DE102021002040A1 - Welding device and method for joining a first workpiece to a second workpiece by laser welding - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schweißvorrichtung (30) zum Verbinden eines ersten Werkstücks (12) mit einem zweiten Werkstück (14) durch Laserschweißen. Die Schweißvorrichtung (30) ist dazu ausgebildet, die Werkstücke (12, 14) mit einem Laserstrahl (18) zu beaufschlagen und weist eine Ausgabeeinrichtung (22) eines optischen Kohärenztomographen (20) auf. Die Ausgabeeinrichtung (22) ist zum Ausgeben eines Messstrahls (32) des Kohärenztomographen (20) ausgebildet. Mittels des Messstrahls (32) ist eine Größe (28) eines während des Laserschweißens zwischen den Werkstücken (12, 14) ausgebildeten Spalts (26) erfassbar. Der Kohärenztomograph (20) weist wenigstens einen Umlenkspiegel (34) auf, welcher zum Umlenken des Messstrahls (32) ausgebildet ist. Mittels des wenigstens einen Umlenkspiegels (34) sind jeweilige Schmalseiten (36, 38) der zumindest bereichsweise miteinander überlappend angeordneten Werkstücke (12, 14) mit dem Messstrahl (32) beaufschlagbar. Zugleich ist eine Breitseite (40) eines der Werkstücke (12), welche an die Schmalseite (36) dieses Werkstücks (12) angrenzt, mit dem Laserstrahl (18) beaufschlagbar.The invention relates to a method and a welding device (30) for connecting a first workpiece (12) to a second workpiece (14) by laser welding. The welding device (30) is designed to apply a laser beam (18) to the workpieces (12, 14) and has an output device (22) of an optical coherence tomograph (20). The output device (22) is designed to output a measuring beam (32) of the coherence tomograph (20). A size (28) of a gap (26) formed between the workpieces (12, 14) during laser welding can be detected by means of the measuring beam (32). The coherence tomograph (20) has at least one deflecting mirror (34) which is designed to deflect the measuring beam (32). By means of the at least one deflecting mirror (34), the respective narrow sides (36, 38) of the workpieces (12, 14) arranged so as to overlap one another at least in regions can be acted upon by the measuring beam (32). At the same time, a broad side (40) of one of the workpieces (12), which adjoins the narrow side (36) of this workpiece (12), can be acted upon by the laser beam (18).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Laserschweißen. Die Schweißvorrichtung ist dazu ausgebildet, die Werkstücke mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen und weist eine Ausgabeeinrichtung eines optischen Kohärenztomographen auf. Die Ausgabeeinrichtung ist zum Ausgeben eines Messstrahls des Kohärenztomographen ausgebildet. Mittels des Messstrahls ist eine Größe eines während des Laserschweißens zwischen den Werkstücken ausgebildeten Spalts erfassbar. Der Kohärenztomograph weist einen Umlenkspiegel auf, welcher zum Umlenken des Messstrahls ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Laserschweißen mittels einer solchen Schweißvorrichtung.The invention relates to a welding device for joining a first workpiece to a second workpiece by laser welding. The welding device is designed to apply a laser beam to the workpieces and has an output device of an optical coherence tomograph. The output device is designed to output a measuring beam of the coherence tomograph. A size of a gap formed between the workpieces during laser welding can be detected by means of the measuring beam. The coherence tomograph has a deflecting mirror which is designed to deflect the measuring beam. The invention also relates to a method for connecting a first workpiece to a second workpiece by laser welding by means of such a welding device.
Die
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass bei dieser Vorrichtung die Möglichkeiten der Überwachung des Spalts oder Fügespalts vergleichsweise weit eingeschränkt sind.A disadvantage here is the fact that with this device the possibilities of monitoring the gap or joint gap are relatively limited.
Des Weiteren beschreibt die
Bei diesem Verfahren kann der Schweißvorgang nur während der Durchführung des Schweißens oder im unmittelbaren Anschluss an das Schweißen überwacht werden, da die Wärmebildkamera nur dann auswertbare Wärmebilder liefert.With this method, the welding process can only be monitored while welding is being carried out or immediately after welding, since the thermal imaging camera only then provides evaluable thermal images.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Überwachung des Spalts ermöglicht, und ein entsprechend verbessertes Verfahren anzugeben.The object of the present invention is to create a welding device of the type mentioned at the beginning, which enables improved monitoring of the gap, and to specify a correspondingly improved method.
