DE202022003003U1 - Laser welding gun - Google Patents
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Abstract
Laserschweißzange (10) zur Erzeugung einer Schweißnaht zum Verbinden von Werkstücken (36, 37), insbesondere im Überlappstoß, aufweisend
eine Stützeinrichtung (11), die sich entlang einer Längsachse (12) erstreckt,
ein optisches Einkoppelelement (13), welches zum Einkoppeln eines Laserstrahls (16) auf eine Schweißzone (23) in der Laserschweißzange (10) bereitgestellt ist und welches an der Stützeinrichtung (11) angeordnet oder ausgebildet ist,
eine erste Spannbacke (18) in Form eines Halteelements, welches zum Halten der Werkstücke (36, 37) während des Schweißvorgangs bereitgestellt ist, die in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) vor der Schweißzone (23) angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Spannbacke (18) entlang der Stützeinrichtung (11) axial verschiebbar an der Stützeinrichtung (11), insbesondere über einen ersten Tragarm (17), angeordnet oder ausgebildet ist, oder wobei die erste Spannbacke (18) Bestandteil der Stützeinrichtung (11) ist, welche axial verschiebbar ist, sowie
einen Antrieb (24), der zum Verschieben der ersten Spannbacke (18) oder des ersten Tragarms (17) oder der Stützeinrichtung (11) zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist, oder eine Schnittstelle zu einem Antrieb (24), der zum Verschieben der ersten Spannbacke (18) oder des ersten Tragarms (17) oder der Stützeinrichtung (11) zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laserschweißzange (10) für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum bereitgestellt ist,
dass die erste Spannbacke (18) als eine erste Vakuumkammer (19) ausgebildet ist, oder dass die erste Spannbacke (18) eine erste Vakuumkammer (19) aufweist,
dass die erste Vakuumkammer (19) optisch mit dem optischen Einkoppelelement (15) gekoppelt ist,
dass in der ersten Spannbacke (18) eine Austrittsöffnung (26) für den Laserstrahl (16) ausgebildet ist und dass die erste Vakuumkammer (19) in Strahlrichtung (16a) des Laserstrahls (16) austrittseitig der Austrittsöffnung (26) um die Austrittsöffnung (26) herum angeordnet oder ausgebildet ist, wobei die erste Vakuumkammer (19) so konfiguriert ist, dass sie die Schweißzone (23) in der Schweißposition umschließt und ein begrenztes lokales Vakuum um die Schweißzone (23) herum generiert.
Laser welding gun (10) for producing a weld seam for joining workpieces (36, 37), in particular in an overlap joint, comprising
a support device (11) extending along a longitudinal axis (12),
an optical coupling element (13) which is provided for coupling a laser beam (16) onto a welding zone (23) in the laser welding gun (10) and which is arranged or formed on the support device (11),
a first clamping jaw (18) in the form of a holding element which is provided for holding the workpieces (36, 37) during the welding process, which is arranged or formed in the beam direction (16a) of the laser beam (16) in front of the welding zone (23), wherein the first clamping jaw (18) is arranged or formed axially displaceable along the support device (11) on the support device (11), in particular via a first support arm (17), or wherein the first clamping jaw (18) is a component of the support device (11), which is axially displaceable, and
a drive (24) provided for displacing the first clamping jaw (18) or the first support arm (17) or the support device (11) between a starting position and a welding position, or an interface to a drive (24) provided for displacing the first clamping jaw (18) or the first support arm (17) or the support device (11) between a starting position and a welding position,
characterized,
that the laser welding gun (10) is provided for laser welding of workpieces in a vacuum,
that the first clamping jaw (18) is designed as a first vacuum chamber (19), or that the first clamping jaw (18) has a first vacuum chamber (19),
that the first vacuum chamber (19) is optically coupled to the optical coupling element (15),
that an exit opening (26) for the laser beam (16) is formed in the first clamping jaw (18) and that the first vacuum chamber (19) is arranged or formed around the exit opening (26) in the beam direction (16a) of the laser beam (16) on the exit side of the exit opening (26), wherein the first vacuum chamber (19) is configured in such a way that that it encloses the welding zone (23) in the welding position and generates a limited local vacuum around the welding zone (23).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Laserschweißzange gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1.The present invention relates firstly to a laser welding gun according to the preamble of claim 1.
Die vorliegende Erfindung ist auf dem technischen Gebiet des Laserschweißens im Vakuum angesiedelt. Das Laserschweißen im Vakuum ist eine Verfahrenskombination der etablierten Fügetechniken Laserschweißen und Elektronenstrahlschweißen.The present invention is located in the technical field of laser welding in a vacuum. Laser welding in a vacuum is a process combination of the established joining techniques laser welding and electron beam welding.
Beim Laserschweißen wird durch eine Lasereinrichtung erzeugtes Bearbeitungs-Laserlicht mit Hilfe einer Fokussieroptik auf einen kleinen Fleck gebündelt. Da die Energiedichte des Laserlichts sehr hoch ist, wird das zu schweißende Material schnell geschmolzen und teilweise verdampft und es entsteht schnell eine Schweißnaht. Das Laserschweißen findet gewöhnlich bei Atmosphärendruck statt.In laser welding, processing laser light generated by a laser device is focused onto a small spot using focusing optics. Since the energy density of the laser light is very high, the material to be welded is quickly melted and partially vaporized, and a weld seam is quickly formed. Laser welding usually takes place at atmospheric pressure.
Beim Elektronenstrahlschweißen erfolgt die Strahlerzeugung in der sogenannten Elektronenstrahlkanone durch Erwärmung einer Glühkathode und Anlegen einer Beschleunigungsspannung. Die Glühkathode ist bei den gängigen Varianten der Elektronenstrahlerzeuger ein Verschleißteil und muss, je nachdem welcher Werkstoff geschweißt wird, nach wenigen Stunden ausgetauscht werden. Einbaufehler, Verschmutzungen oder sonstige Änderungen dieser filigranen Komponente resultieren sofort in einer Veränderung der Strahleigenschaften und damit der Schweißnahtqualität. Die Strahlformung und -fokussierung erfolgt durch magnetische Spulen. Beim Elektronenstrahlschweißen ist verfahrensbedingt ein Hochvakuum notwendig. Denn eine Kollision der Elektronen mit den Luftmolekülen führt zu einer Aufweitung des Strahls und damit zum Absinken der Intensität am Werkstück.In electron beam welding, the beam is generated in the so-called electron beam gun by heating a hot cathode and applying an accelerating voltage. In the common variants of electron beam generators, the hot cathode is a wearing part and must be replaced after a few hours, depending on the material being welded. Installation errors, contamination or other changes to this delicate component immediately result in a change in the beam properties and thus in the quality of the weld seam. The beam is formed and focused by magnetic coils. In electron beam welding, a high vacuum is necessary due to the process. This is because a collision of the electrons with the air molecules leads to an expansion of the beam and thus a reduction in the intensity on the workpiece.
In jüngerer Zeit hat sich das Laserschweißen im Vakuum entwickelt, mit zunehmend neuen und sich stetig erweiternden Anwendungsbereichen. Das Laserschweißen im Vakuum beziehungsweise Laserstrahlschweißen im Vakuum ist eine Verfahrensmodifikation des Laserschweißens beziehungsweise Laserstrahlschweißens. Es kombiniert die Vakuumtechnik, die normalerweise beim Elektronenstrahlschweißen zum Einsatz kommt, mit der etablierten Fügetechnik des Laserschweißens. Durch eine dadurch realisierbare Reduzierung der Siedetemperatur ist weniger Energie notwendig, um das zu bearbeitende Material, üblicherweise Metall, zu verdampfen. Während die Größe der Dampfkapillare maßgeblich vom Strahldurchmesser bestimmt wird, führt eine Temperaturverringerung in der Dampfkapillare auch zu einer Verkleinerung des umgebenden Schmelzbades. Spritzer- und Porenneigung werden deutlich reduziert. Neben der Qualitätssteigerung der Laserschweißnaht führt das Laserschweißen im Vakuum weiter zu einem signifikant reduzierten Wärmeeintrag, bei gleicher Einschweißtiefe. Dieser Effekt ist besonders bei temperatursensiblen oder heißrissanfälligen Werkstoffen, oder wenn besonders verzugsarm geschweißt werden soll, von großem Nutzen.In recent times, laser welding in a vacuum has developed, with increasingly new and constantly expanding areas of application. Laser welding in a vacuum or laser beam welding in a vacuum is a process modification of laser welding or laser beam welding. It combines the vacuum technology that is normally used in electron beam welding with the established joining technology of laser welding. The reduction in the boiling temperature that can be achieved in this way means that less energy is required to vaporize the material to be processed, usually metal. While the size of the vapor capillary is largely determined by the beam diameter, a reduction in temperature in the vapor capillary also leads to a reduction in the size of the surrounding melt pool. The tendency for spatter and pores is significantly reduced. In addition to improving the quality of the laser weld seam, laser welding in a vacuum also leads to a significantly reduced heat input, with the same welding depth. This effect is particularly useful for temperature-sensitive materials or materials that are susceptible to hot cracking, or when welding is to be carried out with particularly low distortion.
Das Laserschweißen im Vakuum wird in der Regel in dafür vorgesehenen Vakuumkammern ausgeführt. Beispielsweise kann in stationären Vakuumkammern geschweißt werden. Hier werden die zu schweißenden Werkstücke in die Vakuumkammer eingebracht. Anschließend erfolgt der Schweißvorgang innerhalb der Vakuumkammer. In stationären Vakuumkammern ist allerdings nicht jede Art von Schweißprozessen möglich. Beispielsweise auf dem Gebiet des Schweißens von Autokaroserien ist eine stationäre Vakuum-Schweißkammer nicht geeignet. Diese müsste viel zu groß sein, was mindestens unwirtschaftlich ist.Laser welding in a vacuum is usually carried out in vacuum chambers designed for this purpose. For example, welding can be carried out in stationary vacuum chambers. Here, the workpieces to be welded are placed in the vacuum chamber. The welding process then takes place within the vacuum chamber. However, not all types of welding processes are possible in stationary vacuum chambers. For example, in the field of welding car bodies, a stationary vacuum welding chamber is not suitable. This would have to be far too large, which is at least uneconomical.
Beim Schweißen von Autokarosserien kommen deshalb vornehmlich lokal agierende Schweißvorrichtungen zum Einsatz, die man auch als Schweißzange bezeichnet.When welding car bodies, locally acting welding devices, also known as welding guns, are therefore primarily used.
Beim Schweißen von Autokarosserien ist derzeit noch das Widerstandspunktschweißen die vorherrschende Schweißmethode. Hier kommen Punktschweißzangen zum Einsatz. Die zu fügenden Bauteile werden zwischen zwei Elektroden positioniert, welche die zu schweißenden Bauteile zusammendrücken. Anschließend werden die Elektroden mit einem Schweißstrom beaufschlagt, wodurch sich die Fügestelle erhitzt. Dabei erfolgt eine punktuelle Erwärmung, so dass sich die zu schweißenden Bauteile unter Druck stoffschlüssig miteinander verbinden. Anschließend werden die Elektroden von der Schweißzone gelöst und ein nächster Schweißpunkt kann gesetzt werden. Das Prinzip der Widerstandspunktschweißens besteht somit darin, dass den zu verschweißenden Bauteilen über die Elektroden unter der Wirkung von Kraft Strom zugeführt wird. Problematisch beim Widerstandspunktschweißen ist unter anderem der so genannte Stromnebenfluss. Wenn die Schweißpunkte nicht weit genug auseinander liegen, fließt der Schweißstrom nicht nur über die aktuelle Schweißstelle, sondern auch über benachbarte Schweißpunkte. Weiterhin kann es zu Problemen kommen, wenn unterschiedlich dicke Werkstücke, beispielsweise Bleche, miteinander verschweißt werden sollen. Ein weiterer Nachteil ist der Elektrodenverschleiß. Es besteht deshalb das Bedürfnis, auf dem Gebiet der lokal agierenden Schweißvorrichtungen Alternativen zum Widerstandspunktschweißen zu finden.Resistance spot welding is currently the predominant welding method for welding car bodies. Spot welding guns are used here. The components to be joined are positioned between two electrodes, which press the components to be welded together. The electrodes are then subjected to a welding current, which heats up the joint. This creates a point-by-point heating so that the components to be welded bond together under pressure. The electrodes are then removed from the welding zone and the next welding point can be set. The principle of resistance spot welding is that current is supplied to the components to be welded via the electrodes under the effect of force. One of the problems with resistance spot welding is the so-called current bypass. If the welding points are not far enough apart, the welding current flows not only over the current welding point, but also over neighboring welding points. Problems can also arise if workpieces of different thicknesses, such as sheet metal, are to be welded together. Another disadvantage is electrode wear. There is therefore a need to find alternatives to resistance spot welding in the field of locally operating welding equipment.
