DE102016014970B4 - Verfahren zum Laserstrahllöten von mindestens zwei schmelztauchbeschichteten Bauteilen oder Blechen miteinander - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Laserstrahllöten von mindestens zwei schmelztauchbeschichteten Bauteilen oder Blechen miteinander mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls unter Zufuhr eines Zusatzdrahtes als Lötwerkstoff in den Lötbereich, wobei die Fördergeschwindigkeit des Zusatzdrahtes kleiner als die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (vDraht< vLaserstrahl) gewählt wird,dadurch gekennzeichnetdass ohne Einsatz von Schutzgas für eine Kehlnaht am Bördelstoß (mit / ohne Versatz), für den der Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm gewählt wird, der Zusatzdraht mit einer Dicke im Bereich von 1,2 mm bis 2,0 mm als Lötwerkstoff mit der gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit vLaserstrahldes mindestens einen Laserstrahls langsameren Drahtfördergeschwindigkeit (vDraht< vLaserstrahl) im Bereich des Laserstrahl-Querschnitts im TCP (Tool Center Point), dessen Spotdurchmesser (Durchmesser des Laserstrahl Querschnitts im TCP) zu dSpot< 2dDrahtgewählt wird, zugeführt und am oberen Rand der Nahtfuge der beiden Bleche mittig aufliegend stabil geführt wird, die durch die Laserbeaufschlagung entstehende Wärme in der Nahtfuge der beiden Bleche konzentriert wird, das Lot kontrolliert mittig in die Nahtfuge geführt und die Benetzung des oberen Blechrandes verzögert wird, wobei in dem die Naht bildenden Verbindungsbereich der beiden Bleche ein Großteil der Verdampfung der Schmelztauchbeschichtung der Oberflächen der beiden Bleche vor der Benetzung des oberen Randes der beiden Bleche mit dem Lot erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahllöten von mindestens zwei schmelztauchbeschichteten Bauteilen oder Blechen miteinander mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls unter Zufuhr eines Zusatzdrahtes als Lötwerkstoff in den Lötbereich, wobei die Fördergeschwindigkeit des Zusatzdrahtes kleiner als die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (v_Draht < v_Laserstrahl) gewählt wird.
• Beim Laserstrahllöten, wie es z.B. in der DE 197 50 586 beschrieben ist, handelt es sich um ein Fügeverfahren, das als Verbindungstechnik beispielsweise im Karosseriebau zum Verbinden von zwei Blechen wie Stahlblechen eingesetzt wird, um im Sichtbereich überlackierbare Nähte zu erzeugen. Der Laserstrahl dient hierbei als Wärmequelle und erhitzt gleichzeitig die beiden Fügepartner und den zugeführten Lötwerkstoff ohne den Grundwerkstoff der beiden Fügepartner aufzuschmelzen, wie das beim Schweißen der Fall ist. Hingegen wird als Lot der zugeführten Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen, der in die Fuge fließt und diese füllt sowie die zu verbindenden Fügepartner benetzt und diese stoffschlüssig verbindet.
• Bei einem aus der US 2007/0235429 A1 bekannten Verfahren der eingangs erwähnten Art wird zur Erlangung einer akzeptablen Nahtoberfläche ein Schutzgasschutz erzeugt, der aus einer Schutzgasmischung gebildet wird, die aus 40 % bis 60 % Sauerstoff und mindestens einem Gas als Rest gebildet wird, der aus Argon, Stickstoff oder Helium gewählt wird.
• Aus der JP 2010-052007 A ist weiterhin ein Verfahren zum Laserstrahllöten von unbeschichteten dünnen Stahlblechen miteinander mittels eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls bekannt, bei dem ein Zusatzdraht aus Kupfer mit einem Durchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 1,6 mm als Lötwerkstoff Verwendung findet. Der Zusatzdraht aus Kupfer wird zunächst elektrisch aufgeheizt. Anschließend wird der Zusatzdraht im Bereich des Laserstrahl-Querschnitts, der 1,5 bis 2,0 mal größer als der Durchmesser des Zusatzdrahtes sein kann, im TCP mit einer Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl zugeführt, die größer sein kann, als die Fördergeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes. Das erforderliche stete elektrische Vorheizen des Zusatzdrahtes bedingt erhöhte Energiekosten.
