WO2011098377A1 - Vorrichtung und verfahren zum kontinuierlichen verschweissen von bändern und/ oder blechen unter verwendung zweier zueinander versetzter schweissköpfen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum kontinuierlichen verschweissen von bändern und/ oder blechen unter verwendung zweier zueinander versetzter schweissköpfen Download PDF

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welded
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Gerhard Alber
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Thyssenkrupp Lasertechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the continuous welding of taped strips or sheets at their abutting edges by means of at least two
  • Welding heads in particular laser welding heads, and on both sides of the strips or sheets to be welded arranged in pairs perpendicular to their direction of tension rollers which form a gap in the region of the impact of the bands or sheets through which an energy beam emanating from a first of the at least two welding heads meets the band or longitudinal edges to be welded, with a second of the at least two
  • Plates is arranged, the energy beam strikes there on the band or longitudinal edges to be welded.
  • Such a device is known from DE 37 23 611 C2.
  • the device works with at least one laser beam.
  • Their tensioning rollers consist of hollow shafts and roll sleeves mounted thereon and arranged at an axial distance from one another, wherein each laser beam welding head is arranged in the interior of the hollow axle of at least one tensioning roller.
  • the gap between the roller shells and an opening in the hollow axle serve as a passage for the laser beam.
  • single welding head is provided in one of the two opposing tension rollers.
  • Laser beam in the heat conduction mode are melted over substantially the entire weld cross-section, with a relative movement between the metal components and the
  • Arrangement of the positions of the welding jets in the weld direction are generated at least partially overlapping.
  • Sheet metal in a plant according to DE 37 23 611 C2 is that the sheets to be welded are cleaved.
  • the gap width is for example up to about 0.2 mm. Although the gap is very narrow, nevertheless, a relatively large proportion of
  • Laser welding heads is therefore at a continuous
  • the present invention has for its object to provide a device or a method for continuous welding of bumped bands that allow the production of a uniform and relatively smooth weld even with thin strips or sheets, and this with a significantly higher welding speed than it conventional
  • Welding systems of this kind can.
  • the device according to the invention has at least two
  • Welding heads which are arranged on both sides of the tapes or sheets to be welded and offset in the direction of the bands or sheets to each other, so that the impact of the welding jets (energy rays) to be welded to the strip or longitudinal edges of each other at least by the extent of
  • the distance between the two-sided welds is thus dimensioned so large that the second of the at least two welding heads is arranged neither in the tensioning roller surrounding the first welding head nor in the same opposite idler pulley.
  • the inventive method is characterized in that the at least two welding heads in
  • the energy beam powers of the at least two welding heads are set so that the The melt bath penetration depth generated by the respective energy beam does not extend beyond a partial thickness of the tapes or sheets to be welded or, in the case of tapes or sheets with different thicknesses, beyond a partial thickness of the thinner tapes or metal sheets to be welded.
  • Sequential welding processes allow continuous welding of butted strips to the butt edges at a high welding speed. Even with thin strips or sheets, even and relatively smooth welds can be achieved. At appropriate
  • a further embodiment of the device according to the invention provides that their welding heads are arranged so that the impact of their energy beams on the strip or longitudinal edges to be welded by an amount in the range of 15 cm to 200 cm, preferably in the range of 50 cm to 120 cm are spaced from each other.
  • the bands or plates attacking tension roller is designed for example as Speichenradkonstrument and having axially spaced-apart roller shells.
  • Roller carrier with drive rollers to promote the
  • the invention further provides that the roller carriers are movably mounted and provided with at least one drive, by means of which the roller carriers are movable parallel to the axes of rotation of the tension rollers.
  • the adjustment can be done by an appropriate control of the movable roller carrier associated drive.
  • an advantageous embodiment is further that the at least two welding heads are operated depending on the material, the thickness and / or the feed rate of the tapes or sheets to be welded with different energy beam power, so that on both sides of different welding bands or sheets
  • Melting bath areas can be chosen so that, for example, when welding coated metal sheets, a blasting of welding particles (dirt particles) is largely possible
  • the energy beam powers or penetration depths of the molten bath regions can be selected such that at least two of the first and second energy baths can be selected
  • the method according to the invention provides, in particular, for melting bath penetration depths to be generated with the first welding head and the at least one second welding head, which overlap by at least 10%, preferably at least 20%, wherein the same energy is preferably introduced at both points of impact of the energy beams.
  • the same energy is preferably introduced at both points of impact of the energy beams.
  • FIG. 1 shows a welding device according to the invention with a first tensioning roller station and a second tensioning roller station following in the direction of belt travel, in a side view
  • FIG. 2 shows the first tensioning roller station of the welding device of FIG. 1, in a vertical sectional view, wherein the upper tensioning rollers are provided with a laser welding device
  • FIG. 3 shows the second tensioning roller station of the welding device of FIG. 1, in a vertical sectional view, wherein the lower tensioning roller with a second
  • Fig. 4 shows a section of two at their abutting edges
  • FIG. 5 shows the section of the bands or sheets of FIG. 4 with a second weld carried out from below, again in vertical section view.
  • the device shown in Fig. 1 (Appendix) comprises guide means 1, 2 formed by roller tracks, with which two sheets or strips 3, 4 to be welded together at an acute angle are brought together in such a way that they are in
  • the upper tension roller 5 is freely rotatably mounted on the rocker 7, while the lower, mounted in a bearing block 10 tension roller 6 is preferably driven by a drive, not shown in the drawing.
