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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines beschichteten
Blechs gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist bereits aus
der
JP 11-047967 , der
DE 4407190A1 und
der
DE 10241593 A1 bekannt.
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Bei
vielen beschichteten Blechen, insbesondere bei Zinkbeschichteten
Blechen wie sie in der Automobilindustrie Verwendung finden, weist
das Beschichtungsmaterial einen deutlich niedrigeren Siedepunkt
auf als der Schmelzpunkt des Blechmaterials. Dadurch kommt es beim
Laserschweißen
derartiger Bleche im Überlapp-Stoß zu explosionsartigen Verdampfungen
von Beschichtungsmaterial, welche die Qualität der Verbindung stark beeinträchtigen.
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Zur
Verbesserung der Verbindungsqualität wurde bereits vorgeschlagen,
mittels Abstandhaltern enge Spalten zwischen den Blechen zu erzeugen,
in die das verdampfte Beschichtungsmaterial entweichen kann. Geeignete
kraterförmige
Abstandhalter können
gemäß der
JP 11-047967 durch Laserbeschuss
der Oberfläche
erzeugt werden. Gemäß der
DE 4407190 A1 können mit
einem gepulsten Laserstrahl rändelungsartige
Abstandhalter hergestellt werden. Gemäß der
DE 10241593 A1 können mittels Durchschmelzen
des Bleches Abstandhalter auf der strahlabgewandten Seite des Blechs
erzeugt werden.
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Bei
den beiden erstgenannten Verfahren können miteinander zu verschweißende Bleche
erst nach Erzeugung der Abstandhalter in eine zu verschweißende Position
zueinander gebracht und dort mittels geeigneter Spanntechnik fixiert
und dann erst miteinander verschweißt werden. Bei einem Verfahren
gemäß der
DE 10241593 A1 können zwei
Bleche bereits zur Erzeugung der Abstandshalter in etwa in eine
zu verschweißende
Position zueinander gebracht und dort mittels geeigneter Spanntechnik
positioniert werden. Allerdings ist dabei ein Mindestabstand zwischen
den Blechen einzuhalten, um die Ausbildung der Abstandhalter zu
erlauben. Erst nach der Ausbildung der Abstandhalter können die
Bleche zur endgültigen
Fixierung exakt positioniert, zusammengedrückt und dann verschweißt werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, welches es erlaubt, die Anzahl der Verfahrensschritte
für das Schweißen beschichteter
Bleche zu reduzieren ohne dabei Einbußen in der Qualität der Schweißverbindung
hervorzurufen.
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Die
Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
(Patentansprüche
2 bis 7).
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des zu schaffenden Verfahrens zur Laserbearbeitung eines beschichteten
Blechs erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
der Laserstrahl derart gesteuert oder geregelt wird, dass der Laserstrahl
das Blech ausgehend von der ihm zugewendeten Seite in Richtung auf
die ihm abgewendeten Seite anschmilzt, ohne das Blech durchzuschweißen und
dabei auf der dem Laser abgewandten Seite des Bleches eine aus dessen
Oberfläche
herausragende Topographieänderung
erzeugt.
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In
Folge der Energieeinbringung durch den Laserstrahl schmilzt das
Blech auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite auf. Durch Wärmeleitung wird
auch die dem Laser abgewandte Seite des Blechs erwärmt und
durch dabei auftretenden thermischen Verzug bilden sich eine konvexe
Materialaufwölbung
mit benachbarter konkaver Materialunterwölbung aus. Diese Verformungen
bleiben auch nach Abkühlung
des Blechs im Wesentlichen erhalten. Eine derartig erzeugt herausragende
Topographieänderung
weist für
die Anwendung als Abstandhalter für das Verschweißen beschichteter
Bleche eine Höhe über der
Blechoberfläche
von 0,01 bis 0,2 mm auf, vorzugsweise von 0,02 bis 0,1 mm.
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Zur
Steuerung des Laserenergieeintrags werden Parametersätze verwendet,
für die
mittels Simulation oder empirisch geeignete Toleranzbänder ermittelt
wurden. Geeignete Simulationsverfahren des Laserenergieeintrags
in beschichtete Bleche und des daraus resultierenden einseitigen
Aufschmelzvorgangs des Blechs sind bekannt. Für die empirische Ermittlung
können
Schweißversuche
mit einem einzelnen beschichteten Blech durchgeführt werden und die Parameter
ermittelt werden, bei denen keine Durchschweißung, aber eine ausreichende
herausragende Topographieänderung
auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite resultiert.
