用于真空激光焊接至少两部分式的工件的方法与流程

本发明涉及一种用于激光焊接至少两部分式的工件的方法。本发明还涉及一种用于激光焊接至少两部分式的工件的系统。

背景技术：

例如由de202011051331u1已知一种用于激光焊接由两个部分组成的工件的系统。

在制造金属结构、特别是工件时，经常需要将多个金属部件互相焊接。焊接提供了非常牢固且持久的连接。

焊缝可以由工人手动设置，工人用手动焊接设备、例如用气体火焰加热要焊接的表面区域并将要连接的部件压到一起。但在手动焊接时用手动焊接设备加热的表面区域通常较大并且难以控制。

为了能够更精确且更有控制地设置焊接部，已知借助电子束进行焊接。这里，电子束由电子枪通过真空传播到要焊接的工件。电子束可以在非常小的表面区域内加热工件。

为了进行电子束焊接，通常通过一道门将工件送入真空室；然而，在工件更换之后需要很长时间才能将真空室的较大体积抽真空。

从德国普拉内格的公司pro-beamag&co.kgaa的标题为“elektronenstrahlschweiβengrundlageeinerfaszinerendentechnik”的公司出版物中的第6.2.2节“taktmaschine”中已知，在旋转保持器上建立两个工件支架，这两个工件支架用于装载位置和工作位置。在工作位置中，可以将带有已装载的工件的工件支架向真空室向下敞开的壳体移动靠近，从而可以密封壳体并对其进行抽真空。然后，可以进行电子束焊接。在这种构造中，真空室可以较小地构成。

然而，用于电子束焊接的电子枪较为昂贵并且容易由于空气进入而受到损坏。

此外，可以借助激光束进行工件的焊接。借助激光束同样可以设置非常精确且能良好控制的焊接部。而且，激光器比较结实且成本低。

由de202011051331u1已知一种具有激光焊接站的圆台机床，其中，利用操作装置从圆形工作台取出带有由两部分组成的工件的盆形工件托盘并且从下方使其移动接近壳体的接纳口。在壳体中设置激光器，并且该壳体连同移入的工件托盘对激光器的光不透光地密封激光加工空间。用激光器加工工件。在壳体中设置焊接护罩，该焊接护罩集成到焊接护罩盒中并覆盖工件，以便在激光加工时保护工件不受污染。为了用激光束扫描工件，可以通过所述操作装置旋转工件托盘。

技术实现要素：

本发明的任务是，介绍一种用于激光加工至少两部分式的工件的方法，用该方法能以较短的辅助时间完成高质量的激光加工。

上述任务通过一种用于真空激光焊接一个至少两部分式的工件的方法来实现，该方法包括以下步骤：

a)将所述工件或设有所述工件的工件支架以及焊接护罩相对地相向移动并彼此压紧，使得由所述工件和/或所述工件支架、所述焊接护罩和焊接护罩容纳框包围并气密地密封焊接室，所述焊接护罩能够旋转地支承在所述焊接护罩容纳框中；

b)对所述焊接室抽真空；

c)用激光束焊接所述工件的至少两个工件部分之间的、处于焊接室中的真空中的环形的连接区域，其中所述激光束传播通过所述焊接室，并且使所述工件或所述工件支架连同所述工件以及所述焊接护罩相对于所述焊接护罩容纳框旋转；

d)对所述焊接室进行通风；

e)使所述工件或设有所述工件的所述工件支架以及所述焊接护罩远离彼此地相对移动。

利用根据本发明的方法，可以在工件的两个部分的应焊接的环形连接区域周围以简单且快速的方式建立真空。为此，通过工件和/或工件支架以及通过焊接护罩和焊接护罩容纳框建立了焊接室。焊接室的密封通过使工件或工件支架移动靠近焊接护罩来实现。利用这种几何结构，焊接室仅需要非常小的能够快速抽真空的空间。

在真空中(优选最大为100毫巴，通常在大约10毫巴的低压范围内)可以以高质量完成激光焊接。一方面，在真空焊接时只产生少量的金属焊珠和飞溅物；几乎不形成炭黑。另一方面，可以避免在焊缝处发生氧化过程或至少限制氧化过程。

