DE102013225260A1

DE102013225260A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit einer Laserschweißnaht sowie Bauteil

Info

Publication number: DE102013225260A1
Application number: DE102013225260.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Lachenmaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20150158122A1; CN104690427A; CN104690427B; US10195691B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit einer Laserschweißnaht, bei dem zumindest ein Laserstrahl (L) über eine Fügestelle (104) eines Bauteils (10) geführt wird, wobei die Prozessparameter so gewählt werden, dass sich an der Fügestelle (104) eine Schweißnaht (120) und eine auf der Schweißnaht haftende eisenoxidhaltige Schicht (130) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit einer Laserschweißnaht, sowie ein Bauteil.
Per Laserschweißen gefügte Bauteile, wie z. B. Karosseriebauteil im Fahrzeugbau, müssen häufig nach dem Schweißprozess lackiert werden. Der Lackierprozess kann hierbei z. B. mehrere Schritte umfassen, wie z. B. eine Vorbehandlung, z. B. eine Phosphatierung, das Aufbringen einer Korrosionsschutzgrundierung, wie z. B. eines Kathodentauchlacks (KTL) und das Aufbringen von Primern/Füllern, Basislack und Klarlack.
Während des Schweißprozesses von Stahlwerkstoffen, insbesondere beim Laserstrahlschweißen mit taktiler Nahtführung, entstehen unterschiedliche Verunreinigungen auf der Schweißnahtoberfläche, z. B. verschiedene Eisenoxide. Diese Verunreinigungen infolge des Schweißprozesses werden gemeinhin als Zunder bezeichnet. Zunder hat nur eine ungenügende Haftung auf dem Werkstoff. Auch lässt sich Zunder nicht phosphatieren. Somit führen mit Zunder verunreinigte Schweißnähte zu einer mangelhaften KTL/Lackhaftung.
Um die Lackhaftung zu verbessern, werden die Verunreinigungen üblicherweise entfernt. Hierzu werden die Schweißnähte einer Nacharbeit unterzogen, z. B. werden die Verunreinigungen/der Zunder durch ein mechanisches Abbürsten der Schweißnähte oder mittels Trockeneis entfernt. Diese Prozessschritte sind jedoch schwierig zu kontrollieren, da keine zu überwachenden Parameter vorhanden sind. Häufig kann eine vollständige Entfernung der Verunreinigungen nicht zuverlässig sichergestellt werden. Auch kann es zu einem unerwünschten Zinkabrieb kommen. Nachteilig ist ferner der zusätzliche Platz- und Zeitbedarf, den eine Reinigung der Schweißnähte mit sich bringt.
Somit ist es Aufgabe der Erfindung ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, mit dem die Lackhaftung an geschweißten Bauteilen verbessert werden kann, sowie ein entsprechendes Bauteil.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil gemäß Patentanspruch 10.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit einer Laserschweißnaht wird ein Laserstrahl über eine Fügestelle eines Bauteils geführt, wobei die Prozessparameter so gewählt werden, dass sich an der Fügestelle eine Schweißnaht und eine auf der Schweißnaht haftende eisenoxidhaltige Schicht ausbildet.
Die Entstehung von Verunreinigungen auf der Schweißnaht lässt sich, insbesondere in der Großserienfertigung, nicht gänzlich vermeiden. Der Erfindung legt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Verunreinigungen jedoch durch geeignete Wahl der Prozessparameter beeinflusst werden können, so dass sie für nachfolgende Lackierprozesse keine Beeinträchtigung mehr darstellen. Genauer gesagt werden die Prozessparameter des Schweißprozesses so gewählt, dass sich eine haftende eisenoxidhaltige Schicht auf der Schweißnaht ausbildet.
