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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Laserstrahlschweißvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Laserstrahlschweißverfahren gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Beim
Laserstrahlschweißen wird der Laserstrahl in der Fügezone
(Schweißzone) zweier oder mehrerer zu verschweißender
Werkstücke fokussiert. Die Absorption des Laserstrahls
führt zum Aufheizen und Aufschmelzen und oftmals zum teilweisen
Verdampfen des Materials. Aus der beim Fügen mehrer Werkstücke
erfolgenden Durchmischung der Schmelze und der anschließenden
Wiedererstarrung des Materials entsteht die Schweißverbindung. Durch
die lokale Wärmedehnung, gegebenenfalls eine Gefügeumwandlung
und die Erstarrung des Materials tritt unerwünschter Verzug
auf, der an dem aus den Werkstücken bestehenden Bauteil
zu Form- und Maßänderungen und somit zu Funktionsbeeinträchtigungen
und im ungünstigsten Fall zum Ausfall des Bauteils führen
kann. Insbesondere beim Schweißen von ungleichartigen Materialien,
d. h. verschiedenen Werkstoffen können aufgrund von unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten
während der Schweißung Risse entstehen.
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Bei
dem herkömmlichen Schweißen von Umfangsnähten
tritt aufgrund einer unvermeidbaren Überlappungszone, die
zweimal von dem Laserstrahl überfahren wird, eine ungleichmäßige
und asymmetrische Erwärmung der Fügezone auf.
Diese Asymmetrie führt zu einer Abweichung im Plan- und Rundlauf
des Bauteils, was insbesondere beim Laserschweißen von
Ventilsitzen kritisch sein und die Dichtfunktion des Ventils beeinträchtigen
kann.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile existieren bereits verschiedene Verfahrensstrategien.
Ein Ansatz zur Verringerung des Bauteilverzugs ist das homogene
Einbringen von Energie, d. h. eine gleichmäßige
symmetrische Erwärmung der Fügezone, wie dies
beispielsweise aus der
DE
100 20 327 A1 bekannt ist.
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Beim
quasi-kontinuierlichen Kunststoffschweißen ist es bekannt,
den Laserstrahl mittels eines Scanners auszulenken und entlang einer
vorgegebenen Bahn in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück
bzw. einer Fügezone zwischen zwei Werkstücken
zu bewegen. Bei einer ausreichend hohen Bewegungsgeschwindigkeit
des Laserstrahls wird das Material im Fügebereich aufgeschmolzen
und im schmelzflüssigen Zustand mehrmals überfahren,
bevor die Erstarrung eintritt. Dies hat zur Folge, dass während
einer bestimmten Zeitspanne ein gleichmäßig aufgeschmolzener
Fügebereich entsteht, der im Anschluss gleichmäßig
erstarrt.
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Zum
Verschweißen metallischer Werkstücke ist das beschriebene
Verfahren nicht praktikabel. Eine gleichmäßig
aufgeschmolzene Fügezone ist mittels eines Laserscanners
insbesondere dann nicht realisierbar, wenn zwei Werkstücke
mit großen Durchmessern miteinander verschweißt
werden sollen, also die von dem Laserstrahl abzufahrende Bahn vergleichsweise
lang ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlschweißvorrichtung
vorzuschlagen, die zum Verschweißen zweier metallischer
Werkstücke geeignet ist. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein
entsprechend verbessertes Laserstrahlschweißverfahren vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Laserstrahlschweißvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Laserstrahlschweißverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen
sollen auch rein vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten
und verfahrensgemäß beanspruchbar sein. Ebenso
sollen rein verfahrensmäßig offenbarte Merkmale
als vorrichtungsgemäß offenbart und vorrichtungsgemäß beanspruchbar
sein.
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Die
Erfindung hat erkannt, dass die Schwellgeschwindigkeit, ab der eine
gleichmäßig aufgeschmolzene Fügezone
entsteht, von der Bauteilgeometrie, der Schmelztemperatur und der
Wärmeleitfähigkeit des zu fügenden Materials
bzw. der zu fügenden Materialien abhängig ist.
