DE102013104548B3

DE102013104548B3 - Fügevorrichtung und Fügeverfahren zum thermischen Fügen

Info

Publication number: DE102013104548B3
Application number: DE201310104548
Authority: DE
Inventors: Carsten Rösler
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2033-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum thermischen Fügen und ein Fügeverfahren, wobei die Fügevorrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Zusatzwerkstoffs an einer Zuführposition und eine Strahlführungseinrichtung zum Führen eines Lichtstrahls aufweist, wobei die Strahlführungseinrichtung einen Scannerspiegel und eine Reflektoreinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Reflektorabschnitt aufweist, wobei der Lichtstrahl mittels einer Bewegung des Scannerspiegels zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt hin und her bewegbar ist, wobei auf den ersten Reflektorabschnitt auftreffendes Licht des Lichtstrahls von demselben in einen Bereich reflektiert wird, der sich von der Zuführposition aus in einer Vorschubrichtung erstreckt, wobei auf den zweiten Reflektorabschnitt auftreffendes Licht des Lichtstrahls von demselben in einen Bereich reflektiert wird, der sich von der Zuführposition aus entgegen der Vorschubrichtung erstreckt, und wobei die Fügevorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, von der der Scannerspiegel derart angesteuert wird, dass der mittels des Lichtstrahls in Bereichen vor, an und nach der Zuführposition erfolgende Energieeintrag gemäß einem Energieeintragsprofil variabel einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstücken mittels eines Zusatzwerkstoffs, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Fügevorrichtung.
Bei Fügevorrichtungen zum thermischen Fügen von Werkstücken kann vorgesehen sein, einen Zusatzwerkstoff z.B. in Form eines Drahtes zuzuführen und den Draht an der Fügeposition mittels eines Laserstrahls abzuschmelzen. Diesbezüglich beschreibt z.B. die DE 10 2009 045 400 B3 eine Fügevorrichtung, wobei ein Laserstrahl mittels eines Autofokusmoduls kollimiert wird, mittels eines aus zwei zueinander versetzten Spiegeln bestehenden Strahlteilers in zwei parallel zueinander verlaufende Teilstrahlen aufgeteilt wird, und die beiden Teilstrahlen auf – bezüglich der Vorschubrichtung – vor und hinter einem Zusatzwerkstoff-Draht liegende Bereiche gelenkt werden.
Die Aufteilung der Energie des Laserstrahls auf die beiden Teilstrahlen ist durch die Ausgestaltung des Strahlteilers vorgegeben, wobei die Intensitätsaufteilung mittels eines Justagemechanismus veränderbar sein kann. Jedoch weisen die beiden Teilstrahlen nach Einstellung der Intensitätsaufteilung die dadurch festgelegten Intensitäten auf. Die Intensitätsaufteilung wäre z.B. veränderbar, indem der Strahlteiler derart bezüglich des kollimierten Strahls verschoben wird, dass sich die auf den jeweiligen Teilstrahl entfallenden Leistungsanteile verändern. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Ergebnis einer solchen Verstellung von vielen Parametern beeinflusst wird, so z.B. durch den Durchmesser und das Strahlprofil bzw. Intensitätsprofil des kollimierten Laserstrahls. Der Durchmesser und das Strahlprofil des kollimierten Strahls sind ihrerseits wiederum von vielen Parametern abhängig, z.B. von der Lage des Autofokusmoduls und von der Strahldivergenz. Dadurch ist eine reproduzierbare Einstellung der Intensitätsaufteilung auf die beiden Teilstrahlen sehr aufwendig und wäre nur mittels zusätzlicher nachgeschalteter Sensoren bzw. Messungen realisierbar. Zudem würde in einem solchen Fall eine Änderung der Kollimationseinstellung in der Folge auch immer eine Überprüfung und Neujustage der Intensitätsaufteilung erforderlich machen.
Die beiden Teilstrahlen verlaufen im Wesentlichen symmetrisch zu dem Zusatzwerkstoff-Draht. Beim Verfahren der Drahtzuführung entlang der Werkstücke kann sich der Draht jedoch entgegen der Fahrtrichtung verbiegen, wodurch sich während einer Vorschubbewegung die Drahtposition in Richtung zu dem (bezüglich der Vorschubrichtung) hinteren Teilstrahl verschiebt und somit der Großteil der zum Abschmelzen des Drahtes erforderlichen Leistung (Abschmelzleistung) durch den hinteren Teilstrahl aufgebracht wird, wohingegen die Leistung des vorderen Teilstrahls überwiegend direkt in die zu fügenden Werkstücke eingekoppelt wird, was z.B. zum Überhitzen der Fügestelle führen kann. Zur Vermeidung eines solchen Überhitzens ist die Regulierung der Gesamtleistung nur bedingt geeignet, da damit auch die in den Draht eingebrachte Abschmelzleistung beeinflusst wird. Eine entsprechende Anpassung des Strahlverlaufs der beiden Teilstrahlen, insbesondere eine Änderung der Abstände zwischen dem Draht und dem jeweiligen Teilstrahl, würde wiederum dazu führen, dass sich eine Vorzugsrichtung für den Systemvorschub ergibt, sodass eine Umkehr der Vorschubrichtung z.B. eine Neujustage erfordern würde.
Zudem resultieren mangelhafte Positionierungen der Teilstrahlen oft in einem periodisch schwingenden Abschmelzverhalten beim Abschmelzen des Drahtes, wodurch wiederum eine entsprechende Schwingung der Drahtzuführung verursacht wird, wobei sich der Abstand zwischen der Drahtzuführung und den Werkstücken periodisch ändert. Diese Schwingungen können ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Nahtqualität haben. Allgemein kann eine fehlerhafte Positionierung der Teilstrahlen z.B. zu mangelhaften Prozessergebnissen und auch zu einer Überhitzung der Drahtzuführung führen. Die Positionierung der Teilstrahlen wird einerseits durch entsprechende Justagen, andererseits jedoch auch durch die Prozessführung selbst beeinflusst (z.B. durch den Schleppwinkel, die Vorschubgeschwindigkeit, die Vorschubrichtung und die eingebrachte Laserleistung).
Als ein anderes Beispiel beschreibt die EP 1 568 435 A1 eine Fügevorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstücken mittels eines Zusatzwerkstoffs, wobei die Fügevorrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des Zusatzwerkstoffs, einen Strahlteiler zum Aufspalten eines einfallenden Laserstrahls in zwei Teilstrahlen sowie zwei Reflektoren mit gekrümmter Spiegelfläche zum Ablenken und Fokussieren der Teilstrahlen auf die Oberfläche der Werkstücke aufweist. Die DE 10 2007 025 461 A1 und die EP 2 335 863 A1 beschreiben Fügevorrichtungen mit einem Scannerspiegel und einer Reflektoreinrichtung mit zwei Reflektorabschnitten, wobei ein Laserstrahl mittels des Scannerspiegels auf die beiden Reflektorabschnitte gelenkt wird.
Durch die Erfindung werden eine Fügevorrichtung und ein Fügeverfahren bereitgestellt, mittels derer auf einfache Art und Weise eine exakte, reproduzierbare und variabel einstellbare Verteilung der Energie bzw. Leistung eines Lichtstrahls auf unterschiedliche Positionen der Fügestelle ermöglicht ist, wobei ortsaufgelöst eine exakte und während des Fügens unter Kompensation des Einflusses auftretender Einflussparameter nachregelbare Positionierung und Dosierung des Energieeintrags ermöglicht ist. Dadurch können z.B. das Abschmelzverhalten des zugeführten Zusatzwerkstoffs und die Temperatur in unterschiedlichen Bereichen auf den Werkstücken exakt gemäß vorgegebenen Parametern optimal eingestellt werden, z.B. konstant gehalten werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Fügevorrichtung zum thermischen Fügen, z.B. Löten oder Schweißen, von Werkstücken mittels eines Zusatzwerkstoffs bereitgestellt. Die Fügevorrichtung weist eine Zuführeinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass von ihr während des Fügens ein Zusatzwerkstoff an einer Zuführposition an den Werkstücken bzw. an der Fügestelle zugeführt wird. Der Zusatzwerkstoff kann z.B. ein Draht sein, der von einer Zuführeinrichtung in Form einer Zuführdüse mit einer vorgegebenen Zuführrate bzw. Zuführgeschwindigkeit zugeführt wird.
