Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Fügepartnern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei Fügepartnern unter Ausbildung einer Schweißnaht mittels sowohl Laser- als auch Lichtbogenstrahls, die von einer Hybridschweißvorrichtung bereitgestellt werden. Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Hybridschweißvorrichtung umfassend ein Laserund ein Lichtbogenschweißgerät, wobei von dem Laser emittierte Laserstrahlung über zumindest eine abbildende Optik auf Fügebereich von zu verschweißenden Fügepartnern unter Ausbildung einer Schweißnaht abbildbar ist.

Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen ist ein Schweißverfahren, mittels der Fügepartner sowohl mittels Laserstrahlschweißens als auch elektrischen Lichtbogenschweißens verschweißt werden. Dabei wird sowohl der Laserstrahl als auch der Lichtbogen auf eine Schweißzone ausgerichtet, wodurch ein Schmelzbad erzeugt wird, das unter Bildung einer Schweißnaht erstarrt. Durch einen entsprechenden Hybridschweißprozess werden die Vorteile beider Verfahren genutzt.

Das Laserschweißen wird in der Industrie im Bereich höherer Laserleistung und vornehmlich dort eingesetzt, wo Materialdicken von mehr als 3 mm geschweißt werden müssen. Das Lichtbogenschweißen, insbesondere das Metallschutzgasschweißen (MSG), das das Metallschweißen mit inerten Gasen (MIG) und das mit aktiven Gasen (MAG-Schweißen) umfasst, ermöglicht eine hohe Schweißleistung bei niedrigem Energieeintrag. Mittels des Lasers wird eine hohe Schweißgeschwindigkeit und eine große Einschweißtiefe erreicht. Das Lichtbogenschweißen ermöglicht eine Vergrößerung des A-Maßes und eine gute Spaltüberbrückbarkeit. Die Kombination der Verfahren bietet eine verbesserte Schweißgeometrie, Spaltüberbrückbarkeit und Einkopplung.

Für das Laserschweißen können abbildende Optiken benutzt werden, die ein Doppelfokus erzeugen. Dabei wird der Doppelfokus fest eingestellt.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass die einen festen Abstand zueinander aufweisenden Foki mäanderformartig entlang des Fügebereichs bewegt werden, in dem die Schweißnaht entsteht (EP 0 823 304 AI).

Laser-MSG-Hybridverfahren sind z. B. der DE 10 2010 028 745 B4 oder der DE 11 2013 003 670 T5 zu entnehmen. Bei den entsprechenden Verfahren wird mittels einer abbildenden Optik ein Fokus in dem Fügebereich abgebildet, der zusammen mit der Vorrichtung verfahren wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein im Vergleich zum Stand der Technik verbesserter Energieeintrag im Fügebereich erfolgt. Auch soll eine Optimierung des Schweißvorganges an dem zu überbrückenden Spalt zwischen den zu verschweißenden Fügepartnern erfolgen.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass von dem Laserstrahl ein einziger Fokus auf den Fügebereich abgebildet wird und dass der Fokus relativ zur Verfahrbewegung der Hybridschweißvorrichtung und quer zur und/oder in Verfahrrichtung der Hybridschweißvorrichtung verstellt wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Fokus zumindest quer zur Verfahrrichtung verstellt wird, wobei eine Anpassung an die Spaltbreite zwischen den Fügepartnern erfolgen kann. Der Fokus wird scannend zu dem Fügebereich bewegt, wobei eine Bewegung sowohl in als auch quer zur Verfahrrichtung der Vorrichtung erfolgen kann. Durch die Veränderung der Scanbreite kann das entstehende Schmelzbad entsprechend den Anforderungen an Nahtausbildung und Tiefe verändert werden. Es kann eine geregelte Überbrückung von Spalttoleranzen erreicht werden. Durch die Integration der Scannersteuerung in die Hybridschweißvorrichtung ist ein bahnoptimiertes Schweißen von Fügeteilen, insbesondere Konstruktionsbauteilen, mit unterschiedlichen Nahtanforderungen möglich.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Laserstrahl derart zu dem Fügebereich bewegt wird, dass der zu dem Fügebereich bewegte Fokus eine Kreis- oder kreisähnliche Fläche überstreicht, deren Durchmesser größer als der des Fokus ist. Hierdurch ergibt sich ein kontinuierlicher „Rührprozess" in der Schmelze mit der Folge eines ruhigen Schweißverhaltens, da die Ausgasung der Schmelze aktiv eingestellt werden kann.