Diesbezüglich ist es bereits bekannt geworden, beim Schweißen von Autokarosserien Schweißzangen zu verwenden, die zum Laserstrahlschweißen bereitgestellt sind. Eine Laserschweißzange ist dabei eine alternative Spann- und Fügetechnik zum Widerstandspunktschweißen. Im Gegensatz zum Widerstandspunktschweißen bietet die Laserschweißzange neben der Vermeidung der obigen Nachteile auch eine höhere Schweißgeschwindigkeit und eine höhere übertragbare Kraft der Schweißnähte.In this regard, it has already become known to use welding guns designed for laser beam welding when welding car bodies. Laser welding guns are an alternative clamping and joining technology to resistance spot welding. In contrast to resistance spot welding, laser welding guns not only avoid the above disadvantages, but also offer a higher welding speed and a higher transferable force of the weld seams.
Eine solche Laserschweißzange ist beispielsweise in der
Die
Bei der in der
In der
Alle zuvor beschriebenen Lösungen zum Stand der Technik eignen sich nicht zum Laserstrahlschweißen im Vakuum.All previously described state-of-the-art solutions are not suitable for laser welding in a vacuum.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserschweißzange bereitzustellen, die mit Vakuum arbeitet, und die dabei die Prozessvorteile des Widerstandspunktschweißens, des Laserstrahlschweißens und des Elektronenstrahlschweißens vereint.Based on the above-mentioned prior art, the present invention is therefore based on the object of providing a laser welding gun that works with vacuum and combines the process advantages of resistance spot welding, laser beam welding and electron beam welding.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Laserschweißzange mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved according to the invention by the laser welding gun with the features of independent claim 1. Further features and details of the present invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.
Zunächst werden die grundlegenden Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Laserschweißzange beschrieben.First, the basic relationships of the laser welding gun according to the invention are described.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Laserstrahlschweißen im Vakuum realisiert wird, wobei es sich bei dem Vakuum um ein begrenztes lokales Vakuum handelt. Das bedeutet, dass das Vakuum auf eine bestimmte Fläche beziehungsweise auf ein bestimmtes Volumen begrenzt ist. Bei dieser Fläche handelt es sich insbesondere um die Schweißzone, in der der eigentliche Schweißvorgang stattfindet, oder um die unmittelbare Umgebung der Schweißzone. Das Vakuum ist auf diesen bestimmten Bereich begrenzt, sprich lokal. Das Vakuum wird somit nur dort bereitgestellt, wo es für den Schweißvorgang tatsächlich benötigt wird. Im Vergleich zu stationären Vakuumkammern hat dies unter anderem den Vorteil, dass nur sehr kurze Absaugzeiten erforderlich sind. Denn das für den Schweißprozess benötigte Vakuum wird nur in einem sehr kleinen Volumen um die Schweißzone beziehungsweise die Schweißstelle herum generiert. Bei der Schweißzone handelt es sich insbesondere um den schmelzflüssigen Bereich, in dem der Schweißprozess selbst stattfindet.The basic idea of the present invention is that laser beam welding is carried out in a vacuum, whereby the vacuum is a limited local vacuum. This means that the vacuum is limited to a specific area or a specific volume. This area is in particular the welding zone in which the actual welding process takes place, or the immediate surroundings of the welding zone. The vacuum is limited to this specific area, i.e. locally. The vacuum is thus only provided where it is actually needed for the welding process. In comparison to stationary vacuum chambers, this has the advantage, among other things, that only very short extraction times are required. This is because the vacuum required for the welding process is only generated in a very small volume around the welding zone or the welding point. The welding zone is in particular especially the molten area in which the welding process itself takes place.
Die Laserschweißzange kommt bevorzugt im Verfahren des Laserstrahlschweißens im lokalen Vakuum zum Einsatz. Die Laserschweißzange ist insbesondere eine mobil und/der lokal agierende Laserschweißzange. Die Laserschweißzange ist insbesondere ein mobiles Schweißgerät, welches beispielsweise von Hand, oder mittels eines Manipulators, etwa eines Industrieroboters, zum Schweißort geführt wird.The laser welding gun is preferably used in the process of laser beam welding in a local vacuum. The laser welding gun is in particular a mobile and/or locally operating laser welding gun. The laser welding gun is in particular a mobile welding device that is guided to the welding location, for example by hand or by means of a manipulator, such as an industrial robot.
Die erfindungsgemäße Laserschweißzange ist für eine große Bandbreite an Werkstoffen und Werkstoffkombinationen einsetzbar. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für das Schweißen von verschiedenen Aluminiumlegierungen, Stahllegierungen, metallischen Leichtbauwerkstoffen und dergleichen, die insbesondere für die Automobilindustrie von großem Interesse sind, wobei die Erfindung natürlich nicht auf diese genannten Metalle beschränkt ist und andere Arten von Metallen mit der Laserschweißzange ebenfalls geschweißt werden können. Die Erfindung soll insbesondere bei der Herstellung von Karosseriebauteilen zum Einsatz kommen. Hier ist derzeit noch das Widerstandspunktschweißen eine vorherrschende Schweißmethode. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese bestimmte Anwendungsform beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo lokal agierende Schweißvorrichtungen vorteilhaft sind.The laser welding gun according to the invention can be used for a wide range of materials and material combinations. The present invention is particularly suitable for welding various aluminum alloys, steel alloys, metallic lightweight materials and the like, which are of great interest in particular for the automotive industry, although the invention is of course not limited to these metals and other types of metals can also be welded with the laser welding gun. The invention is intended to be used in particular in the manufacture of bodywork components. Resistance spot welding is currently still a predominant welding method here. Of course, the invention is not limited to this specific application. Rather, the invention can be used wherever locally acting welding devices are advantageous.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das für den Schweißprozess benötigte Vakuum in einem nur sehr kleinen Volumen um die Schweißzone herum generiert wird. Die Spanntechnik fungiert gleichzeitig auch als Vakuumkammer, wobei die Laserbearbeitung in der Vakuumkammer erfolgt, um einen Vakuumschweißprozess zu ermöglichen. Deshalb muss der Laserstrahl innerhalb der Vakuumkammer positioniert werden. Gleichzeitig kann während des Schweißprozesses immer ein Nullspalt realisiert werden, was weiter unten im Detail beschrieben wird.The basic idea of the solution according to the invention is that the vacuum required for the welding process is generated in a very small volume around the welding zone. The clamping technology also functions as a vacuum chamber, with the laser processing taking place in the vacuum chamber to enable a vacuum welding process. The laser beam must therefore be positioned within the vacuum chamber. At the same time, a zero gap can always be achieved during the welding process, which is described in detail below.
In einer Anwendungsform werden Laser-Schweißvorgänge automatisiert, insbesondere unter Verwendung von Robotern, das heißt robotergeführt, durchgeführt. Mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange ist es insbesondere möglich, diese an einem Manipulator, beispielsweise an einem Roboterarm zu befestigen. Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Laserschweißzange gegen bereits vorhandene Widerstandspunktschweißzangen zu ersetzen und auszutauschen. Aufwändige Spannvorrichtungen, wie beispielsweise in stationären Vakuumkammern oder beim Laser-Remote-Schweißen üblich, können entfallen, da die Spanntechnik direkt in der Laserschweißzange integriert ist.In one application, laser welding processes are automated, in particular using robots, i.e. robot-guided. With the laser welding gun according to the invention, it is particularly possible to attach it to a manipulator, for example to a robot arm. In particular, it is possible to replace and exchange the laser welding gun according to the invention with existing resistance spot welding guns. Complex clamping devices, such as those commonly used in stationary vacuum chambers or in remote laser welding, can be omitted because the clamping technology is integrated directly into the laser welding gun.
Der Schweißvorgang, beispielsweise die Erzeugung einer Schweißnaht, erfolgt innerhalb der Laserschweißzange. Dazu weist die Laserschweißzange in an sich bekannter Weise vorzugsweise eine oder zwei Spannbacken auf. Bei einer Spannbacke handelt es sich insbesondere um ein Halteelement, welches ein zu bearbeitendes Werkstück während eines Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise eines Schweißvorgangs, hält und in der Bearbeitungsposition fixiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Spannbacken gleichzeitig auch die Funktion der Vakuumkammer. Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur eine solche Spannbacke mit Vakuumkammerfunktion vorhanden ist. Die Spannbacken sind ein wesentliches Bauteil der Laserschweißzange. Denn mit Ihnen wird das zu schweißende Werkstück, beziehungsweise die zu schweißenden Werkstücke, zusammengedrückt. Dies ist eine ganz wesentliche Voraussetzung, denn während des Vakuum-Laserschweißvorgangs muss zwischen den zu verschweißenden Bauteilen ein Nullspalt vorliegen. Das bedeutet, dass zwischen den zu verschweißenden Bauteilen kein Spalt vorhanden ist. Würde zwischen den zu verschweißenden Bauteilen ein Spalt existieren, würde sich dies negativ auf das Vakuum und damit auf den Vakuum-Laserschweißprozess auswirken, da durch den Spalt eine undichte Vakuumkammer mit einer Leckage entstehen kann. Der Nullspalt ist somit wichtig, damit die Bleche die Schweißnaht beim Anpressen vom Umgebungsdruck abschirmen und eine Vakuumschweißung ermöglicht wird. Weiterhin ist die Vermeidung eines Spalts zwischen den zu verschweißenden Bauteilen, das heißt die Realisierung eines Nullspalts auch deshalb sehr wichtig, da ansonsten Luft, insbesondere Zugluft, zwischen die zu verschweißenden Werkstücke eindringen kann beziehungsweise eindringt, die dann das schmelzflüssige Material durch den Druckunterschied in die Vakuumkammer drückt.The welding process, for example the creation of a weld seam, takes place within the laser welding gun. For this purpose, the laser welding gun preferably has one or two clamping jaws in a manner known per se. A clamping jaw is in particular a holding element which holds a workpiece to be processed during a processing process, for example a welding process, and fixes it in the processing position. According to the present invention, the clamping jaws also simultaneously fulfill the function of the vacuum chamber. In principle, it is sufficient if only one such clamping jaw with vacuum chamber function is present. The clamping jaws are an essential component of the laser welding gun. This is because they press the workpiece or workpieces to be welded together. This is a very important requirement because during the vacuum laser welding process there must be a zero gap between the components to be welded. This means that there is no gap between the components to be welded. If there were a gap between the components to be welded, this would have a negative effect on the vacuum and thus on the vacuum laser welding process, as the gap could result in a leaky vacuum chamber. The zero gap is therefore important so that the sheets shield the weld seam from the ambient pressure when pressed together and vacuum welding is made possible. Furthermore, avoiding a gap between the components to be welded, i.e. creating a zero gap, is also very important because otherwise air, especially drafts, can or does penetrate between the workpieces to be welded, which then pushes the molten material into the vacuum chamber due to the pressure difference.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserschweißzange für das Schweißen im Überlappstoß bereitgestellt. Beim Schweißen im Überlappstoß liegen mehrere Werkstücke, beispielsweise Bleche, vorzugsweise parallel, aufeinander und überlappen sich. Dabei kann ein Werkstück über ein anderes hinausragen. Beispielsweise können auch zwei Werkstücke auf einer Ebene liegen und von einem dritten Werkstück überlappt werden.In a preferred embodiment, the laser welding gun is provided for lap joint welding. When lap joint welding, several workpieces, for example metal sheets, lie on top of one another, preferably in parallel, and overlap. One workpiece can protrude over another. For example, two workpieces can lie on one level and be overlapped by a third workpiece.
Beispielsweise werden mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise Bleche, vorzugsweise im Überlappstoß, verschweißt. Mit zunehmender Blechdicke nimmt auch die Steifigkeit der Bleche zu. Bei erhöhter Blechdicke muss die Spannkraft der Spannbacken erhöht werden, um einen Nullspalt zwischen den Blechen zu erzeugen. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses genannte Anwendungsbeispiel beschränkt.For example, two workpieces lying on top of each other, for example metal sheets, are welded together, preferably in an overlapping joint, using the laser welding gun according to the invention. As the sheet thickness increases, the stiffness of the sheet also increases. With increased sheet thickness, the The clamping force of the clamping jaws can be increased in order to create a zero gap between the sheets. Of course, the invention is not limited to this application example.
Gemäß der Erfindung wird eine Laserschweißzange zur Erzeugung einer Schweißnaht zum Verbinden von Werkstücken vorzugsweise im Überlappstoß, bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.According to the invention, a laser welding gun for producing a weld seam for joining workpieces, preferably in an overlap joint, is provided, which has the features of independent claim 1.
In herkömmlicher Weise weist die Laserschweißzange zunächst eine Stützeinrichtung auf, die sich entlang einer Längsachse erstreckt. An der Stützeinrichtung werden die einzelnen Komponenten der Laserschweißzange angeordnet. Bei der Stützeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Stützarm, einen Stützrahmen, ein Stützgestell, eine Stützstruktur oder dergleichen handeln. Über die Stützeinrichtung kann die Laserschweißzange beispielsweise an einem Manipulator, etwa einem Roboterarm, montiert oder montierbar sein, oder aber gegebenenfalls auch von Hand geführt werden.In a conventional manner, the laser welding gun first has a support device that extends along a longitudinal axis. The individual components of the laser welding gun are arranged on the support device. The support device can be, for example, a support arm, a support frame, a support structure or the like. The laser welding gun can be mounted or mountable on a manipulator, such as a robot arm, via the support device, or can also be guided by hand if necessary.