Diese Aufgabe wird durch eine Schweißvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.This object is achieved by a welding device with the features of claim 1 and by a method with the features of claim 8. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent patent claims and in the following description.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Laserschweißen ist dazu ausgebildet, die Werkstücke mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen. Die Schweißvorrichtung weist eine Ausgabeeinrichtung eines optischen Kohärenztomographen auf, wobei die Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben eines Messstrahls des Kohärenztomographen ausgebildet ist. Mittels des Messstrahls ist eine Größe eines während des Laserschweißens zwischen den Werkstücken ausgebildeten Spalts erfassbar. Der Kohärenztomograph weist wenigstens einen Umlenkspiegel auf, welcher zum Umlenken des Messstrahls ausgebildet ist. Hierbei sind mittels des wenigstens einen Umlenkspiegels jeweilige Schmalseiten der zumindest bereichsweise miteinander überlappend angeordneten Werkstücke mit dem Messstrahl beaufschlagbar, wobei zugleich eine Breitseite eines der Werkstücke mit dem Laserstrahl beaufschlagbar ist. Die Breitseite grenzt an die Schmalseite dieses Werkstücks an, auf dessen Breitseite der Laserstrahl im Betrieb der Schweißvorrichtung auftrifft.The welding device according to the invention for connecting a first workpiece to a second workpiece by laser welding is designed to apply a laser beam to the workpieces. The welding device has an output device of an optical coherence tomograph, the output device being designed to output a measuring beam of the coherence tomograph. A size of a gap formed between the workpieces during laser welding can be detected by means of the measuring beam. The coherence tomograph has at least one deflection mirror which is designed to deflect the measuring beam. Here, by means of the at least one deflection mirror, the respective narrow sides of the workpieces arranged overlapping with one another at least in some areas can be acted upon by the measuring beam, with the laser beam being able to be applied to a broad side of one of the workpieces at the same time. The broad side adjoins the narrow side of this workpiece, on whose broad side the laser beam strikes when the welding device is in operation.
Mit anderen Worten ist der wenigstens eine Umlenkspiegel derart neben den zumindest bereichsweise miteinander überlappenden Werkstücken angeordnet, das mittels des wenigstens einen Umlenkspiegels der Messstrahl auf die Schmalseite oder Stirnseite des ersten Werkstücks, auf den Spalt und auf die Schmalseite oder Stirnseite des zweiten Werkstücks gerichtet werden kann. Es kann dadurch zum einen während des Laserschweißvorgangs selber die Größe des Spalts sehr gut überwacht werden.In other words, the at least one deflection mirror is arranged next to the at least partially overlapping workpieces that the measuring beam can be directed onto the narrow side or front side of the first workpiece, onto the gap and onto the narrow side or front side of the second workpiece by means of the at least one deflecting mirror . In this way, on the one hand, the size of the gap can be monitored very well during the laser welding process itself.
Des Weiteren ist es möglich, die Größe des Spalts oder Fügespalts zu überwachen, noch bevor der Laserschweißvorgang gestartet wird. Dies ermöglicht es wiederum, den Laserschweißvorgang an die Größe des Spalts oder Fügespalts anzupassen. Beispielsweise kann bei Vorliegen eines größeren oder breiteren Fügespalts ein Laserstrahl mit einer größeren Leistung auf die miteinander überlappenden Werkstücke gerichtet werden als dann, wenn der Fügespalt oder Spalt vergleichsweise schmal oder eng ist.It is also possible to monitor the size of the gap or joint gap before the laser welding process is started. This in turn makes it possible to adapt the laser welding process to the size of the gap or joint gap. For example, if a larger or wider joint gap is present, a laser beam with a greater power can be directed onto the mutually overlapping workpieces than if the joint gap or gap is comparatively narrow or narrow.
In vorteilhafter Weise ist es außerdem möglich, den Spalt nachzubearbeiten beziehungsweise zu verändern, bevor die Werkstücke mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden, etwa durch entsprechendes Ausrichten oder Neuausrichten der Werkstücke zueinander. Auf diese Weise kann insbesondere dafür gesorgt werden, dass der Fügespalt besonders schmal ist, wenn dies für den Schweißvorgang vorteilhaft ist. Letzteres ist beispielsweise dann der Fall, wenn Werkstücke in Form von Ableitern von als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten Batteriezellen mittels der Schweißvorrichtung miteinander verschweißt werden sollen.It is also advantageously possible to rework or change the gap before the workpieces are exposed to the laser beam, for example by aligning or realigning the workpieces accordingly to each other. In this way, it can be ensured in particular that the joint gap is particularly narrow if this is advantageous for the welding process. The latter is the case, for example, when workpieces in the form of arresters from battery cells designed as lithium-ion cells are to be welded to one another by means of the welding device.
