EP2576122A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserfügen von blechteilen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum laserfügen von blechteilenInfo
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- EP2576122A1 EP2576122A1 EP11722396.6A EP11722396A EP2576122A1 EP 2576122 A1 EP2576122 A1 EP 2576122A1 EP 11722396 A EP11722396 A EP 11722396A EP 2576122 A1 EP2576122 A1 EP 2576122A1
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for laser joining sheet metal parts with flanges, in particular body parts.
- sheets to be joined can be provided with a flange, that is to say an angled edge.
- connecting flanges can be produced in which the flanges of the metal sheets to be joined strike each other flat and thus form a joint with a flange plane.
- DE 10 2004 044601 A1 discloses a method in which the sheets are overlap-deformed in the overlap by the deliberate attachment of revolving clamping elements in such a way that a degassing gap is produced in order to improve the welding quality.
- a degassing gap is produced in order to improve the welding quality.
- DE 102 48955 B3 discloses a method in which the connection of 3 sheets is possible by the use of two, one from above and one from below laser beams by means of running clamping technique in conjunction with a degassing.
- DE 10 2004 041502 A1 discloses a method in which the vapor capillary is stabilized by modulation of the laser radiation and an improved welding result is produced.
- the determination of the required modulation properties is essentially based on the empirical determination, which requires some effort in determining the modulation characteristics for specific components.
- DE 102 61507 A1 discloses a method in which the overlapping sheets in the weld area meet at an acute angle to each other and that the weld in the region or close to the curvature of one of the sheets is designed as a fillet weld.
- DE 100 06852 C5 describes a method in which the filler material in the form of a wire is used as a mechanical probe element and the wire tip melting off the energy beam is frictionally passed along the material surface is guided.
- the beam direction when joining sheet metal flange joints in body construction is perpendicular or substantially perpendicular to the flange plane, ie transversely through the sheets to be joined. Accordingly, if the laser flanges are used for laser joining, such as, for example, door-mounted clamping systems or sills, the alignment of the laser beam is parallel or substantially parallel to the direction of force of the clamping or pressing technique. Usual angles are 0 ° ..15 °, maximum angles 20 °.
- connection cross-section can not be increased beyond the material thickness of the top plate. Due to the necessary welding angle to the component, the clamping technology must ensure appropriate accessibility, which is often only possible in conjunction with relatively large flange dimensions. These relatively large sheet metal flanges are not desirable in connection with the mass reduction and fuel economy sought in vehicle construction.
- the object of the invention is to provide a possibility for laser joining of sheet metal parts with flanges, in particular body parts, with which can be improved by a frontal welding in the lap, for example on the door entry of body shells, the seam strength and manufacturing, and the flange lengths can be shortened ,
- this object is achieved on the one hand by a method for laser joining of sheet metal parts and on the other hand by a device for laser joining of sheet metal parts.
- the method according to the invention for laser joining sheet metal parts, each with a flange, wherein the flanges of the sheet metal parts are to be joined to form a connecting flange comprises the method steps:
- the device according to the invention for laser joining sheet metal parts, each with a flange comprises: a clamping device for clamping the sheet metal parts to be joined in a direction transverse to the connecting flange clamping direction and a beam guiding device for a laser beam, which is formed, a laser beam substantially parallel to the connecting flange and transversely to To direct clamping direction on a front side of at least one of the flanges of the sheet metal parts to be joined.
- the device further comprises a compensating axis which, when the device is connected to a guiding machine, tracks the laser beam according to a relative movement between the connecting flange and the guiding machine.
- the compensation axis is a compensation mechanism that can be realized both mechanically and visually.
- a compensating axis is realized by a movable connection between optical components and the guiding machine.
- a compensating axis is realized by a seam guide by means of movable optical elements, such as mirrors or lenses.
- those parts of the device which jointly move the clamping device and machining points in which the laser beam impinges on the connecting flange are connected by means of at least one compensating axis to a part fastened to the guiding machine.
- the flanges of the sheet metal parts to be joined can be joined to a connecting flange by means of laser joining and the metal sheets are connected to one another in the region of the joint joint formed by their abutting flanges.
- the use of high and ultra high strength automotive materials to reduce mass makes it necessary to increase the bond cross-sections of the joint because of the reduced strength at the joint.
- the method according to the invention makes it possible, on the basis of the more favorable seam geometry, to increase the connection cross-sections with the same sheet thickness and to make the seam inspectable.
- the process and clamping technique can be designed so that the realization of minimum flange dimensions is possible because of the more favorable arrangement.
- an alternating welding of multi-plate connections in a single operation is possible without increasing the process time, which provides additional freedom in implementing particularly safe and cost-effective joining concepts.
- the invention is based on the finding that the seam strength and production in laser joining sheet metal parts with flanges can be improved in particular in bodywork and simultaneous shorter flanges are made possible by the welding of the laser beam parallel or substantially parallel to the impact plane in flush or largely flush position of the Sheet edges are carried out with simultaneous use of provided in the machining head follower clamping technology and the integrated seam guide, which is particularly advantageous when welding flange connections to door entrances or window openings in the body.
- the compensation mechanism preferably has a compensation axis compensating for a positioning error and a device for tracking the joining sequence.
- Positioning errors may be caused, for example, by the guide machine, which moves the device as a whole.
- the positioning by the guide machine for example, an industrial robot, then does not have to be quite so accurate.
- the clamping device has clamping means which engage in operation of the device to be joined sheet metal parts and which are connected to the beam guiding device such that there is a tactile seam guide.
- the clamping means in this case have a dual function, namely on the one hand the clamping of the sheet metal parts to be joined in the region of the connecting flange to be created and on the other they serve to guide the laser beam.
- the clamping means are indirectly or directly, in particular mechanically connected to the beam guiding device.
- the device may comprise means for optical seam guidance.
- the device preferably has a reception beam path which is coaxial with the laser beam and an internal or external illumination unit assigned to it. Particularly preferred is a device which has two independent lighting units, which are assigned to the receiving beam path.
- the beam guiding device preferably has at least one deflection element for deflecting the laser beam in the main tensioning direction of the tensioning elements, to be able to track in the main tension direction of the clamping elements around that processing point at which the laser beam strikes the metal sheets to be joined.
- the deflection element preferably comprises at least one rotationally driven mirror for tracking the processing point.
- the embodiment with at least one deflection element is preferably carried out with a coaxial reception beam path and with one or two illumination units associated therewith.
- the beam guiding device has at least one optical element which is able to influence the steel angle with which the laser beam is perpendicular to the main tensioning direction F, in such a way that a switching between different beam angles is possible in the region of a possible processing point .
- the beam guiding device has one or more mirrors which are arranged so that a switching between different beam angles is possible in the region of a possible processing point.
- two or more mirrors are preferably arranged in such a way that, when switching between different beam angles, the optical path of the laser beam from the focusing lens to the processing point is approximately the same length. Different optical path lengths can also be compensated, if necessary, by movement of the focusing lens or other optical elements.
- the beam angle corresponds to the lateral angle drawn in the example described below.
- the tensioning means may comprise at least two floating tensioning rollers or alternatively have a pressure roller.
- the welding takes place substantially parallel to the flange plane and substantially perpendicular to the direction of a clamping force F acting during clamping.
- Angles between beam and flange plane in the range of plus minus 60 degrees are possible. Preferred are angles in the range of plus minus 45 degrees. Particularly preferred are angles between 15 degrees and minus 15 degrees.
- the laser beam is guided along the connecting flange in a seam guiding movement relative to the sheet metal parts to be joined, and at the same time the position modulation of the position of a machining point at which the laser beam impinges on sheet metal parts to be joined takes place in at least one spatial direction.
- a control of the position of a processing point is also provided, on which the laser beam impinges on sheet metal parts to be joined, wherein the control is carried out in dependence on a measured by a sensor joint geometry.
- Figure 1 a schematic sketch of a front weld on the lap joint as ZweibelchENS
- Figure 3 is a plan view of the lap joint of Figure 2;
- Figure 4 a lap joint with Stirneinsch conductedung as ZweibelchENS with offset of the right sheet with respect to the processing point;
- Figure 5 a device for front welding at the lap joint, in the
- Tensioning rollers simultaneously scan the lateral position of the component and a compensating movement takes place by an integrated compensating axis;
- Figure 6 an alternative device for face welding at the lap joint, with floating mounted, counteracting tension rollers that meet the function of a compensation axis in conjunction with an automatically positionable mirror
- Figure 7 a detail of the illumination of the embodiment shown in Figure 6;
- a laser beam 1 strikes two metal sheets, each with a flange, which are to be joined, at the planned processing point 4, which is usually located at the joint of the two metal sheets 2, ie where the two flanges of the metal sheets to be joined meet.
