WO2014195023A1

WO2014195023A1 - Verfahren zur herstellung einer fügeverbindung und vorrichtung

Info

Publication number: WO2014195023A1
Application number: PCT/EP2014/001544
Authority: WO
Inventors: Andreas Blug
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2014-12-11
Also published as: DE102013105960B3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (50) zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern (1, 2) entlang einer Schweißnaht (3, 33) in einem Fügeprozess mittels eines Strahlwerkzeugs, insbesondere eines Laserstrahls (4), wobei der Auftreffpunkt (11, 11') des Laserstrahls (4) im Bereich einer Schweißnaht (3, 33) durch wenigstens eine Positioniereinrichtung (10) manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung (55) mit wenigstens einem Regelkreis (53, 54). Damit in jedem der beiden Fügepartner eine ausreichende Nahtfestigkeit sichergestellt ist, regeln das Verfahren und die Vorrichtung (50) jeweils die Position des Auftreffpunktes (11, 11') des Laserstrahls (4) in der Nähe der Schnittlinie (41) zwischen den Grenzflächen (6, 8) der Fügepartner (1, 2) wobei durch Messung ermittelte Werte wenigstens einer ersten Stellgröße (32) zumindest mittelbar als Regelgröße (38) wenigstens eines zweiten Regelkreises (53, 54) der Regeleinrichtung (55) verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung (10) der Auftreffpunkt (11) des Laserstrahls (4) manipuliert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung und Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens einem ersten und einem zweiten Fügepartner entlang einer Schweißnaht in einem Fügepro- zess mittels eines Strahlwerkzeugs mit wenigstens einem Laserstrahl, wobei ein Auftreffpunkt des Laserstrahls im Bereich der Schweißnaht durch wenigstens eine Positioniereinrichtung manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung mit wenigstens einem ersten Regelkreis. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Fügepartnern entlang einer Schweißnaht.

Bei Schweißprozessen werden zur ärmeeinbringung in die Füge- partner häufig Laserstrahlen verwendet, deren Richtung durch die optische Achse des Strahlwerkzeugs und gegebenenfalls durch sich im Strahlverlauf anschließende optische Elemente bestimmt ist. Um eine ausreichende Festigkeit der Schweißnaht zu erzielen, ist es notwendig, in beiden Fügepartnern bezüglich der Grenzflächen ausreichende Einschweißtiefen in jeden der beiden Fügepartner sicherzustellen. Ein großer Vorteil von Laserschweißprozessen ist die Existenz von Positioniereinrichtungen, mit denen der Auftreffpunkt des Laserstrahles auf einer der Grenzflächen sehr schnell verstellt werden kann. Dadurch wird das kostengünstige Verschweißen komplexer Bauteile ermöglicht, so etwa bei der Produktion ganzer Karosserien oder von Teilen derselben. In diesem Produkt ionssektor kennt man auch sogenannte Scanner, bei denen der Anstellwinkel des Laserstrahles über Spiegel um eine oder mehrere Drehachsen verfahren werden kön-

BESTÄTIGUNGSKOPIE nen. Solche Scanner werden häufig auch noch mit Robotern kombiniert .

Die Anwendbarkeit der entsprechenden Schweißvorrichtungen wird häufig durch die bei einer konkreten Schweißnahtgeometrie für die Positionierung des Auftreffpunktes - also des Schnittpunkts der optischen Achse des Laserstrahls mit einer der diesem Strahl zugewandten Grenzflächen der Fügepartner - relativ zu der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen benötigte Genauig- keit begrenzt. Bei Kehlnähten etwa ist es vorteilhaft, wenn diese Positioniergenauigkeit kleiner als der Durchmesser des Laserstrahles ist, welcher typischerweise zwischen 0,1 mm und 2 mm beträgt. Allerdings kann die Position der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen auch variieren, etwa weil einer der Fü- gepartner, bei denen es sich typischerweise um dünne Bleche handelt, sich durch den Wärmeeintrag verbiegt. Auch Ungenauig- keiten bei Scanner und Roboter haben Einfluss auf die relative Positionierung zwischen den Fügepartnern und der Positioniereinrichtung und sind daher als Fehlerquellen bei der Positio- nierung zu beachten. Ähnliches gilt für Schweißungen an Stumpf - stoßen. Bei Überlappstößen ist die Positionierung der heutigen Schweißvorrichtungen dagegen ausreichend genau. Im Karosserie - bau werden daher häufig unterschiedliche Positioniereinrichtungen für unterschiedliche Geometrien von Schweißnähten verwen- det.

Bei der Herstellung von Kehlnähten kennt man bisher spezielle Schweißköpfe, bei denen über einen Draht die Blechkante taktil angetastet wird. Diese sind aufwändig einzustellen und der kur- ze Arbeitsabstand macht das Umfahren von Spannmitteln schwierig und teilweise unmöglich. Dies gilt insbesondere beim Verschweißen komplexer Bauteile wie etwa Karosserien. Für eine solch aufwändige Schweißnahtführung ist beispielsweise aus der DE 10 2009 057 209 AI ein Triangulationssensor bekannt, der sich aber in der Praxis insoweit als nachteilig erweist, als er, anders als beschrieben, nicht mit scannenden 2D-oder 3D-Schweißoptiken kombinierbar ist.

