DE102008040785A1

DE102008040785A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102008040785A1
Application number: DE102008040785A
Authority: DE
Inventors: Sonja Kittel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: DE102008040785B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen (1, 2), wobei mittels mindestens eines Laserstrahls während einer Schweißphase (II) eine sich über zumindest über einen Umfangsabschnitt der Bauteile (1, 2) erstreckende Schweißnaht (3) erzeugt wird, und wobei in einer auf die Schweißphase (II) folgenden Abrampungsphase (III) der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit reduziert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während der Abrampungsphase (III) der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit mindestens einmal, vorzugsweise ausschließlich einmal, erhöht wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserschweißvorrichtung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zum Verschweißen von mindestens zwei Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Bekannte Laserschweißverfahren können zeitlich im Wesentlichen in drei Phasen unterteilt werden. Während einer sogenannten Auframpungsphase wird zunächst der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit erhöht, bis eine gewünschte Flächenleistungsdichte erreicht ist. Diese wird über eine auf die Auframpungsphase folgende Schweißphase aufrecht erhalten, wobei in einer auf die Schweißphase folgenden Abrampungsphase der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit stetig wieder reduziert wird.
Beim Schweißen mit Laserstrahlung wird der Laserstrahl dabei während sämtlicher vorgenannter Zeitphasen auf das zu fügende Material fokussiert. Die Absorption des Laserlichts führt zum Aufheizen und Aufschmelzen und oftmals zur teilweisen Verdampfung des Materials. Aus der beim Fügen mehrerer Fügepartner erfolgenden Durchmischung der Schmelze und der anschließenden Wiedererstarrung des Materials entsteht die Schweißverbindung. Durch die lokale Wärmedehnung, gegebenenfalls eine Gefügeumwandlung und die Erstarrung des Materials tritt unerwünschter Verzug auf, der am Bauteil zur Form- und Maßänderungen und somit zu Funktionsbeeinträchtigungen und im ungünstigsten Fall zum Ausfall führen kann. Insbesondere beim Schweißen von ungleichartigen Verbindungen, d. h. von verschiedenen Werkstoffen, können aufgrund von unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten während der Schweißung Risse entstehen.
Bei der herkömmlichen Umfangsschweißung mit Hilfe von Laserstrahlung tritt, bedingt durch einen Anfangs- und Endpunkt und eine Überlappungszone, die zweimal überfahren wird, eine ungleichmäßige und unsymmetrische Erwärmung der Fügezone auf. Die Asymmetrie der Schweißung führt zu einer Abweichung im Plan- und Rundlauf des Bauteils. Beispielsweise beim Schweißen von Ventilsitzen kann dies zur Beeinträchtigung der Dichtfunktion des Ventils führen. Bei Umfangsschweißnähten wird das Bauteil des Weiteren durch das Zusammenziehen der Naht beim Abkühlen längs gestaucht und daraufhin geknickt.
Nullverzug in radialer Richtung lässt sich – zumindest theoretisch – durch das homogene Einbringen von Energie, d. h. die gleichmäßige symmetrische Erwärmung der Fügezone erreichen. Nachteil hierbei ist, dass Strahlquellen mit relativ hoher Leistung bzw. Pulsdauer benötigt werden, um ausreichende Intensitäten und damit Einschweißtiefen zu erzielen.
