WO2014015976A1 - Anordnung zum abschirmen eines rückseitigen schweissbereichs beim laserschweissen von werkstücken - Google Patents

Anordnung zum abschirmen eines rückseitigen schweissbereichs beim laserschweissen von werkstücken Download PDF

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WO2014015976A1
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laserabschirmanordnung
welding
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Martin Huonker
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Trumpf Laser GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for shielding a wurzelssei- term or back welding area in the laser welding of workpieces.
  • the laser shield preferably has a flexible light shield made of laser-resistant material, with which the laser shield on the workpieces light-tight or at least substantially light-tight.
  • This flexible light protection can be embodied, for example, as a peripheral peripheral brush or as flexible protective flaps made of radiation-resistant fabric or leather.
  • the holder of the laser shielding on the workpieces preferably takes place magnetically, so that the laser shielding comprises permanent magnets or, in particular in the case of the revolving laser shielding, switchable electromagnets for adhesion to the workpieces.
  • the laser shield may have a shielding plate arranged at a distance from the root-side welding region, which depending on the geometry of the area to be covered either as a flat plate, for example with a length of about 0.5 to 1, 5m and a Width of about 100 to 200mm, or, if a corner is to cover, can be designed angular in cross-section.
  • the shielding plate is made of an irradiation-resistant material, preferably of aluminum, since this material is light and at the same time offers a certain protection against penetration of the laser beam due to its reflectivity.
  • the shield plate may also be constructed of at least two metal plates which are either directly connected (e.g., bolted) or spaced apart a certain distance.
  • the metal plate facing the workpiece can be thinner than the other metal plate and, for example, copper.
  • the laser shielding can also have a plurality of shielding segments, which are fastened to the workpieces independently of one another and lie against each other in a light-tight or at least substantially light-tight manner along the weld seam or overlap one another like a roof tile.
  • the laser shield may include at least two relatively movable magnetic heads with switchable electromagnets for adhering to the workpieces, a drive unit for generating a relative movement between the two magnetic heads Welding direction and a control unit for switching the electromagnets and for driving the drive unit have. Due to the switchable electromagnets, the laser shielding can be used not only on the ground, but also vertically on walls or overhead. Advantageously, the advance of the laser shield with the feed rate of the laser welding head, so that the laser shield is always at the same height as the laser beam.
  • the drive unit is designed to generate a linear relative movement of the two at least magnetic heads with one another.
  • the feed may be, for example, in a tensioner-like motion, in which first the front magnetic head is advanced relative to the fixed rear magnetic head, and then the rear magnetic head is retightened to the fixed front magnetic head.
  • the at least two magnetic heads are designed as chain links of a track (as in an excavator) and the drive unit as a chain drive for the track.
  • the laser shield also has a device for detecting penetration welds, which outputs a switch-off signal for switching off the laser beam in the case of a detected through-welding.
  • the penetration welding can be carried out in various ways, for example by:
  • thermal fuse one or more in series thermal fuses or temperature switches on the shield plate, which interrupt the laser safety circuit of a laser beam generating laser beam source when the temperature of the shield plate exceeds a predetermined value by the thermal fuse, which would be the case if the shield plate were exposed to strong irradiation ,
  • One or more photosensitive sensors such as photo sensors, on the side facing the workpieces, which turn off the laser beam source when exceeding a predetermined threshold value.
  • the sensors In a shield plate formed from two spaced metal plates, the sensors be arranged in the intermediate space to detect the through-welding through the metal plate facing the workpieces.
  • thermopiles that measure the surface temperature on the workpiece and generate a laser beam off signal when a predetermined threshold is exceeded.
  • the pressure chamber may be formed, for example, by the pressurized gap between two spaced, mutually sealed metal plates of the shield plate. A laser beam incident on this composite would drill from a certain threshold intensity through the metal plate facing the workpiece and open the pressure chamber, which would cause a pressure drop in the pressure chamber, which in turn is detected with a pressure switch and converted into a shutdown signal for the laser safety circuit.
  • the advancing movement of the laser shield can be controlled either by a central control, which also controls the feed of the laser welding head.
  • the laser shielding means for detecting the position of the laser beam generated on the workpieces can be controlled either by a central control, which also controls the feed of the laser welding head.
  • the laser shield can have on its side facing the workpieces one or more heat-sensitive sensors (for example thermopiles arranged in the feed axis) or a thermal imaging camera scanning the workpiece surfaces, by means of which the position of the weld pool is detected on the basis of the heat passing through the workpiece.
  • heat-sensitive sensors for example thermopiles arranged in the feed axis
  • thermal imaging camera scanning the workpiece surfaces, by means of which the position of the weld pool is detected on the basis of the heat passing through the workpiece.