  • the rocker 7 has two independently pivotable arms, each carrying a half 5.1, 5.2 of the tension roller 5 (see Fig. 2). This allows adjustment to different thick sheets or bands 3, 4.
  • the upper tension rollers 5.1, 5.2 each have a hollow axle (not shown) with a ball bearing roller shell 11, 12.
  • the roller shells 11, 12 are arranged at an axial distance from each other and form a gap between them 13.
  • the upper hollow shaft is in the region of the gap 13 divided to form ⁇ of a corresponding gap, while the lower clamping roller (base roll) 6 is designed as a spoke-and axially spaced roller shells 14, 15 has.
  • the lower tension roller 6 is rotatably mounted on a substantially continuous hollow shaft (not shown).
  • a substantially continuous hollow shaft (not shown).
  • the latter has an opening facing the gap 16 between the lower roll shells 14, 15, in which a discharge device (not shown) for the removal of welding fumes and / or radiated
  • welding particles (dirt particles) is arranged. Further, in the lower tension roller 6, between the spoked wheel structure, an inert gas supply means (not shown) is disposed. Y / js 091839WO February 1, 2011 The feed device and the gap 16 can be used to promote inert gas to the weld.
  • edges 17, 18 of the upper roll coats 11, 12 are circumferentially bevelled. This embodiment allows a close
  • the laser beam 20 is guided via a plurality of deflection mirrors 21, 22, 23 having optics in the welding head 20, which is provided with a focusing element, not shown, for example, a focusing lens.
  • a focusing element not shown, for example, a focusing lens.
  • an optical fiber cable connected to an Nd-YAG laser can be used for coupling in the energy output.
  • a measuring device for monitoring the weld joint may be provided, which may for example consist of a radiation source, in particular a laser, and a sensor, in particular a diode array camera.
  • the signals of the sensor are fed to an evaluation device, which determines the size and / or position of the welding gap (joint) with respect to desired position and / or nominal width and at a desired / actual value deviation control pulses to the actuator, which tracks according to the welding head 19.
  • Extension 17, 18 of the inner circumference of the upper roller shells 11, 12 to their facing, the gap 13 bounding sides allows an oblique orientation of the laser beam 20 on the joint without the laser beam 20 is obstructed by one of the roller shells 11, 12.
  • An oblique orientation of the laser beam 20 is common when welding different thick bands.
  • the laser beam 20 is usually directed perpendicular to the joining joint 24.
  • the welding apparatus shown in Fig. 1 is further provided with a second welding head 25 which is arranged on the underside of the bands 3, 4 and in the direction of the bands 3, 4 offset from the first welding head 19.
  • the two welding heads 19, 25 are arranged to each other, that the
  • Impact sites 26, 27 of their laser beams 20, 28 are spaced apart on the strip or longitudinal edges to be welded, for example by about 800 mm to 1200 mm, preferably 900 mm to 1000 mm.
  • the second welding head 25 is provided in a tensioning roller 30 following in the running direction of the belts 3, 4, which is freely rotatably mounted in a stationary bearing block 31.
  • the tensioning roller 30 in turn has a hollow axle with a ball-mounted roller shell 32 thereon.
  • the laser beam 28 facing side of the roll mantle 32 is also conical, so that the laser beam 28 can be aligned without interference by the roller shell obliquely on the joint 24, if on the underside of the tapes to be welded 3, 4 or plates a step change ( Dickensprung) is present.
  • the undersides of the bands 3, 4 to be welded are in one plane, so that the laser beam 28 is oriented perpendicular to the joining joint 24 or the bands 3, 4.
  • Laser beam 28 is guided via deflection mirror 33, 34, 35 and a focusing device, not shown, for example, a focusing lens on the joint 24.
  • a focusing device not shown, for example, a focusing lens on the joint 24.
  • an optical fiber cable can be used to reduce the number of parts.
  • the tension roller 30 is associated with an upper tension roller 36, which has a much smaller outer diameter than the lower
  • operable actuating cylinder 37 is mounted, which is connected to a
  • Boom 38 is posted, which in turn is mounted on the machine portal 8.
  • the height of the upper tension roller 36 can thus be adjusted depending on the thickness of the belt 3 to be clamped.
  • the drive rollers 39 are in at least one bridge-like
  • Roller carrier is movably mounted and not with one
  • the roller carrier is a sensor (not shown)
  • Device tapes 3, 4 welded with different thicknesses, so as a seam tracking sensor preferably a tactile sensor is used.
  • a seam tracking sensor preferably a tactile sensor is used.
  • Naht be used to control the laser beam 28. This design can then be used when the space required between the welding heads 19, 25 and the
  • FIGS 4 and 5 illustrate the basic principle of the sequential welding process according to the invention.
  • a first molten bath or weld seam region 40 is produced at the joining joint 24 from above.
  • Penetration depth of the melt pool area 40 is about 60% of
  • the penetration depth of the second or lower melt pool area 41 is selected so that it penetrates into the first weld area 40.
  • the temporally offset welding according to the invention enables a reduction of the energy input.
