WO2020070195A1 - Verfahren und spannvorrichtung zur herstellung einer schweissnaht an einer stossstelle zwischen zwei werkstücken mit einem laserstrahl - Google Patents

Verfahren und spannvorrichtung zur herstellung einer schweissnaht an einer stossstelle zwischen zwei werkstücken mit einem laserstrahl

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WO2020070195A1
WO2020070195A1 PCT/EP2019/076715 EP2019076715W WO2020070195A1 WO 2020070195 A1 WO2020070195 A1 WO 2020070195A1 EP 2019076715 W EP2019076715 W EP 2019076715W WO 2020070195 A1 WO2020070195 A1 WO 2020070195A1
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clamping
channel
joint
workpieces
clamping device
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Application number
PCT/EP2019/076715
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Inventor
Philipp Ziegler
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/147—Features outside the nozzle for feeding the fluid stream towards the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
    • B23K37/0426—Fixtures for other work
    • B23K37/0435—Clamps

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a weld seam at a joint between two workpieces with a laser beam, in which the workpieces to be welded to one another are positioned with a clamping device, and a first tool between a base block of the clamping device and a clamping surface of a first - The first clamping element of the clamping device and a second workpiece are held between the base block and a clamping surface of a second clamping element of the clamping device.
  • the invention further relates to a clamping device for producing a weld seam at a joint between two workpieces with a laser beam, in particular for carrying out the method.
  • a welding device and a method for producing a weld seam between two workpieces with a laser beam are known from US 2018/0236605 A1.
  • the two workpieces to be welded are fixed one above the other to form an overlap area in the clamping device.
  • a protective gas is supplied above the overlap area, which emerges from the openings in the clamping elements at a distance from the clamping surface.
  • a protective gas device for a laser processing device is known from DE 203 06 599 U1.
  • a workpiece is clamped in a workpiece holder.
  • One or more shielding gas nozzles are directed onto the machining area of the workpiece by the laser beam and are provided separately from clamping elements for fastening the workpiece.
  • a laser welding process is also known from JP H06-292 989 A.
  • an air flow crosses the laser beam to produce the weld seam in an overlap area of two workpieces.
  • a method and a device for laser welding is known from US 2008/0296271 A1.
  • This device comprises clamping elements with a U-shaped clamping surface. At a distance from the clamping surface of the clamping elements, holes are provided for supplying protective gas.
  • DE 10 2016 124 353 B3 discloses a laser welding method with a clamping device, by means of which two workpieces to be welded together are held during the laser welding process.
  • the clamping device comprises a clamping plate, on the underside of which a gas guide device is provided, through which gas can be supplied in individual areas to the workpieces to be welded.
  • a plasma generated during welding is to be removed in a targeted manner to ensure process stability.
  • Such a method has the disadvantage that the gas is not supplied or is not supplied sufficiently in individual areas. Oxidations can occur that are visually visible and impair the manufactured component. In addition, sufficient cooling cannot be achieved, which causes temper colors to form near the weld.
  • DE 10 2012 102 820 A1 discloses a clamping module for a clamping device for clamping sheet metal components, which are connected to a component by means of a welding process.
  • This clamping device enables individual sheet metal components to be aligned and positioned exactly with respect to one another. Thanks to the modular structure, a variety of welding tasks can be solved.
  • the invention has for its object to provide a method and a clamping device for producing a weld at a joint between two workpieces with a laser beam, whereby a high welding quality is achieved and visible oxidation in particular prevented.
  • a method for producing a weld seam in which, before the start of a laser welding process with the laser beam, a protective gas is supplied to one, several or each clamping element via at least one connection, which is directed through an outlet gap in the clamping element in the direction of the welding point output and after purging the joint of the two workpieces to be welded with the protective gas, the laser welding process is started.
  • the purging of the joint with protective gas is preferably maintained during the entire laser welding process.
  • the purging can also be operated with a run-on after the welding process has ended.
  • a shielding gas flow is emitted uniformly over a length of the weld seam to be formed, as a result of which the joint along the weld seam is sealed off from oxygen. This prevents oxygen from reaching the joint during the manufacture of the weld seam.
  • Adequate cooling can be achieved at the welding point to prevent the formation of temper colors.
  • the clamping elements are aligned adjacent to the joint of the workpieces to be connected and the outlet gap on the clamping element for the shielding gas is set back in relation to the joint.
  • a rinsing channel is formed between the outlet gap on the clamping element and the joint of the workpieces.
  • the flow can be further laminated by a further deflection between the outlet gap and the flushing channel.
  • the flushing channel is aligned with the joint, so that a protective gas jacket or protective gas curtain is formed over the entire length of the weld.
  • the rinsing channel which is formed between the clamping element and the workpiece, is of the same length or longer than the weld seam.
  • the length of the rinsing channel which extends at least over the entire length of the weld seam, also ensures that a protective gas envelope is formed at the beginning and at the end of the weld seam in order to avoid oxidation and to achieve cooling.
  • At least one outlet channel provided in the tensioning element, which opens into the outlet gap is preferably aligned at an angle of less than 90 °.
  • the flow direction of the outlet channel is preferably oriented at an angle of less than 90 ° to the clamping surface of the clamping element.
  • the protective gas flows in from the outlet channel in the direction of the impact parts, as a result of which a streamlined outlet of the protective gas can be achieved.
  • a deflection between the outlet direction of the outlet channel and the flushing channel for the shielding gas stream is preferably also set in order to ensure the formation of a laminar flow in the flushing channel, from which the shielding gas streams emerge to the impact parts.
  • the clamping elements are arranged and aligned with one another in the respective clamping position relative to the base block in such a way that they form a common flushing channel above the abutting parts.
  • the angle between this common rinsing channel and the rinsing channel formed between the clamping element and the workpiece is preferably greater than 90 °.
  • Each clamping element is positioned adjacent to the joint in a clamping position, which means that the respective rinsing channels are assigned to one another. The flows from the rinsing channels meet above the joint.
  • the common flushing channel formed above the joint enables improved shielding gas flushing around the top of the joint, since the shielding gas flows on the top are further collected and compressed by the common flushing channel, which enables an improved shielding gas jacket with respect to the joint.
  • a clamping device for producing a weld seam on a butt joint between two workpieces with a laser beam which comprises a basic block for the abutment of at least two workpieces and at least two clamping elements, each clamping element being adjacent to The joint of the workpieces is aligned and the workpiece is held clamped between the clamping element and the base block and with at least one connection provided on the clamping element for supplying one or more protective gases or a mixture of protective gases, each clamping element having one Has outlet gap for the output of the protective gas or the protective gas flow to the joint of the workpieces.
  • clamping elements allow a uniform flow over an entire length of the weld seam to be fed to the joint of the workpieces to be welded, so that the protective gas supplied essentially completely envelops the joint.
  • the exclusion of oxygen at the weld seam can prevent the formation of oxidation.
  • the exit gap is provided adjacent to the clamping surface.
  • the protective gas can be supplied directly and adjacent to the joint and a flushing channel can be formed with the clamped workpiece.
  • the outlet gap is preferably formed in the tensioning element for the protective gas over the entire length of the tensioning element.
  • the gap width of the exit gap is preferably constant over the length of the exit gap.
  • the outlet gap is advantageously laterally delimited by a wall section of the tensioning element.
  • a labyrinth of a plurality of channel sections arranged in a row is formed in each clamping element between the at least one connection for supplying the protective gas and the outlet gap.
  • a counter pressure is built up inside the labyrinth while the protective gas is being supplied.
  • a protective gas which is initially punctiform or supplied by a plurality of individual streams can also be smoothed in order to achieve a laminar flow at least shortly before the exit gap. At least a deflection of the protective gas flow by 90 ° and subsequently a deflection by 45 ° or less is preferably provided.
  • a further advantageous embodiment of the tensioning element provides that at least one bore in the tensioning element is connected to the connection for supplying the protective gas, said bore comprising a plurality of individual bores which open into the at least one channel section of the labyrinth or a distribution chamber.
  • the individual bores which are preferably provided uniformly distributed over the length of the distributor chamber, preferably open into the distributor chamber before this distributor chamber merges into the at least one channel section.
  • This distribution chamber has a larger cross section than the sum of the individual bores, so that swirls are generated in order to achieve a largely uniform filling of the distribution chamber with protective gas.
