DE102007063456A1

DE102007063456A1 - Verfahren zum Schweißverbinden von Werkstücken aus einem metallischen Werkstoff mit einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE102007063456A1
Application number: DE102007063456A
Authority: DE
Inventors: Markus Lingner
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen (2, 4) aus einem metallischen Werkstoff mit einer Überlappschweißung mit einem Laserstrahl (L) werden die Bauteile in einer Überlappzone (6) übereinander angeordnet und der Laserstrahl (L) wird dieser entlang einer Schweißbahn (16) mit einem zumindest in der Überlappzone (6) entlang dieser Schweißbahn (16) variierenden Energieeintrag pro Längeneinheit (dE/ds) bewegt. Durch diese Maßnahmen ist insbesondere beim Überlappschweißen das Ausmaß, in dem Verbindungsfehler auftreten, verringert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißverbinden von Werkstücken aus einem metallischen Werkstoff mit einem Laserstrahl.
Beim Schweißverbinden von Bauteilen aus einem metallischen Werkstoff hat sich insbesondere in Anwendungsbereichen, bei denen es auf hohe Schweißgeschwindigkeit, feine Schweißnähte und geringen Wärmeeintrag ankommt, das Schweißverbinden mit einem Laserstrahl gegenüber konventionellen Schweißverfahren als besonders vorteilhaft herausgestellt. Speziell beim Überlappschweißen von metallischen Bauteilen, beispielsweise beschichtete oder unbeschichtete Bleche, mit einem Laserstrahl treten insbesondere dann, wenn zwischen den Blechen im Überlappbereich Spalte auftreten, d. h. die Bauteile nicht spaltfrei im zu verschweißenden Bereich aneinander anliegen, Verbindungsfehler, d. h. Stellen auf, an denen die beiden Bauteile nicht miteinander verbunden sind. Im Bereich solcher Spalte erkennt man zwar einen aufgeschmolzenen Bereich sowohl in dem dem Laserstrahl zugewandten Bauteil als auch in dem auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Bauteil. Zwischen diesen aufgeschmolzenen Bereichen besteht jedoch keine metallische Verbindung. Diese auch als "falsche Freunde" bezeichneten Verbindungsfehler führen zwangsläufig zu einer verringerten Festigkeit der Schweißverbindung oder aber im ungünstigsten Fall sogar dazu, dass die Bauteile überhaupt nicht miteinander verschweißt sind.
Um bei solchen kritischen Applikationen dennoch ausreichend feste Schweißverbindungen mit einem Laserstrahl zu ermöglichen, ist es beispielsweise aus der WO 2006/027013 A1 bekannt, den Laserstrahl entlang einer Schweißbahn zu führen, die länger ist als die eigentliche Naht- oder Schweißlinie, wobei unter Schweißlinie der mittlere Verlauf der Schweißbahn zu verstehen ist. Dies kann in Form einer Pendelbewegung des Laserstrahls relativ zu den Bauteilen schräg oder quer zur Schweißlinie oder auch in Richtung der Schweißlinie geschehen. Auf diese Weise können Schweißnähte erzeugt werden, die hohen dynamischen Beanspruchungen standhalten.
Aus der WO 2006/074999 A1 ist es bekannt, auch beim Überlappschweißen von Blechen, die Bleche im Überlappungsbereich entlang einer wellenförmigen Pendellinie miteinander zu verschweißen. Durch die auf diese Weise beim Verschweißen der Bleche entlang der Schweißlinie entstehende wellenförmige Schweißbahn ist die entstehende Schweißbahn länger als eine Schweißbahn, die bei Verschweißen entlang einer geraden Linie entsteht. Dadurch ist die Festigkeit der Schweißnaht erhöht.
