DE102012021755B4

DE102012021755B4 - Laserstrahl-Schweißverfahren

Info

Publication number: DE102012021755B4
Application number: DE102012021755.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Stritt; Steffen Müller
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: DE102012021755A1

Abstract

Laserstrahl-Schweißverfahren, mit dem durchgängige Schweißnähte an metallischen Bauteilen (6) durchgeführt werden, wobei ein Laserstrahl (LS) zur Schweißnahtbildung mittels einer Laseroptik (2) an dem Bauteil (6) entlanggeführt wird, wobei eine zu erstellende Schweißnaht (S4) aus einer Mehrzahl von Schweißnahtteilstücken (S4T1 bis S4T4) schrittweise zusammengesetzt wird, wobei zwischen direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücken (S4T1, S4T2) eine als Abkühlphase dienende zeitliche Unterbrechung eingehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aluminiumbauteil ohne die Verwendung von Zusatzwerkstoff geschweißt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erstellung von Schweißnähten an Aluminiumbauteilen, die beispielsweise im Fahrzeugbau verwendet werden, kann beim Laserstrahlschweißen zur Vermeidung von Heißrissen unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffs durchgeführt werden. Die Handhabung eines solchen Zusatzwerkstoffs geschieht unter Einsatz von taktil geführten Laseroptiken mit angeflanschter Drahtzufuhr, wobei die Positionierung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs sehr präzise erfolgen muss. Ein derartiges Schweißverfahren ist aufwändig und ist bzgl. der Prozessgeschwindigkeit stark eingeschränkt.
Aus der DE 10 2005 017 803 B4 ist ein Verbund-Laserstrahlschweißverfahren bekannt, welches ebenfalls zur Vermeidung von Heißrissen geeignet sein soll. Bei diesem bekannten Schweißverfahren wird mittels zweier unterschiedlicher Laserstrahlen ein Verbundlaserstrahl erzeugt, dessen Energie entlang eines kontinuierlichen Schweißweges moduliert wird.
Auch aus der US 5 451 742 A ist ein weiteres Laserstrahl-Schweißverfahren bekannt, bei dem nacheinander Laserstrahlen mit unterschiedlichem Leistungspegel verwendet werden.
Die DE 10322450 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserschweißen von mindestens zwei beschichteten Platten, bei dem der Vorteil gegenüber einem konventionell, d.h. robotergeführtem Laserstrahl darin besteht, dass die Scanner-Einrichtung gleichmäßig relativ zur Oberfläche eines Bleches bewegt wird und dabei die Scannereinrichtung den Laserstrahl für einen kurzen Bearbeitungszeitraum über eine Bearbeitungslinie zur Schweißnahterzeugung lenkt und dann sehr schnell den Laserstrahl auf den Beginn der zeitlich nächsten Schweißnaht umlenkt, um dann diese für den Schweißvorgang abzufahren. Hierdurch entfallen die für die Umpositionierung des Laserstrahls erforderlichen Zeiten nahezu vollständig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserstrahl-Schweißverfahren zu schaffen, welches eine hohe Schweißgeschwindigkeit ermöglicht und dennoch die Entstehung von Heißrissen in der zu erzeugenden Schweißnaht sicher vermeidet.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Patentanspruch 1. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß Patentanspruchs 1 wird eine zu erstellende durchgängige Schweißnaht aus einer Vielzahl von Schweißnahtteilstücken schrittweise zusammengesetzt, wobei zwischen direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücken eine als Abkühlphase dienende zeitliche Unterbrechung eingehalten wird, wobei erfindungsgemäß ein Aluminiumbauteil ohne die Verwendung von Zusatzwerkstoff geschweißt wird. Durch die Einhaltung kurzer Abkühlphasen zwischen den aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücken wird sichergestellt, dass im Bereich der Schweißnaht kein Wärmestau und somit auch keine Heißrisse auftreten. Die schrittweise Ausbildung einer durchgängigen Schweißnaht kann mit hoher Prozessgeschwindigkeit erfolgen, da die beim Laserstrahl-Schweißverfahren verwendeten Laseroptiken im Millisekundenbereich den Laserstrahl auf eine andere entfernte Position ausrichten können. Dadurch ist es möglich, dass einzelne Schweißnahtteilstücke, die räumlich voneinander beabstandet sind, praktisch ohne nennenswerten Zeitverlust nacheinander in den vorgesehenen Abkühlphasen erstellt werden können. Nach Beendigung der Abkühlphase springt der Laserstrahl zu dem ursprünglich erstellten Schweißnahtteilstück zurück und bildet dort ein unmittelbar angrenzendes, vorzugsweise überlappendes Schweißnahtteilstück aus. Auf diese Weise lässt sich eine durchgehende Schweißnaht an einem Bauteil mit hoher Schweißnahtqualität unter Vermeidung von Heißrissen erstellen.
