DE102024003423A1 - Laserschweißvorrichtung und Laserschweißverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung (1), ausgebildet zur Erzeugung mehrerer Schweißverbindungen (S1 bis Sz) zwischen zumindest zwei Bauteilen (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) in an unterschiedlichen Positionen einer Bauteilanordnung (2) angeordneten Schweißbereichen, mit einem Laserscanner (8), aufweisend
- zumindest einen Laseremitter (7), ausgebildet zur Emission von Laserstrahlung (LS), und
- zumindest eine Laseroptik (6), ausgebildet zur Lenkung und Fokussierung der emittierten Laserstrahlung (LS).
Die Laserschweißvorrichtung (1) ist gekennzeichnet durch
- eine Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y), wobei jedes Druckstück (5.1 bis 5.y) dieser Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) ausgebildet ist, eine Druckkraft (F) in einem, zumindest einen Schweißbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Bereich auf die zumindest zwei Bauteile (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) aufzubringen, und
- mehrere für die emittierte Laserstrahlung (LS) reflektierend ausgebildete Spiegel (11.1 bis 11.y), wobei an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück (5.1 bis 5.y) der Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) jeweils zumindest ein Spiegel (11.1 bis 11.y) angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass dieser mittels der zumindest einen Laseroptik (6) auf diesen gerichtete Laserstrahlung (LS) in den zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück (5.1 bis 5.y) umgebenden Schweißbereich lenkt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Laserschweißverfahren.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Laserschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
• Aus der DE 10 2020 133 035 A1 ist ein System zum intelligenten roboterbasierten Schweißen eines ersten Werkstücks und eines zweiten Werkstücks bekannt. Das System umfasst
• - einen Roboter mit einer Schweißpistole zum Schweißen des ersten und des zweiten Werkstücks auf der Grundlage einer vorbestimmten Prozessvariablen,
• - eine Steuerung, die mit dem Roboter und der Schweißpistole kommuniziert,
• - einen Sichtsensor, der auf dem Roboter und der Steuerung angeordnet ist und mit diesen in Verbindung steht, um die geometrische Lage des ersten und zweiten Werkstücks zu erfassen und die geometrische Lage an die Steuerung zu übermitteln und
• - einen Laserprojektor, der auf dem Roboter angeordnet ist und mit diesem in Verbindung steht, um einen Laserstrahl auf das erste und zweite Werkstück zu projizieren, um eine Lücke zwischen dem ersten und zweiten Werkstück zu erfassen und die Lücke an die Steuerung zu kommunizieren.
• Die Steuerung ist derart programmiert, dass sie die vorbestimmte Prozessvariable auf der Grundlage der geometrischen Lage und der Lücke des ersten und zweiten Werkstücks einstellt, wodurch eine eingestellte Prozessvariable definiert wird. Weiterhin ist die Steuerung derart programmiert, dass sie die Schweißpistole zum Schweißen des ersten und zweiten Werkstücks auf der Grundlage der eingestellten Prozessvariablen steuert.
• Weiterhin ist ein Verfahren zum automatisierten Schweißen eines ersten Werkstücks und eines zweiten Werkstücks beschrieben, wobei das Verfahren umfasst:
• - Bereitstellen eines Systems für intelligentes roboterbasiertes Schweißen des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks,
• - Bestimmen einer geometrischen Lage des ersten und des zweiten zu schweißenden Werkstücks bei einer Schweißsequenz auf der Grundlage einer vorbestimmten Prozessvariablen,
• - Einstellen der vorbestimmten Prozessvariablen auf der Grundlage der geometrischen Lage des ersten und zweiten Werkstücks, um eine tatsächliche Prozessvariable zu definieren,
• - Schweißen eines ersten Abschnitts des ersten und zweiten Werkstücks mit der tatsächlichen Prozessvariablen, um einen ersten geschweißten Abschnitt zu definieren, und
• - Bestimmen der Schweißnahtqualität des ersten geschweißten Abschnitts.
