DE102013107228B3

DE102013107228B3 - Verfahren zum stirnseitigen Laserstrahlschweißen von Bördelflanschen

Info

Publication number: DE102013107228B3
Application number: DE201310107228
Authority: DE
Inventors: Arwed Kilian; Alexander Müller
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2033-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines ersten und eines zweiten Werkstücks, wobei das erste Werkstück einen Bördel mit einer vorgegebenen Bördelbreite und das zweite Werkstück einen ebenen Flachabschnitt aufweist, aufweisend folgende Schritte: Anordnen des Bördels und des Flachabschnitts unter Ausbildung eines Überlappstoßes und Verschweißen der beiden Werkstücke mittels eines von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf den Überlappstoß gerichteten Laserstrahls derart, dass die Einschweißtiefe mindestens der Bördelbreite entspricht, wobei der Energieeintrag derart räumlich variiert wird, dass an den werkstückseitigen Randbereichen der Schweißstelle ein höherer Energieeintrag erfolgt als an einem zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich der Schweißstelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stirnseitigen Laserstrahlschweißen von Überlappstößen, die unter Einbeziehung mindestens eines gebördelten Werkstücks gebildet werden, insbesondere zur Verwendung zum Laserschweißen von sehr kurzen Bördelflanschen z.B. an Karosseriebauteilen.
Es ist bekannt, Schweißnähte – z.B. im Karosseriebau an Türeinstiegsöffnungen, an Türen oder Bauteilkanten – mittels Laserschweißens in Form einer I-Naht oder einer Kehlnaht an einem Überlappstoß auszubilden. Dabei kommen in der Regel sogenannte „Fliegende Optiken“ in Verbindung mit stationärer oder mitlaufender Spanntechnik zum Einsatz. Des Weiteren werden sogenannte „Remote Optiken“ verwendet, die eine effiziente Bearbeitung auch aus großer Entfernung ermöglichen.
Beim Verschweißen von verzinkten Blechen im Karosseriebau führt das Laserschweißen von I-Nähten oder Kehlnähten an einem Überlappstoß infolge von Zinkausgasung (insbesondere bei Durchschweißung der Bleche und/oder bei Vorliegen eines technischen Nullspaltes mit geringen Spaltdicken von z.B. unter 20 µm) häufig zu Nähten geringer Nahtqualität, wobei porendurchsetzte Nähte mit vielen Anbindungsfehlern entstehen. Zudem ist der Anbindungsquerschnitt dieser Nähte durch die Blechstärke der zu verschweißenden Bleche begrenzt, was mit geringen Anbindungsquerschnitten (A-Maß) einhergeht, und die Einschweißtiefen sind schlecht reproduzierbar, insbesondere bei Mehrblechverbindungen. Da bei der herkömmlichen Ausbildung solcher I-Nähte oder Kehlnähte der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Flanschebene und somit parallel zur Richtung der zum Einspannen der Bleche aufgebrachten Einspannkraft auf den Flansch auftrifft, muss der Flansch hinreichend groß sein, um sowohl genügend Angriffsfläche für die Spannelemente zu bieten als auch ein Auftreffen des Laserstrahls neben den Spannelementen zu ermöglichen. Solche großen Blechflansche gehen mit entsprechend hohem Gewicht einher und sind daher z.B. im Karosseriebau unerwünscht.
Des Weiteren sind Verfahren zum stirnseitigen Schweißen von Verbindungsflanschen an Blechteilen bekannt, wobei das Einschweißen von der Stirnseite des Verbindungsflanschs her erfolgt. So beschreibt z.B. die WO 2011/147 891 A1 das stirnseitige Laserfügen von Blechteilen mittels einer mitlaufenden Spanntechnik zum Halten der zu fügenden Blechteile. Als ein anderes Beispiel beschreibt die DE 10 2006 030 060 A1 ein Verfahren zum stirnseitigen Schweißen von Blechen, wobei eine stirnseitige Umschmelzung des gesamten Blechpakets erfolgt. Die Druckschriften DE 10 2011 077 689 A1 , JP 2005 199 287 A und JP 2004 298 964 A beschreiben Verfahren zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Laserstrahls, wobei mindestens eines der Werkstücke einen Bördel und das andere Werkstück einen ebenen Flachabschnitt aufweist, der Bördel und der Flachabschnitt im Überlappstoß angeordnet werden, und der Laserstrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf denselben gerichtet wird.
Das stirnseitige Schweißen von Flanschen ermöglicht es, da der Flansch nunmehr lediglich eine Angriffsfläche für die Spannelemente (und nicht auch zusätzlich eine Auftrefffläche für den Laserstrahl) bieten muss, die gesamte Breite der Flansche als Angriffsfläche für die Spannelemente zu nutzen, wodurch wiederum das Ausbilden solcher Flansche mit geringeren Abmessungen und entsprechend geringerem Gewicht ermöglicht ist. Durch das Ausbilden solcher kurzen Flansche ist insbesondere im Fahrzeugbau eine beachtliche Gewichtsreduktion ermöglicht, wobei z.B. bei einem PKW allein durch Flanschverkürzungen im Türeinstiegsbereich eine Massereduktion um mehrere Kilogramm ermöglicht ist.
Beim stirnseitigen Einschweißen ist jedoch der maximal erzielbare Anbindungsquerschnitt durch die Breite der zu verschweißenden Flansche begrenzt, sodass beim Verschweißen von schmalen Flanschen mit geringen Flanschbreiten (von z.B. ungefähr 4 mm) auch der maximal erzielbare Anbindungsquerschnitt entsprechend begrenzt ist. Um dennoch eine hinreichende, möglichst hohe Stabilität einer solchen Flanschverbindungen zu erzielen, kann es von Vorteil sein, die miteinander zu verschweißenden Werkstücke entlang ihrer gesamten Flanschbreite zu verschweißen, sodass die Einschweißtiefe mindestens der Flanschbreite entspricht.
Beim stirnseitigen Laserstrahlschweißen wird ein Laserstrahl im Wesentlichen frontal derart auf die Stirnfläche des Verbindungsflanschs gerichtet, dass er am Stoß zweier zu fügender Werkstücke (d.h. dort, wo die beiden Werkstücke aneinanderstoßen) auf dieselben auftrifft. Da ein herkömmlicher Laserstrahl eine gaußförmige Intensitätsverteilung mit einer im Wesentlichen rotationssymetrischen Intensitätsverteilung mit einem Intensitätsmaximum im Strahlzentrum – d.h. am Stoß der beiden Werkstücke – aufweist, resultiert das stirnseitige Einschweißen mit einem solchen Laserstrahl in einer Schweißnaht, deren Einschweißtiefe am Stoß der beiden Werkstücke (bzw. an einer Position zwischen den Werkstücken) ihren größten Wert aufweist und seitlich zu den beiden Werkstücken hin jeweils abnimmt, sodass der Querschnitt der Schweißnaht im Bereich der Nahtwurzel konvex von der Stirnfläche des Überlappstoßes weg gewölbt ist.
