WO2024088852A1 - MEDIENZUFUHR BEIM LASERSCHWEIßEN - Google Patents

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WO2024088852A1
WO2024088852A1 PCT/EP2023/079001 EP2023079001W WO2024088852A1 WO 2024088852 A1 WO2024088852 A1 WO 2024088852A1 EP 2023079001 W EP2023079001 W EP 2023079001W WO 2024088852 A1 WO2024088852 A1 WO 2024088852A1
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laser
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Wolfgang Andreasch
Martin Block
Sven Klingschat
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser welding.
  • the invention relates to the supply of welding filler material and/or process gas in a laser welding process, as well as a laser welding device and a supply device for laser welding.
  • Laser welding processes in which metal workpieces are melted and welded together along a weld joint by a laser beam are known from the prior art.
  • the supply of filler material and the supply of process gas to shield the molten pool or the solidifying weld seam are usually carried out through separate nozzles that are attached opposite one another on a welding head.
  • the filler material in the form of a metal wire is preferably introduced into the interaction zone between the laser beam and the workpiece in a dragging manner - i.e. from the front in the feed direction.
  • the process gas - preferably an inert protective gas such as nitrogen or argon - is preferably directed in a dragging manner - i.e. from behind - onto the molten pool or with a linear nozzle onto the solidifying weld seam.
  • the accessibility of the component is considerably restricted due to the opposing arrangement of the respective nozzles and the welding process zone is not or only with difficulty visible to sensors, in particular for detecting the position of the joint (or the weld groove) in the run-up to the melting zone.
  • CN 2905302Y a combination nozzle for the piercing supply of welding filler metal and process gas is described.
  • the disadvantage here is the rigid construction of the nozzle. Regardless of the welding task, for each The entire nozzle is required for the media supply - even if, for example, only a supply of process gas is required to shield the molten pool, but no welding filler material and no linear process gas supply to shield the solidifying weld seam. For many welding tasks, this combination nozzle therefore has an unnecessarily negative influence on the dynamics and contour freedom of the welding process.
  • One object of the present invention is to improve the precision of laser welding and thus the quality of welded joints, regardless of the welding task. At the same time, the dynamics and/or accessibility of laser beam welding with media supply should be improved depending on the welding task.
  • a laser welding device for welding two joining partners along a welding joint.
  • the joining partners can preferably be metallic joining partners.
  • the laser welding device comprises an optical monitoring unit that can be aligned to an observation area around the welding joint in order to detect a course of the welding joint.
  • the wording "around the welding joint" is to be understood in this context as meaning that the welding joint runs at least partially through the observation area and through the field of view of the monitoring unit.
  • the laser welding device further comprises a laser welding head which is designed to direct a laser processing beam by means of welding optics on the basis of the detected course of the weld joint along the weld joint onto at least one of the joining partners.
  • the laser beam is preferably directed at both joining partners to be welded. Due to the interaction with the laser beam, the joining partners are locally melted and solidify after the laser beam passes over them, forming a common weld seam.
  • a course of the welding path can be pre-programmed for a welding task to be carried out. In practice, however, the actual course of the weld joint can deviate from the pre-programmed course.
  • the feed direction can be corrected by detecting the weld joint (using the monitoring unit) in the immediate lead to the laser beam.
  • the monitoring unit can preferably be arranged on the laser welding head and carried along with it. It is also possible for the monitoring unit to be at least partially integrated into the laser welding head, with a monitoring laser beam of the monitoring unit being directed onto the welding zone coaxially to the processing laser beam. A diameter of the monitoring laser beam is generally larger than the diameter of the processing laser beam.
  • the monitoring device can additionally or alternatively also comprise a camera that can be aligned onto the welding zone at an angle or coaxially to the processing laser beam.
  • the laser welding device also comprises a feed device which is designed to provide a welding filler material and/or a process gas (or protective gas) and which is arranged on the laser welding head in such a way that the welding filler material and/or the process gas can be fed to a welding process from a feed direction following the laser beam.
  • a feed device which is designed to provide a welding filler material and/or a process gas (or protective gas) and which is arranged on the laser welding head in such a way that the welding filler material and/or the process gas can be fed to a welding process from a feed direction following the laser beam.
  • the welding filler material and/or the process gas can be fed to the welding process in a piercing manner.
  • the welding filler material is added to the welding process in an interaction zone between the laser beam and at least one joining partner. Due to the interaction of the laser beam with the joining partners, a melt pool forms in the interaction zone, which can also be referred to as the processing area.
  • the welding filler material is fed into the melt pool and, together with the joining partners, forms the resulting weld seam in the welding process.
  • the welding filler material can be fed into the welding process by means of the feed device, preferably in the form of a wire or in powder form.
  • a powdered welding filler material is usually fed into the welding process under pressure together with an inert gas.
  • the process gas can be fed to the welding process by means of the feed device coaxially to the welding filler material and/or via an elongated area following the laser beam in the welding process.
  • a separate feed of the process gas to shield the melt pool may be unnecessary, since the carrier gas of the powder stream essentially replaces the effect of the process gas.
  • the elongated area of the linear process gas feed is designed in such a way that the melt solidifying behind the melt pool, which forms the weld seam is shielded from the environment - in particular to avoid oxidation through reactions with atmospheric oxygen.
  • the observation area of the monitoring unit is offset in a surface plane of the joining partners in a first direction to the laser beam.
  • the feed device can be arranged on a side of the laser welding head facing away from the first direction.
  • a monitoring beam (for example a monitoring laser beam) can also be arranged concentrically to the processing laser beam, whereby the observation area can be larger than a projection of the laser beam on the surface plane of the joining partners.
  • the monitoring beam can, for example, also be moved in a pendulum motion transverse to the feed direction, leading to the laser processing beam, back and forth over the workpiece (i.e. over the joining partners).
  • the monitoring unit detects the weld joint in the immediate lead to the laser beam in order to specify an exact feed direction for the processing laser beam.
  • the monitoring device can ensure unobstructed visibility in the feed direction of the processing laser beam.
  • the feed device and/or the monitoring device can also be arranged on the laser welding head so that it can rotate via a common or separate rotary module. In this way, a monitoring laser beam that is not guided concentrically to the processing laser beam and/or the feed device can be aligned independently of the orientation of the laser welding head, and in particular following the welding contour.
  • a feed device for selectively feeding a welding filler material and/or a process gas to a welding process.
  • the feed device is suitable for use in a laser welding device according to one of the variants described above.
  • the feed device comprises a fastening element which is designed to fasten the feed device to the laser welding head of a laser welding device.
