DE202014100035U1

DE202014100035U1 - Laserschweissanlage

Info

Publication number: DE202014100035U1
Application number: DE201420100035
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2015-04-07
Anticipated expiration: 2024-01-07

Abstract

Laserschweißanlage mit einem relativ zu einem Werkstückträger (30) bewegbaren Schweißkopf (18), der dazu ausgebildet ist, einen Schweißlaserstrahl (22) auf einen Schweißpunkt (40) auf einem auf dem Werkstückträger (30) gehaltenen Werkstück (24, 26) zu fokussieren und im Zuge der Relativbewegung eine Schweißnaht (28) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schweißkopf (18) ein Reinigungskopf (20) zugeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, einen Reinigungslaserstrahl (32) auf einen dem Schweißpunkt (40) in Richtung der Relativbewegung in Abstand nachlaufenden Reinigungspunkt (44) auf der Schweißnaht (28) zu fokussieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißanlage mit einem relativ zu einem Werkstückträger bewegbaren Schweißkopf, der dazu ausgebildet ist, einen Schweißlaserstrahl auf einen Schweißpunkt auf einem an dem Werkstückträger gehaltenen Werkstück zu fokussieren und im Zuge der Relativbewegung eine Schweißnaht zu erzeugen.
Laserstrahlschweißen wird vor allem zum Verschweißen von Werkstücken eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnaht und mit geringem thermischen Verzug gefügt werden müssen. Das Laserstrahlschweißen kann mit oder ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt werden. Die Positionierung des Laserstrahls kann mit Hilfe eines Manipulators (Roboters) und mit Laserschweißoptiken mit Festbrennweite erfolgen, oder mit Hilfe eines mehrachsigen Scannersystems, bei dem der Laserstrahl durch einen oder mehrere Umlenkspiegel gelenkt wird.
Es ist bekannt, während des Schweißprozesses ein Schutzgas in die Schweißzone zuzuführen. Das Schutzgas hat die Aufgabe, das schmelzflüssige Schweißbad vor dem Zutritt von Atmosphärengasen zu schützen und so zu verhindern, dass es durch Reaktion des Metalls mit dem Luftsauerstoff zu Korrosions- und Verbrennungsprozessen kommt oder auf metallurgische oder mechanische Weise Poren im Schmelzgut entstehen. Wenn jedoch die Schutzgasabdeckung während des Schweißprozesses nicht ausreichend ist und/oder die Oberflächentemperatur der Schmelze zu hoch wird, kann es dennoch zu einer Reaktion des Metalls mit den in der Umgebung vorhandenen Gasen kommen, so dass sich auf der Oberfläche eine Oxid- und/oder Schweißschlackeschicht ausbildet.
Diese störenden Oxid- oder Schlackeschichten müssen im allgemeinen in einem nachträglichen Prozess mechanisch oder chemisch entfernt werden, beispielsweise durch Bürsten, Schleifen, Fräsen, Strahlen oder Ätzen. Das gilt insbesondere in den Fällen, in denen die geschweißten Werkstücke anschließend lackiert werden sollen, da durch die Oxid- oder Schlackeschicht die Haftung des Lackes und die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht und der unmittelbar angrenzenden Bereiche der Werkstücke beeinträchtigt werden.
Nachteile der mechanischen und chemischen Reinigungsverfahren sind der hohe Arbeitsaufwand, die schlechte Produzierbarkeit der Reinigungsprozesse, ein hoher Platzbedarf und hohe Kosten für die Reinigungsanlagen sowie eine Umweltbelastung durch Stäube oder Chemikalien.
Es ist auch bekannt, zum Reinigen der Schweißnaht wiederum einen Laserstrahl einzusetzen. Dazu werden zumeist kurze, leistungsstarke Laserimpulse verwendet, die nur sehr geringe thermische Einwirkungen auf das Basismaterial haben. Der größte Teil der Laserstrahlung wird dann an dem Basismaterial reflektiert oder transmittiert, so dass der Abtragprozess stoppt, sobald die Oxid- oder Schlackeschicht entfernt ist. Auf diese Weise lässt sich eine schonende und nahezu beschädigungsfreie Reinigung der Schweißnaht erreichen. Ebenso ist es möglich, durch gezielte Veränderung der Laserparameter erwünschte Strukturen oder Rauhigkeiten auf dem Basismaterial zu erzeugen.
Die Reinigung der geschweißten Werkstücke mittels Laserstrahlung erfordert jedoch hohe Investitionskosten, insbesondere für einen zusätzlichen Manipulator, der für den Reinigungslaserstrahl benötigt wird, sowie für Schutzmaßnahmen, mit denen Personen in der Umgebung der Reinigungsstation gegen die gefährliche Laserstrahlung geschützt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine rationelle und kostengünstige Herstellung von sauberen Laserschweißnähten zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Schweißkopf ein Reinigungskopf zugeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, einen Reinigungslaserstrahl auf einen dem Schweißpunkt in Richtung der Relativbewegung in Abstand nachlaufenden Reinigungspunkt auf der Schweißnaht zu fokussieren.
Die Erfindung ermöglicht es somit, den eigentlichen Schweißprozess sowie die Nachreinigung mit Hilfe eines gesonderten Laserstrahls in einem Arbeitsgang und in einer integrierten Anlage auszuführen. Dabei kann der Fokus des Schweißlaserstrahls dem Schweißpunkt in einem gewissen Abstand folgen, der abhängig von der jeweiligen Schweißgeschwindigkeit so groß gewählt ist, dass die Schmelze gerade genügend Zeit hat, zu erstarren, bevor eine eventuelle Oxid- oder Schlackeschicht mit Hilfe des Reinigungslaserstrahls entfernt wird. Auf diese Weise wird für den Reinigungsprozess praktisch keine zusätzliche Zeit benötigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Strahlenschutzeinrichtungen, die in der Umgebung ohnehin benötigt werden, zugleich auch vor dem Reinigungslaserstrahl schützen, so dass insgesamt geringere Anlagekosten anfallen. Gegebenenfalls können weitere Kosten dadurch eingespart werden, dass der Schweißkopf und der Reinigungskopf auf einem gemeinsamen Manipulator montiert werden.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass für den Reinigungsprozess keine besondere Reinigungsstation mehr benötigt wird und somit Platz eingespart wird. Darüber hinaus lassen sich auch bestehende Laserschweißanlagen mit einem Laser-Reinigungskopf nachrüsten. Da das Schweißen und das Reinigen im wesentlichen taktzeitparallel erfolgen, lässt sich der Reinigungsschritt so problemlos in die üblichen Arbeitsabläufe integrieren.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Laserschweißanlage; und
