Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserschweißens. Insbesondere betrifft die Erfindung das Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff und/oder Prozessgas in einem Laserschweißprozess, sowie eine Laserschweißvorrichtung und eine Zuführeinrichtung zum Laserschweißen.

Stand der Technik

Verfahren zum Laserschweißen, bei denen metallische Werkstücke entlang einer Schweißfuge durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und miteinander verschweißt werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Laserschweißen mit Schweißzusatzwerkstoff erfolgt die Zufuhr eines Schweißzusatzwerkstoffes und die Zufuhr von Prozessgas zur Abschirmung des Schmelzbades oder der erstarrenden Schweißnaht in der Regel durch getrennte Düsen, die gegenüberliegend an einem Schweißkopf angebracht sind. Bevorzugt wird der Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Metalldrahtes schleppend - also in Vorschubrichtung von vorne - in die Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück eingebracht. Das Prozessgas - vorzugsweise ein inertes Schutzgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon - wird vorzugsweise schleppend - also von hinten - auf das Schmelzbad oder mit einer Lineardüse auf die erstarrende Schweißnaht gerichtet.

Bei gleichzeitiger Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff und Prozessgas ist durch die gegenüberliegende Anordnung der jeweiligen Düsen die Bauteilzugänglichkeit erheblich eingeschränkt und die Schweißprozesszone ist für Sensoren insbesondere zur Lagedetektion des Fügestoßes (bzw. der Schweißfuge) im Vorlauf zur Schmelzzone nicht oder nur schwer einsehbar.

In der CN 2905302Y wird eine Kombidüse für die stechende Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff und Prozessgas beschrieben. Nachteilig hierbei ist der starre Aufbau der Düse. Unabhängig von der Schweißaufgabe wird für jede Medienzufuhr die komplette Düse benötigt - auch dann also, wenn beispielsweise nur eine Zufuhr von Prozessgas zur Abschirmung des Schmelzbads benötigt wird, jedoch kein Schweißzusatzwerkstoff und auch keine lineare Prozessgaszufuhr zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht. Für viele Schweißaufgaben hat diese Kombidüse daher einen unnötig negativen Einfluss auf die Dynamik und die Konturfreiheit des Schweißprozesses.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unabhängig von der Schweißaufgabe die Präzision beim Laserschweißen und damit die Qualität von Schweißverbindungen zu verbessern. Gleichzeitig soll die Dynamik und/oder die Zugänglichkeit beim Laserstrahlschweißen mit Medienzufuhr in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe verbessert werden.

Die Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Laserschweißvorrichtung zum Verschweißen zweier Fügepartner entlang einer Schweißfuge bereitgestellt. Die Fügepartner können vorzugsweise metallische Fügepartner sein. Die Laserschweißvorrichtung umfasst eine optische Überwachungseinheit, die auf einen Beobachtungsbereich um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren. Die Formulierung „um die Schweißfuge" ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass die Schweißfuge wenigstens teilweise durch den Beobachtungsbereich verläuft und durch das Sichtfeld der Überwachungseinheit erfasst wird. Durch die Kenntnis des genauen Verlaufs der Schweißfuge kann der Schweißprozess besonders exakt durchgeführt werden.