根据本发明，焊接护罩能够旋转地支承在焊接护罩容纳框中。由此，焊接护罩可以与已安放的工件或已安放的工件架一起旋转。这明显有助于焊接护罩与已安放的工件或已安放的工件架之间的密封，因为在旋转运动期间这些构件没有相对运动。此外，在旋转运动期间也同样比较容易在焊接护罩容纳框中建立对焊接护罩的密封，因为焊接护罩可以持续地保持固定在焊接护罩容纳框中。

焊接护罩保护工件和/或焊接室的内部和/或环境免受由于激光焊接造成的污染。焊接护罩容纳框通常构成为静止的(也就是说不会为了工件加工而移动和旋转)。工件至少部分地、优选完全地由金属、特别是钢构成。在这种方法的范围内焊接的常见工件为齿轮和变速器等带齿的工件。

在根据本发明的方法的一个有利的变型方案中，在所述焊接护罩容纳框上构成入射窗，通过该入射窗在步骤c)中将所述激光束入射到所述焊接室中。此时可以远离焊接眼镜支座产生激光束，并且焊接室可以特别紧凑地构成。

这样的变型方案是优选的，其中所述焊接护罩容纳框在整个方法期间是位置固定的，并且在步骤a)中使所述工件或所述工件支架向所述焊接护罩移动靠近，并且在步骤e)中使所述工件或所述工件支架从所述焊接护罩移动离开。这便于经由焊接护罩容纳框进入焊接室，特别是在激光束的入射和焊接室的抽真空方面提供便利。此外，工件或工件支架的可以移动性也可以用于工件交换。

这种变型方案的一个有利的改进方案中设定，在步骤a)之前，借助活动的工作台，特别是圆形工作台，将所述工件或所述工件支架移动到所述焊接护罩容纳框下方，并且在步骤a)期间，将所述工件或所述工件支架从所述活动的工作台取下，并且在步骤e)期间将所述工件或所述工件支架放置在所述活动的工作台上，并且在步骤e)之后借助所述活动的工作台使所述工件或所述工件支架从所述焊接护罩容纳框移动离开。所述活动的工作台、特别是圆形工作台使得能快速更换要焊接的工件。可以通过独立的(独立于活动的工作台的)操作装置实现取出，这降低了构造上的花费。此外，通过取出操作可以补偿活动的工作台的定位不精确性。

在一个同样有利的变型方案中，在步骤c)期间持续地在所述焊接室上进行抽吸，特别是以恒定的泵功率进行抽吸，并且持续地，特别是以恒定的气流，将气体引入到所述焊接室中。通过这种处理方式可以建立对于期望的激光加工特别适合的确定的气体压力。通过焊接室中的(弱)气流可以将污染物从焊接位置(激光命中点)运走，并且可以减少焊接室中的沉积物。所述气体可以例如为氮气或惰性气体；在一些应用场合，也可以考虑将大气作为该气体。优选在步骤c)期间，在焊接室中保持恒定的压力，通常为5-20毫巴。如果需要的话，可以为此持续测量焊接室中的气体压力并调节引入的气流；但是在多数情况下，有固定设置的引入的气流就足够了。

在这种变型方案的一个有利的改进方案中设定，在所述焊接护罩容纳框中构成基本上直的激光通道，在步骤c)中所述激光束在该激光通道中传播，并且该激光通道朝所述激光束在所述连接区域上的命中点变窄，其中在步骤c)中在所述激光通道远离所述连接区域的部段中引入所述气体，并且在所述焊接护罩容纳框中构成基本上直的抽吸通道，该抽吸通道至少大致朝所述激光束的命中点定向，特别是所述抽吸通道远离所述命中点变宽，并且在步骤c)中在所述抽吸通道背向所述连接区域的端部上进行泵吸。由此，可以在激光束的命中点上方建立均匀的(层状的)弱气流，从而改善工件加工的质量。这里，变窄的激光通道产生喷嘴效果，必要时，变宽的抽吸通道也产生喷嘴效果，通过这种喷嘴效果，气体原子或气体分子在激光命中点的区域中特别快速地流动。靠近激光命中点的变窄的激光通道还使激光通道的污染最小化，特别是使激光通道端部上的入射窗的污染最小化。