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Zur
Regelung des Laserenergieeintrags kann z.B. die Auftrefffläche des
Laserstrahls auf dem Blech optisch oder in einem anderen Wellenlängenbereich
mittels bekannter Prozesskontrolleinrichtungen überwacht und aus charakteristischen Änderungen
auf die Einschweißtiefe
rückgeschlossen
werden. Zur Regelung werden in Abhängigkeit von der ermittelten
Einschweißtiefe
entsprechende Parameter wie bei der Steuerung verändert.
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Eine
andere Möglichkeit
ergibt sich, wenn zwei bereits miteinander verspannte Bleche vorliegen,
und zwischen diesen eine Kontaktprüfung während des einseitigen Einschweißens vorgenommen werden
kann wie sie z.B. in der
DE 102004025935 A1 beschrieben wird. Sobald
eine sich bereits vor einem Durchschweißen ausbildende herausragende Topographieänderung
den auch zwischen verspannten Blechen immer vorliegenden Minimalspalt
von circa 0,001 bis 0,01 mm überbrückt (und
ggf. aufweitet), ergibt die Kontaktprüfung ein signifikantes Änderungssignal,
welches zur Regelung der Energieeinbringung durch den Laserstrahl
genutzt werden kann. (Handelsübliche
Bleche sind nie exakt eben. Daraus resultieren Minimalspalte.) Die
Kontaktprüfung
kann durch Messung von Ultraschall, Kapazität, elektrischen Widerstand
oder Wirbelstrom erfolgen. Dazu kann sowohl ein durch die Bleche
transmittiertes oder von ihnen reflektiertes Signal verwendet werden.
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Derartige
Messungen liefern deutliche Signalunterschiede bei vorhandenem oder
fehlendem lokalen Kontakt und gewährleisten daher eine hohe Prüfqualität.
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Geeignete
Parameter zur Steuerung oder Regelung des Laserstrahls sind beispielsweise
die Strahlintensität,
die Fokussierung, die Strahlvorschubsgeschwindigkeit u.a.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Topographieänderung
erzeugt während
das beschichtete Blech sich zusammen mit zumindest einem weiteren
Blech in einer Spannvorrichtung befindet, welche die zumindest zwei
Bleche relativ zueinander fixiert. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Fixierung bereits in der exakten zu verschweißenden Position
der Bleche erfolgt.
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Dadurch
können
die Erzeugung der Abstandhalter und das Verschweißen der
Bleche in einer einzigen Vorrichtung vorgenommen werden. Hieraus
resultieren eine geringere Prozesszeit und weniger Fehlermöglichkeiten,
insbesondere wird die relative Positionsgenauigkeit zwischen Abstandhaltern
und späterer
Schweißnaht
wesentlich verbessert. Der geringe aber für die notwendige Entgasung ausreichende
Abstand zwischen den Blechen hat den weiteren Vorteil, dass der
aufgrund des Spalts unvermeidliche Nahteinfall (zur Auffüllung dieses Zwischenraums)
besonders gering ausfällt.
Das bedeutet, das erfindungsgemäße Verfahren
liefert eine besonders gute Nahtqualität.
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Besonders
vorteilhaft können
Satzgreifer verwendet werden. Dadurch, dass so jeweils ein kompletter
Satz zu verschweißender
Bleche gegriffen werden kann, wird die Ausbringung verschweißter Bauteile
erhöht
und die Taktzeit kann verringert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bewirkt die mindestens eine herausragende Topographieänderung die
Ausbildung mindestens eines Spaltes zwischen den mindestens zwei
Blechen. Danach werden die mindestens zwei Bleche im Bereich des
mindestens einen Spaltes derart miteinander verschweißt, dass dabei
auftretende Verdampfungsprodukte in den mindestens einen Spalt entweichen
können.
Der Spalt wird dabei vorrangig durch die herausragende Topographieänderung
und deren Höhe über der Blechoberfläche bestimmt.
Ergänzend
steht die benachbarte konvexe Materunterwölbung als zusätzlicher
Entgasungsraum zur Verfügung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die mindestens zwei Bleche derart miteinander verschweißt, dass
die Schweißnaht
neben der vorher erzeugten mindestens einen Topographieänderung
entsteht. Vorzugsweise beträgt
der Abstand weniger als circa 2 mm, insbesondere weniger als circa
1 mm. Dies stellt sicher, dass der aufgrund der geringen Höhe der herausragenden
Topographieänderung
vergleichsweise schmale Spalt auch bei gegeneinander gepressten
Blechen noch ausreichend Entgasungsraum bietet, was in größerer Entfernung
ggf. nicht mehr gewährleistet
ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Schweißnaht zentral über die
Materialunterwölbung
gelegt wird, da so zu beiden Seiten der Naht ein Maximum an Entgasungsraum
zur Verfügung
steht.
