DE10304709B4

DE10304709B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laser-Hybridschweißen

Info

Publication number: DE10304709B4
Application number: DE10304709A
Authority: DE
Inventors: Christian Draser; Patrick Nausch
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: DE10304709A1

Abstract

Verfahren zum Laser-Hybridschweißen,
– wobei mindestens ein Laserstrahl und mindestens ein Lichtbogen in Richtung auf einen zwischen mindestens zwei Werkstückteilen gebildeten Schweißfugenbereich geleitet beziehungsweise aufgebracht werden,
– wobei während eines laufenden Schweißvorgangs eine optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl in Abhängigkeit der Kontur und der realen Geometrie der Schweißfuge eingestellt wird,
– und wobei die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl durch Verlagerung einer Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls einer Laserstrahlquelle und/oder durch Verstellung einer Laserstrahlfokussiereinheit bei einem in einer optimalen Position gegenüber den Werkstückteilen angeordneten Schweißbrenner erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Hybridschweißen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Laser-Hybridschweißen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12.

Verfahren und Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt ( DE 200 80 266 U1 , WO 02/40211 A1). Das Laser-Hybridschweißen ist eine Kombination des Laserschweißens und des Schweißens mittels eines elektrischen Lichtbogens, wobei der mindestens eine Laserstrahl und der elektrische Lichtbogen üblicherweise zeitgleich in einer Schweißzone wirken und sich gegenseitig beeinflussen beziehungsweise unterstützen.

Die bekannte Vorrichtung umfasst einen Laser-Hybrid-Schweißkopf, welcher mittels einer Montageplatte mit einem Roboterarm verbunden ist und einen durch einen Laser oder eine optische Fokussiereinrichtung gebildeten Laserschweißkopf und einen Schweißbrenner zum Erzeugen eines elektrischen Lichtbogens aufweist. Der Laser-Hybrid-Schweißkopf weist ferner Mittel auf, die eine gegenseitige Ausrichtung des Schweißbrenners und des Laserstrahls in X-, Y- und Z-Richtung zueinander ermöglichen. Daher können diese Komponenten vor dem Schweißvorgang in eine vordefinierte Position beziehungsweise Ausgangsstellung gebracht werden, in der insbesondere ein Fokusabstand der optischen Fokussiereinrichtung zu einer Oberfläche eines Werkstücks, der Winkel, unter dem der Schweißbrenner gegenüber der Werkstückoberfläche und der Längsmittelachse des Laserstrahls geneigt ist, und/oder der Abstand auf der Werkstückoberfläche zwischen dem Laserstrahl und einem aus dem Schweißbrenner austretenden Schweißdraht in gewünschter Weise für den bevorstehenden beziehungsweise vorgesehenen Schweißvorgang eingestellt werden. Die so in eine vordefinierte Position gebrachten Komponenten (Laserschweißkopf, Schweißbrenner) werden mittels des Roboterarms entlang der zu verschweißenden Schweißfuge am Werkstück geführt, wobei deren Anordnung zueinander während des Schweißvorgangs nicht verändert wird.

Aufgrund von Bauteil- und Ausrichttoleranzen weist die Schweißfuge über ihre Länge gesehen häufig keine konstante Geometrie beziehungsweise Kontur auf, was beispielsweise bei einer Stumpfnaht mit einer gewissen Spaltbreite zwischen den miteinander zu verschweißenden Werkstückteilen dazu führen kann, dass der Laserstrahl ab einer bestimmten Spaltbreite die Werkstückteile nicht mehr beziehungsweise nicht mehr in gewünschter Weise trifft, so dass keine beziehungsweise nur eine verschlechterte Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl besteht. Dies hat zur Folge, dass die Schweißnaht nicht an allen Stellen die gewünschte Qualität oder Eigenschaften aufweist.

