DE102006026409A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung - Google Patents

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Dieter Schiebel
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung mit Hilfe von Strahlungsenergie auf einer Fügefläche (21),die durch ein Durchgangsloch (25) zugänglich ist, das in einer Trennwand (22) vorgesehen ist, die von der Fügefläche (21) beabstandet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlungsenergie durch das Durchgangsloch (25) zu einer Schweißverbindungsstelle (32) geleitet wird, die außerhalb der senkrechten Projektion (28) des Durchgangslochs (25) auf die Fügefläche (21) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung mit Hilfe von Strahlungsenergie auf einer Fügefläche, die durch ein Durchgangsloch zugänglich ist, das in einer Trennwand vorgesehen ist, die von der Fügefläche beabstandet ist.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 26 234 A1 ist eine Aufbaustruktur für ein Kraftfahrzeug mit zusammengesetzten Trägern bekannt, wobei zum Verbinden der Träger durch Schweißen eine Arbeitsöffnung vorgesehen ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 07 471 A1 ist eine Vorrichtung zum Führen von optischen Strahlen bekannt, die eine Strahlenumlenkvorrichtung mit einem schwenkbaren Strahlenaustrittskörper umfasst. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 38 309 A1 ist eine Vorrichtung zum Schweißen bekannt, die einen schwenkbaren Schweißkopf umfasst, der mit einer Fokussieroptik ausgerüstet ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 06 008 A1 ist eine Vorrichtung zum Spaltschweißen bekannt, die einen Fokussierspiegel umfasst, der um eine parallel zur Längsrichtung von Schweißraupen liegende Drehachse schwenkbar ist. Aus dem US-Patent US 4,654,505 ist eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen bekannt, die eine Spanneinrichtung umfasst, die einen Durchbruch aufweist, durch den ein Laserstrahl zu einer Schweißstelle hindurch geführt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, insbesondere im Hinblick auf die Herstellkosten, zu optimieren.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung mit Hilfe von Strahlungsenergie auf einer Fügefläche, die durch ein Durchgangsloch zugänglich ist, das in einer Trennwand vorgesehen ist, die von der Fügefläche beabstandet ist, dadurch gelöst, dass die Strahlungsenergie durch das Durchgangsloch zu einer Schweißverbindungsstelle geleitet wird, die außerhalb der senkrechten Projektion des Durchgangslochs auf die Fügefläche angeordnet ist. Dadurch können auf einfache Art und Weise hinterschnittene Verbindungen hergestellt werden.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie an der Schweißverbindungsstelle nicht senkrecht, sondern schräg auf die Fügefläche aufgebracht wird. Dadurch wird die Herstellung von Schweißpunkten und/oder Schweißnähten in Hohlräumen deutlich vereinfacht, da im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ein deutlich größerer Bereich in einem Hohlraum zwischen der Fügefläche und der Trennwand abgedeckt werden kann.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der von der senkrechten Richtung abweichende Einstrahlwinkel der Strahlungsenergie zwischen 0 und 45 Grad beträgt. Bei größeren Winkeln kann eine ungleichmäßige Energieverteilung über dem Strahlquerschnitt auftreten.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der von der senkrechten Richtung abweichende Einstrahlwinkel der Strahlungsenergie etwa 40 Grad beträgt. Mit diesem Einstrahlwinkel wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung gute Ergebnisse erzielt. Der Einstrahlwinkel und der Strahldurchmesser sind von der verwendeten Laserquelle, der verwendeten Optik und dem Abstand zwischen der Fügefläche und der Trennwand abhängig.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangslochs mehr als 3 mm beträgt. Der Durchmesser des Durchgangslochs beträgt vorzugsweise mehr als 3,39 mm.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangslochs mehr als etwa 8 mm beträgt. Mit diesem Wert wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders gute Ergebnisse erzielt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie entlang einer Schweißverbindungslinie, die, zumindest teilweise, außerhalb der senkrechten Projektion des Durchgangslochs auf die Fügefläche angeordnet ist, auf die Fügefläche aufgebracht wird. Die Schweißverbindungslinie kann gerade oder gekrümmt verlaufen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Strahlungsenergie eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserstrahlungsquelle, verwendet wird, die von einem Schweißkopf beabstandet ist, der dazu verwendet wird, die Strahlungsenergie durch das Durchgangsloch zu der Schweißverbindungsstelle zu leiten. Bei der Strahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Festkörperlaser. Der Schweißkopf ist vorzugsweise mit einer Fokussieroptik ausgestattet und an einem Roboterarm befestigt.
