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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mindestens zwei Bauteilen sowie eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen.
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Aus Korrosionsschutzgründen werden z.B. im Karosserierohbau häufig Bleche verwendet, die mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen sind, wie beispielsweise verzinkte Stahlbleche. Die Beschichtung weist dabei meist einen niedrigen Siedepunkt auf, der weit unter dem Schmelzpunkt des Blechmaterials liegt. Beispielsweise wird das Stahlblech bei ca. 1500 °C schmelzflüssig, während das Zink bereits bei ca. 900 ℃ verdampft. Werden beschichtete Blechbauteile miteinander zu einem Bauteilverbund verschweißt, so erfolgt aufgrund der hohen Energieintensität des Schweißprozesses die Verdampfung der Beschichtung plötzlich, was insbesondere bei Überlappverbindungen zu einer verstärkten Bildung von Schweißspritzern führt. Die Schweißspritzer setzen sich als Ablagerung und Anhaftung auf der Bauteiloberfläche ab, wo sie die optische Qualität verschlechtern und zu Korrosion führen können. Der Materialverlust in der Schweißnaht führt zu Endkratern und Löchern und somit ggf. zu einem Festigkeitsabfall der Naht. Weiterhin führen die Schweißspritzer zu Verunreinigungen der Spannvorrichtung.
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Um diese Probleme zu verhindern, sind für I-Nähte Lösungsansätze bekannt, bei denen die Blechbauteile mit einem definierten Entgasungsspalt von ca. 0,1 mm bis 0,2 mm überlappend übereinander angeordnet werden und verschweißt werden. So ist z.B. aus der Druckschrift
DE 10 2014 006 077 B3 bekannt, den Entgasungsspalt über noppenartige Erhöhungen sicherzustellen, die auf einem der Fügepartner mittels Laserstrahlschmelzen ausgebildet werden. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzliche Arbeitsschritt zur Herstellung der Erhöhungen.
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Laserschweißnähte weisen eine geringe Nahtbreite auf. Daher kommt der exakten Positionierung des Laserstrahls am Fügestoß eine enorme Bedeutung zu. Es sind taktile Verfahren bekannt und kontaktlose, welche z.B. mittels optischer Kantendetektion arbeiten. So ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2007 016 444 A1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt mit integrierter optischer Messeinrichtung in Form eines optischen Kohärenztomographen. Bei der optischen Kohärenztomographie (OCT) wird Licht einer breitbandigen Lichtquelle in zwei Strahlbündel aufgeteilt. Ein erstes Strahlbündel wird in einem Referenzarm geführt, der eine bekannte Länge aufweist. Das erste Strahlbündel wird endseitig reflektiert, im Referenzarm zurückgeführt und von einem Detektor erfasst. Das zweite Strahlbündel wird auf die zu messende Bauteiloberfläche geleitet, dort reflektiert und ebenfalls von dem Detektor erfasst. Aus den vom Detektor erfassten Signalen kann eine Information gewonnen werden, wie lang der Weg ist, den das zweite Strahlbündel bis zur Bauteiloberfläche zurücklegt. Gemäß
DE 10 2007 016 444 A1 werden die Informationen genutzt, um den Verlauf eines durch Schweißen zu verbindenden Schweißspaltes optisch zu detektieren. Für I-Nähte am Überlappstoß bietet die Druckschrift jedoch keine Lösung.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine weitere Möglichkeit anzugeben zum Ausbilden einer I-Naht an Bauteilen, mit der insbesondere eine Zinkentgasung auf einfache Art und Weise verbessert werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von mindestens zwei Bauteilen angegeben, wozu diese im Überlappstoß angeordnet und mittels einer I-Naht an einer vorgegebenen Schweißposition verschweißt werden. Im Fügebereich ist das Oberblech mit einem Radius vom Unterblech weggebogen. Erfindungsgemäß wird das Oberblech optisch vermessen zur Bestimmung mindestens eines die Biegung charakterisierenden Kennwerts und es wird anhand des mindestens einen Kennwerts die Schweißposition für den Bearbeitungslaserstrahl vorgegeben.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen angegeben mit einer Strahlpositionierungseinrichtung zur Positionierung eines Bearbeitungslaserstrahls an einer vorgegebenen Schweißposition auf einem Bauteil und einer optischen Messeinrichtung, die eingerichtet ist zur Vermessung einer Oberflächenkontur des Bauteils. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 016 444 A1 bekannt. Weiterhin ist in der Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist um anhand der gemessenen Oberflächenkontur mindestens einen Kennwert zu ermitteln, der eine Biegung des Bauteils charakterisiert, und anhand des mindestens einen Kennwertes die Schweißposition vorzugeben.
