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Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zur Verbindung von zumindest drei in einem Überlappungsbereich möglichst spaltfrei aufeinander angeordneten beschichteten, insbesondere verzinkten, Blechen, bei welchem mittels eines Laserstrahls zwei Außenbleche mit zumindest einem von den Außenblechen eingeschlossenen Innenblech verschweißt werden.
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Insbesondere im Automobilbau werden korrosionsgefährdete Bauteile aus verzinktem Stahlblech hergestellt. Derartige Bauteile mittels eines Laserstrahls zu verschweißen ist bekannt. Dabei kann es wegen der niedrigen Verdampfungstemperatur der Zinkbeschichtung zur Bildung von Poren kommen, welche die Schweißnaht schwächen und ein Lackier – und somit auch Korrosionsproblem darstellen – und zwar aufgrund von Dampfblasen, die während des Schweißvorgangs entstehen. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Zinkdampf aus dem Bereich der Schweißnaht entweichen können. Dies wird bekanntlich dadurch unterstützt, dass die zu verschweißenden Blechbauteile im Bereich ihres Überlappstoßes nicht vollflächig aufeinander liegen, sondern zwischen ihnen – z. B. durch eingeprägte Noppen, Rillen oder Rändelungen – ein Spalt offen gehalten wird, durch den der Zinkdampf zwischen den Blechen entweichen kann. Alternativ kann der Entgasungsspalt zwischen den Blechbauteilen auch durch eine geeignete Spanntechnik bzw. Spannmittel erzeugt werden. Hierbei werden besonders hohe Anforderungen an die eingesetzte Spanntechnik gestellt, insbesondere um die sehr engen Toleranzen für den Entgasungsspalt einhalten zu können.
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Bei diesem bekannten Schweißverfahren tritt das Problem auf, dass es aufgrund der zum Abströmen des Zinkdampfes vorgesehenen Zwischenräume zwischen den Blechen zu einem sogenannten Nahteinfall oder auch Wurzelrückfall kommt. Dieser Nahteinfall wird dadurch verursacht, dass beim Herstellen der Schweißverbindung die Blechzwischenräume sowie die verdampfte Beschichtung von aufgeschmolzenem Blechwerkstoff ausgefüllt werden müssen. Dieses Werkstoffvolumen fehlt dann im Bereich der Schweißnahtaußenflächen.
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Ein Laserschweißverfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 100 47 807 A1 bereits bekannt. Hierbei werden drei möglichst spaltfrei aufeinander angeordnete beschichtete, insbesondere verzinkte Feinbleche durch eine von einem Laserstrahl erzeugte I-Naht am Überlappstoß verschweißt. Eine Laseroptik wird beim Verschweißen der drei Bleche derart fokussiert, dass der Brennpunkt des Laserstrahls sich entweder oberhalb der Oberfläche des obersten Blechs oder unterhalb der Oberfläche des Unterblechs am Überlappstoß befindet, das heißt, es wird ”defokussiert” geschweißt.
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Aus der
DE 10 2004 013 375 A1 ist ein weiteres Laserschweißverfahren zur Verbindung von zumindest drei Blechen oder Blechbauteilen bekannt. Hierbei werden mittels des Laserstrahls außen liegende Bleche und zumindest ein von den außen liegenden Blechen eingeschlossenes, innen liegendes Blech verschweißt. Die Schweißverbindung der außen liegenden Bleche mit dem eingeschlossenen Blech wird durch zwei Laserstrahlen erzeugt, wobei jeweils ein Laserstrahl auf das außen liegende Blech gerichtet wird. Eine Durchschweißung des innen liegenden Blechs wird verhindert. Die beiden Laserstrahlen wirken zeitgleich auf die äußeren Bleche ein.
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Ein der Erfindung nächstliegendes Laserschweißverfahren ist in der
DE 10 2005 001 606 A1 beschrieben. Mit dem vorbekannten Schweißverfahren werden zumindest drei Bleche in einem Überlappungsbereich durch stufenweises Laserschweißen zusammengefügt, wobei zunächst die dickeren Bleche miteinander verschweißt und dann das nächstdünnere oder die dünneren Bleche auf die bereits verschweißten dickeren Bleche geschichtet und mit diesen verschweißt werden. Hierbei werden die Bleche im Bereich einer Schweißnaht über ihre gesamte Dicke vollständig geschmolzen.
