DE3844856C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken, insbesondere von Blechen, mit einer Laserop­ tik, die den Laserstrahl auf eine relativ zu diesem bewegte Fü­ gestelle der Werkstücke fokussiert, mit einer den Laserstrahl nahe der Fügestelle umgebenden, die Laseroptik schützenden Blasdüse, und mit einem an der Blasdüse befestigten Zuführungs­ element für durch den Laserstrahl aufschmelzbaren Zusatzwerk­ stoff.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP 59-87 994 A be­ kannt. Das Gas der Blasdüse und der Zusatzwerkstoff werden dem Hohlraum der Blasdüse zwischen der Laseroptik und der werk­ stücknahen Düsenspitze quer zur Achse der Laserstrahlung zuge­ führt. Innerhalb der Düse ist das den Zusatzwerkstoff in Laser­ strahlachsrichtung umlenkende und als Röhrchen ausgebildete Zu­ führungselement koaxial mit der Laserstrahlachse auf die Füge­ stelle gerichtet. Das Zuführungselement ist durch eine Refle­ xionsplatte gegen Laserstrahlung geschützt. Durch die bekannte Vorrichtung wird zwar erreicht, daß der Zusatzwerkstoff genau zur Fügestelle gelangt. Andererseits befindet sich das füge­ stellenseitige Ende des Zuführungselements dicht am Fokus der Laserstrahlung bzw. an der Fügestelle. Der Zusatzwerkstoff ist ständiger Bestrahlung ausgesetzt und die Strahlung ist hin­ sichtlich ihrer Intensität auf die Fügeaufgabe abzustimmen. In­ folgedessen sind nur solche Werkstoffe als Zusatzwerkstoffe verwendbar, die bei der vorgegebenen Intensität aufschmelzen, wobei die Intensität ihrerseits durch die Geometrie der Vor­ richtung mit beeinflußt wird.

Aus der JP 62-33 086 A ist eine Laseroptik bekannt, die zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordnete Kondenslinsen aufweist, welche in ihrer Hauptebene kreisförmige Bewegungen ausführen. Die infolgedessen relativ zum Werkstück erfolgenden Strahlbewegungen, welche nacheinander in alle Richtungen senk­ recht zur Strahlachse mit mehr oder minder großen Amplituden ausgeführt werden, bewirken eine Vergrößerung der Fügestelle durch die Rührbewegungen des Strahls.

Aus der DE 32 13 667 A1 ist eine Laseroptik bekannt, mit der die Laserstrahlung quer zur relativen Vorschubbewegung der Werkstücke oszilliert wird. Es wird eine Vergrößerung der Füge­ stelle erreicht, um auch dann schweißen zu können, wenn die Werkstücke im Verlauf des Fügevorgangs unterschiedliche Spalt­ weiten aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß der Zusatzwerkstoff in gewünschter Weise aufgeschmolzen werden kann, also beispielsweise unabhängig von einer konstruktionsbe­ dingten Formgebung der Laserstrahlung im Bereich der Spitze der Blasdüse.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Laserstrahl in relativer Vorschubrichtung der Werkstücke oszillierend auf den Zusatzwerkstoff verschwenkbar ist.

Wird der Laserstrahl in relativer Vorschubrichtung der Werkstücke oszillierend verschwenkt, so kann dadurch die Be­ schichtung eines Werkstücks mit einem kurzen intensiven Impuls abgedampft werden, bevor dieses an die Fügestelle gelangt. Es kann ein Zusatzwerkstoff in Vorschubrichtung vor oder hinter der Fügestelle mit verringerter Strahlungsenergie abgeschmolzen werden, während die Fügestelle der Werkstücke die erforderliche höhere Strahlungsenergie erhält, wobei der Strahl senkrecht auf dem Werkstück steht.

Für das Verschwenken des Laserstrahls ist es vorteilhaft, wenn die Intensität des Laserstrahls in Anpassung an die Werk­ stückgeometrie und/oder an den Zusatzwerkstoff einstellbar ist. Eine unterschiedliche Intensität des Laserstrahls ermöglicht eine Anpassung des Fügeverfahrens an die jeweils vorhandene Werkstückgeometrie, so daß beispielsweise von einem Werkstück eine größere Menge Werkstoff zur mechanischen Stabilisierung der Fügestelle und/oder zur Überbrückung bzw. Füllung eines Spalts zwischen den Werkstücken erschmolzen wird. Eine Verrin­ gerung der Intensität des Laserstrahls erleichtert beispiels­ weise das Abdampfen einer Beschichtung des Werkstücks, ohne dieses selbst zu schmelzen. Eine solche Verringerung erleichert auch das Erschmelzen des Zusatzwerkstoffs ohne Erschmelzen des Werkstücks. Die Intensität der Bestrahlung der Werkstücke und des Zusatzwerkstoffs kann beispielsweise derart unterschiedlich sein, daß auf eine vergleichsweise niedrige Verdampfungstempe­ ratur des Zusatzwerkstoffs Rücksicht genommen wird, beispiels­ weise eines Lötwerkstoffs.