- Clamping means 5 as part of a clamping device cause a force transversely to the parting plane of the flanges 2.
- the main clamping direction F ie the direction of the acting clamping force, of the counteracting pairs of forces runs in contrast to the prior art substantially perpendicular to the parting plane of the flanges. 2
- the weld may be made as a continuous joint or stitched seam.
- the precise alignment of the laser beam 1 on the processing point 4 is performed by the device.
- a part of the device is fixedly connected to a guiding machine, for example an industrial robot, while other parts are movable relative to the guiding machine and thus allow a seam guide through the device.
- a seam guide is required.
- this can be done both mechanically tactually by means of integrated mechanical or optical seam guidance in conjunction with integrated compensation axis.
- the compensation axis may misalignments of the device and sheets to be joined to each other due to inaccuracies of positioning by the Guide machine and / or the sheets to be joined compensate and avoids damage to guide machine, component or device.
- the positioning of the laser beam 1 takes place via the tensioning means 5, by means of a beam guiding device, e.g. a beam guiding optics, and the clamping means are mechanically or otherwise coupled such that a deflection of the clamping means causes a corresponding deflection of the laser beam.
- a beam guiding device e.g. a beam guiding optics
- the clamping means are mechanically or otherwise coupled such that a deflection of the clamping means causes a corresponding deflection of the laser beam.
- This is at least one lateral seam guide (in the Y direction, see Figure 5) possible, which is usually sufficient.
- the seam guide would also be possible in the spacing direction (in the Z direction, see FIG. 5).
- An optical seam guide in conjunction with at least one controllable compensation axis allows a non-contact scanning of the joining position independently of the relative position of the clamping means to the processing point.
- the position of the laser beam can be changed during use of controllable compensation axes during the machining process and adapted to the machining conditions.
- an optical seam guiding sensor system for example by means of a light-section method, permits a measurement of the joint gap and possibly an adaptation of machining parameters.
- Fig. 2 shows a lap joint with Stirneinsch regularlyung as Dreibelchharm. It is preferably designed as a stitching, since in the welding breaks of the left connection, the welding of the right connection (dashed lines) can take place.
- a continuous relative movement as a total movement of the device, generated by means of guide machine come between machining head and component for use.
- a controllable compensation axis can be used with a corresponding inventive embodiment.
- Fig. 3 is a plan view of the three-plate connection of Fig. 2 is shown.
- the welds are offset to each other.
- the switching time between the Machining positions leads to gaps between the stitches.
- This principle can also be used for the welding of 4 or more layers of sheet metal, since the accessibility for the laser beam is given and the impact can be swept over almost simultaneously by the laser beam.
- running clamping means 5 cause the sheets 2 to be pressed together.
- the seam is guided by means of integrated optical seam guidance in conjunction with at least one compensating axis integrated in the device.
- the reduction of the laser spot to about half the sheet thickness is a good way to minimize zinc burn-off and to obtain the corrosion protection and at the same time to improve the strength through greater penetration depth.
- Such a small laser spot requires the use of a seam guide, but causes less process heat with less resulting distortion, the reduction of necessary laser power and the increase of the process speed with the same or even higher connection cross-section.
- the trailing clamping technology is required to ensure the contact of the components and to minimize the seam incidence. At the same time, it is possible to dispense with stationary clamping technology.
- the welding of the front side makes it possible to sweep the zinc layers of the abutting sheets during joining with the so-called keyhole in the joining zone so that the resulting zinc vapor can flow largely unhindered upwards through the so-called keyhole.
- the ejections as they occur at an I seam at the overlap with zero gap, are avoided.
- An elaborate Entgasungsunterstützung can thus be omitted.
- Fig. 4 shows a lap joint with Stirneinsch conductedung as ZweibelchQ with offset of the right sheet with respect to the processing point 4.
- a lateral angle 6 away from the protruding sheet can be adjusted , as shown in Fig. 4 in section. This makes it possible to avoid shading of the laser beam by the protruding part of the sheet 2 'and still achieve the required connection cross-section at the bottom of the joint. This can also be transferred to multi-sheet connections.
- the following is a description of various embodiments of the device according to the invention.
- Figure 5 shows an embodiment in which tension rollers as a clamping means and part of a clamping device simultaneously scan the lateral position of the flanges to be joined sheets and a compensating movement is carried out by an integrated compensating axis.
- FIG. 6 shows a further embodiment in which a floating mounting of the oppositely acting tensioning rollers in conjunction with an automatically positionable mirror fulfills the function of a compensation axis.
- FIG. 7 shows a detail of the illumination of the embodiment described in FIG. Right in the view from the front and the left in the view from the side.
- FIG. 8 shows a further preferred embodiment for laterally inclined reciprocal welding with two additional mirrors which, at different angles of incidence, respectively allow approximately the same optical path of the laser beam from the focusing lens to the processing location.
- a laser beam is supplied to the device by means of glass fiber via a fiber plug 10 and collimated by a lens 1 1.
- the beam feed can alternatively take place via a free jet and the lenses can be replaced by other beam-shaping elements, such as mirrors.
- the part of the device which contains the beam feed is fixedly connected by means of fastening flange 12 to a guiding machine, for example an industrial robot.
- the part of the device which mainly carries the focusing device and the clamping means is connected by means of compensation axis 9 with the part attached to the guide machine.
- the compensating axle 9 preferably contains a spring-loaded, stable middle position.
- the collimated laser beam passes coaxially through the balance axis 9.
- the focusing device in this possible embodiment comprises a second, focusing lens 13.
- the focused laser beam 1 strikes an adjustable mirror 14 and is directed from there, between the, the plates laterally clamping, roller-shaped clamping means 5, to the joint.
- the clamping means may be formed as rollers, rollers or as a clamping finger.
- the clamping means 5 are attached to symmetrically exciting clamping arms 15.
- the clamping force is transmitted symmetrically to the clamping means 5 by means of pneumatic tensioning drive 16 via positive guide 17 and clamping arms 15. This can alternatively be done for example by means of hydraulic or electric drive.
- the symmetrical movement of the clamping means centers the laser beam between the flanges 2 of the sheets to be welded.
- the adjustable mirror 14 serves to adjust the relative position of the laser beam to the processing point 4 according to the machining process.
- a changed position of the component formed by the sheets to be joined is compensated by the compensating axis 9 in the Y direction by linear displacement of the components of the device movably mounted in relation to the guiding machine.
- rotational compensation axes are also conceivable.
- the tracking of the joint is carried out here by means of the clamping means 5 indirectly via the symmetrical mechanical scanning of the flange geometry, taking into account the material thickness of the flange forming sheets 2.
- the adjustable mirror 14 helps to equip the adjustable mirror 14 with at least one actuator and to make it by means of a suitable control to a positionable mirror to make an automatic switching between the joints or with different sheet thicknesses adjustment of the processing point adapted to the sheet thicknesses for multiple connections ,
- FIG. 6 shows a further preferred embodiment, in which the floating mounting of the clamping arms with counteracting clamping means in conjunction with the automatically positionable mirror fulfills the function of a compensating axis and in which the seam guide instead of the mechanical scanning by the rollers by means of an optical sensor takes place, which is integrated in the machining head.
- a leading conventional optical seam guide sensor can be used, wherein an integrated sensor has the advantage of compensating for positioning error of the positionable tilting mirror, because the working laser beam and the sensor beam path are guided together and extend coaxially.
- the mechanical positive guidance of the embodiment shown in Fig. 5 is replaced by a control engineering positive guidance, which at the same time easily offers the possibility during the process of changing the position of the laser spot.
- the laser radiation is supplied to the device via the fiber connector 10, collimated by collimating lens 1 1, passed over a highly reflective for the laser beam 1 partially transparent mirror 25 to the focusing lens 13 and a pivoting mirror 18 to the processing point 4.
- the pivoting mirror 18 has a dynamic, precise positioning drive 24.
