DE102017128763A1

DE102017128763A1 - Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken und Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken

Info

Publication number: DE102017128763A1
Application number: DE102017128763.9A
Authority: DE
Inventors: Lutz König; Christian Fraas
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: WO2019110585A1; DE102017128763B4

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken (1, 2), sowie ein Laserbearbeitungssystem, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Das Verfahren umfasst ein Führen eines Laserstrahls (10) entlang einer Naht (3), wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) so gewählt ist, dass die Beschichtung an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2), die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Verschweißung zweier beschichteter Werkstücke, wie verzinkter Bleche.
Stand der Technik
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird. Das Laserlicht tritt in einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf, durch eine Vielzahl von optischen Elementen, wie z.B. Linsen, hindurch.
Bei der Herstellung einer Schweißverbindung beispielsweise von verzinkten Fügepartnern verdampft die Zinkschicht und führt zu Auswürfen und somit Fehlstellen in der Schweißnaht. Die so erzeugten Nähte erfüllen nicht die Anforderungen der gängigen Qualitätsansprüche und sind so vor allem im Automobilbereich nicht zu gebrauchen. Daher müssen bei dieser Art der Schweißung künstliche Entgasungsmöglichkeiten geschaffen werden. Diese wiederum sind aufwendig und mit Einschränkungen verbunden. Insbesondere bei einer Kehlnaht am Überlapp muss bei verzinkten Blechen eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu meist unerwünschten Fehlstellen in der Naht.
Die EP 1 005 944 B1 beschreibt ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Überlappnähte an beschichteten Blechen, wobei ein Ausgasungsraum für das im Schweißbereich verdampfende Beschichtungsmaterial vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken bereitzustellen, die weiche Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial ohne Kanten und Kerben gewährleisten und die Herstellung von stoffschlüssigen Schweißnähten, wie z.B. von Schweißnähten, insbesondere Kehlnähten am Überlapp, mit hervorragender Anmutung und Oberflächenqualität erlauben. Eine weitere Aufgabe ist, ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken bereitzustellen, die eine stoffschlüssige und porenfreie Verbindung der Werkstücke unabhängig von einem Anstellwinkel ermöglichen und bei denen keine Notwendigkeit einer ggfs. künstlichen Entgasung besteht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zum - vorzugsweise winkelunabhängigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben. Ein winkelunabhängiges Verschweißen bezeichnet hierbei, dass das Verschweißen an überlappenden Werkstücken durchgeführt werden kann, die in einem beliebigen Winkel aufeinander stoßen. Das heißt, das Laserbearbeitungssystem kann insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen. Das Laserbearbeitungssystem umfasst einen Bearbeitungskopf zum Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die überlappenden Werkstücke so einzustellen, dass gegenüber liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke im Wesentlichen erhalten bleiben. Die gegenüber liegenden Oberflächen können auch als innen liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann die Steuerung eingerichtet sein, den Energieeintrag so einzustellen, dass eine Oberfläche zumindest eines der Werkstücke in einem Überlappbereich mit dem anderen Werkstück im Wesentlichen erhalten bleibt. Insbesondere können die gegenüber liegenden Oberflächen auf- bzw. aneinander liegende Oberflächenbereiche umfassen, an denen die Werkstücke unmittelbar miteinander in Kontakt stehen.
Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, eine Position einer Fügekante, eines Überlapps oder eines Nahtverlaufs sowie eine Topographie davon zwischen den Werkstücken zu bestimmen, beispielsweise basierend auf Daten eines optischen Systems, Kamerasystems oder eines Kohärenztomographen. Somit kann die Steuerung der Positionsfindung (Tracking System), und/oder der Vermessung eines Spalts zwischen den Fügepartnern dienen.
