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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Flanschverbindung eines Überlappstoßes an Blechteilen, beispielsweise Karosseriebauteilen, mittels eines Laserstrahles, bei dem die an einer Kontaktfläche gegeneinanderliegenden Blechteile durch stirnseitiges Einschweißen in den Überlappstoß der Flansche entlang einer Schweißnaht verschweißt werden.
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Zum Laserschweißen werden die zu fügenden Bleche oftmals mit einem Flansch, also einer abgewinkelten Kante versehen. Auf diese Weise lassen sich Verbindungsflansche erzeugen, bei denen die Flansche der zu verbindenden Bleche flach aufeinander liegen und so einen Fügestoß mit einer Flanschebene bilden. So ist es beispielsweise bekannt, derartige Schweißnähte im Karosseriebau an Türeinstiegsöffnungen, an Türen oder Bauteilkanten mittels Laserschweißens auszuführen.
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Das Laserschweißen von I-Nähten im Überlappstoß ist im Karosseriebau lange etabliert. Beispielsweise werden Schweißnähte an Türeinstiegsöffnungen oder entlang von Dachkanten nach diesem Prinzip hergestellt. Zum Einsatz kommen dabei zumeist sogenannte "Fliegende Optiken" in Verbindung mit stationärer oder mitlaufender Spanntechnik.
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Da bei der Ausbildung solcher I-Nähte oder Kehlnähte der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Flanschebene und somit parallel zur Richtung der zum Einspannen der Blechteile 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 Laserstrahles neben den Spannelementen zu ermöglichen. Solche großen Blechflansche gehen mit entsprechend hohem Gewicht einher und sind daher beispielsweise im Karosseriebau unerwünscht.
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Demgegenüber sind auch bereits Verfahren zum stirnseitigen Schweißen von Verbindungsflanschen an Blechteilen bekannt, wobei das Einschweißen von der Stirnseite der Flanschverbindung her erfolgt. So beschreibt beispielsweise die
WO 2011/147891 A1 das stirnseitige Laserfügen von Blechteilen mittels einer mitlaufenden Spanntechnik zum Halten der zu fügenden Blechteile.
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Da der Flansch beim stirnseitigen Einschweißen lediglich eine Angriffsfläche für die Spannelemente und nicht auch zusätzlich eine Auftrefffläche für den Laserstrahl erfordert, ist die gesamte Breite der Flansche als Angriffsfläche für die Spannelemente nutzbar. Derart kurze Flansche ermöglichen insbesondere im Fahrzeugbau eine spürbare Gewichtsreduktion, wobei beispielsweise bei einem PKW allein durch Flanschverkürzungen im Türeinstiegsbereich eine Massereduktion um mehrere Kilogramm möglich ist.
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Die
DE 10 2013 107 228 B3 betrifft ein Verfahren zum stirnseitigen Laserstrahlschweißen von Überlappstößen, die unter Einbeziehung mindestens eines gebördelten Werkstückes, beispielsweise eines Karosseriebauteiles, gebildet werden. Mittels Vorschubs der Fügestelle entlang der Längsrichtung wird eine Schweißnaht erzeugt, indem an der jeweiligen Fügestelle das Material der beiden Werkstücke lokal aufgeschmolzen wird und unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung erstarrt.
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Die
DE 10 2013 107 527 B3 betrifft eine Fügevorrichtung zum stirnseitigen Laserschweißen einer Flanschverbindung eines Überlappstoßes an Karosseriebauteilen, mit einer mitlaufenden Spanneinrichtung zum Einspannen der zu fügenden Werkstücke und einem optischen Sensor.