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Hierbei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass durch die Biegung des Oberblechs ein sich kontinuierlich erweiternder Spalt bereitgestellt wird, der zum Zwecke der Zinkentgasung genutzt werden kann. Die Erfindung macht sich nun zunutze, dass der Verlauf des Oberblechs auch den Verlauf des Spaltes widerspiegelt. Im ebenen Bereich des Oberblechs, d.h. vor der Biegung, liegt dieses auf dem Unterblech auf. Mit Beginn der Biegung entfernt sich das Oberblech vom Unterblech und es entsteht ein Spalt zwischen beiden Bauteilen. Geht man von einer konstanten Bauteildicke aus, nimmt die Höhe des Spaltes in dem Maß zu, wie der Abstand der Oberfläche des Oberblechs vom Unterblech zunimmt. Somit bildet der Höhenverlauf der Oberfläche des Oberblechs sehr exakt den Höhenverlauf des Spaltes ab.
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Bei den Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um Blechbauteile. In einer Ausgestaltung weist zumindest ein Bauteil, vorzugsweise jedoch beide Bauteile, eine Korrosionsschutzbeschichtung, wie z.B. eine Zinkbeschichtung, auf. Dennoch ist das Verfahren grundsätzlich auch auf andere Bauteile, wie z.B. Gussbauteile anwendbar. Insofern sind die Begriffe Oberblech und Unterblech so zu verstehen, als sie lediglich die Anordnung der Bauteile zueinander kennzeichnen. Als Oberblech wird hierbei das dem Bearbeitungslaserstrahl zugewandte Bauteil bezeichnet, als Unterblech entsprechend das dem Bearbeitungslaserstrahl abgewandte Bauteil.
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Die Schweißposition wird nun so gewählt, dass die Spalthöhe an dieser Stelle einerseits eine ausreichende Zinkentgasung ermöglicht und andererseits eine ausreichende Anbindung der Bauteile durch die Naht sicherstellt. Dies wird durch eine optische Vermessung der Bauteiloberfläche und eine Positionierung des Laserstrahls in Abhängigkeit der gemessenen Bauteilform erzielt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die optische Vermessung unmittelbar vor dem Verschweißen der Bauteile. Somit wird eine Möglichkeit gegeben, die Positionierung des Bearbeitungslaserstrahls in Echtzeit während des Schweißprozesses vorzunehmen.
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Zur Vermessung der Oberfläche des Bauteils eignen sich optische Messeinrichtungen wie z.B. 2-D-Kamera, Time-of-flight Kamera oder ein Lichtschnittsensor.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die optische Vermessung mittels Lichtschnittverfahren. Beim Lichtschnittverfahren wird mittels eines Lichtschnittsensors eine Laserlinie auf das zu vermessende Objekt projiziert. Diese Lichtebene schneidet das Messobjekt entlang einer Profillinie, deren Verlauf in Abhängigkeit von der Objekthöhe mehr oder weniger gekrümmt wird. Ein Bildsensor beobachtet die Szene und mithilfe der bekannten räumlichen Geometrie dieser Anordnung wird aus der Form der Profillinie die Höheninformation über das Objekt nach dem Triangulationsprinzip errechnet. In einer Ausgestaltung ist die Messvorrichtung daher ein Lichtschnittsensor. Der verwendete Begriff »Lichtschnittsensor« bezeichnet eine Kombination aus Bildsensor, Linienlaser und den notwendigen Abbildungsoptiken.