Entspricht dabei die Einschweißtiefe der Flanschbreite oder ist größer als dieselbe, bilden sich im Nahtwurzelbereich aufgrund der überlappenden Querschnittsprofile der Schweißnaht und der beiden Werkstücke zwei spitzwinklige Nahtkerben am Übergang zwischen der Schweißnaht und den beiden mittels der Schweißnaht verbundenen Werkstücken aus. Dadurch wird aufgrund der Kerbwirkung die Stabilität der Schweißverbindung, insbesondere gegenüber dynamischer Belastung, vermindert. Zudem können solche Nahtkerben – insbesondere bei ungenügender Durchschweißung – zur Ausbildung von Spalten zwischen der Schweißnaht und den Werkstücken führen bzw. als solche Spalte wirken, wobei Feuchtigkeit aufgrund des Kapillareffekts in diese Spalte hinein befördert werden kann, was zu stauender Nässe und damit zu Korrosion führen kann. Beim Verschweißen verzinkter Bleche kann durch ungenügende Durchschweißung und lokalen Abbrand der Zinkschicht die Spaltbildung zusätzlich begünstigt werden.
Es kann vorgesehen sein, die gaußförmige Intensitätsverteilung, wie sie z.B. bei fasergeführter Laserstrahlung auftritt, durch optisch korrigierende Systeme mit einem sogenannten Flat-Top-Intensitätsprofil auszubilden, wobei der derart korrigierten Laserstrahl über seinen gesamten Strahlquerschnitt hinweg im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweist. Dadurch kann eine Schweißnaht mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und einer über den gesamten Querschnitt gleichbleibenden Einschweißtiefe erzielt werden, wodurch sich die Kerbenausbildung und somit die Kerbwirkung jedoch allenfalls geringfügig reduzieren lassen.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum stirnseitigen Laserstrahlschweißen eines Überlappstoßes bzw. Verbindungsflansches bereitgestellt, mittels dessen auch bei geringer Flanschbreite eine Schweißverbindung mit hoher Stabilität ermöglicht ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Verschweißen mindestens zweier Werkstücke bereitgestellt, wobei zumindest das erste der beiden Werkstücke einen Bördel mit einer vorgegebenen Bördelbreite aufweist und das zweite der beiden Werkstücke einen ebenen bzw. flachen Abschnitt (im Folgenden auch als „Flachabschnitt“ bezeichnet) aufweist. Zumindest das erste Werkstück weist einen Bördel auf, d.h. das erste Werkstück ist ein Werkstück mit einem umgebogenen Rand bzw. Flanschabschnitt, dem sogenannten Bördel, wobei der Bördel vorliegend als Flanschabschnitt zum Verschweißen des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück fungiert. Die beiden Werkstücke können z.B. Blechteile bzw. Blechformteile sein.
Der Bördel bzw. Bördelabschnitt des ersten Werkstücks und der Flachabschnitt des zweiten Werkstücks werden derart angeordnet, dass sie einen Überlappstoß bilden. Der Bördelabschnitt und der Flachabschnitt werden dabei unter Ausbildung eines Überlappstoßes derart angeordnet, dass die Trennebene des Überlappstoßes parallel zu dem Bördelabschnitt und parallel zu dem Flachabschnitt verläuft, wobei der Bördelabschnitt und der Flachabschnitt an ihren Enden (im Wesentlichen) bündig abschließend angeordnet werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, den Bördel des ersten Werkstücks und den Flachabschnitt des zweiten Werkstücks unter Ausbildung eines Überlappstoßes einzuspannen, z.B. mittels stationärer oder mitlaufender Spannelemente einer Spanneinrichtung.
Das zweite Werkstück kann z.B. ebenfalls einen Bördel aufweisen, wobei der Flachabschnitt des zweiten Werkstücks durch den Bördel des zweiten Werkstücks gegeben ist und der Bördel des ersten Werkstücks und der Bördel des zweiten Werkstücks unter Ausbildung eines Überlappstoßes in Form eines (beidseitigen) Bördelstoßes angeordnet (z.B. eingespannt) werden.
Es kann jedoch z.B. auch vorgesehen sein, dass das zweite Werkstück in Form einer ebenen Platte (z.B. eines ebenen Bleches) vorliegt, wobei der Flachabschnitt des zweiten Werkstücks durch einen Randabschnitt des zweiten Werkstücks gegeben ist und der Bördel des ersten Werkstücks und der Randabschnitt des zweiten Werkstücks unter Ausbildung eines Überlappstoßes in Form eines Bördel-Stumpf-Stoßes bzw. einseitigen Bördelstoßes angeordnet (z.B. eingespannt) werden.
In einem nächsten Verfahrensschritt werden die beiden Werkstücke an dem Überlappstoß miteinander verschweißt, indem ein Laserstrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf die Stirnfläche des Überlappstoßes gerichtet wird. Der Laserstrahl verläuft somit z.B. im Wesentlichen parallel zu der Trennebene und zu der Stoßebene des Überlappstoßes, wobei der Laserstrahl z.B. (im Wesentlichen) senkrecht zu der Stirnfläche des Überlappstoßes verlaufen kann. Der Laserstrahl wird derart geführt, dass er auf die Stirnseite des Überlappstoßes auftrifft und die Werkstücke somit stirnseitig miteinander verschweißt werden.