  • the fastening element can comprise a rotary module which can be controlled by a machine control or separately and with which the fastening element can be rotated about a longitudinal axis of the laser welding head.
  • the longitudinal axis of the laser welding head can run essentially centrally through a focusing optics of the laser welding head.
  • the feed device further comprises an elongated carrier element which is mounted in the fastening element and in the interior of which a media channel is formed which extends along a longitudinal axis of the carrier element.
  • the carrier element can preferably be designed as a hollow cylinder.
  • the carrier element can be mounted in the fastening element in a tiltable manner.
  • the fastening element can in particular have a spherical or hemispherical protuberance at at least one position on its outer circumference, which can be mounted in a recess in the fastening element that is complementary in shape to the protuberance.
  • a longitudinal axis of the carrier element can be arranged at an acute angle to an exit direction of the processing laser beam.
  • the fastening element can, for example, have a screw (e.g. a worm screw) and a spring element, which fix the carrier element in the fastening element from two sides.
  • the support element By changing the rotation position of the screw, the support element can be pressed against the spring element. In this way, the alignment angle or tilt position of the support element in the fastening element can be changed.
  • the feed device further comprises an elongated base element which can be accommodated in the media channel of the carrier element and in the interior of which a feed channel for the welding filler material is formed.
  • the feed channel is designed for guiding and feeding a welding filler material to a melt pool during a laser welding process.
  • the base element can preferably be designed as a hollow cylinder.
  • the feed channel can be used for feeding a wire-shaped welding filler material.
  • the feed channel can also be designed for the supply of a powdered welding filler material.
  • the base element can be mounted in the media channel of the carrier element, forming an annular gap.
  • the gap can in particular serve as a passage line for a process gas for coaxial process gas supply.
  • the feed device can further comprise a first gas feed element which has the shape of a hollow cylindrical sleeve which can be slipped over the base element and fastened to the outer circumference of the base element and/or the carrier element.
  • the fastening is preferably reversible.
  • the first feed element can be selectively attached to the feed device.
  • the first gas feed element can be omitted, which can have a positive effect on the weight and dimensions of the feed device and thus directly on the dynamics and/or accessibility of the laser welding device.
  • the base element or the carrier element can have an external thread and the first gas feed element can have an internal thread which is designed to engage in the corresponding external thread.
  • a plug-in closure can be provided for releasably fastening the first gas feed element to the base element and/or the carrier element.
  • the feed device can further comprise a second gas feed element.
  • the second gas feed element can be attached to the base element and/or the carrier element.
  • An elongated outlet opening is formed on the underside of the second gas feed element.
  • the term "underside” refers here to a direction indication during operation of the second gas feed element, e.g. during a welding process.
  • the second gas feed element further comprises at least two gas channels which open into the outlet opening at an acute angle.
  • the outlet opening can preferably be delimited laterally by a housing.
  • the housing can be detachably attached to a base body of the second Gas supply element can be attached.
  • the at least two oblique gas channels, as well as other possible connecting channels for the process gas supply can be milled or drilled in the base body.
  • the base body can preferably consist of aluminum or an aluminum alloy.
  • the lateral housing of the outlet opening can preferably consist of copper or another material with good heat conduction properties.
  • the second gas supply element can have approximately the shape of a parallelogram or a diamond. The shape has proven to be advantageous for a piercing media supply to the welding process.
  • the second gas supply element can have a recess for receiving the first gas supply element.
  • the first gas supply element can be reversibly fastened in the second gas supply element.
  • the second gas supply element can be fastened to the base element and/or the carrier element by means of the first gas supply element.
  • the integration of the first gas supply element in the second gas supply element also allows the simultaneous supply of gas to the melt pool and to the solidifying weld seam in the immediate aftermath of the melt pool.
  • a first gas channel can be formed for the first gas supply element, which extends from a first gas connection across the gap between the carrier element and the base element and which opens into an annular outlet opening formed by an annular gap between the first gas supply element and the base element.
  • the gap between the carrier element and the base element can comprise both annular and one or more channel-shaped sections.
  • the base element has a conically tapered outer circumference at its outlet-side end.
  • the first gas supply element has a conically tapered inner diameter at its outlet-side end. In the assembled state, the end of the base element protrudes beyond the end of the first gas supply element, with the respective conical regions at least partially overlapping in the axial direction. In this way, an annular gap is formed which has a Process gas is focused onto the molten pool along the outer circumference of the base element during a welding process.
  • the second gas supply element can have a separate, second gas connection.
  • the gas connection of the second gas supply element is independent of the gas connection of the first gas supply element.
  • the coaxial and linear gas supply can be controlled independently of one another, which increases flexibility during welding and, if necessary, reduces process gas consumption.
  • the base element and/or the first gas supply element and/or at least one housing of the second gas supply element surrounding the elongated outlet opening (on the underside or in the lower area of the second gas supply element) can be made of copper or a copper alloy.
  • the elements in question can also be made of another material with particularly good heat conduction properties.
  • the elements in question are located particularly close to the interaction zone between the laser beam and the workpiece during the welding process and are therefore exposed to high temperatures. Due to the good heat conduction properties of copper, the heat is dissipated into the nearest components of the supply unit, which can be made of aluminum, for example, and which can preferably be actively cooled (e.g. by arranging cooling channels in the corresponding areas and connecting them to a cooling system). Due to the modular design of the supply unit, the elements that are particularly subject to heat can be replaced separately, which overall increases the cost-effectiveness of the supply element.
  • a method for welding two joining partners along a weld joint is provided, which can be carried out using a laser welding device according to one of the variants described above.
  • the method includes detecting a course of the weld joint using the optical monitoring device.
  • the course of the weld joint is recorded in the run-up to the processing laser beam.
  • the method further comprises melting the joining partners using the processing laser beam in a predeterminable feed direction along the weld joint.
  • the course of the weld joint detected by the monitoring device can be compared with a weld contour specified in advance by a welding program. In the event of deviations between the detected course and the specified weld contour, the feed direction of the processing laser beam can be adjusted accordingly.
  • the method comprises selectively feeding a welding filler material and/or a process gas to the welding process from a direction opposite to the feed direction.
  • the welding filler material and/or the process gas is fed into the welding process in a piercing manner.
  • the media supply is carried out in an arbitrarily selectable exclusive or combined selection from the following:
  • the welding filler material is fed into a melt pool created by the laser beam
  • the process gas is directed (in a directed beam) onto the molten pool to shield the molten pool;
  • the process gas is directed onto an elongated area following the molten pool to shield the solidifying weld seam.