Um die Wärmezufuhr zu verschiedenen Bereichen der Füge­ stelle und/oder zu einem Zusatzwerkstoff zu beeinflussen, ohne daß es einer Intensitätssteuerung der Laserstrahlung bedarf, kann die Vorrichtung so ausgebildet werden, daß der oszillie­ rend verschwenkte Laserstrahl in verschiedenen Fügestellenbe­ reichen geschwindigkeitsgesteuert oszillierbar ist. In einem Sonderfall dieser Ausgestaltung ist das oszillierende Ver­ schwenken des Laserstrahls sinusförmig. Dementsprechend erfolgt die Energieabgabe hauptsächlich im Totpunkt der Verschwenkbewe­ gung, weil hier die Strahlgeschwindigkeit am geringsten ist. Andererseits wird durch die vergleichsweise große Strahlge­ schwindigkeit in der Bahnmitte ein Überhitzen und/oder ein Ver­ dampfen von dort angeordnetem Zusatzwerkstoff vermieden, der in der Regel eine niedrigere Schmelz- und Verdampfungstemperatur hat.

Der Zusatzwerkstoff ist mit einer Geschwindigkeit zuführ­ bar, die in Abhängigkeit von der Spaltausbildung und/oder von einem Nahteinfall regelbar ist. Dadurch wird die Gleichmäßig­ keit der Ausbildung der Fügestelle beeinflußt, insbesondere auch dann, wenn ein Spalt im Verlauf einer Fügenaht ungleich­ mäßig ausgebildet ist, oder wenn eine Fügung mit verdeckter Naht erfolgen muß, so daß ein Nahteinfall auszugleichen ist.

Für eine genaue Positionierung des Zusatzwerkstoffs ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß das als Röhrchen ausgebil­ dete Führungselement dicht an der Fügestelle mit einer gekrümm­ ten Spitze nahtparallel endet.

Der Aufwand für die genaue Ausrichtung des Laserstrahls kann kleingehalten werden, wenn der Laserstrahl einen strich­ förmigen Querschnitt mit quer zur relativen Vorschubrichtung der Werkstücke angeordneter Längsachse aufweist.

Wenn die Vorrichtung so ausgebildet wird, daß der Laser­ strahl in unterschiedlichen Schwenkstellungen mit unterschied­ licher Strahlungsintensität anwendbar ist, liegt eine vorteil­ hafte Koppelung der Strahlungsintensität an das Oszillieren vor.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung,

Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Vorrichtungen zum Zuführen von Zusatzwerkstoffen, und

Fig. 5, 6 unterschiedliche Werkstückausgestaltungen.

Gemäß Fig. 1 soll eine Werkstückanordnung 1, die aus zwei Teilen 2, 3 besteht, mit Hilfe eines Lasers 4 gefügt werden. Der vom Laser 4 erzeugte Laserstrahl 5 wird von einer Laseroptik 6 fokussiert.

Die Fügestelle ist mit 20 bezeichnet. Sie erhält einen Zu­ satzwerkstoff 8 (s. Fig. 2) zugeführt, nämlich durch ein Füh­ rungselement 2 das beispielsweise als Röhrchen ausgebildet ist und den Zusatzwerkstoff 8 in Gestalt eines Schweiß- oder Löt­ drahtes an die gewünschte Stelle im Bereich der Fügestelle me­ chanisch zuleitet. Die Förderung des Zusatzwerkstoffs 8 erfolgt mit einer Fördereinrichtrung 10 und die Zufuhrgeschwindigkeit wird mit einer Meßvorrichtung 11 gemessen und einem Regler 12 signalisiert. Dieser regelt die Fördergeschwindigkeit des Zu­ satzwerkstoffs 8 durch Einflußnahme auf die Fördereinrichtung 10 entsprechend weiterer Betriebsparameter. Ein solcher Be­ triebsparameter wird von der Strahldiagnostik 13 geliefert, welche die Qualität des Laserstrahls 5 feststellt, insbesondere dessen Intensität, und demgemäß den Regler 12 beaufschlagt. Weiterer Betriebsparameter ist die Geschwindigkeit der Werk­ stücke 2, 3 relativ zum Laserstrahl 5, welche durch die Meß- und Steuereinrichtung 14 erfaßt und vom Regler 12 beeinflußt wird. Die Meßeinrichtungen 15, 16 und 17 erfassen Betriebsparameter, die sich aus der Überwachung der Fügestelle 20 ergeben, und zwar akustisch (Meßeinrichtung 15), optisch (Meßeinrichtung 16), wobei beispielsweise eine Temperaturüberwachung der Füge­ stelle z. B. beim Löten erfolgt oder eine spektroskopische Plas­ maüberwachung, und ebenfalls optisch (Meßeinrichtung 17), wobei beispielsweise zur Ermittlung der Naht- bzw. Spaltgeometrie, insbesondere der Spaltweite oder eines Nahteinfalls im Bereich der Fügestelle ein Schnittlinienverfahren zur Anwendung kommt. Der demgemäß beaufschlagte Regler 12 sorgt automatisch für die Beaufschlagung des Lasers 4 bzw. der Laseroptik 6, so daß das Fügeverfahren vollständig prozeßkontrolliert stattfindet.