Das Verschweißen erfolgt derart, dass die resultierende Einschweißtiefe mindestens der Bördelbreite entspricht oder größer ist als die Bördelbreite (in dem Fall, dass beide Werkstücke einen Bördel aufweisen, entspricht die Einschweißtiefe mindestens der kleineren der beiden Bördelbreiten). Der Bördelabschnitt (z.B. des ersten Werkstücks) ist mittels eines gekrümmten Verbindungsabschnitts von dem übrigen Werkstück abgebogen, wobei der Verbindungsabschnitt einen vorgegebenen Krümmungsradius aufweist. Das Einschweißen erfolgt derart, dass die resultierende Einschweißtiefe mindestens der Bördelbreite entspricht, wobei die Schweißung insbesondere derart ausgebildet werden kann, dass die Einschweißtiefe mindestens bis auf Höhe des Ansatzpunktes des gekrümmten Verbindungsabschnitts an den Bördelabschnitt reicht. Mit anderen Worten, die Schweißung kann derart ausgebildet werden, dass sich die Schweißung mindestens über die gesamte Bördelbreite bis in den Krümmungsansatzpunkt der Bördelung (bzw. der Bördelung mit der geringeren Bördelbreite) oder darüber hinaus erstreckt, sodass die Nahtwurzel mindestens bis zur Tiefe dieses Krümmungsansatzpunktes bzw. Radiusansatzpunktes ausgeprägt ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können separate bzw. isoliert vorliegende Schweißstellen erzeugt werden. Zudem kann vorgesehen sein, durch Vorschub der Fügestelle bzw. Fügestellenposition entlang eines vorgesehenen Schweißnahtverlaufs eine Schweißnaht zu erzeugen, wobei die Schweißnaht als durchgängige Schweißnaht oder auch als Steppnaht (d.h. mit mehreren aufeinanderfolgenden Stepps ausgebildete, durchbrochene Schweißnaht) ausgeführt sein kann.
Während des Einschweißens wird der mittels des Laserstrahls erfolgende Energieeintrag derart räumlich variiert, dass in den werkstückseitigen Randbereichen einer jeweiligen Schweiß- bzw. Fügestelle ein höherer Energieeintrag erfolgt als zwischen diesen Randbereichen. D.h., der Energieeintrag wird derart räumlich variiert, dass an den Rändern bzw. Randbereichen der Fügestelle, die sich bezüglich der quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung gegenüberliegen, ein höherer Energieeintrag erfolgt als in einem bezüglich der Querrichtung zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich der Fügestelle; wobei sich einer der beiden Randbereiche auf dem ersten Werkstück und der andere der beiden Randbereiche auf dem zweiten Werkstück befindet. Somit ist z.B. der Energieeintrag an einer Position zwischen den Werkstücken bzw. am Stoß der beiden Werkstücke geringer als der Energieeintrag auf einem jeweiligen der Werkstücke. Die räumliche Verteilung des Energieeintrags wird also derart eingestellt, dass im lateralen Schnitt (d.h. in einem Schnitt senkrecht zur Schweißnaht) an den Rändern des Schmelzbades eine Überhöhung des Energieeintrags vorliegt, d.h. an den Rändern des Schmelzbades mehr Energie eingetragen wird als in einem Zentralbereich des Schmelzbades; wobei das Schmelzbad in seiner Breite der Fügeaufgabe angepasst ist bzw. während des Fügeprozesses adaptiert wird.
Indem die Einschweißtiefe mindestens der Bördelbreite entspricht, kann eine Schweißnaht mit einem maximal möglichen Anbindungsquerschnitt realisiert werden. Indem in den werkstückseitigen Randbereichen der Fügestelle ein höherer Energieeintrag erfolgt als am Stoß der beiden Werkstücke, weist die Schweißnaht in ihren werkstückseitigen Randbereichen eine größere Einschweißtiefe bzw. Eindringtiefe auf als im Bereich des Stoßes der beiden Werkstücke, sodass der laterale Schnitt (d.h. der Schnitt senkrecht zur Schweißnaht) durch eine solche Schweißnaht an den Rändern eine höhere Einschweißtiefe aufweist als im Zentrum der Schweißung; wobei die Schweißstelle bzw. Schweißnaht insbesondere derart ausgebildet werden kann, dass sie im Bereich der Nahtwurzel einen konkav zu der Stirnfläche des Überlappstoßes hin gewölbten Abschnitt aufweist. Dadurch können die Nahtkerben, die sich im Nahtwurzelbereich aufgrund der Querschnittsprofile der Schweißnaht und der beiden Werkstücke am Übergang zwischen der Schweißnaht und den beiden Werkstücken ausbilden, mit einem stumpferen Winkel ausgebildet werden als z.B. bei Verwendung eines gaußförmigen Laserstrahls, wobei die Form der entstehenden Kerben durch die räumliche Verteilung des Energieeintrags bestimmt werden kann und die Ausbildung solcher Naht- bzw. Randkerben somit vermindert oder sogar vermieden werden kann.
Aufgrund des relativ großen Anbindungsquerschnitts und der minimierten bzw. unterbundenen Kerbwirkung ist auch bei kurzen Flanschen (mit Flanschbreiten von z.B. 4 mm) das Erzeugen einer stabilen Schweißnaht mittels stirnseitigen Einschweißens ermöglicht, wobei insbesondere eine Schweißverbindung mit einer hohen dynamischen Belastbarkeit realisierbar ist (da der bei dynamischen Beanspruchungen entstehende Kraftfluss deutlich weniger von Kerbspannungen beeinflusst wird). Zudem ist aufgrund der reduzierten Kerbenausbildung auch die daraus resultierende Kapillarwirkung unterdrückt, sodass ein verbessertes bzw. gutes Korrosionsverhalten ermöglicht ist und somit z.B. die im Nachgang der Schweißung zu treffenden korrosionsschutztechnischen Maßnahmen reduziert werden können. Das Verfahren ist somit zum Laserfügen, insbesondere von sehr kurzen bzw. schmalen Flanschen (vor allem im Karosseriebau), mittels stirnseitigen Einschweißens in Form einer I-Naht an einem Bördelstoß oder einer Bördel-Stumpfstoß-Kombination geeignet. Das Verfahren kann also insbesondere zum Verschweißen von Bördelstößen eingesetzt werden, bei denen die Nahtwurzel der Laserschweißung mindestens bis zu dem Krümmungsansatzpunkt der Bördelung heranreichen soll und der Bördel nicht heruntergeschmolzen wird.
Mittels Einstellens der räumlichen Verteilung des Energieeintrags kann der Querschnitt der Schweißnaht eingestellt und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden, wodurch insbesondere der Kerbwinkel der im Nahtwurzelbereich am Übergang zwischen der Schweißnaht und dem nicht aufgeschmolzenen Grundwerkstoff der Werkstücke verbleibenden Nahtkerben einstellbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Energieeintrag während des Fügens derart räumlich variiert, dass die an der Nahtwurzel zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff der beiden Werkstücke entstehenden Kerben einen Kerbwinkel von mindestens 100° aufweisen.
