DE102004026427B4

DE102004026427B4 - Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung eines Substrates mittels Laserstrahlen und Vorrichtung zur Behandlung des Substrates

Info

Publication number: DE102004026427B4
Application number: DE200410026427
Authority: DE
Inventors: René Stopp; Wolfgang Bloehs
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-05-29
Filing date: 2004-05-29
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-05-30
Also published as: DE102004026427A1

Abstract

Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung eines Substrates (3) mittels Laserstrahlen (12) in einer Anzahl nebeneinander angeordneter Spuren, bestehend aus Mitteln (2) zum Bewegen des Substrates (3) in einer Vorschubrichtung (4) und weiter bestehend aus einer Laserstrahlquelle (11) und jeweils einem einer Spur zugeordneten Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) für den Laserstrahl (12) und einem Schwenkspiegel (13), der den Laserstrahl (12) abwechselnd auf die Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) lenkt, wobei der Schwenkspiegel (13) als auf einer Schwenkachse (14) gelagerter, hin und her schwenkender planer Schwenkspiegel (13) ausgebildet ist, und auch die Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) schwenkbar ausgebildet sind, wobei deren Schwenkachsen (16; 23) im Wesentlichen parallel zu einer durch die nebeneinander angeordneten Spuren gebildeten Ebene und orthogonal zur Substrat-Vorschubrichtung (4) verlaufen, zur Herstellung einer Anzahl parallel zueinander verlaufender Steppschweißnähte (9, 10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung eines Substrates mittels Laserstrahlen in einer Anzahl nebeneinander angeordneter Spuren.

Bei der Anwendung von Laserstrahlen zur Behandlung oder Bearbeitung von Substraten ist es häufig erforderlich, eine gleichzeitige oder nahezu gleichzeitige Beaufschlagung des Substrats in mehreren Zielgebieten vorzusehen. Aus der Patentliteratur gehen verschiedene Ausgestaltungen hervor, bei denen jeweils ein Laserstrahl mittels eines sich drehenden Polygonspiegels über eine Reihe von nebeneinanderliegenden, fokussierenden Elementen gelenkt wird, wodurch aufeinanderfolgend eine entsprechende Anzahl von Zielpunkten beaufschlagt wird ( EP 0 028 615 B1 ).

Des Weiteren ist aus der DE 2 214 883 A ein Gerät und ein Verfahren zum optischen Bearbeiten von Werkstoffen bekannt geworden, im Wesentlichen beinhaltend eine Vorrichtung zur Behandlung eines Substrats mittels Laserstrahlung, bestehend aus Mitteln zum Bewegen des Substrats, einer Laserstrahlquelle, Umlenkspiegel für den Laserstrahl sowie einem Schwenkspiegel in Form eines Facettenspiegels, der den Laserstrahl abwechselnd auf die Umlenkspiegel lenkt. Hierdurch werden Perforationen erzeugt, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Substrats auf nebeneinander angeordneten Spuren liegen. Außerdem sind die Umlenkspiegel schwenkbar ausgebildet, wobei deren Schwenkachse parallel zu einer durch die nebeneinander angeordneten Spuren gebildeten Ebene und orthogonal zur Vorschubrichtung des Substrats verläuft.

Damit ist es beispielsweise möglich, mehrere Spuren Perforationslöcher nebeneinander in einem sich bewegenden bahnförmigen Material zu erzeugen.

Des weiteren beschreibt die EP 0 857 536 B1 eine Laserstrahlschweißvorrichtung, die mehrere Abtastspiegel umfasst, wobei zwei Abtastspiegel in unterschiedliche Richtungen winkelbeweglich sind. Damit lässt sich ein Laserstrahlbündel in rascher Abfolge auf zu schweißende Stellen an einem Werksstück in einer Schweißstation richten.

In der EP 0 102 732 B1 , die eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines Bandes magnetischen Materials beschreibt und dabei einen Laser umfasst, rotiert ein den Laserstrahl umlenkender Polygonspiegel um eine Achse, die parallel zur Vorschubrichtung des Bandes verläuft.

Auch in der EP 0 781 622 B1 und in der DE 198 47 867 A1 , die Vorrichtungen zum Laserschweißen eines Werkstückes entlang einer linienförmigen Naht beschreiben, werden Schwenkmechanismen (schwenkbar aufgenommene bzw. gelagerte Ablenkspiegel) beschrieben, um den Laserstrahl quer zur Werkstück-Vorschubrichtung zu bewegen.

Aus der DE 100 07 496 C1 ist schließlich eine Profilieranlage mit einer Profiliermaschine und mit einer in deren Verlauf angeordneten Schweißvorrichtung zur Herstellung eines aus metallischem Bandmaterial geformten Profils bekannt, wobei zwei parallel zueinander verlaufende Steppschweißnähte entstehen, die von gegenüberliegenden Seiten in das Werkstück eingebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der eine flexible und schnelle Strahlverteilung bei einem Schweißvorgang zur Herstellung parallel zueinander verlaufender Steppschweißnähte erfolgen kann.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 zu sehen. Eine entsprechende Vorrichtung ist mit Patentanspruch 2 beansprucht.