Ferner hat die Erfindung erkannt, dass in Folge dessen je nach Material ein
mehr oder weniger großer Abfluss der Energie bzw. Wärme
in das Material resultiert und in der Fügezone Abkühlung
und Erstarrung einsetzen. Zudem hat die Erfindung erkannt, dass
zum Erzeugen, bzw. zum Erhalten des aufgeschmolzenen Zustandes der eingebrachte
Energiestrom mindestens genau so groß sein muss wie der
abfließende Energiestrom. Bisher war das Verfahren unter
Verwendung eines Laserscanners für metallische Werkstoffe
nicht praktikabel, da durch den höheren Wärmleitkoeffizient von
Metall und den damit verbundenen höheren Energieverlust
durch den Abfluss der Wärme in das Bauteil erheblich schnellere
Geschwindigkeiten des Laserstrahls bzw. des Fokuspunktes erforderlich sind,
als dies mit einem herkömmlichen Laserscanner erreichbar
ist. Diese Überlegungen führen zu der erfindungsgemäßen
Laserstrahlschweißvorrichtung und dem erfindungsgemäßen
Laserstrahlschweißverfahren, deren Grundgedanke es ist,
nicht nur den Fokus des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Bahn
in einer ersten Bewegungsrichtung auf einem Werkstück,
bzw. in der Fügezone mindestens zweier Werkstücke
zu bewegen, sondern zusätzlich das Werkstück bzw.
die Werkstücke in einer zweiten Bewegungsrichtung anzutreiben,
derart, dass sich eine erhöhte Relativgeschwindigkeit zwischen
dem Fokus des Laserstrahls und dem bzw. den zu fügenden Werkstücken
ergibt. Das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren
sieht hierzu Antriebsmittel zum Antreiben des Werkstücks
bzw. der Werkstücke in der zweiten Bewegungsrichtung vor.
Vorzugsweise sind die Antriebsmittel derart ausgebildet und angeordnet,
dass sie das mindestens eine Werkstück zusammen mit einer
entsprechenden Fixiereinrichtung zum Halten, d. h. Fixieren des
mindestens einen Werkstücks antreiben. Durch die erhöhte
Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fokus des Laserstrahls und dem
Werkstück bzw. dem Fügebereich kann eine gleichmäßige
Erwärmung entlang des gesamten Fügebereichs und
somit ein gleichmäßiges Aufschmelzen des mindestens
einen Werkstücks realisiert werden. Insbesondere eignet
sich die erfindungsgemäße Laserstrahlschweißvorrichtung
sowie das erfindungsgemäße Laserstrahlschweißverfahren zum
Verschweißen metallischer Werkstücke, insbesondere
aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen.
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Da
die Schweißnaht durch mehrmaliges Überfahren erzeugt
wird und die Einkopplung der Energie bei erwärmten bzw.
aufgeschmolzenen Material verbessert wird, können zum Erreichen
einer bestimmten Einschweißtiefe auch Laserstrahl quellen mit
einer niedrigeren Leistungsabgabe eingesetzt werden, als beim Schweißen
von Werkstücken mit nur einmaligem Überfahren.
Beispielsweise ist der Einsatz von CW-Lasern mit mittleren Spitzenleistungen
möglich.
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Besonders
gute Ergebnisse wurden bei verzugskritischen Werkstücken
mit einem Durchmesser von weniger als 12 mm erzielt, wobei durch
Erhöhen der Relativgeschwindigkeit, insbesondere durch
Erhöhen der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahlfokus
auch Werkstücke mit einem größeren Durchmesser
miteinander verschweißbar sind.
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Besonders
hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Fokus des Laserstrahls
und dem mindestens einen Werkstück können dadurch
realisiert werden, dass die erste Bewegungsrichtung, mit der der
Laserstrahl entlang der vorgegebenen Bahn im Fügebereich
bewegt wird und die zweite Bewegungsrichtung, in welcher das Werkstück
bzw. die Werkstücke angetrieben ist/sind einander entgegengesetzt
sind, der Fokus des Laserstrahls und das Werkstück also
gegenläufig bewegt werden.
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Die
Laserstrahlschweißvorrichtung bzw. das Laserstrahlschweißverfahren
ist besonders geeignet zum Erzeugen ringförmiger, d. h.
umfangsgeschlossener Schweißnähte, wobei die zu
erzeugenden Schweißnähte beispielsweise auf einer
ebenen Fläche, beispielsweise einer Werkstückstirnseite
oder auch am Umfang mindestens einen Werkstücks erzeugbar
sind. Bevorzugt wird das mindestens eine Werkstück hierzu
mit den Antriebsmitteln rotierend um eine Drehachse angetrieben.