  • the distribution chamber and / or the at least one channel section preferably have a length which essentially corresponds to or is the same as the length of the outlet gap. This enables the protective gas to be divided within the clamping element immediately after the protective gas has been fed into the clamping element.
  • At least one first channel section adjoins the distributor chamber, which deflects the protective gas supplied in the distributor chamber.
  • the supplied flow of the protective gas is dammed up or swirling takes place in order to produce a laminar flow.
  • a diffuser is advantageously provided in the distribution chamber.
  • This diffuser can consist of a fabric-shaped material, a felt or the like. This diffuser promotes mixing of the individual flows of the protective gas, which pass through the individual bores into the distribution chamber.
  • At least one outlet channel the flow direction of which deviates from the flow direction of the first channel section, preferably adjoins the first channel section.
  • At least one further channel section is preferably provided between the first channel section and the outlet channel and is oriented differently from the respective preceding channel section in the flow direction. If the flow direction is deflected several times within the successive channel sections in the labyrinth, an increased uniformity of the flow velocities of the protective gas in the outlet gap can be achieved.
  • the tensioning element preferably has the exit gap adjacent to the tensioning surface.
  • the outlet channel opening into the outlet gap is preferably oriented at an angle of less than 90 ° to the clamping surface of the clamping element.
  • the angle between the outlet channel and the clamping surface is preferably less than 60 °. In particular, this is 45 °. As a result, a sufficiently high flow rate can also be achieved at the same time.
  • the clamping element is advantageously formed from a clamping block and a cooling block, the outlet gap being formed between the clamping block and the cooling block.
  • This enables simple production of an outlet gap which extends essentially over the entire length of the tensioning element and of at least one channel section and / or outlet channel leading to the outlet gap.
  • at least one duct wall section can be formed on the clamping block and the corresponding duct wall section on the cooling block. In this way, an internal labyrinth can be created, in which several deflections in the flow direction can be provided.
  • a first wall section is preferably provided on the cooling block, which is set back relative to the clamping surface on the clamping block and which adjoins the outlet gap, so that in a clamping position of the clamping element with the workpiece, a rinsing channel adjoining the outlet channel is formed is.
  • the rinsing channel extends over the length of the weld or beyond. In this way, a protective gas curtain can be fed to the joint for the oxidation-free formation of the weld seam.
  • a further advantageous embodiment of the clamping element provides on the cooling block a second wall section which adjoins the first wall section and which forms a common flushing channel in a clamping position with an opposing clamping element.
  • This common rinsing channel is located above the joint.
  • the basic block with the adjoining clamping elements is arranged below the butt parts.
  • the respective flushing channels between the base block and the first and second tensioning elements merge into the common flushing channel in the region of the abutting parts. This can further improve the protective gas envelope of the joint.
  • the cooling block is preferably detachably connected to the clamping block, in particular by a screw connection. This enables simple manufacture of the labyrinth and quick and simplified assembly. In addition, the cooling block can also be replaced in a simple manner after damage or possible wear.
  • a distance between the cooling block and the clamping block can advantageously be changed.
  • a width of a channel section and / or the width of the rinsing channel can thereby be adjustable. This enables the exiting shielding gas flow to be individually adapted to the workpieces to be welded and the welding parameters resulting therefrom.
  • the clamping block is preferably made of a light metal, in particular aluminum, and the cooling block is made of a highly thermally conductive material, in particular copper.
  • This combination also has the advantage of inexpensive manufacture of such tensioning elements.
  • a thermally conductive material for the cooling block made of copper is preferably provided, since copper is a highly reflective material and is less sensitive than other materials to laser radiation, in particular to NIR (near-infrared) laser radiation with a wavelength> 1 mm.
  • the working gap provided in the tensioning element is angled along its entire length.
  • the working gap can be angled, for example, by an angle of 90 °.
  • the clamping element can thus be designed as a so-called corner clamping element, in which a corner area can be welded to one another, for example from three mutually aligned workpieces.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a tensioning device
  • FIG. 2 shows a schematic view from above of the tensioning device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of the tensioning device along the line II-II in FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematically enlarged view of a clamping element in a clamping position with a workpiece for the base block of the clamping device
  • Figure 5 is a schematic view of a clamping block of the
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view along the line VV in FIG. 5
  • FIG. 7 shows a perspective view of an alternative embodiment of the tensioning device to FIG. 1,
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of the tensioning device according to FIG. 7,
  • FIG. 9 shows a schematically enlarged view of the clamping device according to FIG. 7 in the region of the joint of two workpieces.
  • Figure 10 is a perspective view of an alternative embodiment of the clamping elements for welding workpieces to form a corner area.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a clamping device 11 for producing a weld seam at a joint 14 between two workpieces 15.
  • FIG. 2 shows a schematic view from above of the tensioning device 11 according to FIG. 1.
  • This tensioning device 11 comprises a base block 17 and two tensioning elements 18, 20.
  • the tensioning device 11 can also consist of several base blocks and / or more tensioning elements consist.
  • a support surface 19 is provided on the base block 17 in order to receive the workpieces 15 to be welded.
  • a holding element 21 is preferably assigned to the bearing surface 19. This holding element 21 can be adjustable depending on the size of the workpieces 15 to be welded to the base block 17.
  • the workpieces 15 to be welded are preferably made of a plate-shaped material. In particular, sheets are provided. Depending on the angular arrangement of the workpieces to be welded 15, the receiving surfaces 19 are aligned with each other. In example II, the contact surfaces 19 on the base block 17 are aligned at an angle of 90 ° to one another.
  • clamping elements 18, 20 After placing the workpieces 15 on the base block 17, the clamping elements 18, 20 are positioned and aligned with the joint 14. Fixing elements 23 are provided for precisely fitting the clamping elements 18, 20.
  • the clamping elements 18, 20 and the base block 17 of the clamping device 11 are designed such that they are the same length or longer than the joint 14 of the workpieces 15 on which the weld seam is formed.
  • the clamping elements 18, 20 have the same design and are aligned symmetrically to the joint 14.
  • the clamping elements 18, 20 are arranged on the base block 17 in a clamping position 25.
  • the tensioning element 18, 20 has at least one connection 27 for supplying a protective gas. This protective gas is in the clamping element 18,
  • the 20 comprises a clamping block 28 and a cooling block 29.
  • the cooling block 29 and the clamping block 28 are preferably designed to be detachable from one another.
  • a screw connection 31 is provided.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view along the line II-II in FIG. 2.
  • the workpieces 15 are partially overlapping to one another in the region of the joint 14.
  • protective gas flows around or surrounds the joint 14.
  • a laser beam 33 is directed onto the joint 14.
  • a travel path along the joint 14 determines the length of the weld seam between the two workpieces 15.
  • the laser beam 33 is output via a processing head 34, in particular an optical system, and is focused with respect to the joint 14. This processing head 34 is part of a laser processing machine, not shown.
  • the machining head 34 can be guided both via a single or multi-axis linear system and also through a single or multi-axis system Robot handling device.
  • the orientation of the laser beam 33 with respect to its beam axis to the impact point 14 can be set in an application-specific manner.
  • FIG. 4 shows a schematically enlarged view of only one clamping element 18, 20 in the clamping position 25.
  • the first workpiece 15 is held clamped between the base block 17 and a clamping surface 36 of the clamping element 18, 20.
  • the second clamping element 18, 20 is not shown for simplicity.
  • the clamping surface 36 is preferably provided on the clamping block 28.
  • a labyrinth 38 is preferably formed from channel sections 41, 42, 43, 45, through which the protective gas is guided from the connection 27 to the outlet gap 51.
  • a bore 53 As shown in FIG. 3.
  • Several individual bores 54 branch off from this bore 53 and open into a distribution chamber 55.
  • This distribution chamber 55 is connected to a first channel section 41.
  • This preferably causes a 90 ° deflection of the protective gas flow.
  • a second channel section 42 which is oriented differently from the first channel section 41 in the flow direction.
  • a third channel section 43 is provided, which is preferably oriented differently in the flow direction from the preceding channel section 42.
  • the third channel section 43 merges into an outlet channel 45.
  • the outlet channel 45 opens into the outlet gap 51.
  • the channel sections 41, 42, 43 and the outlet channel 45 are each oriented differently from one another and are connected to one another by a flow-optimized deflection.