  • This selective media supply allows the welding process to be individually and efficiently adapted to a welding task.
  • a monitoring laser beam of the optical monitoring device can be directed at least partially by means of the welding optics coaxially to the processing laser beam onto the surface of the joining partners, wherein in the surface plane of the joining partners a diameter of the monitoring laser beam is larger than a diameter of the processing laser beam.
  • a monitoring laser beam can be directed in the feed direction ahead of the processing laser beam onto the surface level of the joining partners. In this way, the monitoring laser beam can be guided completely independently of the processing laser beam and directed onto the surface of the joining partners to detect the weld joint.
  • FIG. 1 Schematically a laser welding device according to the invention
  • FIG. 2 A block diagram for explaining a method for welding two joining partners by means of a laser welding device according to the invention
  • FIG. 3a-b A feeding device according to the invention according to a first variant
  • FIG. 4a-b A feeding device according to the invention according to a second variant.
  • FIG. 5a-b A feeding device according to the invention according to a third variant.
  • the laser welding device 10 comprises an optical monitoring unit 12, which can be aligned to an observation area X around the welding joint in order to detect a course of the welding joint.
  • the welding joint runs along the image plane.
  • the laser welding device further comprises a laser welding head 14 which is used for this purpose is designed to direct a laser processing beam B by means of a welding optics on the basis of the detected course of the weld joint along the weld joint onto at least one of the joining partners 50. Since Figure 1 shows a side view of the laser welding device 10 along a welding direction or feed direction D, only one of the joining partners 50 can be seen.
  • the monitoring unit 12 can be used for different types of joints.
  • a classic area of application is the welding of two plate-shaped, metallic (e.g. made of steel or aluminum or copper) joining partners in a butt joint, an overlap joint or a T-joint.
  • the laser welding device 10 further comprises a feed device 20 which is designed to provide a welding filler material and/or a process gas (not shown in the figures) and which is arranged on the laser welding head 14 such that the welding filler material and/or the process gas can be fed to a welding process from a feed direction following the laser beam B.
  • the welding filler material can be fed to the welding process by means of the feed device 20 in the form of a wire or in powder form. Furthermore, the process gas can be fed to the welding process by means of the feed device 20 coaxially to the welding filler material and/or via an elongated region following the laser beam B in the welding process.
  • the observation area X onto which an observation laser beam 122 of the monitoring device 12 is directed, is offset in a first direction (which in the case of Figure 1 corresponds to the feed direction D) to the laser beam B in a surface plane of the joining partners 50, as shown in Figure 1.
  • the feed device 20, is arranged on the laser welding head 14 in a trailing manner with respect to the laser welding process shown, i.e., trailing the feed of the laser welding head 14.
  • the method comprises, in a first step 102, detecting a course of the weld joint using the optical monitoring device 12.
  • the monitoring laser beam 122 is directed in the feed direction D in advance of the processing laser beam B onto the surface plane of the joining partners 50.
  • the method comprises melting the joining partners 50 by means of the processing laser beam B in the feed direction D along the weld joint.
  • the method comprises selectively feeding a welding filler material and/or a process gas to the welding process from a direction opposite to the feed direction D.
  • a welding filler material can be fed to a melt pool 52 generated by the laser beam B, and/or the process gas can be directed onto the melt pool 52 to shield the melt pool 52, and/or the process gas can be directed onto an elongated region following the melt pool 52 to shield the solidifying weld seam 54.
  • feed devices 20 for selectively feeding a welding filler material and/or a process gas to a welding process are described below according to various variants.
  • Each of the feed devices 20 comprises a fastening element 22 which is designed to fasten the feed device 20 to the laser welding head 14 of a laser welding device 10.
  • each feed device 20 comprises an elongated carrier element 24 which is mounted in the fastening element 22 and in the interior of which a media channel is formed which extends along a carrier longitudinal axis of the carrier element 24.
  • each feed device 20 comprises an elongated base element 26 which can be received in the media channel of the carrier element 24 and in the interior of which a feed channel 262 for the welding filler material is formed.
  • a feed for the welding filler material in the feed channel 262 is indicated in Figure 1 with the reference symbol "W" and a corresponding arrow.
  • the feed device 20 according to Figures 3a and 3b is designed in the form shown for the sole supply of welding filler material, i.e. without additional process gas supply.
  • the feed device 20 can - as shown in the variant according to Figures 4a and 4b - additionally have a first gas feed element 28 which has the shape of a hollow cylindrical sleeve which can be slipped over the base element 26 and fastened to the outer circumference of the base element 26 and/or the carrier element 24.
  • a feed device 20 can have a second gas feed element 29.
  • This variant is shown in Figures 5a and 5b.
  • the second gas feed element 29 can be fastened to the base element 26 and/or the carrier element 24.
  • an elongated outlet opening 292 for a process gas is formed on the underside of the second gas feed element 29, which can be aligned via at least two gas channels 294 at an acute angle via the outlet opening 292 onto a weld seam 54.
  • a first gas channel 25 for the first gas supply element 28 is formed, which extends from a first gas connection G1 across a gap between the carrier element and the base element and which opens into an annular outlet opening which is formed by an annular gap between the first gas supply element 28 and the base element 26.
  • the second gas supply element 29 has a separate, second gas connection G2.
  • the base element 26 and/or the first gas supply element 28 and/or at least one housing 296 of the second gas supply element 29 surrounding the elongated outlet opening 292 can be made of copper or a copper alloy.

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Laserschweißvorrichtung (10) zum Verschweißen zweier Fügepartner (50) entlang einer Schweißfuge, die Laserschweißvorrichtung (10) umfassend: Eine optische Überwachungseinheit (12), die auf einen Beobachtungsbereich (X) um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren; Einen Laserschweißkopf (14) der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl (B) mittels einer Schweißoptik auf Basis des detektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner (50) zu richten; und Eine Zuführeinrichtung (20), die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf (14) angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl (B) nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind. Ferner wird eine Zuführeinrichtung (20) zur Verwendung in der Laserschweißvorrichtung (10), sowie ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner (50) bereitgestellt.

Description

Medienzufuhr beim Laserschweißen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschweißens. Insbesondere betrifft die Erfindung das Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff und/oder Prozessgas in einem Laserschweißprozess, sowie eine Laserschweißvorrichtung und eine Zuführeinrichtung zum Laserschweißen.