Hervorzuheben und eigenerfinderisch ist, dass Bewegung des Laserstrahls quer zum Fügebereich in Abhängigkeit von auszubildender Schweißnaht gesteuert oder geregelt wird.

Insbesondere wird Abstand der Fügepartner im Fügebereich, also insbesondere Abstand von zu verschweißenden Kanten ermittelt. In Abhängigkeit des ermittelten Wertes erfolgt die Auslenkung des Laserstrahls quer zur Verfahrrichtung der Hybridschweiß Vorrichtung .

Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der Abstand mittels eines synchron mit der Hybridschweißvorrichtung bewegten, insbesondere mit der Hybridschweißvorrichtung verbundenen Sensors gemessen wird.

Eine Hybridschweißvorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die abbildende Optik einen einzigen Fokus abbildet und derart ausgebildet ist, dass der Fokus relativ zur Verfahrbewegung der Hybridschweißvorrichtung und quer und/oder in Verfahrrichtung der Hybridschweißvorrichtung bewegbar ist.

Ergänzend oder alternativ zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Scanbreite des Fokus quer zur Verfahrrichtung der Hybridschweißvorrichtung in Abhängigkeit von Breite auszubildender Schweißnaht der zu fügenden Partner bzw. des zwischen Fügepartnern verlaufenden Spalts regel- oder steuerbar ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass die abbildende Optik zumindest eine relativ zur Verfahrbewegung der Hybridschweißvorrichtung verstellbares optisches Element umfasst, das zu einer X- und/oder Y-Achse verstellbar ist. Die zu fügenden Partner selbst sind zu einer von X- und Y-Achse aufgespannten Ebene ausgerichtet.

Die abbildende Optik umfasst zumindest einen Parabolreflektor. Insbesondere ist vorgesehen, dass die abbildende Optik zumindest zwei Reflektoren aus der Gruppe Planspiel, Parabolspiegel umfasst, wobei vorzugsweise jeder Reflektor relativ zu der Verfahrbewegung der Hybridschweißvorrichtung verstellbar ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Hybridschweißvorrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum scannenden Bewegen eines

Laserstrahls,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung von zu schweißenden Bauteilen, Fig. 4 eine weitere Prinzipdarstellung einer Anordnung zum scannenden Bewegen eines Laserstrahls,

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform zu der der Fig. 4 und

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Schweißvorgangs mit der

Hybridschweißvorrichtung gemäß Fig 1.

Anhand der Figuren, in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, soll das erfindungsgemäße Hybridschweißverfahren erläutert werden, mit dem die Möglichkeit besteht, den Energieeintrag im Fügebereich von zu schweißenden Fügepartnern im gewünschten Umfang einzustellen, wobei eine geregelte Überbrückung von Spalttoleranzen ermöglicht wird.

Zum Schweißen wird eine Hybridschweißvorrichtung 10 verwendet, die rein prinzipiell der Fig. 1 zu entnehmen ist. Die Hybridschweißvorrichtung 10 umfasst einen Laser 12 und eine Lichtbogenschweißvorrichtung 14. Bei der Lichtbogenschweißvorrichtung 12 kann es sich um eine Metallschutzgasschweißvorrichtung mit einem abschmelzenden Schweißdraht 16 handeln, der von einem Motor nachgeführt wird. Gleichzeitig wird mit dem Drahtvorschub der Schweißstelle über eine Düse Schutz- oder Mischgas zugeführt. Insoweit wird auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen.

Mit dem Laser 12 wird ein Laserstrahl 18 auf die zu schweißenden Fügepartner 20, 22 im Bereich des Fügebereichs fokussiert. Durch die Kombination des Laserschweißens und Metallschutzgasschweißens werden die Vorteile beider Verfahren genutzt. Es werden hohe Schweißgeschwindigkeiten bei niedrigem Energieeintrag erzielt.

Die Hybridschweißvorrichtung 10 wird entlang der Fügelinie bzw. des Fügebereichs 26, in der eine Schweißnaht auszubilden ist, um die Fügepartner 20, 22 - nachstehend kurz Werkstücke genannt - zu verschweißen. Die Hybridschweißvorrichtung 10 kann des Weiteren einen Sensor 24 umfassen, über den die Breite des Spaltes zwischen den Werkstücken 20, 22 bestimmt wird, um in Abhängigkeit von der Spaltbreite die Scanbewegung des Laserstrahls 18 zu regeln, wie nachstehend erläutert wird.