Die eisenoxidhaltige Schicht haftet auf der Schweißnaht. Das heißt, dass die eisenoxidhaltige Schicht den Anforderungen eines Klebebandabrisstests genügt. Bei dem Klebebandabrisstest wird ein Klebeband mit einer Klebekraft auf Stahl von 4,6 ± 0,5 N/cm parallel entlang der Laserschweißnaht fest angedrückt und in einem Winkel von 60° ruckartig abgezogen. Das geschweißte Bauteil wird vor Aufbringen des Klebebandes lackiert, z. B. kann das Bauteil mit einem Kathodentauchlack lackiert sein oder vollständig lackiert sein, d. h. mehrere Lackschichten aufweisen. Bei Abriss des Klebebandes bleiben nicht oder schlecht haftende Partikel als Lackenthaftung auf dem Klebeband zurück. Als dem Klebebandabrisstest genügend wird hierbei angesehen, wenn die Lackenthaftung im Bereich der Schweißnaht maximal 5% beträgt.
Somit schlägt die Erfindung einen neuen Weg dahingehend ein, dass nicht mehr versucht wird, die Bildung von Verunreinigungen zu vermeiden oder diese zu entfernen, sondern die Verunreinigungen so ausgebildet werden, dass sie kein Hindernis für den nachfolgenden Lackierprozess darstellen. Es hat sich gezeigt, dass mit geeigneten Prozessparametern eine eisenoxidhaltige Schicht mit verbesserter Haftung auf der Schweißnaht entsteht. Durch die gute Haftung der eisenoxidhaltigen Schicht kann auf ein Entfernen derselben verzichtet werden. Es ist weder ein Nacharbeiten der Schweißnaht noch eine Vorbehandlung in der Lackiererei zum Entfernen der eisenoxidhaltigen Schicht notwendig. Somit kann die Anzahl notwendiger Prozessschritte reduziert werden. Es entsteht kein Taktzeitverlust, weshalb sich dieses Verfahren insbesondere für die Großserienfertigung eignet.
Prozessparameter, mit denen der Anteil an Eisen-(II/III)-Oxid und somit die Haftung der eisenoxidhaltigen Schicht beeinflusst werden kann, sind z. B. die Strahlintensität, die Fokuslage des Laserstrahls, der laterale Anstellwinkel des Laserstrahls und der longitudinale Anstellwinkel des Laserstrahls, die Schutzgasmenge und -art, die Drahtmenge und die Robotergeschwindigkeit.
In einer Ausgestaltung beträgt der longitudinale Anstellwinkel des Laserstrahls weniger als 85° (Grad), insbesondere beträgt der longitudinale Anstellwinkel des Laserstrahls vorzugsweise mindestens 75° und weniger als 85°. Der longitudinale Anstellwinkel ist hierbei der Winkel in Richtung der Schweißrichtung, um den der Laserstrahl gegenüber der Werkstückoberfläche geneigt ist. Ein longitudinaler Anstellwinkel von weniger als 90° bedeutet, dass schleppend geschweißt wird. Durch die Einstellung des longitudinalen Anstellwinkels im voranstehend genannten Bereich wird eine längere Strahleinwirkung auf die Schweißstelle erzielt, was einen positiven Einfluss auf das Gefüge der eisenoxidhaltigen Schicht hat.
In einer Ausgestaltung wird der laterale Anstellwinkel des Laserstrahls so gewählt, dass er mehr als 45° beträgt und insbesondere in einem Bereich von mehr als 45° bis maximal 60° liegt. Der laterale Anstellwinkel ist der Winkel quer zur Schweißrichtung, um den der Laserstrahl gegenüber der Werkstückoberfläche geneigt ist. Hierdurch kann eine für die Hafteignung der eisenoxidhaltigen Schicht optimale Temperaturverteilung im Ober- und Unterblech realisiert werden.
Die Haftung der eisenoxidhaltigen Schicht kann vorzugsweise weiter begünstigt werden, wenn das Schweißen ein Wärmeleitschweißen ist, d. h. sich während der Schweißung keine Dampfkapillare ausbildet. Das Wärmeleitschweißen kann z. B. durch entsprechende Wahl der Strahlintensität (<10⁶ W/cm²) umgesetzt werden. In einer alternativen Ausgestaltung liegt die Fokuslage des Laserstrahls über der Fügestelle, z. B. um bis zu 5 mm über der Fügestelle. Vorzugsweise kann die Fokuslage des Laserstrahls 3 mm bis 5 mm über der Fügestelle liegen. Die beim Wärmeleitschweißen vorliegenden geringeren Absoluttemperaturen als beim Tiefschweißen unterstützen das Ausbilden einer haftenden eisenoxidhaltigen Schicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Laserschweißverfahren mit taktiler Nahtführung verwendet, wobei ein Zusatzdraht gleichzeitig als mechanischer Taster zur Nahtführung dient.
