WO2004035256A1 - Verfahren und vorrichtung zum schweissen von werkstücken - Google Patents

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WO2004035256A1
WO2004035256A1 PCT/EP2003/010607 EP0310607W WO2004035256A1 WO 2004035256 A1 WO2004035256 A1 WO 2004035256A1 EP 0310607 W EP0310607 W EP 0310607W WO 2004035256 A1 WO2004035256 A1 WO 2004035256A1
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gap
force
welding
workpieces
pressing element
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PCT/EP2003/010607
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French (fr)
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Wilhelm Hopp
Dirk Lindenau
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Daimlerchrysler Ag
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a method for welding two workpieces with welding optics, in which a first workpiece is pressed against a second workpiece with the aid of a displaceable pressing element, and a device for carrying out the method according to the preamble of claim 8.
  • the apparatus includes fully a pressing member which moves one of the workpieces relative to the other workpiece and thereby alternately generates a zero gap and a degassing gap • between the workpieces.
  • the relative movement between the workpieces is controlled by force and / or displacement.
  • the separate control for the pressing element which is usually carried out by a pneumatic linear unit, still requires a certain additional installation space.
  • the invention has for its object to propose a method in which the workpieces can be clamped high quality, low warpage and reproducible for welding relative to each other with minimal space.
  • Another object of the invention is the proposal of a device with which the method according to the invention can be carried out.
  • a method is then proposed which is characterized by the following method steps: A target force to be exerted by the pressing element on the first workpiece is predetermined. The actual force exerted by the pressure element on the first workpiece is measured during the process. If the actual force deviates from the target force, the pressure element is continuously shifted approximately perpendicular to the weld seam in such a way that the actual force corresponds to the target force. The welding optics are moved together with the pressure element.
  • the sheets can be clamped against each other with a defined preload.
  • This target force can be specified constantly throughout the process.
  • a force profile can be stored beforehand. This pretensioning force is advantageously used when the through the heat input during welding of the workpieces should be compensated.
  • the clamping technology is very simple compared to the generic clamping, since there is no need for an additional actuator for the pressing element due to the fact that the welding optics and pressing element are moved together.
  • a joining gap between the workpieces is set using the method according to the invention.
  • the current height of the joint gap is measured during the process. If the current height deviates from a target height of the joint gap, the target force, the input of the subordinate force control circuit, is changed until the target height and current height match (claim 2).
  • control loop Since an additional, higher-level control loop is provided in addition to the force control loop for setting the gap height, high precision and reproducibility can be achieved compared to the generic method.
  • the control is also able to compensate for component inaccuracies and unevenness.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously when welding workpieces coated with zinc alloys.
  • the method can solve the problems that occur because the evaporation temperature of the coating is significantly lower than the melting point of the sheet metal material:
  • the coating material evaporates during the welding process, gets into the molten metal and leads to it a porous and poor quality weld. These vapors can escape through the joint between the components to be welded.
  • This degassing gap is without spacers or previously used a special profiling of the sheet edges is created. In this way, high-quality welding of coated sheets is achieved (claim 3).
  • the height of the joint gap is advantageously in the range from 0.1 mm to 0.3 mm. This height has proven to be advantageous when welding coated workpieces, in particular body panels, since on the one hand it is still possible to weld through both panels and a bulge in the seam or root is prevented. On the other hand, the height of the gap is large enough to ensure good removal of the gases (claim 4).
  • the process parameters are expediently set such that the force control has a faster dynamic than the control of the height of the joining gap.
  • the subordinate force control loop has a dynamic that is fast enough so that the required target force with which the pressing element presses the first workpiece against the second workpiece is immediately set in the position control loop for the gap (claim 5).
  • the two workpieces are connected to one another by a fillet weld.
  • the two workpieces can be connected to one another by means of an overlap seam.
  • a device for carrying out the method according to the invention which comprises a displacement unit, a welding lens attached to the displacement unit, a displaceable pressing element and a sensor for measuring the force applied by the pressing element.
  • the welding optics and the pressure element are rigidly connected to each other. In this way, an im Compared to the generic device, compact design with a correspondingly small installation space can be achieved, since the welding optics and pressing element can be moved together. Thus, the additional actuator for the pressing element is omitted.
  • the force sensor in the device according to the invention is less susceptible to faults and failures than the sensor provided in the device of the generic type, since the sensor can be integrated directly between the displacement unit and the pressing element.
  • a robot is advantageously provided as the displacement unit. This robot offers the greatest possible flexibility when welding the workpieces, since it allows movements of the welding optics in all degrees of freedom (claim 9).
  • the device expediently comprises a gap sensor for measuring the current height of the joining gap in a welding area.
  • the method according to the invention can be used to set a certain joint gap between the workpieces (claim 10).