  • the reduction of the energy input has a positive effect on the bands or sheets 3, 4 to be joined, since this can limit the heat-affected zone. This in turn has a favorable effect on the mechanical properties of the tapes or sheets 3, 4 welded in this way.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zum kontinuierlichen Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern bzw. Blechen (3, 4) an deren Stoßkanten mit mindestens zwei Schweißköpfen (19, 25), insbesondere Laserschweißköpfen, und auf beiden Seiten der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche (3, 4) paarweise senkrecht zu deren Laufrichtung angeordneten Spannrollen (5, 6), die im Bereich des Stoßes (24) der Bänder bzw. Bleche (3, 4) einen Spalt bilden, durch den ein von einem ersten (19) der mindestens zwei Schweißköpfe ausgehender Energiestrahl auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft, wobei ein zweiter (25) der mindestens zwei Schweißköpfe auf der gegenüberliegenden Seite der Bänder bzw. Bleche (3, 4) angeordnet ist, dessen Energiestrahl dort auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft, wobei die mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) in Laufrichtung der Bänder bzw. Bleche (3, 4) versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Auftreffstellen (26, 27) der Energiestrahlen auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten voneinander mindestens um das Maß des halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl zugewandten Spannrolle (6) beabstandet sind.

Description

1. Februar 2011
VORRICHTUNG UND VERFAHREN UM KONTINUIERLICHEN VERSCHWEISSEN VON BÄNDERN UND/ ODER BLECHEN UNTER VERWENDUNG ZWEIER ZUEINANDER VERSETZTER SCHWEISSKÖPFEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern bzw. Blechen an deren Stoßkanten mittels mindestens zweier
Schweißköpfe, insbesondere Laserschweißköpfe, und auf beiden Seiten der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche paarweise senkrecht zu deren Laufrichtung angeordneter Spannrollen, die im Bereich des Stoßes der Bänder bzw. Bleche einen Spalt bilden, durch den ein von einem ersten der mindestens zwei Schweißköpfe ausgehender Energiestrahl auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft, wobei ein zweiter der mindestens zwei
Schweißköpfe auf der gegenüberliegenden Seite der Bänder bzw.
Bleche angeordnet ist, dessen Energiestrahl dort auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 37 23 611 C2 bekannt. Die Vorrichtung arbeitet mit mindestens einem Laserstrahl. Ihre Spannrollen bestehen aus Hohlachsen und darauf gelagerten und mit axialem Abstand voneinander angeordneten Rollenmänteln, wobei jeder Laserstrahl-Schweißkopf im Inneren der Hohlachse mindestens einer Spannrolle angeordnet ist. Der Spalt zwischen den Rollenmänteln und eine Öffnung in der Hohlachse dienen dabei als Durchgang für den Laserstrahl. In der DE 37 23 611 C2 ist angegeben, dass es in der Regel ausreichend ist, wenn ein
einziger Schweißkopf in einer der beiden sich gegenüberliegenden Spannrollen vorgesehen ist. In Bezug auf das Verschweißen
besonders dicker Bleche oder Bänder wird dort aber im Hinblick auf die dafür erforderliche Energie zudem als zweckmäßige
Ausgestaltung vorgeschlagen, jeweils mindestens einen
Schweißkopf in den auf beiden Seiten der Bänder bzw. Bleche angeordneten Spannrollen vorzusehen und/oder mehrere Schweißköpfe in einer auf einer Bandseite angeordneten
Spannrolle in Bandlaufrichtung versetzt zueinander anzuordnen. Des Weiteren ist in der DE 101 31 883 B4 ein Verfahren zum
Verschweißen von Metallbauteilen beschrieben, bei welchem die Metallbauteile im Schweißnahtbereich von beiden Seiten mit Hilfe mindestens jeweils eines Schweißstrahls, insbesondere
Laserstrahls im Wärmeleitungsmodus über im Wesentlichen den gesamten Schweißnahtquerschnitt aufgeschmolzen werden, wobei eine Relativbewegung zwischen den Metallbauteilen und dem
Schweißstrahl erfolgt, und wobei die Schmelzbadbereiche der auf gegenüberliegenden Seiten der Metallbauteile einwirkenden
Schweißstrahlen mit Hilfe einer entsprechenden relativen
Anordnung der Positionen der Schweißstrahlen in Schweißnahtrichtung zumindest teilweise überlappend erzeugt werden.
Beim Verschweißen von beschichteten, eine Dicke im Bereich von 0,6 mm bis 3,0 mm aufweisenden Karosserieblechen mittels eines auf die Oberseite der Bleche einwirkenden Laserstrahls entsteht insbesondere auf der dem Laserschweißkopf abgewandten Blechseite erheblicher Schmutzanfall. Die Schmutzpartikel werden mit hoher Dynamik nach unten abgestrahlt. In existierenden Schweißanlagen gemäß der DE 37 23 611 C2 wird dieser Schmutz durch
wassergekühlte Strahlfallen bzw. Absaugeinrichtungen
aufgefangen. Dies gelingt jedoch in der Praxis nicht
vollständig, so dass von Zeit zu Zeit eine manuelle Reinigung zur Entfernung des angesammelten Schmutzes erforderlich ist. Ein weiteres Problem beim kontinuierlichen Verschweißen von
Blechen in einer Anlage gemäß der DE 37 23 611 C2 besteht darin, dass die zu verschweißenden Bleche spaltbehaftet sind. Die Spaltbreite beträgt beispielsweise bis ca. 0,2 mm. Der Spalt ist zwar sehr schmal, dennoch kann ein relativ großer Anteil der
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 Laserstrahlung beim Schweißen durch den Spalt hindurch treten. Ein gegenüberliegender zweiter Schweißkopf wäre somit beim
Schweißen einem ständigen Laserstrahlbeschuss ausgesetzt und müsste deshalb in geeigneter Weise geschützt werden. Dieses Problem wird noch durch den Umstand verschärft, dass in einer Produktionsanlage aufgrund von Reaktionszeiten in der Steuerung sowie Toleranzen im Blech und in der Schweißmaschine kein exaktes Ein- bzw. Ausschalten der Laserstrahlung am Anfang und am Ende des Bleches möglich ist. Dies bedeutet, dass
gegebenenfalls jeweils am Anfang und am Ende des
Schweißvorganges die volle Laserleistung an den zu
verschweißenden Blechen vorbei nach unten schießt. Eine
gegenüberliegende Anordnung von zwei Schweißpunkten bzw.
