Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißnaht gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Bauteilverbindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 12.

Aus der DE 10 2010 028 322 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Fahrzeugbauteils mit einem zweiten Fahrzeugbauteil bekannt. Dabei werden zunächst die beiden Fahrzeugbauteile zusammengesteckt. Hierzu ist an einem der beiden Fahrzeugbauteile eine Kugel angebracht, die in ein in dem anderen Fahrzeugbauteil vorgesehenes Loch klemmend eingesteckt wird. Nach dem Zusammenstecken der beiden Fahrzeugbauteile werden diese verschweißt.„Kugelverbindungen", wie sie in der oben genannten DE 10 2010 028 322 A1 beschrieben sind, eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für das Vorfixieren bzw. Verbinden von Bauteilen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem weitere Eigenschaften kugeliger oder kugeiähniicher Elemente vorteilhaft genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißnaht auf oder an einem ersten Bauteil oder im Bereich eines ersten Bauteils, von dem mindestens ein kugeliges oder kugelähnliches Element absteht. Das kugelige Element kann z.B. eine „Einzelkugel" sein, die unmittelbar auf einer Oberseite des ersten Bauteils angeordnet (z.B. aufgeschweißt) ist oder die über ein Verbindungselement mit dem ersten Bauteil verbunden ist. Alternativ zu einem Element, welches durch ein einzelnes kugeliges oder kugelähnliches Element gebildet ist oder welches nur ein einzelnes kugeliges oder kugelähnliches Element aufweist, kann von dem ersten Bauteil auch ein Element abstehen, welches mehrere kugelige oder kugelähnliche Elemente aufweist. Beispielsweise könnte von dem ersten Bauteil ein Element abstehen, welches zwei kugelige Elemente aufweist, die z.B. unmittelbar miteinander verbunden sein können oder über ein Abstandselement (ähnlich wie bei einer Hantel). Zusammenfassend sei erwähnt, dass die Erfindung nicht auf ein bestimmtes kugeliges oder kugelähnliches Element beschränkt ist. Wesentlich ist, dass von dem ersten Bauteil ein Element absteht, welches mindestens ein kugeliges oder kugelähnliches Element aufweist oder durch ein solches gebildet ist.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Tatsache, dass bei einem Auftreffen eines Lichtstrahls auf die Oberfläche eines kugeligen Elements ganz allgemein „Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel" gilt. Ein Lichtstrahl, der senkrecht auf einen Oberflächenpunkt des kugeligen oder kugelähnlichen Elements auftrifft, wird „in sich" reflektiert wird, was im Folgenden als „Totalreflexion" bezeichnet wird. Wird ein Lichtstrahl„total reflektiert", so läuft der reflektierte Lichtstrahl auf derselben „Bahn" zurück wie der „Ausgangslichtstrahl.

Diese Eigenschaften kugeliger oder kugelähnlicher Elemente ermöglichen es, ein kugeliges oder kugelähnliches Element sehr einfach als (Positions- )Markierung für weitere Fertigungsschritte, insbesondere zum Festlegen der Position einer Schweißnaht auf oder an dem ersten Bauteil oder im Bereich des ersten Bauteils, zu nutzen.

Gemäß der Erfindung werden mittels einer optoelektronischen Detektionseinrichtung die Position des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements detektiert und entsprechende Positionsdaten erzeugt.

Anschließend wird auf oder an dem ersten Bauteil oder im Bereich des ersten Bauteils berührungsfrei mittels einer entfernt von dem ersten Bauteil und dem mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Element angeordneten, elektronisch gesteuerten Laserschweißvorrichtung die Schweißnaht erzeugt. Die (Positions-)Steuerung der Schweißvorrichtung erfolgt erfindungsgemäß auf Basis oder unter Verwendung der Positionsdaten des kugeligen oder kugelähnlichen Elements. Die zu erzeugende Schweißnaht (Schweißfigur) wird also relativ zur Position des kugeligen oder kugelähnlichen Elements erzeugt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Schweißnaht entsprechend einem Kreisring erzeugt wird, wobei sich das kugelige oder kugelähnliche Element im Mittelpunkt des Kreisrings befindet. Denkbar sind natürlich auch beliebige anders gestaltete„Schweißfiguren".