  • an optical triangulation sensor is provided as the gap sensor.
  • These sensors are commercially available and are in wide industrial use (claim 11).
  • an ultrasonic sensor is provided as the gap sensor.
  • This sensor is not as sensitive to contamination as splashes that occur during welding like an optical sensor. Furthermore, it can be integrated directly into the welding head, which again significantly reduces the installation space of the device (claim 12).
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device for carrying out the method for welding two workpieces
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the device for carrying out the method with simultaneous setting of a joining gap
  • Fig. 4 shows a control loop for controlling the height of the joint gap
  • Fig. 5 two workpieces when performing the method.
  • the device 1 shows a structure of a device 1 for welding two workpieces 2, 3 with the aid of laser welding optics 4 along a weld seam 5.
  • the feed direction is parallel to the plane of the drawing.
  • the device 1 further comprises a displacement unit 6 and a displaceable pressing element 7.
  • the pressing element 7 is a pressure roller, but it can also be designed as a runner or as a ball.
  • a force-torque sensor 8 is arranged between the displacement unit 6 and the welding optics 4. The force-torque sensor 8 measures the force that occurs approximately perpendicular to the weld 5. Welding optics 4 and pressing element 7 are rigidly connected to one another and are moved together by the displacement unit 6.
  • the displacement unit 6 is, for example, a six-axis robot 9 in an articulated arm design, with its end effector welding optics 4 and pressing element 7 being connected. However, displacement units 6 with fewer degrees of freedom can also be provided. For welding a straight seam, two degrees of freedom, such as that of a robot 9 in portal construction, are theoretically sufficient.
  • the device 1 further comprises a control unit 10, in which the software or the implemented control algorithm for carrying out the method is stored. If a robot 9 is used as the displacement unit 6, this control unit 10 is integrated in a control unit 11 of the robot 9.
  • FIG. 2 schematically illustrates a force control circuit 12, according to which the method runs.
  • the method is composed of the following steps: During the welding of the two workpieces 2, 3, the workpieces 2, 3 are to be pressed onto one another with a defined force, a desired force 13.
  • This target force 13 is predetermined in advance and remains constant during the welding process or, as described further below, is changed according to a force profile stored in the control unit 10.
  • the force-torque sensor 8 measures an actual force 14 with which the pressing element 7 presses the first workpiece 2 approximately perpendicularly to the weld seam 5 against the second workpiece 3. This actual force 14 is subtracted from the target force 13.
  • the resulting force difference 15 is corrected in the closed force control circuit 12 by a force controller 16.
  • the input of the force controller 16 is the force difference 15 and the manipulated variable, that is to say the output of the force controller 16, a feed 17 by which the pressing element 7 is moved in the direction perpendicular to the workpieces 2, 3. This feed movement does not take place here via a separate movement of the pressing element 7, rather the displacement unit 6 moves the pressing element 7 and the welding optics 4 together.
  • the displacement unit 6, as mentioned above, is a robot 9, the required feed movement is achieved by a corresponding movement of the robot axes.
  • the required force with which the workpieces 2, 3 are pressed against one another is therefore not achieved via a linear unit for displacing the press elements 7, but applied via the robot 9 itself.
  • the force controller 16 can be a linear controller that is widely used in industrial use, for example a PID controller. Of course, more complex, non-linear controllers can also be used. The choice and parameterization of the controller primarily depends on the required accuracy, speed and robustness of the control.
  • the method described can be used, for example, to prevent the heat distortion of the workpieces 2, 3, which normally occurs during welding due to the heat introduced into the workpieces 2, 3.
  • the two workpieces 2, 3 are pressed together under a certain preload.
  • this pretensioning force can be stored in advance in the control unit 10 as a force profile as a function of the weld seam length or, if appropriate, be specified as a constant target force 13.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the device 1. Compared to the device 1 shown in FIG. 1, it is shown rotated by 90 °, so that the feed direction is perpendicular to the plane of the drawing.
  • a joining gap 18 is to be set between the two workpieces 2, 3.
  • This joining gap 18 is required above all if the two workpieces 2, 3 have a coating 19 made of a material whose evaporation temperature is below the melting temperature of the material of the workpieces 2, 3. Then the vapors must be able to escape through the joining gap 18.
  • the height of this joint gap 18 may only vary within relatively narrow limits (0.1-0.3 mm), so it must be set with high precision.
  • the force-torque sensor 8 is provided in this device 1. playfully arranged in another place.
  • the force-torque sensor 8 is designed so rigid that a rigid connection exists between the welding optics 4 and the pressing element 7.
  • the device 1 comprises a gap sensor 20 which is attached to the welding optics 4 in this exemplary embodiment.
