DE102016009781A1

DE102016009781A1 - Method for welding components

Info

Publication number: DE102016009781A1
Application number: DE102016009781.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Klaus Goth; David Lamping
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei aneinander anliegenden Bauteilen (2) entlang eines zwischen diesen Bauteilen (2) gebildeten Schweißspaltes (3), insbesondere mittels Laserstrahlschweißen. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest bei einem der zu verschweißenden Bauteilen (2) im Bereich des späteren Schweißspalts (3) eine Fase (4) eingebracht wird. Durch Einbringung der Fase (4) wird eine Geometrie geschaffen, die beim Laserstrahlschweißen eine Verringerung von Rückreflexionen der Laserstrahlen (5) bewirkt, sodass eine verbesserte Energieeinkopplung in die zu verschweißenden Bauteile (2) stattfindet, mit der Folge, dass eine höhere Einschweißtiefe in die Bauteile (2) erreicht wird und somit eine höhere Festigkeit der Schweißnaht (8) ermöglicht wird.The invention relates to a method for welding at least two adjoining components (2) along a welding gap (3) formed between these components (2), in particular by means of laser beam welding. It is essential to the invention that a chamfer (4) is introduced at least in one of the components (2) to be welded in the area of the later welding gap (3). By introducing the chamfer (4) a geometry is created, which causes a reduction of back reflections of the laser beams (5) during laser beam welding, so that an improved energy coupling takes place in the components to be welded (2), with the result that a higher welding depth in the Components (2) is achieved and thus a higher strength of the weld (8) is made possible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei aneinander anliegenden Bauteilen entlang eines zwischen diesen Bauteilen gebildeten Schweißspaltes, insbesondere mittels Laserstrahlschweißens, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mittels dieses Verfahrens hergestelltes Kraftfahrzeugbauteil.The invention relates to a method for welding at least two adjoining components along a welding gap formed between these components, in particular by means of laser beam welding, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a motor vehicle component produced by means of this method.

Für eine kontinuierlich verlaufende Verbindung von metallischen Bauteilen ist es in einer Vielzahl von Anwendungen möglich, diese miteinander zu verschweißen. Bahnschweißverfahren sind im Gegensatz zu Punktschweißverfahren Arten des Schweißens, bei denen zwei Bauteile mit einer kontinuierlich verlaufenden Schweißnaht zusammengefügt werden. Typische Bahnschweißverfahren sind beispielsweise MIG/MAG-Schweißverfahren, Elektronenstrahlschweißverfahren oder Laserstrahlschweißverfahren. Laserstrahlschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem die Energiezufuhr zur Erzeugung der Schmelze im Bereich der Verbindung der Bauteile, über einen Laser erfolgt. Im Bereich der Schmelze bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zu verschweißenden Bauteilen aus. Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik auf die zu verschweißende Oberfläche der Bauteile fokussiert, woraufhin sich im Bereich der Einstrahlung Temperaturen über die Schmelztemperatur der Bauteile ergibt, sodass sich die Schmelze bildet.For a continuous connection of metallic components, it is possible in a variety of applications to weld them together. Web welding methods, unlike spot welding, are types of welding in which two components are joined together with a continuous weld. Typical web welding processes are, for example, MIG / MAG welding processes, electron beam welding processes or laser beam welding processes. Laser welding is a welding process in which the energy supply for the production of the melt in the area of the connection of the components takes place via a laser. In the area of the melt, a cohesive connection is formed between the components to be welded. The laser radiation is focused by means of an optical system on the surface to be welded of the components, whereupon in the area of the irradiation temperatures above the melting temperature of the components results, so that the melt forms.