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die optoelektronische Detektionseinrichtung eine Lichtquelle (z.B. Laserlichtquelle), eine Sensoreinrichtung und eine Optik auf. Von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahlen werden mittels der Optik, welche eine Spiegel- und / oder Linsenanordnung umfassen kann, auf die Oberfläche des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements projiziert. Die auf die Oberfläche des kugeligen oder kugelähnlichen Elements auftreffenden Lichtstrahlen werden dort reflektiert. Zumindest ein Teil der reflektierten Lichtstrahlen wird über die Optik zu der Sensoreinrichtung geleitet. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird mittels der Detektionseinrichtung ein (Laser-)Lichtstrahl erzeugt, der senkrecht auf einen Oberflächenpunkt des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements projiziert, dort totalreflektiert und über die Optik zur Sensoreinrichtung geleitet wird.

Gemäß der Erfindung wird mittels der Detektionseinrichtung ein ganzes Lichtstrahlenbündel erzeugt. Mittels der Sensoreinrichtung und einer Auswerteelektronik wird detektiert, welcher Lichtstrahl des Lichtstrahlenbündels an der Oberfläche des kugeligen oder kugelähnlichen Elements total reflektiert wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung ein durch eine Vielzahl von Einzelsensoren gebildetes Sensor-Array (Sensorfeld) aufweist. Mittels des den totalreflektierten Lichtstrahl detektierenden Einzelsensors des Sensorfelds kann der Verlauf des total reflektierten Lichtstrahls ermittelt werden. Aus dem Verlauf, insbesondere aus dem Richtungsvektor des an der Oberfläche des kugeligen oder kugelähnlichen Elements total reflektierten Lichtstrahls werden gemäß der Erfindung Positionsdaten des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements abgeleitet.

Sofern es sich bei dem Element um eine echte Kugel handelt, kann aus dem Richtungsvektor des totalreflektierten Lichtstrahls abgeleitet werden, dass der Mittelpunkt des kugeligen Elements auf „der Verlängerung" des totalreflektierten Lichtstrahls liegen muss.

Aus dem Verlauf des totalreflektierten Lichtstrahls bzw. den vektoriellen Komponenten des totalreflektierten Lichtstrahls und einem vorgegebenen oder mittels einer Mess- bzw. Detektionseinrichtung gemessenen Durchmessers des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements kann die Position des mindestens einen kugeligen oder kugelähnlichen Elements, insbesondere die Position des Mittelpunkts des kugeligen oder kugelähnlichen Elements und/oder ein Aufstandspunkt des kugeligen oder kugelähnlichen Elements auf dem ersten Bauteil ermittelt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein zweites Bauteil bereitgestellt, welches ein Durchgangsloch aufweist. Das zweite Bauteil wird so auf das erste Bauteil aufgesetzt, dass das mindestens eine von dem ersten Bauteil abstehende kugelige oder kugelähnliche Element durch das Durchgangsloch hindurch ragt und auf der dem ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteils aus dem zweiten Bauteil heraus steht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die beiden Bauteile durch die Schweißnaht miteinander verschweißt. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Schweißnaht unmittelbar im Bereich des kugeligen oder kugelähnlichen Elements erzeugt wird. Die beiden Bauteile können somit unmittelbar über die Schweißnaht und/oder mittelbar über das kugelige oder kugelähnliche Element miteinander stoffschlüssig dauerhaft fest verbunden werden.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in schematischer

Darstellung;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 das Prinzip der Detektierung des totalreflektierten Lichtstrahls.

Fig. 1 zeigt ein erstes, durch ein Blech (z.B. Stahlblech oder Aluminiumblech) gebildetes Bauteil 1 , von dessen Oberseite eine Kugel 2 absteht. Bei der Kugel 2 kann es sich bspw. um eine Stahlkugel oder um eine Aluminiumkugel handeln. Die Kugel 2 kann z.B. durch eine Punktschweißung oder in anderer Weise mit dem Blech 1 verbunden sein. Auf das Blech 1 ist ein zweites Bauteil 3 aufgesetzt, das hier ebenfalls durch ein Blech gebildet ist. Das zweite Bauteil 3 weist ein Durchgangsloch auf, das zumindest so groß ist, dass das zweite Blech mit seinem Durchgangsloch auf die Kugel 2 z.B. klemmend, aufgesetzt werden kann. Das Durchgangsloch ist in der in Fig. 1 gezeigten Darstellung nicht mehr zu erkennen, da die beiden Bauteile 1 , 3 über die Kugel 2 bzw. eine die Kugei 2 ringförmig umschließende Schweißnaht 4 miteinander verschweißt sind, welche das Durchgangsloch nicht mehr erkennen lässt.