Die Laserschweißvorrichtung umfasst ferner einen Laserschweißkopf der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl mittels einer Schweißoptik auf Basis des detektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner zu richten. Vorzugsweise wird der Laserstrahl auf beide zu verschweißenden Fügepartner gerichtet. Durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl werden die Fügepartner lokal aufgeschmolzen und erstarren nach Überfahrt des Laserstrahls unter Ausbildung einer gemeinsamen Schweißnaht. In der Regel kann ein Verlauf der Schweißbahn für eine durchzuführende Schweißaufgabe vorprogrammiert sein. Der reale Verlauf der Schweißfuge kann jedoch in der Praxis von dem vorprogrammierten Verlauf abweichen. Bei Abweichungen des tatsächlichen Verlaufs der Schweißfuge von dem vorprogrammierten Verlauf kann durch eine Detektion der Schweißfuge (mittels der Überwachungseinheit) im unmittelbaren Vorlauf zum Laserstrahl die Vorschubrichtung korrigiert werden. Auf diese Weise kann die Präzision beim Schweißen und damit die Qualität des Schweißergebnisses erhöht werden. Zur Detektion des realen Verlaufs der Schweißfuge kann die Überwachungseinheit vorzugsweise an dem Laserschweißkopf angeordnet sein und mit diesem mitgeführt werden. Es ist auch möglich, dass die Überwachungseinheit wenigstens teilweise in den Laserschweißkopf integriert ist, wobei ein Überwachungslaserstrahl der Überwachungseinheit koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Schweißzone gerichtet wird. Ein Durchmesser des Überwachungslaserstrahls ist in der Regel größer als der Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls. Auf diese Weise kann auch bei koaxialer Ausrichtung zum Bearbeitungslaserstrahl die Schweißfuge im Vorlauf zum Laserstrahl detektiert werden. Die Überwachungseinrichtung kann zusätzlich oder alternativ auch eine Kamera umfassen, die entsprechend in einem Winkel oder koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Schweißzone ausrichtbar ist. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise auf Basis eines OCT-Systems ausgeführt sein (OCT= Optische Kohärenz-Topographie). Geeignete Prozess- Überwachungstechnologien werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung „SeamLine" oder „OCT-Nachtlageregelung und -Überwachung" beworben.

Die Laserschweißvorrichtung umfasst außerdem eine Zuführeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas (bzw. Schutzgas) bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind. Mit anderen Worten kann der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas dem Schweißprozess stechend zugeführt werden.

Der Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schweißprozess in eine Wechselwirkungszone zwischen dem Laserstrahl und dem wenigstens einen Fügepartner zugefügt. Durch die Wechselwirkung des Laserstrahls mit den Fügepartnern bildet sich in der Wechselwirkungszone, die auch als Bearbeitungsbereich bezeichnet werden kann, ein Schmelzbad aus. Der Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schmelzbad zugeführt und bildet im Schweißprozess gemeinsam mit den Fügepartnern die entstehende Schweißnaht.

Der Schweißzusatzwerkstoff kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung vorzugsweise in Form eines Drahtes oder in Pulverform zuführbar sein. Ein pulverförmiger Schweißzusatzwerkstoff wird dem Schweißprozess in der Regel unter Druckeinwirkung gemeinsam mit einem inerten Gas zugeführt.

Das Prozessgas kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung koaxial zum Schweißzusatzwerkstoff und/oder über einen dem Laserstrahl im Schweißprozess nachlaufenden länglichen Bereich zuführbar sein. Bei einer Zuführung von pulverförmigem Schweißzusatzwerkstoff kann eine separate Zuführung des Prozessgases zur Abschirmung des Schmelzbads erlässlich sein, da das Trägergas des Pulverstroms die Wirkung des Prozessgases im Wesentlichen ersetzt. Der längliche Bereich der linearen Prozessgaszufuhr ist so eingerichtet, dass damit die hinter dem Schmelzbad erstarrende Schmelze, welche die Schweißnaht bildet, von der Umgebung abgeschirmt wird - insbesondere um Oxidation durch Reaktionen mit Luftsauerstoff zu vermeiden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Beobachtungsbereich der Überwachungseinheit in einer Oberflächenebene der Fügepartner in einer ersten Richtung zum Laserstrahl versetzt ist. Ferner kann die Zuführeinrichtung an einer der ersten Richtung abgewandten Seite des Laserschweißkopfes angeordnet sein. Alternativ kann ein Überwachungsstrahl (zum Beispiel ein Überwachungslaserstrahl) auch konzentrisch zum Bearbeitungslaserstrahl angeordnet sein, wobei der Beobachtungsbereich größer sein kann als eine Projektion des Laserstrahls auf der Oberflächenebene der Fügepartner. Der Überwachungsstrahl kann beispielsweise auch in einer Pendelbewegung quer zur Vorschubrichtung vorlaufend zum Laserbearbeitungsstrahl hin- und her über das Werkstück (also über die Fügepartner) bewegt werden. Wichtig ist, dass durch die Überwachungseinheit die Schweißfuge im unmittelbaren Vorlauf zum Laserstrahl erfasst wird, um eine exakte Vorschubrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl vorzugeben. Durch die Anordnung der Zuführeinrichtung nachlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl kann eine freie Einsehbarkeit in Vorschubrichtung des Bearbeitungslaserstrahls durch die Überwachungseinrichtung gewährleistet werden.