Die räumliche Variation des Energieeintrags kann z.B. mittels der Verwendung von passiven bzw. statischen – z.B. unbewegbaren – optischen Komponenten (z.B. diffraktiven optischen Elementen) zur Formung des Intensitätsprofils des Laserstrahls realisiert werden (sogenannte statische Energieaufteilung bzw. statische Strahlbeeinflussung), wobei der Laserstrahl mit einer entlang seines Strahlquerschnitts variierenden Strahlintensität ausgebildet wird, z.B. mit einer donut- bzw. ringförmigen Intensitätsverteilung. Des Weiteren kann vorgesehen sein, die räumliche Variation des Energieeintrags unter Verwendung aktiver bzw. dynamischer – z.B. bewegbarer – optischer Komponenten mittels Oszillation eines (fokussierten) Laserstrahls an der Fügestelle zu realisieren (sogenannte dynamische Energieaufteilung bzw. dynamische Strahlbeeinflussung). Die räumliche Variation des Energieeintrags kann z.B. mittels Auswertung von physikalischen Parametern mittels Sensoren erfolgen, die zur Regelung von Verfahrensparametern genutzt werden.
Vorliegend bezeichnet die Intensität die Strahlenergie pro Zeit und pro Fläche. Für einen Strahl bzw. Teilstrahl mit zeitlich konstanter Intensität und vorgegebenem Strahlquerschnitt steigt somit der Energieeintrag proportional mit der Verweildauer.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die räumliche Variation des Energieeintrags, indem ein Laserstrahl mit einer entlang des Laserstrahlquerschnitts räumlich variierenden (und zeitlich konstanten) Strahlintensität verwendet wird; wobei der Laserstrahl z.B. in einem auf das erste Werkstück gerichteten Strahl-Randabschnitt und in einem auf das zweite Werkstück gerichteten Strahl-Randabschnitt eine höhere Intensität aufweist als in einem auf eine Position zwischen den beiden Werkstücken (z.B. auf den Stoß der beiden Werkstücke) gerichteten Strahl-Zentralabschnitt. Gemäß dieser Ausführung wird die räumliche Variation des Energieeintrags durch räumliche Variation der auf den Überlappstoß auftreffenden Lichtintensität bei gleicher Verweildauer erzielt. Die Strahl-Randabschnitte und der Strahl-Zentralabschnitt können z.B. jeweils durch einen Teilstrahl gegeben sein.
Zum Beispiel kann der Laserstrahl als ein Laserstrahl mit zwei lokalen Intensitätsmaxima ausgebildet sein, wobei das eine Intensitätsmaximum auf das erste Werkstück gerichtet wird und das zweite Intensitätsmaximum auf das zweite Werkstück gerichtet wird, sodass zwischen den beiden Werkstücken bzw. am Stoß der beiden Werkstücke eine geringere Intensität vorliegt als am Auftreffpunkt des jeweiligen Intensitätsmaximums auf den Werkstücken. Ein Laserstrahl mit einer solchen Intensitätsverteilung kann z.B. mittels einer Bifokaloptik erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführung erfolgt die räumliche Variation des Energieeintrags, indem der Laserstrahl bzw. die Auftreffposition des Laserstrahls auf dem Überlappstoß derart bezüglich der quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung oszillierend hin und her bewegt wird, dass die die kumulierte Verweildauer des Laserstrahls (und somit der kumulierte Energieeintrag) an den werkstückseitigen Randbereichen der Fügestelle größer ist als die kumulierte Verweildauer des Laserstrahls in einem zwischen diesen Randbereichen angeordneten Zentralbereich (insbesondere an der Position des Stoßes der beiden Werkstücke). Gemäß dieser Ausführung oszilliert der Laserstrahl somit zwischen den beiden Werkstücken, wobei die räumliche Variation des Energieeintrags durch eine Variation der Verweildauern des Laserstrahls an den jeweiligen Auftreffpositionen bei z.B. gleich bleibender Strahlintensität an jeder dieser Auftreffpositionen realisiert wird. Die Fügestelle wird somit z.B. durch synchronisierte Verlagerung der Fokusposition an den Werkstücken mit angepassten Einschweißtiefen und somit einer angepassten Nahtwurzelform ausgebildet. Gemäß dieser Ausführung kann das Verfahren z.B. durch Einstellen der Oszillationsamplitude an variierende Spaltdicken, Blechdicken, Materialien und/oder Beschichtungen angepasst werden.
Der Laserstrahl kann z.B. mittels einer dafür vorgesehenen Strahlablenkeinrichtung bezüglich der Querrichtung des Überlappstoßes (d.h. senkrecht zur Trennebene des Überlappstoßes) ausgelenkt bzw. bewegt werden; wobei die Oszillation des Laserstrahls entlang der Querrichtung derart schnell erfolgen kann, dass eine quasisimultane Intensitätsverteilung an den Werkstücken erzeugt wird. Die Oszillation der Laserstrahl-Auftreffposition kann z.B. mittels eines galvanometrisch oder piezoelektrisch angetriebenen Scannerspiegels, mittels rotierender Prismen oder taumelnder Linsen realisiert werden. Die Oszillation kann z.B. mit einer sinusförmigen bzw. harmonischen Auslenkcharakteristik erfolgen, wobei der Laserstrahl an den Umkehrpositionen der Schwingungsauslenkung eine größere Verweildauer aufweist und somit an diesen Stellen ein höherer Energieeintrag erfolgt als zwischen den Umkehrpositionen (z.B. an der Position des Nulldurchgangs der Schwingungsauslenkung mittig zwischen den beiderseitigen Umkehrpunkten).
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Oszillation der Laserstrahl-Auftreffposition mit einer nicht harmonischen Schwingungscharakteristik erfolgt. Allgemein kann die Verweildauer des Laserstrahls an den unterschiedlichen Positionen der Fügestelle beliebig gezielt vorgegeben werden, wobei die resultierenden Energieeinträge bezüglich des lateralen Schnitts auch ungleichmäßig bzw. unsymmetrisch verteilt sein können; dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Überlappstoß nicht symmetrisch ausgebildet ist (z.B. beim einseitigen Bördelstoß). Zum Beispiel kann die Oszillation der Laserstrahl-Auftreffposition gemäß einem Rechteckschwingprofil mit asymmetrischen Verweildauern an den beiderseitigen Umkehrpositionen erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die räumliche Variation des Energieeintrags erfolgen (oder unterstützt werden), indem der Laserstrahl bzw. die Auftreffposition des Laserstrahls auf dem Überlappstoß bezüglich der quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung oszillierend hin und her bewegt wird und der Laserstrahl mit einer zu der Oszillation der Laserstrahl-Auftreffposition synchronen Leistungsmodulation ausgebildet wird; wobei die Leistung bzw. Intensität des Laserstrahls derart zeitlich variiert wird, dass bei Positionierung der Laserstrahlauftreff-Position an den werkstückseitigen Randbereichen der Schweißstelle (d.h. im Bereich der Umkehrpositionen bzw. der maximalen Auslenkung des Laserstrahls) der Laserstrahl eine höhere Leistung bzw. Intensität aufweist als bei Positionierung der Laserstrahl-Auftreffposition an einem zwischen den beiderseitigen Randbereichen angeordneten Zentralbereich der Schweißstelle (z.B. am Stoß der beiden Werkstücke). Insbesondere kann vorgesehen sein, eine derartige Leistungsmodulation unterstützend zusätzlich zu der oben erläuterten Verweildauer-Modulation anzuwenden, wobei in den Randbereichen der Fügestelle sowohl eine größere Verweildauer als auch eine größere Laserstrahlleistung vorliegen als in dem Zentralbereich.