  • the gap sensor 20 can also be integrated into the pressing element 7.
  • An optical triangulation method or ultrasound is used as the measuring principle.
  • a gap sensor 20 which works according to the triangulation principle, must always be attached to the side of the device 1 such that it can detect the joining gap 18 between the workpieces 2, 3 from an oblique position.
  • a line is projected by a camera at an angle into the joining gap 18 by a camera and, based on the offset of the projection, the actual height of the joining gap 18 is inferred when the angle is known.
  • An ultrasonic sensor on the other hand, can also be mounted vertically directly above the weld seam 5, e.g. be integrated into the welding optics 4. It measures the reflections of the sound it emits from the two workpieces 2, 3. This allows conclusions to be drawn as to the height of the joining gap 18. As a result, an ultrasonic sensor can also be used for fillet welds and lap seams.
  • the geometry of the workpieces 2, 3 is designed such that when they are brought together they have a gap from the outset, which is reduced to the desired height by being pressed together by the pressing element 7.
  • a setpoint gap 22 is predetermined as a setpoint for the position control loop 21 before the start of the welding process.
  • the gap sensor 20 continuously measures During the duration of the method, an actual gap 23, ie the current height of the joining gap 18.
  • a gap difference 24 consisting of the target gap 22 and the actual gap 23 is the input variable of a position controller 25.
  • the manipulated variable is a target force 13 which is used for Setting the desired target gap 22 is required.
  • This target force 13 is then the input of a subordinate force control circuit 12 (indicated by a dashed frame) which corresponds to that shown in FIG. 2.
  • the target force 13 is not fixed here, but changes continuously in the course of the method.
  • the target force 13 is set, which is required to set a joint gap 18 of the desired height.
  • the rigidity 26 of the workpieces 2, 3, which has to be overcome by the pressing element 7, plays a decisive role.
  • this stiffness 26 need not be known, since the joining gap 18 is set to the exact height independently of it in the closed control loop. Since the rigidity 26 is relatively high in most industrial applications, the cascaded position control loop 21 presented here with subordinate force control offers the required accuracy for the joining gap 18 compared to a simple position control loop.
  • Disturbances 27 occurring during the process are compensated for by the control, so that a constant gap height is achieved over the entire process.
  • the following disturbance variables 27 can occur: dirt on the workpieces 2, 3, distortion of the workpieces 2, 3 due to the influence of heat, edges, dents or kinks in the workpieces 2, 3.
  • Linear standard controllers or more complex control laws can also be used here as position controllers 25.
  • care should be taken that the underlying force control loop 12 is designed by the dynamics so that it is clear is faster than the superimposed position controller 25, since otherwise the entire control loop may behave unstably.
  • FIG. 5 shows the two workpieces 2, 3 in a cross section while the method is being carried out.
  • the workpieces are to be connected to one another by an overlap seam 28.
  • the first workpiece 2 is pressed with a desired force 13 by the pressing element 7 against the second workpiece 3 such that a joint gap 18 is created between the two workpieces 2, 3.
  • their rigidity 26 exerts a counterforce directed against the feed direction of the pressing element 7.
  • a gap measurement 29 takes place continuously during the process, in this case obliquely from the edge 30 of the workpieces 2, 3.
  • a laser beam 31 generated by the welding optics 4 can also be seen, which melts the two workpieces 2, 3 in a welding area 32, which approximately corresponds to the incidence area of the laser beam 31 on the first workpiece 2, and produces a weld seam 5.
  • Welding optics 4 and pressing element 7 are moved together, so that the correct height of the joining gap 18 is always set in the welding area 32.
  • the method and the device are not limited to the exemplary embodiments shown above.
  • the two workpieces 2, 3 need not necessarily have a coating.
  • the method is also suitable for welding workpieces, of which only one or none is coated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweissen zweier Werkstücke (2,3) mit einer Schweissoptik (4) entlang einer Schweissnaht (5), bei dem ein erstes Werkstück (2) mit Hilfe eines verschieblichen Anpresselements (7) gegen ein zweites Werkstück (3) gepresst wird, wobei die vom Anpresselement (7) auf das erste Werkstück (2) ausgeübte Ist-Kraft prozessbegleitend gemessen wird. Um eine hohe Genauigkeit bei geringem Bauraum zu erreichen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass eine Soll-Kraft fest vorgegeben wird, und bei Abweichungen der Ist-Kraft von der Soll-Kraft das Anpresselement (7) näherungsweise senkrecht zur Schweissnaht (5) kontinuierlich so verschoben wird, dass die Ist-Kraft der Soll-Kraft entspricht, wobei die Schweissoptik (4) gemeinsam mit dem Anpresselement (7) verschoben wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen zweier Werkstücke mit einer Schweißoptik, bei dem ein erstes Werkstück mit Hilfe eines verschieblichen Anpresselements gegen ein zweites Werkstück gepresst wird, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
In der Automobilindustrie werden zum Verschweißen von Karosserieblechen verstärkt Laserschweißverfahren eingesetzt, da es sich um ein hochgenaues und sehr schnelles Fügeverfahren handelt. Allerdings muss bei den meisten Anwendungen eine relativ aufwendige Spanntechnik vorgesehen werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Verfahren teilweise wieder eingeschränkt wird.
