Bahn zu verstellen, um den Energieeintrag auch bei komplexen Werkstückgeometrien gleichmäßig gestalten zu können. Es ist auch denkbar, dass die Bahn, die von dem Laserstrahl überfahren wird, wenn das Werkstück rotierend angetrieben ist, nicht geschlossen ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Laser in einem bestimmten Um- fangsabschnitt ausgeschaltet oder abgelenkt wird. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Laserstrahlschweißvorrichtung derart ausgebildet ist, dass eine umfangsgeschlossene, d.h. ringförmige Schweißnaht erzeugt wird.Particularly high relative speeds between the focus of the laser beam and the at least one workpiece can be realized by moving the first direction of movement with which the laser beam is moved along the predetermined path in the joining area and the second direction of movement in which the workpiece or workpieces are moved. is driven / are opposite to each other, so the focus of the laser beam and the workpiece are moved in opposite directions. The laser beam welding device or the laser beam welding method is particularly suitable for producing annular, ie circumferentially closed welds, wherein the welds to be generated, for example, on a flat surface, such as a workpiece front side or on the circumference of at least one workpiece can be generated. For this purpose, the at least one workpiece is preferably driven in rotation with the drive means about an axis of rotation. In addition, it is conceivable to be able to adjust the axis of rotation about which the workpiece rotates along a, in particular, circulating path, in order to be able to uniformize the energy input even with complex workpiece geometries. It is also conceivable that the web, which is run over by the laser beam when the workpiece is driven in rotation, is not closed. This can be realized, for example, by turning off or deflecting the laser in a certain circumferential section. However, an embodiment in which the laser beam welding device is designed such that a circumferentially closed, ie annular, weld seam is produced is particularly preferred.
Im einfachsten Fall ist die Bahn, auf der sich der Fokus des Laserstrahls bewegt kreisringförmig. Eine kreisringför- mige Bahn eignet sich insbesondere zum Verschweißen rotationssymmetrischer Werkstücke. Bevorzugt werden in diesem Fall die zu verschweißenden Werkstücke rotatorisch um eine Drehachse bewegt.In the simplest case, the path on which the focus of the laser beam moves is circular. A circular-shaped track is particularly suitable for welding rotationally symmetrical workpieces. In this case, the workpieces to be welded are preferably moved rotationally about a rotation axis.
Insbesondere bei dem rotatorischen Antreiben des mindestens einen Werkstücks muss darauf geachtet werden, dass unerwünschte Effekte, wie Humping oder das Austreiben der Schmelze durch die Fliehkraft vermieden werden. Versuche haben ergeben, dass die Grenze für die Rotationsgeschwindigkeit in Bezug auf das Austreiben der Schmelze beim Verschweißen von Rundstählen mit einem Durchmesser von 6 mm etwa bei 1200 U/min liegt, was einer Bahngeschwindigkeit etwa 30 m/min entspricht. Berücksichtigt man die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahlfokus in eine entgegengesetzte Richtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 m/min kann eine Schweißgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit) von etwa 90 m/min realisiert werden.In particular, in the rotational driving of the at least one workpiece, care must be taken that unwanted effects, such as humping or expulsion of the melt by the centrifugal force are avoided. tries have shown that the limit for the rotational speed with respect to the expulsion of the melt in the welding of round steel with a diameter of 6 mm at about 1200 rev / min, which corresponds to a web speed about 30 m / min. Taking into account the speed of movement of the laser beam focus in an opposite direction at a speed of about 60 m / min, a welding speed (relative speed) of about 90 m / min can be realized.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bahn, entlang derer der Laserstrahl bzw. der Laserstrahlfokus im Fügebereich verfahrbar ist, programmierbar ist. Vorzugsweise wird die Bahn derart programmiert, dass die Bahn zumindest näherungsweise der Kontur des Werkstücks - insbesondere unter Berücksichtigung der Rotationsbewegung der Werkstücke - entspricht.Particularly preferred is an embodiment in which the path along which the laser beam or the laser beam focus is movable in the joining region, is programmable. Preferably, the path is programmed such that the path corresponds at least approximately to the contour of the workpiece - in particular taking into account the rotational movement of the workpieces.