Zusätzlich zu der variablen Auslenkung des Laserstrahls bezüglich der Querrichtung kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl (z.B. mittels einer dafür vorgesehenen Strahlablenkungseinrichtung, etwa in Form eines angetrieben schwenkbaren Spiegels) – unabhängig von der Vorschubbewegung der Schweißposition – bezüglich der Vorschubrichtung variabel auslenkbar ist. Indem die Bewegung des Laserstrahls quer zu der Vorschubrichtung durch eine Bewegung des Laserstrahls bzw. der Laserstrahl-Auftreffposition parallel zu der Vorschubrichtung ergänzt wird, kann z.B. die Schmelzbaddynamik an der Schweißstelle beeinflusst werden oder die Nahtenden und Nahtanfänge geometrisch geformt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, mindestens eine Schweißnaht mittels entsprechender Strahlführung derart auszubilden, dass ein oder beide Endabschnitte der Schweißnaht in einer senkrecht zu der Trennebene des Überlappstoßes verlaufenden Schnittebene (z.B. an der Stirnfläche des Überlappstoßes) einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius aufweisen, der mindestens so groß ist wie die Breite der Schweißnaht (entlang der Querrichtung) in dem zwischen den Endabschnitten angeordneten, die beiden Endabschnitte miteinander verbindenden Mittelabschnitt der Schweißnaht. D.h., eine solche Schweißnaht weist einen Mittelabschnitt mit einer vorgegebenen Nahtbreite und zwei beiderseitig an den Mittelabschnitt anschließende Endabschnitte auf, wobei zumindest einer der Endabschnitte in einer senkrecht zu der Stoßebene des Überlappstoßes verlaufenden Schnittebene einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius von mindestens der Nahtbreite des Mittelabschnitts aufweist, sodass die maximale Nahtbreite an dem Endabschnitt mindestens doppelt so groß ist wie die maximale Nahtbreite an dem Mittelabschnitt.
Durch eine derartige Ausformung der Einstichstelle und/oder des Nahtendes mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem großen Radius (und einer entsprechend geringen Krümmung) und die damit einhergehende Vermeidung von Naht- bzw. Randkerben in diesem Abschnitt kann die Rissanfälligkeit einer entsprechend ausgebildeten Schweißnaht zusätzlich erheblich gesenkt werden. Besonders bei Ausbildung der Schweißnaht als Steppnaht mit mehreren aufeinanderfolgenden einzelnen Stepps (d.h. kurzen Schweißnähten bzw. Schweißnahtabschnitten) ist diese Gestaltung vorteilhaft, da sich die Anrissenergie pro Stepp signifikant erhöht. Definitionsgemäß beträgt bei einem Stepp das Verhältnis von Nahtbreite zu Nahtlänge zwischen 1/5 und 1/100.
Mittels einer dynamischen Strahlbeeinflussung unter Bewegung des Laserstrahls bezüglich der Querrichtung und/oder der Vorschubrichtung kann zudem der Aufmischungsgrad artgleicher und artfremder Grundwerkstoffe metallurgisch positiv beeinflusst werden; wobei z.B. wichtige Parameter wie Härte, Porenbildung, Heißriss- und Korrosionsempfindlichkeit gezielt beeinflusst werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
1 einen Querschnitt einer gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines Laserstrahls mit gaußförmiger Intensitätsverteilung erzeugten Schweißnaht;
2 ein Intensitätsverteilungsdiagramm;
3 einen Querschnitt einer unter Verwendung eines Laserstrahls mit zwei lokalen Intensitätsmaxima erzeugten Schweißnaht;
4 einen Querschnitt einer Schweißnaht an einem einseitigen Bördelstoß;
5 einen Querschnitt einer unter Verwendung eines oszillierenden Laserstrahls erzeugten Schweißnaht; und
6 eine Draufsicht auf eine Schweißnaht mit kreisförmigen Endabschnitten.
Die 1 und 3 bis 5 veranschaulichen in einem Querschnitt jeweils zwei Werkstücke 1, 3. Das erste Werkstück 1 ist als gebördeltes Werkstück ausgeführt und weist einen Bördel bzw. Bördelabschnitt 5 auf, d.h. einen im Wesentlichen rechtwinklig von dem übrigen Werkstück abgebogenen Rand bzw. Flansch 5. Das zweite Werkstück 3 weist einen ebenen Flachabschnitt 7 auf, wobei der Bördel 5 des ersten Werkstücks 1 und der Flachabschnitt 7 des zweiten Werkstücks unter Ausbildung eines Überlappstoßes 9 angeordnet sind, z.B. indem sie mittels einer Spanneinrichtung (nicht dargestellt) eingespannt sind. Der Bördel 5 und der Flachabschnitt 7 fungieren somit jeweils als Flanschabschnitt des ersten bzw. zweiten Werkstücks, wobei diese Flanschabschnitte 5, 7 unter Ausbildung des als Verbindungsflansch fungierenden Überlappstoßes 9 stoßartig angeordnet sind. Der Überlappstoß 9 weist eine Stirnfläche 11 auf, die von den Stirnflächen bzw. Abschlussflächen des Bördels 5 und des Flachabschnitts 7 gebildet ist.
Der Bördel 5 und der Flachabschnitt 7 können derart angeordnet (und z.B. mittels einer Spanneinrichtung zusammengepresst) sein, dass zwischen ihnen ein technischer Nullspalt vorliegt und der Bördel 5 und der Flachabschnitt 7 z.B. einander kontaktierend angeordnet sind. In den Figuren ist zur besseren Veranschaulichung eine Anordnung mit einem freien Spalt 13 zwischen dem unverschweißten Bördel 5 und Flachabschnitt 7 dargestellt, jedoch umfassen die vorliegenden Ausführungen auch den Fall, dass der Spalt 13 ein technischer Nullspalt mit einer unter technischen Gesichtspunkten vernachlässigbar geringen Spaltdicke (von z.B. 20 µm oder geringer) ist.
