WO2015014600A1 - Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges fügen mittels eines zusatzwerkstoffs mit einer um eine achse verschwenkbaren zuführeinrichtung - Google Patents

Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges fügen mittels eines zusatzwerkstoffs mit einer um eine achse verschwenkbaren zuführeinrichtung Download PDF

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energy beam
joining
axis
joining device
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Hermann Krippl
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a joining device for a cohesive joining by means of a filler material according to the preamble of patent claim 1.
  • Joining devices which by means of an energy beam with the introduction of an additional material materially interconnect components, are used in a variety of technical applications. For example, in the automotive field, joining devices based on energy beams in the form of laser beams are used to weld body parts together.
  • the publication DE 10 2009 045 400 B3 describes a joining device in which two sub-beams, which are generated by the fact that an energy beam is split into these sub-beams via an optical system, are used for the integral joining.
  • a wire is brought together via a feeder with the two partial beams and thereby causes a fusion of the wire with the components to be joined.
  • the object of the invention is therefore to provide a joining device for a cohesive joining means of a filler material, with the simple and flexible components can be connected together.
  • the joining device comprises a feed device for a wire as a filler material and a guide for an energy beam which propagates along a beam axis after exiting the guide.
  • the wire is brought together in a melting point with the energy beam and
  • the energy beam is moved in a feed direction along a feed axis crossing the energy beam or the melting point in order to connect components along a joint by means of a joining seam.
  • the movement of the joining device in the feed direction is preferably effected by a robot to which the joining device is attached.
  • the positions of the feed axis, the energy beam or the melting point are defined at any time clearly in relation to the joining device, even if they can be varied if necessary.
  • the joining device according to the invention is characterized in that the feed device is pivotable about an axis which is the beam axis of the energy beam during operation of the joining device.
  • the feed device can thus carry out a movement with respect to the beam axis, which component includes a rotational movement about the beam axis. It thus becomes possible to move the feeder relative to the energy beam while maintaining a pre-set melting point.
  • the joining device By means of the relative movement of the feed device to the energy beam, the joining device according to the invention makes possible a suitable adaptation of the wire feed to the conditions of the joint.
  • the feeder by swiveling the feeder, it is possible to respond quickly to a changing course of the joint, and thus soldering or welding to joints with narrow radii also be made possible.
  • a joint seam with higher quality and uniform seam geometry can be achieved. In this way, e.g. the paint application at the joint seam can be improved in motor vehicle body parts and thus a better corrosion protection can be achieved.
  • the feed device is arranged on a pivotable relative to the guide arm pivot arm.
  • the swivel arm is thus movable about a suitable actuator to the beam axis of the energy beam.
  • the feed device is designed such that it can be arranged in a first position in the feed direction in front of the guide, wherein in the first position of the wire along the feed axis opposite to the feed direction is fed to the melting point.
  • This first position corresponds to the position in which the feeding device is usually located in conventional joining devices is arranged.
  • the feeding device can now be pivoted in the feed direction from the first position in a predetermined angular range to the left and right of the feed axis.
  • the angle range extends to 30 ° or more, in particular to 90 ° or more, left and / or right of the feed axis. This ensures sufficient mobility of the feed device relative to the energy beam.
  • the guide device of the joining device is configured in such a way that, during operation, it provides the energy beam described above as the first energy beam and furthermore at least a second energy beam for the surface treatment offset from the first energy beam.
  • the first energy beam thus serves to fuse the components by means of the filler material, whereas the at least one second energy beam is directed without additional material to the joint or the components to be connected.
  • the joint seam can be improved.
  • the at least one second energy beam is used in particular for pre-cleaning before joining, but if necessary can also be used for post-cleaning the joint seam.
  • the guide device is configured in such a way that a single original energy beam is split with optics into at least two partial beams which comprise the first and the at least one second energy beam.
  • the guide can be used, which is described in the above-mentioned document DE 10 2009 045 400 B3. The entire disclosure content of this document is incorporated by reference into the content of the present application.
  • the at least one second energy beam for pre-cleaning in the feed direction before and / or post cleaning in the feed direction behind the first energy beam is arranged, wherein the at least one second energy beam preferably crosses the feed axis.
  • pivoting the feeder is thereby achieved that the second energy beam does not fall on the feeder.
  • Conventional joining devices generally have a sensing element integrated in the feeding device, which detects the force acting on the feeding device and thereby the position of the joining device relative to the components to be connected. By means of this tactile guidance, for example, a skipping or undershooting of the energy beam during the joining process can be detected.
  • a feeder is used without the just described probe element.
  • At least a part of the joining device for varying the angle of attack on the joint about an axis parallel to the feed axis is pivotable.
  • the joining device is controllable in operation via a control device such that the feed device is pivoted during the joining process at least in sections of the joint and in particular in radii such that the wire in plan view of the joint at an angle to the feed axis, ie obliquely or perpendicular to the feed axis, is supplied.