Damit der fokussierte Laserstrahl 18, d.h. um den im Bereich des Fügebereichs 26 oder der Fügelinie abgebildeten Fokus scannend zu dem Fügebereich 26 bewegen zu können, wird nach der Fig. 2 ein Parabolspiegel 28 verwendet, auf der der Laserrohstrahl 30 auftrifft, um sodann als fokussierter Strahl 18 auf dem Bereich der Fügelinie fokussiert zu werden, wobei der Fokus in Verfahrrichtung vor dem Schweißdraht 16 auf den Fügebereich 26 trifft.

Der Parabolspiegel 28 ist gemäß der Fig. 2 um die X-Achse schwenkbar, so dass entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 3 der fokussierte Laserstrahl 18, also der Fokus 32 quer zur Fügelinie 26, entlang der die Hybridschweißvorrichtung 10 verfahren wird, scannend hin- und herbewegt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Scanbreite in Abhängigkeit von der Breite des Spaltes 34 zwischen den Werkstücken 20, 22 eingestellt wird. Hierzu kann die Spaltbreite mittels des Sensors 24 ermittelt und in Abhängigkeit von der Spaltbreite die Scanbreite des Fokus 32 variiert werden.

Sofern die Spaltbreite jedoch bekannt ist, können die entsprechenden Daten auch in die Steuerung des Lasers 12 eingegeben werden.

Es besteht jedoch nicht nur die Möglichkeit, den Laserstrahl in X-Richtung, also quer zur Fügelinie 26 hin- und herzubewegen, sondern auch in Bewegungsrichtung (Pfeil 11) der Hybridschweißvorrichtung 10, wie dies anhand der Fig. 4 bis 6 erläutert wird.

Gemäß der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 4 wird der Laserrohstrahl 30 über einen Planspiegel 36 auf einen Parabolspiegel 38 umgelenkt, über den der Rohstrahl 30 auf den Fügebereich fokussiert wird. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Planspiegel 36 um die Y-Achse und der Parabolspiegel um die X-Achse schwingt, wobei die Werkstücke 20, 22 zu der XY-Ebene, die von der X- und Y-Achse aufgespannt wird, ausgerichtet ist, wie sich aus den Figuren prinzipiell ergibt.

Somit ist - wie die Fig. 6 verdeutlicht - der fokussierte Laserstrahl 18 und damit der Fokus 32 sowohl quer zur Fügelinie 26 als auch in dessen Längsrichtung hin- und herbewegbar.

Anstelle des Planspiegels 36 kann dieser auch durch einen Parabolspiegel 40 ersetzt werden, wie sich aus der Fig. 5 ergibt. Hierzu wird auf den Parabolspiegel 40 ein von einem Faserende 42 eines Faserlasers emittierter Laserstrahl benutzt.

Anhand der Fig. 6 soll des Weiteren verdeutlicht werden, dass der Fokus 32 derart zu der Fügelinie 26 scannend bewegt wird, dass ein Kreis überstrichen wird, wodurch ein kontinuierlicher Rührprozess in der Schmelze ermöglicht wird. Dieser führt zu einem ruhigen Schweißverhalten, da die Ausgasung der Schmelze aktiv eingestellt werden kann.

Die quasi Kreisbewegung des Fokus soll durch den Rundpfeil 44 in Fig. 6 symbolisiert werden.

Als Laser kommen C0 ₂ -Laser, Scheiben- und Faserlaser in Frage. Der Fokusdurchmesser sollte vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegen. Die Scanbreite, also der Abstand zwischen den Umkehrpunkten der Fokusbewegung kann zwischen 0,1 mm und 3,0 mm liegen. Die Bewegung des Laserstrahls beim Scannen erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 1.000 Hz. Die Leistung des Laserstrahls kann im Bereich von 1.000 Watt und 1.200 Watt liegen.

Als zu verschweißende Nahtgeometrien kommen insbesondere alle Stumpf- und Überlappgeometrien, sowie alle Formen von Kehlnähten in Frage. Des Weiteren ist der Prozess für alle schweißbaren Metalle und NE-Metalle geeignet.