• Weiterhin beschreibt die noch nicht veröffentlichte DE 10 2023 004 005 eine Laserschweißvorrichtung, aufweisend
• - mehrere Laseremitter zur Emission von Laserstrahlung auf eine Bauteiloberfläche zur Erzeugung einer Schweißnaht zur Verbindung von zwei Bauteilen, wobei die Laseremitter jeweils eine Optik zur Lenkung und Fokussierung der emittierten Laserstrahlung in einen Schweißnahtbereich aufweisen,
• - eine Erfassungsvorrichtung zur optischen Erfassung des Schweißnahtbereichs,
• - eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung der Laseremitter,
• - eine Auswerteeinheit, welche ausgebildet ist, mittels der Erfassungsvorrichtung erfasste Daten dahingehend auszuwerten, ob eine erzeugte Schweißnaht vorgegebene Schweißnaht-Parameter bzw. eine vorgegebene Schweißnaht-Qualität aufweist, und
• - eine Steuereinheit (9), welche ausgebildet ist,
  • - die Antriebsvorrichtung in Abhängigkeit einer Position der jeweils zu erzeugenden Schweißnaht zu steuern,
  • - die Laseremitter in Abhängigkeit der Position der jeweils zu erzeugenden Schweißnaht zu steuern und
  • - bei mittels der Auswerteeinheit ermitteltem Vorliegen einer fehlerhaften Schweißnaht, welche nicht die vorgegebenen Schweißnaht-Parameter aufweist, die Laseremitter derart anzusteuern, dass zumindest einer der Laseremitter eine neue Schweißnaht erzeugt und gleichzeitig zumindest ein anderer der Laseremitter die fehlerhafte Schweißnaht nacharbeitet und repariert oder eine Reparaturschweißnaht erzeugt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Laserschweißvorrichtung und ein neuartiges Laserschweißverfahren anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserschweißvorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegeben Merkmale aufweist, und durch ein Laserschweißverfahren, welches die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Eine Laserschweißvorrichtung ist ausgebildet zur Erzeugung mehrerer Schweißverbindungen zwischen zumindest zwei Bauteilen in an unterschiedlichen Positionen einer Bauteilanordnung angeordneten Schweißbereichen. Die Laserschweißvorrichtung weist einen Laserscanner auf, aufweisend
• - zumindest einen Laseremitter, ausgebildet zur Emission von Laserstrahlung, und
• - zumindest eine Laseroptik, ausgebildet zur Lenkung und Fokussierung der emittierten Laserstrahlung.
• Erfindungsgemäß weist die Laserschweißvorrichtung auf:
• - eine Mehrzahl von Druckstücken, wobei jedes Druckstück der Mehrzahl von Druckstücken ausgebildet ist, eine Druckkraft in einem, zumindest einen Schweißbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Bereich auf die zumindest zwei Bauteile aufzubringen, und
• - mehrere für die emittierte Laserstrahlung reflektierend ausgebildete Spiegel, wobei an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück der Mehrzahl von Druckstücken jeweils zumindest ein Spiegel angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass dieser mittels der zumindest einen Laseroptik auf diesen gerichtete Laserstrahlung in den zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück umgebenden Schweißbereich lenkt.
• Eine Bauteilanordnung kann über eine Vielzahl von Schweißverbindungen verfügen, welche zu einer Verringerung von Prozesszeiten mittels eines Laserscanners erzeugt werden. Jedoch ist bei einem solchen Laserscanner durch die Laseroptik ein Scanfeld, in welchem die Laserstrahlung frei bewegt und auf einer Bauteiloberfläche positioniert werden kann, beschränkt. Auch können die Druckstücke das Scanfeld beschränken.
• Mittels der vorliegenden Laserschweißvorrichtung und der jeweils an den Druckstücken angeordneten Spiegel können solche Beschränkungen des Scanfelds vermieden werden, da mittels der Spiegel die Laserstrahlung für sehr weite Bereiche ihres Austrittswinkels aus der Laseroptik sehr präzise in den Schweißbereichen innerhalb der Druckstücke positioniert werden kann. Somit können die Schweißverbindungen sehr präzise, mit hoher Wiederholgenauigkeit bei homogener und verbesserter Schweißqualität erzeugt werden. Dabei wird die Laseroptik insbesondere an einem Referenzpunkt positioniert, von dessen Ausgangslage die Laserstrahlung jeweils zu den einzelnen Spiegeln der Druckstücke ausgelenkt werden kann. Je weiter sich der jeweilige Schweißbereich vom Referenzpunkt entfernt befindet, desto größer werden Auslenkwinkel der Laserstrahlung aus der Laseroptik. Die Laserstrahlung mit unterschiedlichen Auslenkwinkeln kann in einfacher und zuverlässiger Weise durch Wahl einer Neigung des jeweiligen Spiegels am Druckstück mittels des Spiegels exakt zum gewünschten Schweißbereich geführt werden. Die Laserschweißvorrichtung ermöglicht somit eine signifikante Reduzierung von Prozesszeiten bei Fügeprozessen mit Laserstrahlschweißen durch Eleminieren von möglichen Abschattungen für die Laserstrahlung. Eine daraus resultierende Reduzierung einer Taktzeit ermöglicht eine signifikante Kostenreduktion. Die Laserschweißvorrichtung zeichnet sich dabei durch eine hohe Flexibilität gegenüber einer Vielzahl von Anwendungen aus und eignet sich besonders für Baugruppen mit sehr vielen Fügestellen, wie beispielsweise elektrischen Akkumulatoren mit vielen Kontaktierungsstellen, beispielsweise für Fahrzeuganwendungen. Hierbei ist die Laserschweißvorrichtung zu einer Verwendung bei einer Herstellung zumindest nahezu aller schweißbaren Verbindungen geeignet.