  • the protective gas flows into the distribution chamber 55 through the individual bores 54, which are preferably uniformly distributed over the length of the distribution chamber 55. This creates swirls and a first distribution of the protective gas in the distribution chamber 55 the protective gas flows into the first channel section 41.
  • the deflection creates a counterpressure, which smoothes the turbulence so that the turbulence is reduced.
  • a laminar flow of the protective gas is achieved by the at least one further deflection into the outlet channel 45 before it exits via the outlet gap 51.
  • a plurality of channel sections 41, 42, 43 are preferably provided in order to achieve a flow velocity along the labyrinth 38 that is as uniform as possible, so that the protective gas flow emerges essentially uniformly at the outlet gap 51.
  • a rinsing channel 57 is formed between the clamping element 18 and the workpiece 15 adjacent to the outlet channel 45. This ends at or near the joint 14 of the workpieces 15.
  • the cooling block 29 is preferably set back with a first wall section 58 relative to the clamping surface 36 in order to form the flushing channel 57.
  • the outlet channel 45 is oriented, for example, at an angle of 45 ° to the clamping surface 36. As a result, an additional deflection is provided between the outlet duct 45 and the flushing duct 57 in order to further uniformize the protective gas flow.
  • the position of the cooling block 29 and the clamping block 28 can preferably be changed in relation to one another in order to adjust the width of the rinsing gap 57 and / or the width of the channel sections 41, 42, 43 and / or the outlet channel 45.
  • FIG. 5 shows a schematic view of the clamping block 28 with a cooling block 29 removed.
  • FIG. 6 shows a sectional view along the line VV in FIG. 5.
  • FIG. 5 illustrates the width of the outlet gap 51 using an arrow 52.
  • the lateral ones Wall sections 61 delimit the outlet gap 51 and in particular the width of the labyrinth 38.
  • the two-part arrangement of the tensioning element 18 makes it easy to produce a multiple deflection of the channel sections 41, 42, 43 and / or the outlet channel 45.
  • a diffuser can be used in the distribution chamber 55. This diffuser can consist of a fabric, a felt or some other mesh-like fabric or the like in order to dissolve the individual flows entering the individual bores 54 and to distribute them evenly.
  • the workpieces 15 are first held clamped by the clamping device 11. Subsequently, protective gas is supplied to the connections 27 of the tensioning elements 18, 20 via a delivery device (not shown in more detail). This protective gas is distributed within the clamping element 18 over the entire length of the distributor chamber 55 or the first channel section 41 and reaches the outlet gap 51. Through the distributor chamber 55 and / or the at least one channel section 41, 42, 43 and / or the Exit channel 45 creates a laminar flow. This laminar flow reaches the flushing channel 57 via the outlet gap 51. The protective gas emerges from the flushing channel 57 near the joint 14, as a result of which the joint 14 is surrounded by the protective gas.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the tensioning device 11 according to FIG. 1.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of the alternative tensioning device 11 according to FIG. 7.
  • FIG. 9 shows an enlarged, sectional view of the clamping device 11 in the region of the joint 14 of the workpieces 15.
  • This tensioning device 11 has an additional common flushing channel 66, which is shown enlarged in FIG. 9.
  • the tensioning elements 18, 20 have a further wall section 61 adjacent to the first wall section 58, which extends opposite the base block 17 above the joint 14.
  • the common flushing channel 66 can be formed above the joint 14, as shown in FIG.
  • the wall sections 61 can be aligned parallel to one another, as a result of which a common flushing channel 66 is created with the same width over its height.
  • the wall sections 61 can also be aligned at an angle to one another, so that they widen or narrow in relation to the joint 14.
  • the protective gas flows out of the exit gap 51 and from each side along the workpiece 15 to the joint 14.
  • the protective gas then continues to be collected in the common flushing channel 66.
  • the covering of the joint 14 with protective gas is improved.
  • a kind of chimney effect is achieved through this common flushing channel 66. This enables improved cooling on the one hand and improved shielding against oxygen at the joint 14 on the other hand.
  • tensioning elements 18, 20, which have the further wall section 61 which have the further wall section 61, a single or double deflection of the protective gas within the tensioning element 18, 20 can be sufficient to generate a laminar flow.
  • the labyrinth 38 can be simplified.
  • the clamping element 18, 20 comprises a distributor chamber 55, to which a first channel section 41 and an outlet channel 45 are connected.
  • the further channel sections 42, 43 according to the previously described embodiment of the tensioning elements 18, 20 can - but need not - be provided. Otherwise, reference can be made in full to the above-described embodiment.
  • FIG. 10 shows a further alternative embodiment of the tensioning device 11 to FIG. 1.
  • This tensioning device 11 comprises, for example, three tensioning elements 18, 20, 22.
  • the structure of the tensioning elements 18, 20, 22 in FIG. 10 corresponds to that of the tensioning elements 18, 20 in FIG. 1. Deviating from these tensioning elements 18, 20, 22 are corner elements. ment trained.
  • the outlet gap 51 extends over a corner region of 90 °.
  • the protective gas flows through the outlet channel 45 both in a first direction and in a second direction offset by 90 ° to the joint 14 'and 14 "or 14" and 14' "or 14 'and 14'” out.
  • the laser beam 33 is first moved from a start position 71 to the corner areas, then from a start position 72 and then from a start position 73 to the corner.
  • the present method for producing a weld seam at a butt joint 14 between two or more workpieces 15 is particularly suitable for the production of objects made of steel or stainless steel for the food industry, which have special requirements regarding the degree of freedom, purity and / or high quality of

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle (14) zwischen zwei Werkstücken (15), bei dem die zu verschweißenden Werkstücke (15) mit einer Spannvorrichtung (11), welche mehrere Spannelemente (18, 20, 22) und zumindest einen Grundblock (17) umfasst, zueinander positioniert werden, bei dem das erste Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des ersten Spannelementes (18) und ein zweites Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des zweiten Spannelementes (20) gehalten werden, bei dem der Stoßstelle (14) ein Schutzgas zugeführt wird, wobei die Spannelemente (18, 20, 22) benachbart zur Stoßstelle (14) der zu verschweißenden Werkstücke (15) ausgerichtet werden und der Austrittsspalt (51) des jeweiligen Spannelementes (18, 20) für das Schutzgas gegenüber der Stoßstelle (14) der Werkstücke (15) zurückversetzt und zwischen dem Austrittsspalt (51) und der Stoßstelle (14) ein Spülkanal (57) gebildet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mittels Laser.

Description

Verfahren und Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl, bei der die miteinander zu verschweißenden Werkstücke mit einer Spann- vorrichtung positioniert werden, und ein erstes Werkzeug zwischen ei- nem Grundblock der Spannvorrichtung und einer Spannfläche eines ers- ten Spannelementes der Spannvorrichtung sowie ein zweites Werkstück zwischen dem Grundblock und einer Spannfläche eines zweiten Spann- elementes der Spannvorrichtung gehalten werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der US 2018/0236605 Al ist eine Schweißvorrichtung und ein Ver- fahren zur Herstellung einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl bekannt. Die beiden zu verschweißenden Werkstü- cke werden übereinanderliegend unter Bildung eines Überlappungsberei- ches in der Spannvorrichtung fixiert. Oberhalb des Überlappungsberei- ches wird ein Schutzgas zugeführt, welches aus einzelnen Öffnungen entfernt von der Spannfläche in den Spannelementen austritt.
Aus der DE 203 06 599 Ul ist eine Schutzgasvorrichtung für eine Laser- bearbeitungseinrichtung bekannt. In einer Werkstückaufnahme ist ein Werkstück eingespannt. Eine oder mehrere Schutzgasdüsen sind auf den Bearbeitungsbereich des Werkstückes durch den Laserstrahl gerichtet und getrennt von Spannelementen zum Befestigen des Werkstücks vor- gesehen.
Aus der JP H06-292 989 A ist des Weiteren ein Laserschweißprozess be- kannt. Beabstandet zur zu bildenden Schweißnaht kreuzt eine Luftströ- mung den Laserstrahl zur Herstellung der Schweißnaht in einem Über- lappungsbereich von zwei Werkstücken.