• Für die Herstellung verzinkter Stahlfeinbleche haben sich das Schmelztauchbeschichten wie z.B. das Feuerverzinken und das elektrolytische Verzinken durchgesetzt, wobei je nach Einsatzbereich der verzinkten Stahlfeinbleche unter Berücksichtigung der Anforderung hinsichtlich Umformbarkeit, Korrosionsschutz und Lackierbarkeit der Stahlfeinbleche eines der beiden genannten Verfahren zur Anwendung kommt. In der Automobilindustrie ist es Stand der Technik, beim Karosseriebau wie z.B. bei der Herstellung einer Dach-Seitenteil-Verbindung oder einer Heckklappe als Außenhautbauteil-Bleche elektrolytisch verzinkte Stahlfeinbleche wie z.B. DC04+ZE50/50 einzusetzen, die durch den Prozess des Laserstrahllötens mit auf einer Kupferlegierung basierendem Zusatzdraht mit makelloser optischer Nahtanmutung gefügt werden. Hierfür wird in der Regel die Zusatzdrahtlegierung CuSi3Mn verwendet. Zudem wird ein Spotdurchmesser d_spot= 2d_Draht des Laserstrahls im TCP (Tool Center Point) doppelt so groß wie der Drahtdurchmesser d_Draht gewählt, damit das Stahlfeinblech bei schleppender Zuführung des Zusatzdrahtes ausreichend vorgewärmt wird. Die Zufuhrgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes liegt dabei etwa im Bereich der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_Laserstrahl oder oberhalb dieser, und die Zusatzdrähte kommen mit einem Durchmesser d_Draht im Bereich von 1,0 mm bis 1,6 mm zum Einsatz (M. Heitmanek; „Reduzierung von Nahtimperfektionen beim Laserstrahlhartlöten“; Diss.; TU Dresden; 2015; Seiten 25-37).
• Die elektrolytisch aufgebrachte Verzinkung verdampft in der Prozesszone im beschriebenen Stand der Technik i.d.R. größtenteils, bevor das Lot die Stahlfeinbleche benetzt. Dies ist von hoher Wichtigkeit, da Zink eine Verdampfungstemperatur von 907 °C besitzt und die Temperatur des schmelzflüssigen Lots oberhalb dieser liegt, so dass es bei Kontakt der Schmelze mit bestehender elektrolytischer Verzinkung zu Benetzungsunregelmäßigkeiten und resultierenden Naht-Imperfektionen durch Zinkverdampfung kommen würde. Da schmelztauchbeschichtete Bleche wie z.B. DX56D + Z100 oder DX56D + ZM70 gegenüber Laserstrahlung mit Wellenlänge im nahen Infrarotbereich eine höhere Reflektivität als elektrolytisch verzinkte Bleche besitzen, können sie deshalb mit dem als Stand der Technik beschriebenen Prozess nicht mit fehlerfreier optischer Nahtanmutung gelötet werden.
• Aus industrieller Sicht sind elektrolytisch verzinkte Stahlfeinbleche im globalen Maßstab nicht ausreichend verfügbar, und deren Einsatz ist zudem verhältnismäßig kostenintensiv.
• Da die Fügenähte beim Laserstrahllöten z.B. von schmelztauchbeschichteten Kfz-Außenhautbauteilen im Sichtbereich liegen, ist wie beim Laserstrahllöten elektrolytisch verzinkter Bleche oder Bauteile die Erzielung einer makellosen optischen Nahtanmutung von äußerster Wichtigkeit.
• Anzustreben ist beim Laserstrahllöten von z.B. schmelztauchbeschichteten Außenhautbauteilen im Kfz-Karosseriebau zur Kostenreduzierung ohne Einsatz von Schutzgasen und ohne elektrisches Vorheizen des Zusatzdrahtes eine makellose Nahtanmutung zu erreichen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, das diesen Anforderungen gerecht wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ohne Einsatz von Schutzgas für eine Kehlnaht am Bördelstoß (mit / ohne Versatz), für den der Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm gewählt wird, der Zusatzdraht mit einer Dicke im Bereich von 1,2 mm bis 2,0 mm als Lötwerkstoff mit der gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl des mindestens einen Laserstrahls langsameren Drahtfördergeschwindigkeit (v_Draht < v_Laserstrahl) im Bereich des Laserstrahl-Querschnitts im TCP (Tool Center Point), dessen Spotdurchmesser (Durchmesser des Laserstrahl Querschnitts im TCP) zu d_Spot< 2d_Draht gewählt wird, zugeführt und am oberen Rand der Nahtfuge der beiden Bleche mittig aufliegend stabil geführt wird, die durch die Laserbeaufschlagung entstehende Wärme in der Nahtfuge der beiden Bleche konzentriert wird, das Lot kontrolliert mittig in die Nahtfuge geführt und die Benetzung des oberen Blechrandes verzögert wird, wobei in dem die Naht bildenden Verbindungsbereich der beiden Bleche ein Großteil der Verdampfung der Schmelztauchbeschichtung der Oberflächen der beiden Bleche vor der Benetzung des oberen Randes der beiden Bleche mit dem Lot erfolgt.