  • the invention also relates to laser shielding for a laser shielding assembly as defined above.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the laser shielding arrangement according to the invention during laser welding of a fillet weld in a sectional view
  • FIGS. 2a, 2b show a laser shield shown in FIG. 1 in a perspective view (FIG. 2a) and in a side view (FIG. 2b);
  • FIG. 3 shows a variant of the laser shield in a view analogous to FIG. 1; 4 shows a second embodiment of the laser shielding arrangement according to the invention in laser welding of an I-seam in a sectional view;
  • FIGS. 5a, 5b show a laser shield shown in FIG. 4 in a perspective view (FIG. 5a) and in a side view (FIG. 5b);
  • FIGS. 6a-6d a follower laser shield with a moving unit to
  • FIGS. 7a-7c a follower laser shield with a track, the chain links are designed as electromagnets.
  • the laser shielding arrangement 1 shown in FIG. 1 is used for shielding the root-side or back-side welding area 2 during laser welding
  • the Laserabcordan angel 1 comprises a relative to the workpieces 3, 4 movable laser welding head 5 for laser welding of the workpieces 3, 4 means a laser beam 6 and a laser shield 10, which on the laser welding head 5 facing away from the back of the workpieces 3, 4 on all sides light-tight or at least substantially light-tight on the workpieces 3, 4 releasably secured and is held stationary during laser welding to the workpieces 3, 4.
  • the laser shielding 10 is formed by a shielding plate 11 of aluminum arranged at a distance from the root-side welding region 2, which carries permanent magnets 13 for adhering to the two workpieces 3, 4 at its two angled longitudinal edges 12.
  • the two longitudinal edges 12 form an angle of 90 ° with each other.
  • the shielding plate 11 at its two ends in each case a designed as a right-angled triangle end wall 14, in which the permanent magnets 13 may also be embedded.
  • the shielding plate 11 with its longitudinal edges 12 and end walls 14 by means of handles 15 on the back welding area 2 of the two workpieces 3, 4 placed as free as possible, where it sticks by the permanent magnets 13.
  • the shielding plate 11 may, on its side facing the workpieces 3, 4, comprise a peripherally encircling flexible light shield 16 of laser-resistant material, e.g. in the form of a brush, which bears light-tightly against the workpieces 3, 4.
  • permanent magnets 13 and switchable electromagnets can be provided.
  • a means 17 for detecting fürsch bulkungen is integrated, which outputs a switch-off signal for switching off the laser beam 6 to a laser safety circuit (not shown) in the case of a detected fürsch bulkung.
  • the detection device 17 may be one or more temperature switches, photosensors or surface temperature sensors on the side facing the workpieces, which outputs the switch-off signal when a predetermined threshold value is exceeded.
  • the shield plate 1 may be constructed of two metal plates 11a, 11b which are arranged at a certain distance from each other. It can the workpieces 3, 4 facing metal plate 11 a thinner than the other metal plate 11 b and be made for example of copper.
  • the intermediate space 18 located between the two metal plates 11a, 11b can, if carried out pressure-tight, be pressurized and, together with a pressure sensor or switch 19 connected to the intermediate space 18, forms a detection device 17 for detecting through-welding. A laser beam impinging on this metal plate composite during a penetration weld drills beyond a certain level
  • the laser shielding arrangement 1 shown in FIG. 4 serves to shield the root-side or rear-side welding region 2 during the laser welding of an I-joint on a butt joint of two workpieces 3, 4 made of steel.
  • the laser shield 10 is here formed by a shielding box 21 open on one side (eg made of aluminum), which is provided with its open side from above on the joint of the two workpieces 3, 4 as possible gap-free and thereby covers the back welding area light-tight .
  • a flexible light shield (not shown) made of laser-resistant material can circulate around the box opening 22 and bears on the workpieces 3, 4 in a light-tight manner.
  • the laser shield 10 has two magnet heads 31a, 31b which can be moved relative to one another with switchable electromagnets 32a, 32b for adhering to the workpieces 3, 4, a drive unit 33 for producing a relative movement between the two magnetic heads 31a, 31b in the direction of the weld and a control unit 34 for turning on and off the solenoids 32a, 32b and the Control the drive unit 33.
  • the advance of the laser shield 10 in the direction of arrow A takes place in a tensioner-type movement as follows:
  • both electromagnets 32a, 32b are turned ON, thereby fixing both magnetic heads 31a, 31b to the workpieces 3, 4 (FIG. 6a); - Then, the electromagnet 32 a of the front in the feed direction A magnetic head 3 a OFF (OFF) and the drive unit 33 is activated, which advances the front magnetic head 31 a relative to the fixed rear magnetic head 31 b in the feed direction A ( Figure 6b).