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Eine
zusätzliche
Absicherung hinsichtlich eines ausreichendden Entgasungsraums bietet
eine weitere bevorzugte Ausführungsform,
bei welcher mindestens zwei Topographieänderungen erzeugt werden, und
wobei die mindestens zwei Bleche derart miteinander verschweißt werden,
dass die Schweißnaht
zwischen den vorher erzeugten Topographieänderungen entsteht. Dadurch
wird einerseits die Einhaltung des Blechabstands auch bei hohem Anpressdruck
gesichert und andererseits liefert die Ausbildung mehrerer benachbarter
konkaver Materialunterwölbungen
zusätzlichen
Entgasungsraum.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weisen die Schweißnaht
und die mindestens eine herausragende Topographieänderung
im Wesentlichen die gleiche Form und im Wesentlichen über ihre
Erstreckung keinen Abstand (deckungsgleich) oder einen im Wesentlichen
gleichmäßigen Abstand
voneinander auf. Dies gewährleistet über die
ganze Länge
der Schweißnaht
ein gleich bleibendes Maß an
verfügbarem
Entgasungsraum und damit eine einheitliche Nahtqualität.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn der Strahldurchmesser während der Erzeugung der Topographieänderung
derart fokussiert ist, dass er auf der Werkstückoberfläche einen größeren Durchmesser
aufweist als der Strahldurchmesser während der Erzeugung der Schweißnaht. Dadurch
kann eine ausreichende Reinigung der Oberfläche von Verunreinigungen wie
z.B. Öl
sowie eine Entfernung der oberseitigen Beschichtung gewährleistet
werden. Je nach Grad der Defokussierung und der damit verbundenen Änderung
der Energiedichte kann die Strahlführgeschwindigkeit angepasst
werden, um ausreichende Leistung zu gewährleisten.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn der Laserstrahl mittels einer Scanner-Einrichtung
auf die Oberfläche
des Blechs gelenkt wird. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders
schnelle und flexible Stahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein
Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren
schwenkbaren Spiegeln) oder auch akusto-optischen Modulatoren.
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Der
große
Vorteil eines scanner-basierten Verfahrens gegenüber konventionellen Verfahren – wie dem
in
JP 11-047967 vorgeschlagenen – besteht darin,
dass die Scanner-Einrichtung gleichmäßig relativ zur Oberfläche eines
Bleches bewegt wird und dabei die Scannereinrichtung den Laserstrahl
für einen
kurzen Bearbeitungszeitraum auf eine Bearbeitungsfläche lenkt
und dann sehr schnell auf eine andere Bearbeitungsfläche umlenkt
Hierdurch entfallen die für
die Umpositionierung des Laserstrahls erforderlichen Zeiten nahezu
vollständig.
Somit wird eine sehr hohe Auslastung des Lasersystems ermöglicht. Im
Gegensatz dazu wird bei einem konventionellem Lasersystem, wie es
beispielsweise in der
JP 11-047967 zur
Anwendung kommt, ein Laserstrahl mittels eines starren Linsensystem
auf die Bearbeitungsfläche
gelenkt. Für
den Übergang
zu einer zweiten Bearbeitungsfläche
muss das Linsensystem relativ zum Bauteil bewegt werden, währenddessen muss
der Laser ausgeschaltet werden. Weiterhin sind die Lage und Anordnung
der Topographieänderungen
erfindungsgemäß innerhalb
des Bearbeitungsbereiches des Laserscanners frei programmierbar.
Im Vergleich zum starren Linsensystem muss der Laserscanner nicht über die
einzelnen Topographieänderungen
positioniert werden, sondern kann in vorteilhafter Weise auf einer
optimierten Bahn zwischen den Topographieänderungen geführt werden. Aus
diesen Unterschieden resultieren sehr unterschiedliche erforderliche
Bearbeitungszeiten.
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Nachfolgend
wird anhand eines Ausführungsbeispiels
und der Figuren das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
Dabei
zeigen:
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1 Zwei
gegeneinander positionierte und verspannte Bleche
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2 Dieselben
Bleche mit zwei einseitigen Schmelzbädern
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3 Dieselben
Bleche mit zwei sich unter den Schmelzbädern ausgebildeten Topographieänderungen
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4 Dieselben
Bleche mit einer zwischen den Topographieänderungen ausgebildeten Schweißnaht
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Die 1 bis 4 zeigen
schematisch und nicht maßstabsgerecht
den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
am Beispiel zweier zu verbindender beschichteter Bleche mit einer
Dicke von 0,6 mm. Diese Bleche werden zunächst in die gewünschte Verbindungsposition
gebracht und dort fixiert und zusammengepresst.
