DE102004013375A1

DE102004013375A1 - Laserschweißverfahren und Vorrichtung zur Verbindung von zumindest drei Blechen

Info

Publication number: DE102004013375A1
Application number: DE102004013375A
Authority: DE
Inventors: Jochen Müller-Rogait
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren und eine Vorrichtung (9) zum Verschweißen von zumindest drei Blechen (4, 5, 6), bei dem mittels eines Laserstrahls (7) außen liegende Bleche (4, 6) und zumindest ein von den außen liegenden Blechen (4, 6) eingeschlossenes, innen liegendes Blech (5) verschweißt werden. Die Vorrichtung (9) hat hierzu zwei unterhalb der Bleche (4, 5, 6) positionierte Laserköpfe (3a, 3b), die mittels eines Lichtleiters (10) mit einem optischen Element (13) verbunden sind, welches den von der Laserquelle (11) erzeugten Ausgangsstrahl (12) aufspaltet. Ein aus dem ersten Laserkopf (3a) austretender Laserstrahl (7) wird mittels eines Reflektors (18) in Richtung auf das außen liegende Blech (4) abgelenkt. Hierdurch können in einem einzigen Arbeitsgang und, ohne eine die Bleche (4, 5, 6) fixierende Spannverbindung zwischenzeitlich lösen zu müssen, bei zugleich geringem Steuerungsaufwand und Energieeinsatz Bleche miteinander verschweißt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zur Verbindung von zumindest drei Blechen oder Blechbauteilen, bei dem mittels des Laserstrahls außen liegende Bleche und zumindest ein von den außen liegenden Blechen eingeschlossenes, innen liegendes Blech verschweißt werden, wobei die Schweißverbindung der außen liegenden Bleche mit dem eingeschlossenen Blech durch den jeweils auf das außen liegende Blech gerichteten Laserstrahl erzeugt wird, wobei die Parameter der Laserstrahlen derart bemessen werden, dass eine Durchschweißung zwischen den äußeren Blechen ausgeschlossen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einer Laserquelle mit einer Laserquelle und zwei Laserköpfen zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der genannten Art ist beispielsweise durch die JP 4081288 bekannt, mit dem drei Bleche mittels Laserstrahls verschweißt werden können. Der Laserstrahl wird dabei jeweils auf zueinander fluchtende, gegenüberliegende Bereiche der außen liegenden Bleche, die einerseits aus Aluminium, andererseits aus Stahl bestehen, gerichtet, wobei die Parameter der Laserstrahlen derart bemessen werden, dass eine Durchschweißung zwischen den äußeren Blechen ausgeschlossen ist. Das eingeschlossene mittlere Blech besteht aus einer Aluminiumschicht und einer Stahlschicht, die jeweils der entsprechenden außen liegenden Schicht zugewandt sind. Hierdurch werden zwei voneinander getrennte Schweißstellen erzeugt, die durch das außen liegende Blech jeweils lediglich in die zugewandte Schicht des mittleren Blechs eindringen ohne zugleich auch in die zweite Schicht einzudringen.

Weiterhin ist durch die JP 07132389 A bereits eine Methode zum Laserschweißen von mehrlagigen beschichteten Blechen bekannt. Die Laserstrahlen wirken dabei jeweils auf die außen liegenden Bleche ein, wobei die gegenüberliegenden Laserstrahlen zueinander fluchtend auf die Bleche einwirken. Durch das Verfahren werden zwei mehrlagige Blechpakete miteinander verschweißt. Hierzu erfolgt eine Durchschweißung über die gesamte Materialstärke aller Bleche, wobei ein Fülldraht als Schweißzusatzwerkstoff vorgesehen ist.

Ferner sind Laserschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen beispielsweise auch durch die DE 199 43 752 C1 sowie die DE 38 12 448 C1 bekannt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren der eingangs genannten Art insbesondere für die Anwendung bei der Karosseriefertigung wesentlich zu verbessern. Weiterhin soll eine hierfür geeignete Vorrichtung mit einer Laserquelle und zwei Laserköpfen zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Laserschweißverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 6 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des Laserschweißverfahrens.