  • the front magnetic head 31a is fixed by turning ON its electric motor 32a on the workpieces 3, 4, and thereafter the electromagnet 32b of the rear magnetic head 31b is turned OFF and the drive unit 33 activating the rear magnetic head 31b opposite to the fixed front magnetic head 31a in the feed direction A follows ( Figure 6c).
  • the rear magnetic head 31b is also fixed to the workpieces 3, 4 by turning on (ON) its electromagnet 32b (FIG. 6d).
  • the laser shield 10 has a drive unit 43 in the form of a track, which - here only exemplary eight - chain links as magnetic heads 41 r 41 8 with switchable electromagnet 42i-42 8 are formed for adhesion to the workpieces 3, 4, and a Control unit 44 for switching on and off of the electromagnets 42i-42 8 and for controlling a drive motor 45 of the track 43 on.
  • the advance of the laser shield 10 in the direction of arrow A is carried out as follows:
  • the four electromagnets 42 42 4 are turned on (ON) and thereby the four magnetic heads 41 41 fixed to the workpieces 3, 4 ( Figure 7a). Then, the solenoid 42i of the rearward magnetic head 411 in the advancing direction A is turned OFF and the drive unit 43 is activated which rotates the track 43 in a clockwise direction, whereby the rear magnetic head 411 is lifted off the workpieces 3, 4 (FIG. 7b);
  • the track 43 is further rotated until finally the magnetic head 41 5 as now foremost magnetic head on the workpieces 3, 4 comes to rest and by turning on its electromagnet 42 ⁇ on the workpieces 3, 4 is fixed (Fig. 7c).
  • the advancing movement of the laser shield 10 can be controlled either by a central controller (not shown), which also controls the feed of the laser welding head 5.
  • the controller 34, 44 itself adjust the feed rate of the laser shield 10 based on the position of the welding bath 50 generated by the laser beam 6 on the workpieces 3, 4.
  • the laser shield 10 has a device 51 for detecting the weld pool 50, that is, for example, one or more heat-sensitive sensors or a thermal imaging camera scanning the workpiece surfaces, the signal of which is passed on to the controller 34, 44.
  • the laser shield 10 moves in this case independently with the weld pool 51 and at the same feed rate as the laser welding head. 5

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Description

Anordnung zum Abschirmen eines rückseitigen Schweißbereichs
beim Laserschweißen von Werkstücken
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abschirmen eines wurzelsei- tigen bzw. rückseitigen Schweißbereichs beim Laserschweißen von Werkstücken.
Bei Schweißarbeiten mit dem Festkörperlaser (z.B. IR, 1064nm) auf Werften oder anderen Großbaustellen, wo mit dem Laser große Werkstücke außerhalb von Schutzumhausungen geschweißt werden sollen, stellt nicht nur der Bereich auf der Bearbeitungsseite des Werkstücks ein sicherheitstechnisches Problem dar. Denn auch auf der Gegenseite, wo sich ggf. Menschen aufhalten können, besteht eine latente Gefährdung, wenn durch einen Fehler der Laser nicht nur in das Werkstück einschweißt, sondern durchschweißt und Laserstrahlung wurzelseitig, d.h. auf der der Bearbeitungsoptik (Laserschweißkopf) abgewandten Seite der zu schweißenden Werkstücke austritt. Dieses Problem ist insbesondere im Schiffbau relevant, wo der Laser auf der Baustelle außerhalb abgeschirmter Lasersicherheitsbereiche eingesetzt werden soll und z.B. Wände, Decken (Bodenplatten) oder ganze vorgefertigte Segmente mit dem Laser oder mittels Laser-Hybridverfahren verschweißt werden sollen und wo ein Absperren der gesamten Baustelle bzw. einer ausreichenden
Sicherheitszone ausgeschlossen ist. Dies gilt gleichermaßen für I-Stoßverbindungen (Butt-Joints) wie für Kehlnähte (T-Joints).