Aus der gattungsbildenden DE ... (noch nicht veröffentlicht, amtl. Aktz. 10218179.9-45) ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Spannen zweier Werkstücke bekannt, die durch ein Schweißverfahren verbunden werden sollen. Die Vorrichtung um- fasst ein Anpresselement, welches eines der beiden Werkstücke relativ zu dem anderen Werkstück bewegt und dabei abwechselnd einen Nullspalt und einen Entgasungsspalt • zwischen den Werkstücken erzeugt. Die Relativbewegung zwischen den Werkstücken ist dabei kraft- und/oder weggesteuert. Die separate Steuerung für das Anpresselement, welche in der Regel durch eine pneumatische Lineareinheit erfolgt, benötigt jedoch noch einen gewissen zusätzlichen Bauraum.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem mit minimalem Bauraum die Werkstücke qualitativ hochwertig, verzugsarm und reproduzierbar zum Schweißen relativ zueinander eingespannt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist der Vorschlag einer Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst .
Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Eine vom Anpresselement auf das erste Werkstück auszuübende Soll-Kraft wird fest vorgegeben. Prozessbegeleitend wird die vom Anpresselement auf das erste Werkstück ausgeübte Ist-Kraft gemessen. Bei Abweichungen der Ist-Kraft von der Soll-Kraft wird das Anpresselement näherungsweise senkrecht zur Schweißnaht kontinuierlich so verschoben, dass die Ist-Kraft der Soll-Kraft entspricht. Dabei wird die Schweißoptik gemeinsam mit dem Anpresselement verschoben.
Durch die Tatsache, dass die Kraft, mit der die Werkstücke vom Anpresselement aufeinandergepresst werden, geregelt wird, ist eine präzisere Einstellung der Spanntechnik als bei einer reinen Steuerung, wie sie in dem gattungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, möglich.
So können die Bleche mit einer definierten Vorspannkraft gegeneinander eingespannt werden. Diese Soll-Kraft kann während des gesamten Verfahrens konstant vorgegeben werden. Alternativ kann vorher ein Kraftprofil abgelegt werden. Diese Vorspannkraft kommt dann vorteilhaft zum Einsatz, wenn der durch die Wärmeeinbringung beim Schweißen entstehende Verzug der Werkstücke ausgeglichen werden soll.
Die Spanntechnik ist sehr einfach gegenüber der gattungsgemäßen Einspannung, da auf einen zusätzlichen Aktuator für das Andrückelement verzichtet werden kann durch die Tatsache, dass Schweißoptik und Anpresselement gemeinsam verschoben werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mit dem erfin- dύngsgemäßen Verfahren ein Fügespalt zwischen den Werkstücken eingestellt. Dabei wird die aktuelle Höhe des Fügespaltes prozessbegleitend gemessen. Bei Abweichungen der aktuellen Höhe von einer Soll-Höhe des Fügespaltes wird die Soll-Kraft, der Eingang des unterlagerten Kraftregelkreises, solange verändert, bis Soll-Höhe und aktuelle Höhe übereinstimmen (Anspruch 2) .
Da für die Einstellung der Spalthöhe neben dem Kraftregelkreis ein zusätzlicher, übergeordneter Regelkreis vorgesehen ist, ist gegenüber dem gattungsgemäßen Verfahren eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit erzielbar. Ferner ist die Regelung in der Lage, Bauteil-Ungenauigkeiten und -Unebenheiten auszugleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft beim Schweißen von mit Zinklegierungen beschichteten Werkstücken einsetzbar. Mit dem Verfahren können durch die Einstellung eines definierten Fügespaltes die Probleme gelöst werden, die auftreten, weil die Verdampfungstemperatur der Beschichtung deutlich niedriger ist als der Schmelzpunkt des Blechwerkstoffs: In diesem Fall verdampft der Beschichtungswerkstoff während des Schweißvorgangs, gelangt in die Metallschmelze und führt so zu einer porösen und qualitativ schlechten Schweißnaht. Durch den Fügespalt zwischen den zu verschweißenden Bauteilen können diese Dämpfe entweichen. Dieser Entgasungsspalt wird ohne bisher verwendete Abstandhalter oder eine spezielle Profilierung der Blechkanten erzeugt. So wird eine qualitativ hochwertige Schweißung beschichteter Bleche erzielt (Anspruch 3) .