Stand der Technik
Verfahren zum Laserschweißen, bei denen metallische Werkstücke entlang einer Schweißfuge durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und miteinander verschweißt werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Laserschweißen mit Schweißzusatzwerkstoff erfolgt die Zufuhr eines Schweißzusatzwerkstoffes und die Zufuhr von Prozessgas zur Abschirmung des Schmelzbades oder der erstarrenden Schweißnaht in der Regel durch getrennte Düsen, die gegenüberliegend an einem Schweißkopf angebracht sind. Bevorzugt wird der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Metalldrahtes schleppend - also in Vorschubrichtung von vorne - in die Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück eingebracht. Das Prozessgas - vorzugsweise ein inertes Schutzgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon - wird vorzugsweise schleppend - also von hinten - auf das Schmelzbad oder mit einer Lineardüse auf die erstarrende Schweißnaht gerichtet.
Bei gleichzeitiger Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff und Prozessgas ist durch die gegenüberliegende Anordnung der jeweiligen Düsen die Bauteilzugänglichkeit erheblich eingeschränkt und die Schweißprozesszone ist für Sensoren insbesondere zur Lagedetektion des Fügestoßes (bzw. der Schweißfuge) im Vorlauf zur Schmelzzone nicht oder nur schwer einsehbar.
In der CN 2905302Y wird eine Kombidüse für die stechende Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff und Prozessgas beschrieben. Nachteilig hierbei ist der starre Aufbau der Düse. Unabhängig von der Schweißaufgabe wird für jede Medienzufuhr die komplette Düse benötigt - auch dann also, wenn beispielsweise nur eine Zufuhr von Prozessgas zur Abschirmung des Schmelzbads benötigt wird, jedoch kein Schweißzusatzwerkstoff und auch keine lineare Prozessgaszufuhr zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht. Für viele Schweißaufgaben hat diese Kombidüse daher einen unnötig negativen Einfluss auf die Dynamik und die Konturfreiheit des Schweißprozesses.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unabhängig von der Schweißaufgabe die Präzision beim Laserschweißen und damit die Qualität von Schweißverbindungen zu verbessern. Gleichzeitig soll die Dynamik und/oder die Zugänglichkeit beim Laserstrahlschweißen mit Medienzufuhr in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe verbessert werden.
Die Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Laserschweißvorrichtung zum Verschweißen zweier Fügepartner entlang einer Schweißfuge bereitgestellt. Die Fügepartner können vorzugsweise metallische Fügepartner sein. Die Laserschweißvorrichtung umfasst eine optische Überwachungseinheit, die auf einen Beobachtungsbereich um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren. Die Formulierung „um die Schweißfuge" ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass die Schweißfuge wenigstens teilweise durch den Beobachtungsbereich verläuft und durch das Sichtfeld der Überwachungseinheit erfasst wird. Durch die Kenntnis des genauen Verlaufs der Schweißfuge kann der Schweißprozess besonders exakt durchgeführt werden.
Die Laserschweißvorrichtung umfasst ferner einen Laserschweißkopf der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl mittels einer Schweißoptik auf Basis des detektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner zu richten. Vorzugsweise wird der Laserstrahl auf beide zu verschweißenden Fügepartner gerichtet. Durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl werden die Fügepartner lokal aufgeschmolzen und erstarren nach Überfahrt des Laserstrahls unter Ausbildung einer gemeinsamen Schweißnaht. In der Regel kann ein Verlauf der Schweißbahn für eine durchzuführende Schweißaufgabe vorprogrammiert sein. Der reale Verlauf der Schweißfuge kann jedoch in der Praxis von dem vorprogrammierten Verlauf abweichen. Bei Abweichungen des tatsächlichen Verlaufs der Schweißfuge von dem vorprogrammierten Verlauf kann durch eine Detektion der Schweißfuge (mittels der Überwachungseinheit) im unmittelbaren Vorlauf zum Laserstrahl die Vorschubrichtung korrigiert werden. Auf diese Weise kann die Präzision beim Schweißen und damit die Qualität des Schweißergebnisses erhöht werden. Zur Detektion des realen Verlaufs der Schweißfuge kann die Überwachungseinheit vorzugsweise an dem Laserschweißkopf angeordnet sein und mit diesem mitgeführt werden. Es ist auch möglich, dass die Überwachungseinheit wenigstens teilweise in den Laserschweißkopf integriert ist, wobei ein Überwachungslaserstrahl der Überwachungseinheit koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Schweißzone gerichtet wird. Ein Durchmesser des Überwachungslaserstrahls ist in der Regel größer als der Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls. Auf diese Weise kann auch bei koaxialer Ausrichtung zum Bearbeitungslaserstrahl die Schweißfuge im Vorlauf zum Laserstrahl detektiert werden. Die Überwachungseinrichtung kann zusätzlich oder alternativ auch eine Kamera umfassen, die entsprechend in einem Winkel oder koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Schweißzone ausrichtbar ist. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise auf Basis eines OCT-Systems ausgeführt sein (OCT= Optische Kohärenz-Topographie). Geeignete Prozess- Überwachungstechnologien werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung „SeamLine" oder „OCT-Nachtlageregelung und -Überwachung" beworben.
Die Laserschweißvorrichtung umfasst außerdem eine Zuführeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas (bzw. Schutzgas) bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind. Mit anderen Worten kann der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas dem Schweißprozess stechend zugeführt werden.
Der Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schweißprozess in eine Wechselwirkungszone zwischen dem Laserstrahl und dem wenigstens einen Fügepartner zugefügt. Durch die Wechselwirkung des Laserstrahls mit den Fügepartnern bildet sich in der Wechselwirkungszone, die auch als Bearbeitungsbereich bezeichnet werden kann, ein Schmelzbad aus. Der Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schmelzbad zugeführt und bildet im Schweißprozess gemeinsam mit den Fügepartnern die entstehende Schweißnaht.
Der Schweißzusatzwerkstoff kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung vorzugsweise in Form eines Drahtes oder in Pulverform zuführbar sein. Ein pulverförmiger Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schweißprozess in der Regel unter Druckeinwirkung gemeinsam mit einem inerten Gas zugeführt.