Weiter sind scannende Positioniereinrichtungen mit einer oder mehreren orthogonal angeordneten Drehachsen bekannt

(htt : //trumpf-laser . com/produkte/festkoerperlaser/strahlfuehru ng/fokussieroptiken/pfo . html ) . Viele dieser Positioniereinrichtungen verfügen auch über ein Kamerafenster zur koaxialen-Prozessbeobachtung . Bei Lasertief - schweißprozessen sind auch Verfahren bekannt, mit denen die Tiefe der Dampfkapillare relativ zur direkten Umgebung des Laserstrahles gemessen werden kann (Abt, F.; Wölfelschneider , H. ; Baulig, C; Höfler, H.; Weber, R.; & Graf, T. (2011) . Online measurement and closed loop control of penetration depth in laser welding processes, in: Washio, Kunihiko, Laser Institute of America -LIA- : ICALEO, 30th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics , (S. 110-117), Orlando, Flori- da, USA (LIA 614) , bzw. ein indirektes Maß dafür gewonnen werden kann (Sibillano, T.; Rizzi, D . ; Ancona, A.; Saludes- Rodil, S . ; Rodriguez Nieto, J.; Chmeliökovä, H.; Sebestova, H. (2012), Spectroscopic monitoring of penetration depth in C0₂ Nd:YAG and fiber laser welding processes , in: Journal of Mate- rials Processing Technology 212 (4), S. 910-916) . Des weiteren sind auch Verfahren zum sogenannten "Seam Tracking", also zur lateralen Nachführung des Auftreffpunktes an Stumpfstößen bekannt (Regaard, B; Kaierle, S . ; Poprawe, R., Seam- tracking for high precision laser welding applications - Methods, restric- tions and enhanced concepts, Journal of Laser Applications 2009, Vol. 21, S. 183-195 Vol. 21, S. 183-195), diese sind jedoch gerade unabhängig von der Einschweißtiefe. Überdies ist aus der DE 10 2010 01 39 14 AI ein Verfahren bekannt, bei wel- ehern an Überlapp-Schweißstößen die Einschweißtiefe bezogen auf eine Grenzfläche bestimmt wird, und schließlich kennt man auch ein Verfahren, bei dem bei Schweißstößen die Einschweißtiefe bezogen auf die Grenzfläche bestimmt werden kann (Blug, A. ; Abt, F.; Nicolosi, L.; Heider, A. ; Weber, R.; Carl, D. et al . (2012) : The füll penetration hole as a stochastic process: Controlling penetration depth in keyhole laserwelding processes , in: Appl. Phys. B 108 (1), S. 97-107) . Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die jeweils die Position des Auftreff unktes des Laserstrahls in der Nähe der Schnittlinie zwischen den Grenzflächen der Fügepartner derart regeln, dass in jedem der beiden Fügepartner eine ausreichende Nahtfes- tigkeit sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem durch Messung ermittelte Werte für wenigs- tens eine erste Stellgröße zumindest mittelbar als Regelgröße wenigstens eines zweiten Regelkreises der Regeleinrichtung verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung der Auftreffpunkt des Laserstrahls manipuliert wird. Dies kann konkret für einen als Fügeprozess eingesetzten Schweißprozess bedeuten, dass zunächst ein oder mehrere Abstandsmaße für den Abstand zwischen der Schweißnaht und einer der Grenzflächen der Fügepartner durch Messung gewonnen wird oder werden, die entweder als Abstandswert zu einer Grenzfläche eines Fügepartners oder als Wert der Einschweißtiefe weiter verwendet werden. Das betreffende Signal der Einschweißtiefe wird von dem ersten Regelkreis mit einem Sollwert als Führungsgröße verglichen, worauf im Fall von Abweichungen die erste Stellgröße angepasst wird. Der Wert der ersten Stellgröße dient aber gleichzeitig als Regelsignal für den zweiten Regelkreis, welcher diese mit einer zweiten Führungsgröße vergleicht. Bei Abweichungen wird über eine zweite Stellgröße, etwa ein Positi- onssignal für die Drehachse, das an die Positioniereinrichtung übermittelt wird, der Auftreff unkt senkrecht zum Vorschub u verstellt .

Dabei ist es von Vorteil, nicht aber prinzipiell notwendig, wenn die vorstehend erwähnten Abstandsmaße koaxial, d.h. von der Positioniereinrichtung aus näherungsweise parallel zur optischen Achse des Laserstrahles gewonnen werden.

Weiter vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wie der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitgehend im Sinne der DIN IEC 60050-351 sollen die anschließend aufgeführten Begrifflichkeiten wie folgt verstanden wer- den. Als Führungsgröße soll eine aus einer Zielgröße abgeleitete, den Sollwert der Regelgröße festlegende Eingangsgröße eines Vergleichsgliedes einer Regeleinrichtung verstanden sein. Die Regelgröße sei die am Ausgang der Regelstrecke gemessene Größe, deren Werte mit dem Sollwert verglichen werden. Aus diesem Ver- gleich leitet der Regler eine oder mehrere Stellgrößen für die Regelstrecke ab, die auf die Regelgröße zurückwirken. Die Regeleinrichtung bezeichnet die Funktionseinheiten eines oder mehrerer Regelkreise, die dazu bestimmt sind, die Regelstrecke entsprechend der Regelungs- oder Steuerungsaufgabe zu beein- flussen, während die Funktionseinheiten, die entsprechend der Regelungs- oder Steuerungsaufgabe beeinflusst werden, die eine oder mehrere Regelstrecken bilden. Schließlich bildet die Stellgröße eine Ausgangsgröße der Regeleinrichtung, die auch eine Eingangsgröße der Regelstrecke ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei in teilweise schematisierter Darstellung die