根据本发明的用于激光焊接的系统

一种用于激光焊接一个至少两部分式的工件的系统也落入本发明的范围内，该系统包括：

-所述工件或用于所述工件的工件支架，

-焊接护罩容纳框，以及

-焊接护罩，所述焊接护罩带有用于所述工件和/或所述工件支架的底座，

其特征在于，

所述焊接护罩能绕旋转轴旋转地支承在所述焊接护罩容纳框上，

在所述焊接护罩或所述焊接护罩容纳框上设置环绕的第一密封件，

并且在所述焊接护罩或所述工件支架上设置环绕的第二密封件，

使得在所述工件和/或所述工件支架贴靠在所述焊接护罩的底座上时形成气密的焊接室，通过所述焊接护罩、所述焊接护罩容纳框和所述工件和/或所述工件支架限定该焊接室，

其中所述第一密封件相对于所述焊接护罩密封所述焊接护罩容纳框，并且所述第二密封件相对于所述工件和/或所述工件支架密封所述焊接护罩，

并且在所述焊接护罩容纳框中构成抽吸通道，通过该抽吸通道能够对所述焊接室抽真空。利用该系统可以简单地建立紧凑的并因此能够快速抽真空的焊接室。由于焊接护罩在焊接护罩容纳框中的可旋转性，为了开始形成工件上的焊缝，可以将贴靠的工件或贴靠的工件支架连同焊接护罩相对于焊接护罩容纳框旋转，这便于通过第一和第二密封件密封焊接室。在真空下可以制成特别高质量的焊缝。根据本发明的系统特别是设置成用于实施上述根据本发明的方法或其变型之一。

根据本发明的系统的一个有利的实施形式中还存在连接到所述抽吸通道上的真空泵。通过该真空泵可以在将工件和/或工件支架安放到底座上之后对焊接室抽真空，并且如果希望的话，也可以激光加工期间继续在工件上泵吸，特别是为了在工件上的激光命中点上方建立(弱)气流。

在一个实施形式中有利地设有排气阀，利用该排气阀能给所述焊接室通风，特别是所述排气阀设置在连接在所述抽吸通道上并通向真空泵的连接管道上。用所述排气阀可以在激光加工后简单且快速地在焊接室中建立环境压力(通常约为1巴)，以便能够实现将工件或工件支架从底座上收回。

在一个有利的实施形式中设定，在所述焊接护罩容纳框上构成能沿所述旋转轴da移动的滑架，该滑架通过弹簧力预紧到移动离开焊接护罩容纳框的其余部分的位置中，在所述滑架上设置贴靠元件，用于贴靠在所述工件上，所述贴靠元件能绕所述旋转轴da旋转地支承在所述滑架上，并且在所述贴靠元件上设置环绕的第三密封件，在工件贴靠在所述贴靠元件上时，用所述第三密封件能够密封所述工件的孔。由此，即使在工件具有孔的情况下也可以建立特别紧凑的焊接室。在孔朝向焊接护罩容纳框的端部上通过滑架实现对孔的密封，从而不必将整个工件容纳到焊接室中。可以视为焊接护罩容纳框的一部分的滑架和贴靠元件在焊接室中能够移动或者参与限定焊接室。

同样有利的是，在另一个实施形式中，在所述焊接护罩容纳框上构成用于激光束的入射窗，特别是在突出于焊接护罩容纳框的其余部分的入射窗容纳部的外端上构成所述入射窗。通常将一个光导纤维的前端设置在入射窗之前，该光导纤维将连接光导纤维后端的激光器的激光束通过焊接光学器件射入入射窗中。激光器优选为固体激光器(二极管激光器)。

在一个优选的实施形式中设定，在所述焊接护罩容纳框中构成基本上直的激光通道，用于激光束的传播，所述激光通道朝要焊接的工件变窄，在所述激光通道背向要焊接的工件的部段上设置用于气体的入口，抽吸通道至少大致朝所述激光束在要焊接的工件上的命中点定向，此外，所述激光通道也朝所述激光束在要焊接的所述工件上的命中点定向，并且所述抽吸通道构成为基本上直的，特别是所述抽吸通道远离要焊接的工件变宽。由此，可以在激光束的命中点上方建立均匀的(层状的)弱气流，从而改善工件加工的质量。这里，变窄的激光通道产生喷嘴效果，必要的话，变宽的抽吸通道也产生喷嘴效果，通过这种喷嘴效果，气体原子或气体分子在激光命中点的区域中特别快速地流动。靠近激光命中点的变窄的激光通道还使激光通道的污染最小化，特别是使激光通道端部上的入射窗的污染最小化。