Es kann jedoch auch sein, dass ein Spalt oder Fügespalt einer bestimmten Größe explizit erwünscht ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn verzinkte Werkstücke oder Bauteile miteinander durch Schweißen verbunden werden sollen. Denn dann dient der zwischen den Werkstücken ausgebildete Spalt oder Fügespalt als Entgasungsspalt.However, it can also be the case that a gap or joint gap of a certain size is explicitly desired. This is the case, for example, when galvanized workpieces or components are to be connected to one another by welding. Because then the gap or joint gap formed between the workpieces serves as a degassing gap.
In beiden Fällen ermöglicht es die Schweißvorrichtung vor dem eigentlichen Beginn des Laserschweißvorgangs den Spalt oder Fügespalt wie gewünscht einzustellen, um entweder eine nahezu spaltfreie Anordnung der Werkstücke aufeinander sicherzustellen oder den Fügespalt der gewünschten Größe bereitzustellen.In both cases, the welding device enables the gap or joint gap to be set as desired before the actual start of the laser welding process in order either to ensure an almost gap-free arrangement of the workpieces on top of one another or to provide the joint gap of the desired size.
Dies liegt daran, dass mittels des den wenigstens einen Umlenkspiegel aufweisenden Kohärenztomographen eine verbesserte Überwachung des Spalts vorgenommen werden kann. Der wenigstens eine Umlenkspiegel ermöglicht eine besonders präzise Erfassung der Größe des Spalts, da der von dem wenigstens einen Umlenkspiegel umgelenkte Messstrahl auf die Schmalseiten der miteinander überlappenden Werkstücke gerichtet wird.This is due to the fact that an improved monitoring of the gap can be carried out by means of the coherence tomograph having the at least one deflection mirror. The at least one deflection mirror enables particularly precise detection of the size of the gap, since the measuring beam deflected by the at least one deflection mirror is directed onto the narrow sides of the workpieces that overlap with one another.
Mittels der Schweißvorrichtung kann daher in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein Ausschuss an durch das Laserschweißen miteinander verbundenen Werkstücken besonders weitgehend reduziert ist.By means of the welding device it can therefore be achieved in an advantageous manner that rejects of workpieces connected to one another by laser welding are particularly largely reduced.
Des Weiteren können Trends sehr schnell und einfach erkannt werden, etwa indem die Größe jeweiliger Spalte oder Fügespalte beim Verbinden jeweiliger Bauteile oder Werkstücke über eine Mehrzahl von nacheinander an den jeweiligen Werkstücken durchgeführten Laserschweißvorgängen hinweg überwacht wird. Auf diese Weise kann auf derartige Trends sehr rasch reagiert werden, und insbesondere kann korrigierend eingegriffen werden.Furthermore, trends can be recognized very quickly and easily, for example by monitoring the size of the respective gaps or joint gaps when connecting respective components or workpieces over a plurality of laser welding processes carried out one after the other on the respective workpieces. In this way it is possible to react very quickly to such trends and, in particular, corrective action can be taken.
Wenn sich beispielsweise herausstellt, dass bei nacheinander vorgenommenen Laserschweißvorgängen zunehmend größere Spalte zwischen den bei jedem einzelnen der Laserschweißvorgänge miteinander verbundenen Werkstücken oder Fügepartnern auftreten, so kann daraus etwa abgeleitet werden, dass sich eine Ausrichtung der Werkstücke zueinander bei der Vorbereitung des jeweiligen Laserschweißvorgangs zunehmend verschlechtert. Dies kann mittels der Schweißvorrichtung sehr rasch erkannt werden, sodass eine Korrektur oder Nachkorrektur vorgenommen werden kann.If, for example, it turns out that when laser welding processes are carried out one after the other, increasingly larger gaps occur between the workpieces or joining partners connected to one another in each of the laser welding processes, it can be deduced from this that an alignment of the workpieces with respect to one another is increasingly deteriorating in the preparation of the respective laser welding process. This can be recognized very quickly by means of the welding device, so that a correction or post-correction can be made.