• In einer möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung ist zusätzlich zu der Mehrzahl von Druckstücken eine Anzahl weiterer Druckstücke vorgesehen, an welchen aufgrund ihrer relativen Positionierung zur Laseroptik kein Spiegel angeordnet ist. Solche weiteren Druckstücke sind beispielsweise derart relativ zur Laseroptik angeordnet, dass die emittierte Laserstrahlung unmittelbar ausgehend von der Laseroptik senkrecht auf einer Bauteiloberfläche auftrifft oder ein Auftreffwinkel der Laserstrahlung derart ausgebildet ist, dass diese nicht von dem jeweiligen Druckstück beeinträchtigt wird.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung sind die Spiegel jeweils mit einer Verstellvorrichtung gekoppelt, wobei die jeweilige Verstellvorrichtung ausgebildet ist, den zugehörigen Spiegel in seiner Neigung um zumindest eine Achse automatisch zu verstellen. Durch eine solche Verstellung kann die Laserschweißvorrichtung an verschiedene Anwendungen und daraus resultierend an verschieden positionierte Schweißbereiche sowie verschiedene Auslenkwinkel der Laserstrahlung an der Laseroptik angepasst werden. Auch ist es in besonders einfacher Weise möglich, durch Verstellung der Spiegel mehrere Schweißverbindungen in einem Schweißbereich, beispielsweise zusätzlich Schweißnähte als Zusatz-, Reparatur- und/oder Ersatznähte, zu erzeugen. Die Verstellvorrichtungen umfassen beispielsweise jeweils einen Servomotor zur Ausführung der Verstellung, welche über eine Steuereinheit die Daten mit der Laseroptik austauschen kann.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung ist die zumindest eine Laseroptik mit einer Positioniervorrichtung gekoppelt, wobei die Positioniervorrichtung ausgebildet ist, die zumindest eine Laseroptik in unterschiedliche Positionen relativ zu einer zum Halten der Bauteilanordnung vorgesehenen Halteanordnung und/oder relativ zur Bauteilanordnung zu bewegen. Dies ermöglicht, dass die Laseroptik in verschiedenen Positionen relativ zur Bauteilanordnung angeordnet werden kann, so dass die Schweißverbindungen in einfacher Weise für die gesamte Bauteilanordnung erzeugt werden können. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Halteanordnung für die Bauteilanordnung mit einer Verstellvorrichtung zur Bewegung der Halteanordnung und daraus resultierenden flexiblen Positionierung der Bauteilanordnung relativ zur Laseroptik gekoppelt ist.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung weist die zumindest eine Laseroptik eine Fokuseinstelleinheit auf, welche ausgebildet ist, einen Fokus der Laserstrahlung an deren Auftreffpunkt in Abhängigkeit einer Weglänge zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik automatisch einzustellen. Dies ermöglicht in einfacher und zuverlässiger Weise eine Anpassung einer Fokuslage der Laserstrahlung an deren Auftreffpunkt an unterschiedliche Wegstrecken bei der Auslenkung der Laserstrahlung in Richtung der verschiedenen Spiegel. Somit können in allen Schweißbereichen Schweißverbindungen in gleicher Art und Weise sowie mit gleichen Eigenschaften erzeugt werden.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung weist diese zumindest eine Weglängenerfassungseinheit auf, welche ausgebildet ist,
• - zumindest einen Messstrahl derart in die zumindest eine Laseroptik zu emittieren, dass dieser gemeinsam mit der Laserstrahlung auf deren Auftreffpunkt geführt wird, und
• - aus empfangenen Messstrahldaten die Weglänge zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik zu bestimmen.