Die Fügevorrichtung weist zudem eine Strahlführungseinrichtung zum Führen eines zum Energieeintrag vorgesehenen Lichtstrahls auf, wobei der Lichtstrahl z.B. ein Laserstrahl sein kann. Der Lichtstrahl kann von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung eingekoppelt werden oder mittels einer in oder an der Strahlführungseinrichtung angeordneten Licht- bzw. Laserquelle erzeugt werden.
Während des Fügens wird die Fügevorrichtung (und somit auch die Zuführeinrichtung und die Strahlführungseinrichtung) entlang einer Vorschubrichtung relativ zu den Werkstücken verfahren, z.B. mittels einer dafür vorgesehenen Vorschubeinrichtung.
Die Strahlführungseinrichtung weist einen Spiegel (im Folgenden auch als „Scannerspiegel“ bezeichnet) und eine Reflektoreinrichtung mit (mindestens) einem ersten und einem zweiten Reflektorabschnitt auf. Der Scannerspiegel ist derart angeordnet, dass der Lichtstrahl von ihm in Richtung zu der Reflektoreinrichtung hin reflektiert wird. Der Scannerspiegel ist zudem mittels eines Scannerspiegel-Antriebs derart angetrieben bewegbar (z.B. um eine erste Schwenkachse herum schwenkbar), dass der Lichtstrahl von ihm mittels einer Bewegung des Scannerspiegels zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt hin und her bewegt werden kann. D.h., der Lichtstrahl ist mittels des Scannerspiegels derart geführt auslenkbar, dass er (bei einer ersten Ausrichtung bzw. Drehposition des Scannerspiegels) auf eine Position auf dem ersten Reflektorabschnitt und (bei einer zweiten Ausrichtung bzw. Drehposition des Scannerspiegels) auf eine Position auf dem zweiten Reflektorabschnitt gerichtet werden kann und zwischen diesen beiden Positionen hin und her bewegbar ist.
Der Scannerspiegel und der erste und zweite Reflektorabschnitt sind derart angeordnet, dass der Lichtstrahl in einem ersten Drehwinkelbereich des Scannerspiegels von demselben auf den ersten Reflektorabschnitt reflektiert wird und in einem zweiten Drehwinkelbereich des Scannerspiegels von demselben auf den zweiten Reflektorabschnitt reflektiert wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Scannerspiegel und der erste und der zweite Reflektorabschnitt derart angeordnet sind, dass der Lichtstrahl in einem dritten Drehwinkelbereich des Scannerspiegels von demselben teilweise auf den ersten Reflektorabschnitt und teilweise auf den zweiten Reflektorabschnitt reflektiert wird.
Der erste Reflektorabschnitt ist (ortsfest) derart angeordnet, dass darauf auftreffendes Licht des Lichtstrahls von ihm in einen Bereich (im Folgenden auch als „Vorlauf-Bereich“ oder als „Vorwärm-Bereich“ bezeichnet) auf den Werkstücken reflektiert wird, der sich von der Zuführposition aus in Vorschubrichtung erstreckt. Der Vorlauf-Bereich umfasst somit sowohl die Zuführposition als auch einen in Vorschubrichtung gesehen vor der Zuführposition liegenden Abschnitt. Auf den ersten Reflektorabschnitt auftreffendes Licht wird von demselben auf eine Position in dem Vorlauf-Bereich reflektiert, wobei diese Position mit der Stellung des Scannerspiegels variiert, sodass das von dem ersten Reflektorabschnitt reflektierte Licht den Vorlauf-Bereich überstreichen kann.
Der zweite Reflektorabschnitt ist (ortsfest) derart angeordnet, dass darauf auftreffendes Licht des Lichtstrahls von ihm in einen Bereich (im Folgenden auch als „Nachlauf-Bereich“ oder „Nachbearbeitungs-Bereich“ bezeichnet) auf den Werkstücken reflektiert wird, der sich von der Zuführposition aus entgegen der Vorschubrichtung erstreckt. Der Nachlauf-Bereich umfasst somit sowohl die Zuführposition als auch einen in Vorschubrichtung gesehen hinter der Zuführposition liegenden Abschnitt. Auf den zweiten Reflektorabschnitt auftreffendes Licht wird von demselben auf eine Position in dem Nachlauf-Bereich reflektiert, wobei diese Position mit der Stellung des Scannerspiegels variiert, sodass das von dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierte Licht den Nachlauf-Bereich überstreichen kann. Die genaue Auftreffposition des von dem ersten Reflektorabschnitt reflektierten Lichts in dem Vorlauf-Bereich und des von dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierten Lichts in dem Nachlauf-Bereich variiert somit mit der Stellung des Scannerspiegels. Es kann vorgesehen sein, das von dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierte Licht vor dem Auftreffen auf den Werkstücken mittels einer oder mehrerer Fokussiereinrichtungen (z.B. Linsen) zu fokussieren.
Somit kann das von dem ersten Reflektorabschnitt reflektierte Licht einen bezüglich der Vorschubrichtung vor der Zuführposition liegenden Bereich überstreichen, sodass dieser Bereich vor dem Aufbringen des Zusatzwerkstoffs mittels des durch den Lichtstrahl erfolgenden Energieeintrags vorgewärmt werden kann. Das von dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierte Licht kann einen bezüglich der Vorschubrichtung hinter der Zuführposition liegenden Bereich überstreichen, sodass in diesem Bereich eine thermische Nachbearbeitung der erzeugten Fügenaht erfolgen kann. Die Auslenkung des Lichtstrahls bezüglich seiner Mittellage bzw. bezüglich der Zuführposition kann entweder symmetrisch oder unsymmetrisch bezüglich der Mittellage erfolgen. Schließlich kann, je nach Stellung des Scannerspiegels, sowohl das von dem ersten als auch das von dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierte Licht auf die Zuführposition gerichtet werden, sodass mittels des durch den Lichtstrahl resultierenden Energieeintrags ein Auf- bzw. Abschmelzen und/oder Erwärmen des zugeführten Zusatzwerkstoffs erfolgen kann.
Die Fügevorrichtung weist ferner eine Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung ist mit dem Scannerspiegel-Antrieb verbunden und zum Ansteuern des Scannerspiegel-Antriebs konfiguriert. Die Steuervorrichtung ist insbesondere derart eingerichtet (d.h. konfiguriert), dass von ihr der Energieeintrag in die (bezüglich der Vorschubrichtung) vor, an und nach der Zuführposition liegenden Bereiche auf den Werkstücken bzw. an der Fügestelle gemäß einem Energieeintragsprofil variabel einstellbar ist, indem von der Steuervorrichtung basierend auf dem Energieeintragsprofil ein Scannerspiegel-Bewegungsprofil erstellt wird und der Scannerspiegel-Antrieb gemäß dem Scannerspiegel-Bewegungsprofil angesteuert wird.
Das Energieeintragsprofil beschreibt eine zu realisierende Energieeintragscharakteristik, mittels derer z.B. eine räumliche und/oder zeitliche Verteilung des Energieeintrags mittels des Lichtstrahls vorgegeben ist. Das Energieeintragsprofil kann z.B. angeben, an welcher Position auf den Werkstücken bzw. im Bereich der Fügestelle zu welcher Zeit welcher Energieeintrag erfolgen soll. Das Energieeintragsprofil kann insbesondere angeben, zu welcher Zeit welcher Energie- bzw. Wärmeeintrag vor, an und nach der Zuführposition erfolgen soll (wobei die Zuführposition sich im Verlauf des Fügeprozesses z.B. ändern kann). Das Energieeintragsprofil kann z.B. von dem jeweiligen Fügeprozess abhängen, z.B. von dem Material der zu fügenden Werkstücke und/oder von dem Zusatzwerkstoff (z.B. dessen Schmelztemperatur).
Das Energieeintragsprofil kann z.B. ein für einen bestimmten Fügeprozess vorgegebenes Energieeintragsprofil sein, sodass lediglich eine Steuerung des Fügeprozesses vorliegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das Energieeintragsprofil während des Fügens anhand von Sensordaten einzustellen bzw. anzupassen, sodass eine Regelung des Fügeprozesses vorliegt.
Basierend auf dem Energieeintragsprofil wird von der Steuervorrichtung das Scannerspiegel-Bewegungsprofil erstellt und dann der Scannerspiegel gemäß diesem Scannerspiegel-Bewegungsprofil bewegt, sodass die durch das Energieeintragsprofil ortsaufgelöst und/oder zeitaufgelöst definierten Intensitäten bzw. Wärmemengen eingetragen werden. D.h., der Scannerspiegel-Antrieb wird derart angesteuert, dass der mittels des Energieeintragsprofils vorgegebene Energieeintrag realisiert wird, sodass z.B. eine vorgegeben räumliche und zeitliche Verteilung des Energieeintrags auf dem Werkstück und eine vorgegebene Abschmelzleistung (d.h. Energieeintrag in den Zusatzwerkstoff an der Zuführposition) realisiert werden. Dabei kann der Lichtstrahl z.B. zwischen einer Position auf dem ersten Reflektorabschnitt und einer Position auf dem zweiten Reflektorabschnitt hin und her pendeln, sodass der Lichtstrahl z.B. alternierend in den Vorlauf-Bereich und in den Nachlauf-Bereich gerichtet wird. Der Energieeintrag in einem jeweiligen Werkstückbereich bzw. in den Zusatzwerkstoff kann über die Verfahrgeschwindigkeit des Scannerspiegels eingestellt werden, wobei z.B. durch Vorgabe prozessspezifischer Verweildauern auf ausgewählten Positionen (z.B. an Umkehrpositionen oder an der Zuführposition) und der Geschwindigkeiten beim Überfahren der unterschiedlichen Teilbereiche (vor, an oder nach der Zuführposition) der Energieeintrag in die Werkstücke und die Abschmelzleistung exakt einstellbar (z.B. steuerbar oder regelbar) sind.
Durch eine hinreichend schnelle Strahlablenkung kann somit die zur Verfügung stehende Gesamtleistung des Lichtstrahls bzw. Laserstrahls derart auf die unterschiedlichen Teilbereiche der Prozessstelle und den zugeführte Zusatzwerkstoff verteilt werden, dass sich für die jeweils vorliegenden Anforderungen (die z.B. durch das Material der Werkstücke und das Material des Zusatzwerkstoffs vorgegeben sind) dieser Teilbereiche jeweils eine optimale Energiezuführung als quasi-simultaner Fall ergibt (d.h. die Strahlumpositionierung erfolgt sehr schnell im Vergleich zu der Vorschubgeschwindigkeit und hinsichtlich der thermischen Trägheit des Systems). Zudem kann der Lichtstrahl derart schnell zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt hin und her bewegt werden, dass eine Quasi-Strahlteilung vorliegt.
Der erste und der zweite Reflektorabschnitt weisen je eine Reflektorfläche bzw. Spiegelfläche mit einer zugehörigen Reflektorflächennormale auf. Die beiden Reflektorabschnitte können derart angeordnet sein (z.B. indem die beiden Reflektorflächen relativ zueinander verkippt sind), dass die erste Reflektorflächennormale eine andere Richtung aufweist als die zweite Reflektorflächennormale. Dadurch können die Strahlengänge des von dem ersten und dem zweiten Reflektorabschnitt reflektierten Lichts in Richtung zu der Zuführposition hin konvergieren bzw. aufeinander zulaufen, ohne dass eine zusätzliche Umlenkeinrichtung erforderlich ist.
Der erste und der zweite Reflektorflächenabschnitt können an ein und demselben Reflektor bzw. Spiegel oder aber an unterschiedlichen Reflektoren bzw. Spiegeln ausgebildet sein.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Reflektoreinrichtung zwei ebene Spiegel aufweist, wobei der erste Reflektorabschnitt von dem ersten Spiegel gebildet ist und der zweite Reflektorabschnitt von dem zweiten Spiegel gebildet ist, und wobei die Spiegel zueinander verkippt angeordnet sind. Der Lichtstrahl kann z.B. alternierend in den Vorlauf-Bereich und in den Nachlauf-Bereich gerichtet werden, indem der Lichtstrahl mittels einer entsprechenden Bewegung des Scannerspiegels alternierend auf den ersten und auf den zweiten Spiegel gerichtet wird.
Als ein anderes Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Reflektoreinrichtung einen (einzigen) Spiegel mit einer gekrümmten (z.B. konkaven oder konvexen) Spiegelfläche aufweist, wobei der erste Reflektorabschnitt von einem ersten Abschnitt der gekrümmten Spiegelfläche gebildet ist und der zweite Reflektorabschnitt von einem zweiten Abschnitt der gekrümmten Spiegelfläche gebildet ist. Demgemäß kann das Umpositionieren der Auftreffposition des Lichtstrahls auf den Werkstücken erfolgen, indem der Lichtstrahl mittels einer Bewegung des Scannerspiegels entlang der gekrümmten Spiegelfläche verfahren wird. In diesem Fall kann die Bewegung des Lichtstrahls auf der gekrümmten Spiegelfläche auch derart erfolgen, dass die Strahlfläche nur teilweise verschoben wird. Zudem kann in diesem Fall vorgesehen sein, dass der Lichtstrahl beim Überstreichen des Bereichs der Zuführeinrichtung sehr schnell bewegt wird (sodass der Energieeintrag in die Zuführeinrichtung auf einem unkritischen Niveau gehalten wird); es kann jedoch auch vorgesehen sein, einen störenden Energieeintrag im Bereich der Zuführeinrichtung bzw. Zuführdüse abzublenden und/oder wegzukühlen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Fügevorrichtung einen Temperatursensor auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm die Temperatur an einer oder mehreren Positionen der Fügestelle und/oder an einer oder mehreren Positionen des zugeführten Zusatzwerkstoffs erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung mit dem Temperatursensor verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Temperatursensors eingestellt wird. Demgemäß können die von dem Temperatursensor gelieferten Ausgangsdaten als Führungsgröße zum Regeln des Energieeintrags in den unterschiedlichen Bereichen der Fügestelle dienen.
Der Temperatursensor kann z.B. ein berührungslos arbeitender Temperatursensor sein. Des Weiteren kann der Temperatursensor z.B. ein ortsauflösender Temperatursensor sein (z.B. eine Wärmebildkamera), wobei von dem Temperatursensor ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Fügestelle und/oder des zugeführten Zusatzwerkstoffs erstellt wird. Demgemäß kann z.B. mittels der Steuervorrichtung die an unterschiedlichen Positionen der Fügestelle und/oder des Zusatzwerkstoffs tatsächlich vorliegende Ist-Temperatur mit einer für die jeweilige Position vorgegeben Soll-Temperatur verglichen werden und basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs das Energieeintragsprofil und somit auch das Scannerspiegel-Bewegungsprofil angepasst werden; wobei z.B. an gegenüber der Soll-Temperatur zu kühlen Positionen die Verweildauer des Lichtstrahls erhöht wird und an gegenüber der Soll-Temperatur zu warmen Positionen die Verweildauer des Lichtstrahls gesenkt wird. Es kann insbesondere vorgesehen sein, das Energieeintragsprofil und somit auch das Scannerspiegel-Bewegungsprofil derart einzustellen, dass die Temperatur an der Zuführposition konstant auf einer vorgegebenen Abschmelztemperatur bzw. innerhalb eines vorgegebenen Abschmelztemperatur-Intervalls gehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Fügevorrichtung einen Positionssensor auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm die Lage der Zuführposition (z.B. relativ zu den Werkstücken) erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung mit dem Positionssensor verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Positionssensors eingestellt wird. Demgemäß können die von dem Positionssensor gelieferten Ausgangsdaten als Führungsgröße zum Regeln des Energieeintrags in den unterschiedlichen Bereichen der Fügestelle dienen.
Der Positionssensor kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass von ihm die Lage der Zuführposition (d.h. derjenigen Stelle bzw. Position, an der der zugeführte Zusatzwerkstoff die Werkstücke bzw. die Fügestelle kontaktiert) bezüglich der Vorschubrichtung erfassbar ist. So kann z.B. vorgesehen sein, den Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes zuzuführen und mittels des Positionssensors die Position zu erfassen, an der der Draht die Werkstücke berührt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, das Energieeintragsprofil und somit auch das Scannerspiegel-Bewegungsprofil derart einzustellen, dass die dadurch definierte räumlichen Verteilung des Energieeintrags basierend auf der erfassten Lage der Zuführposition eingestellt wird, bzw. dass die erfasste Lage der Zuführposition als (neuer) Bezugspunkt für die räumliche Verteilung des durch das Energieeintragsprofil vorgegebenen Energieeintrags dient.
Der Positionssensor kann z.B. ein optischer Sensor sein (z.B. eine Kamera), der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass er ein ortsaufgelöstes Grauwertbild der Fügestelle und ggf. der Zuführvorrichtung erfasst, wobei die genaue Lage der Zuführposition (z.B. die Position der Drahtspitze eines Zusatzwerkstoff-Drahtes) mittels einer Auswertung des Graubildes erfassbar ist.
Indem von dem Positionssensor die genaue Lage der Zuführposition (insbesondere bezüglich der Vorschubrichtung) erfassbar ist, kann von der Steuervorrichtung der Abschmelzpunkt (d.h. diejenige Position, an der die Abschmelzleistung einzukoppeln ist) erfasst und mittels entsprechender Anpassung des Energieeintragsprofils nachgeregelt werden. Wenn der Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes zugeführt wird, kann es z.B. vorkommen, dass sich der Draht infolge der Vorschubbewegung entgegen der Vorschubrichtung verbiegt, wodurch sich die Zuführposition (leicht) ändern kann. Mittels des Positionssensors ist eine solche Veränderung der Zuführposition erfassbar und kompensierbar.
Es kann auch vorgesehen sein, die Lage der Zuführposition bzw. den optimalen Abschmelzpunkt mittels der von dem Temperatursensor gelieferten Daten zu erfassen und das Energieeintragsprofil basierend auf der derart erfassten Lage der Zuführposition einzustellen. Zudem kann vorgesehen sein, mittels dafür vorgesehener Sensoren (z.B. mittels des Positionssensors) die vor- und nachlaufende Orientierung des Fügestoßes (d.h. den Verlauf des Fügestoßes vor und nach der aktuellen Fügestelle) zu detektieren und das Energieeintragsprofil basierend darauf anzupassen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Positionssensor derart angeordnet und eingerichtet sein, dass von ihm die Lage der Zuführeinrichtung (z.B. einer zum Zuführen des Zusatzwerkstoffs vorgesehenen Zuführdüse) erfasst wird; wobei die Steuervorrichtung derart eingerichtet sein kann, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von der erfassten Position der Zuführeinrichtung bzw. Zuführdüse eingestellt wird.
Indem das Energieeintragsprofil unter Berücksichtigung der aktuellen Lage der Zuführposition und/oder der Zuführdüsenposition eingestellt wird, kann der Energieeintrag in den Zusatzwerkstoff bzw. in den Zusatzwerkstoff-Draht und in die nähere Umgebung der Zuführposition z.B. derart eingestellt werden, dass ein Abschmelzen des Zusatzwerkstoffs mit einer gleichmäßigen, zeitlich konstanten Abschmelzrate erfolgt, wodurch z.B. Schwingungen des Abstandes zwischen der Zuführeinrichtung bzw. Zuführdüse und den Werkstücken vermindert oder verhindert werden können und das Erzeugen gleichmäßiger Nähte unterstützt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Fügevorrichtung einen Abstandssensor auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm der zwischen der Zuführeinrichtung (z.B. der Zuführdüse) und den Werkstücken vorliegende Abstand erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung mit dem Abstandssensor verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Abstandssensors eingestellt wird. Demgemäß können die von dem Abstandssensor gelieferten Ausgangsdaten als Führungsgröße zum Regeln des Energieeintrags in den unterschiedlichen Bereichen der Fügestelle dienen. Der Abstandssensor kann z.B. ein potentiometrischer, ein kapazitiver oder ein optischer Sensor sein. Es kann z.B. vorgesehen sein, den Abstandssensor und den Positionssensor integral miteinander als einen einzigen Sensor auszubilden.
Es kann auch vorgesehen sein, die Lage der Zuführposition oder der Zuführeinrichtung entlang der Höhenrichtung mittels des Abstandssensors zu erfassen und die Lage der Zuführposition bzw. Zuführeinrichtung in der Ebene senkrecht zu der Höhenrichtung mittels des Positionssensors zu erfassen; wobei der Positionssensor insbesondere als optischer Sensor, z.B. als Kamera, ausgeführt sein kann.
Die Zuführeinrichtung kann, z.B. mittels einer Höhenverstelleinrichtung (z.B. mittels eines angetrieben bewegbaren Teleskoparms), bezüglich der zu fügenden Werkstücke höhenverstellbar angeordnet sein, sodass der Abstand zwischen der Zuführeinrichtung und den Werkstücken variabel einstellbar ist. Die Ansteuerung der Höhenverstelleinrichtung kann z.B. mittels der Steuervorrichtung erfolgen. Zudem kann vorgesehen sein, die Zuführeinrichtung auch in der Ebene senkrecht zu der Höhenrichtung positionierbar bzw. ausrichtbar anzuordnen.
Wenn der Energieeintrag an der Zuführposition zu gering ist und der Zusatzwerkstoff somit zu langsam bzw. mit einer zu geringen Abschmelzrate abgeschmolzen wird, kann es durch das Aufstauen des zugeführten Zusatzwerkstoffs zu einer Vergrößerung des Abstandes zwischen der Zuführeinrichtung und den Werkstücken kommen. Wenn der Energieeintrag an der Zuführposition hingegen zu groß ist und der Zusatzwerkstoff somit zu schnell abgeschmolzen wird, kann es zu einer Verringerung des Abstandes zwischen der Zuführeinrichtung (z.B. Drahtzuführdüse) und den Werkstücken kommen; wobei es aufgrund des geringen Abstandes zu einer Überhitzung und Schädigung der Zuführeinrichtung kommen kann.
Diesbezüglich kann vorgesehen sein, das Energieeintragsprofil und somit auch das Scannerspiegel-Bewegungsprofil derart einzustellen, dass die Abschmelzrate derart auf einen vorgegebenen (z.B. konstanten) Wert eingestellt wird – z.B. indem die Temperatur an der Zuführposition auf einem dementsprechenden Wert gehalten wird – dass der Abstand zwischen der Zuführeinrichtung und den Werkstücken konstant gehalten wird. Es kann auch vorgesehen sein, mittels entsprechender Anpassung des Energieeintragsprofils den Energieeintrag und somit die eingebrachte Abschmelzleistung an der Zuführposition zu erhöhen, wenn der Abstand zwischen der Zuführeinrichtung und den Werkstücken steigt oder oberhalb eines vorgegebenen Soll-Maximalabstands liegt, und den Energieeintrag und somit die eingebrachte Abschmelzleistung an der Zuführposition zu verringern, wenn der Abstand zwischen der Zuführeinrichtung und den Werkstücken sinkt oder unterhalb eines vorgegebenen Soll-Minimalabstands liegt. Somit kann z.B. die Stickoutlänge eines in Form eines Drahtes mittels einer Zuführdüse zugeführten Zusatzwerkstoffs (d.h. die aus der Düse herausragende freien Drahtlänge) auf einen vorgegebenen Wert eingestellt und konstant gehalten werden; wobei dieser Wert so groß wie möglich zu wählen ist, um den Wärmeeintrag in die Zuführdüse zu verringern.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lage der Zuführposition basierend auf dem mittels des Abstandssensors erfassten Abstand (und z.B. unter Berücksichtigung der vorliegenden Vorschubrichtung und Vorschubgeschwindigkeit) ermittelt wird und das Energieeintragsprofil dementsprechend angepasst wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlführungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der Lichtstrahl von ihr mittels eines Querauslenkungs-Antriebs quer zur Vorschubrichtung auslenkbar ist, z.B. indem der Scannerspiegel mittels des Scannerspiegel-Antriebs angetrieben um eine zweite Schwenkachse herum schwenkbar ist oder indem ein zweiter angetrieben bewegbarer (z.B. schwenkbarer) Ablenkspiegel vorgesehen ist. Indem der Lichtstrahl auch quer zur Vorschubrichtung ablenkbar ist, kann die Breite des von dem Lichtstrahl auf den Werkstücken überstrichenen Bereichs variabel eingestellt werden, wodurch die Energie des Lichtstrahls auf eine entsprechend variable Fläche verteilt werden kann und auf prozessbestimmende Parameter wie z.B. die Nahtbreite direkt Einfluss genommen werden kann. Die Querbewegung des Lichtstrahls kann derart schnell erfolgen, dass der Energieeintrag in den jeweils überstrichenen Querabschnitten quasi-simultan erfolgt. Die Steuervorrichtung ist mit dem Querauslenkungs-Antrieb verbunden und zum Ansteuern desselben eingerichtet.
Indem mittels der Bewegung des Lichtstrahls auf und zwischen den beiden Reflektorabschnitten der Reflektoreinrichtung eine Strahlbewegung bzw. Strahlauslenkung entlang der Vorschubrichtung und mittels entsprechender Ausgestaltung der Strahlführungseinrichtung zudem eine Strahlbewegung bzw. Strahlauslenkung quer zur Vorschubrichtung ermöglicht ist, können durch eine Kombination dieser beiden Bewegungsrichtungen Flächen mit variabler Breite (quer zur Vorschubrichtung) und entlang der Vorschubrichtung verlaufender Länge mit dem Lichtstrahl überstrichen werden, wobei die Breite der überstrichenen Gebiete durch die Auslenkung in Querrichtung definiert ist. Zudem kann mittels einer Kombination der Quer- mit der Längsbewegung des Lichtstrahls mittels quasi-simultaner Strahlformung ein virtueller Lichtstrahl mit einer beliebigen Strahlfleckform erzeugt werden. Die jeweilige (positionsabhängige) Breite bzw. Querauslenkung und/oder Strahlfleckform können mittels des Energieeintragsprofils definiert sein.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung derart eingerichtet ist, dass von ihr mittels entsprechender Einstellung des Energieeintragsprofils und somit auch des Scannerspiegel-Bewegungsprofils die quer zur Vorschubrichtung erfolgende Auslenkung des Lichtstrahls in Abhängigkeit von der bezüglich der Vorschubrichtung vorliegenden Auftreffposition (Längsposition) des Lichtstrahls variiert wird. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass beim Auftreffen des Lichtstrahls vor, an und nach der Zuführposition jeweils eine andere Querablenkung erfolgt, sodass z.B. die quer zur Vorschubrichtung verlaufende Breite des von dem Lichtstrahl auf den Werkstücken überstrichenen Bereichs und/oder die effektive Strahlfleckform in Abhängigkeit von der Längsposition des Lichtstrahls variiert wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels entsprechender Einstellung des Energieeintragsprofils die Querbreite des von dem Lichtstrahl überstrichenen Bereichs für Positionen vor und nach der Zuführposition größer ist als an der Zuführposition. Dadurch kann vor und nach der Zuführposition ein flächiger Wärmeeintrag erfolgen, wohingegen an der Zuführposition ein gebündelter Wärmeeintrag erfolgt. So kann z.B. für das Vorwärmen der Fügestelle (wo lediglich eine geringe Intensität erforderlich ist) eine Bahngeometrie mit einer großen überstrichenen Fläche hergestellt werden, die zum Abschmelzen des Zusatzwerkstoffs bzw. Drahtes (wo ein punktueller Energieeintrag vorteilhaft ist) nicht geeignet wäre. Zur gezielten Erwärmung der Nahtränder oder zur Nachbearbeitung der Fügestelle bzw. der erzeugten Naht können weitere Lichtspotformen mit abweichenden Leistungsinhalten vorgesehen sein.
Die Fügevorrichtung kann eine Benutzerschnittstelle aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie es dem Anwender ermöglicht, die für einen jeweiligen Fügeprozess zur optimalen Einstellung des Energieeintrags nötigen Parameter zu definieren. Dabei kann die Benutzerschnittstelle derart eingerichtet sein, dass die Aufteilung der Prozessenergie zwischen dem Vorlauf-Bereich, der Zuführposition und dem Nachlauf-Bereich direkt erfolgen kann, unabhängig von der Definition der Fläche (Länge oder Breite des einzelnen Nahtstücks). Die Benutzerschnittstelle kann ferner derart eingerichtet sein, dass von ihr die Zusammenhänge zwischen gewählter Fläche eines jeweiligen Teilstücks, Überfahrgeschwindigkeit und zugeführter Teilleistung visualisiert und auf Anforderung bei Änderung einzelner Parameter automatisch die Einflussgrößen angepasst werden (sodass z.B. eine Änderung der gewünschten Leistung auf einem Teilbereich zu einer Veränderung der Überfahrgeschwindigkeit oder einer Verringerung der überstrichenen Fläche führt). Bei Eingabe von anzupassenden Parametern durch den Benutzer werden von der Benutzerschnittstelle die dadurch beeinflussten abhängigen Größen aufgezeigt, mögliche Änderungen vorgeschlagen und/oder automatisiert abhängige Parameter angepasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen bereitgestellt, wobei wie erläutert die Energie eines Lichtstrahls gemäß einem Energieeintragsprofil auf die (bezüglich der Vorschubrichtung) vor, an und nach der Zuführposition liegenden Bereiche auf den Werkstücken verteilt wird, indem ein Scannerspiegel mittels einer Steuervorrichtung derart zwischen einem ersten und einem zweiten Reflektorabschnitt hin und her bewegt wird, dass das Energieeintragsprofil realisiert wird. Das Fügeverfahren entspricht der mit Bezug auf die Fügevorrichtung beschriebenen Betriebsweise, insbesondere den oben mit Bezug auf die Steuervorrichtung erläuterten Ausgestaltungen, sodass bezüglich der Ausgestaltungen des Fügeverfahrens hiermit auf die entsprechenden Erläuterungen hinsichtlich der Fügevorrichtung verwiesen wird.
Indem mittels der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens der Energieeintrag in den unterschiedlichen Bereichen der Fügestelle exakt einstellbar bzw. dosierbar ist, eignen sich diese insbesondere zum Fügen von thermisch kritischen Werkstoffen (wie z.B. von Werkstücken aus Leichtblech oder Verbundmaterialien), deren Schmelztemperatur signifikant von der Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffs abweicht und/oder deren physikalischer Aufbau aus mehreren Materialschichten mit jeweils unterschiedlichen Schmelztemperaturen besteht. Hier kann die zum Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs bzw. Drahtes nötige Energiedichte so hoch sein, dass sie auf dem zu fügenden Material bereits zur thermischen Zerstörung desselben führen würde. Mittels des erfindungsgemäßen Fügeprozesses kann einerseits auf dem Werkstück ein Energieeintrag derart (niedrig) erfolgen, dass Materialschäden verhindert werden, andererseits kann auf dem Zusatzwerkstoff ein Energieeintrag derart (hoch) erfolgen, dass ein zuverlässiges Abschmelzen des Zusatzwerkstoffs sichergestellt ist.
Ein Leichtblech besteht aus einer Schichtanordnung mit einer ersten Blechschicht, einer zweiten Blechschicht, und einer zwischen der ersten und der zweiten Blechschicht angeordneten Kunststoffschicht. Indem das Leichtblech nicht vollständig aus Metall besteht, sondern eine Kunststoff-Zwischenschicht aufweist, kann es mit einem geringeren Gewicht als ein entsprechendes Vollblech gleicher Abmessungen ausgebildet sein. Aufgrund des Aufbaus aus sehr dünnen Blechen in Verbindung mit einem Kunststoffanteil kann dieses Material bei unsachgemäßem Energieeintrag relativ schnell überhitzt und somit thermisch zerstört werden. Mittels des erfindungsgemäßen Fügeprozesses ist aufgrund des exakt räumlich und zeitlich einstellbaren Energieeintrags ein zuverlässiges, zerstörungsfreies Fügen solcher Leichtbleche und anderer thermisch kritischer Werkstoffe ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
1 eine Darstellung einer Fügevorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 eine Detailansicht eines Ausschnitts der Ausführung gemäß 1; und
3 ein Bewegungsprofil eines Laserstrahls.
1 veranschaulicht eine Fügevorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform zum thermischen, stoffschlüssigen Fügen (hier: mittels Lötens) zweier nicht näher dargestellter Werkstücke 3 mittels eines metallischen Zusatzwerkstoffs 5. Die Fügevorrichtung 1 weist eine taktil geführte Bearbeitungsoptik auf, wobei der Zusatzwerkstoff 5 in Form eines Drahtes 5 mittels einer Zuführeinrichtung 7 in Form einer Drahtzuführdüse 7 zugeführt wird, sodass der Draht die Werkstücke 3 an einer Zuführposition bzw. Drahtspitzenposition D kontaktiert.
Die Fügevorrichtung 1 weist zudem eine Strahlführungseinrichtung 11 auf. Mittels einer Lichtleitfaser 13 wird ein Laserstrahl 15 eingekoppelt, wobei der Laserstrahl 15 mittels einer Kollimationsoptik 17 (die zudem als Fokussieroptik bzw. Autofokussieroptik ausgebildet sein kann) kollimiert wird. Die Strahlführungseinrichtung 11 weist einen Scannerspiegel 19 auf, der mittels eines Scannerspiegel-Antriebs 21 um eine parallel zur y-Achse des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems verlaufende Schwenkachse herum schwenkbar ist (die Schwenkbewegung ist in 1 mittels des Doppelpfeils 23 veranschaulicht).
Die Strahlführungseinrichtung 11 weist zudem eine Reflektoreinrichtung 25 mit einem ersten Reflektorabschnitt 27 und einem zweiten Reflektorabschnitt 29 auf, wobei vorliegend jeder der Reflektorabschnitte 27, 29 durch einen positionsfixierten, ebenen Umlenkspiegel realisiert ist. Der Scannerspiegel 11 ist derart im Strahlengang des kollimierten Laserstrahls 15 angeordnet, dass der Laserstrahl 15 auf den Scannerspiegel 11 auftrifft und von demselben in Richtung zu den Umlenkspiegeln 27, 29 hin reflektiert wird. Der Scannerspiegel 11 und die Umlenkspiegel 27, 29 sind derart angeordnet, dass in einer ersten, in 1 dargestellten Drehposition des Scannerspiegels 11 der Laserstrahl 15 von dem Scannerspiegel 11 auf den ersten Umlenkspiegel 27 gerichtet wird (in 1 veranschaulicht durch den durchgezogen dargestellten Strahlverlauf), und dass in einer zweiten Drehposition des Scannerspiegels 11 der Laserstrahl 15 von dem Scannerspiegel 11 auf den zweiten Umlenkspiegel 29 gerichtet wird (in 1 veranschaulicht durch den gestrichelt dargestellten Strahlverlauf). Demgemäß kann der Laserstrahl 15 mittels einer Schwenkbewegung 23 des Scannerspiegels 11 zwischen dem ersten 27 und dem zweiten 29 Umlenkspiegel hin und her bewegt werden.
Die Strahlführungseinrichtung 11 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet, wobei ein Träger 8 mittels eines Teleskoparms 10 relativ zu dem Gehäuse 9 (und somit auch relativ zu den Werkstücken 3) höhenverstellbar an demselben angebracht ist. Die Höhenverstellbarkeit des Trägers 8 ist in 1 mittels des entlang der Höhenrichtung (d.h. entlang der z-Richtung) weisenden Doppelpfeils 12 veranschaulicht. Die Zuführdüse 7 ist an dem Träger 8 angeordnet und ist somit entlang der z-Richtung höhenverstellbar. Zudem kann vorgesehen sein, die Zuführdüse 7 entlang der x-Richtung und/oder der y-Richtung positionierbar anzuordnen, z.B. indem die Zuführdüse 7 mittels entsprechender Aktoren an dem Träger 8 angeordnet wird oder indem der Träger 8 und/oder das Gehäuse 9 um die x-Richtung und/oder die y-Richtung schwenkbar ausgebildet werden.
Die Fügevorrichtung 1 ist an eine Vorschubeinrichtung (nicht dargestellt) angebunden, mittels derer das Gehäuse 9 samt dem Träger 8 – und somit auch die Zuführeinrichtung 7 und die Strahlführungseinrichtung 11 – entlang einer Vorschubrichtung bewegbar sind (in 1 veranschaulicht durch den in Vorschubrichtung weisenden Pfeil 31). Gemäß den 1 und 2 erfolgt der Vorschub in negativer x-Richtung.
Der erste Umlenkspiegel 27 ist derart angeordnet, dass darauf auftreffendes Licht des Laserstrahls 15 von ihm in einen Bereich auf den Werkstücken 3 reflektiert wird, der sich von der Zuführposition D aus in Vorschubrichtung 31 erstreckt; wobei dieser Bereich auch als Vorlauf-Bereich V bezeichnet ist (siehe 2). Der zweite Umlenkspiegel 29 ist derart angeordnet, dass darauf auftreffendes Licht des Laserstrahls 15 von ihm auf einen Bereich auf den Werkstücken 3 reflektiert wird, der sich von der Zuführposition D aus entgegen der Vorschubrichtung 31 erstreckt; wobei dieser Bereich auch als Nachlauf-Bereich N bezeichnet wird (siehe 2).
Im Lichtweg zwischen den Umlenkspiegeln 27, 29 und den Werkstücken 3 können Fokussieroptiken 33 vorgesehen sein, mittels derer der von den Umlenkspiegeln 27, 29 kommende Laserstrahl 15 vor seinem Auftreffen auf den Werkstücken 3 fokussiert wird. Gemäß 1 weist die Fokussieroptik 33 zwei Teiloptiken zum Fokussieren des an dem ersten und dem zweiten Umlenkspiegel reflektierten Lichts auf; hierfür kann jedoch auch lediglich eine einzige gemeinsame Fokussieroptik vorgesehen sein. Es kann zudem vorgesehen sein, die Fokussieroptiken an einer anderen Position anzuordnen, z.B. zwischen der Kollimationsoptik 17 und dem Scannerspiegel 19 oder zwischen dem Scannerspiegel 19 und der Reflektoreinrichtung 25. Die Fokussieroptiken 33 können z.B. als Autofokussieroptiken ausgebildet sein, mittels derer die Fokusform und/oder Fokuslage automatisch auf die Fügestelle eingestellt wird.
Indem der Laserstrahl 15 mittels Bewegens des Scannerspiegels 11 von dem ersten 27 auf den zweiten Umlenkspiegel 29 umgelenkt werden kann (und umgekehrt), kann der Laserstrahl 15 entweder auf eine Position in dem Vorlauf-Bereich V oder auf eine Position in dem Nachlauf-Bereich N gerichtet werden. Indem der Laserstrahl 15 entlang des ersten Umlenkspiegels 27 verfahren wird, kann zudem von dem Laserstrahl 15 der Vorlauf-Bereich V überstrichen werden. Indem der Laserstrahl 15 entlang des zweiten Umlenkspiegels 29 verfahren wird, kann analog der Nachlauf-Bereich N überstrichen werden.
In 2 ist die Umgebung der Fügestelle vergrößert dargestellt, wobei insbesondere die Zuführ- bzw. Drahtspitzenposition D sowie der Vorlauf-Bereich V und der Nachlauf-Bereich N veranschaulicht sind. Die Zuführposition D erstreckt sich (entlang der Vorschubrichtung) von einer Position x₂ bis zu einer Position x₃; der Vorlauf-Bereich N erstreckt sich entlang der Vorschubrichtung von einer Position x₁ bis zu der Position x₃ und schließt insbesondere die Zuführposition D ein; der Nachlauf-Bereich N erstreckt sich von der Position x₂ zu einer Position x₄ und schließt insbesondere die Zuführposition D ein. Gemäß der in 2 veranschaulichten Situation ist der Laserstrahl 15 über den zweiten Umlenkspiegel 29 geführt und innerhalb des Nachlauf-Bereichs N auf die Zuführ- bzw. Drahtspitzenposition D gerichtet (in 2 veranschaulicht durch den durchgezogen dargestellten Strahlverlauf 15). Wie durch die in 2 gestrichelt dargestellten Strahlverläufe veranschaulicht, kann der Laserstrahl 15 jedoch mittels einer Bewegung des Scannerspiegels 19 auf eine beliebige Position innerhalb des Vorlauf-Bereichs V und des Nachlauf-Bereichs N ausgelenkt werden.
Die Fügevorrichtung 1 weist außerdem eine Steuervorrichtung 35 auf. Die Steuervorrichtung 35 ist mit dem Scannerspiegel-Antrieb 21 verbunden und derart eingerichtet, dass von ihr der mittels des Laserstrahls 15 in den bezüglich der Vorschubrichtung 31 vor, an und nach der Zuführposition D liegenden Bereichen erfolgende Energieeintrag variabel gemäß einem Energieeintragsprofil eingestellt werden kann. Von der Steuervorrichtung 35 wird in Abhängigkeit von dem Energieeintragsprofil ein Scannerspiegel-Bewegungsprofil erstellt und der Scannerspiegel 19 bzw. der Scannerspiegel-Antrieb 21 gemäß dem Scannerspiegel-Bewegungsprofil angesteuert und bewegt. Der Laserstrahl 15 wird gemäß dem Scannerspiegel-Bewegungsprofil auf dem ersten 27 und zweiten 29 Umlenkspiegel verfahren, wobei infolgedessen der Laserstrahl 15 auch auf den Werkstücken 3 im Bereich der Fügestelle ein entsprechendes Laserstrahl-Bewegungsprofil durchläuft, wobei der gemäß dem Laserstrahl-Bewegungsprofil auf den Werkstücken 3 und dem Zusatzwerkstoff-Draht 5 hervorgerufene Energieeintrag genau der durch das Energieeintragsprofil vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Energieeintragsverteilung entspricht.
3 veranschaulicht ein Laserstrahl-Bewegungsprofil, wobei auf der Abszisse des veranschaulichten Koordinatensystems die Zeit t aufgetragen ist und auf der Ordinate die x-Koordinate der Auftreffposition des Laserstrahls 15 auf den Werkstücken 3. Wie aus dem Laserstrahl-Bewegungsprofil ersichtlich, wird als Beispiel der Laserstrahl 15 mittels einer entsprechenden Bewegung des Scannerspiegels 19 zunächst derart über den ersten Umlenkspiegel 27 verfahren, dass die Auftreffposition des Laserstrahls 15 mit einer konstanten Geschwindigkeit von der vordersten Position x₁ des Vorlauf-Bereichs V in Richtung zu der Zuführposition D bewegt wird (Zeitabschnitt t₁ bis t₂). Daraufhin verweilt der Laserstrahl 15 in dem Vorlauf-Bereich V auf der Zuführposition D (Zeitabschnitt t₂ bis t₃). Nunmehr wird der Laserstrahl 15 mittels einer entsprechenden Bewegung des Scannerspiegels 19 auf den zweiten Umlenkspiegel 29 gerichtet und derart über denselben verfahren, dass die Auftreffposition des Laserstrahls 15 mit einer konstanten Geschwindigkeit von der Zuführposition D zu der hintersten Position x₄ des Nachlauf-Bereichs N bewegt wird (Zeitabschnitt t₃ bis t₄) etc.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der erste Reflektorabschnitt 27 der Reflektoreinrichtung 25 durch den ersten ebenen Umlenkspiegel 27 und der zweite Reflektorabschnitt 29 ist durch den zweiten ebenen Umlenkspiegel 29 gebildet; wobei die Umlenkspiegel 27, 29 derart zueinander verkippt sind, dass ihre Spiegelflächen-Normalen in unterschiedliche Richtungen weisen. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Reflektoreinrichtung statt der zwei Umlenkspiegel 27, 29 einen (einzigen) Spiegel mit einer gekrümmten Spiegelfläche aufweist, insbesondere einen konkaven Umlenkspiegel, der eine konkave Spiegelfläche aufweist.
Die Fügevorrichtung 1 weist einen Temperatursensor 37 auf, mittels dessen ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Fügestelle (d.h. des Gebiets des Vorlauf-Bereichs V, der Zuführposition D und des Nachlauf-Bereichs N auf den Werkstücken 3) und des aus der Zuführdüse 7 herausragenden Zusatzwerkstoff-Drahtes 7 erfassbar ist.
Die Steuervorrichtung 35 ist mit dem Temperatursensor 37 verbunden (nicht dargestellt) und derart eingerichtet, dass von ihr die an den unterschiedlichen Positionen auf den Werkstücken 3 und an dem zugeführten Draht 5 vorliegenden Ist-Temperaturen mit für die jeweilige Position vorgegebenen Soll-Temperaturen verglichen werden und das Energieeintragsprofil derart angepasst bzw. nachgeregelt wird, dass für Positionen, an denen die Ist-Temperatur geringer ist als die Soll-Temperatur, durch Erhöhen der Verweildauer oder Reduzieren der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls der Energieeintrag erhöht wird, und dass für Positionen, an denen die Ist-Temperatur höher ist als die Soll-Temperatur, durch Reduzieren der Verweildauer oder Erhöhen der Verfahrgeschwindigkeit der Energieeintrag reduziert wird.
Es kann auch vorgesehen sein, den Temperatursensor oberhalb der Reflektoreinrichtung 25 anzuordnen und die Reflektoreinrichtung 25 (bzw. die beiden Umlenkspiegel 27, 29) aus einem für die mittels des Temperatursensors zu erfassende Wärmestrahlung transparenten Material auszubilden.
Die Fügevorrichtung 1 weist zudem einen Positionssensor 39 auf, der derart eingerichtet ist, dass von ihm die Lage der Zuführposition D erfassbar ist. Wie in 2 veranschaulicht, ist das Ende des Zusatzwerkstoff-Drahtes 5 aufgrund der Vorschubbewegung entgegen der Vorschubrichtung 31 verbogen, sodass die effektive Zuführposition D nicht direkt unterhalb der Zuführdüse 7 liegt und sich während des Fügeprozesses (leicht) ändern kann. Die Steuervorrichtung 35 ist mit dem Positionssensor 39 verbunden und derart eingerichtet, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von der mittels des Positionssensors 39 erfassten Lage der Zuführposition D eingestellt bzw. nachgeregelt wird. Indem das Energieeintragsprofil stets an die jeweils aktuelle Lage der Zuführposition angepasst wird, kann z.B. sichergestellt werden, dass die Abschmelzleistung auch tatsächlich exakt an der Drahtspitzenposition D eingekoppelt wird und nicht daneben auf den Werkstücken 3, sodass eine vorgegebene Abschmelzrate zuverlässig realisiert werden kann.
Des Weiteren weist die Fügevorrichtung 1 einen Abstandssensor 41 auf, mittels dessen der Abstand H (siehe 2) zwischen der Zuführdüse 7 und den Werkstücken 3 erfassbar ist. Die Steuervorrichtung 35 ist mit dem Abstandssensor 41 verbunden und derart eingerichtet, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem mittels des Abstandssensors 41 erfassten Abstands H eingestellt bzw. nachgeregelt wird. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 35 derart eingerichtet, dass von ihr mittels entsprechender Regelung des Energieeintragsprofils (insbesondere der Abschmelzleistung) die Abschmelzrate derart an die Zuführrate, mit der das Zusatzwerkstoff zugeführt wird, angepasst wird, dass die Abschmelzrate und die Zuführrate identisch sind und somit der Abstand H zwischen der Zuführeinrichtung 7 und den Werkstücken 3 zeitlich konstant bleibt.
Mittels Schwenkens des Scannerspiegels 19 um die erste Schwenkachse ist die Auftreffposition des Laserstrahls 15 auf den Werkstücken 3 parallel zur bzw. entlang der Vorschubrichtung verfahrbar (d.h. vorliegend entlang der x-Richtung). Die Strahlführungseinrichtung 11 ist zudem derart ausgebildet, dass die Auftreffposition des Laserstrahls 15 auf den Werkstücken 3 zusätzlich auch quer zur Vorschubrichtung 31 verfahrbar ist, d.h. entlang der y-Richtung verfahrbar ist. Zu diesem Zweck ist der Scannerspiegel-Antrieb 21 derart ausgebildet, dass der Scannerspiegel 19 (zusätzlich zu der Schwenkbewegung um die erste, parallel zur y-Richtung verlaufende Schwenkachse) um eine zweite, in der xz-Ebene verlaufende Schwenkachse herum schwenkbar ist.
Die Steuereinrichtung 35 ist derart eingerichtet, dass von ihr die quer zur Vorschubrichtung 31 erfolgende Auslenkung des Laserstrahls 15 auf den Werkstücken 3 in Abhängigkeit von der bezüglich der Vorschubrichtung (hier: der x-Richtung) vorliegenden Auftreffposition des Laserstrahls 15 variiert wird. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 35 derart eingerichtet, dass von ihr mittels entsprechender Ansteuerung des Scannerspiegel-Antriebs 21 die von dem Laserstrahl 15 bei Positionierung desselben vor und nach der Zuführposition D überstrichenen Bereiche eine größere Breite (entlang der y-Richtung) aufweisen, als bei Positionierung des Laserstrahls 15 an bzw. auf der Zuführposition D. Dadurch kann in den Bereichen vor und nach der Zuführposition D ein flächiges Erwärmen erfolgen, wohingegen an der Drahtspitzenposition D ein gebündelter Energieeintrag erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Fügevorrichtung
3: Werkstücke
5: Zusatzwerkstoff / Draht
7: Zuführeinrichtung / Zuführdüse
8: Träger
9: Gehäuse
10: Teleskoparm
11: Strahlführungseinrichtung
12: Höhenverstellung
13: Lichtleitfaser
15: Lichtstrahl / Laserstrahl
17: Kollimationsoptik
19: bewegbarer Scannerspiegel
21: Scannerspiegel-Antrieb
23: Schwenkbewegung des Scannerspiegels
25: Reflektoreinrichtung
27: erster Reflektorabschnitt / erster Umlenkspiegel
29: zweiter Reflektorabschnitt / zweiter Umlenkspiegel
31: Vorschubrichtung / Vorschubbewegung
33: Fokussieroptik
35: Steuervorrichtung
37: Temperatursensor
39: Positionssensor
41: Abstandssensor
D: Zuführposition / Drahtspitzenposition
V: Vorlauf-Bereich / Vorwärm-Bereich
N: Nachlauf-Bereich / Nachbearbeitungs-Bereich
H: Abstand zwischen Zuführeinrichtung und Werkstücken

Claims

Fügevorrichtung (1) zum thermischen Fügen von Werkstücken (3) mittels eines Zusatzwerkstoffs (5), wobei die Fügevorrichtung (1) während des Fügens entlang einer Vorschubrichtung (31) relativ zu den Werkstücken (3) verfahren wird, aufweisend: – eine Zuführeinrichtung (7), die derart ausgebildet ist, dass von ihr der Zusatzwerkstoff (5) an einer Zuführposition (D) zuführbar ist, und – eine Strahlführungseinrichtung (11) zum Führen eines Lichtstrahls (15), dadurch gekennzeichnet, dass – die Strahlführungseinrichtung (11) einen Scannerspiegel (19) und eine Reflektoreinrichtung (25) mit einem ersten (27) und einem zweiten (29) Reflektorabschnitt aufweist, wobei – der Scannerspiegel (19) derart angeordnet und derart mittels eines Scannerspiegel-Antriebs (21) bewegbar ist, dass der Lichtstrahl (15) mittels einer Bewegung des Scannerspiegels (19) zwischen dem ersten Reflektorabschnitt (27) und dem zweiten Reflektorabschnitt (29) hin und her bewegbar ist, – wobei der erste Reflektorabschnitt (27) derart angeordnet ist, dass darauf auftreffendes Licht des Lichtstrahls (15) von ihm in einen Bereich (V) reflektiert wird, der sich von der Zuführposition (D) aus in Vorschubrichtung (31) erstreckt, und wobei der zweite Reflektorabschnitt (29) derart angeordnet ist, dass darauf auftreffendes Licht des Lichtstrahls (15) von ihm in einen Bereich (N) reflektiert wird, der sich von der Zuführposition (D) aus entgegen der Vorschubrichtung (31) erstreckt, und – wobei die Fügevorrichtung (1) eine Steuervorrichtung (35) aufweist, die mit dem Scannerspiegel-Antrieb (21) verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr der mittels des Lichtstrahls (15) in den Bereichen vor (V), an (D) und nach (N) der Zuführposition (D) erfolgende Energieeintrag gemäß einem Energieeintragsprofil variabel einstellbar ist, indem von der Steuervorrichtung (35) basierend auf dem Energieeintragsprofil ein Scannerspiegel-Bewegungsprofil erstellt wird und der Scannerspiegel-Antrieb (21) gemäß dem Scannerspiegel-Bewegungsprofil angesteuert wird.
Fügevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Reflektorabschnitt (27) eine erste Reflektorflächennormale aufweist, der zweite Reflektorabschnitt (29) eine zweite Reflektorflächennormale aufweist, und die erste Reflektorflächennormale eine andere Richtung aufweist als die zweite Reflektorflächennormale.
Fügevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reflektoreinrichtung (25) zwei ebene Spiegel (27, 29) aufweist, wobei der erste Reflektorabschnitt (27) von dem ersten Spiegel (27) gebildet ist und der zweite Reflektorabschnitt (29) von dem zweiten Spiegel (29) gebildet ist.
Fügevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reflektoreinrichtung (25) einen Spiegel mit einer gekrümmten Spiegelfläche aufweist, und wobei der erste Reflektorabschnitt von einem ersten Abschnitt der gekrümmten Spiegelfläche gebildet ist und der zweite Reflektorabschnitt von einem zweiten Abschnitt der gekrümmten Spiegelfläche gebildet ist.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend einen Temperatursensor (37), der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm die Temperatur an einer oder mehreren Positionen der Fügestelle (N, D, V) und/oder des zugeführten Zusatzwerkstoffs (5) erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung (35) mit dem Temperatursensor (37) verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Temperatursensors (37) eingestellt wird.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend einen Positionssensor (39), der derart eingerichtet ist, dass von ihm die Lage der Zuführposition (D) erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung (35) mit dem Positionssensor (39) verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Positionssensors (39) eingestellt wird.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend einen Abstandssensor (41), der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von ihm der Abstand (H) zwischen der Zuführeinrichtung (7) und den Werkstücken (3) erfassbar ist, wobei die Steuervorrichtung (35) mit dem Abstandssensor (41) verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr das Energieeintragsprofil in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Abstandssensors (41) eingestellt wird.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strahlführungseinrichtung (11) derart ausgebildet ist, dass der Lichtstrahl (15) von ihr quer zur Vorschubrichtung (31) auslenkbar ist.
Fügevorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuervorrichtung (35) derart eingerichtet ist, dass von ihr die quer zur Vorschubrichtung (31) erfolgende Auslenkung des Lichtstrahls (15) in Abhängigkeit von der bezüglich der Vorschubrichtung (31) vorliegenden Auftreffposition des Lichtstrahls (15) variiert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Energie des Lichtstrahls (15) gemäß einem Energieeintragsprofil auf die bezüglich der Vorschubrichtung vor (V), an (D) und nach (N) der Zuführposition (D) liegenden Bereiche auf den Werkstücken (3) verteilt wird, indem der Scannerspiegel (19) mittels der Steuervorrichtung (35) derart zwischen dem ersten (27) und dem zweiten (29) Reflektorabschnitt hin und her bewegt wird, dass der Energieeintrag auf den Werkstücken (3) gemäß dem Energieeintragsprofil erfolgt.