DE19630521A1

DE19630521A1 - Verfahren zum nebenzeitlosen Laser-Schweißen von Werkstücken in einer Fertigungslinie und Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE19630521A1
Application number: DE19630521A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schroeder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-02-05

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum ne benzeitlosen Laserschweißen von Werkstücken in einer Fer tigungslinie sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des selben.

Die Lasertechnik dient als weit verbreitetes Fertigungs verfahren zur Herstellung von Zuschnitten (Laser schneiden), zum Verschweißen von Bauteilen (Laserschwei ßen), Härten, Beschriften usw. Ein großes Einsatzspektrum mit zunehmender Bedeutung eröffnet sich beim Laserschwei ßen. Hier hat die Lasertechnik das Potential, auf breiter Front konventionelle Fertigungsmethoden abzulösen, und er möglicht sie aufgrund schmaler Schweißnähte und hoher Vor schubgeschwindigkeiten in Verbindung mit relativen gerin gen Wärmeverzügen neue Produktgestaltungen und andere Fer tigungsstrukturen. Gewöhnlich bestehen Laserbearbeitungs anlagen aus folgenden Komponenten:
1. Laser
Der Laser ist als eine eigenständige Komponente zu sehen, die einen Rohstrahl zur Verfügung stellt.
2. Bearbeitungsanlage
Die Bearbeitungsanlage, im Normalfall CNC-gesteuert, be wegt den Laserstrahl relativ zum Werkstück in der ge wünschten Weise.
3. Strahlführung
Die Strahlführung innerhalb der Bearbeitungsanlage erfolgt im Normalfall durch Umlenkspiegel, die den Rohstrahl bis zur Fokussiereinrichtung lenken.

Die Fokussiereinrichtung besteht je nach Anwendung aus einem Linsenbearbeitungskopf (typisch beim Laserschneiden) bzw. Spiegelbearbeitungskopf (typisch beim Laserschwei ßen).

Ein Spiegelbearbeitungskopf besteht aus bis zu drei Spie geln, von denen ein Spiegel durch speziellen Schliff die Fokussierung des Rohstrahls durchführt. Im Fokuspunkt hat der Laserstrahl je nach Lasertyp und Brennweite des Fokus sierspiegels einen Durchmesser von typischerweise 0,1 bis 0,6 mm.

Beim Laserschweißen werden die zu bearbeitenden (schwei ßenden) Werkstücke gewöhnlich mit in Abhängigkeit von de ren Geometrie mehr oder weniger aufwendigen Spannvorrich tungen in eine Zwangslage gebracht, die es ermöglicht, die Werkstücke so zu positionieren, daß die Schweißung immer an der gleichen Position erfolgt.

Zu Beginn und am Ende einer Laserschweißnaht wird zur Ver meidung von Schweißfehlern (Strahl fällt durch bzw. be schädigt das Werkstück bei plötzlicher Bereitstellung bzw. Abschaltung der vollen Energie) im Normalfall eine Schweißrampe gefahren. Dies geschieht entweder durch eine höhere Anfangs- und Endgeschwindigkeit oder durch die An steuerung der Laserleistung, indem die Laserleistung über eine Zeit bzw. Strecke kontinuierlich hoch- bzw. herunter gefahren wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, wäh rend der Verfahrbewegung der Fokussiereinrichtung einen Shutter (Strahlenfalle) zu öffnen bzw. zu schließen, was ebenfalls zu einer Schweißrampe führt.