Fig.l eine ebene, geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Herstellung einer Kehlnaht mittels der Vorrichtung an zwei Fügepartnern sowie mit einer Positionier- und einer Messeinrichtung;

Fig.2 eine ebene, geschnittene Seitenansicht eines

Ausschnitts aus der Fig.l mit einem Auftreff - punkt der optischen Achse des Laserstrahls in etwa am Schnittpunkt der Grenzflächen der Füge- partner ; Fig.3 eine ebene, geschnittene Seitenansicht ähnlich derjenigen aus der Fig .2 eines Ausschnitts aus der Fig.l mit in den aufrecht dargestellten Fügepartner hinein verschobenem Auftreffpunkt der optischen Achse des Laserstrahls;

Fig.4 ein Schaubild mit Auftragungen verschiedener

Prozessgrößen gegen den Auftreffpunkt des Laserstrahls ; Fig.5 einen Wirkungsplan als symbolische Darstellung der Wirkungsabläufe in dem Fügeverfahren durch Blöcke und Verzweigungsstellen, die durch Wirkungslinien verbunden sind; Fig.6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Herstellung einer Kehlnaht an zwei Fügepartnern, an denen ein Spannmittel angeordnet ist;

Fig.7 ein Schaubild mit Auftragungen verschiedener

Prozessgrößen gegen die Zeit. In den Fig.l, 2, 3 und 6 ist eine im Ganzen mit 50 bezeichnete Vorrichtung zur Durchführung eines Fügeprozesses zwischen zwei ebenen Fügepartnern 1, 2 zu erkennen, die an einer Schweißnaht 3 verbunden werden. Zur Wärmeeinbringung in die Fügepartner 1, 2 kommen von einem Laser 51 ausgesandte Laserstrahlen 4 zum Einsatz, deren Richtung durch die optische Achse 5, 5' gegeben ist. Um eine ausreichende Festigkeit der Schweißnaht 3 zu erzielen, ist es notwendig, an beiden Fügepartnern 1, 2 bezüglich deren Grenzflächen 6, 8 ausreichende Einschweißtiefen 7, 9 in die beiden Fügepartner sicherzustellen. An der Vorrichtung 50 ist eine Positioniereinrichtung 10 zu erkennen, mittels derer der Auftreffpunkt 11, 11' des Laserstrahles auf einer der Grenzflächen 6, 8 sehr schnell verstellt werden kann. An der Positioniereinrichtung ist auch eine nicht in größerem Detail gezeigte Messeinrichtung 52 angeordnet. Die Vorrichtung 50 er- möglicht das kostengünstige Verschweißen komplexer Bauteile, etwa bei der Produktion von Karosserien, hierfür kann der Anstellwinkel 12 des Laserstrahls 4 über Spiegel um eine oder mehrere Drehachsen 13 der Positioniereinrichtung 10 verfahren werden. Die Anwendbarkeit für solche Schweißvorrichtungen 50 wird häufig begrenzt durch die Genauigkeit, die bei einer Schweißnahtgeometrie für die Positionierung des Auftreffpunktes 11, 11' relativ zu der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 benötigt wird. Diese Schnittlinie 41 verläuft in Fi- gur 1 senkrecht zur Zeichenebene. Bei als Kehlnähten ausgebildeten Schweißnähten 3, wie sie in Figur 1 im Querschnitt gezeichnet sind, ist es vorteilhaft, wenn diese Positioniergenauigkeit kleiner als der Durchmesser des Laserstrahles 4 ist, der typischerweise zwischen 0,1 und 2 mm beträgt. Allerdings kann die Position der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 variieren, zum Beispiel weil sich einer der Fügepartner 1, 2, hier gezeigt als dünne Bleche, durch den Wärmeeintrag des Lasers 51 verbiegt. Weitere Quellen der Unsicherheit für die re- lative Positionierung zwischen den Fügepartnern 1, 2 und der Positioniereinrichtung 10 sind Ungenauigkeiten bei Scanner und gegebenenfalls zur Bewegung der Fügepartner eingesetzten Robotern . Die gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 50 soll demgemäß die Position des Auftreffpunktes 11, 11' des Laserstrahls 4, also den Schnittpunkt der optischen Achse 5, 5' mit einer der Grenzflächen 6, 8, in der Nähe der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 so regeln, dass in jedem der beiden Fügepart- ner 1, 2 eine ausreichende Naht festigkeit sichergestellt ist. Hierfür werden im Schweißprozess ein oder mehrere auf einen der Fügepartner 1, 2 bezogene Einschweißtiefen 7, 9 oder der Abstand 14 der Schweißnahtunterseite von der Grenzfläche 15 eines der Fügepartner als Abstandsmaße 7, 9, 14 für den Abstand zwi- sehen der Schweißnaht 3 zu einer der Grenzflächen 6, 8, 15 gewonnen. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Einschweißtiefe 16 kann anhand eines aus diesen Größen abgeleiteten Regel - Signals der Auftreffpunkt 11 über die Positioniereinrichtung 10 verändert werden.