Große Schwierigkeiten bereitet in der Praxis das Erzeugen einer am Umfang mindestens eines Werkstücks gelegenen Schweißnaht. Zum Erzeugen einer sich über den Umfang mindestens eines, vorzugsweise von zwei aneinander anliegenden Werkstücken erstreckenden Schweißnaht sind in der Weiterbildung der Erfindung Mittel zum Abbilden der Bahn am Um- fang vorgesehen. Bevorzugt sind diese Mittel derart ausgebildet, dass sie einen näherungsweise axialen Laserstrahl in radialer Richtung nach außen oder nach innen umlenken, je nach dem, ob die Schweißnaht am Innen- oder Außenumfang des Werkstückes erzeugt werden soll.In practice, it is very difficult to produce a weld located on the circumference of at least one workpiece. In order to produce a weld seam extending over the circumference of at least one, preferably two adjoining workpieces, means for imaging the web at the circumference are provided in the development of the invention. Preferably, these means are designed such that they deflect an approximately axial laser beam in the radial direction outwards or inwards, depending on whether the weld is to be generated on the inner or outer circumference of the workpiece.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Mittel zum Abbilden der Bahn des Laserstrahlfokus am Umfang des mindestens einen Werkstückes als Kegelspiegel oder Parabol- Spiegel ausgebildet sind oder einen Kegelspiegel und/oder einen Parabolspiegel umfassen, wobei der Kegelspiegel bzw. der Parabolspiegel, je nach dem, ob die Schweißnaht am Au¬ ßen- oder Innenumfang der Werkstücke erzeugt werden soll, bevorzugt als Innen- oder Außenspiegel ausgebildet ist. Das Vorsehen eines konischen oder parabolförmigen Spiegels ist vorteilhaft; es können jedoch auch andere geometrische Spiegelformen zum Umlenkens des Laserstrahls auf den Umfang des mindestens einen Werkstückes vorgesehen werden. Zusätz- lieh oder alternativ zum Programmieren der Bahn des Laserstrahlfokus durch eine geeignete Ausbildung des Laserscan¬ ners ist es möglich, die Form der Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang, insbesondere die Form des Kegelspiegels, an die Kontur des Werkstückes bzw. der Werkstücke bzw. der zu erzeugenden Schweißnaht anzupassen.Particularly good results have been achieved when the means for imaging the path of the laser beam focus on the circumference of the at least one workpiece as a cone mirror or parabolic Mirrors are formed or comprise a cone mirror and / or a parabolic mirror, wherein the cone mirror or the parabolic mirror, depending on whether the weld on the Au ¬ ßen- or inner circumference of the workpieces is to be generated, is preferably designed as an inside or outside mirror. The provision of a conical or parabolic mirror is advantageous; however, other geometric mirror shapes for deflecting the laser beam onto the circumference of the at least one workpiece can also be provided. Lent additional or alternatively, to program the trajectory of the laser beam focus by a suitable design of the laser scanning ¬ agent, it is possible, the shape of the means for imaging the sheet on the periphery, in particular the shape of the conical mirror, or to the contour of the workpiece or of the workpieces to adapt the weld to be produced.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further features, advantages and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in:
Fig. 1: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer stirnseitigen Schweißnaht,1 shows a laser beam welding apparatus for producing a frontal weld,
Fig. 2: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am Außenumfang eines Werkstückes angeordne¬ ten Schweißnaht undFig. 2 shows a laser beam welding apparatus for generating a is arrange ¬ th at the outer periphery of a workpiece and the weld seam
Fig. 3: eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am Innenumfang eines Werkstückes angeordne¬ ten Schweißnaht. Ausführungsformen der ErfindungFig. 3 shows a laser beam welding apparatus for generating a is arrange ¬ th on the inner circumference of a workpiece weld. Embodiments of the invention
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .In the figures, the same components and components with the same function with the same reference numerals.
In Fig. 1 ist eine Laserstrahlschweißvorrichtung 1 gezeigt. Die Laserstrahlschweißvorrichtung 1 umfasst einen Laser- Scanner 2 mit einer Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 und zum Verfahren, d.h. Bewegen des Laserstrahls 3 entlang einer vorgegebenen, in diesem Ausführungsbeispiel stirnseitigen, kreisringförmigen Bahn zwischen einem ersten Werkstück 4 und einem stirnseitigen, als Deckel ausgebildeten zweiten Werkstück 10. Mittels der gezeigten Laserstrahlschweißvorrichtung 1 ist eine kreisringförmige, in einer stirnseitigen Ebene liegenden Schweißnaht zwischen dem Werkstück 4, 10 erzeugbar. Der Laserstrahl 3 bzw. der Fokus 5 des Laserstrahls 3 wird mit einer Ge- schwindigkeit von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 60 m/min in einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn bewegt. Das erste Werkstück 4 ist gemeinsam mit dem zweiten Werkstück 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 um eine Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8, die der ersten Bewegungsrichtung 6 entgegengerichtet ist, im Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben. Hierdurch ergibt sich eine Geschwindigkeit der Werkstücke 4, 10 im Fügebereich 9 von etwa 30 m/min. Insgesamt resultiert hieraus eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Werkstücken 4, 10 und dem Fokus 5 des Laserstrahls 3, d.h. eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 90 m/min. Hierdurch werden die Werkstücke 4, 10 im ringförmigen Fügebereich 9 homogen aufgeschmolzen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Werkstück 4 als auch das als Deckel ausgebildete zweite Werkstück 10 aus Stahl ausgeführt.In Fig. 1, a laser beam welding apparatus 1 is shown. The laser beam welding apparatus 1 comprises a laser scanner 2 with a laser beam source for generating a laser beam 3 and for moving, ie moving the laser beam 3 along a predetermined, in this embodiment frontal, annular path between a first workpiece 4 and a front, designed as a lid second Workpiece 10. By means of the laser beam welding apparatus 1 shown, an annular, lying in a frontal plane weld between the workpiece 4, 10 can be generated. The laser beam 3 or the focus 5 of the laser beam 3 is moved at a speed of approximately 60 m / min in a first direction of movement 6 in the counterclockwise direction in this exemplary embodiment. The first workpiece 4, together with the second workpiece 10, is driven in a clockwise direction by means of drive means 7 about a rotation axis D in a second direction of movement 8, which is opposite to the first direction of movement 6. This results in a speed of the workpieces 4, 10 in the joining region 9 of about 30 m / min. Overall, this results in a relative speed between the workpieces 4, 10 and the focus 5 of the laser beam 3, ie a welding speed of about 90 m / min. As a result, the workpieces 4, 10 are melted homogeneously in the annular joining region 9. In the embodiment shown, both are the first Workpiece 4 and designed as a lid second workpiece 10 made of steel.