Weiterhin weist die Laserschweißzange ein optisches Einkoppelelement auf, welches zum Einkoppeln eines Laserstrahls auf/in eine Schweißzone in der Laserschweißzange bereitgestellt ist. Ein erzeugter Laserstrahl wird über das optische Einkoppelelement eingekoppelt und in der Laserschweißzange auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet und auf dem Werkstück positioniert. Wie dies im Einzelnen umgesetzt wird, wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Bei dem optischen Einkoppelelement handelt es sich beispielsweise um ein Einkoppelglas, welches vorzugsweise auch die Funktion eines Schutzglases übernimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform, die weiter unten näher beschrieben wird, wird durch das optische Einkoppelelement der Atmosphärendruck außerhalb der Laserschweißzange vom Druck innerhalb der Vakuumkammer, getrennt. Das optische Einkoppelelement ist an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Im ersten Fall handelt es sich um ein eigenständiges Element, das an der Stützeinrichtung montiert wird. Im zweiten Fall handelt es sich um einen integralen Bestandteil der Stützeinrichtung.The laser welding gun also has an optical coupling element, which is provided for coupling a laser beam onto/into a welding zone in the laser welding gun. A generated laser beam is coupled in via the optical coupling element and directed in the laser welding gun onto the workpiece to be processed and positioned on the workpiece. How this is implemented in detail is explained in more detail in the further course of the description using preferred exemplary embodiments. The optical coupling element is, for example, a coupling glass, which preferably also takes on the function of a protective glass. In a preferred embodiment, which is described in more detail below, the optical coupling element separates the atmospheric pressure outside the laser welding gun from the pressure inside the vacuum chamber. The optical coupling element is arranged or formed on the support device. In the first case, it is an independent element that is mounted on the support device. In the second case, it is an integral part of the support device.
Dem optischen Einkoppelelement kann beispielsweise ein Sensorelement zugeordnet sein, welches derart bereitgestellt ist, dass es in der Lage ist, eine Verschmutzung des optischen Einkoppelelements zu detektieren. Denn ein verschmutztes optisches Einkoppelelement beeinflusst den Laserstrahl und damit den Laserschweißprozess negativ.For example, a sensor element can be assigned to the optical coupling element, which is provided in such a way that it is able to detect contamination of the optical coupling element. This is because a dirty optical coupling element negatively influences the laser beam and thus the laser welding process.
Des Weiteren weist die Laserschweißzange eine erste Spannbacke zum Halten des oder der Werkstücke während des Schweißvorgangs auf. Eine Spannbacke ist insbesondere eine Vorrichtung, mittels der das oder die zu bearbeitende(n) Werkstück(e) aufgenommen, gehalten und während des Schweißprozesses fixiert wird/werden.Furthermore, the laser welding gun has a first clamping jaw for holding the workpiece(s) during the welding process. A clamping jaw is in particular a device by means of which the workpiece(s) to be processed are picked up, held and fixed during the welding process.
Die erste Spannbacke ist in Strahlrichtung des Laserstrahls vor der Schweißzone angeordnet oder ausgebildet. Die erste Spannbacke erzeugt somit insbesondere eine von oben auf das zu schweißende Werkstück wirkende Spannkraft. Die erste Spannbacke ist entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Auf diese Weise kann die erste Spannbacke auf das zu schweißende Werkstück aufgesetzt und von diesem auch wieder abgehoben werden. Beispielsweise kann die erste Spannbacke über einen ersten Tragarm axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet sein. Das bedeutet, die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm ist beweglich, wobei die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm vorzugsweise linear entlang der Längsachse verfahren werden kann. Entweder handelt es sich bei der ersten Spannbacke beziehungsweise dem ersten Tragarm um ein eigenständiges Bauteil, welches beweglich an der Stützeinrichtung angeordnet ist. Oder aber die erste Spannbacke beziehungsweise der erste Tragarm ist als ein integraler Bestandteil der Stützeinrichtung ausgebildet. In diesem Fall muss zur Erzeugung der genannten Beweglichkeit die gesamte Stützeinrichtung entsprechend beweglich sein.The first clamping jaw is arranged or designed in front of the welding zone in the direction of the laser beam. The first clamping jaw thus generates a clamping force acting on the workpiece to be welded from above. The first clamping jaw is arranged or designed to be axially displaceable along the support device. In this way, the first clamping jaw can be placed on the workpiece to be welded and lifted off again. For example, the first clamping jaw can be arranged on the support device so that it can be axially displaced via a first support arm. This means that the first clamping jaw or the first support arm is movable, whereby the first clamping jaw or the first support arm can preferably be moved linearly along the longitudinal axis. Either the first clamping jaw or the first support arm is an independent component which is arranged movably on the support device. Or the first clamping jaw or the first support arm is designed as an integral part of the support device. In this case, the entire support device must be correspondingly movable in order to generate the mobility mentioned.
Die erste Spannbacke wird zur Initialisierung eines Schweißprozesses in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks verfahren, und nach Beendigung des Schweißprozesses von dem nun geschweißten Werkstück wegbewegt, damit dieses von der Laserschweißzange entfernt oder entnommen werden kann. Über die erste Spannbacke wird das zu schweißende Werkstück, beispielsweise zwei zu verschweißende Bleche, so gedrückt, dass ein Nullspalt zwischen Spannbacke und Werkstück, sowie auch zwischen den beiden Blechen, entsteht.The first clamping jaw is moved in the direction of the workpiece to be processed to initiate a welding process and, after the welding process has been completed, is moved away from the now welded workpiece so that it can be removed or taken away from the laser welding gun. The workpiece to be welded, for example two sheets of metal to be welded, is pressed via the first clamping jaw in such a way that a zero gap is created between the clamping jaw and the workpiece, as well as between the two sheets of metal.
Um die Beweglichkeit der ersten Spannbacke und insbesondere des ersten Tragarms realisieren zu können, weist die Laserschweißzange einen Antrieb auf, der zum Verschieben der ersten Spannbacke oder des ersten Tragarms oder der Stützeinrichtung zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist. In diesem Fall ist der Antrieb Teil der Laserschweißzange und bevorzugt an der Stützeinrichtung angeordnet. In einer anderen Ausführungsform weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einem Antrieb auf, der zum Verschieben der ersten Spannbacke oder des ersten Tragarms oder der Stützeinrichtung zwischen einer Ausgansposition und einer Schweißposition bereitgestellt ist. In diesem Fall ist der Antrieb an sich nicht Bestandteil der Laserschweißzange. Die Antriebskraft wird dann außerhalb der Laserschweißzange generiert und über eine geeignete Schnittstelle, beispielsweise eine Leitung oder einen Schlauch, übertragen.In order to be able to realize the mobility of the first clamping jaw and in particular of the first support arm, the laser welding gun has a drive that is provided for moving the first clamping jaw or the first support arm or the support device between a starting position and a welding position. In this case, the drive is part of the laser welding gun and is preferably arranged on the support device. In another embodiment, the laser welding gun has an interface to a drive that is provided for moving the first clamping jaw or the first support arm or the support device between a starting position and a welding position. is provided. In this case, the drive itself is not part of the laser welding gun. The drive force is then generated outside the laser welding gun and transmitted via a suitable interface, for example a cable or hose.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Antriebsarten beschränkt. Beispielsweise ist der Antrieb so ausgebildet, dass er eine gleichförmige, insbesondere lineare, Verfahrbewegung erzeugt. Beispielseise kann der Antrieb auch zur Erzeugung einer Geschwindigkeitsvariation ausgebildet sein. Der Antrieb ist beispielsweise als Pneumatikantrieb oder als Hydraulikantrieb ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb jedoch als ein elektrischer Antrieb ausgebildet, beispielsweise als ein Elektromotor, etwa ein Servomotor. Im Fall eines elektrischen Antriebs umfasst dieser bevorzugt auch eine Wandlereinrichtung, die derart bereitgestellt ist, dass sie die Motorrotation in eine lineare Translationsbewegung übersetzen kann, beispielsweise um eine Kugelumlaufspindel.The invention is not limited to specific types of drive. For example, the drive is designed such that it generates a uniform, in particular linear, travel movement. For example, the drive can also be designed to generate a speed variation. The drive is designed, for example, as a pneumatic drive or as a hydraulic drive. In a preferred embodiment, however, the drive is designed as an electric drive, for example as an electric motor, such as a servo motor. In the case of an electric drive, this preferably also includes a converter device that is provided in such a way that it can translate the motor rotation into a linear translation movement, for example around a ball screw.
Erfindungsgemäß ist die Laserschweißzange, wie weiter oben allgemein beschrieben, für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum bereitgestellt.According to the invention, the laser welding gun, as generally described above, is provided for laser welding of workpieces in a vacuum.
Dazu ist die erste Spannbacke als eine erste Vakuumkammer ausgebildet ist, oder die erste Spannbacke weist eine erste Vakuumkammer auf. Im ersten Fall ist die erste Vakuumkammer integraler Bestandteil der ersten Spanbacke. Im zweiten Fall ist die erste Vakuumkammer ein eigenständiges Bauteil, welches an der ersten Spannbacke angeordnet ist/wird.For this purpose, the first clamping jaw is designed as a first vacuum chamber, or the first clamping jaw has a first vacuum chamber. In the first case, the first vacuum chamber is an integral part of the first clamping jaw. In the second case, the first vacuum chamber is an independent component which is/will be arranged on the first clamping jaw.
Dabei ist die erste Vakuumkammer optisch mit dem optischen Einkoppelelement gekoppelt, so dass der erzeugte Laserstrahl, der über das optische Einkoppelelement in die Laserschweißzange eingekoppelt wird, in der ersten Vakuumkammer und damit, beim Betrieb der Laserschweißzange, in der Schweißzone auf dem zu schweißenden Werkstück positioniert werden kann.The first vacuum chamber is optically coupled to the optical coupling element so that the generated laser beam, which is coupled into the laser welding gun via the optical coupling element, can be positioned in the first vacuum chamber and thus, when the laser welding gun is in operation, in the welding zone on the workpiece to be welded.
In der ersten Spannbacke ist eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl ausgebildet. Der Laserstrahl tritt aus der Austrittsöffnung aus und wird anschließend in der Schweißzone positioniert. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungen der Austrittsöffnung beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass die Austrittsöffnung so bemessen ist, dass der aus dieser austretende Laserstrahl die gesamte Schweißzone erreichen und überstreichen kann. Beispielswiese kann die Austrittsöffnung rund, oval oder in beliebiger Weise eckig ausgebildet sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Austrittsöffnung als Austrittschlitz ausgebildet. Ein Schlitz ist insbesondere eine längliche schmale Öffnung, deren Länge um ein Vielfaches größer ist als deren Breite. Beispielsweise kann es sich bei der Austrittsöffnung um ein Langloch handeln. Ein Langloch ist insbesondere eine längliche Bohrung oder Nut, deren schmale Seiten durch Halbkreise abgeschlossen sind, deren Durchmesser der Breite des Langlochs entspricht. Die Längsseiten des Langlochs verlaufen vorzugsweise parallel.An exit opening for the laser beam is formed in the first clamping jaw. The laser beam exits from the exit opening and is then positioned in the welding zone. The invention is not restricted to specific designs of the exit opening. It is only important that the exit opening is dimensioned such that the laser beam exiting it can reach and cover the entire welding zone. For example, the exit opening can be round, oval or angular in any way. In a preferred design, the exit opening is designed as an exit slot. A slot is in particular an elongated narrow opening whose length is many times greater than its width. For example, the exit opening can be an elongated hole. An elongated hole is in particular an elongated hole or groove whose narrow sides are closed off by semicircles whose diameter corresponds to the width of the elongated hole. The long sides of the elongated hole preferably run parallel.
Die erste Vakuumkammer ist in Strahlrichtung des Laserstrahls austrittseitig der Austrittsöffnung um die Austrittsöffnung herum angeordnet oder ausgebildet ist. Dies wird im weiteren Verlauf im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen der Vakuumkammer näher beschrieben. Die erste Vakuumkammer ist dabei so konfiguriert, wie weiter oben allgemein beschrieben ist, dass sie die Schweißzone in der Schweißposition umschließt und ein begrenztes lokales Vakuum um die Schweißzone herum generiert.The first vacuum chamber is arranged or formed around the exit opening in the beam direction of the laser beam on the exit side of the exit opening. This is described in more detail below in connection with preferred embodiments of the vacuum chamber. The first vacuum chamber is configured as generally described above, such that it encloses the welding zone in the welding position and generates a limited local vacuum around the welding zone.