Bei vielen Laserbearbeitungsanwendungen besteht ein krasses Mißverhältnis zwischen der zum Bearbeiten benötigten Hauptzeit (reine Bearbeitungszeit, in der der eigentliche Bearbeitungsvorgang abläuft) und der dem Werkstück zuzure chenden Durchlaufzeit. Speziell beim Laserschweißen, das sich durch hohe Schweißgeschwindigkeiten und damit kurze Hauptzeiten auszeichnet, ist die reine Schweißzeit (Haupt zeit) oftmals wesentlich geringer als die werkstückspezi fische Durchlaufzeit, die sich als die Summe der Hauptzeit und der Nebenzeiten (für z. B. Spannen, Positionieren, Um schalten, Verfahren usw.) ergibt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zum nebenzeitlosen Laserschweißen von Werkstücken in einer Fertigungslinie und eine Vorrichtung zur Durch führung desselben zu schaffen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß
(a) zu Beginn des Verfahrens ein Laserstrahl eines konti nuierlich betriebenen Lasers mit rampenartig von Null auf eine einer bestimmten Schweißnahtsolltiefe entsprechende Intensität auf eine erste Laserstrahlumlenkeinrichtung gerichtet wird, die zu einer ersten von mindestens zwei Laserstrahlführeinrichtungen mit jeweils einer Laser strahlumlenkeinrichtung und einer in der jeweiligen Um lenkrichtung dahinter angeordneten Laserstrahlfokussier einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls zur Erzielung einer für das Schweißen notwendigen Energiedichte gehört, wobei die Laserstrahlumlenkeinrichtungen in Grundpositio nen A in Richtung der Verlängerung der Laserstrahlein fallsrichtung auf die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung hintereinander angeordnet sind, während ein mit einer er sten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück ei nes Zyklus relativ zu der Laserstrahlfokussiereinrichtung der ersten Laserstrahlführeinrichtung mit einer vorgegebe nen Geschwindigkeit parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrichtung bewegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird, um eine Schweißnaht rampe zu erzielen,
(b) die Relativbewegung fortgesetzt wird, um über eine bestimmte Länge eine Schweißnaht mit einer Solltiefe zu erzielen,
(c) nachfolgend die Relativbewegung fortgesetzt wird, bis die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung mit einer vorgege benen Geschwindigkeit aus dem Laserstrahl in eine Endposi tion B herausgefahren worden ist, während gleichzeitig ein mit einer zweiten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück des Zyklus relativ zu der Laserstahlfokussier einrichtung der zweiten Laserstrahlführeinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit parallel zu der Umlenk richtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrichtung be wegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird, um gleichzeitig eine abfallende Rampe am Ende der ersten Schweißnaht und eine ansteigende Rampe zu Beginn der zwei ten Schweißnaht zu erzielen,
(d) die Schritte (b) und (c) mit jeder weiteren Laser strahlführeinrichtung bis zur einschließlich vorletzten Laserstrahlführeinrichtung wiederholt werden,
(e) der Schritt (b) mit der letzten Laserstrahlführein richtung durchgeführt wird,
(f) die letzte Relativbewegung des Zyklus fortgesetzt wird, bis die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in den Laserstrahl in ihre Grundposition A hineingefahren worden ist, während gleich zeitig ein mit einer ersten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück eines weiteren Zyklus relativ zu der Laserstrahlfokussiereinrichtung der ersten Laserstrahl führeinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laser strahlumlenkeinrichtung bewegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird,
(g) die Schritte (b), (c), (d) und (e) durchgeführt wer den, wobei vorab die jeweiligen Laserstrahlumlenkeinrich tungen in ihre Grundpositionen A gebracht und die jeweili gen Werkstücke des vorangehenden Zyklus jeweils durch neue unbearbeitete Werkstücke ersetzt worden sind,
(h) die Schritte (f) und (g) für jeden weiteren Zyklus durchgeführt werden, und
(i) am Ende des Verfahrens der Schritt (a) mit umgekehrter Intensitätsführung (abfallende Rampe) durchgeführt wird.

Diese Aufgabe zudem gelöst durch eine Vorrichtung mit

- einer Lasereinrichtung,
- einer Einrichtung zum Variieren einer Laserstrahlinten sität nach dem Austritt aus der Lasereinrichtung,
- mindestens einer Halterungseinrichtung für ein Werk stück,
- mindestens zwei Laserstrahlführeinrichtungen mit jeweils einer Laserstrahlumlenkeinrichtung und einer in der je weiligen Umlenkrichtung dahinter angeordneten Laser strahlfokussiereinrichtung zum Fokussieren des Laser strahls, wobei die Laserstrahlumlenkeinrichtungen in Richtung der Verlängerung der Laserstrahleinfallsein richtung auf eine erste Laserstrahlumlenkeinrichtung hintereinander angeordnet sind und mit Ausnahme der letzten Laserstrahlumlenkeinrichtung die Laserstrahlum lenkeinrichtung(en) aus dem Laserstrahl heraus- und in den Laserstrahl hineinfahrbar sind,
- mindestens einer Einrichtung zur Durchführung einer Translations-Relativbewegung zwischen der/einer Werk stückhalterungseinrichtung und einer jeweiligen Laser strahlfokussiereinrichtung parallel zu der Umlenkrich tung der jeweiligen Laserstrahlumlenkeinrichtung und/oder ortsfesten Rotations-Bewegung der Werkstückhal terungseinrichtung, und
- einer Einrichtung zur Steuerung der Einrichtung zum Va riieren der Laserstrahlintensität, zur Steuerung des Verfahrens der Laserstrahlumlenkeinrichtungen, der Ein richtungen zur Durchführung der Relativbewegungen sowie der Aufnahme und des Auswurfs von Werkstücken in die bzw. aus den Werkstückhalterungen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß zeitlich aufeinanderfolgende Schweiß nähte eines Zyklus an verschiedenen Werkstücken angebracht werden.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgende Schweißnähte eines Zyklus an gegenüberliegenden Seiten eines jeweiligen Werkstückes angebracht werden. Damit ist es möglich, an einem Werk stück zwei Schweißnähte an gegenüberliegenden Seiten anzu bringen, ohne das Werkstück umspannen zu müssen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß zum Erzielen minde stens einer Schweißnaht ein Werkstück stationär gehalten und die zugeordnete Laserstrahlfokussiereinrichtung in der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrich tung bewegt wird.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die jeweilige Laserstrahl fokussiereinrichtung(en) in ihre jeweilige(n) Grundposi tion(en) C bewegt wird/werden, sobald mit ihr/ihnen eine jeweilige Schweißnaht angebracht worden ist.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das/die Werkstück(e) aus geworfen und durch ein unbearbeitetes Werkstück ersetzt wird/werden, sobald eine Schweißnaht/beide Schweißnähte angebracht worden ist/sind. Letztendlich ist natürlich nur wesentlich, daß das Auswechseln eines Werkstückes in einer Zeit durchgeführt wird, die kleiner als die Zykluszeit ist.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zum Erzielen mindestens einer Schweißnaht ein Werkstück gedreht wird. Dies ermöglicht es, Werkstücke mit einer rotationssymmetrischen Schweiß naht zu versehen.