Aus der DE 198 16 051 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verschweißen von aneinander anliegenden Teilen bekannt, bei dem zur Schweißkopfpositionierung, insbesondere beim Laser- oder Elektronenstrahlschweißen, mit einem Sensor eine vom Schweißspalt beabstandete freie Kante eines der beiden miteinander zu verschweißenden Teile detektiert wird und daraufhin der Schweißkopf in einem zuvor ermittelten Abstand zwischen Schweißspalt und freier Kante von dieser zum Schweißspalt hin versetzt und positioniert wird. Der ermittelte Abstand entspricht der Materialstärke, die sich von der freien Kante bis zur gegenüberliegenden Kante am Schweißspalt erstreckt. Dadurch kann die Schweißnaht unabhängig von Lageabweichungen zwischen den zu verbinden Teilen genau entlang dem Schweißspalt aufgebracht werden.From the DE 198 16 051 A1 a generic method for welding abutting parts is known in which for welding head positioning, in particular laser or electron beam welding, with a sensor from the welding gap spaced free edge of one of the two parts to be welded together is detected and then the welding head in a previously determined The distance between the welding gap and the free edge is offset and positioned from there to the welding gap. The determined distance corresponds to the thickness of the material, which extends from the free edge to the opposite edge on the welding gap. As a result, the weld can be applied exactly along the welding gap regardless of positional deviations between the parts to be joined.

Generell sind aus dem Stand der Technik Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels Laserstrahlschweißen allgemein bekannt. Durch spezielle Schweißoptiken beim Laserstrahlschweißen können sogenannte Stirn- oder Frontalstoßnähte prozesssicher geschweißt werden. Ein häufig auftretendes technisches Problem bei Stirn- oder Frontalstoßnähten ist die begrenzte Einschweißtiefe aufgrund von hohen Rückreflexionen, die in Abhängigkeit einer eingestrahlten Wellenlänge bis zu 95% betragen können. Die Festigkeit, der durch Laserstrahlschweißen gefügten Schweißnähte ist daher bei einer Vielzahl von Verfahren nicht optimal, da die Energie des Lasers nicht bis in die Tiefe der zu verschweißenden Bauteile eingeleitet werden kann.In general, methods for welding components by means of laser beam welding are generally known from the prior art. Special welding optics for laser beam welding enable so-called forehead or frontal butt welds to be welded reliably. A common technical problem with forehead or frontal bumps is the limited penetration depth due to high back reflections, which can be up to 95% depending on an irradiated wavelength. The strength of the welding seams joined by laser beam welding is therefore not optimal in a large number of methods since the energy of the laser can not be introduced down to the depth of the components to be welded.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Festigkeit der Schweißnähte auszeichnet und zudem kostengünstig zu realisieren ist.The present invention therefore deals with the problem of providing an improved or at least an alternative embodiment for a method of the generic type, which is characterized in particular by an improved strength of the welds and is also inexpensive to implement.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent subclaims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, beim Verschweißen von zumindest zwei aneinander anliegenden Bauteilen, insbesondere mittels Laserstrahlschweißen, zumindest bei einem der zu verschweißenden Bauteile, im Bereich eines späteren Schweißspaltes, eine Fase einzubringen, wodurch eine Geometrie geschaffen wird, die beim Laserstrahlschweißen eine Verringerung von Rückreflexionen der Laserstrahlen bewirkt. Durch die Verringerung der Rückreflexionen der Laserstrahlen findet eine verbesserte Energieeinkopplung in die zu verschweißenden Bauteile statt, was zur Folge hat, dass eine höhere Einschweißtiefe in die Bauteile erreicht wird und somit eine höhere Festigkeit der Schweißnaht ermöglicht wird. Das Verfahren ist flexibel an allen bekannten schweißbaren metallischen Werkstoffen anwendbar. Es hat