Erfindungsgemäß ist also ein Laserschweißverfahren vorgesehen, bei dem die Laserstrahlen zeitgleich auf die äußeren Bleche einwirken. Im Zusammenwirken mit einer insbesondere in der Karosseriefertigung eingesetzten Spanntechnik, beispielsweise Flansch- oder Rollenspanntechnik, wird es erfindungsgemäß möglich, die gegeneinander verspannten Bleche in einem einzigen Arbeitsgang und ohne die Spannverbindung zwischenzeitlich lösen zu müssen, miteinander zu verschweißen und dabei Durchschweißungen, wie sie bei der Karosseriefertigung derzeit üblich sind, zu vermeiden. Auf diese Weise kann die Prozesssicherheit bei der Fertigung wesentlich erhöht werden und zugleich spätere Korrosionsschäden vermieden werden. Zugleich ist der Energiebedarf aufgrund der reduzierten Schweißtiefe reduziert, wodurch einerseits eine verbesserte Wirtschaftlichkeit, andererseits eine höhere Vorschubgeschwindigkeit bei dem Schweißprozess erreicht werden kann.

Besonders Erfolg versprechend ist demgegenüber auch eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der auf das jeweilige außen liegende Blech einwirkende Laserstrahl durch eine gemeinsame Laserquelle erzeugt wird, wobei der von der Laserquelle erzeugte Ausgangsstrahl mittels eines optischen Elementes aufgespaltet wird. Hierdurch wird in einfacher Weise eine zeitgleiche Einwirkung der Laserstrahlen auf die gegenüberliegenden außen liegenden Bleche ermöglicht, so dass insbesondere der Steuerungsaufwand für das Herstellungsverfahren wesentlich vermindert wird. Die Laserparameter stimmen dabei zuverlässig überein.

Der Fokus der auf die außen liegenden Bleche jeder Seite könnte dabei in einer gemeinsamen Flucht liegen. Nach einer anderen besonders vorteilhaften Abwandlung, bei der die jeweiligen Laserstrahleinwirkungsbereiche der außen liegenden Bleche gegeneinander einen Versatz aufweisen, wird eine unerwünschte Schwächung des eingeschlossenen mittleren Blechs aufgrund der gewünschten Schweißtiefe vermieden. Zudem kann dabei die Schweißtiefe je nach Einsatzbedingungen auch mehr als 50% der Materialstärke des mittleren Bleches betragen.

Hingegen ist es in der Praxis besonders Erfolg versprechend, wenn die Parameter der Laserstrahlen derart bemessen werden, dass die Schweißtiefe des eingeschlossenen Bleches 50% der Materialstärke nicht überschreitet und dabei insbesondere die Schweißtiefe zwischen 25% und 45% der Materialstärke des eingeschlossenen Bleches bemessen wird, um dadurch ein optimales Verhältnis zwischen dem Energie- und Zeitaufwand zum Einbringen der Schweißverbindung und deren Haltbarkeit zu erzielen.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit einer Laserquelle und zwei Laserköpfen, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein aus dem ersten Laserkopf austretender Laserstrahl mittels eines Reflektors in Richtung auf ein außen liegendes Blech ablenkbar ist t. Hierdurch wird es in einfacher Weise möglich, die aus den beiden Laserköpfen austretenden Laserstrahlen zu synchronisieren und gegebenenfalls deren Parameter dem jeweiligen Fertigungsprozess anzupassen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dabei auch dann erreicht, wenn der Reflektor einen Spiegel hat und dadurch eine weitgehend verlustfreie und zugleich Platz sparende Ablenkung des Laserstrahls realisierbar wird.