Die Erfindung ist vielfältig einsetzbar, so beispielsweise für Bauteile mit linearen Nähten, z. B. bei Rohren, Profilen, Bändern, oder mit Nähten auf Kreisbahnen mit mehr als einer Schweiß-/Schnittlinie. Gleichfalls denkbar ist eine Integration in Rollprofilanlagen zur Herstellung von z. B. Verbundprofilen. Auch steht dem Einsatz von Zusatzwerkstoff, insbesondere beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen, nichts im Wege. In gleicher Weise sind beliebige Strahlquellen einsetzbar, wobei sich nicht fasergebundene Lasersysteme, z. B. CO₂, in besonderer Weise eignen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung im Einzelnen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematisierte Perspektivdarstellung der wesentlichen Funktionselemente einer Laserstrahlschweißanlage zur Herstellung parallel verlaufender Steppnähte und
2 eine gegenüber 1 leicht modifizierte Ausführungsvariante unter ausschließlicher Verwendung planer Schwenkspiegel.
Gemäß 1 beinhaltet eine Laserstrahlschweißvorrichtung 1 z. B. als Rollen 2 ausgebildete Transportmittel zum Bewegen eines Werkstückes 3 mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit entlang einer vorgegebenen Vorschubrichtung (Pfeil 4). Das Werkstück 3 setzt sich aus zwei übereinanderliegenden, vorgeformten Blechprofilen 5, 6 zusammen, wobei deren beidseitig angeformte Flansche 7, 8 mittels linker und rechter Steppschweißnaht 9, 10 miteinander verbunden werden.
Zur Herstellung der Steppschweißnähte 9, 10 ist zunächst eine Laserstrahlquelle 11 vorgesehen, wobei der austretende Laserstrahl 12 auf einen planen Umlenkspiegel 13 trifft, der auf einer Schwenkachse 14 gelagert ist und über eine hin und her gehende Schwenkbewegung (Doppelpfeil 15) den Laserstrahl 12 abwechselnd auf zwei rotierende (gemeinsame Rotationsachse 16) Polygonspiegel 17, 18 lenkt. Die sich so ergebenden Teillaserstrahlen 12.1 bzw. 12.2 treffen unter Zwischenschaltung von Strahl-Fokussierungen 27, 28 auf die angeformten Flansche 7 und ermöglichen das Verschweißen der beiden Blechprofile 5, 6 mittels der beiden parallel zueinander verlaufenden Steppschweißnähte 9, 10.
Die Rotationsachse 16 der Polygonspiegel 17, 18 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer durch die angeformten Flansche 7, 8 gebildeten Ebene und ist darüber hinaus orthogonal zur Werkstück- Vorschubrichtung 4 gerichtet. Dies hat zur Folge, dass während der Herstellung einer Schweißnaht der jeweilige Teillaserstrahl 12.1 bzw. 12.2 sich je nach Rotationsrichtung (Pfeile 19, 20) des Polygonspiegels 17, 18 in oder entgegen der Werkstück-Vorschubrichtung 4 bewegt. Auf diese Weise lässt sich eine größere Gesamtschweißnahtlänge pro Zeiteinheit erreichen, wodurch auch die Festigkeit und Steifigkeit der Schweißverbindung insgesamt und damit die entsprechenden Eigenschaften des Werkstückes 3 verbessert werden. Begünstigt wird dies noch durch die schnelle Strahlverteilung ohne optische Verschlechterung der Strahlqualität aufgrund sehr kurzer Schaltzeiten des planen Umlenkspiegels 13, der zum Beaufschlagen der beiden Polygonspiegel 17, 18 mit den Teillaserstrahlen 12.1, 12.2 nur über äußerst kleine Schwenkwinkel bewegt werden muss.
Sonach lässt sich sowohl die Schweißnahtlänge als auch deren Verlauf durch ein gezieltes aufeinander Abstimmen von Schwenkbewegung des planen Umlenkspiegels 13, Rotationsbewegung der Polygonspiegel 17, 18 und Vorschubrichtung 4 bzw. Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes 3 in besonders vorteilhafter Weise beeinflussen.
Eine leicht modifizierte Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt. Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 übereinstimmende Bauteile bzw. Funktionselemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Modifizierung besteht im Wesentlichen darin, dass die beiden Polygonspiegel nun durch zwei weitere plane Umlenkspiegel 21, 22 ersetzt Worden sind, über die der Laserstrahl 12 unter Zwischenschaltung von Strahl-Fokussierungen 27, 28 auf die Flansche 7 trifft. Werden fokussierende plane Umlenkspiegel verwendet, so sind die separaten Fokusierungen 27, 28 entbehrlich. Vorzugsweise besitzen die Umlenkspiegel 21, 22 eine gemeinsame Schwenkachse 23, die wiederum im Wesentlichen parallel zu der durch die angeformten Flansche 7, 8 gebildeten Ebene und orthogonal zur Werkstück-Vorschubrichtung 4 verläuft bzw. gerichtet ist. Durch sehr kurze Schaltzeiten bei der hin und hergehenden Schwenkbewegung (Doppelpfeile 24, 25) der planen Umlenkspiegel 21, 22 ist eine äußerst hohe Flexibilität der Laserstrahlschweißvorrichtung 26 erzielbar.
Hinsichtlich des Zusammenspieles zwischen Laserleistungssteuerung und Spiegelschwenkbewegung bzw. – Rotationsbewegung kann noch auf Folgendes hingewiesen werden:
Im Regelfall wird die Laserstrahlquelle 11 ausgeschaltet, während der plane Umlenkspiegel 13 von der linken auf die rechte Steppschweißnaht 9, 10 (und umgekehrt) schwenkt. Zur Erzielung eines optimierten Schweißergebnisses ist es häufig auch erforderlich, die Laserleistung am Nahtanfang und am Nahtende zu reduzieren (rampen). Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht neben einer Schaltzeitreduzierung als zusätzlichen Vorteil das Schalten unter Last. Dies ist aufgrund der kurzen Schaltzeiten möglich. Denn die Strahlungsenergie W, mit der die Anlagenkomponenten bestrahlt werden, während sich der Laserstrahl 12 über sie hinweg bewegt, bestimmt sich als Produkt aus Laserleistung P_L, multipliziert mit der Schaltzeit t. Nachdem t sehr klein ist wird auch die Strahlungsenergie W entsprechend klein sein. Für den Fall, dass die Anlagenkomponenten beim Schalten unter Volllast thermisch zu stark beansprucht werden sollten, besteht die Möglichkeit, die Laserleistung während des Schaltvorganges zu reduzieren. Dieses Schalten unter Teillast ist für die Laserstrahlquelle 11 jedenfalls schonender als ein komplettes Ausschalten.
Beim Schalten unter Voll- bzw. Teillast wird der Laserstrahl 12 mit seinem Durchmesser ja aus der Apertur des jeweiligen Polygonspiegels 17, 18 bzw. planen Umlenkspiegels 21, 22 heraus bewegt. Damit wird der Anteil der Strahlleistung entsprechend der jeweiligen geometrischen Situation immer kleiner. Beim Auftreffen auf den jeweils anderen Spiegel hingegen steigt die Strahlleistung kontinuierlich an. Auf diese Weise kann das oben angesprochene Rampen der Laserleistung am Nahtanfang bzw. – ende auf geometrische Art und Weise ohne Modulation der Laserleistung bewerkstelligt werden. Auf diese Weise lassen sich also zwei Schweißnähte 9, 10 nahezu gleichzeitig schweißen (erste Naht mit fallender Rampe, zweite Naht mit steigender Rampe). Dadurch wird der Nutzungsgrad der erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißvorrichtung 1, 26 weiter erhöht.