Die DE 199 57 163 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der Schweißnaht an mit einem Laser stumpfgeschweißten Blechen oder Bändern. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor, der zur Erfassung der Geometrie eines Fügespalts im Vorlauf der Schweißung dient. Weiterhin ist ein Sensor vorgesehen, der die Spaltbreite des Fügespalts erfasst. Die von diesen Sensoren erfassten Sensordaten werden ausgewertet und die Ergebnisse einer Nahtbeurteilung zum Aufbau eines Regelkreises genutzt.

Aus der gattungsbildenden DE 201 12 023 U1 ist ein Rollenandruckkopf mit Führungselementen und Andruckelementen sowie mit einem Ausgleichssystem für eine taktile Nahtverfolgung bekannt; dies ermöglicht es, die Lage und Position eines Laserstrahls relativ zur Fügenaht und zum Stoß konstant zu halten. Mittels der Andruckelemente werden die zu fügenden Bleche mit einer bestimmten Spankraft beaufschlagt, um einen technischen Nullspalt zwischen den zu fügenden Blechen zu erzeugen. Durch diese Maßnahme soll gewährleistet werden, dass bei einer gewählten Voreinstellung der Lage und Position des Laserstrahls relativ zur Fügenaht und zum Stoß und eines gewünschten Auftreffpunktes eines Schweißdrahtes auf die zu verschweißenden Werkstückteile diese Prozessparameter während des laufenden Schweißvorgangs konstant bleiben. Die Führungselemente dienen dabei zur Abtastung der Fügestelle, worauf das Ausgleichssystem eine Nachführung des den Laser und den Schweißbrenner aufweisenden Rollenandruckkopfes vornimmt. Allerdings hat sich gezeigt, dass das in der DE 201 12 023 U1 beschriebene Verfahren nicht in allen Fällen zu einer korrekten Schweißnaht führt. Darüber hinaus ist es nicht geeignet, beim Verschweißen zweier Werkstückteile, zwischen denen im Bereich ihrer gegenüberliegenden Ränder ein Spalt mit einer bestimmten Breite besteht, mittels einer Stumpfnaht eine über die gesamte Schweißnaht gleich bleibend hohe Güte zu erzielen, wenn sich die Spaltbreite unvorhergesehen ändert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, mittels dem eine korrekte Schweißnaht herstellbar ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Es zeichnet sich dadurch aus, dass während eines laufenden Schweißvorgangs eine optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den mindestens einen Laserstrahl in Abhängigkeit der realen Geometrie und Kontur der Schweißfuge eingestellt wird. Damit können Ungenauigkeiten der miteinander zu verschweißenden Werkstückteile hinsichtlich ihrer Ausrichtung zueinander, Werkstücktoleranzen sowie sonstige, gegebenenfalls nicht vorhersehbare Unregelmäßigkeiten, die zu einer partiellen Änderung der Schweißfugengeometrie und/oder -kontur führen, beispielsweise eine nicht vorgesehen örtliche Deformierung eines der Werkstückteile im Schweißfugenbereich, während des Schweißvorgangs durch Anpassung des Laserstrahls an die vorliegenden, in geeigneter Weise ermittelten Geometrie- und Konturparameter im Schweißfugenbereich kompensiert werden.

Die Schweißnaht kann beispielsweise dann "korrekt" sein, wenn sie über ihre Länge eine gewünschte Geometrie, insbesondere Breite und Höhe, und/oder bestimmte Eigenschaften, beispielsweise Einbrandtiefe, Festigkeit oder Steifigkeit aufweist. Wie eine korrekte Schweißnaht im Einzelfall auszusehen hat beziehungsweise welche Eigenschaften sie aufweisen soll, ist insbesondere vom Werkstück und/oder von dessen Anwendung/Einsatz abhängig und ist daher variabel.