有利的是，在这个实施形式的一个改进方案中，所所述抽吸通道和所述激光通道以其朝向所述激光束的命中点的端部通入到所述焊接室的主空间中，各端部的中心距离小于或等于所述主空间的内径的2/3，优选小于或等于所述内径的1/2。由于激光通道和抽吸通道的端部较近地相邻，气流被限制在一个狭窄的空间上，由此，气体原子或气体分子的流速保持较高，并且可以实现特别好地从焊缝运走污物。

特别有利的是，在一个实施形式中，所述焊接室的体积为5升或小于5升，优选为3升或小于3升，特别是在0.2升至2.5升之间。具有这种体积的焊接室可以在工件更换之后特别快速地抽真空或者被泵吸到对于激光加工希望的压力。

同样有利的是，在一个实施形式中，所述焊接护罩构造成具有环形的壁，其中第一端侧开口由所述焊接护罩容纳框覆盖，而由所述底座限定的第二端侧开口能由所述工件和/或所述工件支架覆盖。这种几何结构特别适于将焊接护罩能够旋转地支承在焊接护罩容纳框中，并且适于形成气密或真空密封的焊接室。工件可以良好地伸入到环形的壁的高度范围内。

此外，根据本发明的上述系统在根据本发明的上述方法中的应用也落入本发明的范围内。

本发明其他的优点由说明书和附图得出。根据本发明，以上所述的及以下还要详细说明的特征可以分别单独地应用或者以多个特征的任意组合应用。所示出和描述的实施形式不应理解为穷尽的列举，而是具有用于说明本发明的示例性特征。

附图说明

在附图中示出本发明并借助实施例进一步阐述本发明。图中示出：

图1a以横向剖视图示出根据本发明的用于激光焊接的系统的第一实施形式的示意图，其中工件被轴向焊接并且工件参与密封焊接室；

图1b以示意性透视的剖视图示出图1a的系统；

图1c以示意性横向剖视图示出图1a的系统，其中工件被撤回；

图2a示出根据本发明的用于激光焊接的系统的第二实施形式的示意图，其中工件被轴向焊接并且工件支架参与密封焊接室；

图2b以示意性透视的剖视图示出图2a的系统；

图2c以示意性横向剖视图示出图2a的系统，其中工件支架被撤回；

图3a示出根据本发明的用于激光焊接的系统的第三实施形式的示意图，其中工件被径向焊接，并且工件支架参与密封焊接室；

图3b以示意性透视的剖视图示出图3a的系统；

图3c以示意性横向剖视图示出图3a的系统，其中工件支架被撤回；

图4a至4f示出根据本发明的用于工件的真空激光焊接的方法的示例性变型方案的示意性流程图。

具体实施方式

图1a至1c示出根据本发明的用于激光焊接由多部分组成的工件2的系统1的第一实施形式。

特别是从图1a可以看出，在该实施形式中，系统1包括由两部分组成的工件2，其具有钻孔的内部部件2a和环形的外部部件2b，该系统还包括焊接护罩3和焊接护罩容纳框4。

焊接护罩3在上部3a上通过支承件5能绕旋转轴da旋转地支承在焊接护罩容纳框4中。在焊接护罩容纳框4上，在向下突出的内部部分上在外侧构成环绕的第一密封件10，第一密封件即使在焊接护罩3旋转时也在焊接护罩容纳框4和焊接护罩3之间在下部3b气密地密封。焊接护罩3的上部3a和下部3b持久地彼此固定连接。

此外，在焊接护罩容纳框4上构成滑架6，其沿着所述旋转轴da在其余焊接护罩容纳框4上能够移动。滑架6通过弹簧7预紧到图1a中向下抽出的位置。贴靠元件8通过另一个轴承9固定在滑架6上，其中，贴靠元件8在滑架6上又能够围绕旋转轴da旋转。