Claims

Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung eines Substrates (3) mittels Laserstrahlen (12) in einer Anzahl nebeneinander angeordneter Spuren, bestehend aus Mitteln (2) zum Bewegen des Substrates (3) in einer Vorschubrichtung (4) und weiter bestehend aus einer Laserstrahlquelle (11) und jeweils einem einer Spur zugeordneten Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) für den Laserstrahl (12) und einem Schwenkspiegel (13), der den Laserstrahl (12) abwechselnd auf die Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) lenkt, wobei der Schwenkspiegel (13) als auf einer Schwenkachse (14) gelagerter, hin und her schwenkender planer Schwenkspiegel (13) ausgebildet ist, und auch die Umlenkspiegel (17, 18; 21, 22) schwenkbar ausgebildet sind, wobei deren Schwenkachsen (16; 23) im Wesentlichen parallel zu einer durch die nebeneinander angeordneten Spuren gebildeten Ebene und orthogonal zur Substrat-Vorschubrichtung (4) verlaufen, zur Herstellung einer Anzahl parallel zueinander verlaufender Steppschweißnähte (9, 10).
Vorrichtung zur Behandlung eines Substrates (3) mittels Laserstrahlen (12) in einer Anzahl nebeneinander angeordneter Spuren, bestehend aus Mitteln (2) zum Bewegen des Substrates (3) in einer Vorschubrichtung (4) und weiter bestehend aus einer Laserstrahlquelle (11) und jeweils einem einer Spur zugeordneten Umlenkspiegel (17, 18) für den Laserstrahl (12) und einem Schwenkspiegel (13), der den Laserstrahl (12) abwechselnd auf die Umlenkspiegel (17, 18) lenkt, wobei der Schwenkspiegel (13) als auf einer Schwenkachse (14) gelagerter, hin und her schwenkender planer Schwenkspiegel (13) ausgebildet ist, und auch die Umlenkspiegel (17, 18) schwenkbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkspiegel als um eine Rotationsachse (16) rotierende Polygonspiegel (17, 18) ausgebildet sind.