Vorzugsweise wird zur Durchführung des Verfahrens eine bifokale Optik verwendet. Bei einer bifokalen Optik wird der Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, die eng nebeneinander auf das Werkstück geführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dazu, ein erstes und zweites Bauteil mittels einer Schweißnaht stoffschlüssig zu verbinden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Werkstück um Karosseriebestandteile einer Fahrzeugkarosserie und die Schweißnaht wird an einem Bördelfalz des ersten Werkstücks ausgebildet.
Bezüglich des Bauteils wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Bauteil mit mindestens einem ersten Werkstück und einer an dem ersten Werkstück ausgebildeten Schweißnaht, wobei auf der Schweißnahtoberfläche eine haftende eisenoxidhaltige Schicht angeordnet ist. Die haftende eisenoxidhaltige Schicht bedeckt die Schweißnahtoberfläche vorzugsweise vollständig.
Das Bauteil kann aus dem ersten Werkstück bestehen. Alternativ kann das Bauteil das erste Werkstück sowie mindestens ein zweites Werkstück aufweisen.
Das erste und zweite Werkstück können beispielsweise Bleche sein, wobei es sich um ebene Bleche oder räumlich geformte Bleche handeln kann. Alternativ können die Werkstücke beispielsweise Metallformkörper, wie z. B. Metallprofile, sein. Vorzugsweise handelt es sich um Stahlbleche. Es kann sich z. B. um zink- oder aluminiumbeschichtete Stahlbleche handeln.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Werkstück um Karosseriebauteile, wie z. B. Türbleche, Schweller etc. In einer Ausgestaltung kann das erste Werkstück ein Türaußenblech und das zweite Werkstück ein Türinnenblech sein.
Die Schweißnaht kann z. B. als Kehlnaht oder Bördelnaht ausgebildet sein. Die Kehlnaht kann z. B. an einem Überlappstoß, T-Stoß oder Eckstoß angeordnet sind. Die Bördelnaht kann z. B. entlang eines Bördelfalzes verlaufen und diesen verschließen. Die Schweißnaht kann z. B. das erste und zweite Werkstück stoffschlüssig verbinden. Beispielsweise können das erste und zweite Werkstück teilweise überlappend angeordnet sein, wobei die Schweißnaht zwischen der Stirnseite des zweiten Werkstücks und der Oberfläche des ersten Werkstücks als Stirnkehlnaht ausgebildet sein kann.
In einer Ausgestaltung weist das erste Werkstück einen Bördelfalz auf und die Schweißnaht ist an dem Bördelfalz angeordnet. Die Schweißnaht kann z. B. als Stirnkehlnaht zwischen der Stirnseite des zweiten Werkstücks und dem Bördelfalz des ersten Werkstücks angeordnet sein, z. B. als Stirnkehlnaht zwischen einem Türaußenblech mit Bördelfalz und einem Türinnenblech.
Die Schweißnaht kann mit oder ohne Zusatzwerkstoff ausgebildet werden. Vorzugsweise wird die Schweißnaht unter Verwendung eines Zusatzdrahtes ausgebildet.
Die eisenoxidhaltige Schicht kann verschiedene Eisenoxide enthalten, z. B. Eisen-(II)-Oxid (FeO), Eisen-(III)-Oxid (Fe2O3), Eisen-(II/III)-Oxid (Fe3O4). Das Eisenoxid kann z. B. als Hämatit und/oder Magnetit vorliegen. Die eisenoxidhaltige Schicht kann aus Eisenoxid bestehen, alternativ kann sie zusätzlich zum Eisenoxid noch weitere Stoffe enthalten.