Hierbei soll vorzugsweise keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke erfolgen. Beispielsweise kann der Energieeintrag so eingestellt sein, dass ein unteres Werkstück oder Unterblech durchgeschweißt wird, hingegen ein oberes Werkstück oder Oberblech nicht. Hierbei bezeichnet „oberes Werkstück“ das Werkstück der wenigstens zwei überlappenden Werkstücke, das das andere „untere Werkstück“ in Laserstrahlrichtung verschattet, d.h. an einer Verschweißposition bzw. entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante näher an einem Bearbeitungskopf oder einer Laseraustrittsöffnung liegt.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Energieeintrag durch den Laserstrahl so einzustellen, dass das Material, das an einer dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke abgeschmolzen ist, als Verbindungsmasse vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke eine Schweißverbindung herstellt.
Zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke kann beschichtet sein, wobei der Energieeintrag durch die Steuerung so eingestellt ist, dass beim Verschweißen eine Beschichtung an Bereichen der Werkstücke, die einander gegenüberliegen, erhalten bleibt.
Die wenigstens zwei Werkstücke können ein erstes Werkstück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite umfassen. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überlappen. Die Oberfläche in diesem Bereich der zweiten Unterseite und/oder der ersten Oberseite kann durch den Energieeintrag beim Verschweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.
Das Laserbearbeitungssystem kann dazu eingerichtet sein, beim Verschweißen eine Schweißnaht am Überlapp oder eine Kehlnaht auszubilden.
Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl durch Ablenkmittel quer zu einer Bearbeitungsrichtung in einer Scanbewegung zu oszillieren.
Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems ausgewählt aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls, einem Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung einzustellen. Insbesondere kann die Steuerung den Energieeintrag durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite einstellen. Weiterhin kann der Energieeintrag über eine optische Strahlformung eingestellt werden.
Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Betriebsparameter dynamisch während des Schweißens zu ändern. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Nahtposition, Kantenposition oder einer Position des Überlapps der zwei Werkstücke erfolgen.
Des Weiteren wird ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum - vorzugsweise winkelunabhängigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben. Das Schweißverfahren umfasst die Schritte: Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken, und Führen des Laserstrahls entlang der Fügekante, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass eine vom Laserstrahl abgewandte Oberfläche zumindest eines der Werkstücke im Wesentlichen erhalten bleibt.
Die wenigstens zwei Werkstücke können beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.
Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich unter einem Winkel α aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel α kann ein spitzer Winkel oder kleiner als 45° sein.
Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich aufeinanderliegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken, beispielsweise ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Schweißnähte am Überlapp an beschichteten Blechen, angegeben. Das Verfahren umfasst ein Führen eines Laserstrahls entlang einer Naht, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass die Beschichtung an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke, die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird. Das Laserstrahl-Schweißverfahren kann zum winkelunabhängigen Verschweißen eingerichtet sein, und insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Vorzugsweise erfolgt keine Durchschweißung der wenigstens zwei beschichteten Werkstücke.
Vorzugsweise umfassen die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke ein erstes Werkstück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überliegen. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbesondere kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite, den die zweite Unterseite überliegt, beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.
Vorzugsweise werden die wenigstens zwei Werkstücke vor dem Verschweißen im Nahtbereich unter einem Winkel aufeinanderstoßend angeordnet. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein, und kann insbesondere größer als 10° sein. Beispielsweise kann der Winkel ein spitzer Winkel oder etwa 0° sein.
Vorzugsweise ist bzw. wird die Schweißnaht als Kehlnaht ausgebildet.
Vorzugsweise oszilliert der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungsrichtung oder Vorschubrichtung.
Vorzugsweise umfasst das Laserstrahl-Schweißverfahren weiter ein Einstellen des Energieeintrags durch den Laserstrahl durch Ändern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines Laserbearbeitungssystems. Beispielsweise sind der eine oder die mehreren Betriebsparameter aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eines Versatzes des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung besteht. Insbesondere kann eine Laserleistung über die Scanbreite variiert werden. Wenigstens ein Betriebsparameter des einen oder der mehreren Betriebsparameter kann vor dem Schweißen und/oder dynamisch während des Schweißens geändert werden.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche, wie verzinkte Stahlbleche.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken Mit einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eines der hier aufgeführten Laserstrahl-Schweißverfahren durchzuführen, angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzustellen, dass die Beschichtung an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird.
Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstücke muss beispielsweise bei verzinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen unerwünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird durch gezielten Energieeintrag jeweils die Beschichtung an der Oberfläche verdampft. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben unberührt und können so nicht zu Verbindungsfehlern führen. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Verschweißen zweier Werkstücke unter einem Winkel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
3 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
4a bis 4d ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel durch Einstellen verschiedener Parameter des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
5 eine Modulation der Laserleistung in Abhängigkeit von der Scanposition gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke 1, 2 unter einem Winkel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere ist ein Verschweißen eines ersten Werkstücks 1 und eines zweiten Werkstücks 2 gezeigt. Das erste Werkstück 1 kann ein Unterblech sein und das zweite Werkstück 2 kann ein Oberblech sein.
Das Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken 1, 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Führen eines Laserstrahls 10 entlang einer Naht bzw. Fügekante 3, wobei ein Energieeintrag auf die wenigstes zwei Werkstücke 1, 2 durch den Laserstrahl 10 so gewählt ist, dass die Oberflächen an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander (z.B. direkt) gegenüberliegen, nicht oder nur geringfügig verändert wird. Insbesondere wird bei Verschweißen beschichteter Werkstücke 1, 2 die Beschichtung an gegenüberliegenden Bereichen der Werkstücke 1, 2, d.h. in einem Überlappbereich 8, nicht oder nicht vollständig verdampft. Anders gesagt bleibt die Oberfläche bzw. Beschichtung in Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander gegenüberliegen, im Wesentlichen erhalten.
Durch den gezielten Energieeintrag wird die Beschichtung an der freiliegenden Oberfläche verdampft, wobei eingeschlossene Beschichtungen im Wesentlichen unberührt bleiben und deren Verdampfen somit nicht zu Verbindungsfehlern führen kann. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.
In der 1 wird das erste Werkstück 1 mittels einer Schweißnaht, beispielsweise einer Überlappnaht, odereiner Kehlnaht am Überlapp, mit dem zweiten Werkstück 2 verschweißt. Dabei wird das zweite Werkstück 2 längs seiner Stirnseite verschweißt, während das erste Werkstück 1 längs seiner Oberfläche verschweißt wird. Zur Erzeugung der Laserstrahl-Kehlnaht wird ein Laserstrahl 10 längs der Kehle geführt. Da die Werkstücke 1, 2 jeweils eine Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkbeschichtung aufweisen, verdampft diese an der Fügekante 3, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Durch das Schweißen wird eine Schmelze erzeugt, die erstarrt und die Werkstücke 1, 2 miteinander verbindet. Die erstarrte Schmelze 4 definiert einen Anbindequerschnitt 5 für die Werkstücke 1, 2.
Typischerweise erfolgt die Schweißverbindung vorgelagert zur eigentlichen Kontaktfläche der Werkstücke 1, 2. Das am zweiten Werkstück 2 (Oberblech) abgeschmolzene Material 6 folgt der Schwerkraft und dem beispielsweise durch eine Oszillationsbewegung des Laserstrahls 10 erzeugten Druck hin zum ersten Werkstück 1 (Unterblech) und dient als Verbindungsmasse 7 der stofflichen Verbindung. Die Menge an Verbindungsmasse definiert den Anbindequerschnitt 5. Wird mehr Material vom Oberblech abgeschmolzen, so erhöht sich der effektive Anbindequerschnitt 5 zu Lasten der Materialstärke des Oberblechs. Die Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial sind weich und fließend, es entstehen keine Kanten oder Kerben.