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Laserschweißen mit dem Festkörperlaser außerhalb von Schutzumhausungen die Gefahr zu reduzieren, dass im Falle einer Durchschwei ßung durch das Werkstück Laserlicht auf der anderen Seite des Werkstücks in ungeschützte Bereiche dringen und dort eine Gefährdung darstellen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserabschirmanordnung mit einem gegenüber den Werkstücken bewegbaren Laserschweißkopf zum Laserschweißen der Werkstücke mittels eines Laserstrahls und mit einer Laserabschirmung, die auf der dem Laserschweißkopf abgewandten Seite der Werkstücke allseitig lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht an den Werkstücken lösbar ange- ordnet ist, insbesondere lösbar befestigt ist, und die während des Laserschweißens entweder ortsfest an den Werkstücken gehalten oder synchron zum Laserschweißkopf mitbewegt wird, und dass die Laserabschirmung Permanentmagnete oder schaltbare Elektromagnete zum Anhaften an den Werkstücken aufweist Erfindungsgemäß deckt die ortsfest fixierte oder synchron zum Laserschweißkopf mitbewegte Laserabschirmung den wurzelseitigen Bereich der Schweißstelle lichtdicht oder zumindest weitestgehend lichtdicht ab und läuft (im Falle der mitlaufenden Variante) mit dem Laserbearbeitungskopf wurzelseitig im Abstand von einigen Millimetern bis Zentimetern mit. Die Laserabschirmung weist bevorzugt einen flexiblen Lichtschutz aus laserbeständigem Material auf, mit dem die Laserabschirmung an den Werkstücken lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht anliegt. Dieser flexible Lichtschutz kann bei- spielsweise als eine randseitig umlaufende Bürste oder als flexible Schutzlappen aus bestrahlungsfestem Gewebe oder Leder ausgeführt sein.
Die Halterung der Laserabschirmung an den Werkstücken erfolgt vorzugsweise magnetisch, so dass die Laserabschirmung Permanentmagnete oder, insbesondere im Falle der mitlaufenden Laserabschirmung, schaltbare Elektromagnete zum Anhaften an den Werkstücken aufweist.
Insbesondere im Fall einer ortsfesten Halterung kann die Laserabschirmung eine mit Abstand zum wurzelseitigen Schweißbereich angeordnete Abschirmplatte aufwei- sen, die je nach Geometrie des abzudeckenden Bereichs entweder als ebene Platte, zum Beispiel mit einer Länge von etwa einem 0,5 bis 1 ,5m und einer Breite von etwa 100 bis 200mm, oder, falls eine Ecke abzudecken ist, im Querschnitt winklig gestaltet sein kann. Die Abschirmplatte besteht aus einem bestrahlungsresistenten Material, vorzugsweise aus Aluminium, da dieses Material leicht ist und gleichzeitig auf Grund seiner Reflektivität einen gewissen Schutz vor dem Durchschweißen des Laserstrahls bietet. Anstelle einer solchen massiven Aluminiumplatte kann die Abschirmplatte auch aus mindestens zwei Metallplatten aufgebaut sein, die entweder direkt miteinander verbunden (z.B. verschraubt) oder in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei kann die dem Werkstück zugewandte Metallplat- te dünner als die andere Metallplatte und beispielsweise aus Kupfer sein. Anstelle einer einzigen Abschirmplatte kann die Laserabschirmung auch mehrere Abschirmsegmente aufweisen, die unabhängig voneinander an den Werkstücken befestigt sind und lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht entlang der Schweißnaht aneinander anliegen oder einander dachziegelartig überdecken.
Im Fall einer entlang der Schweißnahtwurzel mitlaufenden Laserabschirmung kann die Laserabschirmung mindestens zwei relativ zueinander bewegbare Magnetköpfe mit schaltbaren Elektromagneten zum Anhaften an den Werkstücken, eine Antriebseinheit zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zwei Magnetköpfen in Schweißnahtrichtung sowie eine Steuereinheit zum Schalten der Elektromagnete und zum Ansteuern der Antriebseinheit aufweisen. Durch die schaltbaren Elektromagnete kann die Laserabschirmung nicht nur am Boden, sondern auch senkrecht an Wänden oder über Kopf eingesetzt werden. Vorteilhaft erfolgt der Vorschub der Laserabschirmung mit der Vorschubgeschwindigkeit des Laserschweißkopfs, damit sich die Laserabschirmung stets auf gleicher Höhe wie der Laserstrahl befindet.
In einer ersten bevorzugten Variante ist die Antriebseinheit zum Erzeugen einer linearen Relativbewegung der zwei mindestens Magnetköpfe untereinander ausgebildet. Der Vorschub kann beispielsweise in einer spannerraupenartigen Bewegung erfolgen, bei der zuerst der vordere Magnetkopf gegenüber dem festgesetzten hinteren Magnetkopf vorgeschoben und dann der hintere Magnetkopf an den festgesetzten vorderen Magnetkopf nachgezogen wird. In einer anderen bevorzugten Variante sind die mindestens zwei Magnetköpfe als Kettenglieder einer Gleiskette (wie bei einem Bagger) und die Antriebseinheit als Kettenantrieb für die Gleiskette ausgebildet.