Erfindungsgemäß wird die Schweißnaht innerhalb der ersten Spannbacke erzeugt, die gleichzeitig die Funktion einer Vakuumkammer erfüllt. Es liegen für den Schweißvorgang somit zwei energetische Eingangsgrößen vor: die Laserstrahlung und die Vakuum-Umgebung in der Vakuumkammer.According to the invention, the weld seam is created within the first clamping jaw, which simultaneously fulfils the function of a vacuum chamber. There are therefore two energetic input variables for the welding process: the laser radiation and the vacuum environment in the vacuum chamber.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Laserschweißzange eine zweite Spannbacke zum Halten des oder der Werkstücke während des Schweißvorgangs auf. Die zweite Spannbacke ist in Strahlrichtung des Laserstrahls hinter oder unterhalb der Schweißzone angeordnet oder ausgebildet. Die zweite Spannbacke erzeugt somit insbesondere eine von unten auf das zu schweißende Werkstück wirkende Spannkraft. Die zweite Spannbacke ist entweder entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet oder ausgebildet. Oder aber, die zweite Spannbacke ist feststehend an der Stützeinrichtung angeordnet. Beispielsweise kann die zweite Spannbacke über einen zweiten Tragarm an der Stützeinrichtung angeordnet sein, der entlang der Stützeinrichtung axial verschiebbar an der Stützeinrichtung angeordnet ist, oder der feststehend an der Stützeinrichtung angeordnet ist, oder der Bestandteil der Stützeinrichtung ist. Die Schweißzone ist zwischen der ersten und zweiten Spannbacke ausgebildet. Bevorzugt ist auch die zweite Spannbacke als eine zweite Vakuumkammer ausgebildet, oder die zweite Spannbacke weist eine zweite Vakuumkammer auf. Bezüglich der Ausgestaltung und Funktion des zweiten Tragarms, der zweiten Spannbacke und der zweiten Vakuumkammer wird auch auf die Ausführungen zum ersten Tragarm, zur ersten Spannbacke und zur ersten Vakuumkammer verwiesen.In a preferred embodiment, the laser welding gun has a second clamping jaw for holding the workpiece(s) during the welding process. The second clamping jaw is arranged or formed behind or below the welding zone in the direction of the laser beam. The second clamping jaw thus generates a clamping force acting on the workpiece to be welded from below. The second clamping jaw is either arranged or formed on the support device so as to be axially displaceable along the support device. Or the second clamping jaw is arranged fixedly on the support device. For example, the second clamping jaw can be arranged on the support device via a second support arm which is arranged on the support device so as to be axially displaceable along the support device, or which is arranged fixedly on the support device, or which is part of the support device. The welding zone is formed between the first and second clamping jaw. The second clamping jaw is also preferably designed as a second vacuum chamber, or the second clamping jaw has a second vacuum chamber. With regard to the design and function of the second support arm, the second clamping jaw and the second vacuum chamber, reference is also made to the explanations regarding the first support arm, the first clamping jaw and the first vacuum chamber.
Grundsätzlich für die Erfindung ausreichend ist eine einseitige Zugänglichkeit durch Aufsetzen der ersten, oberen Spannbacke, beziehungsweise der ersten Vakuumkammer, auf dem zu schweißenden Werkstück. Eine zweite Spannbacke, beziehungsweise eine zweite Vakuumkammer, kann hier entfallen. Die erforderliche Abdichtung erfolgt dann insbesondere durch einseitiges Anpressen der ersten, oberen Vakuumkammer und es erfolgt eine Einschweißung, statt einer Durchschweißung, beispielsweise ins untere Werkstück, wenn zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise zwei Bleche, miteinander verschweißt werden. Bei einer Durchschweißung ist insbesondere die zweite, untere Spannbacke mit der zweiten, unteren Vakuumkammer realisiert.In principle, one-sided accessibility by placing the first, upper clamping jaw or the first vacuum chamber on the workpiece to be welded is sufficient for the invention. A second clamping jaw or a second vacuum chamber can be omitted here. The required sealing is then achieved in particular by pressing the first, upper vacuum chamber on one side and welding takes place, instead of through-welding, for example into the lower workpiece when two workpieces lying on top of one another, for example two sheets of metal, are welded together. In the case of through-welding, the second, lower clamping jaw is particularly implemented with the second, lower vacuum chamber.
Vorzugsweise kann in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit der ersten Spannbacke weiter oben beschrieben auch die zweite Spannbacke eine entsprechende Austrittsöffnung aufweisen, wobei dies aber nicht zwingend erforderlich ist.Preferably, in the same way as described above in connection with the first clamping jaw, the second clamping jaw can also have a corresponding outlet opening, although this is not absolutely necessary.
Vorzugsweise ist an oder in der ersten Spannbacke und/oder der zweiten Spannbacke, insbesondere an oder in dem ersten Tragarm und/oder dem zweiten Tragarm eine Kraftmesseinrichtung angeordnet oder ausgebildet, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, um die an den zu schweißenden Werkstücken während des Schweißvorgangs anliegenden Kräfte zu überwachen. Die Kraftmesseinrichtung ist beispielsweise in Form einer Kraftmessdose ausgebildet. Vorzugsweise ist die Kraftmesseinrichtung nur einachsig auf Zug oder Druck belastet oder belastbar. Dadurch wird ein reales Messergebnis erhalten und eine Zerstörung der Kraftmesseinrichtung, etwa bei zu hoher Querkraft, wird verhindert.Preferably, a force measuring device is arranged or formed on or in the first clamping jaw and/or the second clamping jaw, in particular on or in the first support arm and/or the second support arm, which is provided in such a way that it is able to monitor the forces applied to the workpieces to be welded during the welding process. The force measuring device is designed, for example, in the form of a load cell. Preferably, the force measuring device is only loaded or can be loaded in tension or compression on one axis. This provides a real measurement result and prevents the force measuring device from being destroyed, for example if the transverse force is too high.
Vorzugsweise weist die Laserschweißzange eine Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls auf, die dann an der Stützenrichtung angeordnet ist. Die Einrichtung weist eine Reihe von Komponenten auf, wobei mindestens einige der Komponenten dann an der Stützeinrichtung angeordnet sind. In diesem Fall wird der Laserstrahl innerhalb der Laserschweißzange erzeugt, oberhalb des optischen Einkoppelelements. Oder aber, in anderer Ausgestaltung, weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls auf- In diesem Fall wird der Laserstrahl außerhalb der Laserschweißzange erzeugt und über das optische Einkoppelelement in die Laserschweißzange eingekoppelt. Die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls muss nicht notwendiger Weise an der Laserschweißzange verbaut sein. Die Einrichtung weist zunächst eine Laserquelle auf, wobei alle Arten von Laserquellen genutzt werden können, gegebenenfalls auch Elektronenstrahlquellen. Zudem weist die Einrichtung bevorzugt auch eine Laseroptik auf. Dabei können 0- bis 3D-Optiken verbaut werden/sein. Des Weiteren kann die Einrichtung auch einen Kollimator, eine Einrichtung zur Optikmanipulation, und dergleichen aufweisen. Die Einrichtung, beziehungsweise zumindest einzelne Komponenten davon können, insbesondere linear, verfahrbar an der Stützeinrichtung angeordnet sein, insbesondere in Längsrichtung der Stützeinrichtung. Die verfahrbaren Komponenten können somit auch dann bewegt werden, wenn die Spannbacken der Laserschweißzange fest verspannt sind.The laser welding gun preferably has a device for generating a laser beam, which is then arranged on the support device. The device has a number of components, with at least some of the components then being arranged on the support device. In this case, the laser beam is generated inside the laser welding gun, above the optical coupling element. Or, in another embodiment, the laser welding gun has an interface to a device for generating a laser beam. In this case, the laser beam is generated outside the laser welding gun and coupled into the laser welding gun via the optical coupling element. The device for generating the laser beam does not necessarily have to be installed on the laser welding gun. The device firstly has a laser source, whereby all types of laser sources can be used, possibly also electron beam sources. In addition, the device preferably also has laser optics. 0 to 3D optics can be installed. Furthermore, the device can also have a collimator, a device for optics manipulation, and the like. The device, or at least individual components thereof, can be arranged on the support device so that it can move, in particular linearly, in particular in the longitudinal direction of the support device. The movable components can thus also be moved when the clamping jaws of the laser welding gun are firmly clamped.
In weiterer Ausgestaltung weist die Laserschweißzange bevorzugt eine Einrichtung zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls auf, die an der Stützenrichtung angeordnet ist. Oder aber, in anderer Ausgestaltung, weist die Laserschweißzange eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zum Ablenken eines erzeugten Laserstrahls auf, wobei die Einrichtung zum Ablenken des erzeugten Laserstrahls vorzugsweise linear verschiebbar ist. Eine solche Ablenkungs-Einrichtung wird auch als Laserscanner bezeichnet. Sie ermöglicht das zeilenartige und/oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen des zu bearbeitenden Werkstücks, um dieses bearbeiten zu können. Anstelle eines Laserscanners könnte auch eine Festoptik zum Einsatz kommen, die dann, vorzugsweise linear, in Richtung der Schweißnaht verfahren wird. Bevorzugt ist realisiert, dass die Ablenkungs-Einrichtung verfahrbar, insbesondere linear verfahrbar, etwa entlang der Längsachse der Stützeinrichtung, an der Stützeinrichtung angeordnet ist. Die Ablenkungs-Einrichtung kann somit auch dann bewegt werden, wenn die Spannbacken der Laserschweißzange fest verspannt sind.In a further embodiment, the laser welding gun preferably has a device for deflecting a generated laser beam, which is arranged on the support device. Or, in another embodiment, the laser welding gun has an interface to a device for deflecting a generated laser beam, wherein the device for deflecting the generated laser beam is preferably linearly displaceable. Such a deflection device is also referred to as a laser scanner. It enables the surfaces of the workpiece to be processed to be scanned in a line-like and/or grid-like manner in order to be able to process it. Instead of a laser scanner, a fixed optics could also be used, which is then moved, preferably linearly, in the direction of the weld seam. It is preferably implemented that the deflection device is arranged on the support device so that it can be moved, in particular linearly, for example along the longitudinal axis of the support device. The deflection device can therefore also be moved when the clamping jaws of the laser welding gun are firmly clamped.
Mittels einer verfahrbaren Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls und/oder einer verfahrbaren Ablenkungseinrichtung kann beispielsweise der Fokusabstand des erzeugten Laserstrahls variiert werden. Insbesondere kann der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl defokussiert werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dadurch die Endkrater einer Schweißnaht optimiert und insbesondere eine Endkrater-Rissbildung reduziert werden kann. Derartige Endkrater beziehungsweise eine Endkratervermeidung wird/werden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter unten im Detail beschrieben.By means of a movable device for generating the laser beam and/or a movable deflection device, for example, the focus distance of the generated laser beam can be varied. In particular, the laser beam striking the workpiece can be defocused. The inventors have found that this optimizes the end craters of a weld seam and in particular reduces the formation of end crater cracks. Such end craters or end crater avoidance is/are described in detail below in connection with the method according to the invention.
Zusätzlich kann die Laserschweißzange einen Laserkopf aufweisen, der bevorzugt an der Stützeinrichtung angeordnet ist, und der die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls und/oder die Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls, oder zumindest einzelne Komponenten davon, mit der Laserschweißzange, beispielsweise der Laser-Schweißzange, verbindet. In dem Laserkopf kann das optische Einkoppelelement angeordnet oder ausgebildet sein.In addition, the laser welding gun can have a laser head, which is preferably arranged on the support device and which connects the device for generating the laser beam and/or the device for deflecting the laser beam, or at least individual components thereof, to the laser welding gun, for example the laser welding gun. The optical coupling element can be arranged or formed in the laser head.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, wie die erste und/oder zweite Vakuumkammer bevorzugt ausgebildet ist.In the following, some preferred embodiments are described as to how the first and/or second vacuum chamber is preferably designed.
Vorzugsweise weist die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer eine Kontaktfläche für die Werkstücke auf. Über die Kontaktfläche kommt die Vakuumkammer während des Spannvorgangs mit dem Werkstück in Kontakt und steht während es späteren Schweißvorgangs mit diesem in Kontakt. Während des Spannvorgangs wird das zu schweißende Werkstück über die Spanbacke(n) beziehungsweise die Vakuumkammer(n) mit einer Spannkraft gehalten, die dann über die Kontaktfläche von der/den Spannbacke(n), insbesondere von deren Vakuumkammer(n) auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird.Preferably, the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber has a contact surface for the workpieces. The vacuum chamber comes into contact with the workpiece via the contact surface during the clamping process and remains in contact with it during the subsequent welding process. During the clamping process, the workpiece to be welded is held by the clamping jaw(s) or the vacuum chamber(s) with a clamping force, which is then applied to the workpiece surface via the contact surface of the clamping jaw(s), in particular from their vacuum chamber(s).
