DE4324938C2 - Schneid- und Schweißvorrichtung zum stumpfen Aneinanderschweißen der Enden von vor- und nachlaufenden Metallbändern sowie Verfahren zum Schneiden und Stumpfschweißen von Bandenden unter Verwendung der Schneid- und Schweißvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schneid- und Schweißvorrichtung zum stumpfen Aneinanderschweißen der Enden von vor- und nachlaufenden Metallbändern, bestehend aus zwei die Bandenden mit Überstand haltenden, aufeinander zu bewegbaren Einspannbacken und einer quer zur Bandlaufrichtung über die Bandenden verfahrbaren Laserstrahleinrichtung mit auf die Bandenden gerichtetem Laser­ strahl.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schneiden und Stumpfschweißen der Enden von vor- und nachlaufenden Metallbändern unter Verwendung der vorgenannten Schneid- und Schweißvorrichtung.

In kontinuierlich arbeitenden Bandbehandlungsanlagen ist es erforderlich, das Ende eines vorlaufenden Bandes an den Anfang eines nachlaufenden Bandes anzuschließen, damit nicht unter Inkaufnahme einer Produktionsunterbrechung und unter Verlust eines nicht behandelten langen Anfangsabschnittes der Bandanfang in die Anlage neu eingefädelt werden muß. In der Praxis ist es deshalb üblich, das Ende des vorlaufenden Bandes und den Anfang des nachlaufenden Bandes durch jeweils einen Schnitt zu begradigen und die so begradigten Bandenden stumpfzustoßen und dann zusammenzuschweißen. Während des Schweißens wird dann zwar der Bandlauf im Bereich der Enden unterbrochen, doch kann die Bandbehandlung weiter erfolgen, weil aus einem Bandspeicher Band nachgeliefert werden kann. Eine kontinuierliche Bandbehandlung ist also gewährleistet.

Bei einer bekannten Schneid- und Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art (EP 0 438 609 A1) erfolgt das Schneiden und Schweißen mittels einer Laserstrahleinrichtung. Diese Laserstrahlschneideinrichtung arbeitet mit einem Laserstrahl und schneidet zunächst vom Ende des vorlaufenden Bandes einen Streifen und dann vom Anfang des nachlaufenden Bandes einen Streifen ab. Danach wird das so begradigte vor- und nachlaufende Band stumpfgestoßen und mit demselben Laserstrahl zusammengeschweißt.

Nachteilig ist hierbei, daß für das Schneiden die Laserstrahleinrichtung zweimal quer über das Band verfahren wird. Das ist nicht nur zeitaufwendig, sondern ist auch mit dem Nachteil verbunden, daß ein exakter Parallelschnitt an den Schnittkanten schwierig herzustellen ist, beziehungsweise hochpräzise Führungen für die Laserstrahleinrichtung vorgesehen sein müssen. Absolut parallele Schnittkanten sind nämlich erforderlich, weil es anderenfalls nicht möglich ist, ohne Zusatzmaterial eine einwandfreie Schweißnaht über die gesamte Länge zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schneid- und Schweißvorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, mit geringerem Aufwand als bisher die Enden vor- und nachlaufender Bänder einwandfrei stumpfzuschweißen.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig dadurch gelöst, daß die Laserstrahleinrichtung eine im Strahlengang des Strahls ihrer Laserstrahlquelle angeordnete, den Strahl in zwei Teilstrahlen aufteilenden Strahlungsteiler aufweist, deren Strahlachsen in fester räumlicher Beziehung zueinander stehen, wobei der Strahlungsteiler von "Teilung" auf "Nichtteilung" umschaltbar ist. Insbesondere weist die Laserstrahleinrichtung als Strahlteiler eine im Strahlengang des Strahls ihrer Laserstrahlquelle angeordnete, aus zwei Ablenkspiegeln mit auf die Bänder gerichteten Teilstrahlen bestehende Optik aufweist, wobei der im Strahlengang erste Ablenkspiegel um eine quer zu seiner Spiegelebene senkrechte Achse rotiert, als Blende ausgebildet ist und aus dem Strahlengang bewegbar ist.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit einer solchen Schneid- und Schweißvorrichtung dadurch gelöst, daß bei im Strahlengang befindlichem ersten Ablenkspiegel mittels beider abgelenkter Ausgangsstrahlen von den beiden Bandenden gleichzeitig in einem Parallelschnitt je ein Streifen abgeschnitten wird, daß danach die Bandenden stumpf aneinandergestoßen und anschließend bei ausgeblendetem ersten Ablenkspiegel mit dem vom zweiten Ablenkspiegel abgelenkten Ausgangsstrahl die Enden zusammengeschweißt werden.