2 eine vergrößerte schematische Ansicht in Richtung des Pfeils II in 1.
Die in 1 gezeigte Laserschweißanlage weist einen Manipulator 10 in der Form eines mehrachsigen Roboters und eine Laser-Strahlungsquelle 12 auf. Die von der Strahlungsquelle 12 erzeugte Laserstrahlung wird über ein Lichtleiterkabel 14 zu einem Manipulatorarm 16 des Roboters geleitet, an dem ein Schweißkopf 18 und ein Reinigungskopf 20 angeordnet sind. Der Schweißkopf 18 weist eine nicht näher gezeigte Laseroptik auf, mit der ein Teil der von der Strahlungsquelle 12 erzeugten Laserstrahlung als Schweißlaserstrahl 22 auf eine Fügestelle zwischen zwei Werkstücken 24, 26, beispielsweise zwei Metallblechen, fokussiert wird, die längs einer Schweißnaht 28 miteinander verschweißt werden sollen. Die beiden Werkstücke 24, 26 sind im gezeigten Beispiel stationär auf einen Werkstückträger 30 aufgespannt, während der Schweißkopf 18 mit Hilfe des Manipulators 10 relativ zu dem Werkstückträger 30 bewegt wird.
Der Reinigungskopf 20 ist in Blickrichtung in 1 hinter dem Schweißkopf 18 an dem Manipulatorarm 16 angeordnet und weist eine weitere (nicht näher gezeigte) Laseroptik auf, mit der ein Reinigungslaserstrahl 32 auf die Schweißnaht 28 fokussiert wird. Die Laserstrahlung für den Reinigungskopf 20 wird entweder mit Hilfe eines Strahlteilers aus dem Schweißlaserstrahl ausgekoppelt, von der Laser-Strahlungsquelle 12 als gesonderter Strahl erzeugt oder von einer weiteren separaten Strahlungsquelle erzeugt und über einen separaten Lichtleiter des Lichtleiterkabels 14 zum Reinigungskopf 20 geleitet. In den letzteren Fällen kann sich der Reinigungslaserstrahl hinsichtlich spektraler Zusammensetzung, Leistung und Impulstaktung vom Schweißlaserstrahl unterscheiden.
Gemäß 1 ist die gesamte Laserschweißanlage von einem Schutzgehäuse 34 umgeben, durch die das Arbeitspersonal vor der Laserstrahlung geschützt wird.
In 2 sind ein Teil des Manipulatorarms 16 sowie der Schweißkopf 18 und der Reinigungskopf 20 etwas detaillierter dargestellt. Der Schweißkopf und ein Schlitten 36, der den Reinigungskopf 20 trägt, sind durch einen gemeinsamen Träger 38 an dem Manipulatorarm 16 gehalten. Der Schlitten 36 ist dabei in einer Richtung X, die parallel zu der Schweißnaht 28 verläuft, an dem Träger 38 verstellbar, so dass sich der Abstand zwischen dem Schweißkopf 18 und dem Reinigungskopf 20 nach Bedarf einstellen lässt. Über ein Drehgelenk 39 ist auch die Neigung des Reinigungskopfes einstellbar.
Während der Schweißkopf 18 so orientiert ist, dass der Schweißlaserstrahl 22 etwa rechtwinklig (vorzugsweise mit einer Winkelabweichung von weniger als ±10°) auf die Fügenaht der Werkstücke 24, 26 auftrifft, ist der Reinigungskopf 20 derart schräg an dem Schlitten 36 gehalten, dass der Reinigungslaserstrahl 32 unter einem gewissen Winkel auf die Werkstückoberfläche auftrifft, beispielsweise unter einem Winkel von 45°. Der Schweißlaserstrahl 22 und der Reinigungslaserstrahl 32 liegen dabei in einer gemeinsamen vertikalen Ebene, die auch die Schweißnaht 28 enthält, und der Reinigungslaserstrahl 32 ist so geneigt, dass die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung eine waagerechte Komponente hat, die in Richtung auf den Schweißlaserstrahl 22 weist. Wahlweise kann jedoch auch der Reinigungslaserstrahl 32 rechtwinklig auf die Schweißnaht auftreffen.
Mit Hilfe des Manipulatorarmes 16 werden der Schweißkopf 18 und der Reinigungskopf 20 gemeinsam über die Fügestelle der Werkstücke 24, 26 bewegt, von rechts nach links in 2, so dass ein Schweißpunkt 40, an dem der Schweißlaserstrahl 22 auf die Werkstücke auftrifft, von rechts nach links in 2 über die Werkstücke 24, 26 wandert. Das Metall der Werkstücke wird dabei lokal aufgeschmolzen und bildet so zunächst eine schmelzflüssige Schweißnaht, die dann in einem gewissen Abstand vom Schweißpunkt 40 erstarrt.
Obgleich der Manipulatorarm 16 im allgemeinen eine (hier nicht gezeigte) Begasungseinrichtung aufweisen wird, so dass der Schweißprozess in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt werden kann, soll hier angenommen werden, dass sich in der Schweißnaht 28 auf der Oberfläche der Metallschmelze eine Oxidschicht 42 bildet. Der Reinigungslaserstrahl 32 trifft auf die Schweißnaht 28 an einem Reinigungspunkt 44 auf, der dem Schweißpunkt 40 in einem festen (jedoch einstellbaren) Abstand nachfolgt. Dieser Abstand ist so gewählt, dass die Schmelze der Schweißnaht 28 am Reinigungspunkt 44 bereits wieder erstarrt ist. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Reinigungslaserstrahls 24 gezielt die Oxidschicht 42 abgetragen werden, ohne dass die Schweißnaht oder die angrenzenden Bereiche der Werkstücke beschädigt werden.
Im gezeigten Beispiel ist am Schweißkopf 18 noch ein Halter angebracht, mit dem eine Drahtzuführung 48 so auf den Schweißpunkt 40 gerichtet werden kann, dass der Schweißprozess durch ein als Zusatzwerkstoff dienendes Material (Massivdraht) aus der Drahtzuführung 48 unterstützt wird.
Bei der Programmierung der Laserschweißanlage braucht der Manipulator 10 lediglich so programmiert zu werden, dass der Schweißpunkt 40 und der Reinigungspunkt 44 stets auf die Schweißnaht 28 gerichtet bleiben, auch wenn diese nicht geradlinig verlaufen sollte. Je nach Schweißgeschwindigkeit sollte der Abstand zwischen dem Schweißpunkt 40 und dem Reinigungspunkt 44 so klein gewählt werden, dass die Laserstrahlen auch dann auf die Schweißnaht gerichtet bleiben, wenn diese gekrümmt verläuft. Bei nicht zu großer Krümmung genügt dazu eine Drehung des Trägers 38 oder des Manipulatorarms 16 um eine vertikale Achse. Bei engen Krümmungen kann erforderlichenfalls der Reinigungskopf 20 so relativ zu dem Schlitten 36 verschwenkt werden, dass der Reinigungspunkt 44 auf die Schweißnaht ausgerichtet bleibt.