Gemäß den Figuren verlaufen die Stoßebene und die Trennebene des Überlappstoßes 9 parallel zur xz-Ebene des in den Figuren dargestellten xyz-Koordinatensystems; wobei die Längsrichtung des Überlappstoßes 9 parallel zur x-Richtung verläuft, die quer zu dem Überlappstoß 9 verlaufende Querrichtung parallel zur y-Richtung verläuft, und die senkrecht zu der Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 verlaufende Vertikalrichtung parallel zur z-Richtung verläuft. Die Breite des Bördels 5 erstreckt sich somit vorliegend entlang der z-Richtung. Bezüglich der Querrichtung erstreckt sich der Bördel 5 des ersten Werkstücks 1 von der Quer-Koordinate y₁ bis zu der Quer-Koordinate y₂ und der Flachabschnitt 7 des zweiten Werkstücks 3 von der Quer-Koordinate y₃ bis zu der Quer-Koordinate y₄, wobei der zwischen dem Bördel 5 und dem Flachabschnitt 7 ausgebildete Stoß bzw. Spalt 13 sich somit von der Quer-Koordinate y₂ bis zu der Quer-Koordinate y₃ erstreckt (siehe 1, dies gilt analog für die übrigen Figuren).
Gemäß den 1, 3 und 5 ist das zweite Werkstück 3 ebenfalls als gebördeltes Blechteil ausgeführt, wobei der Flachabschnitt 7 des zweiten Werkstücks 3 durch den Bördel bzw. Bördelabschnitt 7 des zweiten Werkstücks 3 gegeben ist und der Überlappstoß 9 somit in Form eines Bördelstoßes ausgebildet ist (der Bördel 7 des zweiten Werkstücks 3 weist als Beispiel dieselbe Breite auf wie der Bördel 5 des ersten Werkstücks). Gemäß 4 ist das zweite Werkstück 3 als ein ebenes Blechteil ausgeführt, wobei der Flachabschnitt 7 des zweiten Werkstücks durch einen Randabschnitt 7 des zweiten Werkstücks gegeben ist und der Überlappstoß 9 somit in Form eines einseitigen Bördelstoßes bzw. einer Bördel-Stumpfstoß-Kombination vorliegt.
Die beiden Werkstücke 1, 3 werden mittels eines Laserstrahls an dem Überlappstoß 9 miteinander verschweißt, wobei der Laserstrahl von der Stirnseite des Überlappstoßes her auf die Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 gerichtet wird. Der Laserstrahl ist in 1 mit dem Bezugszeichen 15, in den 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 21, und in 5 mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. Mittels Vorschubs der Fügestelle entlang der Längsrichtung (x-Richtung) wird eine Schweißnaht 17 erzeugt, indem an der jeweiligen Fügestelle das Material der beiden Werkstücke 1, 3 lokal aufgeschmolzen wird und unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung erstarrt (wobei die Schweißnaht 17 in den Figuren schraffiert dargestellt ist).
Das Einschweißen erfolgt derart, dass die (maximale) Einschweißtiefe im Querschnitt der Schweißnaht 17 mindestens der Breite des Bördels 5 des ersten Werkstücks 3 (d.h. der Ausdehnung des Bördels 5 entlang der z-Richtung) entspricht, wobei die Einschweißtiefe durch die Ausdehnung der Schweißnaht 17 entlang der z-Richtung gegeben ist. Gemäß den 1 und 3 bis 5 ist die Schweißnaht insbesondere derart ausgebildet, dass ihre Nahtwurzel entlang der Vertikalrichtung (z-Richtung) über den nahtseitigen Krümmungsansatzpunkt des ersten Werkstücks 1 hinausreicht, an dem die Krümmung der Biegung ansetzt, mittels derer der ebene Bördelabschnitt 5 des ersten Werkstücks 1 von dem übrigen Teil des Werkstücks 1 abgebogen ist.
1 veranschaulicht den Querschnitt der resultierenden Schweißnaht 17 bei Verwendung eines Laserstrahls 15 mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung; wobei in 1 der Laserstrahl 15 durch die denselben bezüglich der Querrichtung (y-Richtung) begrenzenden Randstrahlen veranschaulicht ist. Die Intensitätsverteilung des gaußförmigen Laserstrahls 15 an dem Überlappstoß 9 bezüglich der Querrichtung ist in 2 als Intensitätsverteilung I₁ mit einer durchbrochenen Linie veranschaulicht. Der gaußförmige Laserstrahl 15 wird mit seinem Strahlzentrum auf den Stoß bzw. Spalt 13 des Überlappstoßes 9 gerichtet, d.h. auf eine Position (mittig) zwischen den Quer-Koordinaten y₂ und y₃. Die Lichtintensität des gaußförmigen Laserstrahls 15 ist in dessen Strahlzentrum am größten und nimmt zu den Seiten hin kontinuierlich ab, sodass an den werkstückseitigen Randbereichen der jeweiligen Schweißstelle bzw. des jeweiligen Schmelzbadvolumens ein geringerer Energieeintrag erfolgt als in dem zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich. Demgemäß weist die Schweißnaht 17 im Querprofil an einer Position zwischen den beiden Werkstücken 1, 3 bzw. am Stoß der beiden Werkstücke 1, 3 die größte Einschweißtiefe auf und die Einschweißtiefe nimmt zu den Seiten hin entlang der Querrichtung ab, sodass die Schweißnaht 17 im Bereich ihrer Nahtwurzel konvex von der Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 weg gewölbt ist. Aufgrund des resultierenden Querschnittsprofils der Schweißnaht 17 bilden sich daher bei Verwendung eines gaußförmigen Laserstrahls 15 im Bereich der Nahtwurzel zwei spitzwinklige Randkerben 19 aus, die sich ungünstig auf die Stabilität und das Korrosionsverhalten der verschweißten Werkstücke auswirken.
3 veranschaulicht das Ausbilden einer Schweißnaht 17 an einem Bördelstoß unter Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform; wobei der Querschnitt einer bei Verwendung eines Laserstrahls 21 mit zwei lokalen Intensitätsmaxima resultierenden Schweißnaht 17 veranschaulicht ist (in 3 ist der Laserstrahl 21 durch die denselben bezüglich der Querrichtung begrenzenden Randstrahlen veranschaulicht). Die Intensitätsverteilung des gemäß 3 verwendeten Laserstrahls 21 an dem Überlappstoß 9 bezüglich der Querrichtung ist in 2 als Intensitätsverteilung I₂ mit einer durchgezogenen Linie veranschaulicht. Ein solcher Laserstrahl 21 mit zwei lokalen Intensitätsmaxima kann z.B. mittels einer Bifokaloptik erzeugt werden und wird im Folgenden auch als Bifokalstrahl 21 bezeichnet.