Vorteilhafterweise liegt die Höhe des Fügespaltes im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm. Diese Höhe hat sich beim Schweißen beschichteter Werkstücke, insbesondere von Karosserieblechen, als vorteilhaft erwiesen, da einerseits noch durch beide Bleche durchgeschweißt werden kann und eine Naht- bzw. Wurzelunterwölbung verhindert wird. Andererseits ist so die Höhe des Spaltes groß genug, um für eine gute Abfuhr der Gase zu sorgen (Anspruch 4) .
Zweckmäßigerweise werden die Verfahrensparameter so eingestellt, dass die Kraftregelung eine schnellere Dynamik aufweist als die Regelung der Höhe des Fügespaltes. So besitzt der unterlagerte Kraftregelkreis eine Dynamik, die schnell genug ist, damit sich im Positionsregelkreis für den Spalt die jeweils benötigte Soll-Kraft, mit der das Anpresselement das erste Werkstück gegen das zweite Werkstück drückt, umgehend einstellt (Anspruch 5) .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die beiden Werkstücke durch eine Kehlnaht miteinander verbunden. Alternativ können die beiden Werkstücke durch eine Überlappnaht miteinander verbunden werden. So werden die allgemein üblichen Νahtgeometrien durch das erfindungsgemäße Verfahren abgedeckt, und es ergibt sich ein breites Einsatzgebiet (Anspruch 6 und 7) .
Vorgeschlagen wird weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des er indungsgemäßen Verfahrens, welche eine Verschiebeeinheit, eine an der Verschiebeeinheit angebrachte Schweißoptik, ein verschiebliches Anpresselement sowie einen Sensor zur Messung der durch das Anpresselement aufgebrachten Kraft umfasst. Dabei sind die Schweißoptik und das Anpresselement starr miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zur gattungsgemäßen Vorrichtung kompakte Bauweise mit dementsprechend geringem Bauraum erreicht werden, da Schweißoptik und Anpresselement gemeinsam verschoben werden können. Somit entfällt der zusätzliche Aktuator für das Anpresselement (Anspruch 8) .
Ferner ist der Kraft-Sensor in der erfindungsgemäßen Vorrichtung weniger anfällig gegenüber Störungen und Ausfällen als der in der gattungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Sensor, da der Sensor direkt zwischen Verschiebeeinheit und Anpresselement integriert werden kann.
Vorteilhafterweise ist als Verschiebeeinheit ein Roboter vorgesehen. Dieser Roboter bietet eine größtmögliche Flexibilität beim Schweißen der Werkstücke, da er Bewegungen der Schweißoptik in allen Freiheitsgraden erlaubt (Anspruch 9) .
Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung einen Spaltsensor zur Messung der aktuellen Höhe des Fügespaltes in einem Schweißbereich. So kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung eines bestimmten Fügespaltes zwischen den Werkstücken verwendet werden (Anspruch 10) .
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Spaltsensor ein optischer Triangulationssensor vorgesehen. Diese Sensoren sind kommerziell erhältlich und befinden sich in weitem industriellen Einsatz (Anspruch 11) .
Alternativ ist als Spaltsensor ein Ultraschallsensor vorgesehen. Dieser Sensor ist nicht so empfindlich gegenüber Verschmutzungen wie beim Schweißen entstehenden Spritzern wie ein optischer Sensor. Ferner kann er direkt in den Schweißkopf integriert werden, was den Bauraum der Vorrichtung noch einmal deutlich verringert (Anspruch 12) .
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor. In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schweißen zweier Werkstücke,
Fig. 2 einen Regelkreis zur Regelung der Kraft,
Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit gleichzeitigem Einstellen eines Fügespaltes,
Fig. 4 einen Regelkreis zur Regelung der Höhe des Fügespaltes sowie
Fig. 5 zwei Werkstücke bei der Durchführung des Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Schweißen zweier Werkstücke 2,3 mit Hilfe einer Laser-Schweißoptik 4 entlang einer Schweißnaht 5. Die Vorschubrichtung liegt dabei parallel zur Zeichenebene. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Verschiebeeinheit 6 und ein verschiebliches Anpresselement 7. Das Anpresselement 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Andrückrolle, es kann aber auch als Kufe oder als Kugel ausgestaltet sein. Zwischen der Verschiebeeinheit 6 und der Schweißoptik 4 ist ein Kraft-Momenten-Sensor 8 angeordnet. Der Kraft-Momenten-Sensor 8 misst die Kraft, die näherungsweise senkrecht zur Schweißnaht 5 auftritt. Schweißoptik 4 und Anpresselement 7 sind starr miteinander verbunden und werden gemeinsam durch die Verschiebeeinheit 6 bewegt . Die Verschiebeeinheit 6 ist beispielsweise ein sechsachsiger Roboter 9 in Knickarmbauweise, mit dessen Endeffektor Schweißoptik 4 und Anpresselement 7 verbunden sind. Es können aber auch Verschiebeeinheiten 6 mit weniger Freiheitsgraden vorgesehen werden, zum Schweißen einer geraden Naht sind theoretisch auch zwei Freiheitsgrade, wie sie z.B. ein Roboter 9 in Portalbauweise aufweist, ausreichend. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Regeleinheit 10, in der die Software beziehungsweise der implementierte Regelalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens abgelegt ist. Wird ein Roboter 9 als Verschiebeeinheit 6 verwendet, so ist diese Regeleinheit 10 in eine Steuereinheit 11 des Roboters 9 integriert .