- the clamping means 5 are fastened to clamping arms 15, which are floatingly mounted in this embodiment by means of rotary compensating axis 9.
- the clamping force generated by the pneumatic tensioning drive 16 is transmitted symmetrically via clamping arms 15 to the clamping means 5 and the sheets 2 to be welded.
- the illumination beam path 20 emanating from the illumination device 19 at an angle of preferably 15 to 35 degrees to the laser beam 1 serves to produce a line projection 21 on the surface of the component in the vicinity of the processing point 4.
- the line projection is isolated Detail, right in the view from the front and left shown in the view from the side.
- the incidence of the line projection 21 takes place within the field of view of the receiving beam path 22 leading in front of the processing point 4 in the processing direction 23.
- the light scattered by the component diffused light over the substantially to the laser beam 1 coaxial reception beam path 22 via the positionable pivoting mirror 18, by the focusing lens 13th , partially transmissive mirror 25 and imaging lens 26 projected onto the image sensor 27.
- the evaluation of the image of the so-called light section and the conversion into sensor position values takes place in the image evaluation device 28.
- the illumination device 19 with the line projection 21 in conjunction with imaging lens 26, image sensor 27 and image evaluation device 28 form the integrated optical seam guide sensor.
- the position of the laser beam relative to The image of the light section can be calibrated and does not change due to the coaxial principle when the pivoting mirror 18 is moving.
- the position of the processing point 4 in lateral and distance directions is calculated in the control device 29, taking into account the mirror position of the pivoting mirror 18 and the measured values of the light section.
- the control device 29 implements a stock control for seam tracking, in which the positioning of the pivoting mirror takes place in such a way that the calibrated position of the machining beam and the nominal position of the measured impact geometry coincide.
- a lateral position deviation that may result from deviations of the programmed guideway from the component geometry is compensated by the floating mounting of the compensation axis 9 and by the integrated seam guide sensor by means of pivoting mirror 18. There is also a certain constraint.
- the control device 29 also allows the pivoting mirror 18 can be positioned so that the laser beam with offsets along the joint can be performed.
- the activation, feedback and the parameterization of the functions of the device is made possible via the provided external interface 30 of the control device 29.
- Protective mechanisms such as protective glass and Crossjet are not shown and are required for industrial use.
- FIG. 7 shows a particularly preferred embodiment whose basic operating principle is identical to the embodiment in FIG.
- two mirrors 31 a and 31 b are arranged so that the laser beam can radiate to the component at two different angles to the flange plane.
- the outer plates are the two plates 2 ', 2 "projecting beyond the inner plate 2.
- the positioning drive 24 not only serves as an actuator for focus correction for seam tracking, but also as a changeover switch, compared with the embodiment shown in FIG for the processing of the connection of inner sheet 2 with left protruding sheet 2 'and inner sheet 2 with right protruding sheet 2 "with simultaneous switching of the angle of incidence.
- the laser beam (as also shown in FIG.
- two additional mirrors are arranged in this embodiment such that the one deflecting mirror 31 a from the pivoting mirror in position A 18a outgoing laser beam 1 a to the processing point for position A 4a of the connection between the left outer sheet 2 'and the inner plate 2 and the other deflection mirror 31 b directs the laser beam 1b originating from the pivoting mirror in position B 18b to the processing point for position B 4b of the connection between the right outer sheet 2 "and the inner sheet 2.
- the overall arrangement is designed such that the optical system Paths of the laser beams 1 a and 1 b between the focusing lens 13 and the respective processing points 4a and 4b are approximately the same, in the sense of an area which has no influence on the machining process If more beam angles are required for machining, more mirrors can be arranged analogously.
- more than one lighting device can be arranged. Active illumination and reception beam paths must be calibrated together.
- the plurality of illumination devices in conjunction with the coaxial beam path can act as independent sensors, so that a better illumination of the joint or done too much shadowing by the overhanging sheets can be avoided.
- this embodiment of the device is equipped with a device for shifting the laser focus in the beam direction.
- the focusing lens 13 is arranged movably and can be positioned by the controller 29 via a corresponding focusing drive 32.
- other elements in the optical system can be used to influence the focus position in the beam direction.
- the focusing drive 32 also makes it possible to adjust the beam spot size to the process or the joint gap at the same time.
- the Positioning drive 24 can also be used to modulate the lateral position. With biaxial design of the drive or use of another mirror, a modulation is also possible in the direction of travel. Coating and process-adapted motion overlays are thereby possible.
- Illumination unit Illumination beam path
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Laserfügen von Blechteilen mit jeweils einem Flansch, wobei die Flansche der Blechteile (2) zu einem Verbindungsflansch zu fügen sind. Die Vorrichtung weist eine Spanneinrichtung (5) zum Spannen der zu fügenden Blechteile (2) in einer quer zum Verbindungsflansch verlaufenden Hauptspannrichtung und eine Strahlführungseinrichtung für einen Laserstrahl (1) auf. Ferner weist die Vorrichtung eine Ausgleichsachse (9) auf, welche den Laserstrahl (1) entsprechend einer Relativbewegung zwischen dem Verbindungsflansch und einer Führungsmaschine nachführt.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen mit Flanschen, insbesondere Karosseriebauteilen.
Zum Fügen, insbesondere zum Laserfügen können zu fügende Bleche mit einem Flansch, also einer abgewinkelten Kante versehen sein. Auf die Weise lassen sich Verbindungsflansche erzeugen, bei denen die Flansche der zu verbindenden Bleche flach aufeinander stoßen und so einen Fügestoß mit einer Flanschebene bilden.
Das Laserschweißen von I-Nähten im Überlappstoß ist im Karosseriebau lange etabliert. Beispielsweise werden Schweißnähte an Türeinstiegsöffnungen oder entlang von Dachkanten nach diesem Prinzip hergestellt. Zum Einsatz kommen dabei zumeist so genannte„Fliegende Optiken" im Verbindung mit stationärer oder mitlaufender Spanntechnik. Besondere Abwandlungen des Verfahrens haben zum Ziel, die Entgasungsbedingungen für das verdampfende Zink der
Korrosionsschutzschicht zu beeinflussen und so die Nahqualität zu verbessern. Beispielhaft seien hier nur einige Verfahren genannt.
DE 10 2004 044601 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem durch das gezielte Anbringen von mitlaufenden Spannelementen die Bleche im Überlapp so deformiert werden, dass ein Entgasungsspalt hervorgerufen wird, um die Schweißqualität zu verbessern. Bei nicht geraden Nähten, z.B. an Radien in Türecken, ist eine definierte Spalterzeugung schlecht möglich. Mehrfachstöße sind durch das Verfahren nicht kontrollierbar.
DE 102 48955 B3 offenbart ein Verfahren, bei dem durch die Verwendung von zwei, einem von oben und einem von unten kommenden Laserstrahlen mittels mitlaufender Spanntechnik in Verbindung mit einer Entgasungsvorrichtung, die Verbindung von 3 Blechen möglich ist.
DE 10 2004 041502 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem durch Modulation der Laserstrahlung die Dampfkapillare stabilisiert wird und ein verbessertes Schweißergebnis erzeugt wird. Die Ermittlung der erforderlichen Modulationseigenschaften ist dabei im Wesentlichen auf die empirische Ermittlung gestützt, was einigen Aufwand bei der Ermittlung der Modulationskennwerten für konkrete Bauteile erfordert.
Um die Nachteile der I-Nähte im Überlappstoß zu umgehen wird oft das Schweißen von Kehlnähten am Überlappstoß angewandt. Insbesondere durch eine besondere Ausbildung der Anordnung der Bleche im Überlappbereich kann die Entgasung verbessert werden. DE 102 61507 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem die überlappenden Bleche im Schweißnahtbereich in einem spitzen Winkel auf einander treffen und die die Schweißnaht im Bereich oder Nahe der Krümmung eines der Bleche als Kehlnaht ausgeführt wird. Um die erforderliche Präzision bei der Positionierung des Laserspots bezüglich des Fügestoßes für das Herstellen von Kehlnähten zu realisieren, wird in DE 100 06852 C5 ein Verfahren beschrieben, bei dem der Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes als mechanisches Tastelement verwendet und die am Energiestrahl abschmelzende Drahtspitze kraftschlüssig entlang der Werkstoffoberfläche geführt wird.