sich herausgestellt, dass bei der Anwendung des Verfahrens die Schweißnaht zwischen den zu verschweißenden Bauteilen relativ schlank und tief ausgeprägt ist und dadurch eine hohe Festigkeit zwischen den Bauteilen zustande kommt. Die zu verschweißenden Bauteile können erfindungsgemäß aus Aluminium gefertigt sein, wobei die Bauteile zweckmäßig auf einer der Schweißnaht zugewandten Seite eine Aluminiumlegierung, beispielsweise eine 6XXX-Legierung, aufweisen. Besonders gute Schweißverbindungen haben sich bei der Anwendung des Verfahrens bei der Verschweißung von einem ersten Bauteil mit einer 5XXX-Aluminiumlegierung mit einem zweiten Bauteil mit einer 6XXX-Aluminiumlegierung ergeben. Der Einsatz von Aluminiumlegierungen vermeidet bzw. reduziert die Bildung von sogenannten Heißrissen in den zu verschweißenden Bauteilen erheblich. Ein weiterer Vorteil bei der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Einbringung einer derartigen Fase an zumindest einem der zu verschweißenden Bauteile ist die gute Nahterfassung durch vollautomatisierte Laserstrahlschweißanlagen. Zudem ist bei Anwendung des Verfahrens durch die verbesserte Energieeinkopplung in die zu verschweißenden Bauteile ein geringerer Leistungsaufwand der Laserstrahlschweißanlage von Nöten, sodass aus kostentechnischer Sicht eine ressourcenoptimierte Fertigung ermöglicht wird.The present invention is based on the general idea when welding at least two adjoining components, in particular by laser beam welding, at least one of the components to be welded, in the region of a later welding gap to introduce a chamfer, creating a geometry that during laser beam welding a Reduction of back reflections of the laser beams causes. By reducing the back reflections of the laser beams, an improved coupling of energy takes place in the components to be welded, with the result that a higher welding depth is achieved in the components and thus a higher strength of the weld is made possible. The method is flexibly applicable to all known weldable metallic materials. It has been found that in the application of the method, the weld between the components to be welded is relatively slim and deep and thus a high strength between the components is achieved. According to the invention, the components to be welded can be made of aluminum, wherein the components expediently have an aluminum alloy, for example a 6XXX alloy, on a side facing the weld. Particularly good welds have resulted in the use of the method in the welding of a first component with a 5XXX aluminum alloy with a second component with a 6XXX aluminum alloy. The use of aluminum alloys avoids or significantly reduces the formation of so-called hot cracks in the components to be welded. A further advantage of the incorporation of such a bevel on at least one of the components to be welded described according to the method according to the invention is the good seam detection by fully automated laser beam welding systems. In addition, when using the method Due to the improved coupling of energy into the components to be welded, a lower power consumption of the laser beam welding system is required, so that a resource-optimized production is made possible from a cost-technical point of view.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird im Wesentlichen für die Fase ein Neigungswinkel α im Bereich zwischen 0,01° und 89° gewählt. Der Neigungswinkel α der Fase wird je nach zu verschweißenden Bauteilen individuell aus einem berechneten Bereich ausgewählt und richtet sich nach der Materialstärke t des dünnsten zu verschweißenden Bauteiles. Der Bereich aus dem der Neigungswinkel α der Fase ausgewählt wird ist wie folgt ausgelegt: 0,01° ≥ α ≥ (π·t)rad In an advantageous embodiment, an angle of inclination α in the range between 0.01 ° and 89 ° is essentially selected for the chamfer. The inclination angle α of the bevel is selected individually from a calculated range depending on the components to be welded and depends on the material thickness t of the thinnest component to be welded. The area from which the inclination angle α of the chamfer is selected is designed as follows: 0.01 ° ≥ α ≥ (π · t) rad