Ferner kann auch vorgesehen sein, daß zum Erzielen minde stens einer Schweißnaht eine Laserstrahlfokussiereinrich tung stationär ist und das/sie jeweils damit zu bearbei tende(n) Werkstück(e) in der Umlenkrichtung der zu der/den Laserstrahlfokussiereinrichtung(en) gehörigen Laserstrahl umlenkeinrichtung(en) bewegt wird/werden.

Vorzugsweise werden die Laserstrahlumlenkeinrichtungen mit einer Geschwindigkeit

verfahren,
mit
s: Schweißnahtrampensollänge
u: Geschwindigkeit der Laserstrahlumlenkeinrichtung
v: Geschwindigkeit der Laserstrahlfokussiereinrichtung
w: Verfahrweg der Laserstrahlumlenkeinrichtung.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Laserleistung während der Schrit te (b) bis (h) in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe va riiert wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit der Schweißvorgänge während der Schritte (b) bis (h) in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe variiert wird.

Günstigerweise werden die Bewegungsabläufe mittels einer Steuerung durchgeführt.

Vorteilhafterweise wird die Laserleistung mittels einer/ der Steuerung variiert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Einrich tung zur Steuerung der Leistung der Lasereinrichtung vor gesehen sein.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung zum Variieren der Laserstrahlintensität einen Shutter umfaßt.

Vorzugsweise umfaßt/umfassen die Halterungseinrichtung(en) jeweils eine Spanneinrichtung.

Günstigerweise umfaßt/umfassen die Halterungseinrich tung(en) jeweils eine Auswurfeinrichtung.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Laserstrahlumlenkeinrichtung(en) jeweils einen Umlenkspiegel umfaßt/umfassen.

Vorzugsweise bewirkt/bewirken der/die Umlenkspiegel eine Umlenkung von 90°.

Vorzugsweise weist/weisen der/die Umlenkspiegel eine rechteckige Spiegelfläche auf.

Vorteilhafterweise umfaßt/umfassen die Laserstrahlfokus siereinrichtung(en) jeweils einen Fokussierspiegel.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der/die Fokussierspiegel den auf den jeweiligen Fokussierspiegel treffenden Laser strahl um 90° umlenkt/umlenken.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfin dung kann vorgesehen sein, daß zum einseitigen Schweißen jedes Werkstückes jedem Werkstück genau eine Laserstrahl führeinrichtung zugeordnet ist.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß zum zeitlich aufeinanderfolgenden beidseitigen Schweißen jedes Werk stückes jedem Werkstück genau zwei Laserstrahlführeinrich tungen zugeordnet sind, wobei die beiden zugehörigen La serstrahlfokussiereinrichtungen auf gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Werkstückes derart angeordnet sind, daß der Laserstrahl zeitlich nacheinander in entgegenge setzten Richtungen fokussiert wird.

Auch kann vorgesehen sein, daß mindestens eine Einrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung eine Einrichtung zum Verfahren einer Werkstückhalterung parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrich tung umfaßt.

Desweiteren ist auch denkbar, daß mindestens eine Ein richtung zur Durchführung einer Relativbewegung eine Ein richtung zum Verfahren einer Laserstrahlfokussiereinrich tung parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laser strahlumlenkeinrichtung umfaßt.

Ferner kann auch mindestens eine Einrichtung zur Durchfüh rung einer Relativbewegung eine Einrichtung zum ortsfesten Drehen einer jeweiligen Werkstückhalterung umfassen.

Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Laserstrahlführein richtungen derart gewählt, daß der Vorgang des Auswerfens eines geschweißten Werkstückes sowie die Aufnahme eines neuen Werkstückes in einer jeweiligen Werkstückhalterung vor Beginn eines neuen Bearbeitungszyklus abgeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß kontinuierlich Werkstücke geschweißt werden.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die Steuereinrich tung eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) umfaßt.