  • Die Erfindung betrifft auch die Anwendung des vorab beschriebenen Verfahrens zum Erzeugen einer Schweißverbindung in einem Hohlraum, in dem die durch das Durchgangsloch zugängliche Fügefläche angeordnet ist. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren beim Schweißen von Längsträgern der Bodengruppe eines Kraftfahrzeugs angewendet.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts aus 1 und
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2.
  • In 1 ist ein Bauteil 1 perspektivisch angedeutet, das eine Bodengruppe mit einem angeschweißten Längsträger umfasst. Die Schweißverbindung wird mit Hilfe eines Festkörperlasers 4 erzeugt, der über ein Lichtleitkabel 5 optisch mit einem Schweißkopf 6 verbunden ist. Der Schweißkopf 6 umfasst eine Fokussieroptik und ist an einem Ende eines Roboterarms 8 befestigt, der von einem Roboterführungssystem 10 ausgeht.
  • Der von dem Festkörperlaser 4 erzeugte Laserstrahl tritt, wie bei 12 angedeutet ist, aus dem Schweißkopf 6 aus und kann durch Bewegen des Schweißkopfes 6 mit Hilfe des Roboterarms 8 in beliebige Richtungen verschwenkt werden, wie durch gestrichelte, kreisbogenförmige Pfeile 14, 15 angedeutet ist. Durch einen Pfeil 17 ist die Vorschubrichtung beim Schweißen angedeutet. Die Vorschubbewegung wird durch Verschwenken des Schweißkopfes 6 in Richtung des Pfeils 15 bewirkt. Durch einen weiteren Pfeil 18 ist der Arbeitsabstand zwischen dem Schweißkopf 6 und dem Bauteil 1 angedeutet.
  • In 2 ist ein Ausschnitt des Bauteils 1 mit dem Laserstrahl 12 schematisch und vergrößert dargestellt. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich um eine Bodengruppe 20 eines Kraftfahrzeugs mit einer Fügefläche 21, von der eine Trennwand 22 beabstandet ist. Die Trennwand 22 ist Teil eines Längsträgers, der an der Fügefläche 21 mit einem weiteren Teil der Bodengruppe 20 verschweißt wird. Der Abstand zwischen der Fügefläche 21 und der Trennwand 22 ist mit a bezeichnet. Zwischen der Trennwand 22 und der Fügefläche 21 ist ein Hohlraum 24 ausgebildet, der durch ein Durchgangsloch 25 von außen zugänglich ist, das auch als Arbeitsöffnung bezeichnet wird. Mit 27 ist eine Senkrechte auf die Fügefläche 21 bezeichnet, die sich durch die Mitte des Durchgangslochs 25 erstreckt. Durch einen Doppelpfeil 28 ist die senkrechte Projektion des Durchgangslochs 25 auf die Fügefläche 21 angedeutet.
  • Durch eine strichpunktierte Linie 31 ist die Längsachse des Laserstrahls angedeutet, die auch als Laserstrahlachse bezeichnet wird. Die Laserstrahlachse 31 ist in einem Winkel α zu der Senkrechten 27 angeordnet. Der Winkel α, der auch als Einstrahlwinkel bezeichnet wird, ist so gewählt, dass sich eine Schweißstelle 32, an der der Laserstrahl 12 auf die Fügefläche 21 auftritt, außerhalb der Projektion 28 des Durchgangslochs 25 auf die Fügefläche 21 befindet. Eine gestrichelte Linie 34 verläuft senkrecht zu der Senkrechten 27 durch den Mittelpunkt des Durchgangslochs 25. Die gestrichelte Linie 34 weist einen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Laserstrahlachse 31 auf. Der Abstand zwischen der gestrichelten Linie 34 und der Schweißstelle 32 ist mit Z bezeichnet.