Durch die Ausbildung der haftenden eisenoxidhaltigen Schicht auf der Schweißnaht wird eine Oberfläche bereitgestellt, die sich für eine nachfolgende Lackierung eignet, ohne dass Nahtnachbearbeitungen zur Gewährleistung der Lackhaftung erforderlich sind. Somit eignet sich das Bauteil insbesondere für die Verwendung in Großserienfertigungen.
Vorzugsweise weist die eisenoxidhaltige Schicht eine Dicke im Bereich von 1 Mikrometer (μm) bis 4 Mikrometer auf. In diesem Dickenbereich ergibt sich eine besonders gute Stabilität und Haftung der eisenoxidhaltigen Schicht. Während herkömmlicher „Zunder” in brüchiger und plattenförmiger Struktur vorliegt, weist die eisenoxidhaltige Schicht vorzugsweise eine durchgängige Schichtstruktur auf.
Eine besondere Eignung für den nachfolgenden Lackierprozess hat die haftende eisenoxidhaltige Schicht, wenn sie elektrisch leitfähig ist. Auf der elektrisch leitfähigen eisenoxidhaltigen Schicht kann ein Kathodentauchlack abgeschieden werden.
Vorzugsweise ist die eisenoxidhaltige Schicht magnetisch, was die Phosphatierung im nachfolgenden Lackierprozess begünstigt.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass bei einem Laserschweißprozess mit taktiler Nahtführung, bei dem

– der longitudinale Anstellwinkel des Laserkopfes weniger als 85° beträgt,
– der laterale Anstellwinkel des Laserkopfes mehr als 45° beträgt,
– die Fokuslage des Laserstrahls oberhalb der Fügestelle liegt und
– eine bifokale Optik verwendet wird,

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
1: eine Schnittansicht eines Bauteils 10 vor Durchführung des Schweißverfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
2: eine Schnittansicht entlang der Schweißnaht des geschweißten Bauteils 10 im lackierten Zustand.
1 zeigt eine Schnittansicht des Bauteils 10 vor Durchführung des Schweißverfahrens. Das Bauteil 10 umfasst ein erstes Werkstück 100 und ein zweites Werkstück 110. Das erste Werkstück 100 weist einen Bördelfalz 102 auf. Eine Fügestelle 104 verläuft zwischen dem Bördelfalz 102 des ersten Werkstücks 100 und einer angrenzenden Stirnfläche des zweiten Werkstücks 110. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Werkstück 100 ein Türaußenblech und das zweite Werkstück 110 ein Türinnenblech.
Zum Ausbilden einer Schweißnaht 120 lenkt ein (nicht dargestellter) Laserschweißkopf mit taktiler Nahtführung Laserstrahlung unter einem lateralen Anstellwinkel β über die Fügestelle 104, wobei der laterale Anstellwinkel mehr als 45 Grad beträgt. Des Weiteren wird die Laserstrahlung schleppend unter einem longitudinalen Anstellwinkel über die Fügestelle 104 gelenkt, wobei der longitudinale Anstellwinkel kleiner als 85 Grad ist. Es wird vorzugsweise eine bifokale Optik verwendet, weshalb zwei Laserstrahlen L auf das Bauteil 10 treffen, aus Gründen der Darstellbarkeit ist in 1 jedoch nur ein Laserstrahl L dargestellt. Der Fokus der Laserstrahlen L liegt oberhalb der Fügestelle 104.
In 2 ist eine Schnittansicht des geschweißten Bauteils 10 entlang der Schweißnaht 120 dargestellt. Auf der Schweißnaht 120 hat sich während des Schweißprozesses eine haftende eisenoxidhaltige Schicht 130 ausgebildet. Die haftende eisenoxidhaltige Schicht 130 hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 4 Mikrometer. Die haftende eisenoxidhaltige Schicht 130 ist vorzugsweise unmittelbar auf der Schweißnaht 120 ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte Fläche der Schweißnaht 120. Die haftende eisenoxidhaltige Schicht 130 ermöglicht eine ausreichende Haftung nachfolgender Lackschichten, Auf der haftenden eisenoxidhaltigen Schicht 130 ist eine erste Lackschicht 140 aufgebracht. Die erste Lackschicht 140 kann z. B. eine Grundierung, wie z. B. eine Schicht eines Kathodentauchlacks sein. Auf der ersten Lackschicht 140 ist eine zweite Lackschicht 150 angeordnet. Die zweite Lackschicht 150 kann z. B. ein Füller oder Primer sein, der zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit/-haftung verwendet wird. Auf der zweiten Lackschicht 150 ist eine dritte Lackschicht 160 angeordnet, die z. B. aus einem Basislack besteht. Auf der dritten Lackschicht 160 ist eine vierte Lackschicht 170 angeordnet, die z. B. ein Klarlack ist. Obwohl in 1 ein Lackaufbau in vier Schichten gezeigt ist, können alternativ mehr oder weniger Lackschichten über der haftenden eisenoxidhaltigen Schicht 130 angeordnet sein.