Laserschweißköpfen ist daher bei einer kontinuierlich
schweißenden Anlage gemäß der DE 37 23 611 C2 technisch kaum realisierbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern anzugeben, die auch bei dünnen Bändern bzw. Blechen die Herstellung einer gleichmäßigen und relativ glatten Schweißnaht ermöglichen, und dies mit deutlich höherer Schweißgeschwindigkeit als es herkömmliche
Schweißanlagen dieser Art können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens zwei
Schweißköpfe auf, die beidseits der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche und in Laufrichtung der Bänder bzw. Bleche versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Auftreffstellen der Schweißstrahlen (Energiestrahlen) auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten voneinander mindestens um das Maß des
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl zugewandten Spannrolle beabstandet sind.
Der Abstand der beidseitigen Schweißstellen ist somit so groß bemessen, dass der zweite der mindestens zwei Schweißköpfe weder in der den ersten Schweißkopf umgebenden Spannrolle noch in der derselben gegenüberliegenden Spannrolle angeordnet ist.
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißköpfe in
Laufrichtung der Bänder bzw. Bleche versetzt zueinander
angeordnet werden, so dass die Auftreffstellen der Energiestrahlen auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten voneinander mindestens um das Maß des halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl zugewandten Spannrolle beabstandet sind, und dass die Energiestrahlleistungen der mindestens zwei Schweißköpfe so eingestellt werden, dass sich die durch den jeweiligen Energiestrahl erzeugte Schmelzbadeindringtiefe nicht über eine Teildicke der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche oder, bei Bändern bzw. Blechen mit unterschiedlichen Dicken, nicht über eine Teildicke des dünneren der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche hinaus erstreckt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende
sequentielle Schweißverfahren ermöglichen ein kontinuierliches Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern bzw. Blechen an den Stoßkanten mit hoher Schweißgeschwindigkeit. Dabei lassen sich selbst bei dünnen Bändern bzw. Blechen gleichmäßige und relativ glatte Schweißnähte realisieren. Bei entsprechenden
Schweißversuchen an Stahlblechen, die eine Dicke von ca. 0,8 mm bzw. 1,5 mm aufwiesen, konnten mit identischen
Laserstrahlleistungen Schweißgeschwindigkeiten gegenüber dem konventionellen einseitigen Verfahren gesteigert, sogar nahezu verdoppelt werden und Geschwindigkeiten größer 15 m/min erzielt
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 werden. Die so hergestellten Schweißnähte hatten eine gleichmäßige und glatte Oberfläche.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der
Schweißstellen in einem Abstand, der mindestens dem Maß des halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl
zugewandten Spannrolle entspricht, ist, dass durch diese räumliche Trennung praktisch zwei von einander getrennte
Schweißprozesse stattfinden und nicht eine Überlagerung von zwei Prozessen in einem Punkt (Bereich) . Hierdurch wird das
Einstellen bzw. Optimieren der Prozessparameter wesentlich erleichtert .