Bevorzugt ist die erste, obere Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen. Dabei ist die erste Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg begrenzt, der in Richtung der Schweißzone, das heißt nach unten, insbesondere von der ersten Spannbacke, abragt. Das freie Ende der ersten Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ist bevorzugt als die vorstehend beschriebene Kontaktfläche ausgebildet. Beispielsweise weist die erste Spannbacke eine mit einer Austrittsöffnung versehene Grundplatte oder Grundstruktur auf, wobei der erzeugte Laserstrahl von oben durch die Austrittsöffnung hindurchtritt, um auf dem zu bearbeitenden Werkstück positioniert zu werden. Hinsichtlich der Austrittsöffnung wird an dieser Stelle auch auf die entsprechenden Ausführungen dazu weiter oben Bezug genommen und verwiesen. Diese Austrittsöffnung definiert beziehungsweise begrenzt insbesondere die Schweißzone. Von dieser Grundplatte oder Grundstruktur der Spannbacke ragt dann die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, nach unten, das heißt in Richtung der Schweißzone, ab. Die Vakuumkammerwand ist dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass sie die Austrittsöffnung für den Laserstrahl umgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, direkt und ohne Versatz an die Austrittsöffnung an. Die Kontur der Vakuumkammerwand entspricht dabei vorzugsweise der Kontur der Austrittsöffnung. Die Vakuumkammerwand kann in diesem Fall als eine Art Verlängerung der Austrittsöffnung angesehen werden. In anderer Ausgestaltung kann die Vakuumkammerwand, insbesondere der umlaufende Steg, in einem geringen Abstand zur Austrittsöffnung bereitgestellt sein, In diesem Fall besteht zwischen Austrittsöffnung und Vakuumkammerwand ein geringer Versatz. Beispielsweise kann dieser Versatz 1cm oder kleiner betragen. In diesem Fall muss die Kontur der Vakuumkammerwand nicht zwangsläufig mit der Kontur der Austrittsöffnung übereinstimmen. Je näher sich die Vakuumkammerwand an der Austrittsöffnung befindet, desto kleiner ist das Volumen, das für den durchzuführenden Schweißprozess evakuiert werden muss.The first, upper vacuum chamber is preferably open in the direction of the welding zone. The first vacuum chamber is delimited by a vacuum chamber wall, in particular by a circumferential web, which projects in the direction of the welding zone, i.e. downwards, in particular from the first clamping jaw. The free end of the first vacuum chamber wall, in particular of the web, is preferably designed as the contact surface described above. For example, the first clamping jaw has a base plate or basic structure provided with an exit opening, wherein the generated laser beam passes through the exit opening from above in order to be positioned on the workpiece to be processed. With regard to the exit opening, reference is also made to the corresponding explanations above. This exit opening defines or delimits in particular the welding zone. The vacuum chamber wall, in particular the circumferential web, then projects downwards from this base plate or basic structure of the clamping jaw, i.e. in the direction of the welding zone. The vacuum chamber wall is designed in particular such that it surrounds the exit opening for the laser beam. In a preferred embodiment, the vacuum chamber wall, in particular the surrounding web, adjoins the outlet opening directly and without offset. The contour of the vacuum chamber wall preferably corresponds to the contour of the outlet opening. In this case, the vacuum chamber wall can be viewed as a type of extension of the outlet opening. In another embodiment, the vacuum chamber wall, in particular the surrounding web, can be provided at a short distance from the outlet opening. In this case, there is a slight offset between the outlet opening and the vacuum chamber wall. For example, this offset can be 1 cm or less. In this case, the contour of the vacuum chamber wall does not necessarily have to match the contour of the outlet opening. The closer the vacuum chamber wall is to the outlet opening, the smaller the volume that has to be evacuated for the welding process to be carried out.
Die Vakuumkammer, und insbesondere die Vakuumkammerwand, ist dasjenige Element oder derjenige Bestandteil der Spannbacke, welches mit dem zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere über die Kontaktfläche, als erstes in Kontakt kommt. Die Vakuumkammer übernimmt somit insbesondere auch Spannbackenfunktion.The vacuum chamber, and in particular the vacuum chamber wall, is the element or component of the clamping jaw that first comes into contact with the workpiece to be machined, in particular via the contact surface. The vacuum chamber therefore also takes on the function of a clamping jaw.
In gleicher Weise kann zusätzlich oder alternativ auch die zweite, untere Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen sein, wobei die zweite Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg, begrenzt ist, der in Richtung der Schweißzone, insbesondere von einer Grundplatte oder Grundstruktur, abragt, diesmal nach oben. Das freie Ende der zweiten Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ist bevorzugt als die vorstehend beschriebene Kontaktfläche ausgebildet.In the same way, additionally or alternatively, the second, lower vacuum chamber can also be open in the direction of the welding zone, wherein the second vacuum chamber is delimited by a vacuum chamber wall, in particular by a circumferential web, which projects in the direction of the welding zone, in particular from a base plate or base structure, this time upwards. The free end of the second vacuum chamber wall, in particular of the web, is preferably designed as the contact surface described above.
Bei dieser Ausführungsform wird die Spannbacke beziehungsweise die Vakuumkammer, die nach unten beziehungsweise nach oben, das heißt in jedem Fall in Richtung der Werkstückoberfläche offen ist, von einer Vakuumkammerwand, insbesondere mit einem umlaufenden Steg begrenzt. Dadurch entsteht beim Auftreffen der Vakuumkammerwand, vorzugsweise der Kontaktfläche, insbesondere ein elastischer Eindruck der Spannbacke im Werkstück, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht, da er die Schweißzone, die sich innerhalb der Vakuumkammerwand befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch der geforderte Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, realisiert werden kann. Durch die Vakuumkammerwand wird die Schweißzone gegen den Umgebungsdruck abgedichtet. Die Schweißzone liegt innerhalb der Vakuumkammerwand, beispielsweise des umlaufenden Stegs, um zum einen die Vakuumdichtheit, zum anderen aber auch einen Schutz vor den Laserstrahlen, zu gewährleisten. Über die Vakuumkammerwand, beispielsweise den Steg, wird zudem auch ein eventuell geforderter Nullspalt ermöglicht. Die Vakuumkammerwand, beispielsweise der Steg, kann beispielsweise eine Breite von 1 mm haben.In this embodiment, the clamping jaw or the vacuum chamber, which is open at the bottom or at the top, i.e. in any case in the direction of the workpiece surface, is delimited by a vacuum chamber wall, in particular with a circumferential web. This creates an elastic impression of the clamping jaw in the workpiece when it hits the vacuum chamber wall, preferably the contact surface, which enables the vacuum to be generated because it shields the welding zone, which is located inside the vacuum chamber wall, from atmospheric pressure. A further effect of this impression is that the workpiece deforms elastically at this point, whereby the required zero gap can be achieved, as generally described above. The vacuum chamber wall seals the welding zone against the ambient pressure. The welding zone is located inside the vacuum chamber wall, for example the circumferential web, in order to ensure vacuum tightness on the one hand, but also protection from the laser beams on the other. The vacuum chamber wall, for example the web, also enables any required zero gap. The vacuum chamber wall, for example the web, can have a width of 1 mm, for example.
In bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführungsform ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder in der Vakuumkammerwand, insbesondere im Steg, beispielsweise in der Kontaktfläche, eine Dichtungseinrichtung, insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt, Zur Fixierung der Dichtungseinrichtung ist optional eine, vorzugsweise keilförmige, schwalbenschwanzförmige oder anders ausgebildete, Nut zur Aufnahme der Dichtungseinrichtung bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Ausführung, bei der einer wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform beschriebenen auftretenden Werkstückverformung entgegengewirkt wird. Dazu ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder innerhalb einer entsprechend breit ausgebildeten Vakuumkammerwand, insbesondere eines Stegs, eine Dichtungseinrichtung, beispielsweis in Form eines Dichtrings vorgesehen. Zur Fixierung des Dichtungseinrichtung ist diese in der Nut eingelegt, die beispielsweise in der Kontaktfläche ausgebildet ist. Die Realisierung des geforderten Nullspalts erfolgt wiederum über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, der sich, räumlich gesehen, innerhalb der Dichtungseinrichtung, das heißt im Vergleich zur Dichtungseinrichtung näher an der Austrittsöffnung, befindet. Bei der Betätigung des Spannbacke berührt zunächst die Dichtungseinrichtung das Werkstück und wird zusammengedrückt. Dadurch wird die Vakuumabdichtung realisiert. Beim weiteren Zusammenfahren trifft die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf die Werkstückoberfläche und drückt, beispielsweise wenn zwei Werkstücke im Überlappungsstoß verschweißt werden, die Werkstücke zusammen, wodurch der Nullspalt realisiert werden kann. Da aber über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, nicht mehr die Abschirmung vom Atmosphärendruck erfolgen muss, kann die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, bei dieser Ausführungsform breiter ausgebildet sein, was eine größere Auflagefläche bewirkt und eine dauerhafte Verformung des Werkstücks verhindert.In a preferred development of this embodiment, a sealing device, in particular in the form of a sealing ring, is provided outside the vacuum chamber wall, in particular the circumferential web, or in the vacuum chamber wall, in particular in the web, for example in the contact surface. provided. To fix the sealing device, a groove, preferably wedge-shaped, dovetail-shaped or of another design, is optionally provided for receiving the sealing device. This is a design in which a workpiece deformation such as that described in the previously described embodiment is counteracted. For this purpose, a sealing device, for example in the form of a sealing ring, is provided outside the vacuum chamber wall, in particular the surrounding web, or within a correspondingly wide vacuum chamber wall, in particular a web. To fix the sealing device, this is inserted into the groove, which is formed, for example, in the contact surface. The required zero gap is again achieved via the vacuum chamber wall, in particular the web, which, spatially speaking, is located within the sealing device, i.e. closer to the outlet opening than the sealing device. When the clamping jaw is actuated, the sealing device first touches the workpiece and is compressed. This creates the vacuum seal. As the workpieces are moved closer together, the vacuum chamber wall, in particular the web, hits the workpiece surface and presses the workpieces together, for example when two workpieces are welded in an overlap joint, whereby the zero gap can be achieved. However, since the vacuum chamber wall, in particular the web, no longer has to be shielded from atmospheric pressure, the vacuum chamber wall, in particular the web, can be made wider in this embodiment, which creates a larger contact surface and prevents permanent deformation of the workpiece.
Vorzugsweise ist/sind zur Erzeugung eines Unterdrucks die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer mit einer Evakuierungseinrichtung verbunden. Über die Evakuierungseinrichtung wird der gewünschte Unterdruck, beziehungsweise das gewünschte Vakuum, in der/den Vakuumkammer(n) erzeugt. Da die Vakuumkammern, insbesondere im Vergleich zu stationären Vakuumkammern, nur ein sehr geringes zu evakuierendes Volumen aufweisen, kann die Evakuierung schnell und mit wenig Aufwand erfolgen. Je nach Ausgestaltung können beide Vakuumkammern mit ein und derselben Evakuierungseinrichtung, oder jeweils mit eigenen individuellen Evakuierungseinrichtungen verbunden sein.Preferably, the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber is/are connected to an evacuation device to generate a negative pressure. The desired negative pressure or the desired vacuum is generated in the vacuum chamber(s) via the evacuation device. Since the vacuum chambers have only a very small volume to be evacuated, particularly in comparison to stationary vacuum chambers, the evacuation can take place quickly and with little effort. Depending on the design, both vacuum chambers can be connected to one and the same evacuation device, or each to its own individual evacuation device.
Vorzugsweise ist/sind die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, zur Ausübung einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche bereitgestellt. Dies kann beispielsweise über den Antrieb realisiert werden. Das bedeutet, dass die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke derart auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, dass die definierte Spannkraft auf das zu schweißende Werkstück ausgeübt wird und dass das zu schweißende Werkstück mit der definierten Spannkraft gehalten wird. Die Höhe der definierten Spannkraft ergibt sich beispielsweise aus dem zu schweißenden Werkstück, insbesondere dessen Materialeigenschaften, und/oder aus den gewünschten Spannresultaten. Beispielsweise kann die definierte Spannkraft eine Größe haben, die im Spannzustand eine elastische Verformung der Werkstückoberfläche erzeugt. Alternativ oder zusätzlich, wenn zwei Werkstücke im Überlappstoß geschweißt werden, kann die Spannkraft eine Größe haben, die im Spannzustand einen Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken erzeugt. Die erforderliche Spannkraft kann über eine entsprechende Betätigung des Antriebs realisiert werden.Preferably, the first clamping jaw and/or the second clamping jaw is/are provided, in particular via the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber, preferably via the respective contact surface, for exerting a defined clamping force on the workpiece surface. This can be achieved, for example, via the drive. This means that the first clamping jaw and/or the second clamping jaw are placed on the workpiece surface in such a way that the defined clamping force is exerted on the workpiece to be welded and that the workpiece to be welded is held with the defined clamping force. The level of the defined clamping force results, for example, from the workpiece to be welded, in particular its material properties, and/or from the desired clamping results. For example, the defined clamping force can have a size that produces an elastic deformation of the workpiece surface in the clamped state. Alternatively or additionally, if two workpieces are welded in a lap joint, the clamping force can have a size that produces a zero gap in the clamped state, as generally described above, between the workpieces arranged in the lap joint. The required clamping force can be achieved by actuating the drive accordingly.