Die Strahlrichtung beim Fügen von Blechflanschverbindungen im Karosseriebau ist senkrecht oder weitgehend senkrecht zur Flanschebene, also quer durch die zu fügenden Bleche hindurch. Kommt beim Laserfügen der Blechflansche, wie zum Beispiel an Türeinstiegen oder Schwellern mitlaufende Spanntechnik zu Einsatz, ist demzufolge die Ausrichtung des Laserstrahls parallel oder im Wesentlichen parallel zur Kraftwirkrichtung der Spann- oder Andrucktechnik. Übliche Winkel liegen hier bei 0°..15°, maximale Winkel bei 20°.
Die bekannten Verfahren, im Karosseriebau Bleche zu verschweißen, haben Nachteile. Das häufig angewandte Laserschweißen von I-Nähten im Überlappstoß ist infolge Zinkausgasung häufig von geringer Nahtqualität geprägt. Bei dieser Nahtform lassen sich Anbindungsfehler zerstörungsfrei nur schwer oder gar nicht nachweisen. Eine oberflächlich perfekt aussehende Naht kann Anbindungsfehler aufweisen. Diese Gefahr ist bei I-Nähten im Überlappstoß besonders groß. Der Anbindungsquerschnitt ist begrenzt, die Einschweißtiefe verhältnismäßig wenig reproduzierbar, insbesondere bei Mehrblechverbindungen. Ein Durchschweißen verursacht Beschädigungen der Zinkschicht auf der Blechrückseite. Infolge der praktisch begrenzten Positioniergenauigkeit von Laserspot zu Bauteil, und der erforderlichen Einhaltung definierter Fügespalte, sind die Flanschmaße relativ groß.
Die weiterhin weit verbreitete Kehlnaht am Überlappstoß ist demgegenüber wegen verbesserter Entgasungsmöglichkeiten der Zinkdämpfe in höherer Qualität herstellbar. Gleichzeitig sind die Nahtanbindungen zu beiden Fügepartnern optisch inspizierbar. Wegen der nicht ausreichenden Positioniergenauigkeit des Laserspots zum Bauteilstoß erfordert die Nahtform jedoch häufig ein Nahtführungssystem. Zur Vergrößerung des Anbindungsquerschnittes wird oft auch ein Zusatzwerkstoff angewandt. Der Anbindungsquerschnitt lässt sich über die Materialstärke des Oberbleches hinaus nicht steigern. Wegen des notwendigen Einschweißwinkels zum Bauteil muss durch die Spanntechnik eine entsprechende Zugänglichkeit gewährleisten, was häufig nur in Verbindung mit relativ groß Flanschmaßen möglich ist. Diese relativ großen Blechflansche sind im Zusammenhang mit der im Fahrzeugbau angestrebten Massereduktion und Kraftstoffeinsparung nicht erwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Möglichkeit zum Laserfügen von Blechteilen mit Flanschen, insbesondere Karosseriebauteilen, anzugeben, mit dem durch ein stirnseitiges Einschweißen in den Überlappstoß, beispielsweise am Türeinstieg von Rohbaukarossen, die Nahtfestigkeit und die Fertigung verbessert werden können, sowie die Flanschlängen verkürzt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe einerseits durch ein Verfahren zum Laserfügen von Blechteilen und andererseits durch eine Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserfügen von Blechteilen mit jeweils einem Flansch, wobei die Flansche der Blechteile zu einem Verbindungsflansch zu fügen sind, umfasst die Verfahrensschritte:
Spannen von Blechteilen im Bereich des Verbindungsflansches in einer quer zum Verbindungsflansch verlaufenden Hauptspannrichtung und gleichzeitig stirnseitiges Einschweißen an dem Verbindungsflansch durch Richten eines Laserstrahls im wesentlichen parallel zum Verbindungsflansch und quer zur Hauptspannrichtung auf eine Stirnseite wenigstens eines der Flansche der zu fügenden Blechteile, wobei der Bearbeitungspunkt entlang des Verbindungsflanschs in einer Nahtführungsbewegung relativ zu den zu fügenden Blechteilen in Hauptspannrichtung und/oder in Abstandsrichtung geführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen mit jeweils einem Flansch, umfasst: eine Spanneinrichtung zum Spannen der zu fügenden Blechteile in einer quer zum Verbindungsflansch verlaufenden Spannrichtung und eine Strahlführungseinrichtung für einen Laserstrahl, die ausgebildet ist, einen Laserstrahl im wesentlichen parallel zum Verbindungsflansch und quer zur Spannrichtung auf eine Stirnseite wenigstens eines der Flansche der zu fügenden Blechteile zu richten.
Die Vorrichtung weist ferner eine Ausgleichsachse auf, welche, wenn die Vorrichtung mit einer Führungsmaschine verbunden ist, den Laserstrahl entsprechend einer Relativbewegung zwischen dem Verbindungsflansch und der Führungsmaschine nachführt.
Die Ausgleichsachse ist ein Ausgleichsmechanismus, der sowohl mechanisch wie auch optisch realisiert sein kann. Gemäß einer mechanischen Ausführung ist eine Ausgleichsachse durch eine bewegliche Verbindung zwischen optischen Komponenten und der Führungsmaschine realisiert. Gemäß einer optischen Ausführung ist eine Ausgleichsachse durch eine Nahtführung mittels beweglicher optischer Elemente, wie Spiegel oder Linsen, realisiert.
Gemäß einer Ausführung sind diejenigen Teile der Vorrichtung, welche die Spanneinrichtung und Bearbeitungspunkte, in welchen der Laserstrahl auf den Verbindungsflansch auftrifft, gemeinsam bewegen, mittels mindestens einer Ausgleichsachse mit einem an der Führungsmaschine befestigten Teil verbunden.
Mittels einer solchen Vorrichtung können die Flansche der zu fügenden Blechteile mittels Laserfügen zu einem Verbindungsflansch gefügt und die Bleche im Bereich des von ihren aufeinander stoßenden Flansche gebildeten Fügestoßes miteinander verbunden werden.
Die Verwendung von hoch und höchstfesten Werkstoffen im Automobilbau zur Massereduktion macht es wegen der herabgesetzten Festigkeit an der Fügestelle erforderlich, die Anbindungsquerschnitte der Fügenaht zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf Grund der günstigeren Nahtgeometrie die Anbindungsquerschnitte bei gleicher Blechstärke zu vergrößern und die Naht inspizierbar zu gestalten, Die Prozeß- und Spanntechnik kann wegen der günstigeren Anordnung so gestaltet werden, dass die Realisierung von minimalen Flanschmaßen möglich ist. Gleichzeitig ist durch eine besondere Ausgestaltung des Verfahrens ein abwechselndes Schweißen von Mehrblechverbindungen in einem Arbeitsgang möglich ohne Vergrößerung der Prozesszeit, was zusätzliche Freiheiten, bei der Umsetzung besonders sicherer und kostengünstiger Fügekonzepte bietet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Nahtfestigkeit und die Fertigung beim Laserfügen von Blechteilen mit Flanschen insbesondere im Karosseriebau verbessert werden kann und gleichzeitige kürzere Flansche ermöglicht werden, indem das Einschweißen des Laserstrahls parallel oder weitgehend Parallel zur Stoßebene bei bündiger oder weitgehend bündiger Lage der Blechkanten erfolgt unter gleichzeitiger Verwendung der im Bearbeitungskopf vorgesehenen mitlaufenden Spanntechnik sowie der integrierten Nahtführung, was insbesondere beim Schweißen von Flanschverbindungen an Türeinstiegen oder Fensterausschnitten im Karosseriebau von Vorteil ist.
Vorzugsweise weist der Ausgleichsmechanismus eine Positionierfehler kompensierende Ausgleichsachse und eine Einrichtung zur Verfolgung des Fügestoßverlaufs auf. Positionierfehler können beispielsweise von der Führungsmaschine verursacht sein, die die Vorrichtung insgesamt bewegt. Die Positionierung durch die Führungsmaschine, beispielsweise einen Industrieroboter, muss dann nicht ganz so genau sein.