• Die vorliegende Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass der Einsatz von schmelztauchzinkbeschichteten Blechen, die im globalen Maßstab gesehen in größerem Ausmaß verfügbar sind als die bislang für Kfz-Außenhautbauteile eingesetzten elektrolytisch verzinkten Stahlfeinbleche wie z.B. DC04 mit einer ZE50/50-Beschichtung, und deren Einsatz zudem kostengünstiger ist, aus industrieller Sicht für höhere technische und wirtschaftliche Flexibilität sorgt.
• Obwohl schmelztauchbeschichtete Bleche wie z.B. DX56D + Z100 oder DX56D + ZM70 gegenüber Laserstrahlung mit Wellenlänge im nahen Infrarotbereich eine höhere Reflektivität als elektrolytisch verzinkte Bleche besitzen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Lötnahtbildung ohne unakzeptable Unregelmäßigkeiten an der Nahtoberfläche, die eine kostenintensive Nachbehandlung erforderlich machen würden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Spritzer sowie Benetzungsunregelmäßigkeiten, die zu Imperfektionen wie Nahtschuppigkeit oder Randunregelmäßigkeiten führen können, in einem weiten Prozessfenster vermieden.
• Bevorzugt finden als Bauteile schmelztauchzinkbeschichtete Stahlfeinbleche, vorteilhafterweise eine ZM70-Beschichtung oder Z100-Beschichtung auf z.B. DX57D, jeweils mit einer Blechdicke in der Größenordnung t = 0,7 mm Verwendung.
• Vorteilhafterweise wird als Lötwerkstoff ein auf einer Kupferlegierung basierender Zusatzdraht verwendet, wie z.B. ein Zusatzdraht aus CuSi2Mn1, wobei der Durchmesser d_Draht des Zusatzdrahtes an die Fugengeometrie angepasst wird und beispielsweise für eine Kehlnaht am Bördelstoß (mit / ohne Versatz), für den der Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm gewählt wird, bevorzugt 1,6 mm beträgt.
• Der Zusatzdraht kann in Form eines einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Flachdrahtes als Massiv- oder Fülldraht oder in Form eines einen runden Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes oder in Form eines einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes verwendet werden.
• Zwischen den vorzugsweise als Bleche ausgeführten Bauteilen können I-Nähte, Kehlnähte und Bördelnähte, vorzugsweise Kehlnähte am Bördelstoß mit Versatz (Stoßgeometrie einer Pkw-Heckklappe) erzeugt werden. Bevorzugt werden für die schmelztauchbeschichteten Stahlfeinbleche mit einer Blechdicke in der Größenordnung von t = 0,7 mm Biegeaußenradien im Bereich von 2 mm bis 3 mm verwendet.
• Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem die Naht bildenden Verbindungsbereich der Bauteile oder Bleche und dem Lötbereich (Prozessgeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_Laserstrahl) wird entsprechend der Anforderungen im Karosseriebau flexibel gewählt und beträgt vorzugsweise v_Laserstrahl = 3,1 m/min. Höhere und niedrigere Prozessgeschwindigkeiten können ebenfalls zum Einsatz kommen.