Aus der US 2008/0296271 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen bekannt. Diese Vorrichtung umfasst Spannele- mente mit einer U-förmigen Spannfläche. In der Höhe zur Spannfläche der Spannelemente beabstandet sind Bohrungen zum Zuführen von Schutzgas vorgesehen.
Aus der DE 10 2016 124 353 B3 ist ein Laserschweißverfahren mit einer Spannvorrichtung bekannt, durch welche zwei miteinander zu verschwei- ßende Werkstücke während des Laserschweißprozesses gehalten wer- den. Die Spannvorrichtung umfasst eine Spannplatte, an deren Unter- seite eine Gasleiteinrichtung vorgesehen ist, durch welche Gas in ein- zelne Bereiche den zu verschweißenden Werkstücken zugeführt werden kann. Dadurch soll ein beim Schweißen entstehendes Plasma gezielt ab- geführt werden, um die Prozessstabilität zu gewährleisten. Ein solches Verfahren weist den Nachteil auf, dass in einzelne Bereiche das Gas nicht oder nicht hinreichend zugeführt wird. Es kann zu Oxidati- onen kommen, die optisch sichtbar sind und das hergestellte Bauteil be- einträchtigen. Zudem kann keine hinreichende Kühlung erzielt werden, wodurch sich nahe der Schweißstelle Anlassfarben bilden.
Aus der DE 10 2012 102 820 Al ist ein Spannmodul für eine Spannvor- richtung zum Spannen von Blechbauteilen bekannt, welche mittels ei- nem Schweißprozess zu einem Bauteil verbunden werden. Durch diese Spannvorrichtung können einzelne Blechbauteile exakt zueinander aus- gerichtet und positioniert werden. Durch den modularen Aufbau können vielfältige Schweißaufgaben gelöst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl bereitzustellen, wodurch eine hohe Schweißqualität erzielt und insbesondere sichtbare Oxidationen verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- naht gelöst, bei welchem vor dem Beginn eines Laserschweißprozesses mit dem Laserstrahl einem, mehreren oder jedem Spannelement über zumindest einen Anschluss ein Schutzgas zugeführt wird, welches durch einen Austrittsspalt im Spannelement in Richtung auf die Schweißstelle ausgegeben und nach der Bespülung der Stoßstelle der zwei zu ver- schweißenden Werkstücke mit dem Schutzgas der Laserschweißprozess gestartet wird. Bevorzugt wird die Bespülung der Stoßstelle mit Schutz- gas während des gesamten Laserschweißprozesses aufrechterhalten. Die Bespülung kann auch mit einem Nachlauf nach dem Ende des Schweiß- prozesses betrieben werden. Durch das Zuführen des Schutzgases über einen Austrittsspalt im Spannelement wird über eine Länge der zu bil- denden Schweißnaht gleichmäßig ein Schutzgasstrom ausgegeben, wodurch die Stoßstelle entlang der Schweißnaht gegenüber Sauerstoff abgeschlossen wird. Dadurch wird verhindert, dass während der Herstel- lung der Schweißnaht Sauerstoff an die Stoßstelle gelangt. Gleichzeitig kann eine hinreichende Kühlung an der Schweißstelle erzielt werden, um die Bildung von Anlassfarben zu verhindern.
Die Spannelemente werden benachbart zur Stoßstelle der zu verbinden- den Werkstücke ausgerichtet und der Austrittsspalt am Spannelement für das Schutzgas ist gegenüber der Stoßstelle zurückversetzt. Dadurch wird zwischen dem Austrittsspalt am Spannelement und der Stoßstelle der Werkstücke ein Spülkanal gebildet. Durch eine weitere Umlenkung zwischen dem Austrittsspalt und dem Spülkanal kann die Strömung wei- ter laminiert werden. Der Spülkanal ist zur Stoßstelle ausgerichtet, so- dass über die gesamte Länge der Schweißnaht ein Schutzgasmantel oder Schutzgasvorhang gebildet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Spülkanal, der zwischen dem Spannelement und dem Werkstück ge- bildet wird, gleich lang oder länger als die Schweißnaht ausgebildet wird. Durch die Länge des Spülkanals, welcher sich zumindest über die ge- samte Länge der Schweißnaht hinaus erstreckt, wird auch sichergestellt, dass am Beginn und am Ende der Schweißnaht eine Schutzgasumhül- lung gebildet wird, um Oxidationen zu vermeiden und eine Kühlung zu erzielen.
Des Weiteren wird bevorzugt zumindest ein in dem Spannelement vor- gesehener Austrittskanal, der in den Austrittsspalt mündet, in einem Winkel von kleiner 90° ausgerichtet. Bevorzugt ist die Strömungsrich- tung des Austrittskanals in einem Winkel von kleiner 90° zur Spannflä- che des Spannelementes ausgerichtet. Dadurch erfolgt die Zuströmrich- tung des Schutzgases von dem Austrittskanal in Richtung auf die Stoß- steile, wodurch ein strömungsgünstiger Austritt des Schutzgases erzielt werden kann. Zudem wird bevorzugt auch eine Umlenkung zwischen der Austrittsrichtung des Austrittskanals zum Spülkanal für den Schutz- gasstrom eingestellt, um die Bildung einer laminaren Strömung in dem Spülkanal sicherzustellen, aus welchem die Schutzgasströme zur Stoß- steile austreten. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Spannelemente in der jeweiligen Spannposition zum Grundblock derart zueinander angeordnet und ausgerichtet, dass diese oberhalb der Stoß- steile einen gemeinsamen Spülkanal bilden. Bevorzugt ist der Winkel zwischen diesem gemeinsamen Spülkanal und dem zwischen Spannele- ment und Werkstück gebildeten Spülkanal größer als 90°. Jedes Spann- element ist benachbart zur Stoßstelle in einer Spannposition positioniert, wodurch die jeweiligen Spülkanäle aufeinander zuweisen. Die Strömun- gen aus den Spülkanälen treffen oberhalb der Stoßstelle aufeinander. Durch den oberhalb der Stoßstelle gebildeten gemeinsamen Spülkanal ist eine verbesserte Schutzgasumspülung der Oberseite der Stoßstelle ermöglicht, da durch den gemeinsamen Spülkanal die Schutzgasströme an der Oberseite weiter gesammelt und komprimiert werden, wodurch ein verbesserter Schutzgasmantel bezüglich der Stoßstelle ermöglicht ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoß- steile zwischen zwei Werkstücken mit einem Laserstrahl gelöst, welche einen Grundblock zur Anlage von zumindest zwei Werkstücken umfasst sowie zumindest zwei Spannelemente, wobei jedes Spannelement be- nachbart zur Stoßstelle der Werkstücke ausgerichtet ist und das Werk- stück zwischen dem Spannelement und dem Grundblock geklemmt ge- halten ist und mit zumindest einem an dem Spannelement vorgesehenen Anschluss zum Zuführen von einem Schutzgas oder mehreren Schutzga- sen oder einem Gemisch von Schutzgasen, wobei jedes Spannelement einen Austrittsspalt zur Ausgabe des Schutzgases oder des Schutz- gasstromes zur Stoßstelle der Werkstücke aufweist. Durch solche Spann- elemente kann eine gleichmäßige Strömung über eine gesamte Länge der Schweißnaht der Stoßstelle der zu verschweißenden Werkstücke zu- geführt werden, sodass das zugeführte Schutzgas die Stoßstelle im We- sentlichen vollständig umhüllt. Durch den Sauerstoffausschluss an der Schweißnaht kann die Bildung einer Oxidation verhindert sein. Der Austrittsspalt ist an die Spannfläche angrenzend vorgesehen.
Dadurch kann unmittelbar und benachbart zur Stoßstelle die Zuführung des Schutzgases erfolgen und ein Spülkanal mit dem gespannten Werk- stück gebildet sein.
Bevorzugt ist der Austrittsspalt in dem Spannelement für das Schutzgas über die gesamte Länge des Spannelementes ausgebildet. Bevorzugt ist die Spaltbreite des Austrittspaltes über die Länge des Austrittspaltes konstant. Vorteilhafterweise ist der Austrittsspalt seitlich durch jeweils einen Wandabschnitt des Spannelementes begrenzt. Dadurch kann ent- lang der gesamten Länge der Schweißnaht eine laminare Strömung des Schutzgases austreten und auch eine gleichmäßige Kühlung über die ge- samte Länge der Schweißnaht ermöglicht werden.