Die "optimale" Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl ist nicht zwingend eine feste Sollgröße über die gesamte Länge der Schweißnaht, sondern kann beispielsweise in Abhängigkeit des Werkstückmaterials, der Werkstückgeometrie, der Schweißnahtart, der Schweißfugengeometrie, der an die Schweißnaht gestellten Kriterien hinsichtlich statischer und dynamischer Belastbarkeit und dergleichen davon abweichen. Eine optimale Überdeckung kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn der Laserstrahl nur auf eines der mindestens zwei miteinander zu verschweißenden Werkstückteile geleitet wird oder wenn der Laserstrahl die mindestens zwei Werkstückteile im Schweißfugenbereich gleichmäßig beaufschlagt, das heißt, die Querschnittsgröße des Laserstrahls auf der jeweiligen Werkstückteiloberfläche ist gleich groß. Selbstverständlich kann auch eine ungleichmäßige Verteilung des Laserstrahls auf die Werkstückteile gewünscht sein, so dass die optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl beispielsweise darin bestehen kann, dass 70 % des Laserlichts auf das eine Werkstückteil und die übrigen 30 % des Laser lichts auf das andere Werkstückteil geleitet werden. Die quantitative Verteilung des Laserlichts auf die miteinander zu verschweißenden Werkstückteile ist praktisch beliebig variierbar.

Erfindungsgemäß erfolgt die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl durch Verlagerung einer Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls einer Laserstrahlquelle relativ gegenüber einem in einer optimalen Position gegenüber den Werkstückteilen angeordneten Schweißbrenner. Der Schweißbrenner ist also, während er entlang der Schweißfuge über die Werkstückteile geführt wird (beziehungsweise während die Werkstückteile an ihm vorbeigeführt werden), immer gemäß dem durchzuführenden Lichtbogenschweißverfahren optimal gegenüber den Werkstückteilen beziehungsweise dem Schweißfugenbereich angeordnet, wobei die Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls der Laserstrahlquelle zum Zwecke der Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl dieser Bewegung überlagert ist.

Die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl während des laufenden Schweißvorgangs ist grundsätzlich manuell durch einen Bediener möglich. Es wird jedoch die Ausführungsvariante bevorzugt, bei der diese Einstellung automatisch vorgenommen wird, so dass insbesondere beim Einsatz des Verfahrens bei der Serienherstellung, beispielsweise von Karosserieteilen, eine gleichbleibend hohe Präzision gewährleistet werden kann.

Weiterhin wird eine Ausführungsvariante des Verfahrens bevorzugt, bei der die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl während des Schweißvorgangs kontinuierlich vorgenommen wird, also von Beginn bis zur Fertigstellung der Schweißnaht.

Die Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls der Laserstrahlquelle zum Zwecke der Einstellung einer optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl erfolgt vorzugsweise derart, dass eine definierte Vorausrichtung und -anordnung zwischen Laserstrahl und Schweißbrenner, zum Beispiel:

– der Winkel zwischen dem Schweißbrenner, insbesondere einer in Längsrichtung des Schweißbrenners verlaufenden Längsmittelachse, und dem Laserstrahl, insbesondere einer im Zentrum der Laserstrahlung verlaufenden Laserstrahlachse, und/oder
– der Abstand zwischen einem aus dem Schweißbrenner austretenden Schweißdraht, insbesondere einem Schweißdrahtende, beziehungsweise einer Elektrode und der Laserstrahlachse

trotz dieser Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls der Laserstrahlquelle bestehen bleibt. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch realisiert, indem die Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls die Laserstrahlquelle entlang einer Geraden, nämlich der Laserstrahlachse oder einer parallel zur Laserstrahlachse verlaufenden Geraden bewegt wird/werden.