Gemäß Ausführungsformen ist die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 eine Zinkbeschichtung. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere Beschichtungen können verwendet werden. Insbesondere können Beschichtungen verwendet werden, die bei herkömmlichen Laserschweißen zur Dampfdruckentstehung führt. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Beschichtung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sein.
Dabei ist unter einem niedrigen Schmelzpunkt ein Schmelzpunkt zu verstehen, der niedriger liegt als der der Werkstücke, beispielsweise von Stahl.
Gemäß einigen Ausführungsformen sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche. Beispielsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau. Insbesondere können die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke tiefgezogene Blechteile sein, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Blechbauteil, insbesondere zu einem Karosseriebauteil, zusammengefügt werden können.
Die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke 1, 2 können das erste Werkstück 1 mit einer ersten Oberseite 1a und einer ersten Unterseite 1b und das zweite Werkstück 2 mit einer zweiten Oberseite 2a und einer zweiten Unterseite 2b umfassen. Die zweite Unterseite 2b kann einen Bereich der ersten Oberseite 1a überliegen oder überdecken, wodurch ein eingeschlossener Bereich zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite 1a gebildet wird. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite 2b und/oder der ersten Oberseite 1a beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbesondere kann die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite 1a eingeschlossen sein und durch den Schweißvorgang im Wesentlichen unberührt bleiben. Anders gesagt kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite 1a, den die zweite Unterseite 2b überliegt oder überdeckt, beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.
In einigen Ausführungsformen erfolgt kein Durchschweißen der wenigstens zwei beschichteten Werkstücke im Überlappbereich 8. Beispielsweise wird nicht durch das zweite Werkstück 2, das ein Oberblech sein kann, durchgeschmolzen, so dass die Oberfläche bzw. die Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkschicht, an der Unterseite 2b des Oberblechs nicht oder nur minimal verdampft oder verletzt wird. Auch die Oberfläche bzw. die Beschichtung an der innenliegenden bzw. überlappten Oberseite 1a des Unterblechs 1 kann unversehrt bleiben. Dadurch wird im Überlappbereich 8 die Beschichtung nicht verdampft. Es liegt an dieser Stelle somit kein Verdampfungsdruck vor, der beim Entweichen des Gases aus der Schmelze zu Schweißfehlern wie z. B. Auswürfen, Schmauchspuren und Poren führen kann. Beschichtungsdampf, der an den Oberseiten 1a und 2a entsteht, die nicht im Überlappbereich 8 liegen, kann nach oben entweichen und führt so ebenfalls nicht zu den genannten Schweißfehlern.
Gemäß Ausführungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschweißen im Nahtbereich, also an der Fügekante 3, unter einem Winkel α aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel α kann zwischen der ersten Oberseite 1a des ersten Werkstücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein. Im Beispiel der 1 ist der Winkel α ein spitzer Winkel, der größer als 0°, und insbesondere größer als 10° ist. Der Winkel α, in dem die Werkstücke 1, 2 zueinanderstehen, kann geeignet gewählt werden. So ist eine Verschweißung bei größeren Winkeln (>10°) zwar dem Fluss der Schmelze zuträglich, aber auch Schweißungen bei kleineren Winkeln, bis herunter zu a=0° (Bleche liegen spaltfrei aufeinander), sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
2 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die bezüglich der 1 gegebene Beschreibung gilt analog für die in der 2 gezeigte Ausführungsform und wird nicht wiederholt.
Gemäß Ausführungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschweißen im Nahtbereich bzw. im Bereich der Fügekante 3 unter einem Winkel α aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel α kann zwischen der ersten Oberseite 1a des ersten Werkstücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein. Im Beispiel der 2 ist der Winkel α in etwa 0° (Bleche liegen im Wesentlichen spaltfrei aufeinander).