Da bei der Erfindung in einem Arbeitshub sowohl von dem Ende des vorlaufenden Bandes als auch von dem Anfang des nachlaufenden Bandes ein Streifen gleichzeitig in einem Arbeitshub abgeschnitten wird, ist gewährleistet, daß die Schnittkanten exakt parallel sind. Dies setzt keine besonders hohen Anforderungen an die Führung der Strahleinrichtung voraus. Wichtig ist nur, daß die Optik für die Teilstrahlen konstruktiv so gestaltet ist, daß die Teilstrahlen eine feste räumliche Anordnung zueinander haben. Selbst bei schräg verlaufendem oder welligem Schnitt können die Schnittkanten praktisch lückenlos stumpf aneinandergestoßen werden, so daß ohne Zusatzmaterial die Stumpfschweißung durchgeführt werden kann. Da gleichzeitig an Bändern geschnitten wird, ist die eingesparte Zeit für das Schneiden und Schweißen um ein Drittel gegenüber dem beschriebenen bekannten Verfahren verkürzt. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß für das Schneiden weniger Energie als für das Schweißen benötigt wird. Deshalb ist es möglich, beim Schneiden die Leistung der Laserstrahlquelle aufzuspalten, ohne daß dadurch die Schneidzeit verlängert wird. Dies gilt vor allem dann, wenn beim Schneiden schmelzflüssig werdendes Metall mittels eines Blasmittels ausgetrieben wird. Als Blasmittel kann ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, verwendet werden.

Die Aufteilung des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen läßt sich auf verschiedene Art und Weise verwirklichen. So kann, wie an sich bekannt (DE-PS 12 91 533), der erste Ablenkspiegel im Strahlengang den gesamten Strahl phasenweise abblenden und in anderen Phasen auf den zweiten Ablenkspiegel durchlassen. Bezüglich der Energieverteilung über die Zeit ist es aber vorteilhafter, wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung der erste Ablenkspiegel mindestens ein Fenster hat, das nur ein Segment des gesamten Querschnitts des Strahls überdeckt und das bei Rotation des Ablenkspiegels sämtliche Segmente des Strahls nacheinander überstreicht. Das hat den Effekt, daß nicht nur die einzelnen abgelenkten Teilstrahlen den gleichen Querschnitt wie der ursprüngliche Strahl haben, sondern die Verteilung der Strahlungsenergie sehr gleichmäßig ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sollte der im Strahlengang zweite Ablenkspiegel vollflächig und stationär ausgebildet sein, weil diese Ausführung besonders einfach ist.

Um Ausrichtarbeiten beim Schweißen zu vermeiden, ist weiter vorgesehen, daß die dem zweiten Ablenkspiegel benachbarte Einspannbacke stationär ist. Dies hat den Vorteil, daß die Spur, die der Laserstrahl geringer Leistung beim Schneiden gezogen hat, durch den Laserstrahl voller Leistung beim Stumpfschweißen exakt nachgefahren wird, ohne daß dafür Änderungen an der Führung oder Optik notwendig sind. Dies gilt jedenfalls für die Fälle, daß Bänder gleicher Dicke aneinandergeschweißt werden sollen. Bei Bändern unterschiedlicher Dicke kann es allerdings vorteilhaft sein, lediglich die Neigung des Strahls zu verändern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Bandbehandlungsanlage in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Bandbehandlungsanlage gemäß Fig. 1 während der Schneidphase,

Fig. 3 die Schneid- und Schweißvorrichtung der Fig. 1 während der Schweißphase, und

Fig. 4 eine Laserstrahleinrichtung der Schneid- und Schweißvorrichtung in der Bandbehandlungsanlage gemäß Fig. 1 in detaillierter Ausführung.