• Die Zuführgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes, für die v_Draht < v_Laserstrahl gilt, wird bei Verwendung eines Zusatzdrahtes mit einem Durchmesser d_Draht = 1,6 mm im Bereich von 50 % bis 80 % der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl des Laserstrahls gewählt, so dass sich eine theoretische Lotfläche im Nahtquerschnitt von etwa 1 mm bis 1,6 mm² ergibt. Die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes beträgt z.B. für eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_Laserstrahl = 3,1 m/min vorzugsweise v_Draht = 2,2 m/min. Für die mögliche Verwendung eines Zusatzdrahtes mit dickerem oder dünnerem Durchmesser, wie es z.B. für die Verwendung größerer oder kleinerer Biegeradien erforderlich sein kann, wird die Zuführgeschwindigkeit v_Draht entsprechend der benötigten Lotfläche im Nahtquerschnitt und der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl angepasst, wobei v_Draht < v_Laserstrahl zu berücksichtigen ist.
• Der mindestens eine den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahl, der mit einem Spotdurchmesser im TCP (Tool Center Point) d_Spot < 2d_Draht und bevorzugt tophatähnlicher Leistungsdichteverteilung im TCP (Tool Center Point) verwendet wird, wird bei einem Zusatzdrahtdurchmesser von z.B. v_Draht = 1,6 mm bevorzugt mit d_Spot = 2,1 mm gewählt.
• Zur Erzeugung des mindestens einen Laserstrahls kann ein CW-Laser, bevorzugt in Kombination mit einem 600 Mikrometer Lichtkabel und einer Standard-Lötoptik mit einem Abbildungsverhältnis 3.3 verwendet werden. Die Laserleistung P_Laser wird für die Verwendung eines Spotdurchmessers von d_Spot = 2,1 mm, eines Zusatzdrahtes mit einem Durchmesser d_Draht = 1,6 mm, einer Zuführgeschwindigkeit von v_Draht = 2,2 m/min sowie einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls von v_Laserstrahl = 3,1 m/min bevorzugt in einem Bereich von P_Laser = 3300 W bis 3700 W gewählt. Für höhere bzw. niedrigere Prozessgeschwindigkeiten kann die Laserleistung annähernd mit dem Prozentsatz der Erhöhung bzw. Erniedrigung skaliert werden.
• Zum zusätzlichen Vorwärmen der Bleche, z.B. um Zink bereits im Pre-Prozess zu verdampfen, können im Bereich der Nahtfuge zusätzlich z.B. Induktion oder Vorlauf-Laserstrahlen verwendet werden, wobei letztere z.B. durch die Verwendung einer tri-Fokalfaser und / oder durch Strahlteilung erzeugt werden können.
• Bevorzugt erfolgt das Laserstrahllöten auf schmelztauchzinkbeschichteten Stahlblechen, besonders bevorzugt auf Stahlfeinblechen (z.B. DX56D oder DX57D) mit ZM70-Beschichtung oder ZlOO-Beschichtung mit jeweils einer Blechdicke in der Größenordnung t = 0,7 mm, wobei zwischen letzteren eine Kehlnaht am Bördelstoß mit Versatz und mit einem Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm ohne Einsatz von Schutzgas erzeugt wird, indem unter Verwendung eines CW-Lasers, eines mit diesem gekoppelten 600 Mikrometer Lichtleitkabels und einer Standard-Lötoptik mit einem Abbildungsverhältnis 3.3 der Lötbereich von dem mindestens einen Laserstahl, der einen Spotdurchmesser im TCP (Tool Center Point) d_Spot = 2, 1 mm und einen Lateralwinkel im Bereich von etwa α = 15° bis 30° (seitliche Winkel zur Vorschubrichtung) aufweist, einer Wärmestrahlung ausgesetzt wird, wobei ein CuSi2Mn1-Zusatzdraht mit einem Durchmesser von d_Draht = 1,6 mm mit einer Zuführgeschwindigkeit von v_Draht = 2,2 m/min in dem Lötbereich der Fuge zugeführt wird, und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem die Kehlnaht am Bördelstoß bildenden Verbindungsbereich der schmelztauchzinkbeschichteten Stahlfeinbleche und dem Lötbereich (Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls) v_Laserstrahl = 3,1 m/min sowie die Leistung des CW-Scheibenlasers im Bereich von P_Laser= 3300 W bis 3700 W gewählt werden.
• Die Kehlnaht am Bördelstoß wird somit mit einwandfreier Nahtanmutung ohne Unregelmäßigkeiten und mit einer minimalen Anbindungsbreite ausgebildet, die im Bereich der Blechdicke liegt.
• Das verhältnismäßig langsame Zufuhren des vergleichsweise dicken Zusatzdrahtes mit dem Durchmesser d_Draht in Kombination mit einer gezielt konzentrierten Wärmeeinbringung in die Nahtfuge (d_Spot<2d_Draht) resultiert in einem stabilen Lötprozess für den auf Bauteilen oder Blechen, die eine schmelztauchbeschichtete Oberfläche aufweisen, in einem weiten Prozessfenster keine Lot-Spritzer, Randunregelmäßigkeiten und/oder Nahtschuppigkeit auftreten.
• Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
• 1 eine schematische Darstellung, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserstrahllöten von zwei in Draufsicht gezeigten schmelztauchzinkbeschichteten Stahlblechen bei vorteilhafter Ausrichtung bezüglich Laserstrahl und Zusatzdraht-Zufuhr illustriert,
• 2 eine Seitenansicht einer Bördelstoßgeometrie mit Versatz wie einer Heckklappen-Geometrie,
• 3 eine schematische Perspektivansicht der in 2 gezeigten Bördelstoßgeometrie mit Versatz und mit Gestaltungsmöglichkeiten des Zusatzdrahtes, und
• 4 eine erfindungsgemäß hergestellte Lötverbindung zweier schmelztauchbeschichteter Bleche in Schnittdarstellung einer Bördelstoßgeometrie ohne Versatz.
• 5 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Nahtfuge unter Bildung einer Lötnaht bei vergleichsweise schneller Zuführung eines Zusatzdrahtes mit vergleichsweise kleinem Durchmesser in die Nahtfuge und
• 6 eine Draufsicht gemäß 5, jedoch bei Zuführung eines Zusatzdrahtes bei vergleichsweise schneller Zuführung mit vergleichsweise großem Durchmesser in die Nahtfuge,
• In 1 sind in Draufsicht zwei jeweils eine schmelztauchbeschichtete Zink-Oberfläche aufweisende Stahlbleche 1a und 1b gezeigt, zwischen denen durch Laserstrahllöten mittels mindestens eines den Lötbereich 4 einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls 2 unter Zufuhr eines auf einer Kupferlegierung basierenden Zusatzdrahtes 3 als Lötwerkstoff in den Lötbereich 4 eine Lötnaht 5 in Form einer Kehlnaht am Bördelstoß ohne Versatz ohne Verwendung eines Schutzgases erzeugt wird. Bei den beiden Stahlblechen 1a und 1b mit jeweils schmelztauchbeschichteter Zink-Oberfläche handelt es sich bevorzugt um Stahlbleche, die typischerweise im Karosserie-Außenhautbereich eingesetzt werden wie z.B. DX56D oder DX57D mit bevorzugt ZM70- oder Z100-Beschichtung, wobei die Blechdicke t in einer Größenordnung t = 0,7 mm liegt.
• Zur Erzeugung des mindestens einen Laserstahls 2 findet bevorzugt ein CW-Laser in Verbindung mit einem mit letzterem gekoppelten 600 Mikrometer Lichtleitkabel und einer Standard- Lötoptik mit Abbildungsverhältnis 3.3 Verwendung.
• Gemäß 1 werden der den Lotbereich 4 einer Wärmestrahlung aussetzende mindestens eine Laserstrahl 2, der - gemäß 2 - einen Lateralwinkel α im Bereich von bevorzugt α = 15° bis 30° und einen Schleppwinkel von bevorzugt β = 0° aufweist, und der Laser-Querschnitt im TCP 6 des Laserstrahls 2 im Lötbereich 4 in der durch den Pfeil F in 1 angezeigten Vorschubrichtung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit von bevorzugt v_Laserstrahl = 3,1 m/min bewegt. Der Schleppwinkel β des Laserstrahls 2 bezeichnet die Winkeländerung des Laserstrahls in Vorschubrichtung oder gegen die Vorschubrichtung im Vergleich zur senkrechten Strahlrichtung des Laserstrahls 2. Der Laser-Querschnitt im TCP (Tool Center Point), bevorzugt mit tophatähnlicher Leistungsdichteverteilung 6 des den Lötbereich 4 der Wärmestrahlung aussetzenden mindestens einen Laserstrahls 2 weist bevorzugt einen Spotdurchmesser d_Spot = 2,1 mm im TCP (Tool Center Point) auf. Zugleich wird der aus bevorzugt CuSi2Mn1 bestehende Zusatzdraht 3 mit einem bevorzugten Durchmesser d_Draht = 1,6 mm mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von v_Draht = 2,2 m/min schleppend der Nahtfuge 7 zugeführt. Bei Verwendung einer Laserleistung bevorzugt im Bereich von P_Laser = 3300 W bis 3700 W wird ohne Einsatz von Schutzgas auf die beschriebene Weise erfindungsgemäß die Lötnaht 5 optisch fehlerfrei und mit einer minimalen Anbindungsbreite erzeugt, die im Bereich der Dicke der Stahlfeinbleche 1a und 1b liegt.