Die Ausgabeeinrichtung kann als Scaneinrichtung beziehungsweise Scanner oder OCT-Scanner ausgebildet sein, welcher an der Schweißvorrichtung angebracht, beispielsweise angeflanscht ist.The output device can be designed as a scanning device or scanner or OCT scanner which is attached, for example flanged, to the welding device.
Der OCT-Scanner kann über einen Lichtleiter das OCT-Messsignal erhalten, welches dann als der Messstrahl auf die Schmalseiten der Werkstücke gerichtet wird. Weitere Komponenten des optischen Kohärenztomographen wie etwa eine Sensoreinrichtung mit einem Referenzarm, einem Spektrometer und dergleichen sowie ein Steuergerät zur Steuerung der Komponenten des Kohärenztomographen können sich an einem anderen Ort befinden als die Schweißvorrichtung und insbesondere sogar in einem anderen Raum untergebracht sein als die Schweißvorrichtung. Beispielsweise kann die Ausgabeeinrichtung über den Lichtleiter mit einer Messstrahlquelle des Kohärenztomographen verbunden sein, welche ebenso wie die Sensoreinrichtung und das Steuergerät in einem Schaltschrank oder dergleichen untergebracht sein können.The OCT scanner can receive the OCT measurement signal via a light guide, which is then directed as the measurement beam onto the narrow sides of the workpieces. Further components of the optical coherence tomograph such as a sensor device with a reference arm, a spectrometer and the like as well as a control device for controlling the components of the coherence tomograph can be located at a different location than the welding device and in particular even in a different room than the welding device. For example, the output device can be connected via the light guide to a measuring beam source of the coherence tomograph which, like the sensor device and the control device, can be accommodated in a switch cabinet or the like.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Laserschweißen mittels einer Schweißvorrichtung werden die Werkstücke mit einem von der Schweißvorrichtung bereitgestellten Laserstrahl beaufschlagt. Eine Ausgabeeinrichtung eines optischen Kohärenztomographen gibt einen Messstrahl aus. Mittels des Messstrahls wird eine Größe eines während des Laserschweißens zwischen den Werkstücken ausgebildeten Spalts erfasst. Der Kohärenztomograph weist wenigstens einen Umlenkspiegel auf, welcher den Messstrahl umlenkt. Hierbei werden mittels des wenigstens einen Umlenkspiegels jeweilige Schmalseiten der zumindest bereichsweise miteinander überlappenden Werkstücke mit dem Messstrahl beaufschlagt. Anschließend und/oder zugleich wird eine Breitseite eines der Werkstücke, welche an die Schmalseite dieses Werkstücks angrenzt, mit dem Laserstrahl beaufschlagt.In the method according to the invention for connecting a first workpiece to a second workpiece by laser welding by means of a welding device, the workpieces are acted upon by a laser beam provided by the welding device. An output device of an optical coherence tomograph outputs a measuring beam. A size of a gap formed between the workpieces during laser welding is recorded by means of the measuring beam. The coherence tomograph has at least one deflecting mirror which deflects the measuring beam. In this case, by means of the at least one deflection mirror, the respective narrow sides of the workpieces which at least regionally overlap with one another are acted upon by the measuring beam. Subsequently and / or at the same time, a broad side of one of the workpieces, which adjoins the narrow side of this workpiece, is acted upon by the laser beam.
Es kann also insbesondere mittels des Messstrahls der Spalt oder Fügespalt überwacht werden, bevor die Werkstücke mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden. Das Überwachen kann in vorteilhafter Weise auch fortgesetzt werden, während der Laserstrahl die Werkstücke durch das Laserschweißen verbindet.The gap or joint gap can therefore be monitored in particular by means of the measuring beam before the workpieces are exposed to the laser beam. The monitoring can also be continued in an advantageous manner while the laser beam connects the workpieces by means of the laser welding.
Die für die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the welding device according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and on the basis of the drawing (s). The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave.
Dabei zeigen:
-
1 stark schematisiert das Verbinden zweier miteinander überlappender Werkstücke miteinander durch Laserschweißen mittels einer ersten Schweißvorrichtung; und -
2 das Verbinden der beiden Werkstücke miteinander mittels einer verbesserten Schweißvorrichtung, wobei ein Umlenkspiegel einen Messstrahl auf Schmalseiten beziehungsweise Stirnseiten der Werkstücke lenkt, während der Laserstrahl auf eine Breitseite des in2 oberen Werkstücks auftrifft; und -
3 stark schematisiert ein zweidimensionales Bild, welches sich beim Abtasten der Schmalseiten der Werkstücke gemäß2 entlang einer Scanlinie ergibt.