Vorteilhafterweise ist in jedem Spannelement zwischen dem zumindest einen Anschluss zum Zuführen des Schutzgases und dem Austrittsspalt ein Labyrinth aus mehreren aneinandergereihten Kanalabschnitten aus- gebildet. Durch diese Anordnung wird innerhalb des Labyrinths ein Ge- gendruck während dem Zuführen des Schutzgases aufgebaut. Dadurch kann auch ein zunächst punktuelles oder durch mehrere Einzelströme zugeführtes Schutzgas geglättet werden, um eine laminare Strömung zumindest kurz vor dem Austrittspalt zu erzielen. Bevorzugt ist zumin- dest eine Umlenkung des Schutzgasstromes um 90° und darauffolgend eine Umlenkung um 45° oder kleiner vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Spannelementes sieht vor, dass sich an den Anschluss zur Zuführung des Schutzgases zumindest eine Bohrung im Spannelement anschließt, welche mehrere Einzelboh- rungen umfasst, die in den zumindest einen Kanalabschnitt des Laby- rinths oder einer Verteilerkammer münden. Dadurch kann unmittelbar nach dem Zuführen des Schutzgases durch den Anschluss bereits eine erste Aufteilung des Schutzgases über mehrere Einzelströme in einen Kanalabschnitt erfolgen. Bevorzugt münden die Einzelbohrungen, welche bevorzugt gleichmäßig verteilt über die Länge der Verteilerkammer vorgesehen sind, in der Ver- teilerkammer, bevor diese Verteilerkammer in den zumindest einen Ka- nalabschnitt übergeht. Diese Verteilerkammer weist einen gegenüber der Summe der Einzelbohrungen vergrößerten Querschnitt auf, sodass darin Verwirbelungen erzeugt werden, um ein weitestgehend gleichmäßiges Füllen der Verteilerkammer mit Schutzgas zu erzielen.
Die Verteilerkammer und/oder der zumindest eine Kanalabschnitt weisen bevorzugt eine Länge auf, die im Wesentlichen der Länge des Aus- trittsspaltes entspricht oder gleich ist. Damit wird bereits unmittelbar nach der Zuführung des Schutzgases in das Spannelement eine Auftei- lung des Schutzgases innerhalb des Spannelementes ermöglicht.
Vorteilhafterweise schließt sich an die Verteilerkammer zumindest ein erster Kanalabschnitt an, der das in der Verteilerkammer zugeführte Schutzgas umlenkt. Dadurch wird die zugeführte Strömung des Schutz- gases aufgestaut beziehungsweise es findet eine Verwirbelung statt, um eine laminare Strömung zu erzeugen.
Vorteilhafterweise ist in der Verteilerkammer ein Diffusor vorgesehen. Dieser Diffusor kann aus einem gewebeförmigen Material, einem Filz o- der dergleichen bestehen. Dieser Diffusor begünstigt eine Durchmi- schung der Einzelströme des Schutzgases, welche durch die Einzelboh- rungen in die Verteilerkammer gelangen.
Des Weiteren schließt sich bevorzugt an den ersten Kanalabschnitt zu- mindest ein Austrittskanal an, dessen Strömungsrichtung von der Strö- mungsrichtung des ersten Kanalabschnittes abweicht. Eine solche Anord- nung, bestehend aus dem ersten Kanalabschnitt und einem Austrittska- nal, bildet ein kurzes Labyrinth, welches bereits die Herstellung einer la- minaren Strömung für den Austritt über den Austrittsspalt ermöglicht. Bevorzugt ist zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem Austrittska- nal zumindest ein weiterer Kanalabschnitt vorgesehen, der zu dem je- weils vorausgehenden Kanalabschnitt in Strömungsrichtung abweichend ausgerichtet ist. Bei mehreren Umlenkungen der Strömungsrichtung in- nerhalb der aufeinanderfolgenden Kanalabschnitte im Labyrinth kann eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeiten des Schutzgases im Austrittsspalt erzielt werden.
Das Spannelement weist bevorzugt an die Spannfläche angrenzend den Austrittsspalt auf. Der in den Austrittsspalt mündende Austrittskanal ist bevorzugt in einem Winkel von weniger als 90° zur Spannfläche des Spannelements ausgerichtet. Dadurch kann eine weitere Umlenkung des Schutzgases nach Austritt aus dem Austrittsspalt bis zur Stoßstelle er- zielt werden. Bevorzugt ist der Winkel zwischen dem Austrittskanal und der Spannfläche kleiner 60°. Insbesondere liegt dieser bei 45°. Dadurch kann gleichzeitig auch noch eine hinreichende hohe Strömungsgeschwin- digkeit erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist das Spannelement aus einem Spannblock und ei- nem Kühlblock gebildet, wobei zwischen dem Spannblock und dem Kühl- block der Austrittsspalt gebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache Her- stellung eines sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Spann- elementes erstreckenden Austrittsspalts sowie des zumindest einen zum Austrittspalt führenden Kanalabschnitt und/oder Austrittskanal. Somit können zumindest ein Kanalwandabschnitt an dem Spannblock und der korrespondierende Kanalwandabschnitt am Kühlblock ausgebildet sein. Dadurch kann ein innenliegendes Labyrinth geschaffen werden, bei dem mehrere Umlenkungen in der Strömungsrichtung vorgesehen sein kön- nen.
Des Weiteren ist bevorzugt an dem Kühlblock ein erster Wandabschnitt vorgesehen, der gegenüber der Spannfläche am Spannblock zurückver- setzt ist und der an den Austrittsspalt angrenzt, sodass in einer Spann- position des Spannelementes mit dem Werkstück ein sich an den Aus- trittskanal anschließender Spülkanal gebildet ist. Der Spülkanal erstreckt sich über die Länge der Schweißnaht oder darüber hinaus. Dadurch kann ein Schutzgasvorhang der Stoßstelle zur oxidationsfreien Bildung der Schweißnaht zugeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Spannelementes sieht an dem Kühlblock einen sich an den ersten Wandabschnitt anschließenden zweiten Wandabschnitt vor, der in einer Spannposition mit einem gegen- überliegenden Spannelement einen gemeinsamen Spülkanal bildet. Die- ser gemeinsame Spülkanal liegt oberhalb der Stoßstelle. Der Grundblock mit den daran angrenzenden Spannelementen ist unterhalb der Stoß- steile angeordnet. Die jeweiligen Spülkanäle zwischen dem Grundblock und dem ersten und zweiten Spannelement gehen im Bereich der Stoß- steile in den gemeinsamen Spülkanal über. Dadurch kann die Schutz- gasumhüllung der Stoßstelle weiter verbessert werden.
Der Kühlblock ist bevorzugt lösbar mit dem Spannblock, insbesondere durch eine Verschraubung, verbunden. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Labyrinths sowie eine schnelle und vereinfachte Mon- tage. Zudem kann der Kühlblock auch in einfacher Weise nach einer Be- schädigung oder einem möglichen Verschleiß ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise ist ein Abstand zwischen dem Kühlblock und dem Spannblock veränderbar. Dadurch können eine Breite eines Kanalab- schnitts und/oder die Breite des Spülkanals einstellbar sein. Dies ermög- licht eine individuelle Anpassung des austretenden Schutzgasstromes an die zu verschweißenden Werkstücke und die daraus resultierenden Schweißparameter.