• 2 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Bördelstoßgeometrie mit Versatz wie einer Heckklappen-Geometrie, bestehend aus einem schmelztauchbeschichteten Blech 1a und einem schmelztauchbeschichteten Blech 1b mit einem Außenbiegeradius R, die mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahllötverfahren miteinander unter Erzeugung einer optisch fehlerfreien Löhtnaht zu der Bördelstoßgeometrie mit Versatz gefügt werden. Die schmelztauchbeschichteten Bleche 1a und 1b weisen jeweils eine Blechdicke t der Größenordnung t = 0,7 mm auf, und der Lateralwinkel α des den Lötbereich 4 der erforderlichen Wärmestrahlung aussetzenden mindestens einen Laserstrahls 2 liegt - bezogen auf die Ausrichtung des schmelztauchbeschichteten Bleches 1a - bevorzugt im Bereich von α = 15° bis 30°.
• Durch eine verhältnismäßig langsame Zuführung des in 2 nicht gezeigten Zusatzdrahtes, z.B. mit nur etwa 70 % der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl des Laserstrahls 2 und dem gleichzeitig konzentrierten Wärmeeintrag (d_Spot<2d_Draht) in die Nahtfuge fließt das Lot kontrolliert mittig in die Nahtfuge ein, und Benetzungsunregelmäßigkeiten, die z.B. zu Randunregelmäßigkeiten und Nahtschuppigkeit führen können, werden in einem weiten Prozessfenster vermieden.
• 3 zeigt in Vergrößerung eine schematische Perspektivansicht der in 2 gezeigten Bördelstoßgeometrie bei vorteilhafter Ausrichtung bezüglich des mindestens einen Laserstrahls 2 und Zusatzdraht-Zufuhr und mit Gestaltungsmöglichkeiten des Zusatzdrahtes 3. Wie aus 3 ersichtlich ist, kann der Zusatzdraht 3 in Form eines einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Flachdrahtes als Massiv- oder Fülldraht oder in Form eines einen runden Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes oder in Form eines einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes dem Lötbereich 4 bei schleppender Lötrichtung 8 zugeführt werden.
• 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß hergestellte Lötverbindung für das Beispiel „Kehlnaht am Bördelstoß ohne Versatz“ zweier schmelztauchbeschichteter Bleche 1a und 1b in Schnittdarstellung.
• 5 zeigt eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Nahtfuge 7 unter Bildung einer Lötnaht 5 bei vergleichsweise schneller Zuführung (v_Draht ≥ v_Laser) eines Zusatzdrahtes 3 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser in die Nahtfuge, wobei zu sehen ist, dass der Zusatzdraht 3 „Spiel“ in der Nahtfuge 7 hat und folglich nicht stabil mittig in der Nahtfuge 7 verläuft. Der Zusatzdraht 3 läuft gegebenenfalls an einer der beiden Blechkanten der Stahlbleche 1a oder 1b, was eine einseitig stärkere Benetzung 9 und Randabschmelzung zur Folge haben kann.
• Wie aus 6 hervorgeht, die eine Draufsicht gemäß 5, jedoch bei Zuführung eines Zusatzdrahtes 3 bei vergleichsweise schneller Zuführung (v_Draht<v_Laser) mit vergleichsweise großem Durchmesser in die Nahtfuge 7 zeigt, liegt hingegen beim dem erfindungsgemäßen Verfahren der Zusatzdraht 3 stabil mittig am oberen Rand der Nahtfuge 7 auf, so dass ein gleichmäßiges mittiges Abschmelzen des Zusatzdrahtes 3 in die Nahtfuge 7 stattfindet. Hierbei wird die durch Laserbeaufschlagung entstehende Wärme in Lot und Stahlblechen 1a, 1b in der Nahtfuge 7 konzentriert, das Lot fließt kontrolliert mittig in die Nahtfuge 7 und die Benetzung des oberen Blechrands wird verzögert, was dazu führt, dass ein Großteil der Verdampfung der Schmelztauchbeschichtung der Oberflächen der beiden Bauteile 1a und 1b in der Prozesszone vor einer Benetzung des oberen Blechrands letzterer mit dem Lot erfolgt.
• Es versteht sich, das die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt sind auf die speziellen Strukturen, Verfahrensschritte oder Materialien, die hier offenbart sind, sondern auf deren Äquivalente ausgedehnt werden können, wie es für einen Durchschnittsfachmann auf den relevanten Gebieten erkennbar ist. Es versteht sich, dass die hier benutzte Terminologie lediglich zum Beschreiben bestimmter Ausführungsformen verwendet wird und nicht als beschränkend auszulegen ist. Die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften können in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