  • a laser beam is preferably used in the joining device according to the invention.
  • the joining device can also be designed for soldering and / or welding components, e.g. for laser welding or laser soldering.
  • Fig. 1 is a schematic view of two components to be connected with a coordinate system; and Fig. 2 is a side view of an embodiment of the joining device according to the invention.
  • Fig. 1 two partially overlapping components 10 are shown, which are to be interconnected in the region of a butt joint 11.
  • the components may be, for example, body parts of a motor vehicle, which are joined together materially at the joint 1 1.
  • a coordinate system explains the directions whereby a joining seam 12 to be produced runs in the x-direction, the vertical direction with z and the direction perpendicular to the producing joining seam, that is to say perpendicular to the x-direction, are denoted by y.
  • FIG. 2 shows the partially overlapping components 10, which are already connected to one another in a right-hand section in FIG. 2 by means of the joining seam 12.
  • the joining device 14 shown in side view is used, which in the embodiment described here generates the joining seam via laser welding by means of a laser beam, which is also referred to below as an energy beam.
  • the illustrated joining apparatus is moved in the feed direction R along the feed axis A via a robot arm (not shown) to which the apparatus is fastened.
  • This axis A passes through the melting point MP explained in more detail below, on which, for the material-locking connection, an additional material at the joint is melted via the energy beam.
  • the joining device 14 comprises a component 15 which is fastened to a robot arm, by means of which the joining device is moved during the laser welding in order to produce the joining seam.
  • a further component 16 is attached, which can be rotated by the dashed lines indicated axis A 'relative to the component 15 by means of a pivot drive 40.
  • the angle of attack during welding which is given by the angle in the yz plane of the coordinate system of Fig. 1, can be suitably varied.
  • the angle measured from the z-axis is in a range between 0 ° to approximately 45 °, preferably between 35 ° and 40 °.
  • the component 16 comprises a guide device 21 in the form of a so-called bifocal module which divides an original energy beam into the two partial beams 26 and 26 ', as will be explained in more detail below.
  • the energy beam 26 is used for laser welding, whereas the energy beam 26 'for pretreatment ment or for pre-cleaning the surface of the components is used.
  • the laser beam 26 ' is arranged along the feed axis A in front of the energy beam 26.
  • a pivoting arm 17 which is pivotable about the axis O (indicated by arrow P) via a suitable actuator (not shown) relative to the bifocal module.
  • This axis O corresponds to the beam axis of the energy beam 26 after exiting the bifocal module 21.
  • a feeder 19 is provided, via which an additional material in the form of a metal wire 18 is supplied to the melting point MP, at which by means of the energy beam 26 of the wire and the components to be joined 10 are melted and welded together in this way.
  • the front, the melting point P supplied end of the wire 18 is indicated by reference numeral 18 a.
  • the pivot arm 17 is a telescopic arm which is resiliently mounted in the z direction.
  • the swivel arm and thus the feed device 19 are adjustable in the z-direction in order to generate a defined pressing force of the wire during laser welding.
  • the feeder 19 is positioned so as to be aligned along the x-axis or the feed axis A, i. the wire 18 is fed along the axis A opposite to the feed direction R.
  • the feed device can now be pivoted, so that the wire 18 is fed at an angle to the feed axis A.
  • the feeding device is positioned so that the wire is seen from the left in the feed direction R to the melting point MP, i. in plan view of the joint seam 12, the wire is inclined relative to the axis A to the left.
  • the feeder can be about the axis O both clockwise and counterclockwise
  • the maximum pivoting range can be set differently and is for example 45 ° in both directions of the axis A. However, the pivoting range can also be greater and extend up to 90 ° or even more about the axis A.
  • an original laser beam is first collimated via a first autofocus module 20 in the form of a collimator lens and then deflected by 90 ° through a mirror 22.
  • the energy beam is then directed into the bifocal module 21, in which the two mirrors 24 and a second autofocus module 25 in the form of a lens are provided.
  • the energy beam is focused and deflected so that two partial beams 26 and 26 'are formed.
  • the original laser beam is preferably generated via a solid-state laser.
  • the laser light has a wavelength in the range of about 1040 to 1070 nm and is not visible to the human eye.
  • the original laser beam first falls on the autofocus module 20, which forms a parallel aligned laser light bundle whose diameter is adjustable parallel to the optical axis via the displacement of the first autofocus module 20 by means of an actuator 44 along the direction indicated by the double arrow.
  • the laser beam is deflected by means of the mirror 22, beam splitting takes place via the two staggered mirrors 24.
  • beam splitting takes place via the two staggered mirrors 24.
  • only one half of the laser beam is incident on each of the two mirrors.
  • each mirror directs only one partial beam 26 or 26 'in the form of half a laser beam onto the second autofocus module 25.
  • the two partial beams strike different positions of the second autofocus module, and thereby two separate partial beams 26 and 26' are formed, which are along the feed axis A are arranged offset from one another.