In den Fig.2 und 3 wird die Vorrichtung 50 mit Laser 51 und Messeinrichtung 52 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, wobei in der Figur 2 eine Situation dargestellt ist, in der der Auftreffpunkt 11 der optischen Achse 5 des Laserstrahles 4 in etwa dem Schnittpunkt der Grenzflächen 6, 8 entspricht. Die Einschweißtiefe ist so gewählt, dass die Anbindebreite zwischen dem Querschnitt der Schweißnaht 3 und dem einen Fügepartner 1 größer ist als die Anbindebreite zwischen dem Querschnitt der Schweißnaht 3 und dem anderen Fügepartner 2. Die Schenkellänge 17 des größten in die Nahtquerschnittsfläche einschreibbaren gleichschenkligen Dreiecks begrenzt deshalb die Höhe 18, die der Nahtbreite entspricht. Der Winkel α zwischen den beiden gleich langen Schenkeln mit Länge r beträgt 45°, weil unter diesem Winkel die Fläche F = r² sin (a/2 ) cos (a/2 ) des Dreiecks maximal wird.

Wenn der Auftreffpunkt 11 - wie in Figur 2 gezeigt - im Bereich der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 liegt, wird die Nahtbreite und somit die Festigkeit von der durch die Schenkellänge 17 repräsentierten Anbindebreite in Fügepartner 2 dominiert. Verschiebt man den Auftreffpunkt 11 für den Betrachter nach links, dann fällt die Festigkeit weiter ab. Verschiebt man ihn für den Betrachter nach rechts, also in den aufrecht stehenden Fügepartner 2 hinein, dann wird die Festigkeit durch die Breite der Schweißnaht 3 im Spalt zwischen den Fügepartnern 1, 2 begrenzt. Dies Ist in Figur 3 gezeigt. Der Radius des größten, in die Fläche der Schweißnaht 3 einschreibbaren Krei- ses wird durch die Spaltenschweißnahtbreite 19 im Spalt begrenzt. Diese wiederum ergibt sich aus der Breite 20 der Schweißnaht 3 senkrecht zur optischen Achse 5 und dem Anstellwinkel 21 zwischen der optischen Achse 5 und der Grenzfläche 6. Da bei LasertiefSchweißprozessen in vielen Werkstoffen - z.B. in Stahlwerkstoffen - die Breite 20 der Schweißnaht 3 in einem weiten Bereich nahezu unabhängig von der tatsächlichen Einschweißtiefe 16 ist, kann man davon ausgehen, dass die Breite 19 der Schweißnaht 3 im Spalt nahezu unverändert bleibt, wenn man den Auftreffpunkt 11 weiter als in Figur 3 gezeigt nach rechts verschiebt. Dies ändert sich erst dann wieder, wenn der Auftreffpunkt 11 die rückseitige Grenzfläche 22 des in der Fig.3 aufrechten Fügepartners 2 erreicht.

Für die Führung der in der Fig.3 nicht gezeigten Positioniereinrichtung 10 bedeutet das, dass der Auftreffpunkt 11 etwa in der in Figur 3 gezeigten Position gehalten werden muss. Hierfür muss eine für eine Positionsregelung des Auftreffpunktes 11 ge- eignete Führungsgröße gefunden werden. Diese kann man aus der Querschnittsfläche der Schweißnaht 3 ableiten, wenn man annimmt, dass der Wirkungsgrad η des Schweißprozesses, konstant ist, wie das bei vielen Werkstoffen, etwa bei Stahlwerkstoffen, bei den typischerweise gewählten Prozessparametern der Fall ist. Die prozesswirksame Energie ist die thermische Energie, welche zum Aufheizen des Volumens F ds von der Raumtemperatur T₀ auf die Schmelztemperatur T_s des Werkstoffes benötigt wird. Es gilt daher

η—ds = {T_s -T_Q)c_wp_wFds (1).

u

Der Prozesswirkungsgrad η steht für den Anteil der prozesswirksamen Energie an der gesamten eingestrahlten thermischen Energie, welcher zum Schmelzen des Werkstückes verwendet wird. Der Energieeintrag erfolgt über einen Laserstrahl mit der Leistung P. Die Energiemenge pro Streckenelement ds in Schweißrichtung (in Figur 1 steht es senkrecht zur Zeichenebene) wird durch den Vorschub u bestimmt. Die prozesswirksame Energie ergibt sich aus der Wärmekapazität und der Temperaturdifferenz zwischen der Schmelztemperatur T_s des Werkstoffes und der Umgebungstemperatur T₀. In dieser Gleichung bezeichnen C_w die massenspezifische Wärmekapazität und p_w die Dichte des Werkstoffes. Das aufzuhei- zende Volumen folgt aus dem Produkt der Querschnittsfläche F der Schweißnaht 3 und dem dazu senkrecht ausgerichteten Streckenelement ds. Bei einem konstanten Vorschub u ist die Laserleistung P deshalb proportional zur tatsächlichen Einschweiß- tiefe 16.