Die in Fig. 1 dargestellte Bandbehandlungsanlage weist ein Bandbehandlungsteil 1 für ein Band 2 auf, das nach Behandlung auf einer Haspel 3 aufgewickelt wird. Sobald das Ende des Bandes 2 vor dem Behandlungsteil 1 angekommen ist, wird es gestoppt und zwischen Einspannbacken 4 festgeklemmt. Damit die Behandlung des Bandes 2 weiter erfolgen kann, ist zwischen dem Behandlungsteil 1 und den Klemmbacken 4 ein in der Zeichnung nicht dargestellter Bandspeicher vorgesehen, aus dem dann Band entnommen werden kann. Neues Band 5 wird von einer Aufwickelhaspel 6 abgewickelt. Der Anfang dieses neuen Bandes 5 wird von Einspannbacken 7 erfaßt. Diese Einspannbacken 7 lassen sich zu den Einspannbacken 4 in eine Ausrichtposition 8 bringen, in der überstehende Abschnitte 2a, 5a der Bänder 2, 5 sowohl in der Bandebene als auch seitlich zum Abschneiden der Abschnitte 2a, 5a ausgerichtet sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Laserstrahleinrichtung weist ein Gehäuse 11 auf, in dem im Strahlengang des Laserstrahls A zwei Ablenkspiegel 12, 13 hintereinander angeordnet sind. Von diesen Ablenkspiegeln 12, 13 ist der im Strahlengang zweite Ablenkspiegel 13 stationär angeordnet und weist eine vollflächige Spiegelfläche 13a auf, während der im Strahlengang erste Ablenkspiegel 12 drehbeweglich ist und als Blende ausgebildet ist.

Der Ablenkspiegel 12 ist kreisförmig und in mindestens zwei Kreissegmente aufgeteilt, von denen das eine als Spiegelfläche 12a und das andere als Fenster 12b ausgebildet ist. Die Spiegelfläche 12a und das Fenster 12b sind von einer Fassung 12c umgeben, die in einem Rahmen 14 mit einer Lagerung 15 drehbar gelagert ist. Zwischen der Fassung 12c und dem Rahmen 14 ist ein Drehantrieb 16 wirksam, der nach Art eines Motors ausgebildet sein kann, wobei dann die Fassung 12c den Motor mit Wicklung und der Rahmen 14 den Stator mit Wicklung umfaßt.

Der Rahmen 14 ist an seinem unteren Rand in einem Schwenklager 17 gelagert und mit seinem anderen Rand an einem einstellbaren Anschlag 18 abgestützt. Mittels eines an den Rahmen 14 angreifenden Stellgliedes 19 läßt sich der Rahmen 14 mit dem drehbaren Ablenkspiegel 12 aus der in der Zeichnung dargestellten Position in eine in der Zeichnung angedeutete Position P verschwenken. In der hochgeschwenkten Position P wird der ein fallende ursprüngliche Vollstrahl A nicht unterteilt, sondern ganz vom Ablenkspiegel 13 abgelenkt.

Die Funktionsweise der beschriebenen Laserstrahleinrichtung ist folgende: Der vollflächige Strahl A trifft zunächst auf den rotierenden Ablenkspiegel 12. Da der Ablenkspiegel 12 keine Vollspiegelfläche hat, sondern nur eine oder mehrere segmentartige Spiegelflächen 12a aufweist, wird eine entsprechende Anzahl an Teilstrahlen B abgelenkt, deren Querschnitt jeweils den segmentartigen Spiegelflächen 12a entspricht, während der mindestens eine Teilstrahl durch ein oder mehrere Fenster 12b auf den nachfolgenden Ablenkspiegel 13 auftrifft und von diesem abgelenkt wird. Da die beiden Ablenkspiegel 12, 13 gleich orientiert sind, daß heißt, parallel zueinander angeordnet sind, treten aus dem Gehäuse 11 parallele Teilstrahlen B, C aus. Die parallele Lage der Teilstrahlen B, C ist aber nicht stationär, sondern verlagert sich im Kreis, weil aufgrund der Rotation des Ablenkspiegels 12 der ausgeblendete Teil und der durchgelassene Teil ständig verlagert werden. Im Ergebnis überstreichen damit die Teilstrahlen B, C eine Fläche, die im Querschnitt gleich der Fläche des ursprünglichen Strahls A ist. Der einzige Unterschied zum ursprünglichen Strahl A besteht darin, daß die Intensität der abgelenkten Teilstrahlen B, C geringer ist. Bei gleichen Flächenanteilen der Spiegelflächen 12a und der Fenster 12b ist die Intensität der Teilstrahlen B, C jeweils gleich.