• Dies ermöglicht eine einfach durchführbare und besonders exakte Erfassung der jeweiligen Weglänge online während der Erzeugung der Schweißverbindungen und eine Anpassung des jeweiligen Fokus der Laserstrahlung während des Prozesses.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung ist die Weglängenerfassungseinheit ausgebildet, die Weglänge mittels optischer Kohärenztomographie zu bestimmen. Mittels optischer Kohärenztomographie kann die Weglänge mit besonders hoher Genauigkeit ermittelt werden. Gleichzeitig kann eine auf optischer Kohärenztomographie basierende Weglängenerfassungseinheit in einfacher und zuverlässiger Weise in die Laserschweißvorrichtung integriert werden und die Laseroptik zur gleichzeitigen Emission des Messstrahls mit der Laserstrahlung nutzen. Gleichzeitig kann der Messstrahl zu einer Ermittlung von Eigenschaften und daraus folgend Qualitätsmerkmalen der jeweiligen erzeugten Schweißverbindung verwendet werden. Wenn ein Qualitätsmangel einer erzeugten Schweißverbindung ermittelt wird, kann durch ein Nachschweißen der Schweißverbindung und/oder durch Erzeugung zumindest einer weiteren benachbarten Schweißverbindung mit geringem Zeitaufwand eine fehlerhafte Schweißverbindung repariert oder durch zumindest eine weitere Schweißverbindung ersetzt werden.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung ist an jedem Druckstück der Mehrzahl von Druckstücken eine Absauganordnung angeordnet, wobei die Absauganordnungen jeweils ausgebildet sind, in dem zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück zumindest abschnittsweise umgebenden Schweißbereich erzeugte Schweißemissionen abzusaugen. Beispielsweise sind die Absauganordnungen jeweils als Absaugkanal ausgebildet und mit einer zur Erzeugung einer Absaugung ausgebildeten Absaugvorrichtung gekoppelt. Durch eine solche Absaugung können die Spiegel zuverlässig vor einer Belegung mit Schweißemissionen geschützt und somit deren Funktionstüchtigkeit sichergestellt werden. Weiterhin kann auch an den Druckstücken der Anzahl weiterer Druckstücke jeweils eine solche Absaugvorrichtung angeordnet sein.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung ist jeweils ein Teil der Druckstücke oder sind alle Druckstücke der Mehrzahl von Druckstücken mittels einer Verbindungsanordnung mechanisch miteinander gekoppelt. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung und Positionierung der Druckstücke. Weiterhin kann auch die Anzahl weiterer Druckstücke gemeinsam mit den Druckstücken der Mehrzahl von Druckstücken an der Verbindungsanordnung angeordnet sein.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Laserschweißvorrichtung sind die Druckstücke der Mehrzahl von Druckstücken jeweils gefedert an der Verbindungsanordnung gelagert. Dies ermöglicht einerseits ein für die Druckstücke und die Bauteilanordnung materialschonendes Aufsetzen der Druckstücke auf die Bauteilanordnung und andererseits können in einfacher Weise Höhenunterschiede der Bauteilanordnung zwischen den einzelnen Schweißbereichen in einfacher und zuverlässiger Weise ausgeglichen werden. Weiterhin kann auch die Anzahl weiterer Druckstücke gefedert an der Verbindungsanordnung gelagert sein.
• In einem Laserschweißverfahren zur Erzeugung mehrerer Schweißverbindungen zwischen zumindest zwei Bauteilen in an unterschiedlichen Positionen einer Bauteilanordnung angeordneten Schweißbereichen wird
• - mittels zumindest eines Laseremitters Laserstrahlung emittiert und
• - mittels zumindest einer Laseroptik die emittierte Laserstrahlung gelenkt und fokussiert.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
• - mittels einer Mehrzahl von Druckstücken jeweils eine Druckkraft in einem, zumindest einen Schweißbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Bereich auf die zumindest zwei Bauteile aufgebracht wird und
• - für die emittierte Laserstrahlung reflektierend ausgebildete Spiegel, wobei an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück der Mehrzahl von Druckstücken jeweils zumindest ein Spiegel angeordnet ist, derart ausgerichtet werden, dass diese jeweils mittels der zumindest einen Laseroptik auf diese gerichtete Laserstrahlung in den zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück umgebenden Schweißbereich lenken.
• Mittels des vorliegenden Laserschweißverfahrens können durch Verwendung der jeweils an den Druckstücken angeordneten Spiegel Beschränkungen des Scanfelds der Laseroptik vermieden werden, da mittels der Spiegel die Laserstrahlung für sehr weite Bereiche ihres Austrittswinkels aus der Laseroptik sehr präzise in den Schweißbereichen innerhalb der Druckstücke positioniert werden kann. Somit können die Schweißverbindungen sehr präzise, mit hoher Wiederholgenauigkeit bei homogener und verbesserter Schweißqualität erzeugt werden. Dabei wird die Laseroptik insbesondere an einem Referenzpunkt positioniert, von dessen Ausgangslage die Laserstrahlung jeweils zu den einzelnen Spiegeln der Druckstücke ausgelenkt werden kann. Je weiter sich der jeweilige Schweißbereich vom Referenzpunkt entfernt befindet, desto größer werden Auslenkwinkel der Laserstrahlung aus der Laseroptik. Die Laserstrahlung mit unterschiedlichen Auslenkwinkeln kann in einfacher und zuverlässiger Weise durch Wahl einer Neigung des jeweiligen Spiegels am Druckstück mittels des Spiegels exakt zum gewünschten Schweißbereich geführt werden. Das Laserschweißverfahren ermöglicht somit eine signifikante Reduzierung von Prozesszeiten bei Fügeprozessen mit Laserstrahlschweißen durch Eleminieren von möglichen Abschattungen für die Laserstrahlung. Eine daraus resultierende Reduzierung einer Taktzeit ermöglicht eine signifikante Kostenreduktion. Das Laserschweißverfahren zeichnet sich dabei durch eine hohe Flexibilität gegenüber einer Vielzahl von Anwendungen aus und eignet sich besonders für Baugruppen mit sehr vielen Fügestellen, wie beispielsweise elektrischen Akkumulatoren mit vielen Kontaktierungsstellen, beispielsweise für Fahrzeuganwendungen. Hierbei ist das Laserschweißverfahren zu einer Verwendung bei einer Herstellung zumindest nahezu aller schweißbaren Verbindungen geeignet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung während einer Erzeugung von Schweißverbindungen an einer Bauteilanordnung,
• 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung während einer Erzeugung von Schweißverbindungen an einer Bauteilanordnung,
• 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung während einer Erzeugung von Schweißverbindungen an einer Bauteilanordnung,
• 4 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des zweiten Ausführungsbeispiels der Laserschweißvorrichtung gemäß 2 während einer Erzeugung einer Ergänzungs-Schweißverbindung an einer Bauteilanordnung,
• 5 schematisch eine Draufsicht einer Laserschweißvorrichtung während einer Erzeugung von Schweißverbindungen an einer Bauteilanordnung und
• 6 schematisch eine Draufsicht einer Laserschweißvorrichtung während einer Erzeugung von Schweißverbindungen an einer Bauteilanordnung.
• Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines ersten möglichen Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung 1 während einer Erzeugung von Schweißverbindungen S1 bis Sz an einer Bauteilanordnung 2 dargestellt.
• Die Bauteilanordnung 2 ist beispielsweise ein elektrischer Zellverbund mit mehreren Einzelzellen. Zur elektrischen Verschaltung der Einzelzellen miteinander werden beispielsweise als Zellpole ausgebildete Bauteile 3.1 bis 3.n mit beispielsweise als Zellverbinder ausgebildeten Bauteilen 4.1 bis 4.m mittels Schweißverbindungen S1 bis Sz miteinander elektrisch verbunden.
• Zur Erzeugung der Schweißverbindungen S1 bis Sz werden zunächst Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 auf die Bauteile 3.1 bis 3.n aufgesetzt, mittels welchen eine Druckkraft F auf die Bauteile 3.1 bis 3.n und die Bauteile 4.1 bis 4.m aufgebracht wird, damit diese zueinander lagerichtig fixiert sind und zwischen den Bauteilen 3.1 bis 3.n und den Bauteilen 4.1 bis 4.m ein technischer Nullspalt erzeugt wird.
• Die Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 sind beispielsweise zylindrisch oder hohlkegelförmig ausgebildet und umgeben so mit ihren Mantelflächen jeweils einen Schweißbereich, in welchem die jeweilige Schweißverbindung S1 bis Sz erzeugt werden soll, randseitig.
• Alternativ können die Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 auch andere geeignete Formen aufweisen.
• Zur Erzeugung der Schweißverbindungen S1 bis Sz wird Laserstrahlung LS in Form eines fokussierten Laserstrahls durch einen jeweiligen von den Mantelflächen begrenzten Hohlraum des jeweiligen Druckstücks 5.1 bis 5.y, 10 auf eine Bauteiloberfläche des jeweiligen Bauteils 3.1 bis 3.n geführt. Mittels der Laserstrahlung LS wird das Bauteil 3.1 bis 3.n vollständig durchdringend aufgeschmolzen. Das jeweils darunter befindliche weitere Bauteil 4.1 bis 4.m wird teilweise eindringend aufgeschmolzen, wobei nach einer Erstarrung der Schmelze die jeweilige Schweißverbindung S1 bis Sz hergestellt ist. Durch entsprechende Bewegung eines Auftreffpunkts der Laserstrahlung LS auf den Bauteiloberflächen kann eine gewünschte Schweißverbindungsgeometrie, beispielsweise eine Schweißnaht, erzeugt werden. Ein Mittelpunkt bzw. eine Mittelachse der jeweiligen Schweißverbindung S1 bis Sz weist dabei jeweils beidseitig einen definierten Abstand y₁, y₂ zu dem jeweiligen Druckstück 5.1 bis 5.y, 10 auf.
• Zu dieser Bewegung ist ein Laserscanner 8 mit einer Laseroptik 6 vorgesehen, welche mittels mehrerer optischer Elemente 6.1 bis 6.3 von einem Laseremitter 7 emittierte Laserstrahlung LS bündelt und in eine gewünschte Richtung ablenkt. Hierbei wird die Laseroptik 6 insbesondere an einem Referenzpunkt positioniert, von dessen Ausgangslage die Laserstrahlung LS jeweils zu jeweiligen Schweißbereich ausgelenkt werden kann. Dabei ist das optische Element 6.1 eine Fokuseinstelleinheit zur Einstellung einer Fokusverschiebung der Laserstrahlung LS und die optischen Elemente 6.2, 6.3 sind bewegliche Scannerspiegel zur Lenkung der Laserstrahlung LS in eine gewünschte Richtung. Eine Steuerung der Laseroptik 6 erfolgt insbesondere anhand von mittels einer beispielsweise kamerabasiert ausgebildeten Erfassungseinheit 9 erfassten Daten, anhand derer eine Erkennung und Referenzierung der jeweiligen Bauteiloberfläche, an welcher die Schweißverbindung S1 bis Sz erzeugt werden soll, erfolgt.