Das Fügen erfolgt vornehmlich als gere von Ein- oder Mehrfachüberlappnähten dünner sondere dünner Bleche, wie sie im Karosseriebau von Kraftfahr­ zeugen verwendet werden. Bei diesem Schweißen muß gegebenen­ falls sichergestellt werden, daß die Fügestelle auf der Außen­ bzw. Unterseite des Karosserieblechs nicht sichtbar ist. Trotz­ dem muß die Verbindung zuverlässig sein und es soll mit mög­ lichst hoher Geschwindigkeit geschweißt werden, um eine hohe Produktion zu erzielen. Infolgedessen wird die Intensität der Laserstrahlung durch den Regler 12 in Abhängigkeit eines oder mehrerer Fügestellenparameter geregelt, von denen mindestens einer aussagt, ob die Laserstrahlung laserinduziertes Plasma an der Fügestelle 20 erzeugt. Das Vorhandensein von Plasma oder dessen Entstehung wird beispielsweise optisch ermittelt, da in diesem Fall Werkstoff der Werkstücke verdampft, was spektral­ analytisch überwacht werden kann. Sobald also die Meßeinrich­ tung 16 für den zu verschweißenden Werkstoff charakteristische Spektrallinien ermittelt, wird der Regler 12 entsprechend be­ aufschlagt und verändert die Laserintensität zum gegebenen Zeitpunkt.

In den Fig. 2 bis 4 wird die Zuführung von Zusatzwerkstoff 8 zu Fügestellen 20 mittels eines Führungselements 9 erläutert, wobei Werkstücke 2, 3 miteinander verschweißt werden sollen, die einen Spalt 18 zwischen sich einschließen. Der Zusatzwerkstoff, der in Gestalt eines Drahtes zugeführt wird, dient dabei der Auffüllung der Spalthöhe, damit ein Nahteinfall im Bereich der Fügestelle 20 vermieden wird. Der Zusatzwerkstoff 8 ist als Draht ausgebildet und sein Durchmesser entspricht etwa der Größenordnung des Durchmessers des Flecks des Laserstrahls 5 auf der Fügestelle 20. Das Schweißen erfolgt in der Richtung der Pfeile 21, wobei davon ausgegangen wird, daß der Laser­ strahl 5 entsprechend bewegt wird. Dieser Bewegung muß eine Blasdüse 22 folgen, welche den Laserstrahl 5 konzentrisch um­ gibt und in Strahlungsrichtung ein Schutzgas leitet, damit an der Fügestelle 20 etwa entstehende Spritzer nicht auf die La­ seroptik 6 gelangen können.

An der Blasdüse 22 ist das als Röhrchen ausgebildete Füh­ rungselement 9 befestigt und folgt indessen bzw. infolge seiner antriebsmäßigen Verbindung mit der Laseroptik 6 allen Bewegun­ gen des Laserstrahls 5 exakt.

Das Führungselement 9 endet entsprechend Fig. 2, 4 oberhalb und in Schweißrichtung 21 vor der Fügestelle 20, so daß der Zu­ satzwerkstoff 8 entsprechend vor der Fügestelle 20 abgeschmol­ zen wird. Dabei ragt der Zusatzwerkstoff 8 gemäß Fig. 2 so weit aus dem Führungselement 9 in Richtung auf die Fügestelle 20 vor, daß der stillstehende Laserstrahl 5 Zusatzwerkstoff direkt in diese Fügestelle 20 einschmelzen kann. In Fig. 2 wird der La­ serstrahl 5 in Vorschubrichtung der Werkstücke 2, 3 gewedelt, also oszillierend verschwenkt und schmilzt dabei Zusatzwerk­ stoff 8 nur in seiner gestrichelt dargestellten Stellung auf das Werkstück 2 auf, von wo aus er eingeschmolzen wird, wenn die Fügestelle 20 entsprechend weit vorgewandert ist. Das Ver­ schwenken des Laserstrahls 5 bedeutet ein zeitlich begrenztes Aufschmelzen von Zusatzwerkstoff 8, was ausreicht, wenn dieser eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur hat. Zusätzlich kann die Strahlungsintensität beim Aufschmelzen des Zusatzwerk­ stoffs 8 verringert werden.