Das Prozessgas kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung koaxial zum Schweißzusatzwerkstoff und/oder über einen dem Laserstrahl im Schweißprozess nachlaufenden länglichen Bereich zuführbar sein. Bei einer Zuführung von pulverförmigem Schweißzusatzwerkstoff kann eine separate Zuführung des Prozessgases zur Abschirmung des Schmelzbads erlässlich sein, da das Trägergas des Pulverstroms die Wirkung des Prozessgases im Wesentlichen ersetzt. Der längliche Bereich der linearen Prozessgaszufuhr ist so eingerichtet, dass damit die hinter dem Schmelzbad erstarrende Schmelze, welche die Schweißnaht bildet, von der Umgebung abgeschirmt wird - insbesondere um Oxidation durch Reaktionen mit Luftsauerstoff zu vermeiden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Beobachtungsbereich der Überwachungseinheit in einer Oberflächenebene der Fügepartner in einer ersten Richtung zum Laserstrahl versetzt ist. Ferner kann die Zuführeinrichtung an einer der ersten Richtung abgewandten Seite des Laserschweißkopfes angeordnet sein. Alternativ kann ein Überwachungsstrahl (zum Beispiel ein Überwachungslaserstrahl) auch konzentrisch zum Bearbeitungslaserstrahl angeordnet sein, wobei der Beobachtungsbereich größer sein kann als eine Projektion des Laserstrahls auf der Oberflächenebene der Fügepartner. Der Überwachungsstrahl kann beispielsweise auch in einer Pendelbewegung quer zur Vorschubrichtung vorlaufend zum Laserbearbeitungsstrahl hin- und her über das Werkstück (also über die Fügepartner) bewegt werden. Wichtig ist, dass durch die Überwachungseinheit die Schweißfuge im unmittelbaren Vorlauf zum Laserstrahl erfasst wird, um eine exakte Vorschubrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl vorzugeben. Durch die Anordnung der Zuführeinrichtung nachlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl kann eine freie Einsehbarkeit in Vorschubrichtung des Bearbeitungslaserstrahls durch die Überwachungseinrichtung gewährleistet werden.
Die Zuführeinrichtung und/oder die Überwachungseinrichtung kann oder können auch über ein gemeinsames oder ein jeweils separates Drehmodul drehbar am Laserschweißkopf angeordnet sein. So kann ein nicht konzentrisch zum Bearbeitungslaserstrahl geführter Überwachungslaserstrahl und/oder die Zuführeinrichtung unabhängig von der Orientierung des Laserschweißkopfes, und insbesondere der Schweißkontur folgend, ausgerichtet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Zuführeinrichtung zum selektiven Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu einem Schweißprozess bereitgestellt. Die Zuführeinrichtung ist zur Verwendung in einer Laserschweißvorrichtung nach einer der oben beschriebenen Varianten geeignet. Die Zuführeinrichtung umfasst ein Befestigungselement, das dazu ausgebildet ist, die Zuführeinrichtung an dem Laserschweißkopf einer Laserschweißvorrichtung zu befestigen. Das Befestigungselement kann ein durch eine Maschinensteuerung oder separat ansteuerbares Drehmodul umfassen, mit dem das Befestigungselement um eine Längsachse des Laserschweißkopfes rotierbar ist. Die Längsachse des Laserschweißkopfes kann im Wesentlichen zentral durch eine Fokussieroptik des Laserschweißkopfes verlaufen.
Die Zuführeinrichtung umfasst ferner ein längliches Trägerelement, das in dem Befestigungselement gelagert ist und in dessen Innern ein Medienkanal ausgebildet ist, der sich entlang einer Trägerlängsachse des Trägerelements erstreckt. Vorzugsweise kann das Trägerelement hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Das Trägerelement kann verkippbar in dem Befestigungselement gelagert sein. Dazu kann das Befestigungselement insbesondere eine kugelförmige oder halbkugelförmige Ausstülpung an wenigstens einer Position seines Außenumfangs aufweisen, die in einer zu der Ausstülpung formkomplementären Ausnehmung des Befestigungselements lagerbar ist. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass eine Längsachse des Trägerelements spitzwinklig zu einer Austrittsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls anordenbar ist. Zur kontrollierten Verkippung des Trägerelements kann das Befestigungselement beispielsweise eine Schraube (z.B. eine Schneckenschraube) und ein Federelement aufweisen, die das Trägerelement von zwei Seiten in dem Befestigungselement fixieren.
Durch Ändern der Drehstellung der Schraube kann das Trägerelement gegen das Federelement gedrückt werden. Auf diese Weise kann der Ausrichtungswinkel bzw. die Kippstellung des Trägerelements in dem Befestigungselement geändert werden.
Die Zuführeinrichtung umfasst ferner ein längliches Basiselement, das in dem Medienkanal des Trägerelements aufnehmbar ist und in dessen Innern ein Zuführkanal für den Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet ist. Der Zuführkanal ist für die Führung und Zufuhr eines Schweißzusatzwerkstoffes zu einem Schmelzbad während eines Laserschweißprozesses ausgebildet. Vorzugsweise kann das Basiselement hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Zuführkanal für die Zuführung eines drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffes ausgebildet sein. Alternativ kann der Zuführkanal auch für die Zuführung eines pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoffes ausgebildet sein.
Insbesondere ist das Basiselement in dem Medienkanal des Trägerelements unter Ausbildung eines ringförmigen Spalts lagerbar. Der Spalt kann insbesondere als Durchgangleitung für ein Prozessgas zur koaxialen Prozessgaszufuhr dienen.
Die Zuführeinrichtung kann ferner ein erstes Gaszuführelement umfassen, das die Form einer hohlzylinderförmigen Hülse aufweist, die über das Basiselement stülpbar und am Außenumfang des Basiselements und/oder des Trägerelements befestigbar ist. Die Befestigung ist vorzugsweise reversibel. Je nach Schweißaufgabe für die die Zuführeinrichtung zum Einsatz kommen soll kann das erste Zuführelement selektiv an der Zuführeinrichtung angebracht werden. Für Schweißaufgaben in denen keine koaxiale Prozessgaszufuhr zur Abdeckung des Schmelzbads benötigt wird, kann das erste Gaszuführelement entfallen, was sich positiv auf das Gewicht und die Abmaße der Zuführeinrichtung und somit direkt positiv auf die Dynamik und/oder die Zugänglichkeit der Laserschweißvorrichtung auswirken kann. Beispielsweise kann das Basiselement oder das Trägerelement ein Außengewinde aufweisen und das erste Gaszuführelement kann ein Innengewinde aufweisen, das zum Eingriff in das entsprechende Außengewinde ausgebildet ist. Alternativ kann beispielsweise ein Steckverschluss zur lösbaren Befestigung des ersten Gaszuführelements an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement vorgesehen sein.