Die Zuführeinrichtung und/oder die Überwachungseinrichtung kann oder können auch über ein gemeinsames oder ein jeweils separates Drehmodul drehbar am Laserschweißkopf angeordnet sein. So kann ein nicht konzentrisch zum Bearbeitungslaserstrahl geführter Überwachungslaserstrahl und/oder die Zuführeinrichtung unabhängig von der Orientierung des Laserschweißkopfes, und insbesondere der Schweißkontur folgend, ausgerichtet werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Zuführeinrichtung zum selektiven Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu einem Schweißprozess bereitgestellt. Die Zuführeinrichtung ist zur Verwendung in einer Laserschweißvorrichtung nach einer der oben beschriebenen Varianten geeignet. Die Zuführeinrichtung umfasst ein Befestigungselement, das dazu ausgebildet ist, die Zuführeinrichtung an dem Laserschweißkopf einer Laserschweißvorrichtung zu befestigen. Das Befestigungselement kann ein durch eine Maschinensteuerung oder separat ansteuerbares Drehmodul umfassen, mit dem das Befestigungselement um eine Längsachse des Laserschweißkopfes rotierbar ist. Die Längsachse des Laserschweißkopfes kann im Wesentlichen zentral durch eine Fokussieroptik des Laserschweißkopfes verlaufen.

Die Zuführeinrichtung umfasst ferner ein längliches Trägerelement, das in dem Befestigungselement gelagert ist und in dessen Innern ein Medienkanal ausgebildet ist, der sich entlang einer Trägerlängsachse des Trägerelements erstreckt. Vorzugsweise kann das Trägerelement hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Das Trägerelement kann verkippbar in dem Befestigungselement gelagert sein. Dazu kann das Befestigungselement insbesondere eine kugelförmige oder halbkugelförmige Ausstülpung an wenigstens einer Position seines Außenumfangs aufweisen, die in einer zu der Ausstülpung formkomplementären Ausnehmung des Befestigungselements lagerbar ist. Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass eine Längsachse des Trägerelements spitzwinklig zu einer Austrittsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls anordenbar ist. Zur kontrollierten Verkippung des Trägerelements kann das Befestigungselement beispielsweise eine Schraube (z.B. eine Schneckenschraube) und ein Federelement aufweisen, die das Trägerelement von zwei Seiten in dem Befestigungselement fixieren.

Durch Ändern der Drehstellung der Schraube kann das Trägerelement gegen das Federelement gedrückt werden. Auf diese Weise kann der Ausrichtungswinkel bzw. die Kippstellung des Trägerelements in dem Befestigungselement geändert werden.

Die Zuführeinrichtung umfasst ferner ein längliches Basiselement, das in dem Medienkanal des Trägerelements aufnehmbar ist und in dessen Innern ein Zuführkanal für den Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet ist. Der Zuführkanal ist für die Führung und Zufuhr eines Schweißzusatzwerkstoffes zu einem Schmelzbad während eines Laserschweißprozesses ausgebildet. Vorzugsweise kann das Basiselement hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Zuführkanal für die Zuführung eines drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffes ausgebildet sein. Alternativ kann der Zuführkanal auch für die Zuführung eines pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoffes ausgebildet sein.

Insbesondere ist das Basiselement in dem Medienkanal des Trägerelements unter Ausbildung eines ringförmigen Spalts lagerbar. Der Spalt kann insbesondere als Durchgangleitung für ein Prozessgas zur koaxialen Prozessgaszufuhr dienen.

