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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum bevorzugt kontinuierlichen
Laserstrahlschweißen
eines Werkstücks,
insbesondere eines Rohrs, entlang einer Schweißrichtung längs des Werkstücks, wobei
in Schweißrichtung
vor und nach einer Schweißstelle
an dem Werkstück
mindestens eine zu einem Fügespalt
in dem Werkstück
versetzte Markierung detektiert wird und aus der Lage quer zur Schweißrichtung
der vor und nach der Schweißstelle detektierten
Markierung eine optimale Schweißposition
des Laserstrahls quer zur Schweißrichtung ermittelt wird. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum bevorzugt kontinuierlichen
Laserstrahlschweißen
eines Werkstücks,
insbesondere eines Rohrs, entlang einer Schweißrichtung längs des Werkstücks, umfassend:
einen Laserschweißkopf zum
Schweißen
des Werkstücks
an einer Schweißstelle,
eine Sensoreinheit zum Detektieren mindestens einer zu einem Fügespalt
in dem Werkstück
versetzten Markierung in Schweißrichtung
vor der Schweißstelle,
eine weitere Sensoreinheit zum Detektieren der Markierung in Schweißrichtung
nach der Schweißstelle,
sowie eine Auswerteeinheit zum Ermitteln einer optimalen Schweißposition
des Laserstrahls quer zur Schweißrichtung aus der Lage quer
zur Schweißrichtung
der vor und nach der Schweißstelle
detektierten Markierung.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der
GB 2 318 885 A bekannt
geworden. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur automatischen Verfolgung einer Fügelinie zwischen zwei Werkstücken, bei
denen die Werkstücke
in einem vorgegebenen Abstand von den zu verschweißenden Werkstückenden
mit gepunkteten Linien versehen werden. Ein Prozessor detektiert
die gepunkteten Linien und bestimmt daraus den Abstand der Schweißquelle
bezüglich
der Fügelinie,
um die Position der Schweißquelle
quer zur Fügelinie
geeignet anzupassen.
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Beim
Laserstrahlschweißen
muss der Laserstrahl an der Schweißstelle exakt mittig zum zu
verschweißenden
Fügespalt
positioniert werden. Dazu ist üblicherweise
am Bearbeitungskopf vorlaufend zum Laserstrahl bzw. zur Schweißstelle
eine Sensoreinrichtung zur Spaltdetektion angeordnet, die beispielsweise
mit Hilfe des Lichtschnittverfahrens die genaue Lage des Fügespalts
detektiert. Anhand des von dem Sensor zur Spaltdetektion gelieferten
Signals wird die Positionierung des Bearbeitungskopfs quer zur Schweißrichtung
online während
des Schweißprozesses
geregelt. Alternativ kann, wie in der
DE 36 32 952 A1 beschrieben, zum Bestimmen der
Schweißposition
quer zur Schweißrichtung
eine parallel zum Fügespalt
und seitlich versetzt zu diesem aufgebrachte Markierung mit einer
Kamera als Sensoreinheit erfasst werden, wodurch eine Messung synchron
zur Schweißstelle
ermöglicht
wird.
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In
der
EP 0 770 445 A2 wird
ein Verfahren zum Kontrollieren und Positionieren eines Strahls zum
Bearbeiten von Werkstücken
beschrieben, bei dem ein erster Sensor (Nahtsuchsystem) vor dem Strahl
den vom Strahl nachzufahrenden Weg bestimmt und ein zweiter Sensor
nach dem Strahl die Tätigkeit
des Strahls kontrolliert. Dabei werden die Vorgabe oder die Aufnahmeergebnisse
des ersten Sensors über
eine Soll-Lage des Strahls mit Aufnahmeergebnissen des zweiten Sensors über eine Ist-Lage des Strahls
unter Berücksichtigung
der geschwindigkeitsabhängigen
relativen Verschiebung Strahl/Werkstück verglichen. Bei einer Abweichung der
Ist-Lage von der Soll-Lage wird der Strahl auf eine Grundposition
korrigiert.