In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass die Erhöhung der Länge der Schweißbahn zwar insgesamt die Festigkeit der Schweißverbindung erhöht, das Auftreten der oben erläuterten Verbindungsfehler (die "falschen Freunde") aber nicht verhindert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen aus einem metallischen Werkstoff mit einem Laserstrahl anzugeben, bei dem beim Überlapp schweißen das Auftreten von Verbindungsfehlern weitgehend vermieden ist.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren werden die Bauteile in einer Überlappzone übereinander angeordnet und ein Laserstrahl wird entlang einer Schweißbahn mit einem entlang dieser Schweißbahn variierenden Energieeintrag pro Längeneinheit bewegt. Durch die auf diese Weise erfolgende Variation der Einschweißtiefe wird überraschenderweise erreicht, dass das Auftreten und die Ausdehnung von Verbindungsfehlern verringert wird.
Als Ursache hierfür wird vermutet, dass durch die Variation der Tiefe und Ausdehnung des durch den fokussierten Laserstrahl erzeugten Schmelzkraters ein Auffüllen des Zwischenraumes zwischen den beiden Bauteilen mit Schmelze bewirkt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Energieeintrag pro Längeneinheit entlang der gesamten Schweißbahn variiert wird, oder anders ausgedrückt, wenn es entlang der Schweißbahn keine Streckenabschnitte gibt, in denen der Energieeintrag pro Längeneinheit, d. h. die Streckenenergie konstant ist.
Der Laserstrahl kann sowohl kontinuierlich als auch gepulst sein. Bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls ist unter dem Begriff „Energieeintrag" im Sinne der vorliegenden Erfindung ein mittlerer Energieeintrag zu verstehen, der auf eine Strecke (Längeneinheit) bezogen ist, die zumindest so lang ist, dass sie vom Beginn eines Laserpulses bis zum Beginn des nächsten Laserpulses reicht. Ein solcher (mittlerer) Energie eintrag pro Längeneinheit entspricht dem Quotienten aus mittlerer Leistung und Geschwindigkeit.
Der variierende Energieeintrag pro Längeneinheit kann in einer Ausgestaltung der Erfindung grundsätzlich dadurch erzeugt werden, dass die mittlere Laserleistung bei konstanter Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Schweißbahn variiert wird.
Alternativ hierzu wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Variation des Energieeintrags pro Längeneinheit dadurch erzielt, dass die Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Schweißbahn variiert wird. Durch diese Maßnahme ist es möglich, den Laser stets mit maximaler Leistung zu betreiben, d. h. seine nominelle Leistung vollständig auszunutzen.
Grundsätzlich ist es auch möglich, sowohl die mittlere Laserleistung als auch die Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Schweißbahn zu variieren.
Besonders hohe Festigkeiten werden erreicht, wenn die Schweißbahn pendelnd zwischen Umkehrstellen um eine innerhalb der Überlappzone befindliche Mittellinie verläuft.
Wenn es die geometrische Anordnung der Bauteile ermöglicht, eine pendelnde Schweißbahn derart anzuordnen, dass die Umkehrstellen innerhalb der Überlappzone angeordnet sind, hat sich herausgestellt, dass besonders hohe Festigkeiten dann erreicht werden, wenn der Energieeintrag pro Längeneinheit in der Umgebung der Umkehrstellen größer ist als in der Umgebung der Mittellinie.
Ein solches Pendelschweißverfahren ist besonders vorteilhaft beim sogenannten Remote-Schweißen anwendbar, bei dem eine Fokussieroptik mit einer Brennweite im Meterbereich eingesetzt wird, und bei dem die Pendelurig trägheitsarm mit einem dementsprechend beabstandet vom Werkstück schwenkbar angeordneten Umlenkspiegel durchgeführt wird, der nur um Drehwinkel im Bereich von einem bis wenigen Zehntelgrad geschwenkt werden muss.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 ein Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem zwei Bauteile mit einem Laserstahl mit einer Überlappschweißung miteinander verschweißt werden,
2 eine Draufsicht auf die miteinander verschweißten Bauteile, bei der die Schweißbahn die Gestalt einer Pendellinie quer zur Schweißlinie hat,
3 ein Diagramm, in dem der Energieeintrag pro Längeneinheit gegen die entlang der Schweißbahn gemäß 2 zurückgelegte Wegstrecke aufgetragen ist,
4 jeweils drei alternative Ausführungsformen einer Schweißbahnform gemäß der Erfindung.