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass deren Schweißköpfe so angeordnet sind, dass die Auftreffstellen ihrer Energiestrahlen auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten um einen Betrag im Bereich von 15 cm bis 200 cm, vorzugsweise im Bereich von 50 cm bis 120 cm voneinander beabstandet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die an der
Unterseite der Bänder bzw. Bleche angreifende Spannrolle beispielsweise als Speichenradkonstruktion ausgeführt ist und mit axialem Abstand voneinander angeordnete Rollenmäntel aufweist. Beim Schweißen von Tailored Blanks bzw. entsprechender Bänder aus Metallbändern mit unterschiedlicher
Werkstoffeigenschaft und/oder Dicke ist eine sehr hohe
Genauigkeit hinsichtlich des so genannten vertikalen
Kantenversatzes erwünscht. Beim kontinuierlichen Schweißen in einer Anlage gemäß der DE 37 23 611 C2 unterliegt insbesondere die untere Spannrolle (Basisrolle) einer erheblichen
Wärmebelastung. Durch die Ausführung der Spannrolle in Form eines Speichenrades wird die Formstabilität der Spannrolle
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 wesentlich verbessert, so dass die Wärmebelastung nicht zu einem Verziehen der Spannrolle und daraus resultierenden Toleranzen bezüglich des Kantenversatzes führt. Andere Ausführungsformen der Spannrollen sind ebenfalls denkbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass benachbart zu den Spannrollen
Rollenträger mit Antriebsrollen zur Förderung der zu
verschweißenden Bänder bzw. Bleche angeordnet sind. Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr exakte Steuerung des
Vorschubes der Bänder bzw. Bleche relativ zu den Schweißköpfen. In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung ferner vor, dass die Rollenträger beweglich gelagert und mit mindestens einem Antrieb versehen sind, mittels dem die Rollenträger parallel zu den Drehachsen der Spannrollen verfahrbar sind. Hierdurch wird die Möglichkeit einer Justierung der Lage der zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten relativ zu den Spannrollen bzw. der Energiestrahlachse geschaffen. Die Justierung kann durch eine entsprechende Steuerung des dem verfahrbaren Rollenträger zugeordneten Antriebes erfolgen. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht einen an einer Steuerung
angeschlossenen Sensor zur Erfassung der Lage der zu
verschweißenden Band- bzw. Längskanten vor, wobei die Steuerung in Abhängigkeit der von dem Sensor erfassten Lage der Band- bzw. Längskanten den Antrieb der Rollenträger steuert. Hierdurch wird eine automatische Justierung der Lage der zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten relativ zu der Energiestrahlachse realisiert . Alternativ können zur Förderung der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche auch Ketten mit beispielsweise Mitnehmerstiften verwendet werden. Des Weiteren können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Förderer verwendet werden, die mittels Klemm-
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 bzw. Spannmitteln die zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche zu den Auftreffstellen der Energiestrahlen transportieren.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung ferner darin, dass die mindestens zwei Schweißköpfe in Abhängigkeit des Werkstoffes, der Dicke und/oder der Vorschubgeschwindigkeit der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche mit unterschiedlicher Energiestrahlleistung betrieben werden, so dass sich an den beiden Seiten der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche unterschiedliche
Eindringtiefen der Schmelzbadbereiche ergeben. Die
Energiestrahlleistungen bzw. Eindringtiefen der
Schmelzbadbereiche können so gewählt werden, dass beispielsweise beim Verschweißen von beschichteten Metallblechen ein Abstrahlen von Schweißpartikeln (Schmutzpartikeln) weitestgehend
unterdrückt wird. Vor allem können dabei die Energiestrahlleistungen bzw. Eindringtiefen der Schmelzbadbereiche so gewählt werden, dass mit dem ersten der mindestens zwei
Energiestrahlen (Laserstrahlen) bereits eine ausreichend feste Schweißverbindung erzeugt wird, die nachfolgend einen
unerwünschten vertikalen Kantenversatz verhindert.
In diesem Zusammenhang sieht das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vor, dass mit dem ersten Schweißkopf und dem mindestens einen zweiten Schweißkopf Schmelzbadeindringtiefen erzeugt werden, die um mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% überlappen, wobei vorzugsweise an beiden Auftreffstellen der Energiestrahlen die gleiche Energie eingetragen wird. Je nach Dicke und/oder Werkstoffgüte der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche kann durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Schweißgeschwindigkeit nahezu verdoppelt werden.
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mit einer ersten Spannrollenstation und einer in Bandlaufrichtung nachfolgenden zweiten Spannrollenstation, in Seitenansicht; Fig. 2 die erste Spannrollenstation der Schweißvorrichtung der Fig. 1, in einer Vertikalschnittansicht, wobei die oberen Spannrollen mit einer Laserschweißeinrichtung versehen sind; Fig. 3 die zweite Spannrollenstation der Schweißvorrichtung der Fig. 1, in einer Vertikalschnittansicht, wobei die untere Spannrolle mit einer zweiten
Laserschweißeinrichtung versehen ist; Fig. 4 einen Abschnitt zweier an ihren Stoßkanten
miteinander verschweißter Bänder oder Bleche mit einer ersten von oben durchgeführten Schweißung, in Vertikalschnittansicht; und Fig. 5 den Abschnitt der Bänder oder Bleche der Fig. 4 mit einer von unten durchgeführten zweiten Schweißung, wiederum in Vertikalschnittansicht.
Die m Fig. 1 dargestellte Vorrichtung (Anlage) umfasst aus Rollenbahnen gebildete Führungsmittel 1, 2, mit denen zwei miteinander zu verschweißende Bleche oder Bänder 3, 4 unter spitzem Winkel derart zusammengeführt werden, dass sie im
Bereich zwischen zwei Spannrollen 5, 6 mit ihren einander zugewandten Kanten auf Stoß liegen. Die obere Spannrolle 5 i
MY/js 091839 O 1. Februar 2011 mittels einer Schwinge 7 an einem Maschinenportal 8 schwenkbar und damit höhenverstellbar gegenüber der unteren Spannrolle 6 gelagert. Zur Einstellung der Höhe der Spannrolle 5 dient ein hydraulisch betätigbarer Stellzylinder 9, der ebenfalls an dem Maschinenportal 8 angeschlagen ist.
Die obere Spannrolle 5 ist frei drehbar an der Schwinge 7 gelagert, während die untere, in einem Lagerbock 10 gelagerte Spannrolle 6 vorzugsweise durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Antrieb angetrieben wird. Die Schwinge 7 weist zwei unabhängig voneinander schwenkbare Arme auf, die jeweils eine Hälfte 5.1, 5.2 der Spannrolle 5 tragen (vgl. Fig. 2) . Dies ermöglicht die Einstellung auf unterschiedliche dicke Bleche bzw. Bänder 3, 4.