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Beim
Kontinuumsschweißen
von Profilen oder Tailored Blanks können Torsinnen oder Verspannungen
im Werkstück
auftreten. Dies hat eine ungenaue Positionierung des Laserstrahls
quer zur Schweißrichtung
zur Folge, wenn der Abstand zwischen der Sensoreinheit und dem Laserstrahl
so groß ist,
dass nach dem Zeitpunkt der Detektion des Fügespalts bzw. der Markierung
innerhalb der Vorlaufstrecke Torsinnen oder Verzug auftreten, die
von der Sensoreinheit nicht mehr erfassbar sind. Zur Lösung dieses
Problems wurde beispielsweise in der
JP 01181990 A und der
JP 09182984 A vorgeschlagen,
nicht nur an einer, sondern an zwei Positionen in Schweißrichtung
vorlaufend zum Laserstrahl die genaue Lage des Fügespalts zu ermitteln, um so
den Einfluss der Torsinn berechnen zu können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass
Schweißfehler
durch auftretende Verspannungen oder Torsinnen in dem Werkstück leichter
detektiert und vermieden werden können.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zusätzlich
zur Markierung in Schweißrichtung
vor der Schweißstelle
der Fügespalt
und/oder in Schweißrichtung
nach der Schweißstelle
die beim Schweißen
im Werkstück
erzeugte Schweißnaht
sowie bevorzugt deren Nahtgeometrie detektiert wird. Weicht die
tatsächliche Schweißposition
von der optimalen Position ab, kann beispielsweise eine Warnung
ausgegeben und/oder der Prozess gestoppt werden. Vorzugsweise wird
mit Hilfe einer Steuerungseinheit der Laserstrahl an der ermittelten
Schweißposition
geregelt positioniert. Bei der Detektion der Schweißnaht wird
bevorzugt auch deren Nahtgeometrie im Hinblick auf Breite der Naht, Nahtüberwölbung oder
-einfall, Nahtlagenversatz bezüglich
der Markierung, sowie oberflächige
Poren oder Löcher
detektiert.
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Es
wird vorgeschlagen, die aufgebrachte(n) Markierung(en) auch in Schweißrichtung
nach der Schweißstelle
zu detektieren, da eine alleinige Detektion der beim Schweißen im Werkstück gebildeten Schweißnaht nach
der Schweißstelle
keine genaue Positionierung des Laserstrahls quer zur Schweißrichtung
ermöglicht:
Nur anhand der Detektion der Schweißnaht ist nicht erkennbar,
ob die Schweißnaht tatsächlich genau
mittig an der Position des Fügespalts
verläuft
oder ob ein geringfügiger
Versatz zwischen Fügespalt
und Schweißnaht
vorliegt. Durch die Detektion von bevorzugt zwei auf gegenüberliegenden
Seiten des Fügespalts
entlang der Schweißrichtung
aufgebrachten Markierungen im Vorlauf und Nachlauf zur Schweißstelle
oder durch die Detektion einer Markierung einerseits und des Fügespalts
bzw. der Schweißnaht
andererseits ist jedoch die genaue Ermittlung der Position des Fügespalts
quer zur Schweißrichtung
auch beim Auftreten von Torsinn und/oder Verspannungen möglich. Hierdurch
wird erkannt, ob die Lage der Schweißnaht von der Mitte des Fügespalts
abweicht, ob also ein Schweißfehler vorliegt,
so dass eine Warnung ausgegeben und/oder die Bearbeitung gestoppt
werden kann. Durch eine Regelung der Positionierung des Laserstrahls
anhand der detektierten Lage der Markierungen und des Fügespalts
bzw. der Schweißnaht
können
Schweißfehler
vermieden werden.
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Bei
einer vorteilhaften Variante wird die Markierung vor dem Schweißvorgang
auf das Werkstück aufgebracht,
bevorzugt an einem plattenförmigen Werkstück vor einem
nachfolgenden Umformvorgang, insbesondere einem nachfolgenden Biegevorgang.