Fig. 2 illustriert schematisch einen Kraftregelkreis 12, nach dem das Verfahren abläuft. Das Verfahren setzt sich aus den folgenden Schritten zusammen: Während des Schweißens der beiden Werkstücke 2,3 sollen die Werkstücke 2,3 mit einer definierten Kraft, einer Soll-Kraft 13 aufeinandergepresst werden. Diese Soll-Kraft 13 wird vorher fest vorgegeben und bleibt während des Schweißvorgangs konstant bzw. wird, wie weiter unten beschrieben, nach einem in der Regeleinheit 10 abgelegten Kraftprofil verändert .
Der Kraft-Momenten-Sensor 8 misst während der Dauer des Verfahrens eine Ist-Kraft 14, mit der das Anpresselement 7 das erste Werkstück 2 näherungsweise senkrecht zμr Schweißnaht 5 gegen das zweite Werkstück 3 drückt. Diese Ist-Kraft 14 wird von der Soll-Kraft 13 subtrahiert. Die sich dabei ergebende Kraftdifferenz 15 wird in dem geschlossenen Kraftregelkreis 12 durch einen Kraftregler 16 ausgeregelt . Dabei ist der Eingang des Kraftreglers 16 die Kraftdifferenz 15 und die Stellgröße, also der Ausgang des Kraftreglers 16, ein Vorschub 17, um den das Anpresselement 7 in der Richtung senkrecht zu den Werkstücken 2,3 bewegt wird. Diese Vorschubbewegung erfolgt hier nicht über eine separate Bewegung des Anpresselements 7, vielmehr verschiebt die Verschiebeeinheit 6 Anpresselement 7 und Schweißoptik 4 gemeinsam. Handelt es sich bei der Verschiebeeinheit 6, wie oben erwähnt, um einen Roboter 9, so wird die benötigte Vorschubbewegung durch eine entsprechende Bewegung der Roboterachsen erreicht. Die benötigte Kraft, mit der die Werkstücke 2, 3 aufeinandergepresst werden, wird somit nicht über eine Lineareinheit zur Verschiebung des An- presselements 7, sondern über den Roboter 9 selber aufgebracht .
Bei dem Kraftregler 16 kann es sich um einen linearen, im industriellen Einsatz weit verbreiteten Regler handeln, beispielsweise um einen PID-Regler. Es können natürlich auch komplexere, nichtlineare Regler zum Einsatz kommen. Die Wahl und die Parametrierung des Reglers hängt vor allem von der benötigten Genauigkeit, Schnelligkeit und Robustheit der Regelung ab.
Das beschriebene Verfahren kann zum Beispiel eingesetzt werden, um den Wärmeverzug der Werkstücke 2,3 zu verhindern, der normalerweise beim Schweißen durch die dabei in die Werkstücke 2,3 eingebrachte Wärme entsteht. Dazu werden die beiden Werkstücke 2,3 unter einer bestimmten Vorspannkraft zusammen- gepresst. Diese Vorspannkraft kann in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie im Vorfeld als Kraftprofil als Funktion der Schweißnahtlänge in der Regeleinheit 10 abgelegt werden oder gegebenenfalls als konstante Soll-Kraft 13 vorgegeben werden.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist sie um 90° gedreht gezeigt, so dass die Vorschubrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Mit dieser Vorrichtung 1 soll zwischen den beiden Werkstücken 2,3 ein Fügespalt 18 eingestellt werden. Dieser Fügespalt 18 wird vor allem dann benötigt, wenn die beiden Werkstücke 2,3 eine Beschichtung 19 aus einem Werkstoff aufweisen, dessen Verdampfungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs der Werkstücke 2,3 liegt. Dann müssen die Dämpfe durch den Fügespalt 18 entweichen können. Die Höhe dieses Fügespaltes 18 darf nur in relativ engen Grenzen (0,1-0, 3mm) variieren, muss also hochgenau eingestellt werden.
Im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist bei dieser Vorrichtung 1 der Kraft-Momenten-Sensor 8 bei- spielhaft an einer anderen Stelle angeordnet. Der Kraft- Momenten-Sensor 8 ist so steif ausgelegt, dass zwischen Schweißoptik 4 und Anpresselement 7 eine starre Verbindung existiert. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 einen Spaltsensor 20, der in diesem Ausführungsbeispiel an der Schweißoptik 4 angebracht ist. Der Spaltsensor 20 kann aber auch in das Anpresselement 7. integriert sein. Als Messprinzip wird dabei beispielsweise ein optisches Triangulationsverfahren oder Ultraschall verwendet .
Ein Spaltsensor 20, der nach dem Triangulationsprinzip arbeiten, muss immer seitlich so an der Vorrichtung 1 angebracht werden, dass er den Fügespalt 18 zwischen den Werkstücken 2,3 aus einer schrägen Position erfassen kann. Dabei wird durch eine Kamera unter einem Winkel eine von einem Laserstrahl in den Fügespalt 18 projizierte Linie gemessen und anhand des Versatzes der Projektion bei bekannter Größe des Winkels auf die tatsächliche Höhe des Fügespaltes 18 geschlossen.
Ein Ultraschallsensor hingegen kann auch senkrecht direkt über der Schweißnaht 5 angebracht sein, also z.B. in die Schweißoptik 4 integriert sein. Er misst die Reflexionen des von ihm ausgesendeten Schalls der beiden Werkstücke 2,3. Dadurch kann auf die Höhe des Fügespaltes 18 geschlossen werden. Infolgedessen kann ein Ultraschallsensor auch bei Kehl- nähten und bei Überlappnähten eingesetzt werden.
Die Werkstücke 2,3 sind von ihrer Geometrie so ausgelegt, dass sie beim Zusammenbringen von vornherein einen Spalt aufweisen, der durch Zusammenpressen durch das Anpresselement 7 auf die gewünschte Höhe verkleinert wird.
In Fig. 4 ist ein Positionsregelkreis 21 gezeigt, mit dem die gewünschte Höhe für den Fügespalt 18 mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann. Als Sollwert für den Positionsregelkreis 21 wird ein Soll-Spalt 22 vor dem Beginn des Schweißverfahrens fest vorgegeben. Der Spaltsensor 20 misst kontinu- ierlich während der Dauer des Verfahrens einen Ist-Spalt 23, also die aktuelle Höhe des Fügespaltes 18. Eine Spaltdifferenz 24 aus Soll-Spalt 22 und Ist-Spalt 23 ist die Eingangsgröße eines Positionsreglers 25. Stellgröße ist eine Soll- Kraft 13, die zum Einstellen des gewünschten Soll-Spalts 22 benötigt wird.
Diese Soll-Kraft 13 ist dann der Eingang eines unterlagerten Kraftregelkreises 12 (durch einen gestrichelten Rahmen gekennzeichnet) , der dem in Fig. 2 dargestellten entspricht. Im Unterschied zu der oben dargestellten reinen Kraftregelung ist hier die Soll-Kraft 13 nicht fest vorgegeben, sondern ändert sich kontinuierlich im Laufe des Verfahrens. In diesem unterlagerten Kraftregelkreis 12 wird die Soll-Kraft 13 eingestellt, die benötigt wird, um einen Fügespalt 18 der gewünschten Höhe einzustellen. In dem überlagerten Positionsregelkreis 21 für die Spalthöhe spielt die Steifigkeit 26 der Werkstücke 2,3, die durch das Anpresselement 7 überwunden werden muss, eine entscheidende Rolle. Diese Steifigkeit 26 muss jedoch nicht bekannt sein, da der Fügespalt 18 im geschlossenen Regelkreis unabhängig davon auf die exakte Höhe eingestellt wird. Da die Steifigkeit 26 bei den meisten industriellen Anwendungen relativ hoch ist, bietet der hier vorgestellte kaskadierte Positionsregelkreis 21 mit unterla- gerter Kraftregelung gegenüber einem einfachen Positionsregelkreis die geforderte Genauigkeit für den Fügespalt 18.
Während des Verfahrens auftretende Störgrößen 27 werden durch die Regelung ausgeglichen, so dass über den gesamten Verfahrensablauf eine konstante Spalthöhe erreicht wird. Als Störgrößen 27 können auftreten: Schmutz auf den Werkstücken 2,3, Verzug der Werkstücke 2,3 durch Wärmeeinfluss, Kanten, Beulen oder Knicke in den Werkstücken 2,3. Als Positionsregler 25 können auch hier lineare Standardregler oder komplexere Regelgesetze zum Einsatz kommen. Bei diesem Regelkreis sollte darauf geachtet werden, dass der unterlagerte Kraftregelkreis 12 von der Dynamik so ausgelegt wird, dass er deutlich schneller ist als der überlagerte Positionsregler 25, da es sonst zu instabilem Verhalten des gesamten Regelkreises kommen kann.