Aus DE 103 55 051 A1 ist ein Laserschweißverfahren bekannt, bei dem der Laserstrahl derart gesteuert oder geregelt wird, dass der kritische Energieeintrag pro Flächeneinheit und Zeiteinheit nicht überschritten wird, um dadurch eine Abzeichnung der Laserschweißnaht auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite der miteinander zu verschweißenden Werkstücke zu erreichen. Der Bauteilverzug wird hierdurch nicht minimiert.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Laserschweißverfahren sowie eine alternative Laserschweißvorrichtung vorzuschlagen, mit denen, trotz einer inhomogenen Energieeinbringung, ein Verzug zumindest weitgehend ausgeglichen werden kann.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Laserschweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Laserschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollten verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die zu fügenden Bauteile durch eine, vorzugsweise kurzzeitige, Erhöhung des Energieeintrags des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase zu richten. Anders ausgedrückt wird in der Abrampungsphase, während der der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit im Stand der Technik stetig reduziert wird, vorzugsweise an einer bestimmten Umfangsposition, ganz besonders bevorzugt in Form eines kurzen Peaks erhöht. Noch anders ausgedrückt wird während der Abrampungsphase, vorzugsweise an einer bestimmten Stelle am Umfang der mindestens zwei Bauteile, die Leistung des Laserstrahls kurzzeitig erhöht, d. h. es wird ein kurzer Leistungs- bzw. Wärme-Peak eingebracht, damit sich der Verzug durch die vermehrt eingebrachte Wärme in die entsprechende Richtung lenken lässt. Da der Bauteilverzug mit der Wärmeeinbringung betragsmäßig korreliert, kann durch geeignete Positionierung und Dimensionierung einer Energieeintragserhöhung während der Abrampungsphase ein Ausgleich des Bauteilverzugs realisiert werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Energieeintrag ein einziges Mal während der Abrampungsphase erhöht wird – das stetige Abfallen des Energieeintrags während der Abrampungsphase also einmal unterbrochen wird – wobei auch eine Ausführungsform realisierbar ist, bei der an mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Zeitpunkten während der Abrampungsphase eine, vorzugsweise jeweils kurze, ganz besonders bevorzugte peakartige Erhöhung des Energieeintrags des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit erfolgt.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Größe und/oder die Position und/oder die Richtung eines Verzugs zumindest eines der Bauteile gemessen wird, und dass die Größe, die Zeitdauer und die (Umfangs-)Position des erhöhten Energieeintrags während der Abrampungsphase auf Basis der vorerwähnten, durchgeführten Bauteilverzugsmessung, insbesondere Formmessung, derart berechnet wird, dass aus der Erhöhung des Energieeintrags ein Verzugsvektor resultiert, der den gegebenen Verzug des Bauteils auszugleichen versucht. Anders ausgedrückt wird durch eine, vorzugsweise dreidimensionale, Vermessung der zu fügenden bzw. gefügten Bauteile eine Berechnungsgrundlage zum Berechnen der Größe, der Zeitdauer und der Position des erhöhten Energieeintrags (vorzugsweise Peaks) bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist es dabei die aktuelle Form des Bauteils inline zu messen und den Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase nachzuregeln, vorzugsweise derart, dass ein Nullverzug resultiert.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Laserschweißverfahrens, bei der der Verzugsvektor derart berechnet und realisiert wird, dass er der Richtung des Verzugs entgegengerichtet wird. Ist beispielsweise ein in Richtung eines 90° Winkels in radialer Richtung orientierter Verzug gegeben, so wird das Maximum des erhöhten Energieeintrags gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bei einem Umfangswinkel von 270° platziert, um somit dem ursprünglichen Verzug entgegenzuwirken.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schweißnaht während der Schweißphase nicht nur über einen Umfangsabschnitt der beiden Bauteile realisiert wird, sondern über einen 360° überschreitenden Umfangswinkel, vorzugsweise über einen Umfangswinkel von 370° oder größer.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Größe des erhöhten Energieeintrags pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase das Leistungsniveau pro Flächeneinheit des Laserstrahls während der Schweißphase nicht erreicht, wodurch die Energiekosten minimiert werden können.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase durch eine Modulation der Laserleistung verändert, d. h. vorzugsweise kurzzeitig erhöht wird. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Erhöhung des Energieeintrags pro Flächen- und Zeiteinheit ausschließlich aus einer Modulation der Laserleistung resultiert.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Modulation der Laserleistung ist es denkbar, den Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit durch eine Modulation der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und den Bauteilen zu verändern, vorzugsweise kurzzeitig zu erhöhen.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Laserstrahlfokus, d. h. die Flächeneinheit, die von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, während der Schweißphase und/oder während der Abrampungsphase nicht verändert wird, also der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit durch eine Modulation der Laserleistung und/oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Bauteilen verändert wird.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Laserschweißverfahrens, bei der mit dem Laserschweißverfahren zwei, zumindest im Schweißbereich rotationssymmetrisch ausgebildete, vorzugsweise zylindrisch konturierte, Bauteile miteinander verschweißt werden.
