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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserschweißen umfassend eine Laserlichtquelle, die Mittel zur Erzeugung eines auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteten Laserstrahls aufweist sowie Mittel zur Positionierung und zum kontinuierlichen Verfahren des Laserstrahls in zumindest einer Raumebene, weiterhin umfassend eine Zuführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter und einer Fördereinheit für einen Schweißdraht als Zusatzwerkstoff, wobei sich der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit in Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Laserstrahl befindet.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen zum Laserschweißen werden in diversen Industriezweigen eingesetzt. Insbesondere bei den in der chemischen Industrie verwendeten Werkstoffen ist oftmals die Verwendung eines Schweißdrahtes als Zusatzwerkstoff erforderlich. Üblicherweise wird der Zusatzwerkstoff vorlaufend in Richtung der Schweißnaht zugeführt, um eine gleichmäßige Naht zu erzielen und ein Kreuzen von Draht und Laserstrahl zu vermeiden.
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In der Offenlegungsschrift
DE 100 47 056 A1 ist eine Vorrichtung zum Laserlöten oder Laserschweißen beschrieben, die eine Laserlichtquelle, einen Nahterfassungssensor und eine Drahtzuführungsleitung aufweist und bei der die Drahtzuführungsleitung durch einen Bereich verläuft, der bezüglich der Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Sensor im Bereich über der ungeschweißten Naht liegt, und von dort unter dem Sensor hindurch zur Nahtstelle geführt ist, ohne den Sensorstrahl durchquerend zu unterbrechen.
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Das Dokument
DE 10 2008 048 059 A1 offenbart eine Einrichtung zur Zuführung von Schweißdraht an die Bearbeitungsstelle beim Laserschweißen mit einer Transportvorrichtung und einem nachgeordneten Führungsrohr für den Schweißdraht. Das Führungsrohr besitzt eine Bogenform, wobei ein erster Teil des Führungsrohres überwiegend parallel zum Laserstrahl und ein zweiter Teil winklig zum ersten Teil angeordnet sind, sodass die Drahtaustrittsöffnung in Richtung des Laserstrahls bzw. der Bearbeitungsstelle weist. Die Position des Endes des Führungsrohres kann über einen Verstellmechanismus relativ zum Laserstrahl eingestellt werden.
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Eine besondere Bedeutung kommt der Zuführung des Zusatzwerkstoffes beim Schweißen von kreisbogenförmigen Nähten zu, vor allem bei kleinen Radien der Kreisbögen. Bereits geringe Schwankungen in der Positionierung des Zusatzwerkstoffes können die Schweißnahtqualität mindern und unzulässige Fehlstellen herbeiführen. Derartige Anforderungen stellen sich beispielsweise bei der Herstellung von Rohr-Boden-Verbindungen bei Wärmetauschern oder Reaktoren, bei denen ein Bündel von Rohren in Öffnungen in einer Bodenplatte zu fügen ist.
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Zur Herstellung von Rohr-Boden-Verbindungen durch Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff wird die Schweißgruppe bisher auf einem Bearbeitungstisch fixiert, welcher durch Rotation unter einer feststehenden Bearbeitungsoptik den Verlauf der Schweißbahn sowie die Schweißgeschwindigkeit definiert. Dieses Vorgehen ist jedoch durch das Gewicht bzw. die geometrischen Abmessungen der zu verschweißenden Bauteile begrenzt.
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Es stellte sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen derart weiterzubilden, dass auch bei großen oder schweren Bauteilen kreisbogenförmige Schweißnähte mit geringen Radien zuverlässig realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen umfasst eine Laserlichtquelle, die Mittel zur Erzeugung eines auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichteten Laserstrahls aufweist sowie Mittel zur Positionierung und zum kontinuierlichen Verfahren des Laserstrahls in zumindest einer Raumebene. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter und einer Fördereinheit für einen Schweißdraht als Zusatzwerkstoff, wobei sich der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit in Verlaufsrichtung der Schweißnaht vor dem Laserstrahl befindet. Die Zuführeinrichtung ist um die Laserstrahlachse drehbar angeordnet und mit einem steuerbaren Antrieb versehen, wobei die Steuerung des Antriebs derart eingerichtet ist, dass bei einer Winkeländerung der Bahn der Laserlichtquelle in der Raumebene die Zuführeinrichtung um einen entsprechenden Winkel um die Laserstrahlachse verdreht wird, um die Zuführung des Schweißdrahtes schleppend im Vorlauf des Laserstrahls zu gewährleisten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuerung des Antriebs derart eingerichtet, dass die Winkelgeschwindigkeiten der Bahn der Laserlichtquelle in der Raumebene und der Zuführeinrichtung um die Laserstrahlachse nicht mehr als 10° voneinander abweichen. Besonders bevorzugt sind die beiden Winkelgeschwindigkeiten gleich.
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Bevorzugt ist der Austritt des Zusatzwerkstoffes aus der Fördereinheit als Drahtdüse gestaltet, die aus hitzebeständigem Glas gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Drahtdüse nah an das heiße Schmelzbad heranzuführen und somit die freie Drahtlänge auf ein Minimum zu reduzieren. Neben geringen Reib- und Verschleißwerten weist die Glasdüse als weiteren Vorteil auf, dass die glatte Oberfläche des Glases ein Anhaften des glühenden Schweißdrahtes beim Herausziehen aus dem Schmelzbad am Nahtende verhindert. Dadurch wird eine präzisere und sauberere Schweißnaht ermöglicht.
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Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zuführung eines Schutzgases vorgesehen, um den heißen Draht vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in radialer Richtung um die Drahtdüse herum eine Schutzgasdüse aus einem keramischen Werkstoff angeordnet.