Diese Steuereinrichtung kann zur Steuerung der Bewegungs abläufe, der Geschwindigkeiten der Schweißvorgänge und der Laserleistung dienen.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch das erfindungsgemäße gleichzeitige Erzeugen ei ner abfallenden Rampe einer Schweißnaht und einer anstei genden Rampe einer nachfolgenden Schweißnaht eine Haupt zeitreduzierung der einzelnen Schweißnähte um die Zeit, die für eine Rampe einer Schweißnaht benötigt wird, sowie ein nebenzeitloses Schweißen innerhalb eines Schweißzyklus erreicht wird. Entsprechend einer besonderen Ausführungs form des Verfahrens wird durch das erfindungsgemäße Aus nutzen der Zyklus zeit zum Auswechseln der bearbeiteten Werkstücke sogar ein kontinuierliches Schweißen, d. h. ohne Nebenzeiten über mehrere Bearbeitungszyklen, erzielt. Dies führt bei vielen Anwendungen zu einer drastischen Kosten reduzierung. Darüber hinaus sind die Verfahreinrichtungen einfacher und damit kostengünstiger zu realisieren und z. B. durch eine SPS-Steuerung ansteuerbar. Darüber hinaus läßt sich die Lasereinrichtung mit einer konstanten Lei stung betreiben, wodurch eine längere Lebensdauer des La sers erzielt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dreifach-Vorrichtung zum Anbringen einer Schweißnaht pro Werkstück;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verfahrensab laufs bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zweifach-Vorrichtung zum Anbringen zweier Schweißnähte pro Werkstück; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verfahrensab laufs bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä ßen Dreifach-Vorrichtung zum Anbringen einer Schweißnaht pro Werkstück. Hinter der Austrittsöffnung einer Laserein richtung 10 befindet sich in dem Strahlengang eines Laser strahls 11 ein Shutter 12. In der Verlängerung der Aus breitungsrichtung des Laserstrahls 11 befinden sich hin tereinander drei Laserstrahlführeinrichtungen 14, 16 und 18. Jede dieser Laserstrahlführeinrichtungen 14, 16 und 18 umfaßt einen Laserstrahlumlenkspiegel 14a, 16a bzw. 18a sowie einen Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b bzw. 18b. Die Laserstrahlumlenkspiegel 14a, 16a und 18a weisen eine rechteckige Spiegelfläche auf, da ansonsten der runde La serstrahl nicht gleichmäßig beim Hinein- bzw. Hinausfahren aus dem Laserstrahl 11 auf den folgenden Laserstrahlum lenkspiegel übertragen wird. Die Laserstrahlumlenkspiegel 14a, 16a und 18a sind in ihren Grundpositionen, die mit A gekennzeichnet sind, auf einer Linie in dem Strahlengang angeordnet und bewirken eine Umlenkung des Laserstrahls 11 um 90°. Die Laserstrahlumlenkspiegel 14a und 16a sind aus ihren jeweiligen Grundpositionen A in Richtung der Verlän gerung ihrer jeweiligen Umlenkrichtung aus dem Strahlen gang in ihre jeweiligen Endpositionen B herausfahrbar. Der Laserstrahlumlenkspiegel 18a kann dagegen feststehend gestaltet sein. Die Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b und 18b lenken den Laserstrahl 11 um 90° um und fokussie ren ihn auf ein jeweiliges zu schweißendes Werkstück 20, 22 bzw. 24, das in einer nicht gezeigten Halterung ge spannt ist. Alle drei Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b und 18b sind aus einer jeweiligen Grundposition C in Rich tung der Umlenkrichtung des jeweiligen Laserstrahlumlenk spiegels 14a, 16a bzw. 18a verfahrbar. Die Laserstrahlfo kussierspiegel 14b, 16b und 18b können je nach Vorrich tungskonstruktion bzw. Lage der Werkstücke um 90° in alle Richtungen gedreht werden. Voraussetzung ist jedoch, daß der Verfahrweg immer in Richtung der Laserstrahlumlenk spiegel 14a, 16a bzw. 18a ist.