In manchen Ausführungsformen kann der Laserstrahl 10 im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung mit einer Scanfrequenz und einer Scanbreite oszillieren. In 1 und 2 ist die Scanbewegung mit dem Bezugszeichen 30 angedeutet. Der oszillierende Laserstrahl 10 kann vom Unterblech zum Oberblech und wieder zurück über die Scanbreite wechseln, nämlich lateral zur Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung. Dadurch werden beide Werkstücke (z.B. Bleche) angeschmolzen und die Beschichtung, wie beispielsweise Zink, an der Bauteiloberfläche verdampft. In 1 und 2 ist ein Versatz bzw. Offset des Zentrums der Scanbewegung 30 von der Fügekante 3 nach links bzw. zum Unterblech 1 hin gezeigt. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, es kann auch kein Versatz oder ein Versatz nach rechts bzw. zum Oberblech 2 hin eingestellt sein. In 1 und 2 kann beispielsweise eine Laserleistung im Überlappbereich 8 der Werkstücke 1, 2 reduziert sein, um ein Durchschweißen des Oberblechs 2 zu vermeiden. In einem Schweißbereich außerhalb des Überlappbereichs 8, d.h. links von der Fügekante 3, kann die Laserleistung beispielsweise höher sein als im Überlappbereich 8.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst das Verfahren weiter ein Einstellen des Energieeintrags durch den Laserstrahl 10 durch Ändern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines Laserbearbeitungssystems. Ein beispielhaftes Laserbearbeitungssystem ist in der 3 dargestellt. Der eine oder die mehreren Betriebsparameter können aus der Gruppe ausgewählt sein, die einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, einen Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, eine Scanbreite des Laserstrahls, eine Scanfrequenz des Laserstrahls und eine Laserleistungsverteilung umfasst. Typischerweise werden der eine oder die mehreren Betriebsparameter vor dem Schweißen eingestellt und/oder dynamisch während des Schweißens geändert. Beispielsweise kann die Scanbreite oder Scanamplitude je nach Voreinstellung oder Regelung, z.B. bei entstehendem Spalt, während des Prozesses variiert werden. In 4a bis 4d sind Beispiele für das Einstellen des Energieeintrags basierend auf verschiedenen Parametern des Laserstrahls dargestellt. Der Energieeintrag kann dabei beispielsweise auch von einer Spaltbreite zwischen den Werkstücken abhängen. In 4a ist der Laserstrahl 10 auf die Fügekante 3 zweier überlappender Werkstücke, die vorzugsweise spaltfrei aufeinander liegen, gerichtet und wird in einer oszillierenden Scanbewegung entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante 3 geführt. Die Werkstücke 1, 2 können auch mit Spalt oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein. In 4b ist ein Offset bzw. ein Versatz der Mitte der Scanbewegung hinsichtlich der vertikalen Fügekante 3 gezeigt, in diesem Beispiel nach links hin zum Oberblech 2. In 4c ist eine Scanbreite, d.h. eine Amplitude der Scanbewegung senkrecht zur Vorschubrichtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 vergrößert. In 4d erfolgt eine Einstellung des Energieeintrags durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite (siehe auch 5). Obwohl in 4b, 4c und 4d ein Spalt zwischen den Werkstücken 1, 2 gezeigt ist, ist dies nicht einschränkend und die Werkstücke 1, 2 können auch spaltfrei oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein.