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Weitere Laserschweißverfahren zur Verbindung von drei übereinander angeordneten Blechen oder Blechbauteilen werden in der
WO 2009/124765 A1 und der
DE 38 12 448 C1 beschrieben. Ergänzend wird auch noch auf die
JP 2002178178 A hingewiesen, aus der ein Laserschweißverfahren zur Verbindung zweier überlappend angeordneter, beschichteter Bleche bekannt ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren der eingangs genannten Art insbesondere für die Anwendung bei der Karosseriefertigung wesentlich zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Laserschweißverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Laserschweißverfahren vorgesehen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt das erste Außenblech und das zumindest eine Innenblech durch einen auf das erste Außenblech gerichteten Laserstrahl miteinander verschweißt werden, wobei die Parameter des Laserstrahls bzw. die Schweißparameter derart bemessen werden, dass ein Durchschweißen des Innenblechs während des ersten Verfahrensschritts ausgeschlossen wird, und bei welchem anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Außenblech durch einen auf die im ersten Verfahrensschritt erzeugte Schweißnaht gerichteten Laserstrahl mit dem Innenblech verschweißt wird, wobei der Laserstrahl von einer dem zweiten Außenblech abgewandten Seite auf die Schweißnaht gerichtet wird und die Schweißparameter während des zweiten Verfahrensschritts derart bemessen werden, dass ein Durchschweißen des Innenblechs gewährleistet ist und das zweite Außenblech mit dem Innenblech verschweißt wird. Durch das definierte Vorschweißen der beiden spaltfrei aufeinander angeordneten Bleche während des ersten Verfahrensschritts entsteht aufgrund des Verdampfens der Beschichtung, insbesondere einer Zinkbeschichtung, eine Schweißnaht mit Nahtfehlern bzw. Nahtunregelmäßigkeiten. Im Rahmen des zweiten Verfahrensschritts wird dann einerseits eine Schweißverbindung des Innenblechs mit dem zweiten Außenblech erzeugt und andererseits wird die im ersten Verfahrensschritt hergestellte Schweißnaht erneut aufgeschmolzen. Durch das spaltfreie Aufliegen des Innenblechs auf dem zweiten Außenblech wird die Zinkentgasung während des zweiten Verfahrensschritts unterdrückt. Nach dem Abkühlen der Schweißnaht bildet sich eine weitgehend glatte Oberfläche an der Außenseite des ersten Außenblechs ohne durch beispielsweise Poren oder Einschlüsse verursachte Unebenheiten. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einen Entgasungsspalt zur Zinkentgasung verzichtet werden kann, also kein Spalt zwischen den Blechen durch Material aufgefüllt werden muss, ist auch kein bzw. ein kaum nennenswerter Einfall bzw. Rückfall der Schweißnaht zu erwarten. Auch auf eine aufwendige Spanntechnik zur Realisierung der Entgasungsspalte kann verzichtet werden. Die beiden Verfahrensschritte des erfindungemäßen Verfahrens werden zeitlich nacheinander durchgeführt. Bei den zu bemessenden Schweißparametern handelt es sich beispielsweise um Parameter des Laserstrahls, wie beispielsweise Laserleistung, Brennfleckgröße, Fokuslage und Fokuswinkel, aber auch um Schweißgeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit und Schweißtiefe.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schweißparameter während des zweiten Verfahrensschritts derart bemessen werden, dass ein Durchschweißen des zweiten Außenblechs ausgeschlossen wird. Hierdurch wird einerseits eine Verdampfung der außen liegenden Beschichtung des zweiten Außenblechs verhindert und andererseits wird das optische Erscheinungsbild der Außenseite des zweiten Außenblechs nicht durch eine Schweißnaht gestört, sodass diese Außenfläche keinerlei Nacharbeit bedarf und sich nach einer Lackierung hervorragend als Sichtseite eines Karosseriebauteils eignet.