Erfindungsgemäß kann also eine Fügevorrichtung in der Fig. 1, beispielsweise im Bereich ihrer Positioniereinrichtung 10, um eine Messeinrichtung 52 ergänzt sein, die als Abstandsmaße 7, 14 die Einschweißtiefe in den Fügepartner 1 bezogen auf eine von dessen Grenzflächen 6, 15 misst . Ein erster Regelkreis 53 regelt wahlweise die den Abstand 7 als Einschweißtiefe senkrecht zur oberen Grenzfläche 6 des ersten Fügepartners 1 oder den Abstand 14 der Schweißnaht 3 zur unteren Grenzfläche 15. Als Stellgrößen für den ersten Regelkreis können wahlweise die Laserleistung P, der Laserstrahldurchmesser oder der Vorschub u verwendet werden. Das Ergebnis dieses ersten Regelkreises 53 ist, dass die Abstände 7 bzw. 14 unabhängig vom Auftreffpunkt 11 konstant sind, solange der Regelkreis 53 in der Lage ist, die Stellgröße anzupassen. Die Stellgröße dieses ersten Regelkreises 53 kann daher als Maß für die Lage des Auftreffpunktes 11 relativ zum Schnittpunkt der Grenzflächen 6, 8 verwendet werden. Verwendet man beispielsweise die Laserleistung P als Stellgröße, dann steigt diese mit zunehmender Verschiebung des Auftreffpunktes 11 an.

Figur 4 erläutert diesen Zusammenhang. Die durchgezogenen Linien zeigen qualitativ den Verlauf der Regelgröße des ersten Regelkreises 53 der Regeleinrichtung 55, der Nahtbreite 18 und der als Stellgröße 1 bezeichneten Streckenenergie P/u,- die gepunkteten Kurven skizzieren den Verlauf der entsprechenden Größen ohne Regeleinrichtung. Die Punkte a) , b) und c) auf den ho- rizontalen Achsen entsprechen den Positionen des Auftref fpunk- tes 11:

a) wie in Figur 2, also an der Schnittlinie 41 der Grenzflächen 6 , 8 ;

b) wie in Figur 3;

c) an einer Schnittfläche zwischen Grenzflächen 6, 22.

Ohne Regeleinrichtung 55 wird der Prozess bei nominell konstanter Streckenenergie P/u gefahren. Daher ist der Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogenen Einschweißtiefe vor Punkt a) entsprechend hoch. Da die Querschnittsfläche F der Schweißnaht 3 nahezu konstant bleibt, verringert sich der Abstand 7 mit dem Flächenanteil in dem weiteren Fügepartner 2. Die Nahtbreite nimmt - wie oben erläutert - bei Punkt b) ihr Maximum an und fällt erst wieder ab, wenn der Auftreffpunkt 11 über die Grenzfläche 22 hinauswandert.

Mit Regeleinrichtung 55 wird die erste Stellgröße so angepasst, dass der Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogenen Ein- schweißtiefe immer konstant dem Sollwert Sl entspricht. Der qualitative Verlauf der Nahtbreite ändert sich gegenüber dem gestrichelten Verlauf ohne Regeleinrichtung 55 nur geringfügig, während die Streckenenergie P/u an die Einschweißtiefe angepasst wird. Da sowohl die tatsächliche Einschweißtiefe 16 als auch die Nahtbreite 20 bei Laserschweißprozessen mit der Streckenenergie P/u zunehmen, steigt auch die Streckenenergie P/u zwischen den Punkten a) und c) streng monoton an. Der Wert der Streckenergie P/u kann daher in diesem Bereich einem Auftreffpunkt 11 eindeutig zugeordnet werden. Er kann daher gleichzei- tig als Regelgröße für einen zweiten Regelkreis 54 verwendet werden . Der erwähnte (streng) monotone Zusammenhang der ersten Stellgröße ermöglicht daher, auf den ersten Regelkreis einen zweiten aufzusetzen, der einen Sollwert S2 als Maß für eine Sollposition S3 des Auftreff unktes 11 im Bereich zwischen den Positionen b und c verwendet, in dem die wirksame Nahtbreite 18 maximal ist. Der zweite Regelkreis 54 verwendet daher die Stellgröße des ersten Regelkreises als Regelgröße. Als Stellgröße dient der Anstellwinkel 12 der Positioniereinrichtung 10. Liegt die von der ersten Regeleinrichtung 53 eingestellte Streckenenergie unter dem Sollwert S3, dann wird der Anstellwinkel so verstellt, dass der Auftreffpunkt 11 in den weiteren Fügepartner 2 hinein verschoben wird.

Entsprechend erkennt man, dass es sich um eine kaskadierte Re- gelung handelt, bei der die Zeitkonstante des ersten Regelkreises 53 deutlich kleiner ist als die des zweiten Regelkreises 54. Figur ^" 5 zeigt den zugehörigen Wirkungsplan. In diesem erkennt man, auch unter Rückgriff auf die Fig.l, eine Fügevorrichtung 50 zum Beispiel mit einem Schweißlaser 51, der über ein Lichtleiterelement 26 mit einer Positioniereinrichtung 10 gekoppelt ist. Diese verstellt den Auftreffpunkt 11 und somit den Ort der Schweißnaht 3, 33 relativ zu den Fügepartnern 1, 2. Bei der Positioniereinrichtung 10 kann es sich beispielsweis um einen Schweißkopf mit Scanner handeln, der den Anstellwinkel 12 der optischen Achse 5 eines Laserstrahls 4 über eine oder mehrere Drehachsen 13 verstellen kann. Die Elemente 51, 10 und 3 bzw. 33 bilden die Regelstrecke des ersten Regelkreises 53 der Regeleinrichtung 55. Das Regelsignal 27 dieses Regelkreises 53 bilden Messwerte für den Abstand 7 als auf einen Fügepartner 1 bezogene Einschweißtiefe, welche mit Hilfe einer Messeinrichtung 52 gewonnen werden. Diese Messeinrichtung 52 kann entweder den Abstand 7 entweder relativ zur oberen Grenzfläche 6 oder den Abstand 14 der Schweißnaht 3 zur unteren Grenzfläche 15 des Fügepartners 1 messen. Das Einschweißtiefensignal 29 wird vom Regler 30 des ersten Regelkreises 53 mit einem Sollwert 31 als Führungsgröße verglichen, und im Fall von Abweichungen die erste Stellgröße 32, welche mit dem Schweißlaser 51 verbunden ist, anpasst. Der Wert der ersten Stellgröße 32 dient gleichzeitig als Regelsignal 38 für den Regler 34 des zweiten Regelkreise 54, welche dieses mit einer zweiten Führungsgröße 35 vergleicht. Bei Abweichungen wird über eine zweite Stellgröße 36, z.B. ein Positionssignal für die Drehachse 13, welches an die Positioniereinrichtung 10 gerichtet ist, der Auftreffpunkt 11 senkrecht zum Vorschub u verstellt. Die Regelstrecke der zweiten Regeleinrichtung bilden demnach die Positioniereinrichtung 10 und die Schweißnaht 3. Die Messeinrichtung 52 kann in einer ersten Variante als Ab- standsmesseinrichtung ausgeführt sein, welche mindestens einen Messpunkt innerhalb der Schweißnaht 3, 33 - bei Lasertief - schweißprozessen handelt es sich vorzugsweise um den Boden der Dampfkapillare - sowie mindestens einen zweiten Messpunkt auf mindestens einer der beiden Grenzflächen 6, 8 neben der Schweißnaht 3, 33 erfasst . In einer zweiten Variante können auch Bildmerkmale für das Erreichen einer der Grenzflächen 6, 8 oder 15 im Prozessleuchten des Schweißprozesses verwendet werden. Der erste Regelkreis 53 kann auch so ausgebildet sein, dass immer bis zur unteren Grenzfläche 15 durchgeschweißt wird. Der Abstand 14 zwischen Schweißnaht 3 und zugeordneter Grenzfläche 15 ist dann null. In einer dritten Variante kann die Messeinrichtung 52 auch so ausgeführt werden, dass sie sowohl 3D-Messpunkte auf mindestens einer der Grenzflächen 6, 8 mit mindestens einem Wert für die tatsächliche Einschweißtiefe 16 verwendet, der mit einem zweiten Verfahren ermittelt wurde. Beispielsweise kann die Elektronentemperatur im Prozessleuchten ermittelt werden. Die beiden Führungsgrößen 31, 35 können in einer ersten Variante der Regeleinrichtungen der Regler 30, 34 der Regelkreise 53, 54 als zeitlich konstante Sollwerte ausgeführt sein. Sie können in einer zweiten Variante aber auch zeitlich variiert werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Prozesseinflüsse vorliegen, die das Verhältnis zwischen der Streckenenergie P/u und dem Auftref fpunkt 11 verändern. Beispielsweise verändert eine Defokussierung des Laserstrahles 4 in Richtung der optischen Achse 5 die Breite 20 des Schmelzbades und damit über die Querschnittfläche F das Verhältnis zwischen Streckenenergie P/u und tatsächlicher Einschweißtiefe 16. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein, die Führungsgrößen 31, 35 synchron auf Referenzpunkte zu setzen. Dabei kann es sich beispielsweise um Auf- treffpunkte 11 handeln, welche in Figur 4 links von Punkt a) liegen .

In der Fig.6 ist die Wirkungsweise dieser Zweikreisregelung gezeigt . Während im Stand der Technik eine Schweißkopf mit dem Vorschub u 40, der nahezu parallel zur Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 der Fügepartner 1, 2 verläuft, entlang der Fügepartner 1, 2 geführt. Die Abweichung des Auftref fPunktes 11 von der Schnittlinie 41 wird über den Anstellwinkel 12 zumeist über eine taktile Führung ausgeglichen. Dadurch muss der Schweißkopf sehr nahe an der Schweißnaht 3 geführt werden, wodurch es u. a. zu Kollisionen mit einem Spannmittel 43 kommen kann. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 durch den Laser 51 mit Positioniereinrichtung 10 und Regeleinrichtung 55 ein Schweißkopf gebildet, an dem eine Messeinrich- tung 52 angebracht ist, die mindestens einen der Abstände 7, 9, 14 (vgl. Fig. 1) als verschiedene auf Fügepartner bezogene Einschweißtiefen bestimmt. Ein erster Regelkreis 53 hält über seinen Regler 30 die betreffende Einschweißtiefe 7, 9, 14 über eine Stellgröße 32 konstant. Bei dieser Stellgröße 32 kann es sich beispielsweise um die Laserleistung P, um den Betrag des Vorschubes u 40 oder um eine Defokussierung des Laserstrahles in Richtung der optischen Achse 5, welche die Breite 20 der Schweißnaht 3 ändert, handeln .