Die Zuführeinrichtung kann ferner ein zweites Gaszuführelement umfassen. Das zweite Gaszuführelement ist an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement befestigbar. An der Unterseite des zweiten Gaszuführelements ist eine längliche Austrittsöffnung ausgebildet. Die Bezeichnung „Unterseite" bezieht sich hierbei auf eine Richtungsangabe im Betrieb des zweiten Gaszuführelements, z.B. während eines Schweißprozesses. Das zweite Gaszuführelement weist ferner wenigstens zwei Gaskanäle auf, die spitzwinklig in der Austrittsöffnung münden. Die Austrittsöffnung kann vorzugsweise seitlich durch eine Umhausung begrenzt sein. Die Umhausung kann lösbar an einem Grundkörper des zweiten Gaszuführelements befestigbar sein. In dem Grundkörper können die wenigstens zwei schrägen Gaskanäle, sowie weitere mögliche Verbindungskanäle für die Prozessgaszufuhr, insbesondere eingefräst oder gebohrt sein. Der Grundkörper kann vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die seitliche Umhausung der Austrittsöffnung kann vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften bestehen. In einer Seitenansicht kann das zweite Gaszuführelement näherungsweise die Form eines Parallelogramms oder einer Raute aufweisen. Die Form hat sich für eine stechende Medienzufuhr zum Schweißprozess als vorteilhaft erwiesen.
Das zweite Gaszuführelement kann eine Ausnehmung zur Aufnahme des ersten Gaszuführelements aufweisen. Das erste Gaszuführelement kann in diesem Fall reversibel in dem zweiten Gaszuführelement befestigbar sein. Auf diese Weise kann das zweite Gaszuführelement mittels des ersten Gaszuführelements an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement befestigbar sein. Die Integration des ersten Gaszuführelements in das zweite Gaszuführelement erlaubt ferner die gleichzeitige Gaszufuhr zum Schmelzbad und zur erstarrenden Schweißnaht im unmittelbaren Nachlauf zum Schmelzbad.
Vorzugsweise kann für das erste Gaszuführelement ein erster Gaskanal ausgebildet sein, der sich von einem ersten Gasanschluss über den Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement erstreckt und der in einer ringförmigen Austrittsöffnung mündet, die durch einen Ringspalt zwischen dem ersten Gaszuführelement und dem Basiselement gebildet ist. Der Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement kann sowohl ringförmige als auch einen oder mehrere kanalförmige Abschnitte umfassen. Zur Ausbildung der ringförmigen Austrittsöffnung weist das Basiselement an seinem austrittsseitigen Ende einen konisch zulaufenden Außenumfang auf. Das erste Gaszuführelement weist an seinem austrittsseitigen Ende einen konisch zulaufenden Innendurchmesser auf. Im zusammengebauten Zustand ragt das Ende des Basiselements über das Ende des ersten Gaszuführelements hinaus, wobei sich die jeweiligen konischen Bereiche in axialer Richtung wenigstens teilweise überschneiden. Auf diese Weise wird ein Ringspalt ausgebildet, der ein Prozessgas entlang des Außenumfangs des Basiselements während eines Schweißprozesses fokussiert auf das Schmelzbad richtet.
Das zweite Gaszuführelement kann einen separaten, zweiten Gasanschluss aufweisen. Mit anderen Worten ist der Gasanschluss des zweiten Gaszuführelements unabhängig von dem Gasanschluss des ersten Gaszuführelements. Auf diese Weise ist die koaxiale und die linienförmige Gaszufuhr unabhängig voneinander ansteuerbar, was die Flexibilität beim Schweißen erhöht und gegebenenfalls den Prozessgasverbrauch reduziert.
Das Basiselement und/oder das erste Gaszuführelement und/oder zumindest eine die längliche Austrittöffnung umgebende Umhausung des zweiten Gaszuführelements (an der Unterseite bzw. im unteren Bereich des zweiten Gaszuführelements) können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Alternativ können die betreffenden Elemente auch aus einem anderen Material mit besonders guten Wärmeleitungseigenschaften bestehen. Die betreffenden Elemente befinden sich im Schweißprozess besonders nah an der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück und sind somit hohen Temperaturen ausgesetzt. Durch die guten Wärmeleitungseigenschaften von Kupfer, wird die Wärme in die jeweils nächstliegenden Komponenten der Zuführeinheit abgeleitet, die beispielsweise aus Aluminium bestehen können und die vorzugsweise aktiv gekühlt sein können (z.B. durch Anordnung von Kühlkanälen in den entsprechenden Bereichen und Anschluss an ein Kühlsystem). Durch den modularen Aufbau der Zuführeinheit können die besonders stark hitzebeanspruchten Elemente separat ausgetauscht werden, was insgesamt die Wirtschaftlichkeit des Zuführelements erhöht.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner entlang einer Schweißfuge bereitgestellt, das mittels einer Laserschweißvorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten durchführbar ist. Das Verfahren umfasst ein Detektieren eines Verlaufs der Schweißfuge mittels der optischen Überwachungseinrichtung. Dabei wird der Verlauf der Schweißfuge im Vorlauf zum Bearbeitungslaserstrahl erfasst. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufschmelzen der Fügepartner mittels des Bearbeitungslaserstrahls in einer vorgebbaren Vorschubrichtung entlang der Schweißfuge. Der von der Überwachungseinrichtung detektierte Verlauf der Schweißfuge kann mit einer im Voraus durch ein Schweißprogramm vorgegebenen Schweißkontur verglichen werden. Im Fall von Abweichungen zwischen dem detektierten Verlauf und der vorgegebenen Schweißkontur kann die Vorschubrichtung des Bearbeitungslaserstrahls entsprechend angepasst werden.
Das Verfahren umfasst ein selektives Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu dem Schweißprozess aus einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung. Mit anderen Worten wird der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas dem Schweißprozess stechend zugeführt. Die Medienzufuhr erfolgt dabei in einer beliebig wählbaren exklusiven oder kombinierten Auswahl aus Folgendem:
• Der Schweißzusatzwerkstoff wird einem durch den Laserstrahl erzeugen Schmelzbad zugeführt;
• Das Prozessgas wird (in einem gerichteten Strahl) auf das Schmelzbad zur Abschirmung des Schmelzbads gerichtet;
• Das Prozessgas wird auf einen dem Schmelzbad nachlaufenden länglichen Bereich zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht gerichtet.
Durch diese selektive Medienzufuhr kann der Schweißprozess individuell und effizient an eine Schweißaufgabe angepasst werden.