Besonders bevorzugt weist die Laserabschirmung auch eine Einrichtung zur Detek- tion von Durchschweißungen auf, die im Falle einer detektierten Durchschweißung ein Abschaltsignal zum Abschalten des Laserstrahls ausgibt. Die Detektion des Durchschweißens kann auf verschiedenerlei Art und Weise erfolgen, nämlich beispielsweise durch:
einen oder mehrere in Reihe geschaltete Thermosicherungen oder Temperatur- Schalter an der Abschirmplatte, die den Lasersicherheitskreis einer den Laserstrahl erzeugenden Laserstrahlquelle unterbrechen, wenn die Temperatur der Abschirmplatte einen durch die Thermosicherung vorgegebenen Wert überschreitet, was der Fall wäre, wenn die Abschirmplatte starker Bestrahlung ausgesetzt wäre.
- einen oder mehrere lichtempfindliche Sensoren, wie z.B. Fotosensoren, auf der den Werkstücken zugewandten Seite, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes die Laserstrahlquelle abschalten. Bei einer aus zwei beabstandeten Metallplatten gebildeten Abschirmplatte können die Sensoren auch im Zwischenraum angeordnet sein, um das Durchschweißen durch die den Werkstücken zugewandte Metallplatte zu detektieren.
einen oder mehrere Oberflächentemperatursensoren (z.B. Thermopiles), welche die Oberflächentemperatur auf dem Werkstück messen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts ein Ausschaltsignal für die Laserstrahlquelle generieren.
- einen druckdicht abgeschlossenen, von der Abschirmplatte begrenzten Druckraum und einen Drucksensor oder -Schalter, der bei einem Druckabfall im Druckraum das Abschaltsignal ausgibt. Der Druckraum kann beispielsweise durch den unter Druck gesetzten Zwischenraum zwischen zwei beabstandeten, gegeneinander abgedichteten Metallplatten der Abschirmplatte gebildet sein. Ein auf diesen Verbund treffender Laserstrahl würde sich ab einer gewissen Schwellintensität durch die dem Werkstück zugewandte Metallplatte bohren und den Druckraum öffnen, was einen Druckabfall im Druckraum bewirken würde, der wiederum mit einem Druckschalter detektiert und in ein Abschaltsignal für den Lasersicherheitskreis gewandelt wird.
Auch eine beliebige Kombination der genannten oder weiteren dem Fachmann bekannten Detektionseinrichtungen ist denkbar. Im Falle einer synchron zum Laserschweißkopf mitlaufenden Laserabschirmung kann die Vorschubbewegung der Laserabschirmung entweder durch eine zentrale Steuerung gesteuert werden, die auch den Vorschub des Laserschweißkopfes steuert. Alternativ ist auch vorstellbar, dass die Laserabschirmung eine Einrichtung zur Detektion der Position des vom Laserstrahl an den Werkstücken erzeugten
Schweißbades aufweist und sich selbständig mit dem Schweißbad mitbewegt. Dazu kann die Laserabschirmung auf ihrer den Werkstücken zugewandten Seite einen oder mehrere hitzeempfindliche Sensoren (z.B. in der Vorschubachse angeordnete Thermopiles) oder eine die Werkstückflächen abscannende Wärmebildkamera aufweisen, mittels derer die Position des Schweißbades anhand der durch das Werk- stück dringenden Wärme detektiert wird. Mit diesen Detektoren kann auch die
Absoluttemperatur auf der Wurzelseite abgeschätzt und ggf. schon vor dem Durchschweißen die Leistungszufuhr des Laserschweißkopfes rechtzeitig gedrosselt oder abgeschaltet werden. Die Erfindung betrifft auch die Laserabschirmung für eine wie oben ausgebildete Laserabschirmanordnung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserabschirmanordnung beim Laserschweißen einer Kehlnaht in einer Schnittansicht;
Fign. 2a, 2b eine in Fig. 1 gezeigte Laserabschirmung in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 2a) und in einer Seitenansicht (Fig. 2b);
Fig. 3 eine Variante der Laserabschirmung in einer Ansicht analog zu Fig. 1 ; Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserabschirmanordnung beim Laserschweißen einer I-Naht in einer Schnittansicht;
Fign. 5a, 5b eine in Fig. 4 gezeigte Laserabschirmung in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 5a) und in einer Seitenansicht (Fig. 5b);
Fign. 6a-6d eine mitlaufende Laserabschirmung mit einer Bewegungseinheit zum
Erzeugen einer linearen spannerraupenartigen Bewegung; und
Fign. 7a-7c eine mitlaufende Laserabschirmung mit einer Gleiskette, deren Kettenglieder als Elektromagnete ausgebildet sind.