Des Weiteren ist bevorzugt der Spannblock aus einem Leichtmetall, ins- besondere Aluminium, und der Kühlblock aus einem gut wärmeleitfähi- gen Material, insbesondere Kupfer, hergestellt. Diese Kombination weist auch den Vorteil einer kostengünstigen Herstellung von solchen Spann- elementen auf. Bevorzugt ist ein wärmeleitfähiges Material für den Kühl- block aus Kupfer vorgesehen, da Kupfer ein hochreflektives Material ist und gegenüber Laserstrahlung, insbesondere gegenüber NIR (near-infra- red)-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge > 1 Mm, unempfindlicher als andere Materialien ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der in dem Spannelement vorgesehene Arbeitsspalt entlang seiner gesamten Länge abgewinkelt ist. Der Arbeitsspalt kann beispielsweise um einen Winkel von 90° abgewinkelt sein. Das Spannelement kann somit als ein sogenanntes Eckspannelement ausgebildet sein, bei welchem ein Eckbe- reich beispielsweise aus drei zueinander ausgerichteten Werkstücken miteinander verschweißt werden kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiter- bildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnun- gen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Be- schreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungs- gemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Spannvorrich- tung,
Figur 2 eine schematische Ansicht von oben auf die Spann- vorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht der Spannvorrich- tung entlang der Linie II-II in Figur 2,
Figur 4 eine schematisch vergrößerte Ansicht eines Spann- elementes in einer Spannposition mit einem Werk- stück zum Grundblock der Spannvorrichtung,
Figur 5 eine schematische Ansicht auf einen Spannblock des
Spannelementes, Figur 6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie V-V in Figur 5,
Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Aus- führungsform der Spannvorrichtung zu Figur 1,
Figur 8 eine schematische Schnittansicht der Spannvorrich- tung gemäß Figur 7,
Figur 9 eine schematisch vergrößerte Ansicht der Spannvor- richtung gemäß Figur 7 im Bereich der Stoßstelle von zwei Werkstücken, und
Figur 10 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Aus- führungsform der Spannelemente zum Verschweißen von Werkstücken unter Bildung eines Eckbereiches.
In Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung 11 zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle 14 zwischen zwei Werkstücken 15 dargestellt. Die Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf die Spannvorrichtung 11 gemäß Figur 1. Diese Spannvor- richtung 11 umfasst einen Grundblock 17 sowie zwei Spannelemente 18, 20. Die Spannvorrichtung 11 kann auch abweichend zur Figur 1 aus mehreren Grundblöcken und/oder mehreren Spannelementen bestehen. An dem Grundblock 17 ist eine Auflagefläche 19 vorgesehen, um die zu verschweißenden Werkstücke 15 aufzunehmen. Bevorzugt ist ein Hal- teelement 21 der Auflagefläche 19 zugeordnet. Dieses Halteelement 21 kann in Abhängigkeit der Größe der zu verschweißenden Werkstücke 15 zum Grundblock 17 einstellbar sein.
Die zu verschweißenden Werkstücke 15 sind bevorzugt aus einem plat- tenförmigen Material ausgebildet. Insbesondere sind Bleche vorgesehen. In Abhängigkeit der Winkelanordnung der zu verschweißenden Werkstü- cke 15 sind die Aufnahmeflächen 19 zueinander ausgerichtet. Im Bei- spielsfa II sind die Auflageflächen 19 am Grundblock 17 in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet.
Nach dem Auflegen der Werkstücke 15 auf den Grundblock 17 werden die Spannelemente 18, 20 zur Stoßstelle 14 positioniert und ausgerich- tet. Zur passgenauen Anlage der Spannelemente 18, 20 sind Fixierele- mente 23 vorgesehen. Die Spannelemente 18, 20 und der Grundblock 17 der Spannvorrichtung 11 sind derart ausgebildet, dass diese gleich- lang oder länger als die Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 sind, an wel- cher die Schweißnaht ausgebildet ist.
Die Spannelemente 18, 20 sind im Aufbau gleich ausgebildet und sym- metrisch zur Stoßstelle 14 ausgerichtet. Die Spannelemente 18, 20 sind an dem Grundblock 17 in einer Spannposition 25 angeordnet. Das Span- nelement 18, 20 weist zumindest einen Anschluss 27 zur Zuführung ei- nes Schutzgases auf. Dieses Schutzgas wird in dem Spannelement 18,
20 umgelenkt und der Stoßstelle 14 zugeführt. Das Spannelement 18,
20 umfasst einen Spannblock 28 sowie einen Kühlblock 29. Der Kühl- block 29 und der Spannblock 28 sind vorzugsweise zueinander lösbar ausgebildet. Insbesondere ist eine Verschraubung 31 vorgesehen.
In Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II in Figur 2 dargestellt. Die Werkstücke 15 sind im Bereich der Stoßstelle 14 teilweise überlappend einander zugeordnet. Nach Einnahme der Spann- position 25 der Spannelemente 18, 20 wird die Stoßstelle 14 mit Schutz- gas umströmt oder umhüllt. Nach der Bildung einer Schutzgasumhüllung an der Stoßstelle 14 wird ein Laserstrahl 33 auf die Stoßstelle 14 gerich- tet. Ein Verfahrweg entlang der Stoßstelle 14 bestimmt die Länge der Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken 15. Der Laserstrahl 33 wird über einen Bearbeitungskopf 34, insbesondere eine Optik, ausgege- ben und bezüglich der Stoßstelle 14 fokussiert. Dieser Bearbeitungskopf 34 ist Teil einer nicht näher dargestellten Laserbearbeitungsmaschine. Der Bearbeitungskopf 34 kann sowohl über ein Ein- oder Mehrachsenli- nearsystem geführt werden als auch durch eine ein- oder mehrachsige Roboter-Handhabungseinrichtung. Die Ausrichtung des Laserstrahls 33 bezüglich seiner Strahlachse zur Stoßstelle 14 kann anwendungsspezi- fisch eingestellt werden.
In Figur 4 ist eine schematisch vergrößerte Ansicht von nur einem Span- nelement 18, 20 in der Spannposition 25 dargestellt. Zwischen dem Grundblock 17 und einer Spannfläche 36 des Spannelementes 18, 20 ist das erste Werkstück 15 geklemmt gehalten. Analoges gilt für das zweite Werkstück 15. Das zweite Spannelement 18, 20 ist der Einfachheit ha I- ber nicht dargestellt. Die Spannfläche 36 ist bevorzugt an dem Spann- block 28 vorgesehen. In dem Spannelement 18, 20 ist bevorzugt ein La- byrinth 38 aus Kanalabschnitten 41, 42, 43, 45 gebildet, durch welche das Schutzgas von dem Anschluss 27 bis zum Austrittsspalt 51 geführt ist.
Ausgehend von dem Anschluss 27 erfolgt eine Bohrung 53, wie diese in Figur 3 dargestellt ist. Von dieser Bohrung 53 zweigen mehrere Einzel- bohrungen 54 ab und münden in einer Verteilerkammer 55. Diese Ver- teilerkammer 55 steht mit einem ersten Kanalabschnitt 41 in Verbin- dung. Diese bewirkt bevorzugt eine 90° Umlenkung des Schutz- gasstroms. Gemäß Figur 4 schließt sich daran ein zweiter Kanalabschnitt 42 an, der in Strömungsrichtung abweichend zum ersten Kanalabschnitt 41 ausgerichtet ist. Beispielsweise ist ein dritter Kanalabschnitt 43 vor- gesehen, der in der Strömungsrichtung bevorzugt abweichend zum vo- rausgehenden Kanalabschnitt 42 ausgerichtet ist. Der dritte Kanalab- schnitt 43 geht in einen Austrittskanal 45 über. Der Austrittskanal 45 mündet in den Austrittsspalt 51. Die in Figur 4 gezeigte Anzahl der Ka- nalabschnitte und die Ausrichtung der einzelnen Kanalabschnitte zuei- nander sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die Kanalabschnitte 41, 42, 43 und der Austrittskanal 45 sind jeweils voneinander abweichend ausgerichtet und durch eine strömungsgünstige Umlenkung miteinander verbunden. Durch die über die Länge der Verteilerkammer 55 vorzugsweise gleich- mäßig verteilten Einzelbohrungen 54, wie dies aus Figur 5 hervorgeht, strömt das Schutzgas in die Verteilerkammer 55. Dabei entstehen Ver- wirbelungen und eine erste Verteilung des Schutzgases in der Verteiler- kammer 55. Darauffolgend strömt das Schutzgas in den ersten Kanalab- schnitt 41. Durch die Umlenkung erfolgt ein Gegendruck, wodurch eine Glättung der Verwirbelungen erzielt wird, sodass die Verwirbelungen re- duziert werden. Durch die zumindest eine weitere Umlenkung in den Austrittskanal 45 wird eine laminare Strömung des Schutzgases erzielt, bevor dieses über den Austrittsspalt 51 austritt. Bevorzugt sind mehrere Kanalabschnitte 41, 42, 43 vorgesehen, um eine möglichst gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit entlang des Labyrinths 38 zu erzielen, sodass der Schutzgasstrom im Wesentlichen gleichförmig an dem Austrittsspalt 51 austritt.