Vorzugsweise ist in der zweiten Vakuumkammer ein Lichtsensorelement angeordnet, oder der zweiten Vakuumkammer ist ein Lichtsensorelement zugeordnet. Bei der Verwendung von zwei Vakuumkammern, das heißt bei einer oberen und einer unteren Vakuumkammer, fungiert das Lichtsensorelement als Qualitätssicherung. Insbesondere kann damit das Durchschweißen erfasst und aufgezeichnet werden.Preferably, a light sensor element is arranged in the second vacuum chamber, or a light sensor element is assigned to the second vacuum chamber. When using two vacuum chambers, i.e. an upper and a lower vacuum chamber, the light sensor element acts as a quality assurance. In particular, it can be used to detect and record the welding throughput.
Vorzugsweise weist die Laserschweißzange zwischen dem optischen Einkoppelelement und der ersten Vakuumkammer eine Einhausung für den Laserstrahl auf. In Strahlrichtung des Laserstrahls unterhalb beziehungsweise hinter dem optischen Einkoppelelement beginnt dann vorzugsweise der Vakuumbereich der Laserschweißzange. Zur Atmosphäre hin wird das Vakuum mit dem optischen Einkoppelelement, der Einhausung und der ersten Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer abgeschirmt. Vorzugsweise ist die Einhausung als ein Membranbalg oder als ein Faltenbalg ausgebildet. Wenn die erste, obere Spannbacke beweglich, insbesondere linear beweglich ist, muss die erste Vakuumkammer ebenfalls in entsprechender Weise beweglich sein. Aus Sicherheitsgründen muss der Laserstrahl, der über das optische Einkoppelelement eingekoppelt wird, jedoch eingehaust sein. Wenn die erste Vakuumkammer bewegt wird, verändert sich auch der Abstand zum optischen Einkoppelelement. Um dabei die Abschirmung des Laserstrahls zu gewährleisten, ist die Einhausung bevorzugt ein Membranbalg, bei dem es sich beispielsweise um einen Faltenbalg handelt, der die Funktion eines Gehäuses um den Laserstrahl übernimmt. Ein Faltenbalg ist insbesondere ein Volumenköper, beispielsweise ein ringförmiger Zylinder oder ein mehreckiger, beispielsweise viereckiger, insbesondere rechteckiger oder quadratischer Volumenkörper, der einen wellenförmig wechselnden Innen-Querschnitt, beispielsweise Durchmesser, aufweist. Ein Faltenbalg kann somit Bewegungen in axialer Richtung ausführen, indem sich dieser „ziehharmonikamäßig“ auseinanderziehen und zusammendrücken lässt. Bevorzugt besteht der Faltenbalg aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl. Wenn die zu schweißenden Werkstücke in der Laserschweißzange fest eingespannt sind, kann der Membranbalg oder Faltenbalg dennoch verfahren werden, etwa, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung und/oder Ablenkung des Laserstrahls in der wie weiter oben beschriebenen Weise verfahren, insbesondere linear verfahren, wird. Die Einhausung kann insbesondere als Laserschutz dienen. Die Einhausung schirmt den Laserstrahl, auch reflektierte Strahlung ab und schützt somit Personen in der Umgebung der Laserschweißzange. Eine Einhausung der gesamten Schweißvorrichtung oder der gesamten Schweißzange kann somit entfallen. Zusätzlich können auch noch Schutzschalter mit Performancelevel an der Schweißzange angeschlossen werden oder sein, so dass eine Blickdichte und somit die Lasersicherheit in jedem Fall garantiert werden kann.The laser welding gun preferably has a housing for the laser beam between the optical coupling element and the first vacuum chamber. The vacuum region of the laser welding gun then preferably begins in the beam direction of the laser beam below or behind the optical coupling element. The vacuum is shielded from the atmosphere by the optical coupling element, the housing and the first clamping jaw with the first vacuum chamber. The housing is preferably designed as a membrane bellows or as a bellows. If the first, upper clamping jaw is movable, in particular linearly movable, the first vacuum chamber must also be movable in a corresponding manner. For safety reasons, however, the laser beam that is coupled in via the optical coupling element must be enclosed. When the first vacuum chamber is moved, the distance to the optical coupling element also changes. In order to ensure that the laser beam is shielded, the housing is preferably a membrane bellows, which is, for example, a bellows that takes on the function of a housing around the laser beam. A bellows is in particular a volume body, for example a ring-shaped cylinder or a multiple ck, for example quadrangular, in particular rectangular or square volume body, which has a wave-shaped, changing internal cross-section, for example diameter. A bellows can thus carry out movements in the axial direction by being pulled apart and compressed "accordion-like". The bellows is preferably made of metal, for example stainless steel. If the workpieces to be welded are firmly clamped in the laser welding gun, the membrane bellows or bellows can still be moved, for example if a device for generating and/or deflecting the laser beam is moved in the manner described above, in particular linearly. The housing can serve in particular as laser protection. The housing shields the laser beam, including reflected radiation, and thus protects people in the vicinity of the laser welding gun. There is therefore no need to house the entire welding device or the entire welding gun. In addition, circuit breakers with a performance level can also be connected to the welding gun, so that opacity and thus laser safety can be guaranteed in every case.
In weiterer Ausgestaltung weist die Laserschweißzange bevorzugt eine Schutzeinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Schutzgasstrahls auf, welcher zum Schutz des optischen Einkoppelelements in Strahlrichtung des Laserstrahls hinter dem optischen Einkoppelelement bereitgestellt ist/wird. Der Schutzgasstrahl tritt über einen Schutzgaseintritt unterhalb des optischen Einkoppelelements ein, beispielsweise in eine unter dem optischen Einkoppelelement beginnende Einhausung, strömt an dem optischen Einkoppelelement vorbei, beispielsweise durch die Einhausung hindurch, und tritt über einen Schutzgasaustritt, beispielsweise aus der Einhausung, aus. Der Schutzgasstrahl strömt bevorzugt parallel zum optischen Einkoppelelement, damit dieses nicht verschmutzt wird. Ein mit dem optischen Einkoppelelement zusammenwirkendes Sensorelement, welches zur Überwachung und Meldung eines verschmutzten optischen Einkoppelelements ausgebildet ist, kann dann beispielsweise auch Rückmeldung an die Schutzeinrichtung geben, damit gegebenenfalls der Schutzgasstrahl angepasst wird.In a further embodiment, the laser welding gun preferably has a protective device for generating at least one protective gas jet, which is provided behind the optical coupling element in the beam direction of the laser beam to protect the optical coupling element. The protective gas jet enters via a protective gas inlet below the optical coupling element, for example into a housing beginning below the optical coupling element, flows past the optical coupling element, for example through the housing, and exits via a protective gas outlet, for example from the housing. The protective gas jet preferably flows parallel to the optical coupling element so that it does not become dirty. A sensor element that interacts with the optical coupling element and is designed to monitor and report a dirty optical coupling element can then, for example, also provide feedback to the protective device so that the protective gas jet can be adjusted if necessary.
Im Schweißprozess entstehende Verunreinigungen, beispielsweise Dämpfe, Spritzer und dergleichen, können sich auf dem optischen Einkoppelelement, beispielsweise einem Schutzglas, absetzen und die eintretende Laserstrahlung negativ beeinflussen, beispielsweise zum Teil absorbieren. Dadurch kann der Schweißprozess negativ beeinflusst werden. Um das zu verhindern, wird zum einen die beschriebene Schutzeinrichtung eingesetzt. Wenn, beispielsweise durch das Sensorelement, erkannt wird, dass das optische Einkoppelelement zu stark verschmutzt ist, kann man dieses gegebenenfalls austauschen. Befindet sich das optische Einkoppelelement beispielsweise in einem weiter oben beschriebenen Laserkopf, kann dieser beispielsweise eine entsprechende Aufnahme, beispielsweise eine Schublade, zum austauschbaren Aufnehmen des optischen Einkoppelelements aufweisen.Contaminants that arise during the welding process, such as vapors, splashes, and the like, can settle on the optical coupling element, such as a protective glass, and negatively affect the incoming laser radiation, for example partially absorbing it. This can have a negative impact on the welding process. To prevent this, the protective device described is used. If the sensor element detects, for example, that the optical coupling element is too dirty, it can be replaced if necessary. If the optical coupling element is located in a laser head described above, for example, this can have a corresponding holder, such as a drawer, for exchangeably holding the optical coupling element.
Durch den Schutzgasstrahl entsteht eine Art Vorhang, der schädliche Prozessemissionen davon abhält, zum optischen Einkoppelelement zu gelangen und sich auf diesem abzusetzen. Prozessemissionen, die in den Schutzgasstrahl gelangen, werden über den Schutzgasaustritt ausgetragen. Die Absaugung kann dem Schutzgaseintritt gegenüber angeordnet werden, um einen möglichst gleichförmigen Gasfluss zu ermöglichen.The protective gas jet creates a kind of curtain that prevents harmful process emissions from reaching the optical coupling element and settling on it. Process emissions that enter the protective gas jet are discharged via the protective gas outlet. The extraction can be arranged opposite the protective gas inlet to enable the gas flow to be as uniform as possible.
Vorzugsweise kann die Laserschweißzange eine Gas-Beströmungseinrichtung aufweisen, welche zum Beströmen der Schweißzone mit Gas bereitgestellt ist. Dies dient zum einen der Werkstücksauberkeit. Zum anderen können dadurch Prozessemissionen und Ablagerungen auf und neben der Schweißnaht vermieden werden.The laser welding gun can preferably have a gas flow device which is provided for flowing gas into the welding zone. This serves to keep the workpiece clean. It also helps to avoid process emissions and deposits on and next to the weld seam.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum beschrieben, welches mittels einer Laserschweißzange gemäß der Erfindung durchgeführt wird. Zum Ablauf des Verfahrens und dessen Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle deshalb auch vollinhaltlich auf die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Laserschweißzange Bezug genommen und verwiesen.A method for laser welding workpieces in a vacuum is described below, which is carried out using a laser welding gun according to the invention. To avoid repetition, reference is made here to the explanations of the laser welding gun according to the invention for the sequence of the method and its functionality.
Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Ein erzeugter Laserstrahl wird über ein optisches Einkoppelelement in der ersten Vakuumkammer positioniert, wobei der Laserstrahl über eine Austrittsöffnung in einer ersten Spannbacke der Laserschweißzange in die erste Vakuumkammer eintritt und auf wenigstens einem zu schweißenden Werkstück in der Schweißzone positioniert wird;
- b) Die erste Vakuumkammer wird auf das in der Schweißzone befindliche Werkstück aufgesetzt, wobei sich die Schweißzone innerhalb der ersten Vakuumkammer befindet, beziehungsweise die Schweißzone von der ersten Vakuumkammer begrenzt ist;
- c) In der ersten Vakuumkammer wird um die Schweißzone herum ein begrenztes lokales Vakuum erzeugt;
- d) Nach Evakuierung der ersten Vakuumkammer erfolgt der Laserschweißprozess in der ersten Vakuumkammer.
- a) A generated laser beam is positioned in the first vacuum chamber via an optical coupling element, wherein the laser beam enters the first vacuum chamber via an exit opening in a first clamping jaw of the laser welding gun and is positioned on at least one workpiece to be welded in the welding zone;
- b) The first vacuum chamber is placed on the workpiece located in the welding zone, whereby the welding zone is located within the first vacuum chamber or the welding zone is delimited by the first vacuum chamber;
- c) In the first vacuum chamber, a limited local vacuum is created around the welding zone;
- d) After evacuation of the first vacuum chamber, the laser welding process takes place in the first vacuum chamber.
Der Ablauf der einzelnen Verfahrensschritte ist dabei nicht auf die vorgenannte Reihenfolge festgelegt.The sequence of the individual procedural steps is not fixed to the above-mentioned order.
Mit dem Verfahren werden die Werkstücke, beispielsweise zu verschweißende Bleche, insbesondere im Überlappstoß verschweißt.The process is used to weld workpieces, for example sheets of metal to be welded, particularly in lap joints.
Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur die erste Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer vorgesehen ist. Wenn jedoch zusätzlich noch eine zweite Spannbacke mit einer zweiten Vakuumkammer zum Einsatz kommt, ist insbesondere die erste Spannbacke mit der ersten Vakuumkammer beweglich, während die zweite Spannbacke mit der zweiten Vakuumkammer vorzugsweise feststeht. Die Vakuumkammern sind dabei Bestandteil der Spannbacken, oder entsprechen den Spannbacken, mittels derer das zu bearbeitende Werkstück gehalten und während des Schweißprozesses fixiert wird/ist. Die erste, obere Vakuumkammer ist beweglich und kann nach oben und unten verfahren werden, so dass die zu schweißenden Werkstücke zwischen den Vakuumkammern gespannt werden können.In principle, it is sufficient if only the first clamping jaw is provided with the first vacuum chamber. However, if a second clamping jaw with a second vacuum chamber is also used, the first clamping jaw with the first vacuum chamber is particularly movable, while the second clamping jaw with the second vacuum chamber is preferably fixed. The vacuum chambers are part of the clamping jaws, or correspond to the clamping jaws by means of which the workpiece to be processed is held and fixed during the welding process. The first, upper vacuum chamber is movable and can be moved up and down so that the workpieces to be welded can be clamped between the vacuum chambers.