Die in Fig. 1 gezeigte Laserabschirmanordnung 1 dient zum Abschirmen des wur- zelseitigen bzw. rückseitigen Schweißbereichs 2 beim Laserschweißen einer
Kehlnaht an einem T-Stoß zweier Werkstücke 3, 4 aus Stahl.
Die Laserabschirmanordnung 1 umfasst einen gegenüber den Werkstücken 3, 4 bewegbaren Laserschweißkopf 5 zum Laserschweißen der Werkstücke 3, 4 mittels eines Laserstrahls 6 und eine Laserabschirmung 10, die auf der dem Laserschweißkopf 5 abgewandten Rückseite der Werkstücke 3, 4 allseitig lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht an den Werkstücken 3, 4 lösbar befestigt ist und während des Laserschweißens ortsfest an den Werkstücken 3, 4 gehalten ist. Die Laserab- schirmung 10 ist durch eine mit Abstand zum wurzelseitigen Schweißbereich 2 angeordnete Abschirmplatte 11 aus Aluminium gebildet, die an ihren beiden abgewinkelten Längsrändern 12 Permanentmagnete 13 zum Anhaften an den beiden Werkstücken 3, 4 trägt. Die beiden Längsränder 12 bilden dabei miteinander einen Winkel von 90°.
Wie in Fign. 2a, 2b gezeigt, weist die Abschirmplatte 11 an ihren beiden Enden jeweils eine als rechtwinkliges Dreieck ausgeführte Stirnwand 14 auf, in der die Permanentmagnete 13 auch eingelassen sein können. Vom Bedienpersonal wird vor dem Laserschweißen die Abschirmplatte 11 mit ihren Längsrändern 12 und Stirn- wänden 14 mithilfe von Handgriffen 15 auf den rückseitigen Schweißbereich 2 der beiden Werkstücke 3, 4 möglichst spaltfrei aufgesetzt, an denen sie durch die Permanentmagnete 13 haften bleibt. Wie in Fig. 2b für die Stirnwand 14 gezeigt, kann die Abschirmplatte 11 auf ihrer den Werkstücken 3, 4 zugewandten Seite einen randseitig umlaufenden flexiblen Lichtschutz 16 aus laserbeständigem Material, z.B. in Form einer Bürste, aufweisen, die an den Werkstücken 3, 4 lichtdicht anliegt. Anstelle von Permanentmagneten 13 können auch schaltbare Elektromagnete vorgesehen sein.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist in die Abschirmplatte 11 eine Einrichtung 17 zur Detektion von Durchschweißungen integriert, die im Falle einer detektierten Durchschweißung ein Abschaltsignal zum Abschalten des Laserstrahls 6 an einen Lasersicherheitskreis (nicht gezeigt) ausgibt. Bei der Detektionseinrichtung 17 kann es sich um einen oder mehrere Temperaturschalter, Fotosensoren oder Oberflächentemperatursenso- ren auf der den Werkstücken zugewandten Seite handeln, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes das Abschaltsignal ausgeben.
Anstelle der in Fign. 1 und 2 gezeigten massiven Aluminiumplatte kann die Abschirmplatte 1 , wie in Fig. 3 gezeigt, auch aus zwei Metallplatten 11a, 11b aufgebaut sein, die in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei kann die den Werkstücken 3, 4 zugewandte Metallplatte 11a dünner als die andere Metallplatte 11 b und beispielsweise aus Kupfer gefertigt sein. Der zwischen den beiden Metallplatten 11a, 11b befindliche Zwischenraum 18 kann, sofern druckdicht ausgeführt, unter Druck gesetzt werden und bildet zusammen mit einem an den Zwischen- räum 18 angeschlossenen Drucksensor oder -Schalter 19 eine Detektionseinrichtung 17 zur Detektion von Durchschweißungen. Ein bei einer Durchschweißung auf diesen Metallplattenverbund treffender Laserstrahl bohrt sich ab einer gewissen
Schwellintensität durch die dünnere Metallplatte a und öffnet den unter Druck stehenden Zwischenraum 18, was einen Druckabfall im Zwischenraum 18 bewirkt, der wiederum vom Druckschalter 19 detektiert und in ein Abschaltsignal für den Lasersicherheitskreis gewandelt wird.
Die in Fig. 4 gezeigte Laserabschirmanordnung 1 dient zum Abschirmen des wur- zelseitigen bzw. rückseitigen Schweißbereichs 2 beim Laserschweißen einer I-Naht an einem Stumpfstoß zweier Werkstücke 3, 4 aus Stahl. Wie in Fign. 5a, 5b gezeigt, ist die Laserabschirmung 10 hier durch einen einseitig offenen Abschirmkasten 21 (z.B. aus Aluminium) gebildet, der mit seiner offenen Seite von oben auf die Stoßstelle der beiden Werkstücke 3, 4 möglichst spaltfrei gestellt ist und dadurch den rückseitigen Schweißbereich lichtdicht abdeckt. Um die Lichtdichtigkeit zu erhöhen, kann um die Kastenöffnung 22 herum ein flexibler Lichtschutz (nicht gezeigt) aus laserbeständigem Material umlaufen, der an den Werkstücken 3, 4 lichtdicht anliegt.