Zwischen dem Spannelement 18 und dem Werkstück 15 ist an den Aus- trittskanal 45 angrenzend ein Spülkanal 57 ausgebildet. Dieser endet an oder nahe der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15. Bevorzugt ist der Kühl- block 29 mit einem ersten Wandabschnitt 58 gegenüber der Spannfläche 36 zurückversetzt, um den Spülkanal 57 zu bilden.
Der Austrittskanal 45 ist beispielsweise in einem Winkel von 45° zur Spannfläche 36 ausgerichtet. Dadurch ist zwischen dem Austrittskanal 45 und dem Spülkanal 57 eine zusätzliche Umlenkung zur weiteren Ver- gleichmäßigung des Schutzgasstromes vorgesehen.
Der Kühlblock 29 und der Spannblock 28 sind bevorzugt in deren Posi- tion zueinander veränderbar, um die Breite des Spülspaltes 57 und/oder die Breite der Kanalabschnitte 41, 42, 43 und/oder des Austrittskanals 45 einzustellen.
In Figur 5 ist eine schematische Ansicht auf den Spannblock 28 mit ei- nem abgenommenen Kühlblock 29 dargestellt. Die Figur 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in Figur 5. Figur 5 illustriert die Breite des Austrittsspaltes 51 anhand eines Pfeils 52. Die seitlichen Wandabschnitte 61 begrenzen den Austrittsspalt 51 und insbesondere die Breite des Labyrinths 38. Durch die zweiteilige Anordnung des Span- nelementes 18 kann in einfacher Weise eine Mehrfachumlenkung der Ka- nalabschnitte 41, 42, 43 und/oder Austrittskanals 45 herstellbar sein. In der Verteilerkammer 55 kann ein Diffusor eingesetzt sein. Dieser Dif- fusor kann aus einem Gewebe, einem Filz oder einem sonstigen ma schenförmigen Gewebe oder dergleichen bestehen, um die in die Einzel- bohrungen 54 gelangenden Einzelströmungen aufzulösen und gleichmä- ßig zu verteilen.
Zur Herstellung einer Schweißnaht an der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 werden zunächst die Werkstücke 15 durch die Spannvorrichtung 11 geklemmt gehalten. Darauffolgend wird über eine nicht näher darge- stellte Fördereinrichtung Schutzgas den Anschlüssen 27 der Spannele- mente 18, 20 zugeführt. Dieses Schutzgas verteilt sich innerhalb des Spannelementes 18 über die gesamte Länge der Verteilerkammer 55 o- der des ersten Kanalabschnitts 41 und gelangt zum Austrittsspalt 51. Durch die Verteilerkammer 55 und/oder den zumindest einen Kanalab- schnitt 41, 42, 43 und/oder den Austrittskanal 45 wird eine laminare Strömung erzeugt. Diese laminare Strömung gelangt über den Austritts- spalt 51 in den Spülkanal 57. Das Schutzgas tritt nahe der Stoßstelle 14 aus dem Spülkanal 57 aus, wodurch die Stoßstelle 14 von dem Schutz- gas umgeben ist. Nach der Bildung der Umhüllung mittels Schutzgas wird der Laserschweißprozess gestartet. Ein Laserstrahl 33 wird auf die Stoßstelle 14 gerichtet. Durch eine Verfahrbewegung wird die Schweiß- naht zwischen den beiden Werkstücken 15 eingebracht. Während des gesamten Schweißprozesses wird Schutzgas den Spannelementen 18, 20 zugeführt. Nach dem Einbringen der Schweißnaht wird die Schutzgaszu- führung stillgesetzt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Schutzgaszu- führung nach Einbringen der Schweißnaht noch für kurze Zeit zum Küh- len der Schweißnaht aufrechterhalten wird. Die Spannelemente 18 wer- den vom Grundblock 17 abgehoben, und das geschweißte Werkstück 15 wird entnommen. In Figur 7 ist eine alternative Ausführungsform der Spannvorrichtung 11 gemäß Figur 1 dargestellt. In Figur 8 ist eine schematische Schnittan- sicht der alternativen Spannvorrichtung 11 gemäß Figur 7 dargestellt. In Figur 9 ist eine vergrößerte, geschnittene Ansicht der Spannvorrichtung 11 im Bereich der Stoßstelle 14 der Werkstücke 15 dargestellt. Diese Spannvorrichtung 11 weist einen zusätzlichen gemeinsamen Spülkanal 66 auf, der in Figur 9 vergrößert dargestellt ist.
Die Spannelemente 18, 20 weisen an den ersten Wandabschnitt 58 an- grenzend einen weiteren Wandabschnitt 61 auf, der sich entgegenge- setzt zum Grundblock 17 oberhalb der Stoßstelle 14 erstreckt. Nach Ein- nahme der Spannposition 25 der Spannelemente 18 kann der gemein- same Spülkanal 66 oberhalb der Stoßstelle 14 ausgebildet sein, wie dies in Figur 9 dargestellt ist. Die Wandabschnitte 61 können parallel zuei- nander ausgerichtet sein, wodurch ein gemeinsamer Spülkanal 66 mit einer gleichen Breite über dessen Höhe entsteht. Die Wandabschnitte 61 können auch geneigt zueinander ausgerichtet sein, sodass diese sich ge- genüber der Stoßstelle 14 aufweiten oder verengen.
Bei dieser Ausführungsform der Spannelemente 18, 20 strömt das Schutzgas aus dem Austrittsspalt 51 aus und von jeder Seite entlang des Werkstücks 15 bis zur Stoßstelle 14. Anschließend wird das Schutzgas weiterhin in dem gemeinsamen Spülkanal 66 gesammelt. Dadurch wird die Umhüllung der Stoßstelle 14 mit Schutzgas verbessert. Durch diesen gemeinsamen Spülkanal 66 wird eine Art Kamineffekt erzielt. Dies er- möglicht eine verbesserte Abkühlung einerseits und eine verbesserte Ab- schirmung gegenüber Sauerstoff an der Stoßstelle 14 andererseits.
Bei Spannelementen 18, 20, welche den weiteren Wandabschnitt 61 auf- weisen, kann eine Einfach- oder Zweifachumlenkung des Schutzgases in- nerhalb des Spannelements 18, 20 genügen, um eine laminare Strö- mung zu erzeugen. Das Labyrinth 38 kann vereinfacht ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel umfasst das Spannelement 18, 20 eine Verteiler- kammer 55, an der sich ein erster Kanalabschnitt 41 und ein Austrittska- nal 45 anschließt. Die weiteren Kanalabschnitte 42, 43 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Spannelemente 18, 20 können - müssen jedoch nicht - vorgesehen sein. Im Übrigen kann auf die vorbe- schriebene Ausführungsform vollumfänglich Bezug genommen werden.