Die oberen Spannrollen 5.1, 5.2 haben jeweils eine Hohlachse (nicht gezeigt) mit einem darauf kugelgelagerten Rollenmantel 11, 12. Die Rollenmäntel 11, 12 sind mit axialem Abstand voneinander angeordnet und bilden zwischen sich einen Spalt 13. Die obere Hohlachse ist im Bereich des Spaltes 13 zur Bildung ~ eines korrespondierenden Spaltes geteilt, während die untere Spannrolle (Basisrolle) 6 als Speichenradkonstruktion ausgeführt ist und mit axialem Abstand voneinander angeordnete Rollenmäntel 14, 15 aufweist. Die nicht näher dargestellte
Speichenradkonstruktion der unteren Spannrolle 6 ist auf einer im Wesentlichen durchgehenden Hohlachse (nicht gezeigt) drehbar gelagert. Im oberen Bereich weist letztere eine dem Spalt 16 zwischen den unteren Rollenmänteln 14, 15 zugewandte Öffnung auf, in der eine Abführvorrichtung (nicht gezeigt) für die Abfuhr von Schweißdämpfen und/oder abgestrahlten
Schweißpartikeln (Schmutzpartikeln) angeordnet ist. Ferner in der unteren Spannrolle 6 zwischen der Speichenradkonstruktion eine Zufuhrvorrichtung (nicht gezeigt) für Inertgas angeordnet. Y/js 091839WO 1. Februar 2011 Über die Zufuhrvorrichtung und den Spalt 16 lässt sich Inertgas zur Schweißstelle fördern.
Die Ränder 17, 18 der oberen Rollenmäntel 11, 12 sind umlaufend abgeschrägt. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein nahes
Heranrücken des Schweißkopfes 19 an die Schweißstelle. In der axial geteilten Hohlachse der oberen Spannrolle 5 ist ein
Stellantrieb vorgesehen, der den Schweißkopf 19 einer
Laserschweißeinrichtung in drei senkrecht zueinander
verlaufenden Achsen bewegen kann. Der Laserstrahl 20 wird über eine mehrere Umlenkspiegel 21, 22, 23 aufweisende Optik in den Schweißkopf 20 geleitet, der mit einem nicht dargestellten Fokussierelement , beispielsweise einer Fokussierlinse versehen ist. Alternativ, insbesondere zur Reduzierung der Teile, kann zur Einkopplung der Energieleistung ein Lichtleiterkabel verwendet werden, das mit einem Nd-YAG-Laser verbunden ist. Zur Steuerung des Stellantriebes kann eine Messeinrichtung zur Überwachung der Schweißfuge vorgesehen sein, die beispielsweise aus einer Strahlungsquelle, insbesondere einem Laser, und einem Sensor, insbesondere einer Diodenzeilenkamera bestehen kann. Die Signale des Sensors werden einer Auswerteeinrichtung zugeführt, die die Größe und/oder Lage des Schweißspaltes (Fügestoßes) in Bezug auf Solllage und/oder Sollbreite ermittelt und bei einer Soll-/Istwertabweichung Steuerimpulse an den Stellantrieb gibt, der entsprechend den Schweißkopf 19 nachführt. Die konische
Erweiterung 17, 18 des Innenumfangs der oberen Rollenmäntel 11, 12 zu ihren einander zugewandten, den Spalt 13 begrenzenden Seiten hin ermöglicht eine schräge Ausrichtung des Laserstrahls 20 auf den Fügestoß ohne dass der Laserstrahl 20 durch einen der Rollenmäntel 11, 12 behindert wird. Eine schräge Ausrichtung des Laserstrahls 20 ist beim Verschweißen von unterschiedlichen dicken Bändern üblich. Beim Verschweißen gleich dicker Bleche oder Bänder wird der Laserstrahl 20 dagegen üblicherweise senkrecht auf den Fügestoß 24 gerichtet.
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 Die in Fig. 1 dargestellte Schweißvorrichtung ist ferner mit einem zweiten Schweißkopf 25 versehen, der auf der Unterseite der Bänder 3, 4 und in Laufrichtung der Bänder 3, 4 versetzt zum ersten Schweißkopf 19 angeordnet ist. Die beiden Schweißköpfe 19, 25 sind so zueinander angeordnet sind, dass die
Auftreffstellen 26, 27 ihrer Laserstrahlen 20, 28 auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten beispielsweise um ca. 800 mm bis 1200 mm, vorzugsweise 900 mm bis 1000 mm voneinander beabstandet sind.