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Aufgrund der Richtungsunabhängigkeit eignet sich insbesondere das Verfahren der optischen Kohärenztomographie (OCT) zur optischen Vermessung. In einer Ausgestaltung ist die Messvorrichtung daher ein optischer Kohärenztomograph. Die OCT ist eine optische Mess- und Abbildungsmethode und bietet die Möglichkeit mittels Messlicht kontakt- und zerstörungsfrei Höheninformationen des jeweiligen Messpunktes zu gewinnen. Die Höheninformationen können mit der Lage des Messpunktes verknüpft werden, wodurch sich topographische Informationen der Bauteiloberfläche gewinnen lassen. So lässt sich ein linienartiges oder reliefartiges Höhenprofil der Oberfläche des Oberblechs erzeugen.
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Im vorliegenden Fall weist das Oberblech einen nahezu ebenen Abschnitt auf, der in einen vom Unterblech weggebogenen Abschnitt übergeht. Der Übergang von ebenem zu gebogenem Abschnitt wird als Radiusauslauf bezeichnet.
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In einer Ausgestaltung wird nun als Kennwert für die Bestimmung der Schweißposition ein Radius der Biegung und die Position des Radiusauslaufs bestimmt. Solange das Bauteil im ebenen Bereich gemessen wird, schwankt der Abstand zum Sensor nur geringfügig. Erst mit Beginn der Biegung nimmt der Abstand zwischen Oberfläche des Oberblechs und Sensor stetig ab. Dies lässt sich mittels eines Algorithmus feststellen und so der Beginn der Biegung, also die Position des Radiusauslaufs auf dem Bauteil detektieren. Der Radius selbst lässt sich in Kenntnis des Radiusauslaufs aus den weiteren Daten des Höhenprofils gewinnen. Der Radius wiederum gibt Aufschluss über den Verlauf des Spaltes zwischen den beiden Bauteilen und lässt insbesondere eine Bestimmung der Spalthöhe in Abhängigkeit vom Abstand vom Radiusauslauf zu.
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In einer Ausgestaltung wird anhand des Radius ein Offset-Wert ermittelt wird. Der Offset-Wert gibt an, bei welchem Abstand vom Radiusauslauf die Spalthöhe den für eine Schweißung und Zinkentgasung optimalen Wert annimmt. Dann wird die Schweißposition vorgegeben durch Hinzurechnen des Offset-Werts zu der Position des Radiusauslaufs.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird der Höhenverlauf des Bauteils ermittelt und es wird als Schweißposition eine Position vorgegeben, an der das Höhenprofil des Oberblechs einen vorgegebenen Wert erreicht. Geht man von einer konstanten Bauteildicke aus, so spiegelt der Höhenverlauf gegenüber dem ebenen Oberblechabschnitt gleichzeitig auch die Höhe des Spaltes zwischen den Bauteilen wieder. Mit diesem Vorgehen ist die Bestimmung der Schweißposition auf besonders einfache Art und Weise möglich.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Bauteilanordnung aus zwei Blechen, wobei das Oberblech einen vom Unterblech wegweisenden gebogenen Verlauf aufweist.
- 2 eine schematische Darstellung einer Schweißvorrichtung zur Schweißung der Bauteilanordnung aus 1.
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1 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Schweißnaht. Zwei Bauteile 1, 2 in Form von verzinkten Blechbauteilen sind im Überlappstoß angeordnet und durch eine I-Naht 3 miteinander verschweißt. Das obere Bauteil 1 bzw. Oberblech weist einen ebenen Blechabschnitt 4 auf, mit dem es auf dem Unterblech 2 aufliegt. Daran an schließt sich ein gebogener Abschnitt 5, der von dem Unterblech weg verläuft. Der Übergang zwischen ebenem und gebogenem Blechabschnitt wird durch den Radiusauslauf RAL gebildet.
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Aus der Anordnung der Blechbauteile 1, 2 resultiert ein sich öffnender Spalt SP zwischen den Bauteilen. Dieser kann für die Zwecke der Zinkentgasung genutzt werden. Jedoch ist es erforderlich, dass die Schweißnaht 3 in einem engen Toleranzfeld T in Bezug auf die Spalthöhe ausgebildet wird. Beispielsweise sollte die Höhe h des Spaltes an der Schweißstelle in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm liegen. Findet die Schweißung zu nah am oder vor dem Radiusauslauf RAL statt, so ist keine nennenswerte Zinkentgasung gegeben, es kommt zu Auswürfen und eingeschlossenem Zink. Auf der gegenüberliegenden Seite des Toleranzfeldes ist der Spalt SP zu groß, so dass es zu keiner ausreichenden Anbindung der Bauteile 1, 2 durch die Schweißnaht 3 kommt. Die Schweißposition, an der die Schweißung erfolgen soll, muss also in Abhängigkeit der Spalthöhe definiert werden.