In Figur 10 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Spannvor- richtung 11 zu Figur 1 dargestellt. Diese Spannvorrichtung 11 umfasst beispielsweise drei Spannelemente 18, 20, 22. Der Aufbau der Spannele- mente 18, 20, 22 in Figur 10 entspricht dem der Spannelemente 18, 20 in Figur 1. Abweichend sind diese Spannelemente 18, 20, 22 als Eckele- mente ausgebildet. Dabei erstreckt sich der Austrittsspalt 51 über einen Eckbereich von 90°. Durch die Zuordnung von drei Spannelementen 18, 20, 22 zu einem entsprechend ausgebildeten Grundblock 17 können drei Werkstücke 15 zueinander ausgerichtet werden, sodass eine erste, zweite und dritte Stoßstelle 14', 14", 14"' gebildet ist. Zur Herstellung einer Schweißnaht zur Bildung des Eckbereichs der Werkstücke 15 er- folgt die Zuführung von Schutzgas, wie zuvor beschrieben. Bei dieser Ausführungsform strömt das Schutzgas durch den Austrittskanal 45 so- wohl in einer ersten Richtung als auch in einer zweiten um 90° versetz- ten Richtung zur Stoßstelle 14' und 14" beziehungsweise 14" und 14'" beziehungsweise 14' und 14'" aus. Zur Herstellung der Schweißnaht wird der Laserstrahl 33 zunächst von einer Startposition 71 auf die Eckberei- che verfahren, darauffolgend von einer Startposition 72 und des Weite- ren von einer Startposition 73 jeweils zur Ecke verfahren.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle 14 zwischen zwei oder mehreren Werkstücken 15 eignet sich insbesondere bei der Herstellung von Gegenständen aus Stahl oder Edel- stahl für die Nahrungsmittelindustrie, welche eine besondere Anforde- rung an die Gradfreiheit, Reinheit und/oder die hohe Qualität der
Schweißnaht aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoßstelle
(14) zwischen zwei Werkstücken (15) mit einem Laserstrahl (33),
- bei dem die zueinander zu verschweißenden Werkstücke (15) mit einer Spannvorrichtung (11), welche mehrere Spannele- mente (18, 20, 22) und zumindest einen Grundblock (17) um fasst, zueinander positioniert werden,
- bei dem das erste Werkstück (15) zwischen dem Grundblock
(17) und einer Spannfläche (36) des ersten Spannelementes
(18) und ein zweites Werkstück (15) zwischen dem Grundblock (17) und einer Spannfläche (36) des zweiten Spannelementes (20) gehalten werden,
- bei dem vor dem Beginn eines Laserschweißprozesses einem, mehreren oder jedem Spannelement (18, 20, 22) über einen Anschluss (27) ein Schutzgas zugeführt wird, welches durch ei- nen Austrittsspalt (51) im Spannelement (18, 20, 22) in Rich- tung auf die Stoßstelle (14) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass nach der Bespülung der Stoßstelle (14) der zwei zu ver- schweißenden Werkstücke (15) mit Schutzgas der Laser- schweißprozess gestartet wird, und
- dass die Spannelemente (18, 20, 22) benachbart zur Stoßstelle (14) der zu verschweißenden Werkstücke (15) ausgerichtet werden und der Austrittsspalt (51) des jeweiligen Spannele- mentes (18, 20) für das Schutzgas gegenüber der Stoßstelle (14) der Werkstücke (15) zurückversetzt und zwischen dem Austrittsspalt (51) und der Stoßstelle (14) ein Spülkanal (57) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülkanal (57), der zwischen dem Spannelement (18, 20, 22) und dem Werkstück (15) gebildet wird, gleich lang oder länger als die zu bildende Schweißnaht an der Stoßstelle (14) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest ein in dem Spannelement (18, 20, 22) vorgesehener Austrittskanal (45) in den Austrittsspalt (51) mündet, der in einem Winkel kleiner 90° zur Spannfläche (36) des Spannelementes (18, 20, 22) ausgerichtet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die zur Stoßstelle (14) ausgerichteten Spann- elemente (18, 20, 22) oberhalb der Stoßstelle (14) und dem
Grundblock (17) gegenüberliegend einen gemeinsamen Spülkanal (66) bilden, der mit den zumindest zwei Spülkanälen (57) in Ver- bindung steht und mit jeweils einem Schutzgasstrom aus den zu- mindest zwei Spülkanälen (57) gefüllt wird.
5. Spannvorrichtung zur Herstellung einer Schweißnaht an einer Stoß- steile (14) zwischen zwei Werkstücken (15) mit zumindest einem Laserstrahl (33),
- mit zumindest einem Grundblock (17) zur Anlage von wenigs- tens zwei Werkstücken (15),
- mit zumindest zwei Spannelementen (18, 20, 22), wobei jedes Spannelement (18, 20, 22) benachbart zur Stoßstelle (14) der Werkstücke (15) ausgerichtet und das Werkstück (15) zwischen dem Spannelement (18) und dem zumindest einen Grundblock (17) geklemmt gehalten ist, und
- mit zumindest einem am Spannelement (18, 20, 22) vorgese- henen Anschluss (27) zum Zuführen von Schutzgas, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Spannelement (18, 20, 22) einen Austrittsspalt (51) zur Ausgabe eines Schutzgasstromes zur Stoßstelle (14) auf- weist, und
- dass der Austrittsspalt (51) an einer Spannfläche (36) des
Spannelementes (18, 20, 22) angrenzend vorgesehen ist.
6. Spannvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsspalt (51) sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Spannelementes (18, 20, 22) erstreckt und vorzugs- weise über die gesamte Länge eine konstante Spaltbreite aufweist.
7. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem Spannelement (18, 20, 22) zwischen dem zumindest einen Anschluss (27) für das Schutzgas und dem Austrittsspalt (51) ein Labyrinth (38) aus mehreren aneinanderge- reihten Kanalabschnitten (41, 42, 43, 45) ausgebildet ist.
8. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass sich an den zumindest einen Anschluss (27) eine Bohrung (53) anschließt, von welcher vorzugsweise mehrere Einzelbohrungen (54) abzweigen, die in einer Verteilerkammer (55) oder in den ersten Kanalabschnitt (41) münden.
9. Spannvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbohrungen (54), vorzugsweise gleichmäßig, verteilt über die Länge der Verteilerkammer (55) oder des ersten Kanalab- schnitts (41) ausgerichtet sind.
10. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass zwischen dem Anschluss (27) und dem ersten Kanalabschnitt (41) die Verteilerkammer (55) vorgesehen ist, an welcher sich der erste Kanalabschnitt (41) anschließt, und der erste Kanalabschnitt (41) das in der Verteilerkammer (55) eingeströmte Schutzgas umlenkt.
11. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass in der Verteilerkammer (55) ein Diffusor vorge- sehen ist, insbesondere ein die Einzelströme des Schutzgases zer- streuendes Gewebe oder Filz.
12. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass sich an den ersten Kanalabschnitt (41) zumin- dest ein Austrittskanal (45) anschließt, dessen Strömungsrichtung von der Strömungsrichtung des ersten Kanalabschnitts (41) ab- weicht.
13. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kanalabschnitt (41) und dem Austrittskanal (45) zumindest ein weiterer Kanalabschnitt (42, 43) vorgesehen ist, der zu dem jeweils vorausgehenden Kanalab- schnitt (41, 42, 43) in der Strömungsrichtung abweichend ausge- richtet ist.
14. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Austrittsspalt (51) an die Spannfläche (36) des Spannelementes (18, 20, 22) angrenzend vorgesehen und ein in den Austrittsspalt (51) mündender Austrittskanal (45) in einem Winkel von kleiner 90°, bevorzugt kleiner 60°, insbesondere in ei- nem Winkel von 45° oder kleiner, ausgerichtet ist.
15. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) aus einem Spannblock (28) und einem Kühlblock (29) gebildet ist und zwi- schen dem Spannblock (28) und dem Kühlblock (29) zumindest der Austrittsspalt (51) gebildet ist.
16. Spannvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Spannblock (28) und dem Kühlblock (29) das Labyrinth (38) aus mehreren Kanalabschnitten (41, 42, 43) und des Austrittskanals (45) erstreckt.
17. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) einen ersten Wandabschnitt (58) aufweist, der gegenüber der Spannfläche (36) des Spannelementes (18) zurückversetzt ist und an den Austritts- spalt (51) angrenzt, sodass in einer Spannposition (25) des Spann- elementes (18) mit dem Werkstück (15) ein Spülkanal (57) gebil- det ist.
18. Spannvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18, 20, 22) einen sich an den ersten Wandab- schnitt (58) anschließenden zweiten Wandabschnitt (61) aufweist, der in einer Spannposition (25) zum Werkstück (15) mit dem ge- genüberliegenden und gleich ausgebildeten Spannelement (18, 20, 22) einen weiteren gemeinsamen Spülkanal (66) bildet, der dem Grundblock (17) gegenüberliegend zur Stoßstelle (14) ausgerichtet ist.
19. Spannvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (29) lösbar mit dem Spannblock (28), insbesondere durch eine Verschraubung, verbunden ist.
20. Spannvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (29) und der Spannblock (28) im Abstand zueinander veränderbar und die Breite des Spülkanals (57) und/oder des Aus- trittsspaltes (51) einstellbar ist.
21. Spannvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannblock (28) aus Leichtmetall oder aus einer Leichtmetallle- gierung, insbesondere Aluminium, und der Kühlblock (29) aus ei- nem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere Kupfer, herge- stellt ist.
22. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Arbeitsspalt (51) des Spannelementes (18, 20, 22) entlang seiner Gesamtlänge zumindest einmal abgewinkelt ausgebildet ist.
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