Im Unterschied zu den in Fign. 1 bis 5 gezeigten Laserabschirmungen 10, die ortsfest an den Werkstücken 3, 4 befestigt werden und daher entsprechend dem Vor- schub des Laserschweißkopfes 5 manuell versetzt werden müssen, wird bei den in Fign. 6 und 7 gezeigten Laserabschirmanordnungen 1 die Laserabschirmung 10 synchron zum Laserschweißkopf 5 mitbewegt.
In Fig. 6 weist die Laserabschirmung 10 zwei relativ zueinander bewegbare Mag- netköpfe 31a, 31b mit schaltbaren Elektromagneten 32a, 32b zum Anhaften an den Werkstücken 3, 4, eine Antriebseinheit 33 zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den beiden Magnetköpfen 31a, 31 b in Schweißnahtrichtung sowie eine Steuereinheit 34 zum Ein- und Ausschalten der Elektromagnete 32a, 32b und zum Steuern der Antriebseinheit 33 auf. Der Vorschub der Laserabschirmung 10 in Pfeilrichtung A erfolgt in einer spannerraupenartigen Bewegung wie folgt:
Anfangs sind beide Elektromagnete 32a, 32b angeschaltet (ON) und dadurch beide Magnetköpfe 31a, 31 b an den Werkstücken 3, 4 festgesetzt (Fig. 6a); - Dann wird der Elektromagnet 32a des in Vorschubrichtung A vorderen Magnetkopfes 3 a ausgeschaltet (OFF) und die Antriebseinheit 33 aktiviert, die den vorderen Magnetkopf 31 a gegenüber dem festgesetzten hinteren Magnetkopf 31b in Vorschubrichtung A vorschiebt (Fig. 6b);
Der vordere Magnetkopf 31a wird durch Anschalten (ON) seines Elektromagne- ten 32a an den Werkstücken 3, 4 festgesetzt, und danach wird der Elektromagnet 32b des hinteren Magnetkopfes 31 b ausgeschaltet (OFF) und die Antriebseinheit 33 aktiviert, die den hinteren Magnetkopf 31 b gegenüber dem festgesetzten vorderen Magnetkopf 31a in Vorschubrichtung A nachzieht (Fig. 6c);
Abschließend wird auch der hintere Magnetkopf 31 b durch Anschalten (ON) sei- nes Elektromagneten 32b an den Werkstücken 3, 4 festgesetzt (Fig. 6d).
In Fig. 7 weist die Laserabschirmung 10 eine Antriebseinheit 43 in Form einer Gleiskette, deren - hier lediglich beispielhaft acht - Kettenglieder als Magnetköpfe 41 r 418 mit schaltbaren Elektromagneten 42i-428 zum Anhaften an den Werkstücken 3, 4 ausgebildet sind, sowie eine Steuereinheit 44 zum Ein- und Ausschalten der Elektromagnete 42i-428 und zum Steuern eines Antriebsmotors 45 der Gleiskette 43 auf. Der Vorschub der Laserabschirmung 10 in Pfeilrichtung A erfolgt dabei wie folgt:
Anfangs sind die vier Elektromagnete 42 424 angeschaltet (ON) und dadurch die vier Magnetköpfe 41 41 an den Werkstücken 3, 4 festgesetzt (Fig. 7a); - Dann wird der Elektromagnet 42i des in Vorschubrichtung A hinteren Magnetkopfes 411 ausgeschaltet (OFF) und die Antriebseinheit 43 aktiviert, die die Gleiskette 43 im Uhrzeigersinn dreht, wodurch der hintere Magnetkopf 411 von den Werkstücken 3, 4 abgehoben wird (Fig. 7b);
Die Gleiskette 43 wird weiter gedreht, bis schließlich der Magnetkopf 415 als nun vorderster Magnetkopf an den Werkstücken 3, 4 zur Anlage kommt und durch Anschalten seines Elektromagneten 42Ί an den Werkstücken 3, 4 festgesetzt wird (Fig. 7c). Im Falle der in Fign. 6 und 7 gezeigten, synchron zum Laserschweißkopf 5 mitlaufenden Laserabschirmung 10 kann die Vorschubbewegung der Laserabschirmung 10 entweder durch eine zentrale Steuerung (nicht gezeigt) gesteuert werden, die auch den Vorschub des Laserschweißkopfes 5 steuert. Alternativ kann auch die Steuerung 34, 44 selbst die Vorschubgeschwindigkeit der Laserabschirmung 10 anhand der Position des vom Laserstrahl 6 an den Werkstücken 3, 4 erzeugten Schweißbades 50 einstellen. Dazu weist die Laserabschirmung 10 eine Einrichtung 51 zur Detektion des Schweißbades 50 auf, also beispielsweise ein oder mehrere hitzeempfindliche Sensoren oder eine die Werkstückflächen abscannende Wärme- bildkamera, deren Signal an die Steuerung 34, 44 weitergegeben wird. Die Laserabschirmung 10 bewegt sich in diesem Fall selbständig mit dem Schweißbad 51 und mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit wie der Laserschweißkopf 5.