Gemäß 1 werden ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 4 mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten Spannvorrichtung übereinander angeordnet und in einer auf diese Weise entstehenden Überlappzone 6 mit einem auf das erste Bauteil 2 auftreffenden fokussierten Laserstrahl L miteinander verschweißt. Der Laserstrahl L wird in einer Laserstrahlquelle 8 erzeugt und über eine Fokussier- und Umlenkeinrichtung 10 auf dem ersten Bauteil 2 fokussiert. Laserstrahl L und Bauteile 2, 4 werden relativ zueinander bewegt, so dass der Laserstrahl L relativ zu den Bauteilen 2, 4 eine Pendelbewegung mit der Amplitude D/2 um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Mittellinie 11 ausführt. Diese Pendelbewegung kann, muss aber nicht symmetrisch zur Mittellinie 11 verlaufen. Ebenso ist es nicht notwendig, dass der Laserstrahl L im Bereich der Mittellinie 11 senkrecht auf das erste Bauteil 2 auftrifft. Während dieser Pendelbewegung bewegt sich der Laserstrahl L zusätzlich entlang dieser Mittellinie 11, d. h. entlang der eigentlichen Naht- oder Schweißlinie. Im Ausführungsbeispiel geschieht dies durch eine entsprechende Schwenkbewegung eines in der Umlenk- und Fokussiereinheit 10 befindlichen Umlenkspiegels um zwei zueinander orthogonale Schwenkachsen. Hierzu wird die Umlenk- und Fokussiereinrichtung 10 von einer Steuereinrichtung 12 gesteuert. Mit Hilfe dieser Steuereinrichtung 12 kann außerdem die mittlere Leistung des von der Laserquelle 8 erzeugten Laserstrahls L gesteuert werden.
Der Laserstrahl L kann kontinuierlich oder gepulst sein. Bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls kann die mittlere Leistung durch Variation der Pulsdauer, Pulshöhe (Energie pro Puls) und/oder der Pulswiederholrate gesteuert werden, wobei die einzelnen Pulse auch einer cw-Grundleistung überlagert sein können. Unter mittlerer Leistung eines gepulsten Laserstrahls ist im Sinne der Erfindung der Mittelwert der Laserleistung in einem Zeitraum zwischen dem Beginn eines Laserpulses bis zum Beginn eines unmittelbar darauf folgenden Laserpulses, d. h. einem einen einzigen Laserpuls umfassenden Zeitraum, oder der Mittelwert in einem Zeitraum zwischen dem Beginn eines Laserpulses bis zum Beginn eines mittelbar darauf folgenden Laserpulse d. h. einem eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Laserpulse umfassenden Zeitraum, zu verstehen.
Alternativ oder ergänzend zu Schwenk- bzw. Linearbewegungen der in der Umlenk- und Fokussiereinheit 10 enthaltenden optischen Komponenten kann die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Bauteile 4 und 2 auch durch eine Bewegung der Bauteile 2, 4 erfolgen.
Zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 4 befindet sich in der Überlappzone 6 ein in der Figur übertrieben eingezeichneter Spalt 14, der entweder verursacht ist durch eine ungenügende Verspannung dieser Bauteile 2, 4 sowie durch Unebenheiten oder aber, wenn es sich beispielsweise um beschichtete, insbesondere um verzinkte Bauteile 2, 4 handelt, bewusst, beispielsweise durch das Anbringen von Noppen in einem der Bauteile 2, 4, eingebracht ist.
In der Draufsicht gemäß 2 ist nun zu erkennen, dass der Laserstrahl L auf dem ersten Bauteil 2 entlang einer Schweißbahn 16 geführt ist, die pendelnd um die Mittenachse oder Mittellinie 11 zwischen Umkehrstellen A1 bis A6 verläuft. Mit anderen Worten: Der vom Laserstrahl L auf der Oberfläche entlang der Schweißbahn 16 zurückgelegte Weg s ist größer als die Länge der Naht- oder Schweißlinie.