Die Erfindung führt auch auf eine Laserschweißvorrichtung, vorzugsweise zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Laserschweißverfahrens. Die Laserschweißvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Einstellung des Energieeintrags pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase derart ausgebildet ist, dass diese den Energieeintrag während der Abrampungsphase mindestens einmal, vorzugsweise ausschließlich einmal, erhöht, um hierdurch einen Verzugsvektor zu erzeugen, der den Bauteilverzug der gefügten Bauteile entgegenwirkt.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Laserschweißvorrichtung eine Messeinrichtung, vorzugsweise eine dreidimensional messende Formmesseinrichtung umfasst, mit der, ganz bevorzugt inline, die Größe und/oder die Position und/oder die Richtung eines Verzugs, zumindest eines der Bauteile, vorzugsweise während dem Erzeugen der Schweißnaht, gemessen werden kann, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung bzw. eine Logikeinheit dieser Einrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die exakte Größe, Zeitdauer und Position des erhöhten Energieeintrags des Laserstrahls während der Abrampungsphase auf Basis der vorerwähnten Verzugsmessung derart berechnet, dass ein den Verzug, zumindest weitgehend, ausgleichender, vorzugsweise der Verzugsrichtung entgegengesetzter, Verzugsvektor resultiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1: einen Verzug einer gefügten Bauteilpaarung,
2: eine schematische Darstellung einer Bauteilpaarung in einer Ansicht von oben in einem ebenen Polarkoordinatensystem und
3: ein Diagramm, das den Verlauf der Laserstrahlleistung über den Umfangswinkel zeigt, wobei die Bauteilfläche, die von dem Laserstrahl beaufschlagt wird, konstant bleibt.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Fügeverbindung aus einem ersten Bauteil 1 und einem zweiten Bauteil 2 gezeigt. Bei den Bauteilen 1 und 2 handelt es sich um rotationssymmetrische, zylindrische Bauteile. Die Bauteile 1, 2 sind mit Hilfe einer sich über den gesamten Umfang der Bauteile 1 und 2 erstreckenden Schweißnaht 3 miteinander verschweißt. Zu erkennen ist, dass das erste, in der Zeichnungsebene obere Bauteil, in der Zeichnungsebene nach rechts geneigt, d. h. verzogen ist. In der Zeichnungsebene links ist ein Verzugsvektor V eingezeichnet, der während einer später noch zu erläuternden Abrampungsphase während der Laserschweißung erzeugt wird, um den Verzug der Bauteile 1, 2 auszugleichen. Zu erkennen ist, dass die Richtung des Verzugsvektors V der Richtung des Bauteilverzugs entgegengerichtet ist.
In 2 ist ein Bauteilverzug zweier Bauteile 1, 2 in einer Ansicht von oben in einem Polarkoordinatensystem gezeigt. Der Pfeil S kennzeichnet die Schweißrichtung, in der der Laserstrahlvorschub erfolgt. Zu erkennen ist, dass das Bauteil 1 in etwa in 450 Richtung geneigt, d. h. relativ zur auf der Zeichnungsebene stehenden Vertikalen verzogen ist. Zum Ausgleichen dieses Verzugs, d. h. zum Herstellen eines Nullverzugs, wird der Leistungseintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit während der vorerwähnten Abrampungsphase derart gesteuert und geregelt, dass an einer bestimmten Umfangswinkelposition eine Erhöhung E des Energieeintrags erfolgt.
Im Folgenden wird das den Schweißablauf beschreibende Diagramm gemäß 3 beschrieben. Bei dem Diagramm ist auf der Y-Achse die Laserstrahlleistung, also der Energieeintrag pro Zeiteinheit aufgetragen. Die x-Achse gibt den zugehörigen Umfangswinkel in [°] wieder. Die Größe der Flächeneinheit, auf die der Laserstrahl während des Laserschweißverfahrens auftrifft, ist über die gesamte Verfahrensdauer konstant.