Vorzugsweise kann ein Überwachungslaserstrahl der optischen Überwachungseinrichtung zumindest teilweise mittels der Schweißoptik koaxial zu dem Bearbeitungslaserstrahl auf die Oberfläche der Fügepartner gerichtet werden, wobei in der Oberflächenebene der Fügepartner ein Durchmesser des Überwachungslaserstrahls größer ist als ein Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Schweißfuge im Vorlauf zum Schmelzbad durch den Überwachungslaserstrahl erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Überwachungslaserstrahl in Vorschubrichtung vorlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Oberflächenebene der Fügepartner gerichtet werden. Der Überwachungslaserstrahl kann auf diese Weise vollkommen unabhängig von dem Bearbeitungslaserstrahl geführt und zur Detektion der Schweißfuge auf die Oberfläche der Fügepartner gerichtet werden.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 Schematisch eine erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung;
Fig. 2 Ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Verschweißen zweier Fügepartner mittels einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung;
Fign. 3a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer ersten Variante;
Fign. 4a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer zweiten Variante; und
Fign. 5a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer dritten Variante.
Im Folgenden wird anhand der Figur 1 eine erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung 10 zum Verschweißen zweier Fügepartner 50 entlang einer Schweißfuge näher beschrieben. Die Laserschweißvorrichtung 10 umfasst eine optische Überwachungseinheit 12, die auf einen Beobachtungsbereich X um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren. In Figur 1 verläuft die Schweißfuge entlang der Bildebene. Die Laserschweißvorrichtung umfasst weiter einen Laserschweißkopf 14 der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl B mittels einer Schweißoptik auf Basis des detektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner 50 zu richten. Da die Figur 1 eine Seitenansicht der Laserschweißvorrichtung 10 entlang einer Schweißrichtung bzw. Vorschubrichtung D zeigt, ist nur einer der Fügepartner 50 zu sehen. Es sei auch angemerkt, dass die Überwachungseinheit 12 für verschiedene Stoßarten eingesetzt werden kann. Ein klassisches Einsatzgebiet ist das Verschweißen zweier plattenförmiger, metallischer (z.B. aus Stahl oder Aluminium oder Kupfer) Fügepartner im Stumpfstoß, im Überlappstoß oder im T-Stoß. Die Laserschweißvorrichtung 10 umfasst ferner eine Zuführeinrichtung 20, die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas (in den Figuren nicht dargestellt) bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf 14 angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl B nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind.
Der Schweißzusatzwerkstoff kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung 20 in Form eines Drahtes oder in Pulverform zuführbar sein. Ferner kann das Prozessgas dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung 20 koaxial zum Schweißzusatzwerkstoff und/oder über einen dem Laserstrahl B im Schweißprozess nachlaufenden länglichen Bereich zuführbar sein.
Der Beobachtungsbereich X auf den ein Beobachtungslaserstrahl 122 der Überwachungseinrichtung 12 ausgerichtet ist, ist gemäß der Darstellung in Figur 1 in einer Oberflächenebene der Fügepartner 50 in einer ersten Richtung (welche im Fall der Figur 1 der Vorschubrichtung D entspricht) zum Laserstrahl B versetzt. Die Zuführeinrichtung 20 ist dagegen bezüglich des dargestellten Laserschweißprozesses schleppend, also dem Vorschub des Laserschweißkopfes 14 nachlaufend am Laserschweißkopf 14 angeordnet.
Im Zusammenhang mit der Figur 2 wird im Folgenden ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner 50 mittels der Laserschweißvorrichtung 10 beschrieben. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt 102 ein Detektieren eines Verlaufs der Schweißfuge mittels der optischen Überwachungseinrichtung 12. Dazu wird der Überwachungslaserstrahl 122 in Vorschubrichtung D vorlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl B auf die Oberflächenebene der Fügepartner 50 gerichtet.
In einem zweiten Schritt 104 umfasst das Verfahren ein Aufschmelzen der Fügepartner 50 mittels des Bearbeitungslaserstrahls B in der Vorschubrichtung D entlang der Schweißfuge. In einem dritten Schritt 106 umfasst das Verfahren ein selektives Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases dem Schweißprozess aus einer der Vorschubrichtung D entgegengesetzten Richtung. Dabei kann, je nach Schweißaufgabe, ein Schweißzusatzwerkstoff einem durch den Laserstrahl B erzeugen Schmelzbad 52 zugeführt werden, und/oder das Prozessgas auf das Schmelzbad 52 zur Abschirmung des Schmelzbads 52 gerichtet werden, und/oder das Prozessgas auf einen dem Schmelzbad 52 nachlaufenden länglichen Bereich zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht 54 gerichtet werden.
Im Zusammenhang mit den Figuren 3a bis 5b werden im Folgenden erfindungsgemäße Zuführeinrichtung 20 zum selektiven Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu einem Schweißprozess gemäß verschiedenen Varianten beschrieben. Jede der Zuführeinrichtungen 20 umfasst ein Befestigungselement 22, das dazu ausgebildet ist, die Zuführeinrichtung 20 an dem Laserschweißkopf 14 einer Laserschweißvorrichtung 10 zu befestigen. Ferner umfasst jede Zuführeinrichtung 20 ein längliches Trägerelement 24, das in dem Befestigungselement 22 gelagert ist und in dessen Innern ein Medienkanal ausgebildet ist, der sich entlang einer Trägerlängsachse des Trägerelements 24 erstreckt. Außerdem umfasst jede Zuführeinrichtung 20 ein längliches Basiselement 26, das in dem Medienkanal des Trägerelements 24 aufnehmbar ist und in dessen Innern ein Zuführkanal 262 für den Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet ist. Eine Zufuhr für den Schweißzusatzwerkstoff in den Zuführkanal 262 ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen „W" und einem entsprechenden Pfeil angedeutet. Die Zuführeinrichtung 20 gemäß den Figuren 3a und 3b ist in der dargestellten Form zur alleinigen Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff eingerichtet, das heißt ohne zusätzliche Prozessgaszufuhr.
Die Zuführeinrichtung 20 kann - wie in der Variante gemäß Figur 4a und 4b dargestellt - zusätzlich ein erstes Gaszuführelement 28 aufweisen, das die Form einer hohlzylinderförmigen Hülse aufweist, die über das Basiselement 26 stülpbar und am Außenumfang des Basiselements 26 und/oder des Trägerelements 24 befestigbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung 20 ein zweites Gaszuführelement 29 aufweisen. Diese Variante ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Das zweite Gaszuführelement 29 ist an dem Basiselement 26 und/oder dem Trägerelement 24 befestigbar. Ferner ist an der Unterseite des zweiten Gaszuführelements 29 eine längliche Austrittsöffnung 292 für ein Prozessgas ausgebildet, welches über wenigstens zwei Gaskanäle 294 unter einem spitzen Winkel über die Austrittsöffnung 292 auf eine Schweißnaht 54 ausrichtbar ist.