Dieser könnte nach einer weiteren besonders praxisgerechten Abwandlung, insbesondere zur Synchronisation mit dem zweiten Laserkopf mittels einer Steuereinheit beweglich ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die gewünschte Vorschubbewegung einerseits durch eine Bewegung des zweiten Laserkopfes, andererseits durch eine Bewegung des Reflektors erreicht werden. Der zweite Laserkopf kann hierzu beispielsweise mittels eines Lichtleiters mit der Laserquelle verbunden sein.

Besonders einfach ist hingegen auch eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Vorrichtung ein den von der Laserquelle erzeugten Ausgangstrahl aufspaltendes optisches Element hat. Hierdurch ist zur Erzeugung der beiden synchronisierten Laserstrahlen lediglich eine einzige Laserquelle erforderlich, so dass der Energieaufwand sowie der Steuerungsaufwand wesentlich reduziert werden kann.

Beispielswiese eignet sich hierzu besonders eine Ausgestaltung, bei der das optische Element ein Prisma aufweist und dadurch eine einfache Strahlaufspaltung gestattet.

Eine weitere besonders Erfolg versprechende Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dann erreicht, wenn das optische Element mittels eines Lichtleiters mit dem Laserkopf verbunden ist, um so eine von der Laserquelle entfernte Anordnung des Laserkopfes sowie eine relative Positionsänderung des Laserkopfes gegenüber der Laserquelle mit geringem Aufwand zu ermöglichen. Hierzu ist der Lichtleiter insbesondere flexibel.

Der Laserstrahl könnte aus dem Endabschnitt des Lichtleiters unverändert austreten. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der jeweilige Laserkopf eine Fokussieroptik aufweist, um so relative Positionsungenauigkeiten zwischen dem Laserkopf und dem zugeordneten außen liegenden Blech oder beim Einsatz abweichenden Materialstärken ohne konstruktiven Aufwand ausgleichen zu können.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer seitlichen Prinzipskizze in
1 eine Vorrichtung mit jeweils einem beiderseits der zu verschweißenden Bleche positionierten Laserkopf;
2 eine weitere Vorrichtung mit zwei Laserköpfen und einer gemeinsamen Laserquelle;
3 eine mittels der in 1 oder 2 dargestellten Vorrichtung eingebrachte Schweißverbindung.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit jeweils einer Laserquelle 2 und einem zugeordneten Laserkopf 3a, 3b zum Verschweißen von Blechen 4, 5, 6. Die Schweißverbindung der außen liegenden Bleche 4, 6 mit dem eingeschlossenen Blech 5 wird dabei durch einen zeitgleich auf jeweils auf die außen liegenden Bleche 4, 6 gerichteten Laserstrahl 7 erzeugt. Hierzu wird der aus dem ersten Laserkopf 3a austretende Laserstrahl 7 mittels eines Reflektors 18 in Richtung auf das außen liegende Blech 4 abgelenkt. Die Parameter der Laserstrahlung werden dabei derart eingestellt, dass eine Durchschweißung zwischen den äußeren Blechen 4, 6 ausgeschlossen ist. Zur Synchronisation der Laserstrahlen 7 ist der aus dem jeweiligen Laserkopf 3a, 3b austretende Laserstrahl 7 mittels einer Steuereinheit 8 einstellbar.
2 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Vorrichtung 9, bei der die Laserköpfe 3a, 3b ebenfalls unterhalb der zu verschweißenden Bleche 4, 5, 6 positioniert sind, jedoch mittels eines Lichtleiters 10 mit einer einzigen gemeinsamen Laserquelle 11 verbunden sind. Hierzu hat die Vorrichtung 9 ein den von der Laserquelle 11 erzeugten Ausgangstrahl 12 aufspaltendes, mit einem Prisma ausgestattetes optisches Element 13. Ebenso wie in 1 wird der aus dem ersten Laserkopf 3a austretende Laserstrahl 7 mittels eines Reflektors 18 in Richtung auf das außen liegende Blech 4 abgelenkt.
Ergänzend zeigt die 3 eine mittels der in 1 oder 2 dargestellten Vorrichtung 1, 9 eingebrachte Schweißverbindung 14. Zu erkennen ist, dass durch die Schweißverbindung 14 lediglich die außen liegenden Bleche 4, 6 mit dem innen liegenden Blech 5 verschweißt sind, wobei jedoch eine Durchschweißung zwischen den äußeren Blechen 4, 6 ausgeschlossen ist. Die jeweiligen auf die außen liegenden Bleche 4, 6 gerichtete Laserstrahlung weist dabei relativ zueinander einen Versatz 15 auf, so dass es zu keiner unerwünschten Schwächung der verbliebenen Materialsstärke 16 des mittleren Blechs 5 kommen kann. Insbesondere beträgt die Schweißtiefe 17 zwischen 25% und 45% der Materialstärke 16 des eingeschlossenen Bleches 5. Hierdurch wird der Energiebedarf aufgrund der reduzierten Schweißtiefe 17 verringert und zugleich eine höhere Vorschubgeschwindigkeit bei dem Schweißprozess erreicht.