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Es erweist sich als besonders zweckmäßig, wenn während des zweiten Verfahrensschritts die während des ersten Verfahrensschritts erzeugte Schweißnaht über die gesamte Querschnittsfläche aufgeschmolzen wird. Durch das erneute und vollständige Aufschmelzen der Schweißnaht können die während des ersten Verfahrensschritts erzeugten, im Inneren der Schweißnaht angeordneten und durch Dampfblasen verursachten Nahtfehler, wie beispielsweise Poren und Einschlüsse, aus dieser entfernt werden.
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Dieser Effekt wird dadurch unterstützt, dass die während des zweiten Verfahrensschritts erzeugte Schweißnaht eine größere Breite quer zur Vorschubrichtung des Laserstrahls aufweist, als die während des ersten Verfahrensschritts erzeugte Schweißnaht. Hierdurch wird neben der Schweißnaht auch unmittelbar angrenzendes Material aufgeschmolzen, wodurch sich nach dem Abkühlen des aufgeschmolzenen Materials ein besonders homogener Übergang zwischen der Schweißnaht und den angrenzenden Blechoberflächen ergibt.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die beiden Außenbleche und das zumindest eine Innenblech vor der Durchführung des ersten Verfahrensschritts spaltfrei aufeinander angeordnet werden. Hierbei werden die Bleche entsprechend ihrer gewünschten Endlage aufeinander positioniert und ggf. durch Spannelemente gegen eine Relativverschiebung fixiert.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das erste Außenblech und das zumindest eine Innenblech vor der Durchführung des ersten Verfahrensschritts spaltfrei aufeinander angeordnet werden und dass die im ersten Verfahrensschritt verschweißten Bleche vor der Durchführung des zweiten Verfahrensschritts spaltfrei auf dem zweiten Außenblech angeordnet werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich das zweite Außenblech durch beim Schweißen während des ersten Verfahrensschritts entstehende Wärme verzieht und dann im zweiten Verfahrensschritt nicht mehr vollflächig und spaltfrei an dem Innenblech anliegt.
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Neben den genannten Dreiblechverbindungen können durch das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren auch aus mehr als drei Blechen bestehende Mehrblechverbindungen hergestellt werden. Hierbei werden dann während des ersten Verfahrensschritts zwei oder mehr aufeinander angeordnete Innenbleche mit dem ersten Außenblech verschweißt.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Laserstrahl mittels einer Scanner-Einrichtung auf die Oberfläche des Außenblechs bzw. auf die Schweißnaht gelenkt wird. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehrachsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegel). Der große Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Scanner-Einrichtung gleichmäßig relativ zur Oberfläche des Blechs bewegt wird und dabei die Scanner-Einrichtung den Laserstrahl während des ersten Verfahrensschritts über eine Bearbeitungslinie zur Herstellung der Schweißnaht lenkt und dann sehr schnell den Laserstrahl wieder auf den Schweißnahtanfang umlenkt, um die gerade erzeugte Schweißnaht im Rahmen des zweiten Verfahrensschritts erneut abzufahren.
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Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens zeichnet sich auch dadurch aus, dass in einem Abschnitt, in welchem der erste Verfahrensschritt bereits abgeschlossen ist, bereits der zweite Verfahrensschritt durchgeführt wird, während in einem unmittelbar benachbarten Bereich noch der erste Verfahrensschritt durchgeführt wird. In den Abschnitten, in denen das erste Außenblech bereits durch eine Schweißnaht mit dem Innenblech verbunden ist, kann schon mit dem Durchschweißen des Innenblechs bzw. dem Verbinden des Innenblechs mit dem zweiten Außenblech begonnen werden, während in anderen Abschnitten noch die Schweißverbindung zwischen dem ersten Außenblech und dem Innenblech fertiggestellt wird. Durch dieses zeitgleiche Bearbeiten des Verbindungsbereichs der Bleche ergeben sich gegenüber den bekannten Verfahren erhebliche Zeitvorteile bzw. eine Optimierung der Taktzeit.