1a; 1b

schmelztauchbeschichtete Bauteile und Bleche; schmelztauchzinkbeschichtete Stahlfeinbleche

2

Laserstrahl

3

Zusatzdraht

4

Lötbereich

5

Lötnaht

6

Laser-Querschnitt im TCP (Tool Center Point); bevorzugt mit tophatähnlicher Leistungsdichteverteilung

7

Nahtfuge

8

Lötrichtung

9

Benetzung

t

Blechdicke

dDraht

Durchmesser des Zusatzdrahtes

dSpot

Durchmesser des Laserstrahl-Querschnitts im TCP (Tool Center Point)

vLaserstrahl

Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls bzw. Prozessgeschwindigkeit

vDraht

Zuführgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes

R

Außenbiegeradius

α

Lateralwinkel des Laserstrahls

β

Schleppwinkel des Laserstrahls

Pfeil E

Richtung der Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes mit Zuführgeschwindigkeit v_Draht

Pfeil F

Richtung der Laserbewegung mit Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl

Claims (26)

1. Verfahren zum Laserstrahllöten von mindestens zwei schmelztauchbeschichteten Bauteilen oder Blechen miteinander mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls unter Zufuhr eines Zusatzdrahtes als Lötwerkstoff in den Lötbereich, wobei die Fördergeschwindigkeit des Zusatzdrahtes kleiner als die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (v_Draht < v_Laserstrahl) gewählt wird, dadurch gekennzeichnet dass ohne Einsatz von Schutzgas für eine Kehlnaht am Bördelstoß (mit / ohne Versatz), für den der Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm gewählt wird, der Zusatzdraht mit einer Dicke im Bereich von 1,2 mm bis 2,0 mm als Lötwerkstoff mit der gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl des mindestens einen Laserstrahls langsameren Drahtfördergeschwindigkeit (v_Draht < v_Laserstrahl) im Bereich des Laserstrahl-Querschnitts im TCP (Tool Center Point), dessen Spotdurchmesser (Durchmesser des Laserstrahl Querschnitts im TCP) zu d_Spot< 2d_Draht gewählt wird, zugeführt und am oberen Rand der Nahtfuge der beiden Bleche mittig aufliegend stabil geführt wird, die durch die Laserbeaufschlagung entstehende Wärme in der Nahtfuge der beiden Bleche konzentriert wird, das Lot kontrolliert mittig in die Nahtfuge geführt und die Benetzung des oberen Blechrandes verzögert wird, wobei in dem die Naht bildenden Verbindungsbereich der beiden Bleche ein Großteil der Verdampfung der Schmelztauchbeschichtung der Oberflächen der beiden Bleche vor der Benetzung des oberen Randes der beiden Bleche mit dem Lot erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass schmelztauchbeschichtete Stahlfeinbleche mit ZM70- oder Z100-Beschichtung verwendet werden, jeweils mit einer Blechdicke t in der Größenordnung von t = 0,7 mm.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lötwerkstoff ein auf einer Kupferlegierung basierender Zusatzdraht verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdraht aus CuSi2Mn1 gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdraht in Form eines einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Flachdrahtes als Massiv- oder Fülldraht oder in Form eines einen runden Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldraht oder in Form eines einen runden Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes oder in Form eines einen dreieckigen Querschnitt aufweisenden Massiv- oder Fülldrahtes verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d_Draht des Zusatzdrahtes an die Fügegeometrie angepasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d_Draht des Zusatzdrahtes 1,6 mm beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungsdichteverteilung im TCP (Tool Center Point) eine Tophat oder tophatähnliche Leistungsdichteverteilung gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den als schmelztauchbeschichtete Stahlfeinbleche ausgeführten Bauteilen I-Nähte, Kehlnähte und Bördelnähte, vorzugsweise Kehlnähte am Bördelstoß mit oder ohne Versatz wie eine Stoßgeometrie einer Pkw-Heckklappe erzeugt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die schmelztauchbeschichteten Stahlfeinbleche mit einer Blechdicke in der Größenordnung von t = 0,7 mm Biegeaußenradien im Bereich von 2 mm bis 3 mm verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem die Naht bildenden Verbindungsbereich der Bauteile oder Bleche und dem Lötbereich (Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_Laserstrahl) entsprechend den Anforderungen im Karosseriebau flexibel gewählt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls im Bereich v_Laserstrahl = 1 m/min bis 6 m/min liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_Laserstrahl = 3,1 m/min beträgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes gewählt wird zu v_Draht < V_Laserstrahl.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes bei Verwendung eines Zusatzdrahtes mit d_Draht = 1,6 mm im Bereich von 50 % bis 80 % der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahls des Laserstrahls liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes für eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls von v_Laserstrahl = 3,1 m/min zu v_Draht = 2,2 m/min gewählt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführgeschwindigkeit v_Draht des Zusatzdrahtes bei Einsatz eines Zusatzdrahtes mit dickerem oder dünnerem Durchmesser als d_Draht = 1,6 mm zwecks Verwendung größerer oder kleinerer Biegeradien entsprechend der benötigten Lotfläche im Nahtquerschnitt und der Vorschubgeschwindigkeit v_Laserstrahl angepasst wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahl mit einem Spotdurchmesser im TCP (Tool Center Point) d_Spot < 2d_Draht verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Spotdurchmesser im TCP (Tool Center Point) d_Spot bei Verwendung eines Zusatzdrahtes mit d_Draht = 1,6 mm mit d_Spot = 2,1 mm gewählt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des mindestens einen Laserstrahls ein CW-Laser Verwendung findet.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der CW-Laser in Kombination mit einem 600 Mikrometer Lichtkabel und einer Standard-Lötoptik mit Abbildungsverhältnis 3.3 verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung P_Laser bei Verwendung eines Zusatzdrahtes mit einem Durchmesser von d_Draht = 1,6 mm und einer Zuführgeschwindigkeit von v_Draht = 2,2 m/min sowie einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls von v_Laserstrahl = 3,1 m/min im Bereich von P_Laser = 3300 W bis 3700 W gewählt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass für höhere bzw. niedrigere Prozessgeschwindigkeiten die Laserleistung P_Laser annähernd mit dem Prozentsatz der Erhöhung bzw. Erniedrigung skaliert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung zu P_Laser= 3500 W gewählt wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelztauchzinkbeschichteten Bauteile oder Bleche zwecks Verdampfung der Schmelztauchzinkbeschichtung bereits im Pre-Prozess im Bereich der Nahtfuge zusätzlich mittels Induktion oder Vorlauf-Laserstrahlen vorgewärmt werden, wobei letztere mittels einer tri-Fokalfaser und / oder durch Strahlteilung erzeugt werden.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahllöten auf schmelztauchzinkbeschichteten Stahlblechen, bevorzugt auf Stahlfeinblechen wie DX56D oder DX57D mit ZM70-Beschichtung oder Z100-Beschichtung mit jeweils einer Blechdicke in der Größenordnung von t = 0,7 mm erfolgt, wobei zwischen letzteren eine Kehlnaht am Bördelstoß mit / ohne Versatz und mit einem Blech-Biegeaußenradius im Bereich von 2 mm bis 3 mm ohne Einsatz von Schutzgas erzeugt wird, indem unter Verwendung eines CW-Lasers, eines mit diesem gekoppelten 600 Mikrometer Lichtleitkabels und einer Standard-Lötoptik mit Abbildungsverhältnis 3.3 der Lötbereich von dem mindestens einen Laserstahl, der einen Spotdurchmesser im TCP (Tool Center Poin) d_Spot = 2, 1 mm, einen Lateralwinkel im Bereich von etwa α = 15° bis 30° (seitliche Winkel zur Vorschubrichtung) und einen Schleppwinkel von β = 0° aufweist, einer Wärmestrahlung ausgesetzt wird, wobei ein CuSi2Mn1-Zusatzdraht mit einem Durchmesser von d_Draht = 1,6 mm mit einer Zuführgeschwindigkeit von v_Draht = 2,2 m/min in dem Lötbereich der Fuge zugeführt wird, und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem die Kehlnaht am Bördelstoß bildenden Verbindungsbereich der schmelztauchzinkbeschichteten Stahlfeinbleche und dem Lötbereich (Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls) zu v_Laserstrahl = 3,1 m/min sowie die Leistung des CW-Lasers im Bereich von P_Laser= 3300W bis 3700 W gewählt werden

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