Zusätzlich ist es denkbar, die Drehachse, um die das Werkstück
rotiert entlang einer, insbesondere umlaufenden Bahn zu verstellen,
um den Energieeintrag auch bei komplexen Werkstückgeometrien
gleichmäßig gestalten zu können. Es ist
auch denkbar, dass die Bahn, die von dem Laserstrahl überfahren
wird, wenn das Werkstück rotierend angetrieben ist, nicht
geschlossen ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden,
dass der Laser in einem bestimmten Umfangsabschnitt ausgeschaltet
oder abgelenkt wird. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform,
bei der die Laserstrahlschweißvorrichtung derart ausgebildet
ist, dass eine umfangsgeschlossene, d. h. ringförmige Schweißnaht
erzeugt wird.
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Im
einfachsten Fall ist die Bahn, auf der sich der Fokus des Laserstrahls
bewegt kreisringförmig. Eine kreisringförmige
Bahn eignet sich insbesondere zum Verschweißen rotationssymmetrischer
Werkstücke. Bevorzugt werden in diesem Fall die zu verschweißenden
Werkstücke rotatorisch um eine Drehachse bewegt.
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Insbesondere
bei dem rotatorischen Antreiben des mindestens einen Werkstücks
muss darauf geachtet werden, dass unerwünschte Effekte,
wie Humping oder das Austreiben der Schmelze durch die Fliehkraft
vermieden werden. Versuche haben ergeben, dass die Grenze für
die Rotationsgeschwindigkeit in Bezug auf das Austreiben der Schmelze beim
Verschweißen von Rundstählen mit einem Durchmesser
von 6 mm etwa bei 1200 U/min liegt, was einer Bahngeschwindigkeit
etwa 30 m/min entspricht. Berücksichtigt man die Verfahrgeschwindigkeit
des Laserstrahlfokus in eine entgegengesetzte Richtung mit einer
Geschwindigkeit von etwa 60 m/min kann eine Schweißgeschwindigkeit
(Relativgeschwindigkeit) von etwa 90 m/min realisiert werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bahn, entlang
derer der Laserstrahl bzw. der Laserstrahlfokus im Fügebereich
verfahrbar ist, programmierbar ist. Vorzugsweise wird die Bahn derart
programmiert, dass die Bahn zumindest näherungsweise der
Kontur des Werkstücks – insbesondere unter Berücksichtigung
der Rotationsbewegung der Werkstücke – entspricht.
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Große
Schwierigkeiten bereitet in der Praxis das Erzeugen einer am Umfang
mindestens eines Werkstücks gelegenen Schweißnaht.
Zum Erzeugen einer sich üben den Umfang mindestens eines,
vorzugsweise von zwei aneinander anliegenden Werkstücken
erstreckenden Schweißnaht sind in der Weiterbildung der
Erfindung Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang vorgesehen. Bevorzugt
sind diese Mittel derart ausgebildet, dass sie einen näherungsweise
axialen Laserstrahl in radialer Richtung nach außen oder
nach innen umlenken, je nach dem, ob die Schweißnaht am
Innen- oder Außenumfang des Werkstückes erzeugt
werden soll.
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Besonders
gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Mittel zum Abbilden der
Bahn des Laserstrahlfokus am Umfang des mindestens einen Werkstückes
als Kegelspiegel oder Parabol spiegel ausgebildet sind oder einen
Kegelspiegel und/oder einen Parabolspiegel umfassen, wobei der Kegelspiegel bzw.
der Parabolspiegel, je nachdem, ob die Schweißnaht am Außen-
oder Innenumfang der Werkstücke erzeugt werden soll, bevorzugt
als Innen- oder Außenspiegel ausgebildet ist. Das Vorsehen
eines konischen oder parabolförmigen Spiegels ist vorteilhaft;
es können jedoch auch andere geometrische Spiegelformen
zum Umlenkens des Laserstrahls auf den Umfang des mindestens einen
Werkstückes vorgesehen werden. Zusätzlich oder
alternativ zum Programmieren der Bahn des Laserstrahlfokus durch
eine geeignete Ausbildung des Laserscanners ist es möglich,
die Form der Mittel zum Abbilden der Bahn am Umfang, insbesondere
die Form des Kegelspiegels, an die Kontur des Werkstückes
bzw. der Werkstücke bzw. der zu erzeugenden Schweißnaht
anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer stirnseitigen
Schweißnaht,
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2:
eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am
Außenumfang eines Werkstückes angeordneten Schweißnaht
und
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3:
eine Laserstrahlschweißvorrichtung zum Erzeugen einer am
Innenumfang eines Werkstückes angeordneten Schweißnaht.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Laserstrahlschweißvorrichtung 1 gezeigt.