Insbesondere beim Schweißen
von Profilen ist es vorteilhaft, wenn nicht das zum Schweißen bereits zusammengeführte Rohrprofil,
sondern das plattenförmige
Bandmaterial vor dem Verformen markiert wird, da hierdurch ein genau
definierter Abstand der Markierung von den Bandkanten einstellbar
ist. Alternativ ist es möglich,
die Markierung während
des Schweißvorgangs
in Schweißrichtung
vor der Schweißstelle
auf das Werkstück
aufzubringen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante wird die Markierung auf das
Werkstück
als kontinuierliche Markierung oder als unterbrochene Markierung aufgebracht.
Wird die Markierung mit einem unterbrochenen Muster aufgebracht,
z. B. als gestrichelte Linie, können
beim Detektieren der Markierung zusätzliche Informationen über den
Schweißprozess gewonnen
werden. So kann beispielsweise bei bekanntem Abstand zwischen zwei
aufeinander folgenden Teilstücken
der Markierung ein zwischen der Detektierung des ersten und des
zweiten Markierungsteilstücks
auftretendes Zeitintervall bestimmt und dadurch die Vorschubgeschwindigkeit
des Werkstückes oder
des Bearbeitungskopfes gemessen werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante wird die Markierung durch Laserbeschriften
oder durch Aufsprühen
eines Farbstoffs auf das Werkstück
aufgebracht. Beide Methoden erlauben das Aufbringen einer Markierung
mit hoher Präzision,
ohne dass hierzu mechanische Teile auf das Werkstück einwirken
müssen.
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Bei
einer äußerst bevorzugten
Variante werden zum Ermitteln der Spaltbreite des Fügespalts zwei
Markierungen an gegenüberliegenden
Seiten des Fügespalts
aufgebracht, wobei bevorzugt die ermittelte Spaltbreite zur Regelung
einer Spanneinrichtung zum Spannen des Werkstücks quer zur Schweißrichtung
verwendet wird. Hierdurch können die
tatsächliche
Spaltbreite und eine ggf. auftretende Spaltaufweitung ermittelt
werden, was zur Regelung von Bauteilspannvorrichtungen genutzt werden kann.
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Die
Erfindung ist auch realisiert in einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art, bei der die Sensoreinheit zum Detektieren des Fügespalts
und/oder die weitere Sensoreinheit zum Detektieren der beim Schweißen am Werkstück gebildeten
Schweißnaht sowie
bevorzugt von deren Nahtgeometrie ausgelegt ist. Hierdurch können sowohl
die Spaltbreite des Fügespalts
bestimmt als auch Aussagen über
die Qualität
der Schweißnaht
getroffen werden.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Bewegungseinheit zum Bewegen
des Laserschweißkopfs
bzw. des Laserstrahls relativ zum Werkstück quer zur Schweißrichtung
und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Bewegungseinheit zur Positionierung
des Laserstrahls an der ermittelten Schweißposition. Durch das Ermitteln
der Lage der Markierung quer zur Schweißrichtung vorlaufend und nachlaufend
zur Schweißstelle
kann der Laserstrahl auch beim Auftreten von Torsinn oder Verspannungen
im Werkstück
mittig im Fügespalt
positioniert werden. Dazu ist entweder der gesamte Laserschweißkopf bewegbar
an der Vorrichtung angebracht, oder der Laserschweißkopf ist
als Scanner-Schweißkopf
ausgeführt,
in dem eine Positionierung des Laserschweißkopfs über Scannerspiegel erfolgt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein in Schweißrichtung
vor der Schweißstelle
angeordnetes Markierungsgerät
zum Aufbringen mindestens einer zu dem Fügespalt in dem Werkstück versetzten
Markierung vorgesehen. Das Markierungsgerät bringt die Markierung während des
Schweißprozesses
auf das Werkstück
auf, welches für
diesen Prozess bereits in Schweißrichtung ausgerichtet ist.