Vorzugsweise weist die Spanneinrichtung Spannmittel auf, die Im Betrieb der Vorrichtung an zu fügenden Blechteilen angreifen und die mit der Strahlführungseinrichtung derart verbunden sind, dass sich eine taktile Nahtführung ergibt. Die Spannmittel haben in diesem Fall eine Doppelfunktion, nämlich zum einen das Spannen der zu fügenden Blechteile im Bereich der zu erstellenden Verbindungsflansches und zum anderen dienen sie der Führung des Laserstrahls. Dazu sind die Spannmittel mittelbar oder unmittelbar, insbesondere mechanisch mit der Strahlführungseinrichtung verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung Mittel zur optischen Nahtführung aufweisen. In diesem Fall weist die Vorrichtung vorzugsweise einen zum Laserstrahl koaxialen Empfangsstrahlengang auf sowie eine diesem zugeordnete interne oder externe Beleuchtungseinheit. Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung, die zwei eigenständige Beleuchtungseinheiten aufweist, die dem Empfangsstrahlengang zugeordnet sind.
Die Strahlführungseinrichtung weist vorzugsweise mindestens ein Ablenkelement zur Auslenkung des Laserstrahls in Hauptspannrichtung der Spannelemente auf,
um jenen Bearbeitungspunkt, an dem der Laserstrahl auf die zu fügenden Bleche trifft in Hauptspannrichtung der Spannelemente nachführen zu können. Das Ablenkelement umfasst vorzugsweise mindestens einen rotatorisch angetriebenen Spiegel für die Nachführung des Bearbeitungspunkts. Die Ausführung mit mindestens einem Ablenkelement wird bevorzugt mit einem koaxialen Empfangsstrahlengang und mit einem oder zwei diesem zugeordneten Beleuchtungseinheiten ausgeführt.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Strahlführungseinrichtung mindestens ein optisches Element aufweist, welches den Stahlwinkel, mit dem der Laserstrahl zu einer senkrecht zur Hauptspannrichtung F liegenden Ebene verläuft, dergestalt zu beeinflussen ist, dass im Bereich eines möglichen Bearbeitungspunktes ein Umschalten zwischen verschiedenen Strahlwinkeln möglich ist. Hierbei ist es besonders bevorzugt wenn die Strahlführungseinrichtung einen oder mehrere Spiegel aufweist, die so angeordnet sind, dass im Bereich eines möglichen Bearbeitungspunktes ein Umschalten zwischen verschieden Strahlwinkeln möglich ist. Hierbei sind vorzugsweise zwei oder mehr Spiegel derart angeordnet, dass sich beim Umschalten zwischen verschiedenen Strahlwinkeln jeweils ein etwa gleich langer optischer Weg des Laserstrahls von der Fokussierlinse bis zum Bearbeitungspunkt ergibt. Unterschiedliche optische Weglängen können außerdem bei Bedarf durch Bewegung der Fokussierlinse oder anderer optischer Elemente ausgeglichen werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Strahlwinkel dem im nachfolgend beschriebenen Beispiel eingezeichneten Lateralwinkel entspricht.
Die Spannmittel können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens 2 schwimmend gelagerte Spannrollen umfassen oder alternativ eine Andruckrolle aufweisen.
In Bezug auf das Verfahren ist es bevorzugt, wenn das Einschweißen im wesentlich parallel zur Flanschebene und im wesentlichen senkrecht zur Richtung einer beim Spannen wirkenden Spannkraft F erfolgt. Möglich sind dabei Winkel zwischen Strahl und Flanschebene im Bereich von plus minus 60 Grad.
Bevorzugt sind Winkel im Bereich von plus minus 45 Grad. Besonders bevorzugt sind Winkel zwischen 15 Grad und minus 15 Grad.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl entlang des Verbindungsflansches in einer Nahtführungsbewegung relativ zu den zu fügenden Blechteilen geführt und es erfolgt gleichzeitig eine der Nahtführungsbewegung überlagerte Positionsmodulation der Position eines Bearbeitungspunktes, an dem der Laserstrahl auf zu fügende Blechteile auftrifft, in mindestens einer Raumrichtung.
Vorzugsweise ist außerdem eine Regelung der Position eines Bearbeitungspunktes vorgesehen, an dem der Laserstrahl auf zu fügende Blechteile auftrifft, wobei die Regelung in Abhängigkeit von einer durch einen Sensor vermessenen Fügestoßgeometrie erfolgt.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von diesen zeigt:
Figur 1 : eine schematische Skizze einer Stirnschweißung am Überlappstoß als Zweiblechverbindung;
Figur 2: einen Überlappstoß mit Stirneinschweißung als Dreiblechverbindung;
Figur 3: eine Draufsicht auf den Überlappstoß aus Figur 2;
Figur 4: einen Überlappstoß mit Stirneinschweißung als Zweiblechverbindung mit Versatz des rechten Blechs gegenüber dem Bearbeitungspunkt;
Figur 5: eine Vorrichtung zum Stirnschweißen am Überlappstoß, bei der
Spannrollen gleichzeitig die laterale Lage des Bauteils abtasten und eine Ausgleichsbewegung durch eine integrierte Ausgleichsachse erfolgt;
Figur 6: eine alternative Vorrichtung zum Stirnschweißen am Überlappstoß, mit schwimmend gelagerten, gegeneinander wirkenden Spannrollen, die in Verbindung mit einem automatisch positionierbaren Spiegel die Funktion einer Ausgleichsachse erfüllen;
Figur 7: ein Detail der Beleuchtung der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform; und
Fig. 8: eine weitere bevorzugte Ausführungsform zum lateral geneigten wechselseitigen Einschweißen mit zwei zusätzlichen Spiegeln
Die Stirneinschweißung am Überlappstoß als Zweiblechverbindung erfolgt gemäß schematischer Skizze (Fig.1 ). Ein Laserstrahl 1 trifft zwei zu fügende, jeweils mit einem Flansch versehene Bleche am geplanten Bearbeitungspunkt 4, der sich üblicherweise am Stoß der beiden Bleche 2 befindet, also dort, wo die beiden Flansche der zu fügenden Bleche aufeinander stoßen. Spannmittel 5 als Teil einer Spanneinrichtung bewirken eine Kraft quer zur Trennebene der Flansche 2. Durch die Einwirkung des Laserstrahls 1 bildet sich zwischen den zusammengepressten Flanschen eine Schweißnaht 3 aus, die sich durch einen relativ großen Anbindungsquerschnitt auszeichnet. Die Hauptspannrichtung F, also die Richtung der wirkenden Spannkraft, der entgegenwirkenden Kräftepaare verläuft dabei im Gegensatz zum Stand der Technik im wesentlichen senkrecht zur Trennebene der Flansche 2.
Die Schweißnaht kann als eine durchgehende Verbindung oder eine Steppnahtschweißung ausgeführt werden.
Die genaue Ausrichtung des Laserstrahls 1 auf den Bearbeitungspunkt 4 wird durch die Vorrichtung vorgenommen. Ein Teil der Vorrichtung ist fest mit einer Führungsmaschine, beispielsweise einem Industrieroboter, verbunden, während andre Teile relativ zur Führungsmaschine beweglich sind und so eine Nahtführung durch die Vorrichtung ermöglichen.
Auf Grund der hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit ist eine Nahtführung erforderlich. Dies kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl mechanisch taktil mittels integrierter mechanischer oder optischer Nahtführung in Verbindung mit integrierter Ausgleichsachse erfolgen. Die Ausgleichsachse kann Fehlpositionierungen der Vorrichtung und zu fügenden Bleche zueinander infolge von Ungenauigkeiten der Positionierung durch die
Führungsmaschine und/oder der zu fügenden Bleche kompensieren und vermeidet Beschädigung von Führungsmaschine, Bauteil oder Vorrichtung.
Im einfachsten Fall erfolgt die Positionierung des Laserstrahls 1 über die Spannmittel 5, indem eine Strahlführungseinrichtung, z.B. eine Strahlführungsoptik, und die Spannmittel mechanisch oder anderweitig derart gekoppelt sind, dass eine Auslenkung der Spannmittel eine entsprechende Auslenkung des Laserstrahls bewirkt. Damit ist mindestens eine laterale Nahtführung (in Y-Richtung, siehe Fig.5) möglich, was meist ausreichend ist. Bei entsprechender Ausgestaltung der Vorrichtung durch zwei Ausgleichsachsen und entsprechender Gestaltung der Spannmittel wäre zusätzlich die Nahtführung auch in Abstandsrichtung (in Z-Richtung, siehe Fig.5) möglich.