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Die
DE 10 2010 029 477 A1 betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Blechteilen mit Flanschen, insbesondere Karosseriebauteilen, mit dem durch stirnseitiges Einschweißen in den Überlappstoß die Nahtfestigkeit verbessert sowie die Flanschlängen verkürzt werden, um so eine Massereduktion und Kraftstoffeinsparung zu erreichen. Hierzu wird der Laserstrahl im Wesentlichen parallel zum Verbindungsflansch und quer zur Hauptspannrichtung auf eine Stirnseite wenigstens eines der Flansche der zu fügenden Blechteile gerichtet. Die Schweißnaht kann als eine durchgehende Verbindung oder eine Steppnahtschweißung ausgeführt werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dadurch die Eigenschaften der Schweißverbindung, insbesondere die so erzielbare Belastbarkeit der Schweißverbindung, verbessert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Schweißnaht durch eine relative Bewegung des Laserstrahles gegenüber den im Bereich des Überlappstoßes gegeneinanderliegenden Flanschen erzeugt wird, indem die Bewegung mit einer ersten Richtungskomponente parallel zu der Ebene der Kontaktfläche zwischen den Blechteilen und mit einer der ersten Richtungskomponente zumindest abschnittsweise überlagerten zweiten Richtungskomponente senkrecht zu der Ebene der Kontaktfläche eingebracht wird. Indem also das stirnseitige Einschweißen nicht lediglich mit einer Vorschubbewegung parallel zu der Kontaktfläche erfolgt, sondern dieser Vorschubbewegung mit einer ersten Richtungskomponente eine zweite Richtungskomponente überlagert wird, folgt der Laserstrahl einer konturierten Linie, die abschnittsweise unterschiedliche Orientierungen aufweist. Dadurch weist die Schweißnaht bei einer gegebenen Länge der Kontaktlinie an der Stirnseite der Kontaktfläche eine wesentlich größere Gesamtlänge auf, durch die es erfindungsgemäß möglich wird, die Festigkeit und Belastbarkeit der Schweißverbindung durch eine größere Schweißnahtlänge gezielt zu beeinflussen. So wird es beispielswiese möglich, durch einen erhöhten Anteil der zweiten Richtungskomponente in einzelnen Abschnitten des Überlappstoßes eine höhere Festigkeit zu erreichen als in den sich daran anschließenden Bereichen. Insbesondere bei einer unfallbedingten Verformung werden die verbundenen Blechteile so in einer vorbestimmten Weise, nämlich bereichsweise unterschiedlich belastet, dass sich die Verformungseigenschaften gezielt beeinflussen lassen. Daher kann beispielsweise ein erstes Strukturbauteil, das aus einem ersten Blechteil besteht, einen geringeren Verformungswiderstand aufweisen als ein aus einem zweiten Blechteil hergestelltes zweites Strukturbauteil, obwohl diese durch die Schweißnaht verbunden sind, indem diese mit einem dritten Blechteil durch unterschiedlich lange Schweißnähte verbunden sind. Durch die realisierbare Flanschverkürzung wird eine geringe Flanschlänge von weniger als 6 mm und somit eine erhebliche Gewichtsreduktion erreicht.
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Entlang der Schweißnaht kann die Schweißverbindung durch zueinander beabstandete, lokal begrenzte Schweißsteppverbindungen realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Schweißnaht einen stetigen Verlauf hat und eine zwischen den einander gegenüberliegenden Randbereichen des Überlappstoßes ununterbrochene Schweißnaht bildet. Dadurch kann die Länge der Schweißnaht und damit die Festigkeit der Schweißverbindung weiter erhöht werden.
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Die Schweißnaht kann grundsätzlich einen nahezu beliebigen, auch unregelmäßigen, nicht wiederkehrenden Verlauf aufweisen. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Schweißnaht zumindest abschnittsweise mit einem sinusförmigen Verlauf mit insbesondere zyklisch wiederkehrenden Amplituden in den Überlappstoß eingebracht wird, wobei die Höhe der Amplitude sowie die Länge zwischen zwei Amplituden gegebenenfalls variiert werden können. So können sich beispielsweise bei einem Blechpaket aus drei oder mehr Blechteilen in einem bestimmten regelmäßigen oder unregelmäßigen Zyklus Amplituden der Schweißnaht über alle drei Blechteile erstrecken, während sich andere Amplituden der Schweißnaht unter Auslassung einzelner Blechteile nur über zwei benachbarte Blechteile erstrecken. Es versteht sich von selbst, dass die zyklische Auslassung eines Blechteiles zu einer gezielten Schwächung der Schweißverbindung gegenüber diesem Blechteil führt.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders praxisgerechten Abwandlung wird die Schweißnaht zumindest abschnittsweise mit einem rechteckigen, sägezahnförmigen oder trapezförmigen Verlauf in den Überlappstoß eingebracht. Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine bevorzugte Orientierung der Schweißnaht zu einer unterschiedlichen Belastbarkeit des so hergestellten Blechpaketes aus verschiedenen Richtungen führt. Indem also eine bevorzugte Orientierung des Schweißnahtverlaufes entsprechend einer zu erwartenden Krafteinleitung vorgenommen wird, kann bei im Übrigen unveränderten Parametern eine deutliche Steigerung der Belastbarkeit bei der Krafteinwirkung erreicht werden.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung wird die Schweißnaht als Steppnaht ausgeführt. Hierdurch folgen abwechselnd aufeinander verschweißte und nicht verschweißte Bereiche in der Kontaktfläche entlang der insgesamt als Schweißnaht bezeichneten Verbindungslinie. Dabei werden in Bezug auf die Kontaktfläche der Blechteile versetzte Schweißsteppbereiche mit einer gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Stepplänge bzw. Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Schweißsteppbereichen realisiert.