Die Ortsfrequenz des Pendelvorganges kann so groß sein, dass sich die Aufschmelzzonen aufeinanderfolgender Pendelbewegungen entweder überlappen oder aber zumindest berühren, so dass sich nahezu auf der gesamten Länge der Schweißnaht eine zusammenhängende Schweißraupe mit einer annähernd der doppelten Amplitude D/2 entsprechenden Breite D ergibt. Der maximale Energie eintrag pro Längeneinheit dE/ds entlang der Schweißbahn 16 ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass der Laserstrahl L das zweite Bauteil 4 nicht durchdringt und allenfalls auf seiner Unterseite, d. h. auf seiner dem auf ihn auftreffenden Laserstrahl abgewandten Seite ein Anschmelzen bewirkt.
Im Diagramm gemäß 3 ist nun zu erkennen, dass der (mittlere) Energieeintrag (dE) pro Längeneinheit (ds) dE/ds (entsprechend einer (mittleren) Leistung (P) pro Geschwindigkeit (v = ds/dt) P/v entlang der Schweißbahn 16 in den Umkehrpunkten A1, A2, A3 größer ist als im Bereich der Mittellinie 18 und außerdem entlang der gesamten Schweißbahn (16) variiert, so dass keine Schweißbahnabschnitte vorkommen, in denen der Energieeintrag pro Längeneinheit dE/ds konstant ist. Dies hat sich bei einer Überlappschweißung, bei der die Umkehrstellen innerhalb der Überlappzone 16 liegen, als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Variation des mittleren Energieeintrags pro Längeneinheit dE/ds kann bei konstanter mittlerer Leistung durch Variation der Geschwindigkeit v entlang der Schweißbahn 16 oder bei konstanter Geschwindigkeit v durch Variation der mittleren Leistung oder durch eine Variation sowohl der mittleren Leistung als auch der Geschwindigkeit erfolgen.
Anstelle des in 2 dargestellten sinus- oder wellenförmigen Verlaufes der Schweißbahn um die Mittellinie 18 sind gemäß 4 auch andere Formen der Schweißbahn möglich, beispielsweise eine zick-zack-förmig verlaufende Schweißbahn 16a, eine trapezoidal verlaufende Schweißbahn 16b oder eine zykloidal verlaufende Schweißbahn 16c. Die Schweißbahn muss auch nicht symmetrisch zur Mittellinie 11 verlaufen. Ebenso kann eine Pendelbewegung ausschließlich entlang der Mittellinie 18 er folgen. Darüber hinaus kann die Schweiß- oder Mittellinie 11 auch abweichend zu dem in 2 und 6 jeweils dargestellten geradlinigen Verlauf auch gekrümmt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/027013 A1 [0003]
- WO 2006/074999 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen (2, 4) aus einem metallischen Werkstoff mit einer Überlappschweißung mit einem Laserstrahl (L), bei dem die Bauteile in einer Überlappzone (6) übereinander angeordnet werden, und bei dem der Laserstrahl (L) entlang einer Schweißbahn (16) mit einem entlang dieser Schweißbahn (16) zumindest in der Überlappzone (6) variierenden Energieeintrag pro Längeneinheit (dE/ds) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Energieeintrag pro Längeneinheit (dE/ds) entlang der gesamten Schweißbahn (16) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mittlere Laserleistung variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Geschwindigkeit des Laserstrahls (L) entlang der Schweißbahn (16) variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schweißbahn (16) pendelnd zwischen Umkehrstellen (A1 bis A6) um eine innerhalb der Überlappzone (6) befindliche Mittellinie (11) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Umkehrstellen (A1 bis A6) innerhalb der Überlappzone (6) angeordnet sind, wobei der Energieeintrag pro Längeneinheit (dE/ds) in der Um gebung der Umkehrstellen (A1 bis A6) größer ist als in der Umgebung der Mittellinie (11).