Eine optische Nahtführung in Verbindung mit mindestens einer ansteuerbaren Ausgleichsachse ermöglicht eine berührungslose Abtastung der Fügestoßlage unabhängig von der relativen Position der Spannmittel zum Bearbeitungspunkt. Gleichzeitig kann die Position des Laserstrahls bei Verwendung von ansteuerbaren Ausgleichsachsen während des Bearbeitungsprozesses verändert und an die Bearbeitungsbedingungen angepasst werden. Weiterhin ermöglicht eine optische Nahtführungssensorik, beispielsweise mittels Lichtschnittverfahren eine Vermessung des Fügespalts und ggf. eine Anpassung von Bearbeitungsparametern.
Fig. 2 zeigt einen Überlappstoß mit Stirneinschweißung als Dreiblechverbindung. Sie ist vorzugsweise als Steppnaht ausgebildet, da in den Schweißpausen der linken Verbindung die Schweißung der rechten Verbindung (gestrichelte Linien) erfolgen kann. Durch schnelles Umschalten des Laserstrahls 1 zwischen den beiden Bearbeitungspositionen 4, 4' kann eine kontinuierliche Relativbewegung als Gesamtbewegung der Vorrichtung, erzeugt mittels Führungsmaschine, zwischen Bearbeitungskopf und Bauteil zur Anwendung kommen. Zum Umschalten des Laserstrahls kann bei entsprechender erfindungsgemäßer Ausgestaltung eine ansteuerbare Ausgleichsachse mit genutzt werden.
In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Dreiblechverbindung aus Fig. 2 gezeigt. Die Schweißnähte sind zu einander versetzt. Die Umschaltzeit zwischen den
Bearbeitungspositionen führt zu Abständen zwischen den Stepps. Dieses Prinzip kann auch für das Verschweißen von 4 oder mehr Blechlagen zur Anwendung kommen, da die Zugänglichkeit für den Laserstrahl gegeben und der Stoß quasi gleichzeitig vom Laserstrahl überstrichen werden kann. Auch hier bewirken mitlaufende Spannmittel 5 ein zusammenpressen der Bleche 2. Die Nahtführung erfolgt mittels integrierter optischer Nahtführung in Verbindung mit mindestens einer in die Vorrichtung integrierten Ausgleichsachse.
Die Verkleinerung des Laserspots auf ca. die halbe Blechdicke stellt eine gute Möglichkeit dar, einen Zinkabbrand zu minimieren und den Korrosionsschutz zu erhalten und gleichzeitig die Festigkeit durch höhere Einschweißtiefe zu verbessern. Ein derart kleiner Laserspot erfordert die Verwendung einer Nahtführung, bewirkt jedoch weniger Prozesswärme mit weniger resultierendem Verzug, die Verringerung von notwendiger Laserleistung bzw. die Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit bei gleichem oder sogar höherem Anbindungsquerschnitt. Die mitlaufende Spanntechnik ist erforderlich, um den Kontakt der Bauteile sicherzustellen und den Nahteinfall zu minimieren. Gleichzeitig ist es möglich, auf stationäre Spanntechnik zu verzichten. Das Einschweißen von der Stirnseite ermöglicht es, die Zinkschichten der aneinander stoßenden Bleche während des Fügens mit dem sogenannten Keyhole in der Fügezone so zu überstreichen, dass entstehender Zinkdampf weitestgehend ungehindert nach oben durch das sogenannte Keyhole abströmen kann. Die Auswürfe wie sie bei einer I Naht am Überlappstoß mit Nullspalt entstehen, werden vermieden. Eine Aufwändige Entgasungsunterstützung kann somit entfallen.
Fig. 4 zeigt einen Überlappstoß mit Stirneinschweißung als Zweiblechverbindung mit Versatz des rechten Blechs gegenüber dem Bearbeitungspunkt 4. Für den Fall, dass die Bleche nicht bündig miteinander abschließen und somit keine gemeinsame Stirnfläche bilden, kann ganz bewusst ein Lateralwinkel 6 weg vom überstehenden Blech eingestellt werden, wie in Fig. 4 im Schnitt gezeigt. Dadurch ist es möglich, eine Abschattung des Laserstrahls durch den überstehenden Teil des Blechs 2' zu vermeiden und trotzdem den geforderten Anbindungsquerschnitt am Grund des Fügestoßes zu erreichen. Dies lässt sich auch auf Mehrblechverbindungen übertragen.
Es folgt eine Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der Spannrollen als Spannmittel und Teil einer Spanneinrichtung gleichzeitig die laterale Lage der Flansche zu fügender Bleche abtasten und eine Ausgleichsbewegung durch eine integrierte Ausgleichsachse erfolgt.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine schwimmende Lagerung der gegeneinander wirkenden Spannrollen in Verbindung mit einem automatisch positionierbaren Spiegel die Funktion einer Ausgleichsachse erfüllt.
Figur 7 zeigt ein Detail der Beleuchtung der in Figur 6 beschriebenen Ausführungsform. Rechts in der Ansicht von vorn und links in der Ansicht von der Seite.
Figur 8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform zum lateral geneigten wechselseitigen Einschweißen mit zwei zusätzlichen Spiegeln die bei unterschiedlichen Einstrahlwinkeln jeweils etwa den gleichen optischen Weg des Laserstrahls von der Fokussierlinse zum Bearbeitungsort ermöglichen.
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt. Ein Laserstrahl wird der Vorrichtung mittels Glasfaser über einen Faserstecker 10 zugeführt und durch eine Linse 1 1 kollimiert. Die Strahlzuführung kann alternativ über einen Freistrahl erfolgen und die Linsen durch andere strahlformende Elemente, wie Spiegel, ersetzt werden. Der Teil der Vorrichtung der die Strahlzuführung enthält, ist mittels Befestigungsflansch 12 mit einer Führungsmaschine, beispielsweise einem Industrieroboter, fest verbunden. Der Teil der Vorrichtung, der hauptsächlich die Fokussiereinrichtung und die Spannmittel trägt, ist mittels Ausgleichsachse 9 mit dem an der Führungsmaschine befestigten Teil verbunden. Die Ausgleichsachse 9 enthält vorzugsweise eine federvorbelastete, stabile Mittellage. Der kollimierte Laserstrahl tritt koaxial durch die Ausgleichsachse 9 hindurch. Eine Verschiebung der beweglich gelagerten Teile beeinflusst somit die Fokussiereigenschaften des Laserstrahls nicht.
Die Fokussiereinrichtung in dieser möglichen Ausführungsform umfasst eine zweite, fokussierende Linse 13. Der fokussierte Laserstrahl 1 trifft auf einen justierbaren Spiegel 14 und wird von da aus, zwischen den, die Bleche seitlich klemmenden, rollenförmigen Spannmitteln 5, auf die Fügestelle gelenkt. Die Spannmittel können als Rollen, Walzen oder auch als Spannfinger ausgebildet sein. Die Spannmittel 5 sind an symmetrisch spannenden Spannarmen 15 befestigt. Die Spannkraft wird mittels pneumatischen Spannantriebs 16 über Zwangsführung 17 und Spannarme 15 symmetrisch auf die Spannmittel 5 übertragen. Dies kann alternativ beispielsweise auch mittels hydraulischen oder elektrischen Antriebs erfolgen. Die symmetrische Bewegung der Spannmittel zentriert den Laserstrahl zwischen den Flanschen 2 der zu verschweißenden Bleche. Der verstellbare Spiegel 14 dient der Justage der relativen Lage des Laserstrahls zum Bearbeitungspunkt 4 entsprechend des Bearbeitungsprozesses. Eine veränderte Lage des von den zu fügenden Blechen gebildeten Bauteils wird durch die Ausgleichsachse 9 in Y-Richtung durch lineare Verschiebung der gegenüber der Führungsmaschine beweglich gelagerten Bestandteile der Vorrichtung ausgeglichen. Alternativ sind dazu auch rotatorische Ausgleichsachsen denkbar. Die Verfolgung des Fügestoßes erfolgt hierbei mittels der Spannmittel 5 indirekt über die symmetrische mechanische Abtastung der Flanschgeometrie unter Berücksichtigung der Materialstärke der den Flansch ausbildenden Bleche 2. Innerhalb eines Bauteils wechselnde Dicken der Bleche oder Mehrfachverbindungen sind durch diese einfache mechanische Vorrichtung nicht oder eingeschränkt fügbar. Hier hilft es, den justierbaren Spiegel 14 mit mindestens einem Aktor auszustatten und ihn mittels einer geeigneten Steuerung zu einem positionierbaren Spiegel zu machen, um bei Mehrfachverbindungen eine automatische Umschaltung zwischen den Fügestößen oder bei unterschiedlichen Blechdicken eine Verstellung des Bearbeitungspunktes angepasst an die Blechdicken vornehmen zu können.