Daher kann auf einfache Weise ein Markieren parallel zum Fügespalt
erfolgen.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Markierungsgerät ausgelegt,
die Markierung kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen auf das
Werkstück
aufzubringen. Wird eine kontinuierliche Markierung aufgebracht,
so ist sichergestellt, dass diese zu jedem Zeitpunkt während des Schweißprozesses
detektiert werden kann. Es ist aber auch möglich, das Aufbringen der Markierung während kurzer
Zeitintervalle zu unterbrechen, wodurch ein Muster entsteht, welches
bei der Detektion Aussagen über
den Schweißprozess,
insbesondere über
die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks bzw. des Bearbeitungskopfs
zulässt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Markierungsgerät als Laserbeschriftungseinheit
oder als Druckvorrichtung mit einer Düse zum Aufbringen eines Farbstoffs
ausgebildet. In beiden Fällen
kann die Markierung aufgebracht werden, ohne dass dieses mit mechanischen
Bauteilen in Berührung
kommt, welche gegebenenfalls Verspannungen in dem Werkstück bewirken
könnten.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Markierungsgerät
ausgelegt, zwei Markierungen an gegenüberliegenden Seiten des Fügespalts
auf das Werkstück
aufzubringen, und die Auswerteeinheit ist ausgelegt, aus dem Abstand
der Markierungen quer zur Schweißrichtung die Spaltbreite des
Fügespalts
zu ermitteln. Hierdurch kann eine ggf. auftretende Spaltaufweitung
detektiert und Maßnahmen
zur deren Korrektur können
eingeleitet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind
die Sensoreinheit und/oder die weitere Sensoreinheit als Kamerasystem
mit einer Lichtschnitteinheit oder einer Auflichteinheit ausgebildet.
Bei einer Auflichteinheit wird die Werkstückoberfläche mit Leuchtdioden homogen
ausgeleuchtet, sodass die Lage des Fügespalts quer zur Schweißrichtung
am Ort der Sensoreinheit mit Hilfe einer Kamera vermessen werden
kann. Bei einer Lichtschnitteinheit wird eine Laserlinie auf die
Werkstückoberfläche projiziert,
wodurch auch der Abstand der Werkstückoberfläche zur Sensoreinheit bestimmt
werden kann. In beiden Fällen
wird als Detektor eine Kamera verwendet, z. B. eine CCD-Kamera oder
eine CMOS-Kamera.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine in Schweißrichtung vor der Schweißstelle
angeordnete Spanneinrichtung zum Einspannen des Werkstücks quer zur
Schweißrichtung,
deren Einspannkraft in Abhängigkeit
von einer ermittelten Spaltbreite des Fügespalts geregelt wird. Die
Spaltbreite kann hierbei wie oben dargestellt anhand des Abstandes
zwischen zwei an gegenüberliegenden
Seiten des Fügespalts aufgebrachten
Markierungen ermittelt werden. Durch Abbilden des Fügespalts
mittels der Sensoreinheit kann die Spaltbreite auch direkt vermessen
werden. Es versteht sich, dass zur Überprüfung der Messresultate bzw.
zur Erhöhung
der Genauigkeit beide Möglichkeiten
auch gemeinsam zum Einsatz kommen können.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung.
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Es
zeigt:
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Figur
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Laserschweißen.
an einem rohrförmigen Werkstück.
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Die
Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zum kontinuierlichen Laserschweißen eines
Werkstücks 2 in Form
eines Rohres. Das Werkstück 2 wird
in einer Schweißrichtung 3 verschoben,
wobei ein an dem Werkstück 2 gebildeter
Fügespalt 4 an
einer Schweißstelle 5 unter
Ausbildung einer Schweißnaht 6 verschweißt wird.