Claims

Laserschweißanlage mit einem relativ zu einem Werkstückträger (30) bewegbaren Schweißkopf (18), der dazu ausgebildet ist, einen Schweißlaserstrahl (22) auf einen Schweißpunkt (40) auf einem auf dem Werkstückträger (30) gehaltenen Werkstück (24, 26) zu fokussieren und im Zuge der Relativbewegung eine Schweißnaht (28) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schweißkopf (18) ein Reinigungskopf (20) zugeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, einen Reinigungslaserstrahl (32) auf einen dem Schweißpunkt (40) in Richtung der Relativbewegung in Abstand nachlaufenden Reinigungspunkt (44) auf der Schweißnaht (28) zu fokussieren.
Laserschweißanlage nach Anspruch 1, bei der der Schweißkopf (18) und der Reinigungskopf (20) an einem gemeinsamen Manipulator (10) angeordnet sind.
Laserschweißanlage nach Anspruch 2, bei der der der Manipulator (10) einen Manipulatorarm (16) aufweist, an dem der Schweißkopf (18) und der Reinigungskopf (20) in Abstand zueinander angeordnet sind und der mit Hilfe des Manipulators derart bewegbar ist, dass der Schweißpunkt (40) und der Reinigungspunkt (44) dem Verlauf der Schweißnaht (28) folgen.
Laserschweißanlage nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Abstand zwischen dem Schweißkopf (18) und dem Reinigungskopf (20) einstellbar ist.