  • the second autofocus module is adjustable via a corresponding actuator 45 in the z-direction, whereby the focal point or the position of the two partial beams 26 and 26 'can be varied with each other.
  • the inclusion of the mirror 24 in the beam splitting bifocal module 21 allows adjustment of the mirror during assembly in all directions.
  • an adjustment of the intensity distribution in the two partial beams is possible via this adjustment mechanism.
  • the intensity of the laser beam 26 'for pre-cleaning is set much lower than the intensity of the laser beam 26, which serves for welding.
  • Preferred powers for the laser beam 26 are between 2000 W and 3000 W, whereas the power of the laser beam 26 'is preferably between 600 W and 1000 W.
  • the lower power of the laser beam 26 ' ensures that no melting at the joint, but only a surface treatment of the construction parts takes place. As part of the surface treatment while impurities and the like can be removed on the metallic components 10.
  • welding galvanized components eg the zinc coating can be removed. This, preceding the actual welding process removal of zinc can be achieved with a significantly better seam geometry weld.
  • the joining device is moved along the butt joint 11 via a corresponding robot arm.
  • the pivot arm remains in the position shown in Fig. 2.
  • the feeder 19 is further pivoted about the axis O in the direction of the arrow P relative to the rest of the joining device.
  • a wire feed and thus a laser welding at contours or radii in the joint is made possible, since by the pivot arm 17, a further degree of freedom for moving the feeder is provided relative to the laser beam.
  • a feeler element can be integrated in the feed device 19, which detects the force acting on the feed device and thereby the position of the joining device 14 relative to the connecting components 10. In this way a tactile guidance is made possible with e.g. a jump on the joint upwards or a jump down can be detected, whereupon a corresponding signal is output and the joining process is interrupted.
  • a tactile guidance is made possible with e.g. a jump on the joint upwards or a jump down can be detected, whereupon a corresponding signal is output and the joining process is interrupted.
  • the embodiments of the joining device according to the invention described above have a number of advantages.
  • joint seams can be produced with significantly better quality or seam geometry.
  • a pre-cleaning at the joint via a separate energy beam can be achieved, which also has a positive effect on the joint seam.
  • zinc, scale, sharp edges on components, such as on doors can be removed.
  • the paint adhesion is improved and the corrosion protection is enhanced.
  • a separate energy beam is used for subsequent cleaning of the produced joint seam.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung für ein stoff schlüssiges Fügen mittels eines Zusatzwerkstoffs, umfassend eine Zuführeinrichtung (19) für einen Draht (18) als Zusatzwerkstoff und eine Leiteinrichtung (21) für einen Energiestrahl (26), der sich entlang einer Strahlachse (0) nach Austritt aus der Leiteinrichtung (21) ausbreitet. Im Betrieb der Fügevorrichtung (14) wird der Draht (18) in einem Schmelzpunkt (MP) mit dem Energiestrahl (26) zusammengeführt und dabei der Energiestrahl (26) in eine Vorschubrichtung (R) entlang einer den Energiestrahl (26) kreuzenden Vorschubachse (A) bewegt, um Bauteile (10) entlang einer Fuge (11) mittels einer Fügenaht (12) stoff schlüssig miteinander zu verbinden. Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung (14), wobei die Zuführeinrichtung (19) um eine Achse verschwenkbar ist, welche die Strahlachse (0) des Energiestrahls (26) im Betrieb der Fügevorrichtung (14) ist.

Description

FÜGEVORRICHTUNG FÜR EIN STOFFSCHLÜSSIGES FÜGEN MITTELS EINES ZUSATZWERKSTOFFS MIT EINER UM EINE ACHSE VERSCHWENKBAREN ZUFÜHREINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges Fügen mittels eines Zusatzwerkstoffs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Fügevorrichtungen, welche mittels eines Energiestrahls unter Zuführung eines Zusatzwerkstoffs Bauteile stoffschlüssig miteinander verbinden, werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten eingesetzt. Zum Beispiel werden im Bereich der Automobiltechnik Fügevorrichtungen basierend auf Energiestrahlen in der Form von Laserstrahlen verwendet, um Karosserieteile miteinander zu verschweißen bzw. zu verlöten.
In der Druckschrift DE 10 2009 045 400 B3 ist eine Fügevorrichtung beschrieben, bei der zum stoffschlüssigen Fügen zwei Teilstrahlen verwendet werden, die dadurch erzeugt werden, dass ein Energiestrahl über eine Optik in diese Teilstrahlen aufgeteilt wird. Beim Fügen wird ein Draht über eine Zuführeinrichtung mit den beiden Teilstrahlen zusammengeführt und hierdurch ein Verschmelzen des Drahts mit den zu verbindenden Bauteilen bewirkt.