In Figur 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der die schwimmende Lagerung der Spannarme mit gegeneinander wirkenden Spannmitteln in Verbindung mit dem automatisch positionierbaren Spiegel die Funktion einer Ausgleichsachse erfüllt und bei der die Nahtführung an Stelle der mechanischen Abtastung durch die Rollen mittels eines optischen Sensors erfolgt, der in den Bearbeitungskopf integriert ist. Alternativ wäre auch ein
vorlaufender konventioneller optischer Nahtführungssensor einsetzbar, wobei ein integrierter Sensor den Vorteil hat, Positionierfehler des positionierbaren Kippspiegels zu kompensiert, weil Arbeitslaserstrahl und Sensorstrahlengang gemeinsam geführt werden und koaxial verlaufen. Gleichzeitig verbessern sich die Zugänglichkeit zum Bauteil und der Schutz vor Verschmutzung. Die mechanische Zwangsführung der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist ersetzt durch eine steuerungstechnische Zwangsführung, die gleichzeitig leicht die Möglichkeit bietet, während es Prozesses die Lage des Laserspots zu verändern.
Die Laserstrahlung wird der Vorrichtung über den Faserstecker 10 zugeführt, mittels Kollimierlinse 1 1 kollimiert, über einen für den Laserstrahl 1 hochreflektierenden teildurchlässigen Spiegel 25 zur Fokussierlinse 13 und über einen Schwenkspiegel 18 zum Bearbeitungspunkt 4 geleitet. Der Schwenkspiegel 18 besitzt einen dynamischen, präzisen Positionierantrieb 24. Die Spannmittel 5 sind an Spannarmen 15 befestigt, die in diesem Ausführungsbeispiel mittels rotatorischer Ausgleichsachse 9 schwimmend gelagert sind. Die durch den pneumatischen Spannantrieb 16 erzeugte Spannkraft wird über Spannarme 15 symmetrisch auf die Spannmittel 5 und die zu verschweißenden Bleche 2 übertragen. Die von der Beleuchtungseinrichtung 19 unter einem Winkel von bevorzugt 15 bis 35 Grad zum Laserstrahl 1 ausgehende Beleuchtungsstrahlen-'gang 20 dient der Erzeugung einer Linienprojektion 21 auf der Oberfläche des Bauteils in der Umgebung des Bearbeitungspunktes 4. In Fig. 7 ist die Linienprojektion als isoliertes Detail, rechts in der Ansicht von vorn und links in der Ansicht von der Seite dargestellt. Das Auftreffen der Linienprojektion 21 erfolgt innerhalb des Sichtbereichs des Empfangsstrahlengangs 22 vorlaufend vor dem Bearbeitungspunkt 4 in Bearbeitungsrichtung 23. Das vom Bauteil diffus gestreute Licht wird über den im Wesentlichen zum Laserstrahl 1 koaxialen Empfangs-strahlengang 22 über den positionierbaren Schwenkspiegel 18, durch die Fokussierlinse 13, teildurchlässigen Spiegel 25 und Abbildungslinse 26 auf den Bildsensor 27 projiziert. Die Auswertung des Bildes des sogenannten Lichtschnittes und die Umrechnung in Sensorpositionswerte erfolgt in der Bildauswertungseinrichtung 28. Die Beleuchtungseinrichtung 19 mit der Linienprojektion 21 in Verbindung mit Abbildungslinse 26, Bildsensor 27 und Bildauswertungseinrichtung 28 bilden den integrierten optischen Nahtführsensor. Die Position des Laserstrahls relativ zum
Bild des Lichtschnitts kann kalibriert werden und ändert sich Aufgrund des koaxialen Prinzips nicht bei Bewegung des Schwenkspiegels 18. Die Berechnung der Lage des Bearbeitungspunktes 4 in lateraler und Abstandsrichtung erfolgt in der Steuerungseinrichtung 29 unter Verrechnung der Spiegelposition des Schwenkspiegels 18 und der Messwerte des Lichtschnitts. Gleichzeitig realisiert die Steuerungseinrichtung 29 eine Lagerregelung zur Nahtverfolgung, in dem die Positionierung des Schwenkspiegels so erfolgt, dass die kalibrierte Position des Bearbeitungsstrahls und die Sollposition der vermessen Stoßgeometrie zusammenfallen. Eine laterale Positionsabweichung die sich bei Abweichungen der programmierten Führungsbahn von der Bauteilgeometrie ergeben kann, wird durch die schwimmende Lagerung der Ausgleichsachse 9 und durch den integrierten Nahtführungssensor mittels Schwenkspiegel 18 ausgeglichen. Es ergibt sich auch hier eine gewisse Zwangsführung. Die Steuerungseinrichtung 29 ermöglicht außerdem, dass der Schwenkspiegel 18 so positioniert werden kann, dass der Laserstrahl mit Offsets entlang des Fügestoßes geführt werden kann. Die Aktivierung, Rückmeldung und die Parametrierung der Funktionen der Vorrichtung wird über die vorgesehene externe Schnittstelle 30 der Steuerungseinrichtung 29 ermöglicht. Schutzmechanismen wie Schutzgläser und Crossjet sind nicht dargestellt, werden für eine industrietaugliche Ausführung vorausgesetzt.
Figur 7 Zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, dessen grundsätzliches Funktionsprinzip identisch zur Ausführungsform in Fig. 6 ist. Zusätzlich sind zwei Spiegel 31 a und 31 b so angeordnet, dass der Laserstrahl unter zwei verschiedenen Winkeln zur Flanschebene auf das Bauteil einstrahlen kann. In diesem Beispiel einer Dreiblechflanschverbindung sind die äußeren Bleche die beiden gegenüber dem inneren Blech 2 überstehenden Bleche 2',2". Hierbei dient der Positionierantrieb 24 gegenüber der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform nicht nur als Stellantrieb zur Fokuskorrektur zur Nahtverfolgung, sondern zusätzlich als Umschalter für die Bearbeitung der Verbindung von innerem Blech 2 mit links überstehendem Blech 2' und von innerem Blech 2 mit rechts überstehendem Blech 2" bei gleichzeitiger Umschaltung des Einstrahlwinkels. Zur Vermeidung von prozessschädlicher Abschattung muss der Laserstrahl (wie auch in Figur 4 dargestellt) jeweils mit einem Lateralwinkel weg vom am Fügestoß überstehenden Blech, auf das
Bauteil einstrahlen. Zur Lösung des Problems sind in diesem Ausführungsbeispiels zwei zusätzliche Spiegel derart angeordnet, dass der eine Umlenkspiegel 31 a den vom Schwenkspiegel in Position A 18a ausgehenden Laserstrahl 1 a auf den Bearbeitungspunkt für Position A 4a der Verbindung zwischen linken äußeren Blech 2' und dem inneren Blech 2 und der andere Umlenkspiegel 31 b den vom Schwenkspiegel in Position B 18b ausgehenden Laserstrahl 1 b auf den Bearbeitungspunkt für Position B 4b der Verbindung zwischen rechten äußeren Blech 2" und dem inneren Blech 2 lenkt. Die Gesamtanordnung ist dabei so gestaltet, dass die optischen Wege der Laserstrahlen 1 a und 1 b zwischen Fokussierlinse 13 und den jeweiligen Bearbeitungspunkten 4a und 4b annähernd gleich sind, im Sinne eines Bereichs der auf den Bearbeitungsprozess keinen Einfluss hat. Sind mehr Einstrahlwinkel für die Bearbeitung erforderlich, können analog auch mehr Spiegel angeordnet werden. Die Beleuchtungseinrichtung 19 mit der Linienprojektion 21 in Verbindung mit Abbildungslinse 26, Bildsensor 27 und Bildauswertungseinrichtung 28 bilden den integrierten optischen Nahtführsensor, wobei das Bild der Linienprojektion 21 des Bearbeitungspunkts für Position A 4a durch den einen Spiegel 31 a und das Bild der Linienprojektion 21 des Bearbeitungspunkts für Position B 4b durch den anderen Spiegel 31 b über den Schwenkspiegel in der jeweiligen Position 18a und 18b und die Abbildungslinse 26 zurück auf den Bildsensor 27 abgebildet wird. Alternativ können auch mehr als eine Beleuchtungseinrichtung angeordnet werden. Aktiver Beleuchtungs- und Empfangstrahlengang müssen gemeinsam kalibriert sein. Unter verschiedenen Bearbeitungssituationen, wie zum Beispiel Orientierungen des Vorrichtung zum Bauteil, können die mehreren Beleuchtungseinrichtungen in Verbindung mit dem koaxialen Strahlengang als unabhängige Sensoren fungieren, so dass eine bessere Ausleuchtung des Fügestoßes erfolgen oder eine zu starke Abschattung durch die Überstehenden Bleche vermieden werden kann. Zusätzlich ist diese Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Verschiebung des Laserfokus in Strahlrichtung ausgestattet. Dazu ist die Fokussierlinse 13 beweglich angeordnet und über einen entsprechenden Fokussierantrieb 32 durch die Steuerung 29 positionierbar. Alternativ können dazu auch andere Elemente im optischen System genutzt werden, um die Fokusposition in Strahlrichtung zu beeinflussen. Der Fokussierantrieb 32 ermöglicht es gleichzeitig auch die Strahlfleckgröße an den Prozess oder den Fügespalt anzupassen. Der
Positionierantrieb 24 kann außerdem genutzt werden, um die laterale Position zu modulieren. Bei zweiachsiger Ausführung des Antriebs oder Verwendung eines weiteren Spiegels ist auch eine Modulation zusätzlich in Fahrtrichtung möglich. Beschichtungs- und prozessangepasste Bewegungsüberlagerungen sind dadurch möglich.