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Dabei kann in besonders Erfolg versprechender Weise die Summe der Längen der in die verschiedenen Blechteile eingebrachten Schweißnahtabschnitte unterschiedlich bemessen werden, sodass also eine Ungleichverteilung der Gesamtlänge der Schweißnaht auf die verschiedenen Blechteile erreicht wird, um so die Festigkeit der Verbindung zwischen den Blechteilen abweichend voneinander einstellen zu können.
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Insbesondere können hierzu also die Längen einzelner Schweißsteppbereiche und/oder die Verteilung benachbarter Schweißsteppbereiche der Steppnaht in den verschiedenen Blechteilen voneinander abweichend eingestellt werden.
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Dabei ist die Schweißverbindung nicht auf solche Gestaltungen beschränkt, bei denen die Schweißnaht sich zu gleichen Teilen über beide zu verbindende Blechteile erstreckt. Vielmehr hat es sich bei bestimmten Einsatzzwecken bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn ein jeweiliger Schweißsteppbereich einer Schweißnaht sich mit ungleichen Anteilen auf die beiden Blechteile verteilt, wobei eine derartige ungleiche Verteilung beispielsweise auch durch einen Versatz zwischen den Blechenteilen in Bezug auf die Ebene der Stirnfläche der Blechteile begünstigt wird. Somit kann die Festigkeit der Schweißverbindung für die beiden so verbundenen Bleche voneinander abweichen. Weiterhin können demgegenüber auch bei einem Versatz der Blechteile durch eine entsprechende Position des Schweißsteppbereiches übereinstimmende Festigkeiten für beide Blechteile realisiert werden.
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Bei einer weiteren, ebenfalls besonders sinnvollen Abwandlung der Erfindung wird die Einschweißtiefe der Schweißnaht in unterschiedlichen Bereichen der Schweißnaht unterschiedlich bemessen, um so eine Änderung der Festigkeit der herzustellenden Schweißnaht allein aufgrund einer vorzugsweise zyklischen Änderung der Laserparameter, beispielsweise der Fokuslage, zu steuern. Hierdurch können beispielsweise auch innerhalb eines einzelnen Schweißsteppbereiches abschnittsweise unterschiedliche Eigenschaften erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt werden durch das Verfahren zumindest drei Blechbauteile verschweißt, wobei zumindest zwei Blechteile unterschiedliche Materialstärken und/oder Materialeigenschaften aufweisen. Derartige Blechteile können beispielsweise verzinkte Oberflächen aufweisen oder aus einem hochfesten oder warmumgeformten Stahl bestehen. Selbstverständlich sind mit dem Verfahren darüber hinaus auch eine Vielzahl anderer Metalle und Legierungen verschweißbar.
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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 eine perspektivische Ansicht eines Überlappstoßes von drei Blechteilen während der Herstellung einer Schweißnaht mittels eines Laserstrahles;
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2 die verschweißten Blechteile in einer stirnseitigen Ansicht;
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3 einen unregelmäßigen, stetigen Schweißnahtverlauf;
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4 einen unregelmäßigen, unstetigen Schweißnahtverlauf;
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5 eine sinusförmige Schweißnaht an einem Überlappstoß von zwei Blechteilen;
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6 drei durch eine Schweißsteppnaht verbundene Blechteile in einer stirnseitigen Ansicht;
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7a–7c drei in einer geschnittenen Ansicht dargestellte Blechteile mit Längenversatz und unterschiedlichen Einschweißtiefen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschweißen einer Flanschverbindung mehrerer Blechteile 1, 2, 3 im Überlappstoß 4 wird nachstehend anhand der 1 bis 7 näher erläutert. Indem die beispielsweise als Karosseriebauteile einsetzbaren Blechteile 1, 2, 3 stirnseitig verschweißt werden, kann die Länge L des Überlappstoßes 4 reduziert und dadurch das Gewicht der Blechteile 1, 2, 3 vermindert werden. Hierzu werden die Blechteile 1, 2, 3 entlang einer jeweiligen Kontaktfläche 5, 6 mittels eines in 7b lediglich gestrichelt dargestellten Klemmmittels 15 fixiert und stirnseitig im Überlappstoß 4 der Blechteile 1, 2, 3 durch eine Schweißnaht 7 verschweißt.
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Erfindungsgemäß verläuft die Schweißnaht 7 dabei nicht in der Kontaktfläche 5, 6, sondern entlang einer in ihrer Grundform sinusförmigen Kurve, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist. Diese wird durch eine relative Bewegung eines Laserstrahles 8 gegenüber den im Bereich des Überlappstoßes 4 gegeneinanderliegenden Flanschen erzeugt, die mit einer ersten Richtungskomponente x parallel zu der Ebene der Kontaktflächen 5, 6 zwischen den Blechteilen 1, 2, 3 und mit einer der ersten Richtungskomponente x zumindest abschnittsweise überlagerten zweiten Richtungskomponente y senkrecht zu der Ebene der Kontaktflächen 5, 6 eingebracht wird.