Das Laserschweißen von Werkstücken in einer Fertigungsli nie mit einer wie in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung läuft nun folgendermaßen ab:
Zu Beginn befinden sich die Laserstrahlumlenkspiegel 14a, 16a und 18a in ihrer jeweiligen Grundposition A und die Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b und 18b in ihrer je weiligen Grundposition C. Die Lasereinrichtung 10 läuft mit vorgegebener Leistung und der Shutter 12 ist geschlos sen. Für den Start wird eine Steuerung, z. B. SPS, CNC etc. (nicht gezeigt), betätigt. Der Shutter 12 öffnet und gleichzeitig fährt der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil ge kennzeichnete Richtung, was zu Beginn zu einer Schweiß nahtrampe führt. Mit Beginn des vorab festgelegten Schweißnahtrampenbereichs am Ende der Schweißnaht beginnt der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a aus seiner Grundpo sition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der zweite Laserstrahlfokussierspiegel 16b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a sei ne Endposition B erreicht hat, ist das Werkstück 20 fer tiggeschweißt. Der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 20 wird ausgeworfen und ein neues Werkstück wird eingespannt. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbereichs am Ende der zwei ten Schweißnaht beginnt der zweite Laserstrahlumlenkspie gel 16a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der dritte Laserstrahlfokussier spiegel 18b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der zweite Laser strahlumlenkspiegel 16a seine Endposition erreicht hat, ist das Werkstück 22 fertiggeschweißt. Der zweite Laser strahlfokussierspiegel 16b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 22 wird ausgeworfen und ein neues Werkstück wird gespannt. Mit Beginn des Schweißnahtrampen bereichs am Ende der dritten Schweißnaht beginnt der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a in seine Grundposition A zu fahren und zeitgleich startet der erste Laserstrahlfokus sierspiegel 14b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laser strahlumlenkspiegel 14a seine Grundposition A erreicht hat, ist das Werkstück 24 fertiggeschweißt. Der dritte Laserstrahlfokussierspiegel 18b fährt in seine Grundposi tion C zurück. Das Werkstück 24 wird ausgeworfen und ein neues Werkstück wird gespannt. Zusätzlich fährt der zweite Laserstrahlumlenkspiegel 16a in seine Grundposition A zu rück. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbereichs am Ende der ersten Schweißnaht des zweiten Zyklus beginnt der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine End position B zu fahren und zeitgleich startet der zweite Laserstrahlfokussierspiegel 16b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a seine Endposition B erreicht hat, ist das Werkstück 20 des zweiten Zyklus fer tiggeschweißt. Der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 20 des zweiten Zyklus wird ausgeworfen und ein neues Werk stück wird gespannt. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbe reichs am Ende der zweiten Schweißnaht des zweiten Zyklus beginnt der zweite Laserstrahlumlenkspiegel 16a aus der Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der dritte Laserstrahlfokussierspiegel 18b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeich nete Richtung. Wenn der zweite Laserstrahlumlenkspiegel 16a seine Endposition B erreicht hat, ist das Werkstück 22 des zweiten Zyklus fertiggeschweißt. Der zweite Laser strahlfokussierspiegel 16b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 22 des zweiten Zyklus wird ausgewor fen und ein neues Werkstück wird gespannt.