Im Betrieb der Laserschweißzange wird beispielsweise ein Laserkopf, der im Zusammenhang mit der Laserschweißzange beschrieben ist, über einen Antrieb, insbesondere linear, bewegt. Der Laserstahl verläuft aus dem Laserkopf in das optische Einkoppelelement und tritt durch dieses hindurch in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche. Dabei tritt der Laserstrahl in die erste, obere Vakuumkammer ein. Wenn die obere Spannbacke beweglich, das heißt linear beweglich ist, muss die erste Vakuumkammer ebenfalls in entsprechender Weise beweglich sein. Aus Sicherheitsgründen ist der Laserstrahl jedoch vorzugsweise eingehaust. Auf diese Weise schließt sich die erste obere Vakuumkammer vorzugsweise an das optische Einkoppelelement, und insbesondere an den Laserkopf, an. Um die Beweglichkeit der ersten Vakuumkammer dennoch zu gewährleisten, ist ein Membranbalg, bei dem es sich beispielsweise um einen Faltenbalg handelt, zwischen dem optischen Einkoppelelement, beispielsweise dem Laserkopf, und der ersten, oberen Vakuumkammer vorgesehen, der die Funktion eines Gehäuses um den Laserstrahl übernimmt.When the laser welding gun is in operation, for example, a laser head, which is described in connection with the laser welding gun, is moved, in particular linearly, via a drive. The laser beam runs from the laser head into the optical coupling element and passes through it in the direction of the workpiece surface to be processed. The laser beam enters the first, upper vacuum chamber. If the upper clamping jaw is movable, i.e. linearly movable, the first vacuum chamber must also be movable in a corresponding manner. For safety reasons, however, the laser beam is preferably enclosed. In this way, the first upper vacuum chamber is preferably connected to the optical coupling element, and in particular to the laser head. In order to ensure the mobility of the first vacuum chamber, a membrane bellows, which is for example a bellows, is provided between the optical coupling element, for example the laser head, and the first, upper vacuum chamber, which takes on the function of a housing around the laser beam.
Vorzugsweise ist die erste Vakuumkammer in Richtung der Schweißzone offen, wobei die erste Vakuumkammer von einer Vakuumkammerwand, insbesondere von einem umlaufenden Steg begrenzt ist, und wobei beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer auf dem zu bearbeitenden Werkstück eine Abdichtung der ersten Vakuumkammer gegen Atmosphäre erzeugt wird, insbesondere ein elastischer Eindruck der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, im Werkstück erzeugt wird, die/der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht. Hierbei wird die erste Spannbacke beziehungsweise die erste Vakuumkammer, die nach unten, das heißt in Richtung der Werkstückoberfläche, offen ist, mit der Vakuumkammerwand, insbesondere mit dem umlaufenden Steg versehen beziehungsweise begrenzt. Dadurch entsteht beim Auftreffen der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, ein elastischer Eindruck im Werkstück, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht, da er die Schweißstelle, die sich innerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des Stegs, befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch der geforderte Nullspalt realisiert werden kann. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die zweite Vakuumkammer. Diesbezüglich wird auch auf die entsprechenden Ausführungen zur Laserschweißzange weiter oben verwiesen.Preferably, the first vacuum chamber is open in the direction of the welding zone, the first vacuum chamber being delimited by a vacuum chamber wall, in particular by a circumferential web, and when the first vacuum chamber is placed on the workpiece to be processed, the first vacuum chamber is sealed against the atmosphere, in particular an elastic impression of the vacuum chamber wall, in particular the web, is created in the workpiece, which enables the vacuum to be generated. In this case, the first clamping jaw or the first vacuum chamber, which is open downwards, i.e. in the direction of the workpiece surface, is provided with or delimited by the vacuum chamber wall, in particular the circumferential web. As a result, when the vacuum chamber wall, in particular the web, hits the workpiece, an elastic impression is created in the workpiece, which enables the vacuum to be generated, since it shields the welding point, which is located within the vacuum chamber wall, in particular the web, from atmospheric pressure. A further effect of this impression is that the workpiece is elastically deformed at this point, whereby the required zero gap can be achieved. The same applies in an analogous manner to the second vacuum chamber. In this regard, reference is also made to the corresponding explanations regarding laser welding guns above.
In weiterer Ausgestaltung kann außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, der ersten Vakuumkammer, oder darin, eine Dichtungseinrichtung, insbesondere in Form eines Dichtrings, bereitgestellt sein, wobei beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer auf dem zu bearbeitenden Werkstück zunächst die Dichtungseinrichtung das Werkstück berührt und ihre Dichtwirkung entfaltet, und wobei anschließend die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf dem zu bearbeitenden Werkstück aufsetzt, vorzugsweise ohne eine Verformung des Werkstücks. Hierbei handelt es sich um eine Ausführung, bei der einer bei der zuvor beschriebenen Ausführung auftretenden Werkstückverformung entgegengewirkt wird. Dazu ist außerhalb der Vakuumkammerwand, insbesondere des umlaufenden Stegs, oder darin, die Dichtungseinrichtung, beispielsweis in Form eines Dichtrings vorgesehen. Zur Fixierung des Dichtrings ist dieser in einer, vorzugsweise keilförmigen oder schwalbenschwanzförmigen oder anders ausgestalteten, Nut eingelegt. Die Realisierung des geforderten Nullspalts erfolgt wiederum über die Vakuumkammerwand, insbesondere den Steg, der sich innerhalb des Dichtrings befindet. Bei der Betätigung des Spannbacke berührt zunächst der Dichtring das Werkstück und wird zusammengedrückt. Dadurch wird die Vakuumabdichtung realisiert. Beim weiteren Zusammenfahren trifft die Vakuumkammerwand, insbesondere der Steg, auf die Werkstückoberfläche und drückt die Werkstückteile zusammen, wodurch der Nullspalt realisiert werden kann. Da aber über die Vakuumkammerwand nicht mehr die Abschirmung vom Atmosphärendruck erfolgen muss, kann diese bei dieser Ausführung breiter ausgebildet sein, was eine größere Auflagefläche bewirkt und eine dauerhafte Verformung des Werkstücks verhindert. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die zweite Vakuumkammer. Diesbezüglich wird auch auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserschweißzange verwiesen.In a further embodiment, a sealing device, in particular in the form of a sealing ring, can be provided outside the vacuum chamber wall, in particular the surrounding web, of the first vacuum chamber, or therein, whereby when the first vacuum chamber is placed on the workpiece to be processed, the sealing device first touches the workpiece and develops its sealing effect, and then the vacuum chamber wall, in particular the web, is placed on the workpiece to be processed, preferably without deforming the workpiece. This is an embodiment in which a workpiece deformation that occurs in the previously described embodiment is counteracted. For this purpose, the sealing device, for example in the form of a sealing ring, is provided outside the vacuum chamber wall, in particular the surrounding web, or therein. To fix the sealing ring, it is inserted in a groove, preferably wedge-shaped or dovetail-shaped or of another design. The required zero gap is again achieved via the vacuum chamber wall, in particular the web, which is located inside the sealing ring. When the clamping jaw is operated, the sealing ring first touches the workpiece and is pressed together. This creates a vacuum seal. As it is moved further together, the vacuum chamber wall, in particular the web, hits the workpiece surface and presses the workpiece parts together, which allows the zero gap to be created. However, since the vacuum chamber wall no longer has to be used to shield against atmospheric pressure, it can be made wider in this design. which creates a larger contact surface and prevents permanent deformation of the workpiece. The same applies analogously to the second vacuum chamber. In this regard, reference is also made to the corresponding statements in connection with the laser welding gun according to the invention.
Vorzugsweise wird zum Spannen der Werkstücke die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt. Das bedeutet, dass die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke derart auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, dass die definierte Spannkraft auf das zu schweißende Werkstück ausgeübt wird und dass das zu schweißende Werkstück mit der definierten Spannkraft gehalten wird. Beispielsweise kann die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, die im Spannzustand eine elastische Verformung des Werkstücks erzeugt. Das bedeutet, dass beim Aufsetzen auf die Werkstückoberfläche eine elastische Verformung des Werkstücks erfolgt. Alternativ oder zusätzlich, wenn zwei Werkstücke im Überlappstoß geschweißt werden, kann die erste Spannbacke und/oder die zweite Spannbacke, insbesondere über die erste Vakuumkammer und/oder die zweite Vakuumkammer, vorzugsweise über die jeweilige Kontaktfläche, mit einer definierten Spannkraft auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt werden, die im Spannzustand einen Nullspalt, wie weiter oben allgemein beschrieben, zwischen den im Überlappstoß angeordneten Werkstücken erzeugt. Das bedeutet, dass beim Aufsetzen auf die Werkstückoberfläche die beiden Werkstücke so zusammengedrückt werden, dass zwischen diesen ein Nullspalt besteht.To clamp the workpieces, the first clamping jaw and/or the second clamping jaw are preferably placed on the workpiece surface with a defined clamping force, in particular via the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber, preferably via the respective contact surface. This means that the first clamping jaw and/or the second clamping jaw are placed on the workpiece surface in such a way that the defined clamping force is exerted on the workpiece to be welded and that the workpiece to be welded is held with the defined clamping force. For example, the first clamping jaw and/or the second clamping jaw can be placed on the workpiece surface with a defined clamping force, in particular via the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber, preferably via the respective contact surface, which produces an elastic deformation of the workpiece in the clamped state. This means that when placed on the workpiece surface, an elastic deformation of the workpiece occurs. Alternatively or additionally, when two workpieces are welded in a lap joint, the first clamping jaw and/or the second clamping jaw can be placed on the workpiece surface with a defined clamping force, in particular via the first vacuum chamber and/or the second vacuum chamber, preferably via the respective contact surface, which in the clamped state creates a zero gap, as generally described above, between the workpieces arranged in the lap joint. This means that when placed on the workpiece surface, the two workpieces are pressed together so that there is a zero gap between them.
Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Schweißnaht in einer durchlaufenden Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Vakuumkammer in der Schweißzone, wobei der Laserstrahl am Schweißnahtende defokussiert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Verschiebung, insbesondere einer Linearverschiebung, der Abtast-Einrichtung realisiert werden, wie im Zusammenhang mit der Laserschweißzange weiter oben beschrieben ist. Auf diese Weise können insbesondere Endkraterrisse vermieden werden. Üblicherweise entsteht am Ende der Schweißnaht ein so genannter Endkrater. Hierbei handelt es sich um ein dem Fachmann geläufiges Phänomen, das deshalb an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben werden muss. Im Endkrater liegt häufig eine starke Unterwölbung der Schweißnaht vor, aus der hohe dreidimensionale Spannungen resultieren, die im erstarrenden Schmelzbad zu Heizrissen führen. Wird der Laserstrahl am Ende der Schweißnaht defokussiert, führt dies zu einer zeitlich abnehmenden, vom Werkstück absorbierten Laserleistung. Dies führt zu einer langsameren Erstarrung im Endkrater. Überraschender Weise wurde nun herausgefunden, dass, wenn der Laserstrahl am Nahtende defokussiert wird, das heißt der Fokuspunkt wird vergrößert, und die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzvolumens verlangsamt wird, beim Laserschweißen im Vakuum dadurch ein rissfreier Endkrater erzielt werden kann.Preferably, the weld seam is created in a continuous movement of the laser beam within the vacuum chamber in the welding zone, with the laser beam being defocused at the end of the weld seam. This can be achieved, for example, by a displacement, in particular a linear displacement, of the scanning device, as described above in connection with the laser welding gun. In this way, end crater cracks in particular can be avoided. Usually a so-called end crater is formed at the end of the weld seam. This is a phenomenon familiar to those skilled in the art and therefore does not need to be described in detail here. In the end crater, there is often a strong undercurvature of the weld seam, which results in high three-dimensional stresses that lead to heating cracks in the solidifying molten pool. If the laser beam is defocused at the end of the weld seam, this leads to a temporally decreasing laser power being absorbed by the workpiece. This leads to slower solidification in the end crater. Surprisingly, it has now been discovered that if the laser beam is defocused at the end of the weld, i.e. the focus point is enlarged and the solidification rate of the melt volume is slowed down, a crack-free end crater can be achieved during laser welding in a vacuum.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in größerem Detail beschrieben. Es zeigen
-
1 eine schematische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Laserschweißzange; -
2 bis 5 verschiedene Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserschweißzange; -
6 und7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer; -
8 und9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumkammer; -
10 in schematischer Darstellung einen Schweißvorgang im Überlappstoß unter Verwendung der erfindungsgemäßen Laserschweißzange; und -
11 und12 zwei schematische Darstellungen zur Erläuterung des Nullspalts.
