DE10162452A1

DE10162452A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht

Info

Publication number: DE10162452A1
Application number: DE10162452A
Authority: DE
Inventors: Volker Banhardt; Roland Oesterlein
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-03
Also published as: WO2003051570A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht (1) mit Hilfe einer Schweißvorrichtung (10), die mit einem Laser (17) ausgerüstet ist. Bei Stepp-Schweißnähten (1), die mit bekannten Laserschweißverfahren hergestellt sind, kommt es bei großen Belastungen der auf diese Weise verbundenen Bauelemente (2, 3) zu einer Minderung der Dauerfestigkeit. Das wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch vermieden, dass bei der Herstellung einer Stepp-Schweißnaht (1) zwischen zwei Bauteilen (2 und 3) jede Stepp-Schweißnaht (1) mit wenigstens zwei ballenförmigen Verstärkungen (1V) definierter Größe versehen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Verfahren kommt bei der Ausbildung von Stepp-Schweißnähten, insbesondere von Überlapp-, Kehl- und Stoßschweißnähten mit Hilfe von Schweißvorrichtungen zur Anendung, die mit einem Laser ausgerüstet sind.

Bei den Überlapp-, Kehl- und Stoßschweißnähten, die mit bekannten Laserschweißverfahren hergestellt sind, kann es bei großen Belastungen zu einer Minderung der Dauerfestigkeit kommen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem Steppschweißnähte so hergestellt werden können, dass sie auch bei starken Belastungen dauerhaft die erforderliche Festigkeit beibehalten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile aus aufschmelzbaren Werkstoffen in Form von Kunststoffen oder Metallen mittels Überlapp-Schweißnähten, Kehl- Schweißnähten und Stoß-Schweißnähten miteinander verbunden werden. Das Verfahren wird so durchgeführt, dass jede Schweißnaht an beiden Enden mit jeweils einer ballenförmigen Verstärkung versehen wird. Für die Durchführung des Verfahrens wird beispielsweise eine feststehende Schweißvorrichtung verwendet, die mit einer schwenkbaren Optik ausgerüstet ist. Mit Hilfe dieser Optik kann der Laserstrahl auf die zu verbindenden Bauteile geleitet und entlang einer auszubildenden Schweißnaht geführt werden kann. Für die Durchführung des Verfahrens kann selbstverständlich auch eine bewegliche Schweißvorrichtung mit einer feststehenden Optik genutzt werden. Mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit, mit welcher die für die Durchführung des Verfahrens verwendete Schweißvorrichtung ebenfalls ausgerüstet ist, können die Durchmesser der auszubildenden Verstärkungen an den beiden Enden einer jeden Schweißnaht exakt festgelegt und auf die Größe und die mechanische Beanspruchung der zu verbindenden Bauteile abgestimmt werden.

Für die Ausbildung der Verstärkungen wird die schwenkbare Optik am Anfang und am Ende der auszubildenden Schweißnaht während eines definierten Zeitintervalls Δt angehalten. Während dieser Zeit wird der Laserstrahl konstant auf die gleiche Stelle der zu verbindenden Bauteile gerichtet. Die Dauer des Zeitintervalls Δt hängt zum einen von den Werkstoffen ab, aus denen die zu verbindenden Bauteile hergestellt sind, und zum anderen von der Größe der auszubildenden Verstärkung. Das Zeitintervall Δt kann zwischen 10 ms und 100 ms betragen.