• In Abhängigkeit eines gewünschten Auftreffpunktes der Laserstrahlung LS auf der Bauteilanordnung 2 weist diese unterschiedliche Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ auf, wobei der Auslenkwinkel α₂, größer als der Auslenkwinkel α₁ und der Auslenkwinkel γ₂ größer als der Auslenkwinkel γ₁ ist. Eine maximale Größe der Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ ist dabei durch die Laseroptik 6 selbst und deren Eigenschaften begrenzt.
• Je weiter sich der jeweilige Schweißbereich vom Referenzpunkt der Laseroptik 6 entfernt befindet, desto größer werden die Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ der Laserstrahlung LS aus der Laseroptik 6. Mit wachsendem Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ wird einerseits verhindert, dass ein Querschnitt der Laserstrahlung LS am Auftreffpunkt über alle Schweißverbindungen S1 bis Sz gleichleibend eingestellt werden kann. Andererseits schirmen die Druckstücke 5.1 bis 5.y mit wachsendem Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ die Laserstrahlung LS zunehmend ab, so dass diese nicht mehr in den jeweiligen Schweißbereich im entsprechenden Druckstück 5.1 bis 5.y geführt werden kann.
• Um die Laserstrahlung LS mittels der Laseroptik 6 zumindest in Grenzen ohne Veränderung des Referenzpunkts der Laseroptik 6, das heißt ohne Veränderung einer relativen Position der Laseroptik 6 zu der Bauteilanordnung 2, durch die Hohlräume der Druckstücke 5.1 bis 5.y auf die jeweilige Bauteiloberfläche im zugehörigen Schweißbereich führen zu können, ist an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück 5.1 bis 5.y jeweils zumindest ein Spiegel 11.1 bis 11.y angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass dieser mittels der Laseroptik 6 auf diesen gerichtete Laserstrahlung LS in den von dem zugehörigen Druckstück 5.1 bis 5.y umgebenden Schweißbereich lenkt.
• Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Spiegel 11.1 bis 11.y zeichnen sich dabei durch eine unterschiedliche Neigung, insbesondere durch unterschiedliche Spiegelwinkel β₁, β₂, δ₁, δ₂ aus, wobei die Spiegelwinkel β₁, β₂, δ₁, δ₂ von den Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ abhängig sind. Dabei ist der Spiegelwinkel β₂, größer als der Spiegelwinkel β₁ und der Spiegelwinkel δ₂ größer als der Spiegelwinkel δ₁.
• Die Neigung der Spiegel 11.1 bis 11.y kann dabei fest vorgegeben sein oder mittels jeweils einer dem jeweiligen Spiegel 11.1 bis 11.y zugeordneten und nicht näher dargestellten Verstellvorrichtung um zumindest eine Achse verstellbar sein. Die Verstellvorrichtungen umfassen hierzu beispielsweise jeweils einen Servomotor.
• Um eine Belegung der Spiegel 11.1 bis 11.y und der Hohlräume der Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 mit bei Schweißprozess erzeugten Schweißemissionen zu vermeiden oder zumindest zu verringern, ist an jedem Druckstück 5.1 bis 5.y, 10 eine Absauganordnung 12.1 bis 12.y, 13 angeordnet, wobei die Absauganordnungen 12.1 bis 12.y, 13 jeweils ausgebildet sind, in dem zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück 5.1 bis 5.y, 10 zumindest abschnittsweise umgebenden Schweißbereich erzeugte Schweißemissionen abzusaugen. Beispielsweise sind die Absauganordnungen 12.1 bis 12.y, 13 jeweils als Absaugkanal ausgebildet und mit einer zur Erzeugung einer Absaugung ausgebildeten Absaugvorrichtung gekoppelt.
• 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten möglichen Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung 1 während einer Erzeugung von Schweißverbindungen S1 bis Sz an einer Bauteilanordnung 2.
• Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind alle Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 mittels einer Verbindungsanordnung 14, beispielsweise einem so genannten Niederhalter, mechanisch miteinander gekoppelt. Dabei sind die Druckstücke 5.1 bis 5.y, 10 jeweils mittels Federelementen 15 gefedert an der Verbindungsanordnung 14 gelagert.
• In 3 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines dritten möglichen Ausführungsbeispiels einer Laserschweißvorrichtung 1 während einer Erzeugung von Schweißverbindungen S1 bis Sz an einer Bauteilanordnung 2 dargestellt.
• Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel weist die Laserschweißvorrichtung 1 zusätzlich eine Weglängenerfassungseinheit 16 auf. Mittels der Weglängenerfassungseinheit 16 wird ein Messstrahl MS mittels eines weiteren optischen Elements 6.4 derart in die Laseroptik 6 emittiert, dass dieser gemeinsam mit der Laserstrahlung LS auf deren Auftreffpunkt geführt wird. Dabei arbeitet die Weglängenerfassungseinheit 16 insbesondere nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie und ermittelt aus empfangenen Messstrahldaten eine Weglänge L₀ bis L₂ zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik 6.