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Abweichend von diesem regelmäßigen Nahtverlauf ist in 3 ein unregelmäßiger, ebenfalls stetiger Verlauf einer Schweißnaht 9 und in 4 ein unregelmäßiger und unstetiger trapezförmiger Verlauf einer weiteren Schweißnaht 10 dargestellt, wobei sich einzelne Bereiche 11 der Schweißnähte 9, 10 unter Auslassung des Blechteiles 1 nur über zwei benachbarte Blechteile 2, 3 erstrecken. Durch die Auslassung eines Blechteiles 1 wird eine gezielte Schwächung der Schweißverbindung gegenüber dem ausgelassenen Blechteil 1 erreicht, sodass diese Verbindung eine insgesamt verringerte Festigkeit aufweist. Wenn zudem die Schweißnaht 10 wie in 4 erkennbar in überwiegenden Teilbereichen parallel zu den Kontaktflächen 5, 6 verläuft, wird zudem eine bevorzugte Orientierung der Schweißnaht 10 erreicht, die zu einer besonders hohen Belastbarkeit des so hergestellten Blechpaketes aus den Blechteilen 1, 2, 3 in der Richtung der zu erwartenden Krafteinleitung führt. Hierdurch kann bei unveränderten Laserparametern eine deutliche Steigerung der Belastbarkeit bei erwartungsgemäßer Krafteinwirkung erreicht werden.
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Wie in 5 dargestellt, kann die Schweißnaht 7 auch zur Verbindung von lediglich zwei Blechteilen 1, 2 genutzt werden, wobei der Anteil der Schweißnahtlänge, die durch das untere Blechteil 2 verläuft, größer ist als der Anteil der Schweißnahtlänge, die durch das obere Blechteil 1 verläuft. Durch die unterschiedlichen Schweißnahtlängen kommt es zu einer unterschiedlichen Festigkeit der Blechteile 1, 2, die mit zunehmender Schweißnahtlänge deutlich erhöht ist.
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In 6 ist eine Variante des Verfahrens dargestellt, bei der die Schweißnaht 12 als Steppnaht mit zueinander beabstandeten Schweißsteppbereichen 13 ausgeführt ist. Hierdurch folgen also abwechselnd aufeinander verschweißte und unverschweißte Abschnitte der Kontaktflächen 5, 6. Dabei können die Schweißsteppbereiche 13 hinsichtlich ihrer jeweiligen Länge dlW, ihres Abstandes dxSS zu folgenden Schweißsteppbereichen 13 derselben Kontaktfläche 5, 6 sowie ihres Abstandes dxVS zu benachbarten Schweißsteppbereichen 13 verschiedener Kontaktflächen 5, 6 variabel eingestellt werden. Insbesondere wird so durch die Ungleichverteilung der Schweißsteppbereiche 13 der verschiedenen Blechteile 1, 2, 3 die Festigkeit zwischen den jeweiligen Blechteilen 1, 2, 3 abweichend voneinander eingestellt.
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Wie in den 7a und 7b zu erkennen, sind auch die Einschweißtiefen tW und die Verteilung der Einschweißung an unterschiedliche Einsatzzwecke anpassbar, welche auch durch einen Versatz A zwischen den Blechteilen 1, 2, 3 in Bezug auf die Ebene der Stirnfläche 14 der Blechteile 1, 2, 3 begünstigt wird. Somit kann die Festigkeit der Schweißverbindung für die durch unterschiedliche Schweißtiefen tW verbundenen Blechteile 1, 2, 3 voneinander abweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blechteil
- 2
- Blechteil
- 3
- Blechteil
- 4
- Überlappstoß
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- Kontaktfläche
- 7
- Schweißnaht
- 8
- Laserstrahl
- 9
- Schweißnaht
- 10
- Schweißnaht
- 11
- Bereich
- 12
- Schweißnaht
- 13
- Schweißsteppbereich
- 14
- Stirnfläche
- 15
- Klemmmittel
- L
- Länge
- x
- Richtungskomponente
- y
- Richtungskomponente
- dlW
- Länge
- dxSS
- Abstand
- dxVS
- Abstand
- tW
- Einschweißtiefe
- A
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/147891 A1 [0005]
- DE 102013107228 B3 [0007]
- DE 102013107527 B3 [0008]
- DE 102010029477 A1 [0009]