Herkömmliche Fügevorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass die Zuführung des Drahts zum Energiestrahl fest vorgegeben ist und somit Fugen im Bereich von engen Radien nur bedingt bzw. gar nicht verbunden werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges Fügen mittels eines Zusatzwerkstoffes zu schaffen, mit der einfach und flexibel Bauteile miteinander verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Fügevorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung umfasst eine Zuführeinrichtung für einen Draht als Zusatzwerkstoff und eine Leiteinrichtung für einen Energiestrahl, der sich entlang einer Strahlachse nach Austritt aus der Leiteinrichtung ausbreitet. Im Betrieb der Fügevorrichtung wird der Draht in einem Schmelzpunkt mit dem Energiestrahl zusammengeführt und dabei der Energiestrahl in eine Vorschubrichtung entlang einer den Energiestrahl bzw. den Schmelzpunkt kreuzenden Vorschubachse bewegt, um Bauteile entlang einer Fuge mittels einer Fügenaht stoffschlüssig zu verbinden. Die Bewegung der Fügevorrichtung in Vorschubrichtung wird vorzugsweise durch einen Roboter bewirkt, an dem die Fügevorrichtung befestigt ist. Die Positionen der Vorschubachse, des Energiestrahls bzw. des Schmelzpunkts sind dabei zu jedem Zeitpunkt eindeutig in Bezug auf die Fügevorrichtung definiert, auch wenn sie gegebenenfalls variiert werden können.
Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zuführeinrichtung um eine Achse verschwenkbar ist, welche die Strahlachse des Energiestrahls im Betrieb der Fügevorrichtung ist. Die Zuführeinrichtung kann somit in Bezug auf die Strahlachse eine Bewegung ausführen, welche als Komponente eine Drehbewegung um die Strahlachse beinhaltet. Es wird somit möglich, die Zuführeinrichtung unter Beibehaltung eines voreingestellten Schmelzpunkts relativ zum Energiestrahl zu bewegen.
Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung ermöglicht durch die Relativbewegung der Zuführeinrichtung zum Energiestrahl eine geeignete Anpassung der Drahtzuführung an die Gegebenheiten der Fuge. Insbesondere kann durch die Verschwenkung der Zuführeinrichtung schnell auf einen sich verändernden Verlauf der Fuge reagiert werden und damit auch ein Löten bzw. Schweißen an Fugen mit engen Radien ermöglicht werden. Darüber hinaus kann auch eine Fügenaht mit höherer Qualität und gleichmäßiger Nahtgeometrie erreicht werden. Auf diese Weise kann z.B. der Lackauftrag an der Fügenaht bei Kraftfahrzeugkarosserieteilen verbessert werden und somit ein besserer Korrosionsschutz erreicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung auf einen relativ zur Leiteinrichtung verschwenkbaren Schwenkarm angeordnet. Der Schwenkarm ist somit über eine geeignete Aktorik um die Strahlachse des Energiestrahls bewegbar.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie in einer ersten Position in Vorschubrichtung vor der Leiteinrichtung angeordnet werden kann, wobei in der ersten Position der Draht entlang der Vorschubachse entgegen der Vorschubrichtung zum Schmelzpunkt zugeführt wird. Diese erste Position entspricht der Position, in der die Zuführeinrichtung üblicherweise in her- kömmlichen Fügevorrichtungen angeordnet ist. In der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Variante kann die Zuführeinrichtung nunmehr von der ersten Position in einem vorbestimmten Winkelbereich links und rechts der Vorschubachse gesehen in Vorschubrichtung verschwenkt werden. Vorzugsweise erstreckt sich der Winkelbereich dabei bis 30° oder mehr, insbesondere bis 90° oder mehr, links und/oder rechts der Vorschubachse. Hierdurch wird eine ausreichende Beweglichkeit der Zuführeinrichtung relativ zum Energiestrahl gewährleistet.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Variante ist die Leiteinrichtung der Fügevorrichtung derart ausgestaltet, dass sie im Betrieb den oben beschriebenen Energiestrahl als ersten Energiestrahl und ferner zumindest einen zweiten Energiestrahl zur Oberflächenbehandlung versetzt vom ersten Energiestrahl bereitstellt. Der erste Energiestrahl dient somit zum Verschmelzen der Bauteile mittels des Zusatzwerkstoffs, wohingegen der zumindest eine zweite Energiestrahl ohne Zusatzwerkstoff auf die Fuge bzw. die zu verbindenden Bauteile gerichtet wird. Durch die Oberflächenbehandlung mit dem zweiten Energiestrahl kann die Fügenaht verbessert werden. Der zumindest eine zweite Energiestrahl wird insbesondere zur Vorreinigung vor dem Fügen eingesetzt, kann jedoch gegebenenfalls auch zum Nachreinigen der Fügenaht verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Leiteinrichtung derart ausgestaltet, dass ein einzelner originärer Energiestrahl mit einer Optik in zumindest zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, welche den ersten und den zumindest einen zweiten Energiestrahl umfassen. Insbesondere kann dabei die Leiteinrichtung verwendet werden, die in der oben genannten Druckschrift DE 10 2009 045 400 B3 beschrieben ist. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
In einer weiteren Ausführungsform ist im Betrieb der Fügevorrichtung der zumindest eine zweite Energiestrahl zur Vorreinigung in Vorschubrichtung vor und/oder zur Nachreinigung in Vorschubrichtung hinter dem ersten Energiestrahl angeordnet, wobei der zumindest eine zweite Energiestrahl vorzugsweise die Vorschubachse kreuzt. Durch die Verschwenkung der Zuführeinrichtung wird dabei erreicht, dass der zweite Energiestrahl nicht auf die Zuführeinrichtung fällt. Herkömmliche Fügevorrichtungen weisen in der Regel ein in die Zuführeinrichtung integriertes Tastelement auf, das die auf die Zuführeinrichtung wirkende Kraft und hierdurch die Lage der Fügevorrichtung zu den zu verbindenden Bauteilen erfasst. Mittels dieser taktilen Führung kann z.B. ein Überspringen bzw. Unterspringen des Energiestrahls beim Fügevorgang detektiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Falle eines geeigneten Verschwenkens der Zuführeinrichtung die Gefahr eines Überspringens bzw. Unterspringens derart verringert ist, dass die Zuführeinrichtung auch ohne Tastelement auskommen kann. Somit wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Zuführeinrichtung ohne das soeben beschriebene Tastelement verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist zumindest ein Teil der Fügevorrichtung zur Variation des Anstellwinkels an der Fuge um eine Achse parallel zur Vorschubachse verschwenkbar.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Fügevorrichtung im Betrieb über eine Steuereinrichtung derart ansteuerbar, dass die Zuführeinrichtung beim Fügevorgang zumindest in Teilabschnitten der Fuge und insbesondere in Radien derart verschwenkt ist, dass der Draht in Draufsicht auf die Fuge in einem Winkel zur Vorschubachse, d.h. schräg oder senkrecht zur Vorschubachse, zugeführt wird.
Als Energiestrahl bzw. als zweiter oder zweite Energiestrahlen wird in der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung vorzugsweise ein Laserstrahl verwendet. Die Fügevorrichtung kann ferner je nach Anwendungsfall zum Löten und/oder Verschweißen von Bauteilen eingerichtet sein, z.B. zum Laserschweißen bzw. Laserlöten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht zweier zu verbindender Bauteile mit einem Koordinatensystem; und Fig. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung.
In Fig. 1 sind zwei, sich teilweise überlappende Bauteile 10 gezeigt, die im Bereich einer Stoßfuge 11 miteinander verbunden werden sollen. Bei den Bauteilen kann es sich beispielsweise um Karosserieteile eines Kraftfahrzeugs handeln, welche an der Fuge 1 1 stoffschlüssig zusammenzufügen sind. Ein Koordinatensystem erläutert die Richtungen, wobei eine zu erzeugende Fügenaht 12 in x-Richtung verläuft, die vertikale Richtung mit z und die Richtung senkrecht zur erzeugenden Fügenaht, also senkrecht zur x-Richtung, mit y bezeichnet sind.
Fig. 2 zeigt die sich teilweise überlappenden Bauteile 10, die bereits in einem in Fig. 2 gesehen rechten Abschnitt mittels der Fügenaht 12 miteinander verbunden sind. Zur Verbindung dieser Bauteile wird die in Seitenansicht dargestellte Fügevorrichtung 14 verwendet, die in der hier beschriebenen Ausführungsform die Fügenaht über Laserschweißen mittels eines Laserstrahls erzeugt, der im Folgenden auch als Energiestrahl bezeichnet wird. Die dargestellte Fügevorrichtung wird in dem Szenario der Fig. 2 über einen (nicht dargestellten) Roboterarm, an dem die Vorrichtung befestigt ist, in die Vorschubrichtung R entlang der dargestellten Vorschubachse A bewegt. Diese Achse A verläuft durch den weiter unten näher erläuterten Schmelzpunkt MP, an dem zur stoffschlüssigen Verbindung ein Zusatzwerkstoff an der Fuge über den Energiestrahl aufgeschmolzen wird.