在焊接护罩3的下侧上构成底座12，用于贴靠工件2。在底座12上构成环绕的第二密封件13，所述第二密封件在工件2和焊接护罩3之间气密地密封。

此外，在贴靠元件8的下侧上构成环绕的第三密封件14，所述第三密封件在工件2绕其孔15的区域内和贴靠元件8之间气密地密封。

通过工件2、焊接护罩3和焊接护罩容纳框4限定焊接室11。这里焊接护罩容纳框4搭接焊接护罩3的径向壁24上部的第一端侧开口22，而工件2搭接径向壁24下部的第二端侧开口23。

基本上直的激光通道16通过焊接护罩容纳框4通入焊接室11中，所述激光通道在其下部中向下变窄。在所示的实施形式中，激光通道16在上部中在入射窗容纳部17a中延伸，所述入射窗容纳部向上突出于焊接护罩容纳框4的其余部分，并且在上方终止于入射窗17。在这里，激光束可以通过入射窗17平行于旋转轴da射入激光通道16，以便由此焊接两个工件2a、2b的环形连接区域18(也见图1b)。在入射窗17上，这里在朝向激光通道16的一侧上设有保护玻璃19，所述保护玻璃在污染时能够容易地更换。此外，在激光通道16的上端的区域中设有入口(吹扫气体入口)20，在这里氮气可以通过该入口从(未详细示出)的储存容器、例如压缩气体瓶以恒定的弱流进入激光通道16。

此外，抽吸通道21通过焊接护罩容纳框4引入到焊接室11中，焊接室11可以通过该抽吸通道21例如利用旋转滑阀泵(未示出)，抽真空，所述旋转滑阀泵通过优选柔性的连接管道45连接。

激光通道16和抽吸通道21在靠近焊接室的下部中直线延伸，并且都对准激光束在工件2的表面上(虚线勾画出的)命中点ap，也就是说，对准环形的连接区域18上的一个位置，特别是参见图1b。

从激光通道16和抽吸通道21进入(主要通过焊接护罩3径向限定的)焊接室11的主空间中11a的通入口具有中心距mab，在垂直于旋转轴da的平面内测量，该中心距约为主空间11a的内径idm的1/2。

要注意的是，图1b中关于焊接护罩容纳框4的剖视图是阶梯状的，使得图中右侧部分的焊接护罩容纳框4相对于焊接护罩3和工件2突出。

为了激光加工工件2，从图1c所示的隔开的位置出发使工件移动靠近焊接护罩3，以便密封焊接室11。当工件2尚未到达时，也可以看出，由于滑架6移出的位置，贴靠元件8相对于底座12稍微突出。

图2a至2c示出根据本发明的用于激光焊接的系统1的第二实施例形式，它类似于图1a至1c所示的第一实施形式。下文中只说明主要区别。

由两个部分组成的工件2具有内工件部分2a和外工件部分2b，这里，所述工件设置在近似盆状的工件支架25上并以未详细示出的方式固定在工件支架25上。为了关闭焊接室11，工件载体25向焊接护罩3的底座12移动，使得环绕的第二密封件13在这里在工件支架25和焊接护罩3之间密封。为了加工工件，带有工件2的工件支架25和焊接护罩3关于旋转轴da相对于静止的焊接护罩容纳框4旋转。要注意的是，可以建立工件支架25和焊接护罩3的相互嵌接，以确保焊接护罩3与工件支架25一起旋转；但是在大多数情况下，通过贴靠实现的力锁合就足够了。

在所示的第二实施方式中，工件2没有钻孔；贴靠元件8在这里仅用于将工件2附加地固定在工件支架25上。然而，由于工件支架25的包围，工件2在这里也可以毫无困难地加工为各种形式的通道、凹槽、突起和斜面。

图3a至3c示出根据本发明的用于激光焊接系统1的第三种实施形式，它类似于图1a至1c所示的第一实施形式。下面只说明主要区别。

在该实施形式中，具有钻孔的内部工件部分2a和外部工件部分2b的由两个部分组成的工件2也保持在工件支架25上，特别是参见图3a和3b。能绕旋转轴da旋转地支承在焊接护罩容纳框4中的焊接护罩3构成底座12，并且环绕的第二密封件13相对于焊接护罩3密封工件支架25。