Um Durchschweißungen zu vermeiden, aber dennoch hohe Einschweißtiefen erreichen zu können, erfolgt der Energieeintrag durch die Laserleistung ganz gezielt. Der gezielte Energieeintrag wird beispielsweise durch die Regelung der Laserleistung über die Scanbreite erreicht. Insbesondere kann die Laserleistung abhängig von der Scanposition eingestellt werden. In 5 ist schematisch eine solche Modulation der Laserleistung basierend auf der Scanposition dargestellt: der sinusartige Kurvenverlauf stellt die Scanbewegung 30 und somit die Laserposition in Vorschubrichtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 dar, der dreieckige Kurvenverlauf die Laserleistung in % der Maximalleistung. In diesem Beispiel oszilliert die Scanbewegung 30 um die Fügekante 3, die im Graphen als horizontale Linie dargestellt ist. Beispielsweise beträgt die Laserleistung auf der Fügekante 3 ca. 50% und an den äußersten Positionen der Scanbewegung ca. 90%. Die Zahlenangaben sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Die Parameter für den Prozess können, wie bereits erwähnt, den Fokusdurchmesser, den Versatz bzw. Offset zur Fügekante 3 bzw. Fügeposition, die Scanbreite, die Scanfrequenz und die Laserleistungsverteilung über die Scanbreite, wie oben zu 4 beschrieben, sein. Einer oder mehrere der Parameter können dynamisch im Verlauf der Schweißung den Spalt- und Winkelverhältnissen angepasst werden, um die Schonung der innenliegenden Oberfläche bzw. der innenliegenden Beschichtung zu erreichen. Im Ergebnis wird eine Naht mit hervorragender Anmutung und Oberflächenqualität bereitgestellt.
Basierend auf vorgegebenen Festigkeitsanforderungen können die hier beschriebenen Ausführungsformen beispielsweise im Bereich der Schweißung von Automobiltüren eingesetzt werden, wo typischerweise verzinkte Bauteile zum Einsatz kommen. Andere Komponenten am Fahrzeug wie Klappen oder Strukturbauteile können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt werden.
3 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 300 kann einen Bearbeitungskopf 301 umfassen oder ein Bearbeitungskopf sein, und insbesondere zum Laserschweißen eingerichtet sein. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, hier beschriebene Verfahren zum Verschweißen wenigstens zweier Werkstücke 1, 2 durchzuführen.
Das Laserbearbeitungssystem 300 umfasst eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch einen Laserstrahl 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzustellen, dass die Oberflächen an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander gegenüberliegen, im Wesentlichen unverändert bleiben. Insbesondere kann die Steuerung den Energieeintrag beim Schweißen zweier beschichteter Werkstücke so einstellen, dass die Beschichtung an einander gegenüberliegenden Werkstücksoberflächen nicht oder nicht vollständig verdampft wird. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Steuerung kann ferner dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl 10 mittels Ablenkmittel (nicht gezeigt) quer zur Bearbeitungsrichtung 20 zu oszillieren. Hierbei kann die Scanbewegung 30 im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsrichtung 20 sein, und einer geraden Linie oder einer Scanfigur folgen, z.B. eine „8“ oder einen Kreis ausführen. Beispiele für Ablenkmittel sind Spiegel oder andere Scanvorrichtungen, die durch die Steuerung gesteuert werden.
Das Laserbearbeitungssystem 300 kann eine Laservorrichtung 310 zum Erzeugen eines Laserstrahls 10 (auch als „Bearbeitungsstrahl“ oder „Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) umfassen oder mit einer solchen gekoppelt sein. Optional kann das Laserbearbeitungssystem 300 einen optischen Kohärenztomographen 340 oder ein anderes optisches System, wie beispielsweise ein Kamera-basiertes System, zur Abstandsmessung und/oder Positionserfassung umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 zu lenken. Hierfür kann das Laserbearbeitungssystem 300 eine Kollimatorlinse 320 zur Kollimation des Laserstrahl 10 und eine Fokussier-Optik 330 zur Fokussierung des Laserstrahls 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 aufweisen.
Das Laserbearbeitungssystem 300 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 301, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schweißrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 300, wie beispielsweise des Schweißkopfes 301, bezüglich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden.