-
1 highly schematized the joining of two overlapping workpieces to one another by laser welding by means of a first welding device; and -
2 connecting the two workpieces to one another by means of an improved welding device, a deflection mirror directing a measuring beam onto narrow sides or front sides of the workpieces, while the laser beam onto a broad side of the in2 hits the upper workpiece; and -
3rd highly schematized a two-dimensional image, which is shown when the narrow sides of the workpieces are scanned2 results along a scan line.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
In
Die Schweißvorrichtung
Die Funktionsweisen eines optischen Kohärenztomographen beziehungsweise das Verfahren der optischen Kohärenztomographie (OCT = optical coherence tomography) ist an sich bekannt und beispielsweise in der
Die optische Kohärenztomographie basiert auf dem Grundprinzip einer Interferenz von Lichtwellen. Hierbei wird ein mittels einer (nicht gezeigten) Messstrahlquelle des Kohärenztomographen
Der (nicht gezeigte) optische Referenzstrahl durchläuft einen (nicht gezeigten) Referenzarm und wird an einem Ende des Referenzarms zumindest teilweise reflektiert. Der reflektierte optische Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Eine Überlagerung des reflektierten optischen Messstrahls
Wie aus
Bei der in
Eine Überwachung der Größe
Es gibt jedoch auch viele Laserschweißprozesse, bei denen nach Möglichkeit eine spaltfreie Fügeverbindung erreicht werden soll, um einen stabilen und gut reproduzierbaren Schweißprozess zu ermöglichen. Dies gilt beispielsweise, wenn es sich bei den vorliegend beispielhaft gezeigten Werkstücken
Beispielsweise bei der Verschweißung von Ableitern der Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie sind jedoch die Taktzeiten sehr kurz. Daher ist es wünschenswert, wenn eine sehr rasche Inline-Erkennung der Größe
Aus
In
Bei der in
Der Umlenkspiegel
Dementsprechend werden im Betrieb der Schweißvorrichtung
Demgegenüber trifft der Laserstrahl
Die mit dem OCT-System beziehungsweise mit dem Kohärenztomographen
Der Messstrahl
Dementsprechend kann die Größe
Vorliegend ist der Kohärenztomograph
Indem die Kanten und die Stirnseiten
Durch das Abscannen oder Abtasten der Schmalseiten
In dem zweidimensionalen Bild
In vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise kann der Kohärenztomograph
Beispielsweise können jeweilige Umlenkspiegel
Vorzugsweise ist der vorliegend lediglich schematisch gezeigte Umlenkspiegel
Des Weiteren ist es möglich, als den wenigstens einen Umlenkspiegel
Wie vorstehend erläutert kann mittels des OCT-Scanners beziehungsweise der Ausgabeeinrichtung
Der Spalt
Auch dies hat zur Folge, dass der Messstrahl
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie auf besonders einfache Art und Weise die Messung der Größe
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- SchweißvorrichtungWelding device
- 1212th
- Werkstückworkpiece
- 1414th
- Werkstückworkpiece
- 1616
- LaserschweißoptikLaser welding optics
- 1818th
- Laserstrahllaser beam
- 2020th
- KohärenztomographCoherence tomograph
- 2222nd
- AusgabeeinrichtungOutput device
- 2424
- MessstrahlMeasuring beam
- 2626th
- Spaltgap
- 2828
- Größesize
- 3030th
- SchweißvorrichtungWelding device
- 3232
- MessstrahlMeasuring beam
- 3434
- UmlenkspiegelDeflection mirror
- 3636
- SchmalseiteNarrow side
- 3838
- SchmalseiteNarrow side
- 4040
- BreitseiteBroadside
- 4242
- ScanlinieScan line
- 4444
- Bildpicture
- 4646
- Linieline
- 4848
- Dickethickness
- 5050
- Linieline
- 5252
- Dickethickness
- 5454
- DoppelpfeilDouble arrow
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016010508 A1 [0002, 0028]DE 102016010508 A1 [0002, 0028]
- DE 102013112244 B4 [0004]DE 102013112244 B4 [0004]
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