Aufgrund der guten Haftung der eisenoxidhaltigen Schicht 130 ist ein Entfernen oder Bearbeiten derselben vor der Lackierung des Werkstücks 10 nicht notwendig und die eisenoxidhaltige Schicht 130 kann auf der Schweißnaht 120 verbleiben.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
100, 110: Werkstück
102: Bördelfalz
104: Fügestelle
120: Schweißnaht
130: haftende eisenoxidhaltige Schicht
140, 150, 160, 170: Lackschichten
L: Laserstrahl
β: lateraler Anstellwinkel

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit einer Laserschweißnaht, bei dem zumindest ein Laserstrahl (L) über eine Fügestelle (104) eines Bauteils (10) geführt wird, wobei die Prozessparameter so gewählt werden, dass sich an der Fügestelle (104) eine Schweißnaht (120) und eine auf der Schweißnaht (120) haftende eisenoxidhaltige Schicht (130) ausbildet.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem der longitudinale Anstellwinkel des Laserstrahles (L) weniger als 85° beträgt und insbesondere mindestens 75° und weniger als 85° beträgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem der laterale Anstellwinkel (β) des Laserstrahles (L) mehr als 45° beträgt und insbesondere in einem Bereich von mehr als 45° bis maximal 60° liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem das Schweißen ein Wärmeleitschweißen ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem der Fokus des Laserstrahls (L) oberhalb der Fügestelle (104) liegt, insbesondere 3 mm bis 5 mm oberhalb der Fügestelle.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem der Laserstrahl (L) mittels taktiler Nahtführung über das Bauteil (10) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem eine bifokale Optik verwendet wird und zwei Laserstrahlen (L) über das Bauteil (10) geführt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem das Bauteil ein erstes Werkstück (100) und ein zweites Werkstück (110) umfasst und die Schweißnaht (120) das erste und zweite Werkstück (100, 110) stoffschlüssig verbindet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei dem das erste Werkstück (100) und das zweite Werkstück (110) Karrosseriebestandteile einer Fahrzeugkarosserie sind und die Schweißnaht (120) an einem Bördelfalz (102) des ersten Werkstücks (100) ausgebildet wird.
Bauteil mit zumindest einem ersten Werkstück (100), einer an dem ersten Werkstück ausgebildeten Schweißnaht (120) und einer auf der Schweißnaht (120) angeordneten haftenden eisenoxidhaltigen Schicht (130).
Bauteil nach Patentanspruch 10, bei dem die eisenoxidhaltige Schicht (130) eine Dicke im Bereich von 1 Mikrometer bis 4 Mikrometer aufweist.
Bauteil nach Patentanspruch 10 oder 11, bei dem die eisenoxidhaltige Schicht (130) elektrisch leitfähig ist.
Bauteil nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, mit einem zweiten Werkstück (110), wobei die Schweißnaht das erste Werkstück (100) und das zweite Werkstück (110) stoffschlüssig verbindet.
Bauteil nach Patentanspruch 13, bei dem das erste Werkstück (100) und das zweite Werkstück (110) Karosseriebestandteile einer Fahrzeugkarosserie sind.
Bauteil nach einem der Patentansprüche 10 bis 14, bei dem das erste Werkstück (100) einen Bördelfalz (102) aufweist und die Schweißnaht (120) an dem Bördelfalz (102) angeordnet ist.