In einer Ausführungsvariante des Verfahrens erfolgt die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl durch Verstellung der Laserstrahlfokussiereinheit bei gleichbleibender oder geänderter Positionierung der Laserstrahlfokussiereinheit relativ gegenüber dem Schweißbrenner. Die Verstellung der Laserstrahlfokussiereinheit kann derart sein, dass sich nur die Form des Laserstrahls, jedoch nicht dessen Ausrichtung beziehungsweise die Ausrichtung der Laserstrahlachse gegenüber dem Schweißbrenner beziehungsweise dessen Längsmittelachse oder Elektrode beziehungsweise Schweißdraht ändert, was zum Beispiels mittels Verlagerung mindestens einer Linse zum Fokussieren des von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserlichts realisierbar ist (Kollimationslinsensystem). Alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichtung des Laserstrahls gegenüber der Schweißfuge geändert werden, um die optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl herbeizuführen beziehungsweise wieder herzustellen, wobei sich in diesem Fall jedoch die Ausrichtung des Laserstrahls gegenüber dem Schweißbrenner ändert, was insbesondere bei einer geringen Verstellung nicht zwingend nachteilig im Bezug auf die gegenseitige Beeinflussung beziehungsweise Unterstützung von Laserstrahl und Lichtbogen in der Schweißzone sein muss.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Ermittlung der realen, also tatsächlich vorliegenden Schweißfugengeometrie und Schweißfugenkontur erforderlich, die gemäß einer ersten Ausführungsvariante während des laufenden Schweißvorgangs kontinuierlich ermittelt werden. Nach einer anderen Ausführungsvariante werden zunächst die Schweißfugengeometrie und die Schweißfugenkontur vor dem Schweißvorgang ermittelt und dann daraus ein Verlauf der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl in Längsrichtung der Schweißfuge ermittelt oder bestimmt. Aus den Schweißfugenparameter wird dann ein Steuerungsprogramm erstellt beziehungsweise aus einer Anzahl von vorliegenden Steuerungsprogrammen ein geeignetes ausgewählt, das während des Schweißvorgangs die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl automatisch vornimmt. Auf eine Ermittlung von zumindest der Geometrie der Schweißfuge während des laufenden Schweißvorgangs kann hier verzichtet werden. Gegebenenfalls kann auch auf die Verwendung eines Bahn(Schweißfugen-)verfolgungs-Sensorsystems, beispielsweise einen SCOUT-Sensor, verzichtet werden, sofern das vorstehend genannte Steuerungsprogramm auch die Schweißfugenkontur, also den Verlauf der Schweißfuge im dreidimensionalen Raum abdeckt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer Änderung der Querschnittsgröße des Laserstrahls auf der Oberfläche der Werkstückteile in Folge der Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl mindestens ein Betriebsparameter des Schweißbrenners daran entsprechend angepasst wird. Beispielsweise kann mit größer oder kleiner werdendem Spalt zwischen den Werkstückteilen die in die Schweißzone eingebrachte Menge eines Zusatzwerkstoffs entsprechend daran angepasst werden, also erhöht beziehungsweise verringert werden.

Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass bei einer Anpassung der Querschnittsgröße des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche an die Schweißfugengeometrie und Schweißfugenkontur, insbesondere Brennfleckvergrößerung, die Leistungsintensität des Laserstrahls entsprechend verändert wird, so dass der Laserstrahl entlang der Schweißfuge kontinuierlich eine optimale Leistungsintensität aufweist oder zumindest eine erforderliche, minimale Leistungsintensität nicht unterschreitet. Dies ist insbesondere beim Schweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen wichtig, da ein Unterschreiten einer bestimmten Intensität einen erheblichen Einfluss auf den Schweißvorgang zur Folge hat.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen genannten Merkmale.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Vorrichtung zum Laser-Hybridschweißen mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgeschlagen, die einen Laserschweißkopf zum Zuleiten mindestens eines fokussierten Laserstrahls auf die zu schweißenden Werkstückteile und einen Schweißbrenner zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode und den Werkstückteilen umfasst. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur automatisierten Betätigung eines Verstellsystems zur Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl und durch eine an die Steuer- oder Regeleinrichtung angeschlossene Sensorik zur Schweißfugengeometrieerfassung und Schweißfugenkonturverfol gung aus. Die Betätigung des Verstellsystems erfolgt in Abhängigkeit der mittels der Sensorik ermittelten Schweißfugenparameter.

