EP2576122A1

EP2576122A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserfügen von blechteilen

Info

Publication number: EP2576122A1
Application number: EP11722396.6A
Authority: EP
Inventors: Steffen Walter; Igor Haschke
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-04-10
Also published as: CN103025470A; US20130087538A1; JP5864557B2; WO2011147891A1; US8981257B2; JP2013530837A; CN103025470B; DE102010029477A1

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

Patentansprüche

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.