In einer mit I gekennzeichneten Auframpungsphase wird die Laserleistung ausgehend von null auf P_Schweiß erhöht. Ab Erreichen von P_Schweiß beginnt, folgend auf die Auframpungsphase I, die eigentliche Schweißphase II, bei der eine sich über den Umfang der Bauteile 1, 2 gemäß 1 erstreckende Schweißnaht erzeugt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt bei 370° die mit III gekennzeichnete Abrampungsphase, in der im Stand der Technik der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit linear reduziert wird. Dieser lineare Verlauf wird bei dem gezeigten Verfahren durch einen erhöhten Energieeintrag E (Peak) während der Abrampungsphase unterbrochen. Anders ausgedrückt, wird der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit, d. h. die Laserstrahlleistung bei konstanter Flächeneinheit, kurzzeitig erhöht, wobei die Größe der Schweißleistung P_Schweiß nicht erreicht wird. Mit Hilfe einer nicht gezeigten Regel- und Steuereinrichtung wird der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit derart berechnet, dass aus dem erhöhten Energieeintrag E ein in 2 schematisch angedeuteter Verzugsvektor V resultiert, der dem Bauteilverzug entgegenwirkt. Die Berechnung erfolgt bevorzugt auf Basis einer inline Formmessung vor und/oder oder während und/oder nach der Schweißnahterzeugung. Durch eine gezielte Wärmeeinbringung an einer bestimmten Position mit einer bestimmten Größe können die Bauteile 1, 2 gerichtet, d. h. so gelenkt werden, dass zumindest näherungsweise ein Nullverzug resultiert, was sich vorteilhaft auf die Fügepaarung, bestehend aus den Bauteilen 1, 2, auswirkt.
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

- DE 10355051 A1 [0006]

Claims

Laserschweißverfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen (1, 2), wobei mittels mindestens eines Laserstrahls während einer Schweißphase (II) eine sich über zumindest über einen Umfangsabschnitt der Bauteile (1, 2) erstreckende Schweißnaht (3) erzeugt wird, und wobei in einer auf die Schweißphase (II) folgenden Abrampungsphase (III) der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und/Zeiteinheit reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abrampungsphase (III) der Energieeintrag des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit mindestens einmal, vorzugsweise ausschließlich einmal, erhöht wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und/oder die Position und/oder die Richtung eines Verzugs zumindest eines der Bauteile (1, 2), während und/oder nach und/oder vor dem Erzeugen der Schweißnaht (3), gemessen wird, und dass die Größe, die Zeitdauer und die Position des während der Abrampungsphase (III) erhöhten Energieeintrags des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit auf Basis der Verzugsmessung derart berechnet wird, dass ein den Verzug, zumindest weitgehend, ausgleichender Verzugsvektor (V) resultiert.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzugsvektor (V) der Richtung des Verzugs entgegen gerichtet wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und die Richtung des Verzugs inline gemessen werden.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (3) während der Schweißphase (II) über einen Umfangswinkel von mehr als 360° erzeugt wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des erhöhten Energieeintrags (E) des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit in der Abrampungsphase (III) geringer ist als während der Schweißphase (II).
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abrampungsphase (III) der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit, vorzugsweise ausschließlich, durch eine Modulation der Laserleistung verändert wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abrampungsphase (III) der Energieeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit durch eine Modulation der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und den Bauteilen (1, 2) verändert wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Laserstrahlfokus während der Schweißphase (II) und/oder während der Abrampungsphase (III) konstant bleibt.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bauteile (1, 2) zumindest im Schweißbereich rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, sind.
Laserschweißvorrichtung, vorzugsweise zum Durchführen eines Laserschweißverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Verschweißen von mindestens zwei Bauteilen (1, 2), mit mindestens einer Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls zum Erzeugen einer, sich zumindest über einen Umfangsabschnitt erstreckenden Schweißnaht (3) während einer Schweißphase (II) und mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Steuern bzw. Regeln des Energieeintrags des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit zumindest während einer auf die Schweißphase (II) folgenden Abrampungsphase (III), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung den Energieeintrag (E) des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit während der Abrampungsphase (III) mindestens einmal, vorzugsweise ausschließlich einmal, erhöhend ausgebildet ist.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zum, vorzugsweise inline, Messen der Größe und/oder der Position und/oder der Richtung eines Verzugs zumindest eines der Bauteile (1, 2), während und/oder nach und/oder vor dem Erzeugen der Schweißnaht (3), vorgesehen ist, und dass die Steuer- und oder Regeleinrichtung die Größe, die Zeitdauer und die Position des während der Abrampungsphase (III) erhöhten Energieeintrags des Laserstrahls pro Flächen- und Zeiteinheit auf Basis der Verzugsmessung derart berechnend ausgebildet ist, dass ein den Verzug, zumindest weitgehend, ausgleichender Verzugsvektor (v) resultiert.