Gemäß Ausführungsformen kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um mittels eines optischen Messstrahls 13 einen Abstand zu den Werkstücken zu messen. Insbesondere kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 301 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 bewegt. Hierdurch kann der oszillierende Laserstrahl 10 der Fügekante zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück folgen. Insbesondere kann eine Fehlerdetektion und/oder eine Regelung einer oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems erfolgen. Selbstverständlich können auch andere optische Systeme hierzu eingesetzt werden, wie beispielsweise Kamera-basierte Systeme.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag eine stoffschlüssige und porenfreie Verbindung von mindestens zwei Werkstücken unabhängig von einem Anstellwinkel zwischen den Werkstücken und mit hervorragender Anmut der Nahtoberfläche bereitgestellt werden. Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstücke muss beispielsweise bei verzinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen unerwünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag bei einer Kehlnaht eine Verbindung mit Nullspaltverhältnis am Überlapp hergestellt werden. Durch Regelung des Energieeintrags kann bei beschichteten Fügepartnern jeweils nur die dem Laserstrahl ausgesetzte Beschichtung an der Oberfläche verdampft werden. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben hingegen unberührt und können so nicht zu Verbindungsfehlern führen. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1005944 B1 [0004]

Claims

Laserbearbeitungssystem (300) zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken (1, 2), umfassend: einen Bearbeitungskopf (301) zum Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Fügekante (3) zwischen den überlappenden Werkstücken (1, 2); und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) auf die überlappenden Werkstücke (1, 2) so einzustellen, dass einander gegenüberliegende Oberflächen der Werkstücke (1, 2) im Wesentlichen erhalten bleiben.
Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1, wobei keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) erfolgt.
Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Energieeintrag durch den Laserstrahl so einzustellen, dass Material (6), das an einer dem Laserstrahl (10) zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke (1, 2) abgeschmolzen ist, als Verbindungsmasse (7) vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke (1, 2) eine Schweißverbindung herstellt.
Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beschichtet ist und durch den Energieeintrag beim Verschweißen eine Beschichtung an Bereichen der Werkstücke (1, 2), die einander gegenüberliegen, erhalten bleibt.
Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) ein erstes Werkstück (1) mit einer ersten Oberseite (1a) und einer ersten Unterseite (1b) und ein zweites Werkstück (2) mit einer zweiten Oberseite (2a) und einer zweiten Unterseite (2b) umfassen, wobei die zweite Unterseite (2b) einen Bereich der ersten Oberseite (1a) überlappt, und wobei die Oberfläche in diesem Bereich der zweiten Unterseite (2b) und/oder der ersten Oberseite (1a) durch den Energieeintrag beim Verschweißen im Wesentlichen erhalten bleibt.
Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Laserbearbeitungssystem dazu eingerichtet ist, beim Verschweißen eine Kehlnaht auszubilden.
Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) durch Ablenkmittel quer zu einer Bearbeitungsrichtung (20) in einer Scanbewegung (30) zu oszillieren.
Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, den Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems (300) ausgewählt aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls (10), einem Versatz des Laserstrahls (10) zur Fügekante (3), einer Scanbreite des Laserstrahls (10), einer Scanfrequenz des Laserstrahls (10), einer Laserleistungsverteilung und einer Modulation einer Laserleistung über eine Scanbreite einzustellen.
Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 8,wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems (300) dynamisch während des Schweißens zu ändern.
Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken (1, 2), umfassend: Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Fügekante (3) zwischen den überlappenden Werkstücken (1, 2) Führen des Laserstrahls (10) entlang der Fügekante (3), wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) so eingestellt ist, dass einander gegenüberliegende Oberflächen der Werkstücke (1, 2) im Wesentlichen erhalten bleiben.
Laserstrahl-Schweißverfahren nach Anspruch 10, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.
Laserstrahl-Schweißverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) vor Verschweißen im Nahtbereich unter einem Winkel (a) aufeinanderstoßend angeordnet werden.
Laserstrahl-Schweißverfahren nach Anspruch 12, wobei der Winkel (a) ein spitzer Winkel oder kleiner als 45° ist.
Laserstrahl-Schweißverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) vor Verschweißen im Nahtbereich aufeinanderliegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet werden.