An der Schweißstelle 5 befindet sich
der Fokuspunkt eines auf das Werkstück 2 fokussierten
Laserstrahls 7, der von einem Laserbearbeitungskopf 8 erzeugt
wird. Der Laserbearbeitungskopf 8 ist in Schweißrichtung 3 ortsfest
angeordnet und mittels einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten
Bewegungseinheit 9 quer zur Schweißrichtung 3 bewegbar.
Die Bewegungseinheit 9 ist erforderlich, um den Laserstrahl 7 auch
bei einer Abweichung des Fügespalts 4 quer
zur Schweißrichtung 3 von
einer Ideallage 10 (gestrichelte Linie) exakt mittig zum
Fügespalt 4 zu
positionieren. Diese Abweichung ist in der Figur zur Verdeutlichung übertrieben
groß dargestellt.
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Um
eine solche mittige Positionierung zu erreichen, muss die Lage des
Fügespalts 4 quer
zur Schweißrichtung 3 am
Ort des Laserbearbeitungskopfs 8 ermittelt werden. Hierzu
ist in Schweißrichtung 3 vor
der Schweißstelle 5 eine
Sensoreinheit 11 vorgesehen, welche als Kamerasystem mit
Lichtschnitteinheit ausgelegt ist. Die Sensoreinheit 11 kann
jedoch die Lage des Fügespalts 4 nur
an einem Ort in Schweißrichtung 3 ermitteln,
welcher einen Abstand zur Schweißstelle 5 aufweist.
Tritt zwischen der Sensoreinheit 11 und dem Laserschweißkopf 8 in Schweißrichtung 3 eine
Torsinn oder Verspannung im Werkstück 2 auf, so trifft
der Laserstrahl 7 nicht exakt an der eine Schweißposition
P definierenden Mitte des Fügespalts 4 quer
zur Schweißrichtung 3 auf den
Fügespalt 4 und
es kommt zu einem (nicht gezeigten) Versatz zwischen Schweißnaht 6 und
Fügespalt 4.
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Um
dieses Problem zu vermeiden, umfasst die Vorrichtung 1 eine
weitere Kamera mit Lichtschnitteinheit als weitere Sensoreinheit 12,
die in Schweißrichtung 3 nach
der Schweißstelle 5 angeordnet
ist, sowie ein Markierungsgerät 13,
welches in Schweißrichtung 3 vor
der Sensoreinheit 11 angeordnet ist. Das Markierungsgerät 13 ist
als Laserbeschriftungseinheit ausgelegt und bringt an beiden Seiten
des Fügespalts 4 zu
diesem versetzt und parallel zu diesem jeweils eine Markierung 14a, 14b auf. Die
Markierungen 14a, 14b werden sowohl von der Sensoreinheit 11 vorlaufend
zur Schweißstelle 5 als auch
von der weiteren Sensoreinheit 13 nachlaufend zur Schweißstelle 5 detektiert.
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Die
von den Sensoreinheiten 11, 12 gelieferten Detektionsdaten
werden an eine mit den Sensoreinheiten 11, 12 in
Verbindung stehende Auswerteeinheit 15 übermittelt und dort zur Ermittlung
der Lage der Markierungen 14a, 14b quer zur Schweißrichtung 3 ausgewertet.
Die Auswerteeinheit 15 ermittelt nachfolgend den lateralen
Versatz zwischen der Lage der Markierungen 14a, 14b vorlaufend
und nachlaufend zur Schweißstelle 5 sowie
deren relative Lage zum Fügespalt 4 und
zur Schweißnaht 6.
Aus diesen Daten kann die Lage des Fügespalts 4 quer zur
Schweißrichtung 3 am
Laserbearbeitungskopf 8 ermittelt werden und die Auswerteeinrichtung 15 kann
dessen Bewegungseinrichtung 9 derart ansteuern, dass der
Laserstrahl 7 exakt mittig zum Fügespalt 4 an der Schweißposition
P positioniert ist. Durch die beiden Sensoreinheiten 11, 12,
die Auswerteeinheit 15 und die Bewegungseinheit 9 wird
somit ein Regelkreislauf zur Online-Positionierung des Laserstrahls 7 an
der Schweißposition
P im Fügespalt 4 während des
Schweißprozesses
gebildet.