Die Laserstrahlschweißvorrichtung 1 umfasst einen
Laserscanner 2 mit einer Laserstrahlquelle zum Erzeugen
eines Laserstrahls 3 und zum Verfahren, d. h. Bewegen des
Laserstrahls 3 entlang einer vorgegebenen, in diesem Ausführungsbeispiel stirnseitigen,
kreisringförmigen Bahn zwischen einem ersten Werkstück 4 und
einem stirnseitigen, als Deckel ausgebildeten zweiten Werkstück 10.
Mittels der gezeigten Laserstrahlschweißvorrichtung 1 ist eine
kreisringförmige, in einer stirnseitigen Ebene liegenden
Schweißnaht zwischen dem Werkstück 4, 10 erzeugbar.
Der Laserstrahl 3 bzw. der Fokus 5 des Laserstrahls 3 wird
mit einer Geschwindigkeit von in diesem Ausführungsbeispiel
etwa 60 m/min in einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn bewegt.
Das erste Werkstück 4 ist gemeinsam mit dem zweiten
Werkstück 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 um
eine Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8, die
der ersten Bewegungsrichtung 6 entgegengerichtet ist, im
Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben. Hierdurch ergibt sich eine
Geschwindigkeit der Werkstücke 4, 10 im
Fügebereich 9 von etwa 30 m/min. Insgesamt resultiert
hieraus eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Werkstücken 4, 10 und
dem Fokus 5 des Laserstrahls 3, d. h. eine Schweißgeschwindigkeit
von etwa 90 m/min. Hierdurch werden die Werkstücke 4, 10 im
ringförmigen Fügebereich 9 homogen aufgeschmolzen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Werkstück 4 als
auch das als Deckel ausgebildete zweite Werkstück 10 aus
Stahl ausgeführt.
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In 2 ist
eine alternative Laserstrahlschweißvorrichtung 1 gezeigt.
Diese umfasst einen Laserscanner 2 zum Erzeugen und Verfahren
eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird im
Gegenuhrzeigersinn in eine erste Bewegungsrichtung 6 rotierend
angetrieben. Der Laserstrahl 3, der näherungsweise
in axialer Richtung abgestrahlt wird, trifft auf einen Kegelspiegel 11 mit
einem Innenkonus und wird von diesem in radialer Richtung nach innen
auf den Außenumfang 12 des ersten und des zweiten
Werkstücks 10 abgelenkt, so dass sich der Fokus 5 in
der ersten Bewegungsrichtung 6 in Umfangsrichtung am Außenumfang 12 der
aneinander anliegenden Werkstücke 4, 10 bewegt.
Zum Erhöhen der Schweißgeschwindigkeit und damit
zur Realisierung eines homogenen Aufschmelzens im Fügebereich 9 werden die
Werkstücke 4, 10 mit Hilfe von Antriebsmitteln 7 rotatorisch
um die Drehachse D in eine zweite Bewegungsrichtung 8 im
Uhrzeigersinn rotiert.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2,
mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl 3 bzw. sein Fokus 5 am
Innenumfang der Werkstücke 4, 10 entlang
einer ersten Bewegungsrichtung 6 im Gegenuhrzeigersinn
bewegt wird. Um dies zu ermöglichen, ist innerhalb der
hohlzylindrischen Werkstücke 4, 10 ein
Kegelspiegel 11 mit einem Außenkonus angeordnet,
so dass der aus axialer Richtung auf den Kegelspiegel 11 auftreffende
Laserstrahl 3 in radialer Richtung nach außen
auf den Innenumfang 14 im Fügebereich 9 im
Kontaktbereich der Werkstücke 4, 10 auftrifft.
Die Werkstücke 4, 13 werden mit Hilfe
der Antriebsmittel 7 rotatorisch in eine zweite, der ersten
Bewegungsrichtung 6 entgegengesetzte Bewegungsrichtung 8 im
Uhrzeigersinn rotatorisch angetrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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