DE102008033113A1

DE102008033113A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102008033113A1
Application number: DE102008033113A
Authority: DE
Inventors: Juergen Berndl; Hans Hornig
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Schweißverfahren zur Herstellung einer Karosseriekomponente eines Fahrzeugs mit folgenden Schritten: - Bereitstellen zweier miteinander zu verschweißender Bleche, von denen das erste und/oder das zweite Blech ein zinkbeschichtetes Stahlblech ist, - Ansetzen eines zu verschweißenden Randbereichs (3) des ersten Blechs an das zweite Blech, - Abtasten der Position des Randbereichs des ersten Blechs in Bezug auf das zweite Blech mittels einer optoelektronischen Abtasteinrichtung, - Bereitstellen einer Laserschweißeinrichtung, die . eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung und . eine durch eine Elektronik gesteuerte bzw. geregelte, auf beweglichen Spiegeln basierende Laserstrahlablenkeinrichtung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, unter Berücksichtigung von Positionssignalen, die der Elektronik von der Abtasteinrichtung zugeführt werden, den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Bahn zu lenken, um dadurch die beiden Bleche (1, 2) miteinander zu verschweißen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Stand der Technik sind so genannte Remote-Laserstrahl-Schweißvorrichtungen, mittels denen zwei aneinander anliegende, in einem Flanschbereich überlappende Bleche mittels eines von einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahls verschweißt werden Mittels einer Optoelektronik bzw. einer Linsenanordnung wird der Laserstrahl auf eine vorgegebene Schweißbahn, entlang der die beiden Bleche miteinander zu verschweißen sind, fokusiert. „Remote” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Optoelektronik in einem gewissen Abstand, z. B. einen halben Meter entfernt von der Schweißstelle angeordnet sein kann.
Bei zinkbeschichteten Blechen, wie sie im Automobilkarosseriebau verwendet werden, weist die Zinkbeschichtung einen Siedepunkt auf, der deutlich niedriger liegt als der Schmelzpunkt des Blechmaterials. Aufgrund der hohen, beim Laserschweißen auftretenden Temperaturen sublimiert die Zinkbeschichtung. Bei Schweißungen im Bereich einander überlappender Bleche bzw. Flansche kann es im Überlappungsbereich zu explosionsartigen Verdampfungen des Beschichtungsmaterials kommen, da das sublimierende Zink nicht ungehindert aus dem Überlappungsbereich entweichen kann. Solche explosionsartigen Verdampfungen können die Qualität der Schweißverbindung stark beeinträchtigen.
Zur Vermeidung dieses Problems wurde bereits erwogen, die miteinander zu verschweißenden Bleche durch „Abstandshalter” in einem vorgegebenen Abstand von z. B. 0,1–0,3 mm voneinander zu halten, so dass das verdampfende Beschichtungsmaterial ungehindert aus dem Überlappungsbereich entweichen kann.
So beschreibt beispielsweise die EP 1 711 303 ein Verfahren zur Laserbearbeitung beschichteter Bleche, bei dem mittels des Lasers eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung erzeugt wird, die beim Verschweißen der Bleche als Abstandshalter fungiert. Mit einer derartigen Vorbehandlung eines der beiden miteinander zu verschweißenden Bleche wird zwar eine verbesserte Abfuhr des sublimierenden Beschichtungsmaterials erreicht. Die Herstellung derartiger Topographieänderungen ist jedoch für Großserienanwendungen wenig interessant, da der zusätzliche Fertigungsschritt zu Lasten der Taktzeit geht und mit Zusatzkosten verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes Laserschweißverfahren zur Herstellung einer Karosseriekomponente für Fahrzeuge aus verzinkten Blechen anzugeben, mit dem eine konstant hohe Schweißqualität erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Schweißverfahren zur Herstellung einer Karosseriekomponente eines Fahrzeugs mit folgenden Schritten:

– Zunächst werden zwei miteinander zu verschweißende Bleche bereitgestellt, von denen das erste und/oder das zweite Blech ein zinkbeschichtetes bzw. verzinktes Blech, insbesondere ein Stahlblech ist.
– Anschließend wird ein zu verschweißender Randbereich des ersten Blechs an das zweite Blech angesetzt.
– In einem weiteren Schritt erfolgt ein Abtasten der Position des Randbereichs des ersten Blechs in Bezug auf das zweite Blech mittels einer optoelektronischen Abtasteinrichtung.
– Das Verschweißen der beiden Bleche erfolgt mittels einer Laserschweißeinrichtung. Die Laserschweißeinrichtung weist eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung und eine durch eine Elektronik gesteuerte bzw. geregelte, auf beweglichen Spiegeln basierende Laserstrahlablenkeinrichtung auf. Die Laserstrahlablenkeinrichtung ist dazu vorgesehen, unter Berücksichtigung von Positionssignalen, welche der Elektronik von der Abtasteinrichtung geliefert werden, den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Bahn zu lenken um dadurch die beiden Bleche miteinander zu verschweißen.