Der Bifokalstrahl 21 wird derart auf die Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 gerichtet, dass das erste lokale Intensitätsmaximum des Bifokalstrahls 21 auf dem ersten Werkstück 1 und das zweite lokale Intensitätsmaximum des Bifokalstrahls 21 auf dem zweiten Werkstück 3 positioniert ist, sodass der zwischen den beiden lokalen Intensitätsmaxima liegende Zentralabschnitt des Bifokalstrahls 21 auf dem Stoß bzw. Spalt 13 des Überlappstoßes 9 positioniert ist. Der Bifokalstrahl 21 weist somit eine entlang seines Strahlquerschnitts räumlich variierende Intensität auf, wobei der Bifokalstrahl 21 in seinen auf die werkstückseitigen Randbereiche der Schweißstelle gerichteten Randabschnitten eine höhere Intensität aufweist als in seinem auf den Zentralbereich der Schweißstelle gerichteten Zentralabschnitt. Demgemäß erfolgt an den beiden werkstückseitigen Randbereichen der jeweiligen Schweißstelle bzw. des jeweiligen Schmelzbadvolumens ein höherer Energieeintrag als an dem zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich. Dadurch weist die Schweißnaht 17 an den beiden werkstückseitigen Randbereichen der Schweißnaht 17, die sich bezüglich der quer zu dem Überlappstoß verlaufenden Querrichtung (y-Richtung) gegenüberliegen, eine größere Einschweißtiefe auf als an dem zwischen diesen beiden Randbereichen liegenden Zentralbereich der Schweißnaht 17, wobei die Schweißnaht 17 insbesondere im Bereich ihrer Nahtwurzel einen konkav zu der Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 hin gewölbten Abschnitt aufweist.
Aufgrund des resultierenden Querschnittsprofils der Schweißnaht 17 weisen die beiden Randkerben 19, die sich im Bereich der Nahtwurzel am Übergang zwischen der Schweißnaht 17 und dem nicht aufgeschmolzenen Grundwerkstoff der Werkstücke 1, 3 ausbilden, bei Verwendung des Bifokalstrahls 21 einen stumpfen Kerbwinkel auf. Der Energieeintrag wird insbesondere derart räumlich variiert, dass die beiden Randkerben 19 jeweils einen Kerbwinkel bzw. Öffnungswinkel von mindestens 100° aufweisen. Der Energieeintrag kann insbesondere derart räumlich variiert werden, dass der konkave Abschnitt der Nahtwurzel im Wesentlichen glatt bzw. ansatzlos in die angrenzenden Werkstücke übergeht.
4 veranschaulicht das Ausbilden einer Schweißnaht 17 unter Verwendung eines Bifokalstrahls 21 an einem einseitigen Bördelstoß bzw. Bördel-Stumpfstoß unter Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform; wobei der gemäß 4 verwendete Bifokalstrahl 21 bezüglich der Werkstücke 1, 3 die in 2 mittels der durchgezogenen Linie dargestellte Intensitätsverteilung I₂ aufweist. Die gemäß 4 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich von der mit Bezug auf 3 erläuterten Ausführungsform lediglich dadurch, dass gemäß 4 das zweite Werkstück 3 ein ebenes Werkstück ist, im Übrigen gelten die mit Bezug auf 3 getroffenen Erläuterungen analog. In 4 ist zudem die Lage der werkstückseitigen Randbereiche R₁, R₂ der Schweißung mit höherem Energieeintrag und die Lage des bezüglich der Querrichtung zwischen diesen beiden Randbereichen angeordneten Zentralbereichs Z der Schweißung mit (demgegenüber) geringerem Energieeintrag exemplarisch veranschaulicht.
5 veranschaulicht das Ausbilden einer Schweißnaht 17 an einem als Bördelstoß ausgebildeten Überlappstoß 9 unter Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform, wobei ein oszillierender, fokussierter Laserstrahl 23 verwendet wird. Der Laserstrahl 23 wird mittels eines angetrieben schwenkbaren Spiegels 25 derart entlang der Querrichtung zwischen dem ersten 1 und dem zweiten 3 Werkstück oszillierend hin und her bewegt, dass die kumulierte Verweildauer der Auftreffposition des Laserstrahls 23 an den werkstückseitigen Randbereichen R₁, R₂ der Schweißung größer ist als die kumulierte Verweildauer der Auftreffposition des Laserstrahls 23 an dem Zentralbereich Z der Schweißung. Der Fokus des Laserstrahls 23 oszilliert mittels Schwenkens des Spiegels 25 zwischen dem an dem ersten Werkstück 1 angeordneten Randbereich R₁ (durchgezogener Laserstrahlverlauf 23) und dem an dem zweiten Werkstück 3 angeordneten Randbereich R₂ (durchbrochener Laserstrahlverlauf 23) der Schweißung, wobei der Laserstrahl 23 im Gegensatz zu den mit Bezug auf die 1 bis 4 erläuterten Ausführungsformen wesentlich stärker fokussiert ist (d.h. eine kleinere Fokusgröße aufweist). Zudem wird die Leistung des Laserstrahls 23 synchron zu dessen Oszillationsbewegung derart zeitlich variiert, dass bei Positionierung der Auftreffposition des Laserstrahls 23 an den werkstückseitigen Randbereichen R₁, R₂ der Schweißung der Laserstrahl 23 eine höhere Leistung aufweist als bei Positionierung der Auftreffposition des Laserstrahls 23 an dem Zentralbereich Z der Schweißung.
Indem der Laserstrahl bei Auftreffen an den Randbereichen der Schweißung sowohl eine höhere Verweildauer als auch eine höhere Leistung aufweist als bei Auftreffen an dem Zentralbereich der Schweißung, wird der mittels des Laserstrahls 23 erfolgende Energieeintrag derart räumlich variiert, dass an den werkstückseitigen Randbereichen ein höherer Energieeintrag vorliegt als an dem zwischen diesen Randbereichen angeordneten Zentralbereich. Dadurch weist die Schweißnaht 17 an ihren sich bezüglich der Querrichtung gegenüberliegenden Randbereichen eine größere Einschweißtiefe auf als in ihrem mittig zwischen den beiden Werkstücken 3 angeordneten Zentralbereich, wobei die Schweißnaht 17 insbesondere im Bereich ihrer Nahtwurzel einen konkav zu der Stirnfläche 11 des Überlappstoßes 9 hin gewölbten Abschnitt aufweist. Wie bereits mit Bezug auf 3 erläutert, kann durch eine derartige räumliche Energieverteilung ein glatter, ansatzloser Übergang zwischen der Schweißnaht 17 und den an dieselbe angrenzenden Werkstückabschnitten ausgebildet werden, wodurch die negativen Auswirkungen von Nahtkerben unterdrückt oder die Kerbenausbildung sogar gänzlich vermieden werden kann.