Die Zuführeinrichtung kann ferner ein erstes Gaszuführelement umfassen, das die Form einer hohlzylinderförmigen Hülse aufweist, die über das Basiselement stülpbar und am Außenumfang des Basiselements und/oder des Trägerelements befestigbar ist. Die Befestigung ist vorzugsweise reversibel. Je nach Schweißaufgabe für die die Zuführeinrichtung zum Einsatz kommen soll kann das erste Zuführelement selektiv an der Zuführeinrichtung angebracht werden. Für Schweißaufgaben in denen keine koaxiale Prozessgaszufuhr zur Abdeckung des Schmelzbads benötigt wird, kann das erste Gaszuführelement entfallen, was sich positiv auf das Gewicht und die Abmaße der Zuführeinrichtung und somit direkt positiv auf die Dynamik und/oder die Zugänglichkeit der Laserschweißvorrichtung auswirken kann. Beispielsweise kann das Basiselement oder das Trägerelement ein Außengewinde aufweisen und das erste Gaszuführelement kann ein Innengewinde aufweisen, das zum Eingriff in das entsprechende Außengewinde ausgebildet ist. Alternativ kann beispielsweise ein Steckverschluss zur lösbaren Befestigung des ersten Gaszuführelements an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement vorgesehen sein.

Die Zuführeinrichtung kann ferner ein zweites Gaszuführelement umfassen. Das zweite Gaszuführelement ist an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement befestigbar. An der Unterseite des zweiten Gaszuführelements ist eine längliche Austrittsöffnung ausgebildet. Die Bezeichnung „Unterseite" bezieht sich hierbei auf eine Richtungsangabe im Betrieb des zweiten Gaszuführelements, z.B. während eines Schweißprozesses. Das zweite Gaszuführelement weist ferner wenigstens zwei Gaskanäle auf, die spitzwinklig in der Austrittsöffnung münden. Die Austrittsöffnung kann vorzugsweise seitlich durch eine Umhausung begrenzt sein. Die Umhausung kann lösbar an einem Grundkörper des zweiten Gaszuführelements befestigbar sein. In dem Grundkörper können die wenigstens zwei schrägen Gaskanäle, sowie weitere mögliche Verbindungskanäle für die Prozessgaszufuhr, insbesondere eingefräst oder gebohrt sein. Der Grundkörper kann vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die seitliche Umhausung der Austrittsöffnung kann vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften bestehen. In einer Seitenansicht kann das zweite Gaszuführelement näherungsweise die Form eines Parallelogramms oder einer Raute aufweisen. Die Form hat sich für eine stechende Medienzufuhr zum Schweißprozess als vorteilhaft erwiesen.

Das zweite Gaszuführelement kann eine Ausnehmung zur Aufnahme des ersten Gaszuführelements aufweisen. Das erste Gaszuführelement kann in diesem Fall reversibel in dem zweiten Gaszuführelement befestigbar sein. Auf diese Weise kann das zweite Gaszuführelement mittels des ersten Gaszuführelements an dem Basiselement und/oder dem Trägerelement befestigbar sein. Die Integration des ersten Gaszuführelements in das zweite Gaszuführelement erlaubt ferner die gleichzeitige Gaszufuhr zum Schmelzbad und zur erstarrenden Schweißnaht im unmittelbaren Nachlauf zum Schmelzbad.

Vorzugsweise kann für das erste Gaszuführelement ein erster Gaskanal ausgebildet sein, der sich von einem ersten Gasanschluss über den Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement erstreckt und der in einer ringförmigen Austrittsöffnung mündet, die durch einen Ringspalt zwischen dem ersten Gaszuführelement und dem Basiselement gebildet ist. Der Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement kann sowohl ringförmige als auch einen oder mehrere kanalförmige Abschnitte umfassen. Zur Ausbildung der ringförmigen Austrittsöffnung weist das Basiselement an seinem austrittsseitigen Ende einen konisch zulaufenden Außenumfang auf. Das erste Gaszuführelement weist an seinem austrittsseitigen Ende einen konisch zulaufenden Innendurchmesser auf. Im zusammengebauten Zustand ragt das Ende des Basiselements über das Ende des ersten Gaszuführelements hinaus, wobei sich die jeweiligen konischen Bereiche in axialer Richtung wenigstens teilweise überschneiden. Auf diese Weise wird ein Ringspalt ausgebildet, der ein Prozessgas entlang des Außenumfangs des Basiselements während eines Schweißprozesses fokussiert auf das Schmelzbad richtet.