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Mittels
eines Laserscanners wird ein Laserstrahl eines 2 kW Nd-YAG-Lasers
auf eines der Bleche gerichtet. Der Laserscanner lenkt den Laserstrahl
mit einer Geschwindigkeit von 24 m/min 5 mal in einem gleich bleibenden
Abstand von circa 1 mm um eine noch zu erstellende Schweißnaht. Dabei schmilzt der
Laserstrahl das Blech ausgehend von der ihm zugewendeten Seite in
Richtung auf die ihm abgewendeten Seite an, ohne das Blech durchzuschweißen. Von
der sich ausbildenden Schmelze wird Wärme durch das Blech zu der
dem Laser abgewandten Seite geleitet, es bilden sich thermische Spannungen
aus, die auf der dem Laser abgewandten Seite des Bleches eine aus
dessen Oberfläche herausragende
Topographieänderung
in Form einer konvexen Materialaufwölbung mit benachbarter konkaver
Materialunterwölbung
erzeugen. Beide weisen circa 0,03 mm Höhe bzw. Tiefe gegenüber der
ursprünglichen
Blechoberfläche
auf. In den 3 und 4 sind die
resultierende Materialaufwölbung
und die Materialunterwölbung
zur besseren Erkennbarkeit überhöht dargestellt.
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In
einem unmittelbar nachfolgenden Verfahrensschritt wird derselbe
Laserstrahl, der eben noch mit sehr hoher Geschwindigkeit (und damit
niedrigem Energieeintrag pro Zeiteinheit) die Wärmespur für die Ausbildung der abstandhaltenden
Topographieänderung
gelegt hat, nun langsamer (und mit höherem Energieeintrag pro Zeiteinheit)
circa 0,5 mm beabstandet zu den beiden benachbarten Wärmespuren über das
ihm zugewandte Blech geführt.
Dabei bildet sich eine Schweißnaht
zwischen beiden beschichteten Blechen aus. Die zwischen den Blechen
verdampfende Beschichtung entweicht in den durch die Materialaufwölbungen
und die Materialunterwölbungen gebildeten
Entgasungsraum. Eine ansonsten übliche Nahtabsenkung
bildet sich aufgrund des geringen Spaltmaßes nur in kaum wahrnehmbarer
und deshalb nicht dargestellter Tiefe aus.
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Alternativ
können
auch erst mehrere Wärmespuren
gefahren werden und dann mehrere Schweißnähte gesetzt werden.
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Als
besonders effizient hat sich ein alternierendes Verfahren erwiesen
(bei dem die sonstigen Parameter unverändert bleiben): Zuerst werden
zwei Wärmespuren
gefahren. Während
die zweite Wärmespur
gefahren wird, kühlt
die erste Spur ab und die Topographieänderung verfestigt sich. Nach
der zweiten Wärmespur
wird eine erste Schweißspur
im Bereich der ersten Topographieänderung gefahren. Danach wird
eine dritte Wärmespur
gefahren. Die zweite Wärmespur
kühlt während der
Erzeugung der ersten Schweißspur
und der dritten Wärmespur
ab. Nach der dritten Wärmespur
wird eine zweite Schweißspur
im Bereich der zweiten Topographieänderung gefahren. Eine derartige
1:1 Alternierung ist besonders effizient hinsichtlich der Ausnutzung
des Laserscanners. Aber auch andere Alternierungen sind denkbar,
z.B. 2:2, d.h. zwei Wärmespuren
und dann zwei Schweißspuren,
dadurch wird die Abkühlzeit
etwas verlängert,
was je nach Blechart oder Dicke vorteilhaft sein kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erweist sich in den Ausführungsformen
der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Laserschweißen beschichteter
Bleche in der Automobilindustrie.
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Insbesondere
können
so erhebliche Vorteile bezüglich
Nahtqualität
und der Positionsgenauigkeit zwischen Entgasungsspalt und Schweißnahtsowie der
Bearbeitungszeit erzielt werden.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
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So
ist zum Beispiel denkbar, dass zwei oder mehrere Bleche zunächst aneinander
geheftet werden, z.B. ebenfalls mittels Laserschweißen, und dann
in der durch die Heftung fixierten relativen Position gemeinsam
von einem Satzgreifer ergriffen werden und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens abstand haltende
Topographieänderungen
eingebracht werden bevor abschließend die Schweißnähte gesetzt
werden.