Wie in Gleichung (1) und Figur 4 gezeigt, ändert sich der Wert der Stellgröße 32, der zum Erreichen der tatsächlichen Einschweißtiefe 16 notwendig ist, monoton mit der relativen Position des Auftreff unktes 11 zur Schnittlinie 41 und der damit verbundenen wirksamen Nahtbreite 18. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Stellgröße 32 zugleich als Regelgröße 38 eines zweiten Regelkreises 54 mit Regler 34 verwendet. Dieser vergleicht den Wert der Eingangsgröße 33 mit einem Sollwert S3 35 und passt die relative Position des Auftreffpunktes 11 zur Schnittlinie 41 über eine Stellgröße 36 an. Bei dieser Stellgröße 36 kann beispielsweise der Anstellwinkel 12 über ei- ne Drehachse 13 in dem Schweißkopf, die näherungsweise parallel zum Vorschub u 40 steht, so angepasst werden, dass die vorgegebene wirksame Nahtbreite 18 erreicht wird.

Figur 7 skizziert einen möglichen zeitlichen Verlauf der Regel- Signale für die Schweißnaht 33, wie sie in Figur 6 gezeigt ist. Die Regelgröße 1 stellt den Abstand 7 als auf einen Fügepartner bezogenen Einschweißtiefe dar. Aufgrund der Regelung durch den ersten Regelkreis 53 mit dem Regler 30 liegt sie immer sehr nahe beim konstanten Sollwert Sl, der als Führungsgröße 31 dient. Am Startpunkt 44 der Schweißnaht 33, also zum Zeitpunkt t=0, liegt der Auftreffpunkt 11 vor der Schnittlinie 41, also unterhalb von Punkt a in Figur 4. Daher liegt die erste Stellgröße 32, die zum Erreichen dieses Sollwertes notwendig ist, am Mini- mum. Der zweite Regelkreis 54 mit seinem Regler 34 vergleicht die erste Stellgröße 32, die ja zugleich als zweite Regelgröße 38 dient, mit einem konstanten Sollwert S2 , der als Führungsgröße 35 fungiert. Da der Wert der zweiten Regelgröße 38 zu niedrig ist, passt er die zweite Stellgröße 36 so an, dass zum Zeitpunkt tl der Sollwert S3 für die wirksame Nahtbreite 18 erreicht wird. Durch diese Zweikreisregelung bleibt die Position zwischen Auftreffpunkt 11 im Bereich zwischen den Punkten b und c in Figur 4, in dem die wirksame Nahtbreite 18 maximal ist. Die Steigung der zweiten Stellgröße 36 ab dem Zeitpunkt tl soll die Auswirkung eines Fehlwinkels zwischen dem Vorschub u 40 und der Schnittlinie 41 andeuten.