Das zweite Gaszuführelement kann einen separaten, zweiten Gasanschluss aufweisen. Mit anderen Worten ist der Gasanschluss des zweiten Gaszuführelements unabhängig von dem Gasanschluss des ersten Gaszuführelements. Auf diese Weise ist die koaxiale und die linienförmige Gaszufuhr unabhängig voneinander ansteuerbar, was die Flexibilität beim Schweißen erhöht und gegebenenfalls den Prozessgasverbrauch reduziert.

Das Basiselement und/oder das erste Gaszuführelement und/oder zumindest eine die längliche Austrittöffnung umgebende Umhausung des zweiten Gaszuführelements (an der Unterseite bzw. im unteren Bereich des zweiten Gaszuführelements) können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Alternativ können die betreffenden Elemente auch aus einem anderen Material mit besonders guten Wärmeleitungseigenschaften bestehen. Die betreffenden Elemente befinden sich im Schweißprozess besonders nah an der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück und sind somit hohen Temperaturen ausgesetzt. Durch die guten Wärmeleitungseigenschaften von Kupfer, wird die Wärme in die jeweils nächstliegenden Komponenten der Zuführeinheit abgeleitet, die beispielsweise aus Aluminium bestehen können und die vorzugsweise aktiv gekühlt sein können (z.B. durch Anordnung von Kühlkanälen in den entsprechenden Bereichen und Anschluss an ein Kühlsystem). Durch den modularen Aufbau der Zuführeinheit können die besonders stark hitzebeanspruchten Elemente separat ausgetauscht werden, was insgesamt die Wirtschaftlichkeit des Zuführelements erhöht.

Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner entlang einer Schweißfuge bereitgestellt, das mittels einer Laserschweißvorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten durchführbar ist. Das Verfahren umfasst ein Detektieren eines Verlaufs der Schweißfuge mittels der optischen Überwachungseinrichtung. Dabei wird der Verlauf der Schweißfuge im Vorlauf zum Bearbeitungslaserstrahl erfasst. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufschmelzen der Fügepartner mittels des Bearbeitungslaserstrahls in einer vorgebbaren Vorschubrichtung entlang der Schweißfuge. Der von der Überwachungseinrichtung detektierte Verlauf der Schweißfuge kann mit einer im Voraus durch ein Schweißprogramm vorgegebenen Schweißkontur verglichen werden. Im Fall von Abweichungen zwischen dem detektierten Verlauf und der vorgegebenen Schweißkontur kann die Vorschubrichtung des Bearbeitungslaserstrahls entsprechend angepasst werden.

Das Verfahren umfasst ein selektives Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu dem Schweißprozess aus einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung. Mit anderen Worten wird der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas dem Schweißprozess stechend zugeführt. Die Medienzufuhr erfolgt dabei in einer beliebig wählbaren exklusiven oder kombinierten Auswahl aus Folgendem:

• Der Schweißzusatzwerkstoff wird einem durch den Laserstrahl erzeugen Schmelzbad zugeführt;

• Das Prozessgas wird (in einem gerichteten Strahl) auf das Schmelzbad zur Abschirmung des Schmelzbads gerichtet;

• Das Prozessgas wird auf einen dem Schmelzbad nachlaufenden länglichen Bereich zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht gerichtet.

Durch diese selektive Medienzufuhr kann der Schweißprozess individuell und effizient an eine Schweißaufgabe angepasst werden.

Vorzugsweise kann ein Überwachungslaserstrahl der optischen Überwachungseinrichtung zumindest teilweise mittels der Schweißoptik koaxial zu dem Bearbeitungslaserstrahl auf die Oberfläche der Fügepartner gerichtet werden, wobei in der Oberflächenebene der Fügepartner ein Durchmesser des Überwachungslaserstrahls größer ist als ein Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Schweißfuge im Vorlauf zum Schmelzbad durch den Überwachungslaserstrahl erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Überwachungslaserstrahl in Vorschubrichtung vorlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl auf die Oberflächenebene der Fügepartner gerichtet werden. Der Überwachungslaserstrahl kann auf diese Weise vollkommen unabhängig von dem Bearbeitungslaserstrahl geführt und zur Detektion der Schweißfuge auf die Oberfläche der Fügepartner gerichtet werden.