Ein wesentlicher Vorteil des oben beschriebenen Schweißverfahrens ist darin zu sehen, dass die beiden Bleche einander nicht unbedingt überlappen müssen. Durch Abtasten der Position der beiden Bleche relativ zueinander und durch Auswerten der von der Abtasteinrichtung gelieferten Positionssignale durch die Elektronik, welche die Laserstrahlablenkeinrichtung steuert, ist sichergestellt, dass der Laserstrahl immer exakt entlang einer vorgegebenen Sollbahn bzw. entlang einer vorgegebenen Optimalbahn geführt wird. Beispielsweise kann auch dann, wenn die Relativposition der beiden Bleche gewissen Toleranzen unterliegt, das eine Blech stets einwandfrei entlang seiner Blechkante mit dem anderen Blech verschweißt werden. Da die Bleche also nicht in einem Überlappungsbereich, sondern entlang eines der beiden Bleche miteinander einwandfrei verschweißt werden können, tritt die eingangs beschriebene Problematik explosionsartiger Verdampfungen der Zinkschicht nicht auf.
Eine weitere Verbesserung der Schweißnahtqualität kann erreicht werden, wenn der Randbereich des ersten Blechs mit dem zweiten Blech einen Winkel von kleiner als 20° einschließt, insbesondere einen Winkel, der im Bereich zwischen 5° und 10° liegt. Sehr gute Ergebnisse wurden bei einem Winkel von 10° erreicht.
Die beiden miteinander zu verschweißenden Bleche müssen einander nicht notwendigerweise berühren. Das erste Blech kann das zweite Blech aber nach dem Ansetzen berühren.
Vollständig vermieden wird das Problem explosionsartiger Verdampfungen der Zinkbeschichtung, wenn die beiden Bleche einander nicht flächig, sondern entlang einer Berührlinie berühren. So kann es vorgesehen sein, dass der Rand des ersten Blechs das zweite Blech entlang einer Berührlinie, nicht aber flächig berührt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Laserschweißeinrichtung eine Linsenanordnung auf, mittels der der Laserstrahl auf einen momentan zu schweißenden punktartigen Bereich der vorgegebenen Soll-Bahn fokussiert wird.
1 zeigt eine Schweißverbindung bestehend aus einem ersten Blech 1 und einem zweiten Blech 2. Bei den beiden Blechen 1, 2 handelt es sich um verzinkte Stahlbleche. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist ein Rand 3 des ersten Blechs 1 entlang des Rands 3 mit dem zweiten Blech 2 verschweißt. Hierbei handelt es sich um eine Kehlnaht 4, die mit einer hier nicht näher dargestellten Laserschweißeinrichtung hergestellt wird. Da bei der Fertigung von Fahrzeugkarosserien die miteinander zu verschweißenden Blechteile 1, 2 nicht immer toleranzfrei, d. h. nicht immer ganz exakt relativ zueinander positioniert werden, sondern hinsichtlich ihrer Relativposition gewisse Toleranzen aufweisen können, wird vor bzw. während des Schweißvorgangs die Relativposition der beiden Bleche mittels einer hier nicht näher darge stellten Abtast- bzw. Scannervorrichtung abgetastet und in Form von Positionssignalen einer Elektronik zugeführt, welche die Laserschweißeinrichtung steuert. Die Laserschweißeinrichtung weist hierzu eine Laserstrahlablenkeinrichtung auf, die auf mehreren beweglich angeordneten Spiegeln basiert. Durch automatisch gesteuertes Bewegen der Spiegel kann der Laserstrahl exakt entlang des Rands des Blechs 1 geführt werden, so dass sich eine qualitativ einwandfreie Schweißnaht ergibt.
Die Schweißnaht muss also nicht in einem Überlappungsbereich der beiden Bleche 1, 2 hergestellt werden, was mit Blick auf das Verdampfen der Zinkbeschichtung zur Qualitätsbeeinträchtigungen führen kann.
Vielmehr werden die beiden Bleche 1, 2 wie in 1 dargestellt, unmittelbar am Rand 3 des Blechs 1 mittels einer Kehlnaht 4 miteinander verschweißt. Explosionsartige Verdampfungen der Zinkbeschichtung lassen sich zuverlässig ausschleißen, wenn die beiden Bleche 1, 2 wie in 1 dargestellt, in einem Flanschbereich einander nicht überlappen, sondern wenn zwischen den beiden Blechen 1, 2 ein gewisser Freiwinkel α besteht, der hier 10° beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1711303 [0005]

Claims

Schweißverfahren zur Herstellung einer Karosseriekomponente eines Fahrzeugs mit folgenden Schritten: – Bereitstellen zweier miteinander zu verschweißender Bleche (1, 2), von denen das erste (1) und/oder das zweite Blech (2) ein zinkbeschichtetes Stahlblech ist, – Ansetzen eines zu verschweißenden Randbereichs (3) des ersten Blechs (1) an das zweite Blech (2), – Abtasten der Position des Randbereichs (3) des ersten Blechs (1) in Bezug auf das zweite Blech (2) mittels einer optoelektronischen Abtasteinrichtung, – Bereitstellen einer Laserschweißeinrichtung, die – eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung und – eine durch eine Elektronik gesteuerte bzw. geregelte, auf beweglichen Spiegeln basierende Laserstrahlablenkeinrichtung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, unter Berücksichtigung von Positionssignalen, die der Elektronik von der Abtasteinrichtung zugeführt werden, den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Bahn zu lenken um dadurch die beiden Bleche (1, 2) miteinander zu verschweißen.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (3) des ersten Blechs (1) mit dem zweiten Blech (2) einen Winkel von kleiner als 20° einschließt, insbesondere einen Winkel, der im Bereich zwischen 5° und 15° liegt.
Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Blech (1) das zweite Blech (2) nach dem Ansetzen berührt.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (3) des ersten Blechs (1) das zweite Blech (2) höchstens entlang einer Berührlinie, nicht aber flächig berührt.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißeinrichtung eine Linsenanordnung aufweist, mittels der der Laserstrahl auf einen momentan zu schweißenden punktartigen Bereich der vorgegebenen Bahn fokussiert wird.