Die zeitliche Unterbrechung zwischen direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteiltücken kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Randbedingungen, wie Schweißnahtstärke, Materialbeschaffenheit, Schweißgeschwindigkeit, gewählt werden. Ein geeigneter Zeitrahmen für die Abkühlphase bei der Erstellung einer Schweißnaht an einem Aluminiumbauteil kann beispielsweise im Zeitbereich zwischen von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden liegen.
Bevorzugt werden die direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücke überlappend ausgeführt, um insgesamt eine durchgehende Schweißnaht zu erhalten. Dabei kann die Überlappung im Bereich mehrerer Millimeter liegen. Die Überlappung der aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücke kann aber je nach Anwendungsfall unterschiedlich groß sein, wobei auch die Länge der Schweißnahtteilstücke hierauf einen Einfluss haben kann.
Für das erfindungsgemäße Laserstrahl-Schweißverfahren können herkömmliche Laseroptiken verwendet werden. Bevorzugt werden Laseroptiken eingesetzt, die eine möglichst hohe Verstellgeschwindigkeit bzgl. der Laserstrahlausrichtung haben, wie beispielsweise Scanner-Optiken. Mit einer solchen Laseroptik kann das erfindungsgemäße Schweißverfahren schrittweise und dennoch mit hoher Schweißgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Vorzugsweise sollte die Verstellgeschwindigkeit der Laseroptik im Millisekundenbereich liegen, um einen quasi kontinuierlichen Schweißvorgang zu erhalten.
Das Laserstrahl-Schweißverfahren kann sehr vorteilhaft so durchgeführt werden, dass nach der Ausbildung eines Schweißnahtteilstücks wenigstens ein weiteres Schweißnahtteilstück an entfernter Stelle ausgebildet wird, bevor an dem zuerst erstellten Schweißnahtteilstück ein direkt angrenzendes Schweißnahtteilstück ausgebildet wird. Dies bedeutet, dass die Abkühlphase für ein erstelltes Schweißnahtteilstück problemlos ausreichend groß gewählt werden kann, indem eine entsprechende Anzahl von entfernt angeordneten Schweißnahtteilstücken in dem für die Abkühlphase vorgesehenen Zeitraum erstellt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass unterschiedliche Schweißnahtteilstücke in einem Arbeitsbereich der Laseroptik wahlfrei nacheinander erstellt werden. Die wahlfreie Erstellung von Schweißnahtteiltücken ermöglicht auch die Ausbildung von Schweißnahtteilstücken, die zu unterschiedlichen im Arbeitsbereich der Laseroptik auszubildenden Schweißnähten gehören. Somit können schrittweise unterschiedliche Schweißnähte quasi parallel so bearbeitet werden, dass mit der Erstellung des letzten Schweißnahtteilstücks sämtliche in einem Arbeitsbereich der Laseroptik zu erstellenden Schweißnähte fertiggestellt sind.
Die verschiedenen Verfahrensparameter wie Laserstrahl-Leistung, Vorschubgeschwindigkeit, Länge der Schweißnahtteilstücke, Länge des Überlapp können an unterschiedliche Materialeigenschaften, Bauteilgegebenheiten oder an andere Anwendungsbedingungen entsprechend angepasst werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer LaserstrahlSchweißvorrichtung zur schrittweisen Erstellung einer durchgängigen Schweißnaht innerhalb eines Arbeitsbereichs,
2 eine Teilansicht eines Bauteils, welches entlang einer Verbindungslinie mittels Schweißnahtteilstücken schrittweise verschweißt wird, und
3 eine gegenüber 2 vergrößerte Draufsicht auf ein Bauteil, bei dem zwei Schweißnahtteilstücke überlappend ausgeführt wurden.