Zwischen dem Basiselement 26 und dem Trägerelement 24 ist ein erster Gaskanal 25 für das erste Gaszuführelement 28 ausgebildet, der sich von einem ersten Gasanschluss Gl über einen Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement erstreckt und der in einer ringförmigen Austrittsöffnung mündet, die durch einen Ringspalt zwischen dem ersten Gaszuführelement 28 und dem Basiselement 26 gebildet ist. Das zweite Gaszuführelement 29 weist einen separaten, zweiten Gasanschluss G2 auf.
Das Basiselement 26 und/oder das erste Gaszuführelement 28 und/oder zumindest eine die längliche Austrittöffnung 292 umgebende Umhausung 296 des zweiten Gaszuführelements 29 können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.

Claims

Patentansprüche
1. Laserschweißvorrichtung (10) zum Verschweißen zweier Fügepartner (50) entlang einer Schweißfuge, die Laserschweißvorrichtung (10) umfassend:
Eine optische Überwachungseinheit (12), die auf einen Beobachtungsbereich (X) um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren;
Einen Laserschweißkopf (14) der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl (B) mittels einer Schweißoptik auf Basis des delektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner (50) zu richten; und
Eine Zuführeinrichtung (20), die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf (14) angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl (B) nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind.
2. Laserschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Schweißzusatzwerkstoff dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung (20) in Form eines Drahtes oder in Pulverform zuführbar ist.
3. Laserschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Prozessgas dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung (20) koaxial zum Schweißzusatzwerkstoff und/oder über einen dem Laserstrahl (B) im Schweißprozess nachlaufenden länglichen Bereich zuführbar ist.
4. Laserschweißvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachtungsbereich in einer Oberflächenebene der Fügepartner
(50) in einer ersten Richtung zum Laserstrahl (B) versetzt ist; und wobei die Zuführeinrichtung (20) an einer der ersten Richtung abgewandten Seite des Laserschweißkopfes (14) angeordnet ist.
5. Zuführeinrichtung (20) zum selektiven Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu einem Schweißprozess und zur Verwendung in einer Laserschweißvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; die Zuführeinrichtung (20) umfassend:
Ein Befestigungselement (22), das dazu ausgebildet ist, die Zuführeinrichtung (20) an dem Laserschweißkopf (14) einer Laserschweißvorrichtung (10) zu befestigen;
Ein längliches Trägerelement (24), das in dem Befestigungselement (22) gelagert ist und in dessen Innern ein Medienkanal ausgebildet ist, der sich entlang einer Trägerlängsachse des Trägerelements (24) erstreckt; und
Ein längliches Basiselement (26), das in dem Medienkanal des Trägerelements (24) aufnehmbar ist und in dessen Innern ein Zuführkanal (262) für den Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet ist.
6. Zuführeinrichtung (20) nach Anspruch 5, ferner umfassend:
Ein erstes Gaszuführelement (28), das die Form einer hohlzylinderförmigen Hülse aufweist, die über das Basiselement (26) stülpbar und am Außenumfang des Basiselements (26) und/oder des Trägerelements (24) befestigbar ist.
7. Zuführeinrichtung (20) nach Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend:
Ein zweites Gaszuführelement (29), das an dem Basiselement (26) und/oder dem Trägerelement (24) befestigbar ist, an dessen Unterseite eine längliche Austrittsöffnung (292) ausgebildet ist, und das wenigstens zwei Gaskanäle (294) aufweist, die spitzwinklig in der Austrittsöffnung (292) münden.
8. Zuführeinrichtung (20) nach Anspruch 7,
Wobei das zweite Gaszuführelement (29) eine Ausnehmung zur Aufnahme des ersten Gaszuführelements (28) aufweist und wobei das zweite Gaszuführelement (29) mittels des ersten Gaszuführelements (28) an dem Basiselement (26) und/oder dem Trägerelement (24) befestigbar ist.
9. Zuführeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, Wobei ein erster Gaskanal (25) für das erste Gaszuführelement (28) ausgebildet ist, der sich von einem ersten Gasanschluss (Gl) über einen Spalt zwischen dem Trägerelement (24) und dem Basiselement (26) erstreckt und der in einer ringförmigen Austrittsöffnung mündet, die durch einen Ringspalt zwischen dem ersten Gaszuführelement (28) und dem Basiselement (26) gebildet ist.
10. Zuführeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das zweite Gaszuführelement (29) einen separaten, zweiten
Gasanschluss (G2) aufweist.
11. Zuführeinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das Basiselement (26) und/oder das erste Gaszuführelement (28) und/oder zumindest eine die längliche Austrittöffnung umgebende Umhausung (296) des zweiten Gaszuführelements (29) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.
12. Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner (50) entlang einer Schweißfuge mittels einer Laserschweißvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das Verfahren umfassend die Schritte:
Detektieren (102) eines Verlaufs der Schweißfuge mittels der optischen Überwachungseinrichtung (12);
Aufschmelzen (104) der Fügepartner mittels des Bearbeitungslaserstrahls (B) in einer vorgebbaren Vorschubrichtung (D) entlang der Schweißfuge;
Selektives Zuführen (106) eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases dem Schweißprozess aus einer der Vorschubrichtung (D) entgegengesetzten Richtung;
Wobei der Schweißzusatzwerkstoff einem durch den
Laserbearbeitungsstrahl (B) erzeugen Schmelzbad (52) zugeführt wird; und/oder
Wobei das Prozessgas auf das Schmelzbad (52) zur Abschirmung des Schmelzbads (52) gerichtet wird; und/oder Wobei das Prozessgas auf einen dem Schmelzbad (52) nachlaufenden länglichen Bereich zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht (54) gerichtet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Überwachungslaserstrahl der optischen Überwachungseinrichtung (12) zumindest teilweise mittels der Schweißoptik koaxial zu dem Bearbeitungslaserstrahl (B) auf die Oberfläche der Fügepartner (50) gerichtet wird, wobei in der Oberflächenebene der Fügepartner (50) ein Durchmesser des Überwachungslaserstrahls größer ist als ein Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls (B).
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Überwachungslaserstrahl (122) in Vorschubrichtung vorlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl (B) auf die Oberflächenebene der Fügepartner (50) gerichtet wird.
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