In Fig. 2 ist eine alternative Laserstrahlschweißvorrich- tung 1 gezeigt. Diese umfasst einen Laserscanner 2 zum Erzeugen und Verfahren eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird im Gegenuhrzeigersinn in eine erste Bewegungsrichtung 6 rotierend angetrieben. Der Laserstrahl 3, der näherungsweise in axialer Richtung abgestrahlt wird, trifft auf einen Kegelspiegel 11 mit einem Innenkonus und wird von diesem in radialer Richtung nach innen auf den Außenumfang 12 des ersten und des zweiten Werkstücks 10 abgelenkt, so dass sich der Fokus 5 in der ersten Bewegungsrichtung 6 in Umfangsrichtung am Außenumfang 12 der aneinander anliegen- den Werkstücke 4, 10 bewegt. Zum Erhöhen der Schweißgeschwindigkeit und damit zur Realisierung eines homogenen Aufschmelzens im Fügebereich 9 werden die Werkstücke 4, 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 rotatorisch um die Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8 im Uhrzeigersinn rotiert.FIG. 2 shows an alternative laser beam welding device 1. This comprises a laser scanner 2 for generating and processing a laser beam 3. The laser beam 3 is driven in a counterclockwise direction in a first direction of rotation 6 rotating. The laser beam 3, which is emitted approximately in the axial direction, strikes a cone mirror 11 with an inner cone and is deflected by the latter in the radial direction inwardly onto the outer circumference 12 of the first and the second workpiece 10, so that the focus 5 in the first movement direction 6 in the circumferential direction on the outer circumference 12 of the abutting workpieces 4, 10 moves. In order to increase the welding speed and thus to realize a homogeneous melting in the joining region 9, the workpieces 4, 10 are rotatably rotated by means of drive means 7 about the axis of rotation D in a second direction of movement 8 in a clockwise direction.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl 3 bzw. sein Fokus 5 am Innen- umfang der Werkstücke 4, 10 entlang einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn bewegt wird. Um dies zu ermöglichen, ist innerhalb der hohlzylindrischen Werkstücke 4, 10 ein Kegelspiegel 11 mit einem Außenkonus angeordnet, so dass der aus axialer Richtung auf den Kegelspiegel 11 auftreffende Laserstrahl 3 in radialer Richtung nach außen auf den Innenumfang 14 im Fügebereich 9 im Kontaktbereich der Werkstücke 4, 10 auftrifft. Die Werkstücke 4, 13 werden mit Hilfe der Antriebsmittel 7 rotatorisch in eine zweite, der ersten Bewegungsrichtung 6 entgegengesetzte Bewegungsrichtung 8 im Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben. The embodiment according to FIG. 3 essentially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 2, with the difference that the laser beam 3 or its focus 5 on the inner periphery of the workpieces 4, 10 is moved counterclockwise along a first direction of movement 6. In order to make this possible, a cone mirror 11 with an outer cone is arranged inside the hollow cylindrical workpieces 4, 10, so that the laser beam 3 impinging on the cone mirror 11 from the axial direction points radially outwards onto the inner circumference 14 in the joining region 9 in the contact region of the workpieces 4, 10 hits. The workpieces 4, 13 are rotated by means of the drive means 7 rotationally into a second, the first direction of movement 6 opposite direction of movement 8 driven in a clockwise rotational direction.