1: Vorrichtung
2: Laserquelle
3a: Laserkopf
3b: Laserkopf
4: Blech
5: Blech
6: Blech
7: Laserstrahl
8: Steuereinheit
9: Vorrichtung
10: Lichtleiter
11: Laserquelle
12: Ausgangstrahl
13: optisches Element
14: Schweißverbindung
15: Versatz
16: Materialsstärke
17: Schweißtiefe
18: Reflektor

Claims

Laserschweißverfahren zur Verbindung von zumindest drei Blechen oder Blechbauteilen, bei dem mittels des Laserstrahls außen liegende Bleche und zumindest ein von den außen liegenden Blechen eingeschlossenes, innen liegendes Blech verschweißt werden, wobei die Schweißverbindung der außen liegenden Bleche mit dem eingeschlossenen Blech durch den jeweils auf das außen liegende Blech gerichteten Laserstrahl erzeugt wird, wobei die Parameter der Laserstrahlen derart bemessen werden, dass eine Durchschweißung zwischen den äußeren Blechen ausgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen zeitgleich auf die äußeren Bleche einwirken.
Laserschweißverfahren nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das jeweilige außen liegende Blech einwirkende Laserstrahl durch eine gemeinsame Laserquelle erzeugt wird, wobei der von der Laserquelle erzeugte Ausgangsstrahl mittels eines optischen Elementes aufgespaltet wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Laserstrahleinwirkungsbereiche der außen liegenden Bleche gegeneinander einen Versatz aufweisen.
Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Laserstrahlen derart bemessen werden, dass die Schweißtiefe des eingeschlossenen Bleches 50% der Materialstärke nicht überschreitet.
Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißtiefe zwischen 25% und 45% der Materialstärke des eingeschlossenen Bleches bemessen wird.
Vorrichtung (1, 9) zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Laserquelle (2, 11) und zwei Laserköpfen (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem ersten Laserkopf (3a) austretender Laserstrahl (7) mittels eines Reflektors (18) in Richtung auf ein außen liegendes Blech (4) ablenkbar ist.
Vorrichtung (1, 9) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (18) einen Spiegel hat.
Vorrichtung (1, 9) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (18) mittels der Steuereinheit (8) beweglich ausgeführt ist.
Vorrichtung (1, 9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (18) synchron zu dem zweiten Laserkopf (3b) beweglich ist.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) ein den von der Laserquelle (11) erzeugten Ausgangstrahl (12) aufspaltendes optisches Element (13) hat.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (13) ein Prisma aufweist.
Vorrichtung (1, 9) nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (13) mittels eines Lichtleiters (10) mit dem Laserkopf (3a, 3b) verbunden ist.
Vorrichtung (1, 9) nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (3a, 3b) eine Fokussieroptik aufweist.