-
1 a schematic diagram of a laser welding gun according to the invention; -
2 to 5 various representations of an embodiment of a laser welding gun according to the invention; -
6 and7 a first embodiment of a vacuum chamber according to the invention; -
8th and9 a second embodiment of a vacuum chamber according to the invention; -
10 in schematic representation a welding process in the lap joint using the laser welding gun according to the invention; and -
11 and12 two schematic representations to explain the zero gap.
In den Figuren ist jeweils eine Laserschweißzange 10 dargestellt, die für das Laserschweißen von Werkstücken im Vakuum eingesetzt wird.Each figure shows a
Anhand der
Die Laserschweißzange 10 weist zunächst eine Stützeinrichtung 11 auf, die sich entlang einer Längsachse 12 erstreckt, und an der die Komponenten der Laserschweißzange 10 angeordnet sind. Über die Stützeinrichtung 11 kann die Laserschweißzange beispielsweise an einem Manipulator, etwa an einem Roboterarm, angeordnet werden.The
An der Stützeinrichtung 11 ist ein optisches Einkoppelelement 13 angeordnet, mittels dessen ein Laserstrahl 16 in die Laserschweißzange 10 eingekoppelt wird. Die Strahlrichtung des Laserstrahls 16 ist durch den Pfeil 16a dargestellt. Das optische Einkoppelelement 13 kann beispielsweise ein Schutzglas sein. Der Laserstrahl wird in einer Einrichtung 14 zum Erzeugen des Laserstrahls erzeugt und über eine Einrichtung 15 zur Ablenkung des Laserstrahls, bei der es sich um einen Laserscanner, eine 1d-Optik oder dergleichen handelt, in gewünschter Wese abgelenkt. Die Einrichtungen 14 und 15 können Bestandteil der Laserschweißzange 10 sein, und sind in diesem Fall an der Stützeinrichtung 11 angeordnet, beispielsweise mittels eines geeigneten Laserkopfs 32 (siehe
An der Stützeinrichtung 11 ist ein erster Tragarm 17 angeordnet, der entlang der Längsachse 12 linear beweglich ist, was mittels eines geeigneten Antriebs 24 erfolgt, beispielsweise mittels eines elektrischen Antriebs. Am Ende des ersten Tragarms 17 befindet sich eine erste Spannbacke 18, die in Form einer ersten Vakuumkammer 19 ausgebildet ist. Die erste Vakuumkammer 19 befindet sich in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls 16 oberhalb der Schweißzone 23, in der der eigentliche Schweißprozess erfolgt. A
Der Laserstahl 16 tritt über eine Austrittsöffnung der ersten Spannbacke 18 in die erste Vakuumkammer 19 ein, wobei sicherste Vakuumkammer in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls 16 austrittseitig der Austrittsöffnung befindet (
Unterhalb der Schweißzone 23 befindet sich eine zweite Spannbacke 21, die in Form einer zweiten Vakuumkammer 22 ausgebildet ist, und die über einen zweiten Tragarm 20 fest, das heißt unbeweglich, mit der Stützeinrichtung 11 verbunden ist. Der zweite Tragarm 20 könnte aber auch beweglich ausgestaltet sein.Below the
Die beiden Vakuumkammern 19, 22 sind zur Erzeugung eines lokalen begrenzten Vakuums ausgebildet, was insbesondere im Zusammenhang mit den
Die zu schweißenden Werkstücke, beispielsweise zwei übereinanderliegende zu verschweißende Bleche, werden in die Schweißzone 23 eingebracht. Der Schweißvorgang, beispielsweise die Erzeugung einer Schweißnaht im Überlappstoß, erfolgt innerhalb der Laserschweißzange 10. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Spannbacken 18, 21 gleichzeitig auch die Funktion der Vakuumkammern 19, 22. Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn nur eine solche Spannbacke 18 mit Vakuumkammerfunktion vorhanden ist. Die Spannbacken 18, 21 sind ein wesentliches Bauteil der Laserschweißzange 10. Denn mit Ihnen wird das zu schweißende Werkstück, beziehungsweise die zu schweißenden Werkstücke, zusammengedrückt. Dies ist eine ganz wesentliche Voraussetzung, denn während des Vakuum-Laserschweißvorgangs muss zwischen den zu verschweißenden Werkstücken ein Nullspalt vorliegen.The workpieces to be welded, for example two sheets of metal to be welded on top of each other, are introduced into the
In den
Die Laserschweißzange 10 verfügt über eine Stützeinrichtung 11, an der die einzelnen Komponenten der Laserschweißzange 10 angeordnet sind. Hierbei handelt es sich zunächst um eine, lediglich schematisch dargestellte, Einrichtung 14 zur Erzeugung des Laserstrahls 16 und eine Einrichtung 15 zum Ablenken des Laserstrahls 16 in Form einer Scannereinrichtung. Beide Einrichtungen 14, 15 sind über einen Laserkopf 32 mit der Stützeinrichtung 11 verbunden. In dem Laserkopf 32 befindet sich eine Aufnahme 33 zum Aufnehmen der optischen Einkoppeleinrichtung in Form eines Schutzglases (siehe
Die erste Vakuumkammer 19 bildet eine obere Vakuumkammer, während die zweite Vakuumkammer 22 eine untere Vakuumkammer bildet. Zwischen den beiden Vakuumkammern 19, 22 befindet sich die Schweißzone 23, in der der eigentliche Schweißvorgang abläuft. Die Schweißzone 23 liegt innerhalb der Vakuumkammern 19, 22, das heißt sie wird von den Vakuumkammern 19, 22, das heißt von entsprechend umlaufenden Stegen 27 (siehe hierzu insbesondere auch die
Zur Erzeugung des Vakuums innerhalb der Vakuumkammern 19, 22 sind diese mit entsprechenden Evakuierungseinrichtungen 30 verbunden. Zudem ist eine Gas-Beströmungseinrichtung 31 vorgesehen, welche zum Beströmen der Schweißzone 23 mit Gas bereitgestellt ist. Dies dient zum einen der Werkstücksauberkeit. Zum anderen können dadurch Prozessemissionen und Ablagerungen auf und neben der Schweißnaht vermieden werden.To generate the vacuum within the
Der über die Einrichtung 14 erzeugte Laserstrahl 16, der von der Ablenkungs-Einrichtung 15 in der gewünschten Weise abgelenkt wird, tritt über das optische Einkoppelelement im Laserkopf 32 und die Einhausung 34 in die sich an die Einhausung anschließende erste Vakuumkammer 19 ein und wird in dieser zum Schweißen auf dem in der Schweißzone 23 befindlichen Werkstück positioniert. Grundsätzlich für die Erfindung ausreichend ist eine einseitige Zugänglichkeit durch Aufsetzen der ersten, oberen Spannbacke 18, beziehungsweise der ersten Vakuumkammer 19, auf dem zu schweißenden Werkstück. Eine zweite Spannbacke 21, beziehungsweise eine zweite Vakuumkammer 22, kann hier entfallen. Die erforderliche Abdichtung erfolgt dann insbesondere durch einseitiges Anpressen der ersten, oberen Vakuumkammer 18 und eine Einschweißung, statt einer Durchschweißung, beispielsweise ins untere Werkstück, wenn zwei aufeinanderliegende Werkstücke, beispielsweise zwei Bleche, miteinander verschweißt werden. Bei einer Durchschweißung ist insbesondere die zweite, untere Spannbacke 21 mit der zweiten, unteren Vakuumkammer 22 realisiert.The
Vorzugsweise ist die Ablenkungs-Einrichtung 15 verfahrbar, insbesondere linear verfahrbar, etwa in der mit 35 gekennzeichneten Bewegungsrichtung, an der Stützeinrichtung 11, etwa am Laserkopf 32 angeordnet. Damit kann der Fokusabstand des erzeugten Laserstrahls 16 variiert werden. Insbesondere kann der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahl 16 defokussiert werden. Dadurch können Endkrater einer Schweißnaht optimiert und insbesondere eine Endkrater-Rissbildung reduziert werden.Preferably, the
In den
Die erste Vakuumkammer 19 ist Bestandteil der ersten Spannbacke 18. Die erste Spannbacke 18 weist eine Austrittsöffnung 26 in Form eines Austrittschlitzes auf, der in einer Grundplatte 25 der Spannbacke 18 ausgebildet ist. Über die Austrittsöffnung 26 tritt der Laserstrahl in Strahlrichtung 16a in die erste Vakuumkammer 19 ein. Die erste Vakuumkammer 19 befindet sich in Strahlrichtung 16a des Laserstrahls hinter der Austrittsöffnung 26 in der ersten Spannbacke 18. Sie stellt insoweit insbesondere eine Verlängerung der Austrittsöffnung 26 bereit. Die erste Vakuumkammer 19 ist in Richtung der Schweißzone 23 offen, wobei die erste Vakuumkammer 19 von einem umlaufenden Steg 27 begrenzt ist, über den beim Aufsetzen der ersten Vakuumkammer 19 auf dem zu bearbeitenden Werkstück eine Abdichtung der ersten Vakuumkammer 19 gegen Atmosphäre erzeugt wird. Der umlaufende Steg 27 begrenzt die erste Vakuumkammer 19, wobei der umlaufende Steg 27 die Austrittsöffnung 26 und damit auch die Schweißzone 23 umgibt. Am freien Ende weist der Steg 27 eine Kontaktfläche 27a auf, über die die erste Vakuumkammer 19mit dem zu schweißenden Werkstück in Kontakt kommt. Setzt die Vakuumkammer 19 über den Steg 27 auf dem zu schweißenden Werkstück auf, wird das Vakuum lokal begrenzt nur im unmittelbaren Bereich des Schweißvorgangs in der Schweißzone 23, das heißt im Bereich innerhalb des umlaufenden Stegs 27 erzeugt. Es wird insbesondere ein elastischer Eindruck des Stegs 27 im Werkstück erzeugt, der die Erzeugung des Vakuums ermöglicht. da er die Schweißzone 23, die sich innerhalb des Stegs 27 befindet, vom Atmosphärendruck abschirmt. Ein weiterer Effekt dieses Eindrückens ist, dass sich das Werkstück an dieser Stelle elastisch verformt, wodurch ein geforderter Nullspalt realisiert werden kann, wie dies im Zusammenhang mit der allgemeinen Beschreibung weiter oben im Detail erläutert ist.The
In
Das in den
In den
In
Wie man den
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- LaserschweißzangeLaser welding gun
- 1111
- StützeinrichtungSupport device
- 1212
- LängsachseLongitudinal axis
- 1313
- Optisches EinkoppelelementOptical coupling element
- 1414
- Einrichtung zur Erzeugung eines LaserstrahlsDevice for generating a laser beam
- 1515
- Einrichtung zur Ablenkung eines LaserstrahlsDevice for deflecting a laser beam
- 1616
- Laserstrahllaser beam
- 16a16a
- Strahlrichtung des LaserstrahlsBeam direction of the laser beam
- 1717
- Erster TragarmFirst support arm
- 1818
- Erste SpannbackeFirst clamping jaw
- 1919
- Erste VakuumkammerFirst vacuum chamber
- 2020
- Zweiter TragarmSecond support arm
- 2121
- Zweite SpannbackeSecond clamping jaw
- 2222
- Zweite VakuumkammerSecond vacuum chamber
- 2323
- SchweißzoneWelding zone
- 2424
- Antriebdrive
- 2525
- GrundplatteBase plate
- 2626
- AustrittsöffnungOutlet opening
- 2727
- Stegweb
- 27a27a
- KontaktflächeContact surface
- 2828
- DichtungseinrichtungSealing device
- 2929
- NutGroove
- 3030
- EvakuierungseinrichtungEvacuation facility
- 3131
- Gas-BeströmungseinrichtungGas flow device
- 3232
- LaserkopfLaser head
- 3333
- Aufnahme für EinkoppeleinrichtungMounting for coupling device
- 3434
- EinhausungEnclosure
- 3535
- Bewegungsrichtung der ersten VakuumkammerDirection of movement of the first vacuum chamber
- 3636
- Werkstückworkpiece
- 36a36a
- WerkstückoberflächeWorkpiece surface
- 3737
- Werkstückworkpiece
- 37a37a
- WerkstückoberflächeWorkpiece surface
- 3838
- NullspaltZero gap
- 3939
- Spaltgap
- 4040
- SchweißnahtWeld
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2149421 B1 [0010]EP 2149421 B1 [0010]
- WO 2014/063153 A1 [0011]WO 2014/063153 A1 [0011]
- US 5170028 [0012]US5170028 [0012]
- DE 102019102233 A1 [0013]DE 102019102233 A1 [0013]
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---|---|---|---|
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DE202022003003U1 true DE202022003003U1 (en) | 2024-04-30 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |