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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Mehrzahl von sich überlappenden Bauteilabschnitten mit einem Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Fügen einer Mehrzahl von sich überlappenden Bauteilbereichen mit einer Laserschweißvorrichtung bekannt. Beispielsweise ist in der
WO 2012/146965 A1 ein Verfahren zum Laserschweißen beschrieben, bei der eine Vielzahl sich überlappender Blechabschnitte miteinander verschweißt wird. Hierbei wird ein Laserstrahl auf die sich überlappenden Blechabschnitte appliziert, wobei eine Schmelze entsteht, die beim Erhärten die Blechabschnitte untrennbar miteinander verbindet. Der Laserstrahl kann beim Applizieren rotiert werden, so dass dieser entlang einer kreisförmigen Schweißbahn geführt wird, wobei die Schmelze in Strahlrichtung des Laserstrahls fließt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Fügen einer Mehrzahl von sich überlappenden Bauteilabschnitten mit einem Laserstrahl anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zum Fügen einer Mehrzahl von sich überlappenden Bauteilabschnitten mit einem Laserstrahl wird mindestens eine Schweißverbindung zwischen den Bauteilabschnitten hergestellt, wobei der Laserstrahl auf eine Oberfläche eines vorgegebenen Bauteilabschnitts appliziert wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl zur Herstellung der mindestens einen Schweißverbindung zyklisch entlang einer Mehrzahl von Schweißbahnen mit jeweils einer elliptischen Form geführt wird, wobei die Abmessungen der Schweißbahnen mit jedem Zyklus verringert werden, eine Schweißbahn mit einer geringeren Abmessung jeweils vollständig innerhalb eines von einer weiteren Schweißbahn mit einer nächst größeren Abmessung umgebenen Bereichs schnittpunktfrei mit der weiteren Schweißbahn erzeugt wird und wobei ein Fokus, eine Geschwindigkeit sowie eine Leistung des Laserstrahls an die Abmessungen der Schweißbahnen angepasst werden.
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Mittels des Verfahrens können mehrere Bauteilabschnitte verschiedener, insbesondere materialunabhängiger und sich überlappender Bauteile miteinander verschweißt werden, wobei aufgrund des zyklisch entlang einer Mehrzahl von Schweißbahnen mit jeweils einer elliptischen Form geführten Laserstrahls Bauteiltoleranzen zueinander kompensiert werden können und eine definierte Einschweißtiefe erreichbar ist, so dass eine stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilabschnitten herstellbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Schweißbahn,
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2 schematisch eine perspektivische Darstellung des Laserstrahls und einer Mehrzahl von Schweißbahnen,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung mit zwei sich überlappenden Bauteilabschnitten und einer Schweißverbindung und
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4 schematisch eine Schnittdarstellung mit drei sich überlappenden Bauteilabschnitten und einer Schweißverbindung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine für einen in 2 gezeigten Laserstrahl L vorgegebene Schweißbahn B für ein Verfahren zum Fügen von sich überlappenden Bauteilabschnitten 1.1 bis 1.3, die beispielhaft in den 3 und 4 gezeigt sind.
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Die Schweißbahn B weist eine elliptische Form auf, so dass ein Durchmesser der Schweißbahn B entlang einer Hauptachse a größer als ein Durchmesser der Schweißbahn B entlang einer Nebenachse b ist. Zur Führung des Laserstrahls L entlang einer elliptischen Schweißbahn B kann die Laserschweißvorrichtung eine bestimmte Ablenkoptik, z. B. bewegliche Spiegel, aufweisen.
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2 zeigt den Laserstrahl L und eine Mehrzahl von Schweißbahnen B, die für den Laserstrahl L zur Herstellung einer Schweißverbindung S, wie sie beispielhaft in 3 oder 4 gezeigt ist, vorgegeben sind.
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Der Laserstrahl L wird mittels eines Laseroszillators einer nicht gezeigten Laserschweißvorrichtung erzeugt und ist beispielsweise ein sogenannter CO2-Laserstrahl oder ein Yttrium-Aluminium-Granat-Laserstrahl, kurz: YAG-Laserstrahl. Weitere Komponenten einer Laserschweißvorrichtung können der eingangs genannten
WO 2012/146965 A1 entnommen werden.
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Die Schweißbahnen B weisen verschiedene Abmessungen auf, wobei die Schweißbahnen B als konzentrisch ineinander liegende Ellipsen vorgegeben sind. Jede Schweißbahn B stellt einen abgeschlossenen Schweißzyklus dar, so dass der Laserstrahl L in zeitlich festgelegter Reihenfolge entlang der Schweißbahnen B geführt wird und zwischen dem Abschluss einer Schweißbahn B und dem Beginn einer nachfolgenden Schweißbahn B ein bestimmter Zeitabstand, z. B. ≤ 10 Sekunden, festgelegt ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fährt der Laserstrahl L vier Schweißbahnen B nacheinander ab. Die Anzahl der Schweißbahnen B und damit der Schweißzyklen ist jedoch beliebig vorgebbar. Der Laserstrahl L fährt hierbei die Schweißbahnen B von außen nach innen ab, so dass sich ein Durchmesser der Schweißbahn B mit jedem Schweißzyklus verringert. In Abhängigkeit der Abmessungen der Schweißbahnen B wird ein Fokus, eine Geschwindigkeit und eine Leistung des Laserstrahls L angepasst. Beispielsweise beträgt eine Geschwindigkeit des Laserstrahls L, mit welcher dieser entlang der Schweißbahn B geführt wird, ≥ 0,5 Meter pro Minute.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils eine mittels des Laserstrahls L hergestellte Schweißverbindung S, wobei in 3 eine Schnittdarstellung von zwei miteinander verbundenen Bauteilabschnitten 1.1, 1.2 und in 4 eine Schnittdarstellung von drei miteinander verbundenen Bauteilabschnitten 1.1 bis 1.3 gezeigt ist.
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Wird der Laserstrahl L auf eine der Laserschweißvorrichtung zugewandten Oberfläche des oberen Bauteilabschnitts 1.1 appliziert, entstehen hohe Energiekonzentrationen auf der Oberfläche des oberen Bauteilabschnitts 1.1. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Oberfläche ein Temperaturanstieg, wobei eine Temperatur des Bauteilabschnitts 1.1 sowie, in Abhängigkeit des Fokus des Laserstrahls L, eine Temperatur der darunter liegenden Bauteilabschnitte 1.2, 1.3 über die Schmelztemperatur eines jeweiligen Materials der Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 hinausgeht. Daraus resultierend bildet sich eine Schmelze, welche nach Abkühlung die Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 stoffschlüssig miteinander verbindet.
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Die gezeigten Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 sind beispielsweise Metallbleche zur Herstellung eines Fahrzeugteils, z. B. eines Fahrzeughecks oder einer Fahrzeugtür. Die Materialien der Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 können dabei gleich oder verschieden sein. Des Weiteren können die Bauteilabschnitte 1.1, 1.3 als sich überlappende Bereiche von Blechen, von Stangpressprofilen, von Gussteilen und dergleichen mehr ausgebildet sein.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Verbindung mehrerer, sich überlappender Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3, wobei auch mehr als die in 4 gezeigten Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 miteinander verbunden werden können. Des Weiteren können Bauteilabschnitte 1.1 bis 1.3 miteinander verbunden werden, die im Überlappbereich mittels eines Spalts d (siehe 3) zueinander beabstandet sind. Zweckmäßigerweise ist der Spalt d dabei kleiner als oder maximal gleich groß einer Summe aus Materialstärken s1, s2 (siehe 3) von den Spalt d begrenzenden Bauteilabschnitten 1.1, 1.2. Alternativ können auch sich abstandslos überlappende Bauteile miteinander verschweißt werden. Somit sind mittels des Verfahrens Bauteiltoleranzen kompensierbar.
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Des Weiteren ist mittels des Verfahrens eine abzeichnungsfreie Schweißung für ein Unterblech möglich, wobei eine Schweißnaht bei einer dem Laserstrahl L abgewandten Oberfläche eines unteren Bauteilabschnitts 1.2 oder 1.3 nicht sichtbar ist. Optional kann die Schweißnaht mittels einer geeigneten Vorrichtung geglättet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/146965 A1 [0002, 0019]