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In diesem Fall erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass der Laserstrahl zur Durchführung des ersten Verfahrensschritts und der Laserstrahl zur Durchführung des zweiten Verfahrensschritts simultan entlang des Verbindungsbereichs der Bleche bewegt werden. Die beiden Einrichtungen zur Erzeugung der Laserstrahlen können gemeinsam an einem Roboter befestigt werden. Hierdurch wird eine Vereinfachung sowohl des Verfahrens als auch des Steuerungsaufwands erreicht. Dabei ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters auf die jeweiligen Erfordernisse beim Laserschweißen während der beiden Verfahrensschritte abgestimmt.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 drei aufeinander liegende Bleche während der Durchführung des ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer stark vereinfachten und in Längserstreckung der Schweißnaht geschnittenen Darstellung;
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2 die in 1 dargestellten Bleche während der Durchführung des ersten Verfahrensschritts in einer quer zur Längserstreckung der Schweißnaht geschnittenen Darstellung;
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3 drei aufeinander liegende Bleche während der Durchführung des zweiten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer stark vereinfachten und in Längserstreckung der Schweißnaht geschnittenen Darstellung;
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4 die in 3 dargestellten Bleche während der Durchführung des zweiten Verfahrensschritts in einer quer zur Längserstreckung der Schweißnaht geschnittenen Darstellung.
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Die 1 bis 4 zeigen drei in einem Überlappungsbereich spaltfrei aufeinander angeordnete und beschichtete Bleche 1, 2, 3, wobei ein Innenblech 3 zwischen einem ersten Außenblech 1 und einem zweiten Außenblech 2 eingeschlossen ist. Die verzinkten Bleche 1, 2, 3 liegen zumindest in dem Überlappungsbereich vollflächig aufeinander. In einem ersten Verfahrensschritt (1 und 2) werden das erste Außenblech 1 und das Innenblech 3 durch einen Laserstrahl 4 miteinander verschweißt. Der von einer Lasereinrichtung 5 erzeugte Laserstrahl 4 wird auf eine Oberfläche 6 des ersten Außenblechs 1 gerichtet und in einer Vorschubrichtung 7 entlang des Verbindungsbereichs der Bleche 1, 2, 3 bewegt. Hierdurch wird eine Schweißnaht 8 erzeugt, wobei, wie in den 1 und 2 gut zu erkennen ist, das Innenblech 3 während des ersten Verfahrensschritts nicht durchschweißt wird.
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Während des zweiten Verfahrensschritts wird das zweite Außenblech 2 mit dem Innenblech 3 verschweißt. Hierzu wird ein Laserstrahl 9 auf die im ersten Verfahrensschritt erzeugte Schweißnaht 8 gerichtet, und zwar von einer dem zweiten Außenblech 2 abgewandten Seite aus. Die Schweißnaht 8 und das Innenblech 3 werden durch den von einer Lasereinrichtung 10 erzeugten Laserstrahl 9 durchschweißt und das zweite Außenblech 2 wird mit dem Innenblech 3 verschweißt. Während des zweiten Verfahrensschritts wird der Laserstrahl 9 in Vorschubrichtung 11 entlang der im ersten Verfahrensschritt erzeugten Schweißnaht 8 bewegt. Hierbei wird eine die drei Bleche 1, 2, 3 verbindende Schweißnaht 12 erzeugt. Die während des ersten Verfahrensschritts erzeugte Schweißnaht 8 ist in den 3 und 4 durch gestrichelte Linien angedeutet. Es ist gut zu erkennen, dass die Abmessungen der im zweiten Verfahrensschritt erzeugten Schweißnaht 12 größer sind als die Abmessungen der im ersten Verfahrensschritt erzeugten Schweißnaht 8.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Außenblech
- 2
- zweites Außenblech
- 3
- Innenblech
- 4
- Laserstrahl
- 5
- Lasereinrichtung
- 6
- Oberfläche
- 7
- Vorschubrichtung
- 8
- Schweißnaht
- 9
- Laserstrahl
- 10
- Lasereinrichtung
- 11
- Vorschubrichtung
- 12
- Schweißnaht