Die Fügevorrichtung 14 umfasst ein Bauelement 15, das an einem Roboterarm befestigt ist, über den die Fügevorrichtung während des Laserschweißens zur Erzeugung der Fügenaht bewegt wird. An dem Bauelement 15 ist ein weiteres Bauelement 16 befestigt, welches um die gestrichelt angedeutete Achse A' gegenüber dem Bauelement 15 mittels eines Schwenkantriebs 40 gedreht werden kann. Auf diese Weise kann der Anstellwinkel während des Schweißens, der durch den Winkel in der y-z-Ebene des Koordinatensystems der Fig. 1 gegeben ist, geeignet variiert werden. Je nach Ausgestaltung der Fuge liegt der Winkel gemessen von der z-Achse in einem Bereich zwischen 0° bis in etwa 45°, vorzugsweise zwischen 35° und 40°. Das Bauelement 16 umfasst eine Leiteinrichtung 21 in der Form eines sog. Bifokalmoduls, welches einen originären Energiestrahl in die beiden Teilstrahlen 26 und 26' aufteilt, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Der Energiestrahl 26 dient zum Laserschweißen, wohingegen der Energiestrahl 26' zur Vorbehand- lung bzw. zum Vorreinigen der Oberfläche der Bauteile verwendet wird. Der Laserstrahl 26' ist dabei entlang der Vorschubachse A vor dem Energiestrahl 26 angeordnet.
An dem Bifokalmodul 21 ist ein Schwenkarm 17 befestigt, der über eine geeignete Aktorik (nicht gezeigt) relativ zu dem Bifokalmodul um die Achse O schwenkbar ist (durch Pfeil P angedeutet). Diese Achse O entspricht dabei der Strahlachse des Energiestrahls 26 nach Austritt aus dem Bifokalmodul 21. Am unteren Ende des Schwenkarms 17 ist eine Zuführeinrichtung 19 vorgesehen, über welche ein Zusatzwerkstoff in der Form eines Metalldrahts 18 dem Schmelzpunkt MP zugeführt wird, an dem mittels des Energiestrahls 26 der Draht sowie die zu verbindenden Bauteile 10 aufgeschmolzen und auf diese Weise miteinander verschweißt werden. Das vordere, dem Schmelzpunkt P zugeführte Ende des Drahts 18 ist mit Bezugszeichen 18a angedeutet. Der Schwenkarm 17 ist ein Teleskoparm, der in z-Richtung federnd gelagert ist. Der Schwenkarm und damit die Zuführeinrichtung 19 sind in z-Richtung verstellbar, um eine definierte Andrückkraft des Drahts beim Laserschweißen zu generieren.
In herkömmlichen Fügevorrichtungen ist die Zuführeinrichtung 19 derart positioniert, dass sie entlang der x-Achse bzw. der Vorschubachse A ausgerichtet, d.h. der Draht 18 wird entlang der Achse A entgegengesetzt zur Vorschubrichtung R zugeführt. In der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung kann nunmehr die Zuführeinrichtung verschwenkt werden, so dass der Draht 18 in einem Winkel zur Vorschubachse A zugeführt wird. Gemäß Fig. 2 ist die Zuführeinrichtung dabei so positioniert, dass der Draht gesehen in Vorschubrichtung R von links zum Schmelzpunkt MP geführt wird, d.h. in Draufsicht auf die Fügenaht 12 ist der Draht gegenüber der Achse A nach links geneigt. Die Zuführeinrichtung kann dabei um die Achse O sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn
verschwenkt werden. Der maximale Schwenkbereich kann unterschiedlich festgelegt sein und beträgt beispielsweise 45° in beide Richtungen der Achse A. Der Schwenkbereich kann jedoch auch größer sein und sich bis zu 90° oder noch mehr um die Achse A erstrecken. Durch die in Fig. 2 gezeigte Verschwenkung der Zuführeinrichtung 19 wird erreicht, dass die Zuführeinrichtung nicht mit dem Laserstrahl 26' zur Vorreinigung interferiert. Der entscheidende Vorteil der Verschwenkung ist jedoch, dass die Zuführung des Drahts kontinuierlich in Abhängigkeit von der Kontur bzw. des Verlaufs der Fuge angepasst werden kann, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Im Folgenden wird die Erzeugung der beiden Laserstrahlen 26 und 26' erläutert. In dem Bauelement 15 wird zunächst ein originärer Laserstrahl über ein erstes Autofokusmodul 20 in der Form einer Kollimatorlinse kollimiert und anschließend über einen Spiegel 22 um 90° abgelenkt. Der Energiestrahl wird dann in das Bifokalmodul 21 geleitet, in dem die beiden Spiegel 24 sowie ein zweites Autofokusmodul 25 in der Form einer Linse vorgesehen sind. Dabei wird der Energiestrahl so fokussiert und umgelenkt, dass zwei Teilstrahlen 26 und 26' gebildet werden. Der originäre Laserstrahl wird vorzugsweise über einen Festkörperlaser erzeugt. Das Laserlicht hat dabei eine Wellenlänge im Bereich von etwa 1040 bis 1070 nm und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.