Der zweite Schweißkopf 25 ist in einer in Laufrichtung der Bänder 3, 4 nachfolgenden Spannrolle 30 vorgesehen, die frei drehbar in einem ortsfesten Lagerbock 31 gelagert ist. Die Spannrolle 30 weist wiederum eine Hohlachse mit einem darauf kugelgelagerten Rollenmantel 32 auf. Die dem Laserstrahl 28 zugewandte Seite des Rollenmantels 32 ist ebenfalls konisch ausgebildet, so dass der Laserstrahl 28 ohne Behinderung durch den Rollenmantel schräg auf den Fügestoß 24 ausgerichtet werden kann, falls auf der Unterseite der zu verschweißenden Bänder 3, 4 bzw. Bleche ein Stufensprung (Dickensprung) vorhanden ist. In Fig. 3 befinden sich die Unterseiten der zu verschweißenden Bänder 3, 4 jedoch in einer Ebene, sodass der Laserstrahl 28 senkrecht auf den Fügestoß 24 bzw. die Bänder 3, 4 ausgerichtet ist. Der von einem nicht dargestellten Resonator erzeugte
Laserstrahl 28 wird über Umlenkspiegel 33, 34, 35 und eine nicht näher dargestellte Fokussiereinrichtung, beispielsweise eine Fokussierlinse , auf den Fügestoß 24 geleitet. Alternativ kann auch ein Lichtleiterkabel verwendet werden, um die Teilezahl zu reduzieren.
Der Spannrolle 30 ist eine obere Spannrolle 36 zugeordnet, die einen deutlich kleineren Außendurchmesser als die untere
Spannrolle 30 aufweist und frei drehbar an einem hydraulisch
MY/js 091839 O 1. Februar 2011 betätigbaren Stellzylinder 37 gelagert ist, der an einem
Ausleger 38 angeschlagen ist, der wiederum an dem Maschinenportal 8 montiert ist. Die Höhe der oberen Spannrolle 36 kann somit in Abhängigkeit der Dicke des einzuspannenden Bandes 3 eingestellt werden.
Benachbart zu den Spannrollen 5, 6 sind Antriebsrollen 39 zur Förderung der zu verschweißenden Bänder 3, 4 angeordnet. Die Antriebsrollen 39 sind in mindestens einem brückenartig
ausgebildeten Rollenträger (nicht gezeigt) gelagert. Der
Rollenträger ist beweglich gelagert und mit einem nicht
dargestellten Antrieb versehen, mittels dem er parallel zu den Drehachsen der Spannrollen 5, 6, 30, 36 verfahren werden kann. Dem Rollenträger ist ein (nicht dargestellter) Sensor
(Nahtfolgesensor) zur Erfassung der Lage der zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten zugeordnet. Das Sensorsignal wird an eine (nicht dargestellte) Auswerteeinheit bzw. Steuerung gegeben, die in Abhängigkeit der erfassten Lage der Band- bzw. Längskanten den Antrieb des Rollenträgers steuert. Werden mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung Bänder 3, 4 mit unterschiedlichen Dicken verschweißt, so wird als Nahtfolgesensor vorzugsweise ein taktiler Sensor verwendet. Alternativ kann das Signal des
Nahtfolgesensors zur Regelung des Laserstrahls 28 verwendet werden. Diese Ausführung kann dann zum Einsatz kommen, wenn der Platzbedarf zwischen den Schweißköpfen 19, 25 bzw. den
Auftreffstellen 26, 27 der Energiestrahlen 20, 28 gering ist. Eine entsprechende Ausführung ist jedoch auch bei größeren Abständen möglich. Die Figuren 4 und 5 veranschaulichen das Grundprinzip des erfindungsgemäßen sequentiellen Schweißverfahrens. Mit dem ersten Schweißkopf 19 wird am Fügestoß 24 von oben ein erster Schmelzbad- bzw. Schweißnahtbereich 40 erzeugt. Die
Eindringtiefe des Schmelzbadbereiches 40 beträgt ca. 60% der
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 Dicke des Bleches bzw. Bandes 3, 4, wobei sich beim Verschweißen von unterschiedlich dicken Blechen oder Bändern 3, 4 die anteilige Eindringtiefe an der Dicke des dünneren Bleches/Bandes orientiert. Zeitlich versetzt zu der ersten Schweißung der Bänder/Bleche 3, 4 erfolgt dann die zweite Schweißung an der
Unterseite der Bänder/Bleche 3, 4. Die Eindringtiefe des zweiten bzw. unteren Schmelzbadbereiches 41 wird so gewählt, dass sie in den ersten Schweißnahtbereich 40 eindringt. Durch diese
beidseitige Schweißung ist ein Durchschweißen des Fügestoßes 24 nicht mehr erforderlich. Dadurch kann der Verlust von
Laserleistung verringert werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße zeitlich versetzte Schweißung eine Reduzierung des Energieeintrages. Die Reduzierung des Energieeintrages wirkt sich positiv auf die zu verbindenden Bänder bzw. Bleche 3, 4 aus, da hierdurch die Wärmeeinflusszone begrenzt werden kann. Dies wiederum wirkt sich günstig auf die mechanischen Eigenschaften der so verschweißten Bänder bzw. Blechen 3, 4 aus.
Zur Verwirklichung der Erfindung können bereits bestehende Schweißanlagen, die beispielsweise entsprechend der DE 37 23 611 C2 ausgeführt sind, mit einem zweiten Schweißkopf 25 nebst Anbauteilen (Spannrollen 30, 36, Stellzylinder 37, Ausleger 38) als Nachrüstsatz ergänzt werden.