Der Aufbau und die Funktion dieser Sensorik, die beispielsweise einen bekannten SCOUT-Sensor umfassen beziehungsweise von diesem gebildet sein kann, ist allgemein bekannt, so dass hier nicht näher darauf eingegangen wird.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen, der in der vorstehenden Beschreibungseinleitung und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung genannten Merkmale.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungemäßen Laser-Hybrid-Schweißkopfs in vereinfachter, schematischer Darstellung,
2 einen Querschnitt durch zwei mittels einer Stumpfnaht zu verschweißenden Werkstückteile im Schweißfugenbereich, zwischen denen im Bereich ihrer gegenüberliegende Ränder ein Spalt mit einer bestimmten Breite besteht,
3 einen Querschnitt durch die Werkstückteile gemäß 2 an einer anderen Stelle des Schweißfugenbereichs mit vergrößerter Spaltbreite,
4 einen Querschnitt durch zwei mittels einer Kehlnaht im Überlappstoß zu verschweißende Werkstückteile in einem Bereich der Schweißfuge, in dem kein Spalt zwischen den Werkstückteilen besteht, und
5 einen Querschnitt durch die Werkstückteile gemäß 4 an einer anderen Stelle der Schweißfuge, an der ein Spalt zwischen den Werkstückteilen besteht.
1 zeigt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel eines Laser-Hybrid-Schweißkopfs 1, der Teil einer Vorrichtung 3 zum Laser-Hybrid-Schweißen ist. Der als modulare Baueinheit ausgebildete Laser-Hybrid-Schweißkopf 1 ist mit einer Positionierungseinheit 5 zu dessen dreidimensionalen Positionierung/Führung gegenüber zu verschweißenden Werkstückteilen verbunden. Die Positionierungseinheit 5 ist hier von einem nicht näher dargestellten Roboter 7 gebildet, von dem lediglich ein Teil eines Roboterarms 9 dargestellt ist, an dem eine Halterung 11 des Laser-Hybrid-Schweißkopfs 1 angebracht ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind an der hier plattenförmigen Halterung 11 ein Schutzgas-Schweißbrenner 13 zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode und den Werkstückteilen und eine Schweißdrahtvorschubeinrichtung 15 lagefest angebracht. Der Schweißbrenner 13 weist ein Kontaktrohr 17 auf, aus dem ein mittels der Schweißdrahtvorschubeinrichtung 15 bewegter, die Elektrode bildender Schweißdraht 19 (Zusatzwerkstoff) austritt. Die Zuführung des Schweißdrahts 19 und eines während des Schweißprozesses der Schmelzzone beziehungsweise dem Schmelzbad zugeführten Schutzgases zum Schweißbrenner 13 erfolgt über ein Schlauchpaket 21. Je nach Art des Schutzgasschweißverfahrens (Metall – Schutzgas – Schweißen) wird beispielsweise Argon, CO₂ (Kohlendioxid) oder ein entsprechendes Mischgas verwendet.
An der Halterung 11 ist weiterhin ein Laserschweißkopf 23 angeordnet, der hier eine Laserstrahlfokussiereinheit 25 aufweist, die einen von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahl 27 (Strahlenbündel) zu einem Brennfleck 29 fokussiert, dessen Abstand von der Laserstrahlfokussiereinheit 25 einstellbar ist. Der Laserstrahl 27 ist in den Figuren schematisiert dargestellt und beschreibt in der Realität üblicherweise eine Taillenform.
Der Laserschweißkopf 23 selbst ist an einem Halter 31 befestigt, der über ein Verbindungsteil 32 mit einer Verstelleinheit 33 gekoppelt ist, mit deren Hilfe der Halter 31 mit dem daran angebrachten Laserschweißkopf 23 in Richtung einer im Zentrum des Laserstrahls 27 verlaufenden Laserstrahlachse 35 (Z-Richtung) relativ gegenüber dem ortsfest an der Halterung 11 angebrachten Schweißbrenner 13 verlagerbar ist, wie mit einem Doppelpfeil 37 angedeutet. Die Verstelleinheit 33 ist beispielsweise von einem Linearantrieb mit Step-Motor gebildet. Die Verstelleinheit 33 ist Teil eines Verstellsystems 34 zur Einstellung einer optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl 27 beziehungsweise bildet das Verstellsystem 34.