6 erläutert ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei 6 den Bördel 5 eines ersten Werkstücks 1 und den Flachabschnitt 7 eines zweiten Werkstücks 3 in einer Draufsicht im verschweißten Zustand zeigt. Demgemäß wird der Laserstrahl (nicht dargestellt) während des Schweißens derart über die Stirnfläche 11 des von dem Bördel 5 und dem Flachabschnitt 7 gebildeten Überlappstoßes geführt, dass die resultierende Schweißnaht 17 zwei Endabschnitte und einen Mittelabschnitt aufweist, wobei jeder der Endabschnitte an der Stirnfläche 11 des Überlappstoßes einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius R aufweist, wobei der Radius R mindestens so groß ist wie die Nahtbreite B in dem an die Endabschnitte angrenzenden Mittelabschnitt der Schweißnaht 17.
Bezugszeichenliste

1: erstes Werkstück / erstes Blechteil
3: zweites Werkstück / zweites Blechteil
5: Bördel des ersten Werkstücks
7: Flachabschnitt des zweiten Werkstücks
9: Überlappstoß
11: Stirnfläche des Überlappstoßes
13: Spalt / Stoß
15: Laserstrahl mit gaußförmigem Intensitätsprofil
17: Schweißnaht
19: Kerbe
21: Laserstrahl mit zwei lokalen Intensitätsmaxima / Bifokalstrahl
23: oszillierender Laserstrahl
25: Ablenkeinrichtung / schwenkbarer Spiegel
R₁, R₂: werkstückseitige Randbereiche der Schweißung
Z: Zentralbereich der Schweißung
R: Kreisradius des Schweißnaht-Endabschnitts
B: Breite des Schweißnaht-Mittelabschnitts

Claims

Verfahren zum Verschweißen mindestens eines ersten (1) und eines zweiten (3) Werkstücks, wobei das erste Werkstück einen Bördel (5) mit einer vorgegebenen Bördelbreite und das zweite Werkstück einen ebenen Flachabschnitt (7) aufweist, aufweisend folgende Schritte: – Anordnen des Bördels (5) des ersten Werkstücks (1) und des Flachabschnitts (7) des zweiten Werkstücks (3) unter Ausbildung eines Überlappstoßes (9) mit einer Stirnseite, – Verschweißen des ersten Werkstücks (1) mit dem zweiten Werkstück (3) mittels eines von der Stirnseite des Überlappstoßes (9) her auf den Überlappstoß gerichteten Laserstrahls (21, 23) unter Ausbildung einer Schweißstelle (17) mit einer Einschweißtiefe derart, dass die Einschweißtiefe mindestens der Bördelbreite entspricht, wobei die Schweißstelle (17) zwei werkstückseitige Randbereiche (R₁, R₂) und einen zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich (Z) aufweist, und wobei – mittels des Laserstrahls (21, 23) ein Energieeintrag erfolgt, der derart räumlich variiert wird, dass der an den werkstückseitigen Randbereichen (R₁, R₂) der Schweißstelle (17) erfolgende Energieeintrag höher ist als der an dem Zentralbereich (Z) der Schweißstelle (17) erfolgende Energieeintrag.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schweißstelle (17) eine Nahtwurzel aufweist und beim Verschweißen des ersten Werkstücks (1) mit dem zweiten Werkstück (3) an der Nahtwurzel zwischen der Schweißstelle (17) und den beiden Werkstücken (1, 3) Kerben (19) entstehen, wobei der Energieeintrag derart räumlich variiert wird, dass die Kerben (19) einen Kerbwinkel von mindestens 100 ° aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laserstrahl (23) unter Durchführung einer Oszillationsbewegung bezüglich einer quer zu dem Überlappstoß (9) verlaufenden Querrichtung hin und her bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der mittels des Laserstrahls erfolgende Energieeintrag räumlich variiert wird, indem der Laserstrahl (23) derart bezüglich der Querrichtung hin und her bewegt wird, dass der Laserstrahl an den werkstückseitigen Randbereichen (R₁, R₂) der Schweißstelle (17) eine größere kumulierte Verweildauer aufweist als an dem zwischen diesen Randbereichen liegenden Zentralbereich (Z) der Schweißstelle (17).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der mittels des Laserstrahls erfolgende Energieeintrag räumlich variiert wird, indem der Laserstrahl mit einer zu der Oszillationsbewegung des Laserstrahls synchronen Leistungsmodulation ausgebildet wird, wobei die Leistung des Laserstrahls (23) derart zeitlich variiert wird, dass sie bei Positionierung des Laserstrahls an den werkstückseitigen Randbereichen (R₁, R₂) der Schweißstelle (17) höher ist als bei Positionierung des Laserstrahls an dem zwischen den beiderseitigen Randbereichen liegenden Zentralbereich (Z) der Schweißstelle (17).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittels des Laserstrahls erfolgende Energieeintrag räumlich variiert wird, indem der Laserstrahl (21) einen Laserstrahlquerschnitt mit einer entlang des Laserstrahlquerschnitts räumlich variierenden Intensität aufweist, wobei der Laserstrahl Randabschnitte, die auf die werkstückseitigen Randbereiche (R₁, R₂) der Schweißstelle (17) gerichtet sind, und einen Zentralabschnitt, der auf den Zentralbereich (Z) der Schweißstelle (17) gerichtet ist, aufweist, und wobei der Laserstrahl in seinen auf die werkstückseitigen Randbereiche (R₁, R₂) der Schweißstelle (17) gerichteten Randabschnitten eine höhere Intensität aufweist als in seinem auf den Zentralbereich (Z) der Schweißstelle (17) gerichteten Zentralabschnitt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Werkstück (3) einen Bördel aufweist und der Flachabschnitt (7) des zweiten Werkstücks durch den Bördel des zweiten Werkstücks gegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Werkstück (3) ein ebenes Werkstück ist und der Flachabschnitt (7) des zweiten Werkstücks durch einen Randabschnitt des zweiten Werkstücks gegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eine Schweißnaht (17) ausgebildet wird, die mindestens einen Endabschnitt aufweist, der an einer Stirnfläche (11) des Überlappstoßes (9) einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius (R) aufweist, der mindestens so groß ist wie eine Breite (B) der Schweißnaht (17) in einem an den Endabschnitt anschließenden Abschnitt der Schweißnaht.