Ausführungsbeispiele

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 Schematisch eine erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung;

Fig. 2 Ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Verschweißen zweier Fügepartner mittels einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung;

Fign. 3a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer ersten Variante;

Fign. 4a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer zweiten Variante; und

Fign. 5a-b Eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung gemäß einer dritten Variante.

Im Folgenden wird anhand der Figur 1 eine erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung 10 zum Verschweißen zweier Fügepartner 50 entlang einer Schweißfuge näher beschrieben. Die Laserschweißvorrichtung 10 umfasst eine optische Überwachungseinheit 12, die auf einen Beobachtungsbereich X um die Schweißfuge ausrichtbar ist, um einen Verlauf der Schweißfuge zu detektieren. In Figur 1 verläuft die Schweißfuge entlang der Bildebene. Die Laserschweißvorrichtung umfasst weiter einen Laserschweißkopf 14 der dazu ausgebildet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl B mittels einer Schweißoptik auf Basis des detektierten Verlaufs der Schweißfuge entlang der Schweißfuge auf wenigstens einen der Fügepartner 50 zu richten. Da die Figur 1 eine Seitenansicht der Laserschweißvorrichtung 10 entlang einer Schweißrichtung bzw. Vorschubrichtung D zeigt, ist nur einer der Fügepartner 50 zu sehen. Es sei auch angemerkt, dass die Überwachungseinheit 12 für verschiedene Stoßarten eingesetzt werden kann. Ein klassisches Einsatzgebiet ist das Verschweißen zweier plattenförmiger, metallischer (z.B. aus Stahl oder Aluminium oder Kupfer) Fügepartner im Stumpfstoß, im Überlappstoß oder im T-Stoß. Die Laserschweißvorrichtung 10 umfasst ferner eine Zuführeinrichtung 20, die dazu ausgebildet ist, einen Schweißzusatzwerkstoff und/oder ein Prozessgas (in den Figuren nicht dargestellt) bereitzustellen, und die derart an dem Laserschweißkopf 14 angeordnet ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff und/oder das Prozessgas einem Schweißprozess aus einer dem Laserstrahl B nachlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist oder sind.

Der Schweißzusatzwerkstoff kann dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung 20 in Form eines Drahtes oder in Pulverform zuführbar sein. Ferner kann das Prozessgas dem Schweißprozess mittels der Zuführeinrichtung 20 koaxial zum Schweißzusatzwerkstoff und/oder über einen dem Laserstrahl B im Schweißprozess nachlaufenden länglichen Bereich zuführbar sein.

Der Beobachtungsbereich X auf den ein Beobachtungslaserstrahl 122 der Überwachungseinrichtung 12 ausgerichtet ist, ist gemäß der Darstellung in Figur 1 in einer Oberflächenebene der Fügepartner 50 in einer ersten Richtung (welche im Fall der Figur 1 der Vorschubrichtung D entspricht) zum Laserstrahl B versetzt. Die Zuführeinrichtung 20 ist dagegen bezüglich des dargestellten Laserschweißprozesses schleppend, also dem Vorschub des Laserschweißkopfes 14 nachlaufend am Laserschweißkopf 14 angeordnet.

Im Zusammenhang mit der Figur 2 wird im Folgenden ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner 50 mittels der Laserschweißvorrichtung 10 beschrieben. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt 102 ein Detektieren eines Verlaufs der Schweißfuge mittels der optischen Überwachungseinrichtung 12. Dazu wird der Überwachungslaserstrahl 122 in Vorschubrichtung D vorlaufend zum Bearbeitungslaserstrahl B auf die Oberflächenebene der Fügepartner 50 gerichtet.