Zur Ausrichtung des Laserstrahls 27 gegenüber dem Schweißbrenner 13 beziehungsweise dem Schweißdraht 19 in X- und Y-Richtung, also in der Ebene der Werkstückteile, sind ferner hier nur angedeutete Stellmittel 39 vorgesehen, mittels der der Laserschweißkopf 23 am Halter 31 entsprechend verstellbar ist.
Damit beim Schweißprozess der Laserstrahl 27 und der Lichtbogen zeitgleich in einer Schweißzone wirken und sich in gewünschter Weise gegenseitig beeinflussen beziehungsweise unterstützen, werden der Laserschweißkopf 23 und der Schweißbrenner 13 entsprechend zueinander angeordnet, so dass insbesondere der Winkel zwischen Schweißdraht 19 und dem Laserstrahl 27 und deren Abstand auf der Werkstückoberfläche voneinander zum Erzeugen einer korrekten Schweißnaht zumindest annähernd optimal ist.
Die Vorrichtung 3 umfasst ferner eine in den Figuren nicht dargestellte Steuer- oder Regeleinrichtung zur automatisierten Betätigung des Verstellsystems 34 beziehungsweise der Verstelleinheit 33 zur Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl 27 und eine an die Steuer- oder Regeleinrichtung angeschlossene, nicht dar gestellte Sensorik zur Schweißfugengeometrieerfassung und Schweißfugenkonturverfolgung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 3 ohne weiteres realisierbar, was im Folgenden anhand der 2 bis 5 näher erläutert wird.
2 zeigt Werkstückteile 41 und 43, beispielsweise Blechteile, insbesondere Karosserieblechteile, die mittels der anhand der 1 beschriebenen Vorrichtung 3 entlang einer Schweißfuge 45 miteinander verschweißt werden. Zwischen den hier senkrecht zu ihrer Flachseite verlaufenden, gerade Ränder aufweisenden Werkstückteilen 41, 43 besteht ein Spalt mit der Sollbreite B1. Zum Herstellen einer Stumpfnaht wird der Laser-Hybrid-Schweißkopf 1 mittels des Roboters 7 entlang der Schweißfuge 45 bewegt, wobei die Anordnung des Laser-Hybrid-Schweißkopfs 1 gegenüber der Werkstückoberfläche so eingestellt ist und beibehalten wird, dass der Schweißdraht 19 in einem gewünschten Abstand zu den Werkstückteilen 41, 43 beziehungsweise der Schweißzone angeordnet ist und der Laserstrahl 27 den Bereich der Schweißfuge 45 optimal überdeckt.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel überdeckt der Laserstrahl 27 die Ränder der Werkstückteile 41, 43, wobei der Brennpunkt 29 des Laserstrahls 27 sich außerhalb der Werkstückteile 41, 43 befindet.
Infolge Material- und/oder Ausrichttoleranzen kann sich die Spaltbreite B in Längsrichtung der Schweißfuge 45 ändern, wie in 3 dargestellt. Der Spalt zwischen den Werkstückteilen 41, 43 ist an dieser Stelle der Schweißfuge 45 größer als an der in 2 abgebildeten Stelle und weist eine Breite B2 auf. Der Laser-Hybrid-Schweißkopf 1 wird trotz der veränderten Schweißfuge 45 weiterhin so geführt, dass der Schweißdraht 19 gleichbleibend gegenüber der Schweißfuge angeordnet bleibt.
Die Spaltbreite B2 ist so groß, dass der mit gestrichelter Linie angedeutete Laserstrahl 27 mit den gleichen Einstellungen wie in 2 abgebildet an den Werkstückteiloberflächen vorbei in den Spalt hineinstahlt. Zur Herstellung einer optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl, dass also die Schweißfugenrandbereiche der Werkstückteile 41, 43 mit Laserlicht beaufschlagt werden, sind insbesondere folgende Maßnahmen möglich:

1. Verlagerung der gesamten Laserstrahlfokussiereinheit 25 in Z-Richtung, also in Richtung der Laserstrahlachse 35 auf die Werkstückoberfläche mittels der Verstelleinheit 33. Die neue Position des Laserstrahls 27' und dessen Brennfleck 29' ist in 3 mit gestrichelter Linie angedeutet. Bei dieser Ausführungsvariante wird also die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl unter Ausnutzung der physikalischen Eigenschaften des fokussierten Laserstrahls durch eine Vertikalverschiebung der Laserstrahlfokussiereinheit realisiert.
2. Verstellung der Laserstrahlfokussiereinheit 25 bei unveränderter Anordnung derselben gegenüber dem Schweißbrenner 13, was zu einer Formänderung des Laserstrahls 27'' mit dem Brennfleck 29'' führt, wie in 3 mit durchgezogener Linie beispielhaft dargestellt (Kollimationslinsensystem).

Weitere Möglichkeiten sind zum Beispiel eine Kombination der vorstehend genannten Verfahrensvarianten 1 und 2 und zusätzlich eine Verlagerung der Werkstückteile 41, 43 in Richtung auf den Laser-Hybrid-Schweißkopf 1.
Wichtig ist, dass das Laserlicht bei jeder Spaltbreite in gewünschter Weise auf die Werkstückteile geleitet wird, was bei dem anhand der 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel bedeutet, dass das Laserlicht auf die Oberfläche der Werkstückteile 41, 43 strahlt, wobei der mit Laserlicht beaufschlagte Oberflächenbereich der Werkstückteile jeweils einstellbar ist.
4 zeigt die Werkstückteile 41, 43 im Überlappstoß angeordnet, wobei zwischen der Stirnseite des oberen Werkstückteils 43 und der Flachseite des unteren Werkstückteils 41 eine Schweißfuge in Form einer Kehle gebildet ist. Zwischen den Werkstückteilen 41, 43 besteht kein Spalt. Die optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl 27 ist hier so gewählt, dass das Laserlicht direkt auf das Werkstückteil 43 gerichtet ist. In 5 sind die Werkstückteile 41, 43 an einer anderen Stelle der Schweißfuge 45 dargestellt, an der ein Spalt im Schweißfugenbereich zwischen den Werkstückteilen besteht. Wenn der Laserstrahl 27, wie mit gestrichelter Linie angedeutet, in Form und Ausrichtung gegenüber dem Schweißbrenner 13 unverändert bleibt, wird das Werkstückteil 43 nicht mehr mit Laserlicht beaufschlagt, was zu einer nicht korrekten Schweißnaht führt. Es wird daher erfindungsgemäß eine Anpassung der Schweißparameter an die tatsächliche Schweißfugenkontur vorgenommen, was dadurch erfolgt, dass die Laserstrahlfokussiereinheit 25 mittels der Verstelleinheit 33 in Richtung der Laserstrahlachse 35 den Werkstückteilen 41, 43 angenähert wird. Der kegelförmige, mit durchgezogener Linie dargestellte Laserstrahl 27' erreicht nun wieder wie gewünscht das obere Werkstückteil 43.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass durch das Einstellen der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl während des laufenden Schweißvorgangs ein verbessertes Schweißergebnis erzielbar ist.