MY/js 091839WO 1. Februar 2011

Claims

1. Februar 2011
Patentansprüche
Vorrichtung zum kontinuierlichen Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern bzw. Blechen (3, 4) an deren Stoßkanten mit mindestens zwei Schweißköpfen (19, 25) , insbesondere Laserschweißköpfen, und auf beiden Seiten der zu
verschweißenden Bänder bzw. Bleche paarweise senkrecht zu deren Laufrichtung angeordneten Spannrollen (5.1, 5.2, 6), die im Bereich des Stoßes (24) der Bänder bzw. Bleche einen Spalt (13) bilden, durch den ein von einem ersten (19) der mindestens zwei Schweißköpfe ausgehender
Energiestrahl (20) auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft, wobei ein zweiter (25) der mindestens zwei Schweißköpfe auf der gegenüberliegenden Seite der Bänder bzw. Bleche (3, 4) angeordnet ist, dessen
Energiestrahl (28) dort auf die zu verschweißenden Bandbzw. Längskanten trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) in Laufrichtung der Bänder bzw. Bleche (3, 4) versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Auftreffstellen (26, 27) der
Energiestrahlen (20, 28) auf die zu verschweißenden Bandbzw. Längskanten voneinander mindestens um das Maß des halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl (20) zugewandten Spannrolle (6) beabstandet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) so angeordnet sind, dass die Auftreffstellen (26, 27) ihrer
Energiestrahlen (20, 28) auf die zu verschweißenden Bandbzw. Längskanten um einen Betrag im Bereich von 15 cm bis 200 cm, vorzugsweise im Bereich von 50 cm bis 120 cm voneinander beabstandet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Unterseite der Bänder bzw. Bleche (3, 4) angreifende Spannrolle (6) als Speichenrad- konstruktion ausgeführt ist und mit axialem Abstand voneinander angeordnete Rollenmäntel (14, 15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu den Spannrollen (5, 6) Rollenträger mit Antriebsrollen (39) zur Förderung der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche (3, 4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenträger beweglich gelagert und mit mindestens einem Antrieb versehen sind, mittels dem die Rollenträger parallel zu den Drehachsen der Spannrollen (5, 6)
•verfahrbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
mindestens einen an einer Steuerung angeschlossenen Sensor zur Erfassung der Lage der zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten, wobei die Steuerung in Abhängigkeit der von dem mindestens einen Sensor erfassten Lage der Band- bzw. Längskanten den mindestens einen Antrieb der Rollenträger steuert oder den Laserstrahl (28) regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (19) der mindestens zwei Schweißköpfe in einer (5) der auf beiden Seiten der Bänder bzw. Bleche (3, 4) angeordneten Spannrollen vorgesehen ist, und dass der zweite (25) der mindestens zwei
Schweißköpfe in einer in Laufrichtung der Bänder bzw.
Bleche (3, 4) nachfolgenden Spannrolle (30) vorgesehen ist .
MY/js 091839WO 1. Februar 2011 Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von auf Stoß geführten Bändern bzw. Blechen (3, 4) an deren Stoßkanten mittels mindestens zweier Schweißköpfe (19, 25),
insbesondere Laserschweißköpfe, und auf beiden Seiten der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche paarweise senkrecht zu deren Laufrichtung angeordneter Spannrollen (5.1, 5.2, 6), die im Bereich des Stoßes (24) der Bänder bzw. Bleche einen Spalt (13) bilden, durch den ein von einem ersten (19) der mindestens zwei Schweißköpfe ausgehender
Energiestrahl (20) auf die zu verschweißenden Band- bzw. Längskanten trifft, wobei ein zweiter (25) der mindestens zwei Schweißköpfe auf der gegenüberliegenden Seite der Bänder bzw. Bleche (3, 4) angeordnet ist, dessen
Energiestrahl (28) dort auf die zu verschweißenden Bandbzw. Längskanten trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) in Laufrichtung der Bänder bzw. Bleche (3, 4) versetzt zueinander angeordnet werden, so dass die Auftreffstellen (26, 27) der
Energiestrahlen (20, 28) auf die zu verschweißenden Bandbzw. Längskanten voneinander mindestens um das Maß des halben Außendurchmessers der dem ersten Energiestrahl (20) zugewandten Spannrolle (6) beabstandet sind, und dass die Energiestrahlleistungen der mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) so eingestellt werden, dass sich die durch den jeweiligen Energiestrahl erzeugte Schmelzbadeindringtiefe nicht über eine Teildicke der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche (3, 4) oder, bei Bändern bzw. Blechen (3, 4) mit unterschiedlichen Dicken, nicht über eine Teildicke des dünneren (4) der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche hinaus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlleistungen der Schweißköpfe (19, 25) so Y/js 091839WO 1. Februar 2011 eingestellt werden, dass der mit dem zweiten Schweißkopf (25) erzeugte Schmelzbadbereich (41) in den mit dem ersten Schweißkopf (19) erzeugten Schweißnahtbereich (40)
eindringt .
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißköpfe (19, 25) in
Abhängigkeit des Werkstoffes, der Dicke und/oder der
Vorschubgeschwindigkeit der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche (3, 4) mit unterschiedlicher Energiestrahlleistung betrieben werden, so dass sich an den beiden Seiten der zu verschweißenden Bänder bzw. Bleche (3, 4) unterschiedliche Eindringtiefen der Schmelzbadbereiche (40, 41) ergeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Schweißkopf (19) und dem mindestens einen zweiten Schweißkopf (25)
Schmelzbadeindringtiefen erzeugt werden, die sich um mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% überlappen, wobei vorzugsweise an beiden Auftreffstellen (26, 27) der Energiestrahlen die gleiche Energieleistung eingetragen wird .
Y/js 091839WO 1. Februar 2011
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