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Die
im Nachlauf angeordnete weitere Sensoreinheit 12 kann zusätzlich die
Geometrie der Schweißnaht 6 im
Hinblick auf deren Breite, Nahtüberwölbung oder
-einfall, Nahtlagenversatz bezüglich der
Markierungen 14a, 14b, oberflächige Poren etc. ermitteln
und daraus zusätzliche
Informationen über den
Schweißprozess
gewinnen, welche ebenfalls zur Regelung des Schweißprozesses
verwendet werden können,
z. B. indem die Leistung des Laserstrahls 7 oder die Vorschubgeschwindigkeit
in Schweißrichtung 3 verändert werden.
Auch können
durch Aufnahme eines Wärmebildes
entlang der Schweißnaht 6 Rückschlüsse auf
die Qualität
der Schweißung
gezogen werden.
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An
der im Vorlauf angeordneten Sensoreinheit 11 kann die Auswerteeinheit 15 den
Abstand der Markierungen 14a, 14b quer zur Schweißrichtung 3 und
dadurch die Spaltbreite des Fügespalts 4 ermitteln.
Weicht diese von einer Soll-Spaltbreite ab, kann die Einspannkraft,
welche von einer Spanneinrichtung 16 auf das Werkstück 2 ausgeübt wird,
angepasst werden, bis die Soll-Spaltbreite erreicht ist.
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Alternativ
zum in der Figur gezeigten Aufbringen der Markierungen 14a, 14b während des Schweißprozesses
können
diese auch schon vorher auf das Werkstück 2 aufgebracht werden.
So ist es besonders beim Profilschweißen vorteilhaft, wenn nicht
das zum Schweißen
bereits zusammengeführte Rohrprofil
sondern das Bandmaterial vor dem Verformen markiert wird. Hierdurch
kann ein sehr genau definierter Abstand der Markierungen von den
Bandkanten eingestellt werden, die nach einem sich anschließenden Biegeprozess
die Kanten des Fügespalts
bilden.
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Ebenfalls
alternativ zu den in der Figur gezeigten, als durchgängige Linien
aufgebrachten Markierungen 14a, 14b kann das Aufbringen
der Markierungen auch in vorgebbaren Zeitintervallen unterbrochen
werden, sodass sich markierte und unmarkierte Stellen auf dem Werkstück abwechseln
und ein Muster bilden, welches ebenfalls von den Sensoreinheiten 11, 12 detektiert
werden kann, um Aussagen über den
Schweißprozess,
insbesondere über
die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks 4 zu erhalten. Bei
Kenntnis dieser Informationen kann Einfluss auf den Schweißprozess
genommen und beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit geregelt
werden.
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Es
versteht sich, dass alternativ zur Bewegung des Werkstücks 2 in
Schweißrichtung 3 bei ortsfestem
Laserbearbeitungskopf 8 auch das Werkstück 2 ortsfest angeordnet
sein und zum Schweißen der
Laserbearbeitungskopf 8 zusammen mit den Sensoreinheiten 11, 12 entlang
der Schweißrichtung 3 verschoben
werden kann. Auch eine kombinierte Bewegung von Laserbearbeitungskopf 8 und
Werkstück 2 ist
möglich.
Ferner kann die oben beschriebene Vorrichtung nicht nur zum Profilschweißen, sondern
auch z. B. zum Schweißen
von Tailored Blanks verwendet werden. In jedem Fall können durch
das Detektieren der Markierung(en) im Vorlauf und Nachlauf der Schweißstelle 5 sowie
der Schweißnaht 6 und
des Fügespalts 4 Schweißfehler
vermieden und eine optimierte Regelung des Schweißprozess
erreicht werden.