Claims

Verfahren zum Laser-Hybridschweißen, – wobei mindestens ein Laserstrahl und mindestens ein Lichtbogen in Richtung auf einen zwischen mindestens zwei Werkstückteilen gebildeten Schweißfugenbereich geleitet beziehungsweise aufgebracht werden, – wobei während eines laufenden Schweißvorgangs eine optimale Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl in Abhängigkeit der Kontur und der realen Geometrie der Schweißfuge eingestellt wird, – und wobei die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl durch Verlagerung einer Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls einer Laserstrahlquelle und/oder durch Verstellung einer Laserstrahlfokussiereinheit bei einem in einer optimalen Position gegenüber den Werkstückteilen angeordneten Schweißbrenner erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl automatisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass trotz der Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls der Laserstrahlquelle zum Zwecke der Einstellung einer optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl die vorzugsweise vordefinierte Ausrichtung und Anordnung zwischen Laserstrahl und Schweißbrenner bestehen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit und gegebenenfalls der Laserstrahlquelle eine Linearbewegung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißfugenparameter die Schweißfugengeometrie und die Schweißfugenkontur während des laufenden Schweißvorgangs kontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfugengeometrie und die Schweißfugenkontur – vorzugsweise über die gesamte Länge der Schweißfuge – vor dem Schweißvorgang ermittelt werden und dass daraus ein Verlauf der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl in Längsrichtung der Schweißfuge ermittelt oder bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass zunächst der Schweißbrenner gegenüber der Schweißfuge in gewünschter Weise angeordnet und ausgerichtet wird, – und dass während des laufenden Schweißvorgangs die Werkstückteile und der Schweißbrenner relativ so zu einander bewegt werden, dass der Schweißbrenner permanent optimal gegenüber der Schweißfuge angeordnet ist, wobei die Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl dieser Ausrichtbewegung zwischen Schweißbrenner und Werkstückteilen überlagert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Querschnittsgröße des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche in Folge der Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl mindestens ein Betriebsparameter des Schweißbrenners daran entsprechend angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit größer werdendem Querschnitt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche die Menge eines der Schweißfuge zugeführten Zusatzwerkstoffs größer wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anpassung der Querschnittsgröße des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche an die Schweißfugengeometrie und Schweißfugenkontur die Leistungsintensität des Laserstrahls entsprechend verändert wird, so dass der Laserstrahl entlang der Schweißfuge kontinuierlich eine optimale Leistungsintensität aufweist oder zumindest eine erforderliche, minimale Leistungsintensität nicht unterschreitet.
Vorrichtung (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend – einen Laserschweißkopf (23) zum Zuleiten mindestens eines fokussierten Laserstrahls (27) auf die zu schweißenden Werkstückteile (41, 43), – einen Schweißbrenner (13) zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode und den Werkstückteilen (41, 43), – eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur automatisierten Betätigung eines Verstellsystems (34) zur Einstellung der optimalen Überdeckung des Schweißfugenbereichs durch den Laserstrahl (27) während eines laufenden Schweißvorgangs sowie – eine an die Steuer- oder Regeleinrichtung angeschlossene Sensorik zur Schweißfugenkonturverfolgung und zur Schweißfugengeometrieerfassung, und – Mittel zur Verstellung und/oder Verlagerung der Laserstrahlfokussiereinheit zur Positionsänderung des Brennflecks (29, 29', 29'') des Laserstrahls (27, 27', 27'') relativ zum Schweißbrenner (13) während des laufenden Schweißvorgangs.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Verlagerung ein Verstellsystem (34) in Form einer mit dem Laserschweißkopf (23) und/oder mit dem Schweißbrenner (13) gekoppelte Verstelleinheit (33) aufweist, mittels der eine Relativbewegung zwischen Laserschweißkopf (23) und Schweißbrenner (13) während des laufenden Schweißvorgangs erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (33) einen Linearantrieb umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserschweißkopf (23) und der Schweißbrenner (13) eine modulare Baueinheit bilden, die an eine zum räumlichen Positionieren dieser Baueinheit gegenüber den Werkstückteilen (41, 43) dienende Positionierungseinheit (5) anbringbar ist.