Bei bevorzugten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fase entweder durch einen plastischen Biegevorgang am zu verschweißenden Bauteil im Bereich des Schweißspaltes ausgestaltet oder durch eine vorgelagerte Fräsung am zu verschweißenden Bauteil im Bereich des Schweißspaltes ausgebildet. Bei dem plastischen Biegevorgang entspricht der Biegewinkel, wie auch der Winkel bei der Fräsung der Fase dem Neigungswinkel α.In preferred embodiments of the method according to the invention, the chamfer is configured either by a plastic bending process on the component to be welded in the region of the welding gap or by an upstream milling on the component to be welded in the region of the welding gap. In the plastic bending process corresponds to the bending angle, as well as the angle in the milling of the chamfer the inclination angle α.

Vorteilhafte Varianten sehen vor, dass die zu verschweißenden Bauteile mit einem horizontalen und/oder vertikalen Versatz zueinander angeordnet werden können. Hierbei können je nach Versatz gesteigerte Einschweißtiefen in die zu verschweißenden Bauteil erzielt werden und somit eine erhöhte Festigkeit der Schweißnaht.Advantageous variants provide that the components to be welded can be arranged with a horizontal and / or vertical offset from each other. In this case, depending on the offset, increased welding depths can be achieved in the component to be welded, and thus an increased strength of the weld seam.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeugbauteil, das nach dem vorangehend vorgestellten Verfahrens hergestellt wird. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil.The invention further relates to a motor vehicle component which is produced according to the method presented above. The above-explained advantages of the method according to the invention are therefore also transferred to the motor vehicle component according to the invention.

Als mögliche Anwendungsbeispiele des beschriebenen Verfahrens können insbesondere Geometrien wie beispielsweise die A-, B- oder C-Säule aus dem Karosseriebau der Automobilbranche genannt werden. Aufgrund des Bestrebens nach höheren Sicherheitsstandards bei modernen Kraftfahrzeugen, stellt speziell in diesem Bereich eine hohe Festigkeit der Schweißnähte an Kraftfahrzeugbauteilen eine wünschenswerte Neuerung dar.As possible application examples of the described method, in particular geometries such as the A-, B- or C-pillar from the bodywork of the automotive industry can be mentioned. Due to the desire for higher safety standards in modern motor vehicles, especially in this area a high strength of the welds on automotive components is a desirable innovation.

Selbstverständlich sind Kraftfahrzeugbauteile, welche aus mehreren als den vorstehend genannten zwei Bauteilen bestehen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils miteinander verbunden werden, auch Teil dieser Erfindung.Of course, motor vehicle components which consist of several than the aforementioned two components and are connected to each other by the method according to the invention, also part of this invention.

Es sei gesagt, dass andere Bahnschweißverfahren, wie beispielsweise MIG/MAG-Schweißverfahren oder Elektronenstrahlschweißverfahren, nebst dem vorgehend beschriebenen Laserstrahlschweißverfahren ebenso durch das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren im Rahmen dieser Erfindung geschützt sind. Durch die vorangehende Einbringung einer derartigen Fase an zumindest einem der zu verschweißenden Bauteile im Bereich der späteren Schweißspalts sind ebenso bei anderen Bahnschweißverfahren die positiven Eigenschaften der späteren Schweißnaht, in Form der gesteigerten Festigkeit und Einschweißtiefe zu erzielen.It should be noted that other methods of web welding, such as MIG / MAG welding or electron beam welding, in addition to the laser beam welding method described above, are also protected by the method of the present invention within the scope of this invention. As a result of the preceding introduction of such a chamfer on at least one of the components to be welded in the area of the later welding gap, the positive properties of the subsequent weld, in the form of increased strength and welding depth, can also be achieved in other web welding methods.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 eine Schnittdarstellung von zwei aneinander anliegenden Bauteilen im Bereich eines Schweißspaltes in einem Zustand vor dem Schweißvorgang, 1 a sectional view of two abutting components in the region of a welding gap in a state before the welding process,

2 die Schnittdarstellung aus 1 in einem Zustand nach dem Schweißvorgang, 2 the sectional view 1 in a state after the welding process,

3 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsvariante mit drei miteinander verschweißten Bauteilen. 3 a sectional view of a variant with three welded together components.