  • In 3 ist ein Ausschnitt mit dem Durchgangsloch 25 aus 2 vergrößert dargestellt. In 3 ist der Durchmesser des vorzugsweise kreisrunden Durchgangslochs 25 mit dl bezeichnet. Der Durchmesser des Laserstrahls 12 ist mit ds bezeichnet. Der Laserstrahldurchmesser ds ist abhängig von der verwendeten Laserquelle, der verwendeten Optik/Faser und von dem Abstand Z. Der Winkel zwischen der Trennwand 22 und dem Laserstrahl 12 ist in 3 mit β bezeichnet. In dem gezeigten Beispiel beträgt der Winkel α 40 Grad und der Winkel β 50 Grad. Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Senkrechten 27 mit der Fügefläche 21 und der Schweißstelle 32 ist in 2 mit G bezeichnet. Der Tangens von α ist gleich dem Verhältnis von G zu a. Der von Z abhängige Laserstrahldurchmesser ds beträgt im vorliegenden Beispiel 2,6 mm. G beträgt 42 mm. Der Sinus von β ist gleich dem Verhältnis von ds zu dl. Daraus ergibt sich ein minimaler Lochdurchmesser von 3,39 mm. Der Solldurchmesser des Durchgangslochs 25 soll größer als der mit zwei multiplizierte minimale Lochdurchmesser sein, also im vorliegenden Beispiel etwa 8 mm.
  • Das vorab beschriebene Laserschweißverfahren wird auch als Remote-Laserstrahlschweißen bezeichnet. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wurde herausgefunden, dass mit dem Remote-Laserstrahlschweißen Schweißnähte mit ausreichender Qualität erzeugt werden können, ohne dass der Laserstrahl senkrecht auf die Fügeebene beziehungsweise Schweißstelle trifft. Somit wird das Remote-Laserstrahlschweißen verwendet, um hinterschnittene Verbindungen herzustellen, bei denen der Laserstrahl durch eine Öffnung in einem Hohlprofil an die Schweißstelle geleitet wird. Die Schweißstelle liegt außerhalb der senkrechten Projektion der Öffnung auf die Fügefläche.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung mit Hilfe von Strahlungsenergie auf einer Fügefläche (21), die durch ein Durchgangsloch (25) zugänglich ist, das in einer Trennwand (22) vorgesehen ist, die von der Fügefläche (21) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie durch das Durchgangsloch (25) zu einer Schweißverbindungsstelle (32) geleitet wird, die außerhalb der senkrechten Projektion (28) des Durchgangslochs (25) auf die Fügefläche (21) angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie an der Schweißverbindungsstelle (32) nicht senkrecht, sondern schräg auf die Fügefläche (21) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von der senkrechten Richtung abweichende Einstrahlwinkel (α) der Strahlungsenergie zwischen 0 und 45 Grad beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der von der senkrechten Richtung abweichende Einstrahlwinkel (α) der Strahlungsenergie etwa 40 Grad beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangslochs (25) mehr als 3 mm beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangslochs (25) mehr als etwa 8 mm beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie entlang einer Schweißverbindungslinie, die, zumindest teilweise, außerhalb der senkrechten Projektion (28) des Durchgangslochs (25) auf die Fügefläche (21) angeordnet ist, auf die Fügefläche (21) aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Strahlungsenergie eine Strahlungsquelle (4), insbesondere eine Laserstrahlungsquelle, verwendet wird, die von einem Schweißkopf (6) beabstandet ist, der dazu verwendet wird, die Strahlungsenergie durch das Durchgangsloch (25) zu der Schweißverbindungsstelle (32) zu leiten.
  9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Erzeugen einer Schweißverbindung in einem Hohlraum (24), in dem die durch das Durchgangsloch (25) zugängliche Fügefläche (21) angeordnet ist.
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