Wie oben erwähnt, fällt der originäre Laserstrahl zunächst auf das Autofokusmodul 20, das ein parallel ausgerichtetes Laserlichtbündel formt, dessen Durchmesser über das Verschieben des ersten Autofokusmoduls 20 mittels eines Aktors 44 entlang der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung parallel zur optischen Achse einstellbar ist. Nachdem der Laserstrahl mit Hilfe des Spiegels 22 umgelenkt ist, erfolgt eine Strahlteilung über die beiden versetzt angeordneten Spiegel 24. Zu diesem Zweck fällt auf jeden der beiden Spiegel nur eine Hälfte des Laserstrahls. Somit lenkt jeder Spiegel nur jeweils einen Teilstrahl 26 bzw. 26' in der Form eines halben Laserstrahls auf das zweite Autofokusmodul 25. Die beiden Teilstrahlen treffen auf unterschiedliche Positionen des zweiten Autofokusmoduls, und hierdurch werden zwei separate Teilstrahlen 26 und 26' geformt, die entlang der Vorschubachse A versetzt zueinander angeordnet sind. Das zweite Autofokusmodul ist über einen entsprechenden Aktor 45 in z-Richtung verstellbar, wodurch der Fokuspunkt bzw. die Position der beiden Teilstrahlen 26 und 26' zueinander variiert werden kann.
Die Aufnahme der Spiegel 24 in dem strahlteilenden Bifokalmodul 21 ermöglicht eine Justage der Spiegel bei der Montage in allen Richtungen. Außerdem ist über diesen Justagemechanismus eine Einstellung der Intensitätsverteilung in den beiden Teilstrahlen möglich. Vorzugsweise wird dabei die Intensität des Laserstrahls 26' zur Vorreinigung wesentlich geringer eingestellt als die Intensität des Laserstrahls 26, der zum Verschweißen dient. Bevorzugte Leistungen für den Laserstrahl 26 liegen zwischen 2000 W und 3000 W, wohingegen die Leistung des Laserstrahls 26' vorzugsweise zwischen 600 W und 1000 W liegt. Durch die geringere Leistung des Laserstrahls 26' wird sichergestellt, dass kein Aufschmelzen an der Fuge, sondern nur eine Oberflächenbehandlung der Bau- teile stattfindet. Im Rahmen der Oberflächenbehandlung können dabei Verunreinigungen und dergleichen an den metallischen Bauteilen 10 entfernt werden. Beim Schweißen von verzinkten Bauteilen kann z.B. die Zinkbeschichtung entfernt werden. Durch diese, dem eigentlichen Schweißvorgang vorgeschaltete Entfernung von Zink kann eine Schweißnaht mit deutlich besserer Nahtgeometrie erreicht werden.
Im Rahmen der Durchführung des Schweißvorgangs wird in dem Szenario der Fig. 2 die Fügevorrichtung über einen entsprechenden Roboterarm entlang der Stoßfuge 11 bewegt. Solange die Stoßfuge gerade verläuft, verbleibt der Schwenkarm in der in Fig. 2 dargestellten Position. Werden nunmehr jedoch enge Radien im Verlauf der Fuge erreicht, wird die Zuführeinrichtung 19 weiter um die Achse O in Richtung des Pfeils P relativ zu dem Rest der Fügevorrichtung verschwenkt. Auf diese Weise wird eine Drahtzuführung und somit auch ein Laserschweißen bei Konturen bzw. Radien in der Fuge ermöglicht, da durch den Schwenkarm 17 ein weiterer Freiheitsgrad zur Bewegung der Zuführeinrichtung relativ zum Laserstrahl geschaffen wird. Herkömmlicherweise ist es bei Fügevorrichtungen ohne verschwenkbarer Zuführeinrichtung nicht möglich, enge Radien zu verschweißen, so dass solche Fugenbereiche auf andere Weise miteinander verbunden werden müssen.
In der Zuführeinrichtung 19 kann gegebenenfalls ein Tastelement integriert sein, welches die auf die Zuführeinrichtung wirkende Kraft und hierdurch die Lage der Fügevorrichtung 14 zu den verbindenden Bauteilen 10 erfasst. Auf diese Weise wird eine taktile Führung ermöglicht, mit der z.B. ein Überspringen an der Fuge nach oben bzw. ein Unterspringen nach unten detektiert werden kann, woraufhin ein entsprechendes Signal ausgegeben wird und der Fügevorgang unterbrochen wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Zuführung des Drahts in einem Winkel zur Vorschubachse, wie es über die erfindungsgemäße Verschwenkung der Zuführeinrichtung erreicht werden kann, die Gefahr des Überspringens und Unterspringens deutlich abnimmt, so dass in einer besonders bevorzugten Ausführungsform auf die Integration eines Tastelements in der Zuführeinrichtung 19 verzichtet wird.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann durch die Verschwenkung der Zuführeinrichtung das Fügen in Bereichen enger Radien erreicht werden, was mit herkömmlichen Fügevorrichtungen nicht möglich ist. Ebenso können Fügenähte mit wesentlich besserer Qualität bzw. Nahtgeometrie erzeugt werden. Darüber hinaus kann eine Vorreinigung an der Fuge über einen separaten Energiestrahl erreicht werden, was sich ebenfalls positiv auf die Fügenaht auswirkt. Insbesondere können Zink, Zunder, scharfe Kanten an Bauteilen, wie z.B. an Türen, entfernt werden. Auch wird die Lackhaftung verbessert und der Korrosionsschutz verstärkt. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass anstatt oder zusätzlich zu dem Energiestrahl zur Vorreinigung ein separater Energiestrahl zur Nachreinigung der erzeugten Fügenaht genutzt wird.