Anhand von der in 1 dargestellten Anordnung einer Laserstrahleinrichtung 1 mit einer Laseroptik 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur schrittweisen Erstellung einer durchgehenden Schweißnaht veranschaulicht. Der Laserstrahl LS kann durch die Laseroptik 2 sehr schnell auf unterschiedliche Positionen ausgerichtet werden, wie dies beispielhaft durch die in 1 dargestellten vier Laserstrahlpositionen P1 bis P4 angedeutet ist. Außerdem ist in 1 ein Arbeitsbereich 3 mittels einer unterbrochenen Linie an der Oberfläche eines nicht näher dargestellten Bauteils als Kreisfläche dargestellt, innerhalb dessen die Laserstrahleinrichtung 1 durch eine entsprechende Auslenkung des Laserstrahls LS Schweißnähte erstellen kann, ohne dass hierfür eine Positionsänderung der Laserstrahleinrichtung 1 erforderlich ist. Selbstverständlich kann die Laserstrahleinrichtung 1 aus der dargestellten Position an eine andere Position bewegt werden, um einen anderen hier nicht dargestellten Arbeitsbereich zu bearbeiten.
Im dargestellten Arbeitsbereich 3 sind insgesamt vier Schweißnähte S1 bis S4 dargestellt, die aus Schweißnahtteilstücken zusammengesetzt werden, wobei die Schweißnähte S1 bis S4 bereits teilweise erstellt sind. Die einzelnen Schweißnahtteilstücke sind mittels kleiner Pfeile dargestellt, die die Vorschubrichtung des Laserstrahls LS anzeigen. Bei der Schweißnaht S4 ist das erste Schweißnahtteilstück S4T1 mittels des Laserstrahls LS bereits erstellt. Der Laserstrahl LS wechselt nun in die dargestellte Position P1, um an der Schweißnaht S1 das vierte Schweißnahtteilstück S1T4 zu erstellen. Während der Erstellung des Schweißnahtteilstücks S1T4 kann an der Schweißnaht S4 das zuvor erstellte Schweißnahtteilstück S4T1 ausreichend abkühlen, um das Auftreten eines Hitzestaus am zu verschweißenden Bauteil zu vermeiden.
Nach der Erstellung des Schweißnahtteilstücks S1T4 an der ersten Schweißnaht S1 kann der Laserstrahl LS in die Position P4 durch eine entsprechende optische Umlenkung mittels der Laserstrahloptik 2 springen, um an der Schweißnaht S4 das zweite Schweißnahtteilstück S4T2 zu erstellen. Ist das Schweißnahtteilstück S4T2 fertiggestellt, kann der Laserstrahl LS in die Position P2 springen, um dort an der zweiten Schweißnaht S2 das vierte Schweißnahtteilstück S2T4 zu erstellen. Danach kann dann an der vierten Schweißnaht S4 das nächste Schweißnahtteilstück S4T3 erstellt werden, bevor dann wiederum an der dritten Schweißnaht S3 das vierte Schweißnahtteilstück S3T4, beginnend bei der Position P3, erstellt wird.
Danach springt der Laserstrahl LS zum Anfangspunkt des vierten Schweißnahtteilstücks S4T4, um die Schweißnaht S4 fertigzustellen.
In 2 ist die Verbindung zweier Aluminiumblechteile 4, 5 eines Bauteils 6 als Teilansicht dargestellt. Die beiden Aluminiumblechteile 4, 5 sind entlang einer Verbindungslinie 7 durch einen Laserstrahl-Schweißvorgang miteinander zu verschweißen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Verbindungslinie 7 bereits vier Schweißnahtteilstücke ST1 bis ST4 zeitlich nacheinander erstellt worden. Um nun eine durchgehende Schweißnaht an der Verbindungslinie 7 zu erhalten, können an die Schweißnahtteilstücke ST1 bis ST4 nacheinander weitere Schweißnahtteilstücke mit gezeigtem Überlapp angesetzt werden. Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis die gewünschte durchgehende Schweißnaht entlang der Verbindungslinie 7 fertiggestellt ist. Die schrittweise Erstellung der Schweißnaht erfolgt dabei in der Weise, wie diese bereits anhand von 1 erläutert wurde.
3 zeigt nun in der Draufsicht zwei direkt aneinander angrenzende Schweißnahtteilstücke S4T1 und S4T2 der Schweißnaht S4 von 1. Die auszubildende Schweißnaht S4 soll entlang einer Verbindungslinie 8 schrittweise erstellt werden. Nachdem das erste Schweißnahtteilstück S4T1 erstellt worden ist, wurde nach einer Abkühlphase das zweite Schweißnahtteilstück S4T2 so erstellt, dass sich beide Schweißnahtteilstücke S4T1 und S4T2 überlappen. Der Überlappungsbereich 9 ist in 3 mittels unterbrochener Linien angedeutet. Durch die Ausbildung weiterer Schweißnahtteilstücke kann entlang der Verbindungslinie 8 eine insgesamt durchgängige Schweißnaht erstellt werden, ohne dass dabei Hitzerisse auftreten, da zwischen der Erstellung der einzelnen Schweißnahtteilstücke immer eine ausreichende Abkühlphase eingehalten wird. Während der Abkühlphasen „springt“ der Laserstrahl LS (1) in eine entfernte Position zur Erstellung einer entfernt angeordneten Schweißnaht, so dass während der Abkühlphasen keine nennenswerte zeitliche Unterbrechung des Schweißprozesses erfolgt.