• Die Weglänge L₀ bis L₂ nimmt dabei mit wachsendem Auslenkwinkel α₁, α₂, γ₁, γ₂ zu.
• Die Weglängenerfassungseinheit 16 ist datentechnisch mit einer Steuereinheit 17 gekoppelt, welche in Abhängigkeit der ermittelten Weglänge L₀ bis L₂ das als Fokuseinstelleinheit ausgebildete optische Element 6.1 ansteuert, so dass dieses den Fokus der Laserstrahlung LS an deren Auftreffpunkt in Abhängigkeit der Weglänge L₀ bis L₂ zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik 6 automatisch derart einstellt, dass der Querschnitt der Laserstrahlung LS am Auftreffpunkt über alle Schweißverbindungen S1 bis Sz zumindest nahezu gleichleibend groß ist.
• 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des zweiten Ausführungsbeispiels der Laserschweißvorrichtung 1 gemäß 2 während einer Erzeugung einer Ergänzungs-Schweißverbindung Sz' an der Bauteilanordnung 2.
• Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind dabei nur die Bauteile 3.5, 4.5 und das Druckstück 5.y mit dem Spiegel 11.y dargestellt.
• Durch Einstellung des Spiegelwinkels β₂ kann die Laserstrahlung LS dabei derart in den Schweißbereich geführt werden, dass zusätzlich zur Schweißverbindung Sz die Ergänzungs-Schweißverbindung Sz' erzeugt wird.
• Hierzu wird ein Spiegelwinkel β₂' eingestellt, durch welchen der Auftreffpunkt der Laserstrahlung LS in einen Bereich neben der Schweißverbindung Sz geführt wird. Eine solche Ergänzungs-Schweißverbindung Sz' kann beispielsweise zur Erzeugung einer Zusatz-, Reparatur- und/oder Ersatz-Schweißverbindung erzeugt werden.
• Beispielsweise kann der in 3 gezeigte Messstrahl MS zu einer Ermittlung von Eigenschaften und daraus folgend Qualitätsmerkmalen der jeweiligen erzeugten Schweißverbindung S1 bis Sz verwendet werden. Wenn ein Qualitätsmangel einer erzeugten Schweißverbindung S1 bis Sz ermittelt wird, kann durch ein Nachschweißen der Schweißverbindung S1 bis Sz und/oder durch Erzeugung zumindest einer weiteren benachbarten Ergänzungs-Schweißverbindung Sz' mit geringem Zeitaufwand eine fehlerhafte Schweißverbindung S1 bis Sz repariert oder durch zumindest eine weitere Ergänzungs-Schweißverbindung Sz' ersetzt werden.
• 5 zeigt eine Draufsicht einer Laserschweißvorrichtung 1 während einer Erzeugung von Schweißverbindungen S1 bis Sz an einer Bauteilanordnung 2.
• Dabei wird die Laserstrahlung LS mittels der Laseroptik 6 und der zur Wahrung der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellten Spiegel 11.1 bis 11.y in die jeweiligen Schweißbereiche geführt. Dabei wird die Laseroptik 6 nicht bewegt und alle Schweißverbindungen S1 bis Sz werden im Scanfeld der Laseroptik 6 erzeugt.
• Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind weitere Komponenten der Laserschweißvorrichtung 1 nicht dargestellt und die Laserstrahlung LS ist nicht allen Positionen mit einem Bezugszeichen versehen.
• In 6 ist eine Draufsicht einer Laserschweißvorrichtung 1 während einer Erzeugung von Schweißverbindungen S1 bis Sz an einer Bauteilanordnung 2 dargestellt.
• Im Unterschied zur Darstellung in 5 weist die Bauteilanordnung 2 eine größere Anzahl von Bauteilen 3.1 bis 3.n auf.
• Zur Erzeugung der Schweißverbindungen S1 bis Sz wird die Laseroptik 6 nacheinander in verschiedenen Positionen, demnach an unterschiedlichen Referenzpunkten, relativ zur Bauteilanordnung 2 positioniert. Hierzu ist die Laseroptik 6 beispielsweise mit einer nicht näher dargestellten Positioniervorrichtung gekoppelt. An den verschiedenen Positionen werden Schweißverbindungen S1 bis Sz im Scanfeld der Laseroptik 6 erzeugt. Alternativ kann auch die Bauteilanordnung 2 relativ zur Laseroptik 6 bewegt werden.
• Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind auch hier die weiteren Komponenten der Laserschweißvorrichtung 1 nicht dargestellt und die Laserstrahlung LS ist nicht allen Positionen mit einem Bezugszeichen versehen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10 2020 133 035 A1 [0003]
• DE 10 2023 004 005 [0006]

Claims (10)

1. Laserschweißvorrichtung (1), ausgebildet zur Erzeugung mehrerer Schweißverbindungen (S1 bis Sz) zwischen zumindest zwei Bauteilen (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) in an unterschiedlichen Positionen einer Bauteilanordnung (2) angeordneten Schweißbereichen, mit einem Laserscanner (8), aufweisend - zumindest einen Laseremitter (7), ausgebildet zur Emission von Laserstrahlung (LS), und - zumindest eine Laseroptik (6), ausgebildet zur Lenkung und Fokussierung der emittierten Laserstrahlung (LS), gekennzeichnet durch - eine Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y), wobei jedes Druckstück (5.1 bis 5.y) dieser Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) ausgebildet ist, eine Druckkraft (F) in einem, zumindest einen Schweißbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Bereich auf die zumindest zwei Bauteile (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) aufzubringen, und - mehrere für die emittierte Laserstrahlung (LS) reflektierend ausgebildete Spiegel (11.1 bis 11.y), wobei an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück (5.1 bis 5.y) der Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) jeweils zumindest ein Spiegel (11.1 bis 11.y) angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass dieser mittels der zumindest einen Laseroptik (6) auf diesen gerichtete Laserstrahlung (LS) in den zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück (5.1 bis 5.y) umgebenden Schweißbereich lenkt.
2. Laserschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (11.1 bis 11.y) jeweils mit einer Verstellvorrichtung gekoppelt sind, wobei die jeweilige Verstellvorrichtung ausgebildet ist, den zugehörigen Spiegel (11.1 bis 11.y) in seiner Neigung um zumindest eine Achse automatisch zu verstellen.
3. Laserschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Laseroptik (6) mit einer Positioniervorrichtung gekoppelt ist, wobei die Positioniervorrichtung ausgebildet ist, die zumindest eine Laseroptik (6) in unterschiedliche Positionen relativ zu einer zum Halten der Bauteilanordnung (2) vorgesehenen Halteanordnung und/oder relativ zur Bauteilanordnung (2) zu bewegen.
4. Laserschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Laseroptik (6) eine Fokuseinstelleinheit aufweist, welche ausgebildet ist, eine Fokusverschiebung der Laserstrahlung (LS) an deren Auftreffpunkt in Abhängigkeit einer Weglänge (L₀ bis L₂) zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik (6) automatisch einzustellen.
5. Laserschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zumindest eine Weglängenerfassungseinheit (16), welche ausgebildet ist, - zumindest einen Messstrahl (MS) derart in die zumindest eine Laseroptik (6) zu emittieren, dass dieser gemeinsam mit der Laserstrahlung (LS) auf deren Auftreffpunkt geführt wird, und - aus empfangenen Messstrahldaten die Weglänge (L₀ bis L₂) zwischen dem Auftreffpunkt und der Laseroptik (6) zu bestimmen.
6. Laserschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Weglängenerfassungseinheit (16) ausgebildet ist, die Weglänge (L₀ bis L₂) mittels optischer Kohärenztomographie zu bestimmen.
7. Laserschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Druckstück (5.1 bis 5.y) der Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) eine Absauganordnung (12.1 bis 12.y) angeordnet ist, wobei die Absauganordnungen (12.1 bis 12.y) jeweils ausgebildet sind, in dem zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück (5.1 bis 5.y) zumindest abschnittsweise umgebenden Schweißbereich erzeugte Schweißemissionen abzusaugen.
8. Laserschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Teil der Druckstücke (5.1 bis 5.y) oder alle Druckstücke (5.1 bis 5.y) der Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) mittels einer Verbindungsanordnung (14) mechanisch miteinander gekoppelt ist/sind.
9. Laserschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstücke (5.1 bis 5.y) jeweils gefedert an der Verbindungsanordnung (14) gelagert sind.
10. Laserschweißverfahren zur Erzeugung mehrerer Schweißverbindungen (S1 bis Sz) zwischen zumindest zwei Bauteilen (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) in an unterschiedlichen Positionen einer Bauteilanordnung (2) angeordneten Schweißbereichen, wobei - mittels zumindest eines Laseremitters (7) Laserstrahlung (LS) emittiert wird und - mittels zumindest einer Laseroptik (6) die emittierte Laserstrahlung (LS) gelenkt und fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels einer Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) jeweils eine Druckkraft (F) in einem, zumindest einen Schweißbereich zumindest abschnittsweise umgebenden Bereich auf die zumindest zwei Bauteile (3.1 bis 3.n, 4.1 bis 4.m) aufgebracht wird und - für die emittierte Laserstrahlung (LS) reflektierend ausgebildete Spiegel (11.1 bis 11.y), wobei an jedem zum Laserscanner lateral versetzt angeordneten Druckstück (5.1 bis 5.y) der Mehrzahl von Druckstücken (5.1 bis 5.y) jeweils zumindest ein Spiegel (11.1 bis 11.y) angeordnet ist, derart ausgerichtet werden, dass diese jeweils mittels der zumindest einen Laseroptik (6) auf diese gerichtete Laserstrahlung (LS) in den zumindest einen von dem zugehörigen Druckstück (5.1 bis 5.y) umgebenden Schweißbereich lenken.

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