In Fig. 5 ist sind die beiden Werkstücke 2,3 während der Durchführung des Verfahrens in einem Querschnitt dargestellt. Die Werkstücke sollen durch eine Überlappnaht 28 miteinander verbunden werden. Das erste Werkstück 2 wird mit einer Soll- Kraft 13 von dem Anpresselement 7 so gegen das zweite Werkstück 3 gedrückt, dass ein Fügespalt 18 zwischen den beiden Werkstücken 2,3 entsteht. Dadurch, dass die beiden Werkstücke 2,3 schon vor Durchführung des Verfahrens einen Spalt aufweisen, der durch die Positionsregelung gezielt auf die gewünschte Höhe verkleinert wird, bringen sie durch ihre Steifigkeit 26 eine entgegen der Vorschubrichtung des Anpresselements 7 gerichtete Gegenkraft auf. Während des Verfahrens erfolgt kontinuierlich eine Spaltmessung 29, in diesem Fall schräg vom Rand 30 der Werkstücke 2,3 her. Zu erkennen ist ferner ein von der Schweißoptik 4 erzeugter Laserstrahl 31, der die beiden Werkstücke 2,3 in einem Schweißbereich 32, welcher in etwa der Auftreffflache des Laserstrahls 31 auf dem ersten Werkstück 2 entspricht, aufschmilzt und eine Schweißnaht 5 erzeugt. Schweißoptik 4 und Anpresselement 7 werden gemeinsam verschoben, so dass im Schweißbereich 32 immer die richtige Höhe des Fügespaltes 18 eingestellt wird.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung sind nicht beschränkt auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr müssen die beiden Werkstücke 2,3 nicht unbedingt eine Beschichtung aufweisen. Das Verfahren eignet sich auch zum Schweißen von Werkstücken, von denen nur eins oder keins mit einer Beschichtung versehen ist .
Ferner können neben der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Überlappnaht 28 auch andere Nahtgeometrien erzeugt werden, beispielsweise eine Kehlnaht.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schweißen zweier Werkstücke mit einer Schweißoptik, bei dem ein erstes Werkstück während des Schweißens entlang einer Schweißnaht mit Hilfe eines ver- schieblichen Anpresselements gegen ein zweites Werkstück gepresst wird, wobei die vom Anpresselement auf das erste Werkstück ausgeübte Ist-Kraft prozessbegleitend gemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Soll-Kraft (13) fest vorgegeben wird, und bei Abweichungen der Ist-Kraft (14) von der Soll-Kraft (13) das Anpresselement (7) näherungsweise senkrecht zur Schweißnaht (5) kontinuierlich so verschoben wird, dass die Ist-Kraft (14) der Soll-Kraft (13) entspricht, wobei die Schweißoptik (4) gemeinsam mit dem Anpresselement (7) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den Werkstücken (2,3) ein Fügespalt (18) eingestellt wird, wobei ein Ist-Spalt (23) prozessbegleitend gemessen wird, und bei Abweichungen des Ist-Spaltes (23) von einem Soll-Spalt (22) die Soll-Kraft (13) solange verändert wird, bis Soll-Spalt (22) und Ist-Spalt (23) übereinstimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eines der Werkstücke (2,3) eine Beschichtung (19) aus einem Zink-Werkstoff aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Höhe des Fügespaltes (18) im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verfahrensparameter so eingestellt werden, dass die Einstellung der Soll-Kraft (13) eine schnellere Dynamik aufweist als die Einstellung des Fügespaltes (18) .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Werkstücke (2,3) durch eine Kehlnaht miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass die beiden Werkstücke (2,3) durch eine Überlappnaht
(28) miteinander verbunden werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche eine Verschiebeeinheit (6) , eine an der Verschiebeeinheit (6) angebrachte Schweißoptik (4) , ein verschiebliches Anpresselement (7) sowie einen Sensor (8) zur Messung der durch das Anpresselement (7) aufgebrachten Kraft umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schweißoptik (4) und das Anpresselement (7) starr miteinander verbunden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Verschiebeeinheit (6) ein Roboter (9) vorgesehen ist .
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtung (1) einen Spaltsensor (20) zur Messung eines Ist-Spaltes (23) in einem Schweißbereich (32) umfasst .
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Spaltsensor (20) ein optischer Triangulationssensor vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Spaltsensor (20) ein Ultraschallsensor vorgesehen ist .
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