激光通道16在这里垂直于旋转轴da延伸，使得在工件2上径向在外部延伸的环绕的连接区域18中，可以用通过入射窗17入射并在激光通道16中传播的激光束(未示出)焊接工件2。在这里，入射窗容纳部17a侧向突出于焊接护罩容纳框4。

工件支架25平行于旋转轴da移动到焊接护罩3上，以便封闭焊接室11，参见图3c中互相移开的位置。

图4a至4f示出根据本发明的用于真空激光焊接一个至少两部分式的工件2的方法的示例性变型方案的流程。该方法这里在图1a至1c所示的系统中进行。

从图4a可以看出，具有钻孔的内部工件部分2a和外部工件部分2b的由两个部分组成的工件2设置在活动的工作台40、例如圆形工作台上。活动的工作台预先使工件2移动到激光加工站41，所述激光加工包括在这里静止的焊接护罩容纳框4以及操作装置(升降装置)42，所述焊接护罩容纳框带有能旋转地支承在其中的焊接护罩3。

经由焊接光学器件43a和光导纤维(光波导体)43将激光器44连接到焊接护罩容纳框4的入射窗17上，利用所述激光器可以将激光束射入激光通道16中；构成光导纤维43的前端(朝向焊接站41的端部)的焊接光学器件43a通常与入射窗17稍微隔开。然而，在图4a所示的方法阶段中，激光束尚未被激活。在抽吸通道21上连接通向真空泵46的连接管道45；但连接管道45中的截止阀在图4a的方法阶段中还是关闭的。此外，在连接管道45上构成排气阀(通风阀)48，该排气阀在所示的方法阶段同样是关闭的。

在借助活动的工作台40将工件2定位在焊接护罩3下方之后，借助操作装置42将工件2取出并从下方使其向焊接护罩3的底座12移动靠近，参见图4b。为此，升降装置42在所示变型方案中穿过活动的工作台40中的通孔。

由此封闭在这里由工件2、焊接护罩3和焊接眼镜支座4限定的焊接室11，参见图4c。这里，通过贴靠元件8还封闭工件2的孔15。然后可以开始对焊接室11抽真空。为此打开通向真空泵46的截止阀47(参见虚线图示)。

一旦焊接室11中的压力下降到期望的压力水平，就开始焊接加工，参见图4d。激光器44产生激光束49，该激光束通过激光通道16对准两个工件部分2a、2b的环形的连接区域18上的一个点。操作装置42绕旋转轴da旋转，由此工件2和焊接护罩3也绕旋转轴da一起旋转。通过完整旋转一周，激光束49扫描整个环绕的连接区域18并焊接该连接区域。

在激光加工期间，弱气流通过激光通道16经由入口(吹扫气体入口)20流入，在工件2上流动经过，并通过抽吸通道21最终到达仍进行泵吸的真空泵46。由可以减少工件2上和焊接室11中的污染，并且可以提高加工质量。

一旦工件2的激光加工结束，则关闭激光器44的激光束，真空泵46借助关闭的截止阀47分离(参见实线图示)，参见图4e。通过打开排气阀48(参见虚线图示)，使得焊接室11中的压力与环境压力相等。

然后可以通过降低操作装置42而将经加工的工件2从焊接护罩3上收回并放置在活动的工作台40上，参见图4f。

接着可以借助活动的工作台40将工件2运走，例如通过向右移动活动的工作台40来运走工件，而未经加工的新工件可以移动靠近激光焊接站41，由此开始一个新的加工循环(参见图4a等)。

附图标记

1系统

2工件

2a、2b工件部分

3焊接护罩

3a、3b焊接护罩的部分

4焊接护罩容纳框

5支承件

6滑架

7弹簧

8贴靠元件

9支承件

10环绕的第一密封件

11焊接室

11a焊接室的主空间

12底座

13环绕的第二密封件

14环绕的第三密封件

15孔

16激光通道

17入射窗

17a入射窗容纳部

18环形的连接区域

19保护玻璃

20入口

21抽吸通道

22第一端侧开口

23第二端侧开口

24径向的壁

25工件支架

40活动的工作台

41激光加工站

42操作装置

43光导纤维

43a焊接光学器件

44激光

45连接管道

46真空泵

47截止阀

48排气阀

49激光束

ap命中点

da旋转轴

idm主空间的内径

mab中心距离