In einem zweiten Schritt 104 umfasst das Verfahren ein Aufschmelzen der Fügepartner 50 mittels des Bearbeitungslaserstrahls B in der Vorschubrichtung D entlang der Schweißfuge. In einem dritten Schritt 106 umfasst das Verfahren ein selektives Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases dem Schweißprozess aus einer der Vorschubrichtung D entgegengesetzten Richtung. Dabei kann, je nach Schweißaufgabe, ein Schweißzusatzwerkstoff einem durch den Laserstrahl B erzeugen Schmelzbad 52 zugeführt werden, und/oder das Prozessgas auf das Schmelzbad 52 zur Abschirmung des Schmelzbads 52 gerichtet werden, und/oder das Prozessgas auf einen dem Schmelzbad 52 nachlaufenden länglichen Bereich zur Abschirmung der erstarrenden Schweißnaht 54 gerichtet werden.

Im Zusammenhang mit den Figuren 3a bis 5b werden im Folgenden erfindungsgemäße Zuführeinrichtung 20 zum selektiven Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs und/oder eines Prozessgases zu einem Schweißprozess gemäß verschiedenen Varianten beschrieben. Jede der Zuführeinrichtungen 20 umfasst ein Befestigungselement 22, das dazu ausgebildet ist, die Zuführeinrichtung 20 an dem Laserschweißkopf 14 einer Laserschweißvorrichtung 10 zu befestigen. Ferner umfasst jede Zuführeinrichtung 20 ein längliches Trägerelement 24, das in dem Befestigungselement 22 gelagert ist und in dessen Innern ein Medienkanal ausgebildet ist, der sich entlang einer Trägerlängsachse des Trägerelements 24 erstreckt. Außerdem umfasst jede Zuführeinrichtung 20 ein längliches Basiselement 26, das in dem Medienkanal des Trägerelements 24 aufnehmbar ist und in dessen Innern ein Zuführkanal 262 für den Schweißzusatzwerkstoff ausgebildet ist. Eine Zufuhr für den Schweißzusatzwerkstoff in den Zuführkanal 262 ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen „W" und einem entsprechenden Pfeil angedeutet. Die Zuführeinrichtung 20 gemäß den Figuren 3a und 3b ist in der dargestellten Form zur alleinigen Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff eingerichtet, das heißt ohne zusätzliche Prozessgaszufuhr.

Die Zuführeinrichtung 20 kann - wie in der Variante gemäß Figur 4a und 4b dargestellt - zusätzlich ein erstes Gaszuführelement 28 aufweisen, das die Form einer hohlzylinderförmigen Hülse aufweist, die über das Basiselement 26 stülpbar und am Außenumfang des Basiselements 26 und/oder des Trägerelements 24 befestigbar ist.

Alternativ oder zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Zuführeinrichtung 20 ein zweites Gaszuführelement 29 aufweisen. Diese Variante ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Das zweite Gaszuführelement 29 ist an dem Basiselement 26 und/oder dem Trägerelement 24 befestigbar. Ferner ist an der Unterseite des zweiten Gaszuführelements 29 eine längliche Austrittsöffnung 292 für ein Prozessgas ausgebildet, welches über wenigstens zwei Gaskanäle 294 unter einem spitzen Winkel über die Austrittsöffnung 292 auf eine Schweißnaht 54 ausrichtbar ist.

Zwischen dem Basiselement 26 und dem Trägerelement 24 ist ein erster Gaskanal 25 für das erste Gaszuführelement 28 ausgebildet, der sich von einem ersten Gasanschluss Gl über einen Spalt zwischen dem Trägerelement und dem Basiselement erstreckt und der in einer ringförmigen Austrittsöffnung mündet, die durch einen Ringspalt zwischen dem ersten Gaszuführelement 28 und dem Basiselement 26 gebildet ist. Das zweite Gaszuführelement 29 weist einen separaten, zweiten Gasanschluss G2 auf.

Das Basiselement 26 und/oder das erste Gaszuführelement 28 und/oder zumindest eine die längliche Austrittöffnung 292 umgebende Umhausung 296 des zweiten Gaszuführelements 29 können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.