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Gegenüber bekannten Vorrichtungen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass ein Schweißdraht als Zusatzwerkstoff immer schleppend im Vorlauf und nahe an das Schmelzbad geführt werden kann. Dadurch können nicht nur große oder schwere Bauteile bearbeitet werden, die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch die Fertigung von neuartigen Milli-Rohrbündelwärmetauschern durch Laserstrahlschweißen mit Schutzgas und Zusatzwerkstoff.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen 1 und 2 sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen:
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1: Rohrboden in der Draufsicht
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2: Draufsicht auf eine einzelne Rohr-Boden-Verbindung
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3: Längsschnitt durch eine Rohr-Boden-Verbindung
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrboden
- 3
- Bohrung im Rohrboden
- 5
- Rohrende
- 7
- Rohr-Boden-Verbindung
- 9
- Brennfleck des Laserstrahls
- 11
- Zuführeinrichtung
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1 zeigt schematisch einen Rohrboden 1 in der Draufsicht mit mehreren Reihen von Bohrungen 3 im Rohrboden. In die Bohrungen 3 sind zu verschweißende Rohre mit ihren Rohrenden 5 eingesetzt. In den obersten beiden Reihen sind die Rohr-Boden-Verbindungen 7 durch Verschweißen bereits ausgeführt, was durch die schwarzen Füllungen symbolisiert ist. Bei den restlichen sieben Reihen wurde die Verbindung noch nicht vorgenommen.
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In 2 ist eine einzelne Rohr-Boden-Verbindung schematisch in der Draufsicht dargestellt. Die linke Abbildung stellt den Beginn des Schweißprozesses dar, bei dem der Brennfleck 9 des Laserstrahls auf den äußersten linken Punkt der zu fügenden Schweißnaht gesetzt ist. Die Zuführeinrichtung 11 befindet sich in tangentialer Richtung im Vorlauf der Schweißnaht.
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In der rechten Abbildung ist der Schweißprozess zu einem Zeitpunkt dargestellt, zu dem die Rohr-Boden-Verbindung 7 zu etwa zwei Fünftel fertiggestellt ist. Der Brennfleck des Laserstrahls befindet sich um den Winkel α gegenüber der Startposition verdreht. Erfindungsgemäß wurde auch die Zuführeinrichtung 11 gegenüber ihrer ursprünglichen Ausrichtung um den Winkel β verdreht, sodass sie sich wieder in tangentialer Richtung im Vorlauf der Schweißnaht befindet. Die Drehachse der Zuführeinrichtung 11 entspricht der Achse des Laserstrahls. Vorzugsweise ist die Steuerung des Antriebs der Zuführeinrichtung 11 derart ausgelegt, dass die Winkel α und β gleich groß sind.
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Beispiel
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Die Optikeinheit eines Alpha Laser AL 200 (Firma Alpha Laser Gmbh, 82178 Puchheim) wurde derart modifiziert, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung erhalten wurde. Am Schutzglas-Wechselsystem der Laserschweißanlage wurde ein Antrieb angebracht, der die NC-gesteuerte Rotation der Drahtzuführeinrichtung um die Laserstrahlachse erlaubt. Die Zuführeinrichtung umfasste sowohl einen Vorratsbehälter und eine Fördereinheit für einen Schweißdraht als auch Leitungen und Düsen zur Zuführung eines Schutzgases an die Bearbeitungsstelle. Das Laser-Schutzglas, die integrierte Absaugung und der Berührungsschutz waren auf einer Kunststoffscheibe an der Optikeinheit fixiert und rotierten nicht im Verhältnis zur Laserachse.
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Die Bahnbewegung des Brennflecks des Lasers wurde durch das Verfahren der gesamten Optikeinheit mittels NC-gesteuerter Linearachsen erzeugt und Winkeländerungen α bei der Bahnbewegung erfasst. Auf Basis dieser Winkeländerungen α berechnete die Steuerung des Antriebs der Zuführeinrichtung entsprechende Winkeländerungen β der Zuführeinrichtung gegenüber ihrer Ausgangslage um die Laserstrahlachse. Dadurch wurde sichergestellt, dass die Zugabe des Schweißdrahtes als Zusatzwerkstoff immer schleppend im Vorlauf erfolgte.
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Die Drahtdüse, aus der der Schweißdraht austritt, war aus hitzebeständigem Glas gefertigt. Dadurch konnte die Drahtdüse nah an das heiße Schmelzbad herangeführt werden, was die freie Drahtlänge auf ein Minimum reduzierte. Zudem verhinderte die glatte Oberfläche der Glasdüse ein Anhaften des glühenden Schweißdrahtes beim Herausziehen aus dem Schmelzbad am Nahtende. Durch die Verwendung entsprechender Glasdüsen konnten Drahtdurchmesser ab 0,3 mm eingesetzt werden. Die Drahtdüse war von einer keramischen Schutzgasdüse ummantelt. Dadurch wurde der heiße Draht gegen atmosphärische Einflüsse geschützt. Mit dieser Anordnung konnten Störeinflüsse durch undefinierte Drahtpositionen deutlich reduziert werden.
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3 zeigt einen geätzten Querschliff einer Rohr-Boden-Verbindung 7, die durch Laserstrahlschweißen mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt wurde. Die Schweißverbindung 7 ist ca. 0,7 mm tief und wurde mehrlagig mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff unter Schutzgas ausgeführt. Die Verbindung fügt das links dargestellte feinkörnige Rohr 5 mit dem rechts dargestellten grobkörnigen Rohrboden 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10047056 A1 [0003]
- DE 102008048059 A1 [0004]