Diese Laserstrahleinrichtung wird nun für das Schneiden im Parallelschnitt gemäß Fig. 2 und das Stumpfschweißen gemäß Fig. 3 eingesetzt. Dafür wird die Laserstrahleinrichtung gemäß Fig. 4 mit nicht dargestellten Führungsmitteln entsprechend der strichpunktierten Linien in Fig. 2 quer zur Bandlaufrichtung über das vor- und nachlaufende Band 2, 5 geführt. Dabei trennen im Parallelschnitt die abgelenkten Teilstrahlen B, C die überstehenden Abschnitte 2a, 5a ab. Damit das Abtrennen der Teilstreifen 2a, 5a bei halber Strahlleistung gegenüber der Strahlleistung des vollen Strahls A mit normaler oder erhöhter Vorschubgeschwindigkeit erfolgt, kann das schmelzflüssige Metall an der Auftreffstelle der Teilstrahlen B, C mittels inerter Blasgasstrahlen ausgetrieben werden, die allerdings in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die Laserstrahleinrichtung bleibt dann in der in Fig. 2 dargestellten unteren Position. In dieser Position wird der erste Ablenkspiegel 12 in die Position P geklappt, so daß der ursprüngliche Strahl A vollflächig auf den Ablenkspiegel 13 auftrifft. Die Einspannbacken werden aus der Position 8 in die Position 9 bewegt, um die Schnittkanten 2b, 5b stumpf aneinanderzustoßen. Anschließend wird die Laserstrahleinrichtung mit ihrem jetzt ungeteilt am Spiegel 13 abgelenkten Strahl auf der Spur des mindestens einen Teilstrahls C beim Schneiden zurückbewegt. Dabei werden die Bänder 2, 5 ohne Zusatzmaterial stumpf verschweißt.

Claims (8)

1. Schneid- und Schweißvorrichtung zum stumpfen Aneinanderschweißen der Enden von vor- und nachlaufenden Metallbändern (2, 5), bestehend aus zwei die Bandenden mit Überstand haltenden, aufeinander zu bewegbaren Einspannbacken (4, 7) und einer quer zur Bandlaufrichtung über die Bandenden verfahrbaren Laserstrahleinrichtung (11-19) mit auf das Band (2, 5) gerichtetem Laserstrahl (B, C), dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahleinrichtung (11-19) eine im Strahlengang des Strahls (A) ihrer Laserstrahlquelle angeordnete, den Strahl (A) in zwei Teilstrahlen (B, C) aufteilenden Strahlungsteiler aufweist, deren Strahlachsen in fester räumlicher Beziehung zueinander stehen, wobei der Strahlungsteiler von "Teilung" auf "Nichtteilung" umschaltbar ist.

2. Schneid- und Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahleinrichtung (11-19) als Strahlteiler eine im Strahlengang des Strahls (A) ihrer Laserstrahlquelle angeordnete, aus zwei Ablenkspiegeln (12, 13) mit auf die Bänder (2, 5) gerichteten Teilstrahlen (B, C) bestehende Optik aufweist, wobei der im Strahlengang erste Ablenkspiegel (12) um eine quer zu seiner Spiegelebene senkrechte Achse rotiert, als Blende ausgebildet ist und aus dem Strahlengang bewegbar ist.

3. Schneid- und Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ablenkspiegel (12) mindestens ein Fenster (12c, 12b) hat, das nur ein Segment des gesamten Querschnitts des Strahls (A) überdeckt und das bei Rotation des Ablenkspiegels (12) sämtliche Segmente des Strahls (A) nacheinander überstreicht.

4. Schneid- und Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Strahlengang zweite Ablenkspiegel (13) vollflächig und stationär ausgebildet ist.

5. Schneid- und Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zweiten Ablenkspiegel (13) benachbarte Einspannbacke (4) stationär ist.

6. Verfahren zum Schneiden und Stumpfschweißen der Enden von vor- und nachlaufenden Metallbändern unter Verwendung einer Schneid- und Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei im Strahlengang des Strahls (A) der Strahlungsquelle befindlichem ersten Ablenkspiegel (12) mittels beider abgelenkter Teilstrahlen (B, C) von den beiden Bandenden je ein Streifen (2a, 5a) gleichzeitig im Parallelschnitt abgeschnitten wird, daß danach die Bandenden stumpf aneinandergestoßen werden und anschließend bei ausgeblendetem ersten Ablenkspiegel (12) mit dem vom zweiten Ablenkspiegel abgelenkten Strahl die Enden zusammengeschweißt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schneiden schmelzflüssig werdendes Metall mittels eines Blasmittels ausgetrieben wird.

8. Verfahren zum Schneiden und Stumpfschweißen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Blasmittel ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, verwendet wird.