In Fig. 4 endet das Führungselement 9 nicht gerade, sondern etwa nahtparallel dicht an der Fügestelle 20 mit einer gekrümm­ ten Spitze 9′, so daß der Zusatzwerkstoff, also ein Draht, fü­ gestellenparallel verlegt wird und daher auch erst im Bereich der Fügestelle 20 vom Laserstrahl 5 aufgeschmolzen wird.

Die Zufuhr an Zusatzwerkstoff und die Amplitude der Strahlauslenkung richten sich nach der jeweiligen Schweißge­ schwindigkeit und nach der Ausbildung des Spalts 18, also nach der erforderlichen Menge, für die mit den Meßeinrichtungen 15 bis 17 ermittelte Signale als Regelgröße dienen. Die Zusatz­ werkstoffzufuhr erfolgt in Fig. 4 diskontinuierlich, in Fig. 3 kontinuierlich und in Fig. 2 bei kontinuierlicher Drahtzuführung kontinuierlich, sonst diskontiniuierlich. Abweichend von diesen Darstellungen kann die Drahtzufuhr auch in Richtung 21 hinter der Fügestelle 20 erfolgen, beispielsweise wenn zuvor ein Naht­ einfall ermittelt werden soll.

Gemäß Fig. 5 werden blechartige Werkstücke 2, 3 mit parallel in dieselbe Richtung vorspringenden Lappen 2′, 3′′ aneinander­ stoßend angeordnet, beispielsweise bei Schwellernähten von Kraftfahrzeugen. Die dabei gebildeten Fugen 27 werden mit einem Zusatzwerkstoff geschlossen, der durch Aufschmelzen eines Zu­ satzschweißdrahtes 29 mit einem Laserstrahl 5 gewonnen wird. Statt unterschiedlich dicker Zusatzschweißdrähte 29 kann auch die Drahtzufuhr beschleunigt werden. In Fig. 6 haben die Werk­ stücke 2, 3 zwischen ihren Verbindungslappen 2′, 3′′ einen Spalt 30, der beispielsweise durch Toleranzen bei der Werkstückher­ stellung entsteht. Dieser Spalt 30 wird bei der Verbindung der Werkstücke 2, 3 durch den Zusatzwerkstoff der Schweißdrähte 29 geschlossen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken (2, 3), insbesondere von Blechen, mit einer Laseroptik (6), die den Laserstrahl (5) auf eine relativ zu diesem bewegte Fügestelle (20) der Werkstücke (2, 3) fokussiert, mit einer den Laserstrahl (5) nahe der Fügestelle (20) umgebenden, die Laseroptik schüt­ zenden Blasdüse (22), und mit einem an der Blasdüse (22) befestigten Zuführungselement (9) für durch den Laser­ strahl (5) aufschmelzbaren Zusatzwerkstoff (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) in relativer Vorschubrichtung der Werkstücke (2, 3) oszillierend auf den Zusatzwerkstoff (8) verschwenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserstrahls (5) in Anpassung an die Werkstückgeometrie und/oder an den Zusatzwerkstoff einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oszillierend verschwenkte Laserstrahl (5) in verschiedenen Fügestellenbereichen geschwindig­ keitsgesteuert oszillierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Verschwenken des Laserstrahls (5) sinusförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff (8) mit einer Ge­ schwindigkeit zuführbar ist, die in Abhängigkeit von der Spaltausbildung und/oder von einem Nahteinfall regelbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das als Röhrchen ausgebildete Führungs­ element (9) dicht an der Fügestelle (20) mit einer ge­ krümmten Spitze (9′) nahtparallel endet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) in unterschiedli­ chen Schwenkstellungen mit unterschiedlicher Strahlungsin­ tensität anwendbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Zusatzwerkstoff (8) ein Draht vor­ handen ist, und daß der Drahtdurchmesser in der Größenord­ nung des Durchmessers des Laserstrahlflecks der Fügestelle (20) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl einen strichförmigen Strahlfleck mit quer zur relativen Vorschubrichtung der Werkstücke (2, 3) angeordneter Längsachse aufweist.