Die Schweißnaht 4 wurde berührungsfrei mittels einer entfernt von dem ersten Bauteil 1 und dem kugeligen Element 2 angeordneten, elektronisch gesteuerten Laserschweißvorrichtung 5 erzeugt. Die Laserschweißvorrichtung 5 erzeugt einen Laserstrahl 6, welcher Material des ersten Bauteils 1 und / oder des zweiten Bauteils 3 und / oder der Kugel 2 aufschmilzt, wodurch die beiden Bauteile 1 , 3 und die Kugel 2 miteinander verschweißt werden.

Die Laserschweißvorrichtung kann zum Erzeugen einer die Kugel 2 ringförmig umschließenden Schweißnaht bspw, mittels eines Schweißroboters elektronisch gesteuert um die Kugel 2 „herumgeführt" werden. Die Steuerung der Laserschweißvorrichtung bzw. des die Laserschweißvorrichtung aufnehmenden oder haltenden Roboters (nicht dargestellt) erfolgt auf Basis oder unter Verwendung der Positionsdaten des kugeligen oder kugelähnlichen Elements 2, z.B. auf Basis oder unter Verwendung der Lage des Mittelpunkts 7 der Kugel 2 im Raum und / oder relativ zu dem ersten und / oder zweiten Bauteil 1 bzw. 3.

Die Positionsdaten der Kugel 2 werden mittels einer optoelektronischen Detektionseinrichtung 8 delektiert. Die optoelektronische Detektionseinrichtung 8 weist eine Laserlichtquelle 9, eine Sensoreinrichtung 10 und eine Optik auf, die hier durch einen ersten Spiegel 11 und einen einseitig reflektierenden, semitransparenten Spiegel 12 gebildet ist. Die Laserlichtquelle 9 und die Sensoreinrichtung 10 sind elektrisch an eine Auswerteelektronik 13 angeschlossen _» welche die Positionsdaten erzeugt. Ebenfalls an die Auswerteelektronik angeschlossen ist die Lasereinrichtung 5, welche, wie bereits erwähnt, auf Basis oder u ter Verwendung der Positionsdaten des kugeligen oder kugelähnlichen Elements 2 die Laserschweißvorrichtung 5 steuert.

Die Laserlichtquelle 9 erzeugt Lichtstrahlen 14, 15. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelie 9 ein ganzes Bündel, d.h. eine Vielzahl von Lichtstrahlen, insbesondere von parallelen Lichtstrahlen erzeugt.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit lediglich den beiden Lichtstrahlen 14, 15 näher erläutert.

Wie aus dem Strahlengang ersichtlich ist, wird der Lichtstrahl 14 an dem Spiegel 12 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 14a wird erneut an dem Spiegel 1 1 reflektiert und trifft als Lichtstrahl 14b senkrecht auf einen Oberflächenpunkt 16 der Kugel 2 auf. Im Oberflächenpunkt 16 wird der Lichtstrahl 14b totalreflektiert, d.h. der reflektierte Lichtstrahl 16 ist hinsichtlich seines Richtungsvektors identisch mit dem von dem Spiegel 1 1 kommenden Lichtstrahl 14b. Der reflektierte Lichtstrahl 14b wird am Spiegel 1 1 zurückreflektiert. Zumindest ein Teil des zurückreflektierten Lichtstrahls 14a geht durch den Spiegel 12 hindurch und trifft als Lichtstrahl 14c auf einen Einzelsensor 17 eines Sensorfeldes 18 der Sensoreinrichtung 10 auf. Mittels der Auswerteelektronik 13 wird ermittelt, dass es sich bei dem zurückreflektierten Lichtstrahl 14c um einen totalreflektierten Lichtstrahl handeln muss. Hieraus kann abgeleitet werden, dass der Mittelpunkt 7 der Kugel 2 auf einer„Verlängerung" des Lichtstrahls 14b liegen muss. Kennt man den Durchmesser der Kugel 2 bzw. ist der Durchmesser der Kugel 2 vorgegeben, so kann aus den Positionsdaten des Oberflächenpunkts 16, dem Richtungsvektor des Lichtstrahls 14b und dem Durchmesser der Kugel 2 die Lage des Mittelpunkts 7 der Kugel 2 ermittelt werden. Es ist leicht ersichtlich, dass von einem Bündel paralleler Lichtstrahlen, welches von der Laserlichtquelle 9 erzeugt wird, genau ein Lichtstrahl, nämlich der Lichtstrahl 14, 14a, 14b, 14c) totalreflektiert wird.