Claims

Laserstrahl-Schweißverfahren, mit dem durchgängige Schweißnähte an metallischen Bauteilen (6) durchgeführt werden, wobei ein Laserstrahl (LS) zur Schweißnahtbildung mittels einer Laseroptik (2) an dem Bauteil (6) entlanggeführt wird, wobei eine zu erstellende Schweißnaht (S4) aus einer Mehrzahl von Schweißnahtteilstücken (S4T1 bis S4T4) schrittweise zusammengesetzt wird, wobei zwischen direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücken (S4T1, S4T2) eine als Abkühlphase dienende zeitliche Unterbrechung eingehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aluminiumbauteil ohne die Verwendung von Zusatzwerkstoff geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Unterbrechung zwischen direkt aneinander angrenzenden Schweißnahtteilstücken (S4T1 bis S4T4) von wenigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der zeitlichen Unterbrechung wenigstens an einer anderen entfernten Stelle einer zu erstellenden Schweißnaht (S1) ein Schweißnahtteilstück (S1T4) erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt aneinander angrenzende Schweißnahtteilstücke (S4T1, S4T2) sich überlappen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroptik (2) mit hoher Verstellgeschwindigkeit eine Laserstrahlausrichtung auf die an unterschiedlichen, voneinander entfernten Stellen zu erstellenden Schweißnahtteilstücke (S4 T1, S1 T4) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellgeschwindigkeit der Laseroptik (2) im einstelligen Millisekundenbereich liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausbildung eines Schweißnahtteilstücks (S4T1) zu einem ersten Zeitpunkt wenigstens ein an von diesem Schweißnahtteilstück (S4T1) entfernten Stellen befindliches Schweißnahtteilstück (S1T4) erstellt wird, bevor ein an das zum ersten Zeitpunkt erstellte Schweißnahtteilstück (S4T1) direkt angrenzendes weiteres Schweißnahtteilstück (S4T2) erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Schweißnahtteilstücke in einem Arbeitsbereich (3) der Laseroptik (2) wahlfrei zeitlich nacheinander erstellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aluminiumbauteil bei einem kritischen Randabstand zur Bauteilkante von 1 mm bis 10 mm Schweißnähte erstellt werden.