Fig. 2a bis 2c zeigen für einen Ausschnitt über mehrere Zyklen den zeitlichen Verlauf der Verfahrstrecke der je weiligen Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b und 18b aus der jeweiligen Grundposition C, Fig. 2d bis 2f den zeitli chen Verlauf der Verfahrstrecke der jeweiligen Laser strahlumlenkspiegel 14a, 16a und 18a aus der jeweiligen Grundposition A, Fig. 2g bis 2i den zeitlichen Verlauf der Schweißnahttiefen n der jeweiligen Werkstücke 20, 22 und 24 und Fig. 2j die zeitliche Öffnungsfunktion des Shut ters. Theoretisch kann der das Schweißen von in drei ne beneinander angeordneten Halterungen aufgenommenen Werk stücken umfassende Zyklus beliebig oft ohne Nebenzeiten wiederholt werden, wodurch ein kontinuierliches Schweißen resultiert.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä ßen Zweifach-Vorrichtung zum Anbringen zweier Schweißnähte pro Werkstück. Im folgenden soll nur auf die Unterschiede zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung eingegangen werden. Im Prinzip umfaßt die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung le diglich eine weitere Laserstrahlführeinrichtung, nämlich 26, die wiederum einen vierten Laserstrahlumlenkspiegel 26a und eine vierten Laserstrahlfokussierspiegel 26b um faßt. Die Laserstrahlfokussierspiegel 14b und 16b sowie 18b und 26b sind jedoch derart angeordnet, daß an den da zwischen befindlichen Werkstücken 20 bzw. 22 Schweißnähte an zwei gegenüberliegenden Seiten angebracht werden kön nen. Der Ablauf des Schweißverfahrens bei der erfindungs gemäßen Zweifach-Vorrichtung sieht wie folgt aus:
Durch Betätigen einer Steuerung (nicht gezeigt) wird ein Shutter 12 geöffnet und gleichzeitig fährt der erste La serstrahlfokussierspiegel 14b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Mit Be ginn des vorab festgelegten Schweißnahtrampenbereichs am Ende der ersten Schweißnaht beginnt der erste Laserstrahl umlenkspiegel 14a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der zweite Laserstrahlfo kussierspiegel 16b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laser strahlumlenkspiegel 14a seine Endposition B erreicht hat, ist die erste Schweißnaht fertig geschweißt. Der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b fährt in seine Grundposi tion C zurück. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbereichs am Ende der zweiten Schweißnaht des ersten Werkstücks 20 be ginnt der zweite Laserstrahlumlenkspiegel 16a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der dritte Laserstrahlfokussierspiegel 18b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeich nete Richtung. Wenn der zweite Laserstrahlumlenkspiegel 16a seine Endposition B erreicht hat, ist das Werkstück 20 beidseitig fertig geschweißt. Der zweite Laserstrahlfokus sierspiegel 16b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 20 wird ausgeworfen und ein neues Werkstück wird gespannt. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbereichs am Ende der ersten Schweißnaht des zweiten Werkstücks 22 beginnt der dritte Laserstrahlumlenkspiegel 18a aus seiner Grund position A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der vierte Laserstrahlfokussierspiegel 26b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der dritte Laserstrahlumlenkspiegel 18a seine Endposition B erreicht hat, ist die erste Schweiß naht des zweiten Werkstücks 22 fertig geschweißt. Der dritte Laserstrahlfokussierspiegel 18b fährt in seine Grundposition C zurück. Mit Beginn des Schweißnahtrampen bereichs am Ende der zweiten Schweißnaht des zweiten Werk stücks 22 beginnt der Laserstrahlumlenkspiegel 14a in sei ne Grundposition A zu fahren und zeitgleich startet der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laserstrahlumlenkspiegel 14a sei ne Grundposition A erreicht hat, ist das Werkstück 22 beidseitig fertig geschweißt. Der Laserstrahlfokussier spiegel 26b fährt in seine Grundposition C zurück. Das Werkstück 22 wird ausgeworfen und ein neues Werkstück wird gespannt. Zusätzlich fahren die Laserstrahlumlenkspiegel 16a und 18a in ihre Grundpositionen A zurück. Mit Beginn des Schweißnahtrampenbereichs am Ende der ersten Schweiß naht des zweiten Zyklus beginnt der Laserstrahlumlenkspie gel 14a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der zweite Laserstrahlfokussier spiegel 16b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Wenn der erste Laser strahlumlenkspiegel 14a seine Endposition B erreicht hat, ist die erste Schweißnaht fertig geschweißt. Der erste Laserstrahlfokussierspiegel 14b fährt in seine Grundposition C zurück. Mit Beginn des Schweißnahtrampen bereichs am Ende der zweiten Schweißnaht beginnt der zwei te Laserstrahlumlenkspiegel 16a aus seiner Grundposition A in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung in seine Endposition B zu fahren und zeitgleich startet der dritte Laserstrahlfokussierspiegel 18b aus seiner Grundposition C in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung. Dies kann für eine Vielzahl von Werkstücken wiederholt werden.

Die Fig. 4a bis d zeigen den zeitlichen Verlauf der Ver fahrstrecke der jeweiligen Laserstrahlfokussierspiegel 14b, 16b, 18b und 26b aus der Grundposition C, die Fig. 4e bis 4h zeigen die zeitlichen Verläufe der Verfahrstrecken der jeweiligen Laserstrahlumlenkspiegel 14a, 16a, 18a und 26a, Fig. 4i zeigt die Tätigkeiten der Spannvorrichtungen in Abhängigkeit von der Zeit (Kästchen bedeuten Auswerfen eines fertigen Werkstückes und Spannen eines neuen Werk stückes) sowie die Fig. 4j und 4k zeigen die zeitlichen Verläufe der Schweißnahttiefen der Werkstücke 20 bzw. 22.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Lasereinrichtung
11 Laserstrahl
12 Shutter
14 erste Laserstrahlführeinrichtung
14a erster Laserstrahlumlenkspiegel
14b erster Laserstrahlfokussierspiegel
16 zweite Laserstrahlführeinrichtung
16a zweiter Laserstrahlumlenkspiegel
16b zweiter Laserstrahlfokussierspiegel
18 dritte Laserstrahlführeinrichtung
18a dritter Laserstrahlumlenkspiegel
18b dritter Laserstrahlfokussierspiegel
20, 22, 24 Werkstücke
26 vierte Laserstrahlführeinrichtung
26a vierter Laserstrahlumlenkspiegel
26b vierter Laserstrahlfokussierspiegel
A Grundposition der Laserstrahlumlenkspiegel
B Endposition der Laserstrahlfokussierspiegel
C Grundposition der Laserstrahlfokussierspiegel
n Schweißnahtsolltiefe.