Bezugszeichen
10 Bauteile
11 Stoßfuge
12 Fügenaht
14 Fügeeinrichtung
15, 16 Bauelement
7 Schwenkarm
18 Draht
18a Spitze des Drahts
19 Zuführeinrichtung
20 erstes Autofokusmodul
21 Bifokalmodul
22, 24 Spiegel
25 zweites Autofokusmodul
26, 26' Energiestrahlen
40 Schwenkantrieb
44, 45 Aktoren
O Schwenkachse
A Vorschubachse
A' Schwenkachse
P Pfeil
R Vorschubrichtung
MP Schmelzpunkt
x, y, z Koordinaten

Claims

Patentansprüche
1. Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges Fügen mittels eines Zusatzwerkstoffs, umfassend eine Zuführeinrichtung (19) für einen Draht (18) als Zusatzwerkstoff und eine Leiteinrichtung (21) für einen Energiestrahl (26), der sich entlang einer Strahlachse (O) nach Austritt aus der Leiteinrichtung (21) ausbreitet, wobei im Betrieb die Fügevorrichtung (14) der Draht (18) in einem Schmelzpunkt (MP) mit dem Energiestrahl (26) zusammengeführt wird und dabei der Energiestrahl (26) in eine Vorschubrichtung (R) entlang einer den Energiestrahl (26) kreuzenden Vorschubachse (A) bewegt wird, um Bauteile (10) entlang einer Fuge ( 1) mittels einer Fügenaht (12) stoffschlüssig miteinander zu verbinden;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuführeinrichtung (19) um eine Achse verschwenkbar ist, welche die Strahlachse (O) des Energiestrahls (26) im Betrieb der Fügevorrichtung (14) ist.
2. Fügevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (19) auf einem relativ zur Leiteinrichtung (21) verschwenkbaren
Schwenkarm (17) angeordnet ist.
3. Fügevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (19) derart ausgestaltet ist, dass sie in einer ersten Position in Vorschubrichtung (R) vor der Leiteinrichtung (21) angeordnet werden kann, wobei in der ersten Position der Draht (18) entlang der Vorschubachse (A) entgegen der Vorschubrichtung (R) zum Schmelzpunkt (MP) zugeführt wird, wobei die Zuführeinrichtung von der ersten Position in einen vorbestimmten Winkelbereich links und rechts der Vorschubachse (A) gesehen in Vorschubrichtung (R) verschwenkt werden kann.
4. Fügevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkelbereich bis 30 Grad oder mehr, insbesondere bis 90 Grad oder mehr, links und/oder rechts der Vorschubachse (A) erstreckt.
5. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (21 ) derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb den Energiestrahl (26) als ersten Energiestrahl und ferner zumindest einen zweiten Energiestrahl (26') zur Oberflächenbehandlung versetzt vom ersten
Enegiestrahl (26) bereitstellt.
6. Fügevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (21) derart ausgestaltet ist, dass ein einzelner originärer Energiestrahl mit einer Optik in zumindest zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, welche den ersten und den zumindest einen zweiten Energiestrahl (26, 26') umfassen.
7. Fügevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Fügevorrichtung (14) der zumindest eine zweite Energiestrahl (26') in Vorschubrichtung (R) vor und/oder hinter dem ersten Energiestrahl (26) angeordnet ist und insbesondere die Vorschubachse (A) kreuzt, wobei die Zuführeinrichtung (19) derart verschwenkbar ist, dass der zumindest eine zweite Energiestrahl (26) nicht auf die Zuführeinrichtung (19) fällt.
8. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (19) ohne Tastelement ausgestaltet ist, das die auf die Zuführeinrichtung (19) wirkende Kraft und hierdurch die Lage der Fügevorrichtung (14) zu den zu verbindenden Bauteilen (10) erfasst.
9. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Fügevorrichtung (14) zur Variation des Anstellwinkels an der Fuge (11) um eine Achse parallel zur Vorschubachse (A) verschwenkbar ist.
10. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (14) im Betrieb über eine Steuereinrichtung derart ansteuerbar ist, dass die Zuführeinrichtung (19) beim Fügevorgang zumindest in Teilabschnitten der Fuge (11) derart verschwenkt ist, dass der Draht (18) in Draufsicht auf die Fuge (11) in einem Winkel zur Vorschubachse (A) zugeführt wird.
11. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (26) und/oder der zumindest eine zweite Energiestrahl (26') ein Laserstrahl ist.
12. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Fügevorrichtung (14) zum Löten und/oder Verschweißen von Bauteilen (10) eingerichtet ist.
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