Die Führung von Kehlnähten erfolgt heute fast ausschließlich taktil, in vielen Fällen -etwa beim Schweißen von Aluminiumdrähten - durch Antasten eines Fügepartners mit einem Draht, der dem Schweißprozess zugleich einen Zusatzwerkstoff zuführt. Der Draht wird daher verbraucht. Es handelt sich um dünne Drähte, die über bewegliche Roboterarme gefördert werden müssen und mit denen über eine komplexe Regelung schwere Schweißköpfe geführt werden. Die Prozessparameter müssen daher häufig korrigiert werden. Bei Karosserien entsteht häufig das Problem, dass Spannmittel umfahren werden müssen, was bei taktiler Nahtführung zeitaufwändig ist. Aufgrund der fixen Drahtposition ist die Kombination mit scannenden Schweißoptiken nicht sinnvoll. Daher müssen verschiedene Schweißköpfe für unterschiedliche Nahtgeometrien (etwa Überlapp- und Kehlnähte) am gleichen Bauteil eingesetzt werden. Dem begegnen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung 50 zur Herstel- lung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern 1, 2 entlang einer Schweißnaht 3, 33 in einem Füge- prozess mittels eines Strahlwerkzeugs, insbesondere eines Laserstrahls 4, wobei der Auftreffpunkt 11 des Laserstrahls 4 im Bereich einer Schweißnaht 3, 33 durch wenigstens eine Positioniereinrichtung 10 manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung 55 mit wenigstens einem Regelkreis 53, 54. Das Verfahren und die Vorrichtung 50 regeln jeweils die Position des Auf- treffpunktes 11 des Laserstrahls 4 in der Nähe der Schnittlinie 41 zwischen den Grenzflächen 6, 8 der Fügepartner 1, 2 derart, dass in jedem der beiden Fügepartner eine ausreichende Nahtfestigkeit sichergestellt ist, wobei durch Messung ermittelte Werte für wenigstens eine erste Stellgröße 32 zumindest mittelbar als Regelgröße 38 wenigstens eines zweiten Regelkreises 53, 54 der Regeleinrichtung 55 verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung 10 der Auftreffpunkt 11 des Laserstrahls 4 manipuliert wird.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen wenigstens einem ersten und einem zweiten Fügepartner (1, 2) entlang einer Schweißnaht (3, 33) in einem Fügeprozess mittels eines Strahlwerkzeugs (51) mit wenigstens einem Laserstrahl (4) , wobei ein Auftref fpunkt (11, 11 y) des Laserstrahls (4) im Bereich einer Schweißnaht (3, 33) durch wenigstens eine Positioniereinrichtung (10) manipuliert wird und mit einer Regeleinrichtung (55) mit wenigstens einem ersten Regelkreis (53) , dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung ermittelte Werte für wenigstens eine erste Stellgröße (32) zumindest mittelbar als Regelgröße (38) wenigstens eines zweiten Regelkreises (54) der Regeleinrichtung (55) verwendet werden, mittels derer über die Positioniereinrichtung (10) der Auftref fpunkt (11, 11') des Laserstrahls (4) manipuliert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße des ersten Regelkreises (53) als eine Einschweißtiefe (7) senkrecht zu einer dem zweiten Fügepartner (2) benachbarten Grenzfläche (6) des ersten Fügepartners (1) oder als Abstand (14) der Schweißnaht (3, 33) zu der dem zweiten Fügpartner (2) abgewandten Grenzfläche (15) des ersten Fügepartners (1) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eine erste Stellgröße (32) des ersten Regelkreises (53) Laserleistung P, Durchmesser des Laserstrahls an dem Auftref fpunkt (11, 11') oder Vorschub u (40) eingesetzt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße (36) des zweiten Regelkreises (54) ein über die Positioniereinrichtung (10) verstellbarer Anstellwinkel (12) des Laserstrahls (4) eingesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Regelkreise (53, 54) gegenüber dem anderen Regelkreis (54, 53) eine derart verkleinerte Zeitkonstante aufweist, dass die Regelgröße des einen Regelkreises (53, 54) für den anderen Regelkreis (54, 53) konstant erscheint. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Regelkreis (53) die Einschweißtiefe (7, 9) relativ zu einer der Grenzflächen (6, 8) eines der beiden Fügepartner (1, 2) über die wenigstens eine erste Stellgröße (32) des ersten Regelkreises (53) geregelt wird, die Stellgröße (32) des ersten Regelkreises (53) mit der relativen Position des Auftreffpunktes (11) zur Schweißnaht (3, 33) monoton ansteigt oder fällt und der Wert der wenigstens einen ersten Stellgröße (32) als Regelgröße (38) des zweiten Regelkreises (54) dient, welche über die Positioniereinrichtung (10) den Auftreffpunkt (11, II1) des Laserstrahls (4) verstellt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsgrößen (31, 35) synchron über ein Signal (37) derart variiert werden, dass die Steigung der wenigstens einen ersten Stellgröße (32) mit der Position des Auftreffpunktes (11, 11') als Regelgröße (38) des zweiten Regelkreises (54) verwendet wird. Vorrichtung zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung wenigstens zweier Werkstücke als Fügepartner (1, 2) entlang einer Schweißnaht (3, 33) in einem Fügeprozess mit wenigstens einem Laserstrahl (4) , mit wenigstens einer Positioniereinrichtung (10) , die einen Auftref fpunkt (11, 11') des Laserstrahls (4) im Bereich der Schweißnaht (3, 33) manipuliert, und mit wenigstens einer Regeleinrichtung (55), welche wenigstens eine erste Stellgröße (32) eines ersten Regelkreises (53) derart anpasst, dass sie nahezu konstant einem Sollwert entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (52) vorgesehen ist, welche aus aktuellen Messwerten die wenigstens eine erste Stellgröße (32) ermittelt, und wenigstens ein weiterer Regelkreis (54) die Messwerte zumindest mittelbar als Regelgröße (38) einsetzt, um über die Positioniereinrichtung (10) den Auftref fpunkt (11, II1) des Laserstrahls (4) zu manipulieren . Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (52) mit dem Strahlwerkzeug (51) und der Positioniereinrichtung (10) in einem Werkzeugkopf untergebracht sind, der während des Fügeprozesses beabstandet zu den Fügepartnern (1, 2) und der Schweißnaht (3, 33) geführt ist. 0. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (52) anhand ihrer Messwerte eine Einschweißtiefe (7) senkrecht zu einer dem zweiten Fügepartner (2) benachbarten Grenzfläche (6) des ersten Fügepartners (1) oder einen Abstand (14) der Schweißnaht (3, 33) zu der dem zweiten Fügpartner (2) abgewandten Grenzfläche (15) des ersten Fügepartners (1) ermittelt .

1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (52) als Abstandsmessein- richtung ausgebildet ist und Abstandsmesspunkte näherungs - weise koaxial zur optischen Achse (5, 5') des Laserstrahls (4) generiert, von denen mindestens ein Messwert auf dem Boden einer Dampfkapillare der Schweißnaht (3, 33) liegt und mindestens ein weiterer Messpunkt auf einer der Grenzflächen (6, 8, 15) der Fügepartner (1, 2) liegt, um aus den Messpunkten die tatsächliche Einschweißtiefe (16) zu berechnen .

2. Vorrichtung nach ein dem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regelkreis (53) derart ausgebildet ist, dass er einen Abstand (7, 9, 14) oder das Verschwinden des Abstandes (14) zwischen der Schweißnaht (3, 33) und der Grenzfläche (6, 8) eines der Fügepartner (1, 2) anhand des Auftretens eines Bildmerkmales bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildmerkmal durch des Auftretens eines Durchschweißlo- ches an der Grenzfläche (6, 8, 15, 22) eines der Fügepartner (1, 2) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (52) Abstände aus einer Kombination von Messverfahren ermittelt, in welches 3D-Messpunkte an wenigstens einer der Grenzflächen (6, 8, 15, 22) jedes der Fügepartner (1, 2) sowie ein für die tatsächliche Einschweißtiefe (16) in einem getrennten Verfahren ermittelter Wert Eingang finden.