Betrachtet man bspw. den nur geringfügig seitlich versetzt zu dem Lichtstrahl 14 verlaufenden parallelen Lichtstrahl 15 und verfolgt dessen Strahlengang 15a, 15b, 5c, 15d, 15e, so ist ersichtlich, dass dieser gerade nicht totalreflektiert wird. Vielmehr ist es so, dass entsprechend den Gesetzen der Optik (Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel) der Lichtstrahl 15d als Lichtstrahl 15c zurückreflektiert wird.

Prinzipiell könnte man die Positionsdaten der Kugel 2 auch aus dem Abstand der Lichtstrahlen 15a und 15d dem Richtungsvektor der Winkelhalbierenden zwischen den Lichtstrahlen 15b, 15c ermitteln. Besonders einfach lassen sich jedoch Positionsdaten generieren, wenn man hierfür den totalreflektierten Lichtstrahl 14, 14a, 14b, 14c verwendet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird auf die Kugel 2 ein Bündel von Lichtstrahlen 14, 15b und 15 ^' b projiziert. Von diesen Lichtstrahlen wird der Lichtstrahl 14 totalreflektiert. Der totalreflektierte Lichtstrahl 14 beleuchtet einen „punktförmigen Bereich" (Einzelsensor 17) des Sensorfelds 18. Die anderen Lichtstrahlen 15b und 15 ^' b des Bündels von Lichtstrahlen 14, 15b und 15 ^' b werden gemäß dem Prinzip „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" von der Kugel 2 an dem Sensorfeld 18 vorbei reflektiert, d.h. sie treffen gar nicht auf das Sensorfeld 18 auf.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, braucht also in dem Sensorfeld 18 lediglich„der beleuchtete punktförmige Bereich" bzw. der „helle Fleck", oder, genauer gesagt, der Mittelpunkt oder das Zentrum des hellsten Flecks, gesucht werden, um identifizieren zu können, welcher Lichtstrahl (Lichtstrahl 14) eines Bündels von Lichtstrahlen 14, 15b und 15 ^' b total reflektiert wird. Durch Suchen des Zentrums (in Fig. 3 Lage des Fadenkreuzes) des hellsten Flecks auf dem Sensorfeld 18 kann der Strahlengang des totalreflektierten Lichtstrahls 14 sehr präzise ermittelt werden. Versuche haben gezeigt, das bei der Beleuchtung einer Kugel 2 mit einem Bündel paralleler Lichtstrahlen 14, 15b und 15 ^' b sich auf dem Sensorfeld 18 aufgrund der besonderen Reflexionseigenschaften einer Kugel ganz dezidiert ein optoelektronisch sehr präzise erfassbarer„Bereich größer Helligkeit" (heller Fleck bzw. Position des Einzelsensors 17) ausbildet.

Aus dem Strahlengang des totalreflektierten Lichtstrahls 14 wiederum können die Positionsdaten der Kugel 2 ermittelt werden, welche in die Steuerung bzw. Regelung der Schweißvorrichtung eingehen.

Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt also auf Basis der durch das Sensorfeld 18 gebildeten „Graubildaufnahme", welche genau einen punktförmigen Bereich höchster Helligkeit und ansonsten im Wesentlichen unbelichtete Bereiche aufweist. Dies ist mit geringem steuerungs- bzw. regelungstechnischem Aufwand möglich.