1 zeigt eine Schnittdarstellung von zwei aneinander anliegenden zu verschweißenden Bauteilen 2 im Bereich eines Schweißspaltes 3 vor dem Schweißvorgang mittels Laserstrahlschweißen. In einem verbunden Zustand der beiden Bauteile 2 bilden diese ein Kraftfahrzeugbauteil 1 aus. Im Bereich des Schweißspaltes 3 wird zumindest an einem Bauteil 2 eine Fase 4 eingebracht durch die sich die Geometrie des Schweißspaltes 3 ändert. Die Ausprägung der Fase 4 wird über einen Neigungswinkel α bestimmt, der die Geometrie für einen Wirkungsbereich eines Laserstrahls 5 vorgibt. Der Laserstrahl 5 einer Laserstrahlschweißanlage wird fokussiert auf den Bereich des Schweißspaltes 3 gerichtet, sodass eine Energieeinkopplung des Laserstrahls 5 in die Bauteile 2 erfolgt. Eine durch den Laserstrahl 5 freigesetzte Energie erhöht die Temperatur der Bauteile 2 im Bereich des Schweißspaltes 3 über den Schmelzpunkt der Bauteile 2 hinaus, sodass sich eine Schmelze bildet. Bei Abkühlung unter den Schmelzpunkt der Bauteile 2 bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen Bauteilen 2. Die Bauteile 2 können an ihren dem Schweißspalt 3 zugewandten Seiten eine Aluminiumlegierung 7 aufweisen, wobei die Aluminiumlegierung 7 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als ein Trägerwerkstoff der Aluminiumlegierung 7 des Bauteils 2. 1 shows a sectional view of two adjacent to be welded components 2 in the area of a welding gap 3 before the welding process by laser welding. In a connected state of the two components 2 These form a motor vehicle component 1 out. In the area of the welding gap 3 is at least on a component 2 a chamfer 4 introduced by the geometry of the welding gap 3 changes. The expression of the chamfer 4 is determined over an angle of inclination α, which determines the geometry for a range of action of a laser beam 5 pretends. The laser beam 5 A laser beam welding system is focused on the area of the welding gap 3 directed so that one Energy coupling of the laser beam 5 into the components 2 he follows. One through the laser beam 5 released energy increases the temperature of the components 2 in the area of the welding gap 3 above the melting point of the components 2 out so that a melt forms. When cooled below the melting point of the components 2 forms a cohesive connection between these components 2 , The components 2 can at their the welding gap 3 facing sides an aluminum alloy 7 have, wherein the aluminum alloy 7 have a lower melting point than a support material of the aluminum alloy 7 of the component 2 ,

2 zeigt die Schnittdarstellung aus der 1 nach dem Schweißvorgang. Im Bereich des Schweißspaltes 3 hat sich nach dem Schweißvorgang mittels Laserstrahlschweißen eine Schweißnaht 8 gebildet, die die Bauteile 2 miteinander stoffschlüssig verbindet. Die Schweißnaht 8 ist länglich und schmal unmittelbar zwischen den Bauteilen 2 ausgestaltet 2 shows the sectional view of the 1 after the welding process. In the area of the welding gap 3 has after the welding process by laser welding a weld 8th formed the components 2 interconnects materially. The weld 8th is elongated and narrow directly between the components 2 designed

3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Ausführungsvariante bei der drei zu verschweißende Bauteile 2 miteinander in Verbindung stehen und in verschweißtem Zustand ein derartiges Kraftfahrzeugbauteil 1 bilden. Die Bauteile 2 können sowohl mit einem horizontalen Versatz 5 als auch mit einem vertikalen Versatz 5 miteinander verschweißt werden. 3 shows a sectional view of a variant in the three components to be welded 2 communicate with each other and in the welded state, such a motor vehicle component 1 form. The components 2 can both with a horizontal offset 5 as well as with a vertical offset 5 be welded together.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19816051 A1 [0003]

Claims

Method for welding at least two adjoining components ( 2 ) along one of these components ( 2 ) formed welding gap ( 3 ), in particular by means of laser beam welding, characterized in that at least in one of the components to be welded ( 2 ) before welding in the area of the later welding gap ( 3 ) a chamfer ( 4 ) is introduced.

Method according to claim 1, characterized in that for the chamfer ( 4 ) an inclination angle (α) in the range between 0.01 ° and 89 °, in particular in the range between 0.01 ° ≥ α ≥ (π · t) rad, where t is the material thickness of the thinner component to be welded ( 2 ) is selected.

A method according to claim 1 and 2, characterized in that on the components to be welded ( 2 ) one chamfer ( 4 ) is arranged with the inclination angle (α).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the chamfer ( 4 ) by a plastic bending process on the component to be welded ( 2 ) at least partially in the region of the welding gap ( 3 ) will be produced.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the components to be welded ( 2 ) with a horizontal and / or vertical offset ( 6 ) are arranged to each other.

Motor vehicle component ( 1 ), prepared by the method according to one of the preceding claims.