Claims

Ansprüche claims
1. Laserstrahlschweißvorrichtung mit einem Laserscanner (2) zum Verfahren eines Laserstrahls (3) entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung (6) auf mindestens einem Werkstück (4, 10),A laser beam welding apparatus comprising a laser scanner (2) for moving a laser beam (3) along a predetermined path in a first direction of movement (6) on at least one workpiece (4, 10),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass Antriebsmittel (7) zum Antreiben des Werkstücks (4, 10) in einer zweiten Bewegungsrichtung (8) zum Erhöhen der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstahl (3) und dem Werkstück (4, 10) vorgesehen sind.in that drive means (7) are provided for driving the workpiece (4, 10) in a second direction of movement (8) for increasing the relative speed between the laser steel (3) and the workpiece (4, 10).
2. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bewegungsrichtung (6, 8) einander entgegengesetzt sind.2. Laser beam welding apparatus according to claim 1, characterized in that the first and the second movement direction (6, 8) are opposite to each other.
3. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche3. Laser beam welding apparatus according to any one of claims
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (7) zum rotierenden Antreiben des Werkstücks (4, 10) ausgebildet sind.1 or 2, characterized in that the drive means (7) for rotationally driving the workpiece (4, 10) are formed.
4. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn, entlang derer der Laserstrahl (3) ver- fahrbar ist, geschlossen ist.4. Laser beam welding apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the path along which the laser beam (3) is movable, is closed.
5. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn entlang derer der Laserstrahl (3) verfahrbar ist, kreisringförmig ist.5. Laser beam welding apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the path along which the laser beam (3) is movable, is annular.
6. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn, entlang derer der Laserstrahl (3) verfahrbar ist, programmierbar ist, vorzugsweise derart dass die Bahn der Kontur des Werkstücks (4, 10) entspricht .6. Laser beam welding apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the path along which the laser beam (3) is movable, is programmable, preferably such that the path corresponds to the contour of the workpiece (4, 10).
7. Laserstrahlschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Abbilden der Bahn am Außen- und/oder Innenumfang (12, 13) des Werkstücks (4, 10) vorgesehen sind.7. Laser beam welding apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that means for imaging the web on the outer and / or inner circumference (12, 13) of the workpiece (4, 10) are provided.
8. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang (12) der Werkstücke (4, 10) einen näherungsweise axialen Laserstrahl (3) in radialer Richtung nach innen oder nach außen umlenkend ausgebildet sind.8. Laser beam welding apparatus according to claim 7, characterized in that the means for imaging the web on the circumference (12) of the workpieces (4, 10) an approximately axial laser beam (3) in the radial direction inwardly or outwardly deflecting are formed.
9. Laserstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang (12) des Werkstücks (4, 10) einen Kegelspiegel und/oder einen Parabolspiegel (11) umfassen. 9. Laser beam welding apparatus according to claim 8, characterized in that the means for imaging the web on the circumference (12) of the workpiece (4, 10) comprise a cone mirror and / or a parabolic mirror (11).
10. Laserstrahlschweißverfahren, insbesondere unter Verwendung einer Laserstrahlschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Merkmale, bei dem ein Laserstrahl (3) entlang einer vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung (6) auf mindestens einem Werkstück (4, 10) verfahren wird,10. Laser beam welding method, in particular using a laser beam welding device (1) according to one of the preceding features, in which a laser beam (3) is moved along a predetermined path in a first direction of movement (6) on at least one workpiece (4, 10),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass das Werkstück (4, 10) in einer zweiten Bewegungsrichtung (8) zum Erhöhen der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstahl (3) und Werkstück (4, 13) angetrieben wird.in that the workpiece (4, 10) is driven in a second direction of movement (8) for increasing the relative speed between laser steel (3) and workpiece (4, 13).
11. Laserstrahlschweißverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 10) rotierend angetrieben wird.11. Laser beam welding method according to claim 10, characterized in that the workpiece (4, 10) is driven in rotation.
12. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bewegungsrichtung (6, 8) einander entgegengesetzt sind.12. Laser beam welding method according to one of claims 10 or 11, characterized in that the first and the second movement direction (6, 8) are opposite to each other.
13. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4, 10) mit einer Geschwindigkeit von weniger als 40 m/min, vorzugsweise von weniger als 35 m/min, insbesondere von weniger als 30 m/min angetrieben wird und/oder dass der Laserstrahl (3) entlang der Bahn mit einer Geschwindigkeit von mehr als 40 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, insbesondere von mehr als 60 m/min angetrieben wird. 13. Laser beam welding method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the workpiece (4, 10) at a speed of less than 40 m / min, preferably less than 35 m / min, in particular less than 30 m / min is driven and / or that the laser beam (3) along the web at a speed of more than 40 m / min, preferably of more than 50 m / min, in particular of more than 60 m / min is driven.
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