Claims

1. Verfahren zum nebenzeitlosen Laser-Schweißen von Werk stücken in einer Fertigungslinie, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) zu Beginn des Verfahrens ein Laserstrahl eines konti nuierlich betriebenen Lasers mit rampenartig von Null auf eine einer bestimmten Schweißnahtsolltiefe entsprechende Intensität auf eine erste Laserstrahlumlenkeinrichtung gerichtet wird, die zu einer ersten von mindestens zwei Laserstrahlführeinrichtungen mit jeweils einer Laser strahlumlenkeinrichtung und einer in der jeweiligen Umlenkrichtung dahinter angeordneten Laserstrahlfokussier einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls zur Erzielung einer für das Schweißen notwendigen Energiedichte gehört, wobei die Laserstrahlumlenkeinrichtungen in Grundpositio nen A in Richtung der Verlängerung der Laserstrahlein fallsrichtung auf die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung hintereinander angeordnet sind, während ein mit einer er sten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück ei nes Zyklus relativ zu der Laserstrahlfokussiereinrichtung der ersten Laserstrahlführeinrichtung mit einer vorgegebe nen Geschwindigkeit parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrichtung bewegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird, um eine Schweißnaht rampe zu erzielen,
(b) die Relativbewegung fortgesetzt wird, um über eine bestimmte Länge eine Schweißnaht mit Solltiefe zu erzie len,
(c) nachfolgend die Relativbewegung fortgesetzt wird, bis die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung mit einer vorgege benen Geschwindigkeit aus dem Laserstrahl in eine Endposi tion B herausgefahren worden ist, während gleichzeitig ein mit einer zweiten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück des Zyklus relativ zu der Laserstahlfokussier einrichtung der zweiten Laserstrahlführeinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit parallel zu der Umlenk richtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrichtung be wegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird, um gleichzeitig eine abfallende Rampe am Ende der ersten Schweißnaht und eine ansteigende Rampe zu Beginn der zwei ten Schweißnaht zu erzielen,
(d) die Schritte (b) und (c) mit jeder weiteren Laser strahlführeinrichtung bis zur einschließlich vorletzten Laserstrahlführeinrichtung wiederholt werden,
(e) der Schritt (b) mit der letzten Laserstrahlführein richtung durchgeführt wird,
(f) die letzte Relativbewegung des Zyklus fortgesetzt wird, bis die erste Laserstrahlumlenkeinrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in den Laserstrahl in ihre Grundposition A hineingefahren worden ist, während gleich zeitig ein mit einer ersten Schweißnaht zu versehendes gehaltertes Werkstück eines weiteren Zyklus relativ zu der Laserstrahlfokussiereinrichtung der ersten Laserstrahl führeinrichtung mit vorgegebener Geschwindigkeit parallel zu der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenk einrichtung bewegt und/oder um eine Achse ortsfest gedreht wird,
(g) die Schritte (b), (c), (d) und (e) durchgeführt wer den, wobei vorab die jeweiligen Laserstrahlumlenkeinrich tungen in ihre Grundpositionen A gebracht und die jeweili gen Werkstücke des vorangehenden Zyklus jeweils durch neue unbearbeitete Werkstücke ersetzt worden sind,
(h) die Schritte (f) und (g) für jeden weiteren Zyklus durchgeführt werden, und
(i) am Ende des Verfahrens der Schritt (a) mit umgekehrter Intensitätsführung (abfallende Rampe) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich aufeinander folgende Schweißnähte eines Zyklus an verschiedenen Werkstücken angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei zeitlich aufeinanderfolgende Schweißnähte eines Zyklus an gegenüberliegenden Seiten eines jeweiligen Werkstückes angebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen mindestens einer Schweiß naht ein Werkstück stationär gehalten und die zugeordnete Laserstrahlfokussiereinrichtung in der Umlenkrichtung der zugehörigen Laserstrahlumlenkeinrichtung bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige(n) Laserstrahlfokussiereinrichtung(en) in ihre jeweilige(n) Grundposition(en) C bewegt wird/werden, sobald mit ihr/ihnen eine jeweilige Schweißnaht angebracht worden ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das/die Werkstück(e) ausgeworfen und durch ein unbearbeitetes Werkstück ersetzt wird/wer den, sobald eine Schweißnaht/beide Schweißnähte angebracht worden ist/sind.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zum Erzielen mindestens einer Schweißnaht ein Werkstück gedreht wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zum Erzielen mindestens einer Schweißnaht eine Laserstrahlfokussiereinrichtung stationär ist und das/die jeweils damit zu bearbeitende(n) Werk stück(e) in der Umlenkrichtung der zu der/den Laserstrahl fokussiereinrichtung(en) gehörigen Laserstrahlumlenkein richtung(en) bewegt wird/werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlumlenkeinrichtun gen mit einer Geschwindigkeit verfahren werden,
mit
s: Schweißnahtrampensollänge
u: Geschwindigkeit der Laserstrahlumlenkeinrichtung
v: Geschwindigkeit der Laserstrahlfokussiereinrich tung
w: Verfahrweg der Laserstrahlumlenkeinrichtung.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Laserleistung während der Schritte (b) bis (h) in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe variiert wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Schweiß vorgänge während der Schritte (b) bis (h) in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe variiert wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Bewegungsabläufe mittels einer Steuerung durchgeführt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung mittels einer/der Steuerung variiert wird.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit

- einer Lasereinrichtung (10),
- einer Einrichtung zum Variieren einer Laserstrahlinten sität nach dem Austritt aus der Lasereinrichtung,
- mindestens einer Halterungseinrichtung für ein Werkstück (20, 22, 24),
- mindestens zwei Laserstrahlführeinrichtungen (14, 16, 18, 26) mit jeweils einer Laserstrahlumlenkeinrichtung (14a, 16a, 18a, 26a) und einer in der jeweiligen Umlenk richtung dahinter angeordneten Laserstrahlfokussierein richtung (14b, 16b, 18b, 26b) zum Fokussieren des Laser strahls (11), wobei die Laserstrahlumlenkeinrichtungen (14a, 16a, 18a, 26a) in Richtung der Verlängerung der Laserstrahleinfallseinrichtung auf eine erste Laser strahlumlenkeinrichtung (14a) hintereinander angeordnet sind und mit Ausnahme der letzten Laserstrahlumlenkein richtung (18a bzw. 26a) die Laserstrahlumlenkeinrich tung(en) (14a, 16a, 18a) aus dem Laserstrahl (11) her aus- und in den Laserstrahl (11) hineinfahrbar sind,
- mindestens einer Einrichtung zur Durchführung einer Translations-Relativbewegung zwischen der/einer Werk stückhalterungseinrichtung und einer jeweiligen Laser strahlfokussiereinrichtung (14b, 16b, 18b, 26b) parallel zu der Umlenkrichtung der jeweiligen Laserstrahlumlenk einrichtung (14a, 16a, 18a bzw. 26a) und/oder ortsfesten Rotations-Bewegung der Werkstückhalterungseinrichtung, und
- einer Einrichtung zur Steuerung der Einrichtung zum Va riieren der Laserstrahlintensität, zur Steuerung des Verfahrens der Laserstrahlumlenkeinrichtungen (14a, 16a, 18a, 26a), der Einrichtungen zur Durchführung der Rela tivbewegungen sowie der Aufnahme und des Auswurfs von Werkstücken (20, 22, 24) in die bzw. aus den Werkstück halterungen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung der Leistung der Laserein richtung (10).

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zum Variieren der Laser strahlintensität einen Shutter (12) umfaßt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung(en) jeweils eine Spanneinrichtung umfaßt/umfassen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung(en) jeweils eine Auswurfeinrichtung umfaßt/umfassen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlumlenkeinrich tung(en) (14a, 16a, 18a, 26a) jeweils einen Umlenkspiegel umfaßt/umfassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Umlenkspiegel eine Umlenkung von 90° bewirkt/ bewirken.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn zeichnet, daß der/die Umlenkspiegel eine rechteckige Spie gelfläche aufweist/aufweisen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlfokussiereinrich tung(en) (14b, 16b, 18b, 26b) jeweils einen Fokussierspie gel umfaßt/umfassen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Fokussierspiegel den auf den jeweiligen Fokus sierspiegel treffenden Laserstrahl um 90° umlenkt/umlen ken.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß zum einseitigen Schweißen jedes Werkstückes (20, 22, 24) jedem Werkstück (20, 22, 24) ge nau eine Laserstrahlführeinrichtung (14, 16, 18) zugeord net ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß zum zeitlich aufeinanderfolgen den beidseitigen Schweißen jedes Werkstückes (20, 22) je dem Werkstück (20, 24) genau zwei Laserstrahlführeinrich tungen (14, 16; 18, 26) zugeordnet sind, wobei die beiden zugehörigen Laserstrahlfokussiereinrichtungen (14b, 16b; 18b, 26b) auf gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Werkstückes (20, 22) derart angeordnet sind, daß der La serstrahl (11) nacheinander in entgegengesetzten Richtun gen fokussiert wird.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, da durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Einrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung eine Einrichtung zum Verfahren einer Werkstückhalterung parallel zu der Umlenk richtung der jeweiligen Laserstrahlumlenkeinrichtung (14a, 16a, 18a, 26a) umfaßt.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, da durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Einrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung eine Einrichtung zum Verfahren der einer Laserstrahlfokussiereinrichtung (14b, 16b, 18b, 26b) in der Umlenkrichtung der zugehörigen La serstrahlumlenkeinrichtung (14a, 16a, 18a, 26a) umfaßt.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 27, da durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Einrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung eine Einrichtung zum ortsfesten Drehen einer Werkstückhalterung umfaßt.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 28, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Laserstrahlführ einrichtungen (14, 16, 18, 26) derart gewählt ist, daß der Vorgang des Auswerfens eines geschweißten Werkstückes (20, 22, 24) sowie die Aufnahme eines neuen Werkstückes in einer jeweiligen Werkstückhalterung vor Beginn eines neuen Bearbeitungszyklus abgeschlossen ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 29, da durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine spei cherprogrammierbare Steuerung (SPS) umfaßt.