Bezugszeichenliste Bezugszeichen Bezeichnung
1 Laserstrahl
1 a Laserstrahl für Position A
1 b Laserstrahl für Position B
2 Blech
2', 2" überstehendes Blech
3 Schweißnaht
4, 4' Bearbeitungspunkt
4a Bearbeitungspunkt für Position A
4b Bearbeitungspunkt für Position B
5 Spannmittel
6 Lateralwinkel
7 mechanische Nahtführung
8 optische Nahtführungssensor
9 Ausgleichsachse
10 Faserstecker
1 1 Kollimierlinse
12 Befestigungsflansch
13 Fokussierlinse
14 Justierbarer Spiegel
15 Spannarm
16 Spannantrieb
Zwangsführung
Schwenkspiegel
a Schwenkspiegel in Position Ab Schwenkspiegel in Position B
Beleuchtungseinheit Beleuchtungsstrahlengang
Linienprojektion
Empfangsstrahlenganga Empfangsstrahlengang für Position Ab Empfangsstrahlengang für Position B
Bearbeitungsrichtung Positionierantrieb
teildurchlässiger Spiegel
Abbildungslinse
Bildsensor
Bildauswertungseinrichtung
Steuerungseinrichtung Schnittstelle
a Umlenkspiegel für Position Ab Umlenkspiegel für Position B
Fokussierantrieb
Hauptspannrichtung
Claims
1 . Vorrichtung zum Laserfügen von Blechteilen (2) mit jeweils einem Flansch, wobei die Flansche der Blechteile (2) zu einem Verbindungsflansch zu fügen sind, wobei die Vorrichtung eine Spanneinrichtung (5) zum Spannen der zu fügenden Blechteile (2) in einer quer zum Verbindungsflansch verlaufenden Hauptspannrichtung und eine Strahlführungseinrichtung für einen Laserstrahl (1 ) aufweist, die ausgebildet ist, einen Laserstrahl (1 ) im wesentlichen parallel zum Verbindungsflansch und quer zur Spannrichtung auf eine Stirnseite wenigstens eines der Flansche der zu fügenden Blechteile (2) zu richten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Ausgleichsachse (9) aufweist, welche, wenn die Vorrichtung mit einer Führungsmaschine verbunden ist, den Laserstrahl (1 ) entsprechend einer Relativbewegung zwischen dem Verbindungsflansch und der Führungsmaschine nachführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichachse (9) mechanisch oder optisch realisiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile der Vorrichtung, welche die Spanneinrichtung und Bearbeitungspunkte (4), in welchen der Laserstrahl (1 ) auf den Verbindungsflansch auftrifft, gemeinsam bewegen, mittels mindestens einer Ausgleichsachse (9) mit einem an der Führungsmaschine befestigten Teil (12) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Verfolgung des Fügestoßverlaufs aufweist und der Ausgleichsmechanismus eine Positionierfehler kompensierende Ausgleichsachse (9) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung Spannmittel (5) aufweist, die im Betrieb der Vorrichtung an zu fügenden Blechteilen (2) angreifen und die mit der Strahlführungseinrichtung derart verbunden sind, dass sich eine taktile Nahtführung ergibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur optischen Nahtführung aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zum Laserstrahl (1 ) koaxialen Empfangsstrahlengang aufweist sowie eine diesem zugeordnete interne oder externe Beleuchtungseinheit.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei eigenständige Beleuchtungseinheiten aufweist, die dem Empfangsstrahlengang zugeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung mindestens ein Ablenkelement (14, 18, 18a, 18b, 25, 31 a, 31 b) zur Auslenkung des Laserstrahls (1 ) in Hauptspannrichtung der Spannelemente (5) aufweist, um jenen Bearbeitungspunkt (4), an dem der Laserstrahl auf die zu fügenden Bleche (2) trifft, in Hauptspannrichtung der Spannelemente nachführen zu können.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement mindestens einen rotatorisch angetriebenen Spiegel (14, 18, 18a, 18b, 25, 31 a, 31 b) für die Nachführung des Bearbeitungspunkts (4) aufweist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung mindestens ein optisches Element aufweist, mit welchem ein Strahlwinkel, mit dem der Laserstrahl (1 ) zu einer senkrecht zur Hauptspannrichtung (F) liegenden Ebene verläuft, dergestalt zu beeinflussen ist, dass im Bereich eines möglichen Bearbeitungspunktes (4) ein Umschalten zwischen verschieden Strahlwinkeln möglich ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung als optisches Element einen oder mehrere Spiegel aufweist, die so angeordnet sind, dass im Bereich eines möglichen Bearbeitungspunktes ein Umschalten zwischen verschiedenen Strahlwinkeln möglich ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung als optisches Element zwei oder mehr Spiegel aufweist, die derart angeordnet sind, dass sich beim Umschalten zwischen verschiedenen Strahlwinkeln jeweils ein etwa gleich langer optischer Weg des Laserstrahls von einer Fokussierlinse bis zum Bearbeitungspunkt ergibt.
14. Verfahren zum Laserfügen von Blechteilen (2) mit jeweils einem Flansch, wobei die Flansche der Blechteile zu einem Verbindungsflansch zu fügen sind, mit den Verfahrensschritten: mitlaufendes Spannen von Bleichteilen im Bereich des Verbindungsflansches in einer quer zum Verbindungsflansch verlaufenden Hauptspannrichtung und gleichzeitig stirnseitiges Einschweißen an dem Verbindungsflansch durch Richten eines Laserstrahls im wesentlichen parallel zum Verbindungsflansch und quer zur Hauptspannrichtung auf eine Stirnseite wenigstens eines der Flansche der zu fügenden Blechteile (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungspunkt (4) entlang des Verbindungsflanschs in einer Nahtführungsbewegung relativ zu den zu fügenden Blechteilen (2) in Hauptspannrichtung und/oder in Abstandsrichtung geführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Nahtführungsbewegung überlagerte Positionsmodulation der Position eines Bearbeitungspunktes (4), an dem der Laserstrahl auf zu fügende Blechteile (2) auftrifft, in mindestens einer Raumrichtung erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Position eines Bearbeitungspunktes (4), an dem der Laserstrahl (1 ) auf zu fügende Blechteile (2) auftrifft und/oder Stahlmodulation und/oder Anpassung der Laserleistung in Abhängigkeit von einer durch einen Sensor vermessenen Fügestoßgeometrie erfolgt.
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