Nach dem Anhalten der schwenkbaren Optik am Anfang der auszubildenden Schweißnaht wird sie nach dem Ausbilden der Verstärkung so weiter gedreht, dass der Laserstrahl dabei mit einer konstanten Geschwindigkeit definierter Größe von der ersten ausgebildeten Verstärkung bis zum Ende der Schweißnaht geführt wird, wo die zweite Verstärkung auszubilden ist. In Abhängigkeit von den Werkstoffen, aus denen die zu verbindenden Bauteile gefertigt sind, wird der Laserstrahl mit einer definierten Geschwindigkeit v bewegt, die im Bereich zwischen 1 m/min und 10 m/min liegt, wofür die Optik um entsprechende Winkelgrade/min zu drehen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Schweißnähte mit einer Länge von 5 mm bis 100 mm ausgebildet werden. Um die zweite Verstärkung am Ende der Schweißnaht auszubilden, wird die Optik wiederum während eines Zeitintervalls Δt angehalten. Die Dauer dieser Verweilzeit ist ebenso groß wie am Anfang der Schweißnaht. Das Ausbilden einer solchen Schweißnaht ist auch mit einer beweglichen Schweißvorrichtung, die mit einer feststehenden Optik ausgerüstet ist, in gleichen Weise möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter Verwendung eines Laserstrahls hochfeste Schweißnähte ausgebildet werden, die eine deutlich höhere Dauerfestigkeit gegenüber den bekannten ebenfalls mit Hilfe von Lasern ausgebildeten Schweißnähten aufweisen. Hieraus resultiert eine erhöhte mechanische Beanspruchbarkeit für die so verschweißten Bauteile bzw. eine verlängerte Lebensdauer im Falle von dynamischer Beanspruchung. Bei Bauteilen die mehrere Stepp-Schweißnähte aufweisen, wie das beispielsweise bei Automobilkarosserien der Fall ist, besteht die Möglichkeit, bei gleicher Vorgabe an Festigkeit und Lebensdauer dieser Bauteile, Steppschweißnähte einzusparen und damit die Herstellkosten zu reduzieren.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 zwei Bauteile, die über eine Überlapp-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 2 zwei Bauteile, die über eine Kehl-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 3 zwei Bauteile, die über eine Stoß-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 4 eine Schweißvorrichtung mit einer schwenkbaren Optik zum Führen des Laserstrahls,
Fig. 5 die Geschwindigkeit des Laserstahls bei der Ausbildung einer Stepp- Schweißnaht in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 1 zeigt eine Überlapp-Schweißnaht 1, die zwischen zwei flächigen Bauteilen 2 und 3 ausgebildet ist, die teilweise übereinander gelegt sind. Die Überlapp- Schweißnaht 1 ist an beiden Enden mit einer ballenförmigen Verstärkung 1 V versehen. Für die Ausbildung der Überlapp-Schweißnaht 1 wird die in Fig. 4 dargestellte Schweißvorrichtung 10 verwendet. Sie umfasst eine schwenkbare Optik 12 und ein feststehendes Anschlusselement 13. Die schwenkbare Optik 12 ist mit einem Umlenkspiegel 14 sowie einer Fokusieroptik 15 ausgerüstet, die eine oder mehrere Linsen aufweisen kann. Die Strahlung 19 eines Lasers 17, der außerhalb der Vorrichtung 10 angeordnet ist, wird einem Kollimator 16 über ein Lichtleitfaserkabel 18 zugeführt. Der Kollimator 16 ist innerhalb des feststehenden Anschlusselements 13 installiert. Mit Hilfe des Kollimators 16 wird die von dem Laser 17 kommende Strahlung 19 parallel ausgerichtet. Der aufgeweitete Laserstrahl 19 wird vom Kollimator 16 entlang der optischen Achse zu dem Umlenkspiegel 14 der Optik 12 geführt. Mit seiner Hilfe wird die Strahlung 19 senkrecht zur optischen Achse ausrichtet. Die Fokusieroptik 15 ist in Richtung der Strahlung gesehen unmittelbar hinter dem Umlenkspiegel 14 angeordnet. Von ihr wird die Strahlung 19 des Lasers 17 im Brennpunkt B des Fokusierobjektivs 15 gebündelt. Der Brennpunkt B kann durch das Drehen der Optik 12 entlang einer Graden bewegt werden. Für die Ausbildung der in den Fig. 1 und 4 dargestellten Stepp-Schweißnähte 1 werden die jeweils zu verbindenden Bauteile 2 und 3 unterhalb der schwenkbaren Optik 12 so angeordnet, dass die auszubildende Stepp- Schweißnaht 1 in einer Ebene mit einer Geraden liegt, entlang derer der Brennpunkt des Laserstrahls 19 bewegt werden kann. Anschließend wird die Optik 12 mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit (hier nicht dargestellt), die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet und in die Schweißvorrichtung 10 integriert ist, so geschwenkt, dass der gebündelte Laserstrahl 19 auf den Anfang der auszubildenden Überlapp- Schweißnaht 1 gerichtet wird. Der Laserstrahl 19 wird nun für die Dauer von l0 ms und 100 ms auf die vorgegebene Stelle gerichtet, damit die erste ballenförmige Verstärkung 1 V ausgebildet wird. Die Größe dieser Verstärkung 1 V wird durch die Verweilzeit des Laserstrahls 19 an der vorgegebenen Stelle und den Werkstoffen bestimmt, aus denen die beiden Bauteile 2 und 3 gefertigt sind. Hat die Verstärkung 1 V die gewünschte Größe erreicht, wird der Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit v, deren zeitlicher Verlauf in Fig. 5 dargestellt ist, entlang der Oberfläche des Bauteils 2 weiterbewegt. Die Geschwindigkeit v beträgt 1 m/min bis 10 m/min, wobei der Laserstrahl 19 unmittelbar nach dem Ausbilden der ersten Verstärkung 1 V und vor der Stelle, an der die zweite Verstärkung 1 V ausgebildet werden soll, nicht mit der maximalen Geschwindigkeit bewegt wird, wie Fig. 5 zu entnehmen ist. Die lineare Bewegung des Laserstrahls 19 wird durch das Drehen der Optik 12 um entsprechende Winkelgrade/Minute erreicht. Am Ende der Schweißnaht 1 wird der Laserstrahl 19 zum Ausbilden der zweiten Verstärkung 1 V wiederum während eines Zeitintervalls Δt, das 10 ms bis 100 ms betragen kann, angehalten. Nach der Ausbildung der zweiten Verstärkung 1 V ist die Überlapp- Schweißnaht 1 fertig gestellt.
Um die Qualität der Überlapp-Schweißnaht 1 zu optimieren, muss die Verweilzeit des Laserstrahls 19 so eingestellt werden, dass die Verstärkungen 1 V mit der gewünschten Größe ausgebildet wird, es jedoch zu keiner Lochbildung kommt. Damit eine Überlapp-Schweißnaht 1 ausgebildet wird, die allen Anforderungen entspricht, muss mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit in Abhängigkeit von der Laserleistung, den Eigenschaften der Schweißvorrichtung 1 sowie den Werkstoffen, aus denen die zu verbindenden Bauteile 2 und 3 gefertigt sind, gegebenenfalls eine Anpassung der Laserleistung erfolgen. Bei Laserleistungsdichten im Laserfokus von P < 1.10⁵ W/cm² wird der Schweißprozeß im allgemeinen durch Wärmeleitung bestimmt. Hier können die Verstärkungen 1 V im allgemeinen mit voller Laserleistung erzeugt werden. Bei höheren Leistungsdichten kann ein Tiefschweißeffekt auftreten. Dieser kann über eine Materialverdampfung zu einem Materialverlust und unter Umständen auch zur Lochbildung während der Ausbildung der Verstärkungen 1 V führen. Um die Ausbildung von Löchern zu verhindern, muss eine Reduzierung der Leistung erfolgen, welche an die Verweilzeiten des Laserstrahls angepasst werden muss. Die Regelung kann über Prozesssignale oder eine Sensorik für die Plasmaausbildung erfolgen. Es besteht auch die Möglichkeit, das Ausbilden einer Schweißnaht zunächst in mehreren Versuchen durchzuführen. Die dabei ermittelten Werte, die zu einer optimalen Schweißnaht 1geführt haben, werden dann in der Regel- und Steuerungseinheit gespeichert, und für die Ausbildung gleicher Stepp-Schweißnähte 1 genutzt.
Für die Ausbildung der Überlapp-Schweißnaht 1 kann ebenso wie für Ausbildung der nachfolgend beschriebenen Kehl-Schweißnaht und der Stoß-Schweißnaht auch eine bewegbare Schweißvorrichtung mit feststehender Optik (hier nicht dargestellt) verwendet werden.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, kann mit dem oben beschriebenen Verfahren auch eine Kehl-Schweißnaht 1 ausgebildet werden. Es handelt sich hierbei um eine Schweißnaht, welche die Oberfläche 2S eines ersten Bauteils 2 mit dem Rand 3R eines zweiten, Bauteils 3 verbindet, das auf die Oberfläche 2S des ersten Bauteils 2 angesetzt ist. Auch hierbei wird an den beiden Enden der Schweißnaht 1 jeweils eine Verstärkung 1 V in der gleichen Weise ausgebildet, wie bei der Ausbildung der oben beschriebenen Überlapp-Schweißnaht 1.
Fig. 3 zeigt die Verbindung von zwei unmittelbar aneinander grenzenden Bauteilen 2 und 3 über eine Stumpfstoß-Steppschweißnaht 1. Der Laserstrahl 19 wird hierbei so geführt, dass er beide Bauteile 2 und 3 gleichermaßen berührt. An beiden Enden der Stumpfstoß-Steppschweißnaht 1 ist auch bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Verstärkung 1 V ausgebildet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Stepp-Schweißnaht (1) zwischen zwei Bauteilen (2 und 3) aus einem aufschmelzbaren Werkstoff mittels eines Laserstrahls (19), dadurch gekennzeichnet, dass jede Stepp-Schweißnaht (1) mit wenigstens zwei ballenförmigen Verstärkungen (1 V) definierter Große ersehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (19) für die Ausbildung der Stepp-Schweißnaht (1) an deren Anfang während eines definierten Zeitintervalls (Δt) für die Ausbildung einer ballenförmigen Verstärkung (1 V) angehalten und anschließend mit einer definierten Geschwindigkeit (v) bis zum Ende der Stepp-Schweißnaht (1) weiterbewegt und dort zur Ausbildung einer zweiten ballenförmigen Verstärkung (1 V) nochmals während eines zweiten Zeitintervalls (Δt) angehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (19) für die Ausbildung der ersten ballenförmigen Verstärkung (1 V) am Anfang einer jeden Schweißnaht (1) für ein Zeitintervall (Δt) von 10 ms bis 100 ms angehalten und anschließend mit einer Geschwindigkeit (v), die 1 m/min bis 10 m/min beträgt, über eines oder beide der zu verbindenden Bauteile (2, 3) geführt und am Ende der Schweißnaht (1) für die Ausbildung der zweiten Verstärkung (1 V) während eines weiteren Zeitintervalls (Δt) von 10 ms bis 100 ms angehalten wird.