Claims

DS11106 1498 Patentansprüche
1. Anordnung (1 ) zum Abschirmen eines wurzelseitigen Schweißbereichs (2) beim Laserschweißen von Werkstücken (3, 4),
mit einem gegenüber den Werkstücken (3, 4) bewegbaren Laserschweißkopf (5) zum Laserschweißen der Werkstücke (3, 4) mittels eines Laserstrahls (6) und
mit einer Laserabschirmung (10), die auf der dem Laserschweißkopf (5) abgewandten Seite der Werkstücke (3, 4) allseitig lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht an den Werkstücken (3, 4) lösbar angeordnet ist, insbesondere lösbar befestigt ist, und die während des Laserschweißens entweder ortsfest an den Werkstücken (3, 4) gehalten oder synchron zum Laserschwei ßkopf (5) mitbewegt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) Permanentmagnete (13) oder schaltbare Elektromagnete (32) zum Anhaften an den Werkstücken (3, 4) aufweist.
2. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) einen flexiblen Lichtschutz (16) aus laserbeständigem Material aufweist, mit dem die Laserabschirmung (10) an den Werkstücken (3, 4) lichtdicht oder zumindest weitgehend lichtdicht anliegt.
3. Laserabschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) mindestens eine mit Abstand zum wurzelseitigen Schweißbereich (2) angeordnete Abschirmplatte (11 ) aufweist.
4. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abschirmplatte (11 ) durch eine einzige Metall platte oder durch einen Verbund aus mindestens zwei Metallplatten (11a, 11 b) gebildet ist.
5. Laserabschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) mindestens zwei relativ zueinander bewegbare Magnetköpfe (31a, 31 b; 411-418) mit schaltbaren Elektromagneten (32a, 32b; 42 428) zum Anhaften an den Werkstücken (3, 4), eine Antriebseinheit (33; 45) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zwei Magnetköpfen (31a, 31b; 411-418) in Schweißnahtrichtung sowie eine Steuereinheit (34; 44) zum Schalten der Elektromagnete (32a,
32b; 42 428) und zum Ansteuern der Antriebseinheit (33; 43) aufweist.
6. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (33) zum Erzeugen einer linearen Relativbewegung der zwei mindestens Magnetköpfe (31a, 31 b) untereinander, insbesondere einer spannerraupenartigen Bewegung, angesteuert ist.
7. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (43) als Gleiskette ausgebildet ist, deren Kettenglieder mindestens zwei Magnetköpfe (411-418) mit schaltbaren Elektromagneten
(42 428). Aufweisen.
8. Laserabschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) eine Einrichtung (17) zur Detektion von Durchschweißungen aufweist, die im Falle einer detektier- ten Durchschweißung ein Abschaltsignal zum Abschalten des Laserstrahls (6) ausgibt.
9. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (17) durch mindestens einen Temperaturschalter, einen lichtempfindlichen Sensor oder einen Oberflächentemperatursensor gebildet ist, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes das Abschaltsignal ausgibt.
10. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (17) durch einen druckdicht abgeschlossenen, von einer Abschirmplatte (11a) der Laserabschirmung (10) begrenzten Druckraum (18) und einen Druckschalter (19) gebildet ist, der bei einem Druckabfall im Druckraum (18) das Abschaltsignal ausgibt.
11. Laserabschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabschirmung (10) eine Einrichtung (51 ) zur Detektion der Position des vom Laserstrahl (6) an den Werkstücken (3, 4) erzeugten Schweißbades (50) aufweist.
12. Laserabschirmanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbadposition-Detektiereinrichtung (51 ) durch mindestens einen hitzeempfindlichen Sensor oder eine die Werkstückflächen abscannende Wärmebildkamera gebildet ist.
13. Laserabschirmung (10) für eine Laserabschirmanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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