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Mit Bezug auf 2 werden das hierzu vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung näher erläutert. Mit einer Laserschweißvorrichtung 10 wird ein Bearbeitungslaserstrahl L über eine Strahlpositionierungseinrichtung 12 in Form eines Bearbeitungskopf, der z.B. als Scanner ausgebildet sein kann, auf die Bauteile 1, 2 gerichtet. Dort schmilzt die Energie des Laserstrahls L Material der Bauteile auf, das anschließend zur Schweißnaht erstarrt.
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Um nun die optimale Position für den Bearbeitungslaserstrahl
L zu finden, ist die Laserschweißvorrichtung weiterhin mit einer Messvorrichtung
14 zur Vermessung der Oberfläche des Bauteils ausgestattet. Die Messvorrichtung
14 ist beispielsweise ein in dem Bearbeitungskopf angeordneter optischer Kohärenztomograph, wie er aus der
DE 10 2007 016 444A1 bekannt ist.
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Mittels der Messvorrichtung 14 wird ein Bereich des Bauteils 1, in dem die Schweißung durchgeführt werden soll, vermessen. Der Messbereich 20 ist durch die schraffierten Linien angedeutet. Die Vermessung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit unmittelbar vor und während der Durchführung der Schweißung.
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Bei der OCT-Messung wird ein Höhenprofil des ersten Bauteils 1 ermittelt. Dieses Höhenprofil spiegelt den ebenen Abschnitt 4, den Radiusauslauf RAL und den gebogenen Abschnitt 5 wieder.
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Die Daten der Messeinrichtung
14, welche das Höhenprofil abbilden, werden nun mittels einer Auswerteeinrichtung
16 ausgewertet. Aus dem Höhenprofil wird die Position des Radiusauslaufs
RAL bestimmt. Ebenso wird mittels Algorithmus der Radius
R der Biegung ermittelt. Aus den vorhandenen Daten wird berechnet, um welchen Offset-Wert
s der Laserstrahl gegenüber dem Radiusauslauf
RAL in Richtung auf die Biegung versetzt werden muss, damit die Schweißung im Toleranzfeld
T erfolgt. Der Zusammenhang zwischen Radius
R, Spalthöhe h, Abstand
s vom Radiusauslauf bei konstanter Bauteildicke
d0 kann z.B. angegeben werden durch:
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Die Auswerteeinrichtung steht widerum in einer entsprechenden Wirkverbindung mit dem Bearbeitungskopf, so dass der Laserstrahl auf die durch den Offset-Wert s und den Radiusauslauf RAL vorgegebene Schweißposition gerichtet wird.
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Alternativ ist es auch möglich, dass als Schweißposition eine Position vorgegeben wird, an der das Höhenprofil des Oberblechs einen vorgegebenen Wert erreicht. Dies erfolgt unter der Annahme, dass sich die Spalthöhe im gleichen Maße erhöht, wie das Höhenprofil des Oberblechs - gemessen vom Radiusauslauf aus - ansteigt. Als Schweißposition wird dann z.B. diejenige Position angegeben, bei der die Höhendifferenz zwischen der Höhe am Radiusauslauf und der gemessenen Höhe der gewünschten Spalthöhe entspricht.
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Auch die so ermittelte Schweißposition kann an den Bearbeitungskopf 12 weitergegeben werden zur Positionierung des Laserstrahls L.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Bauteile
- 3
- I-Naht
- 4, 5
- Bauteilabschnitte
- 10
- Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen
- 12
- Bearbeitungskopf
- 14
- Messeinrichtung
- 16
- Auswerteeinrichtung
- 20
- Messbereich
- d0
- Bauteildicke
- h(s)
- Spalthöhe
- R
- Radius
- RAL
- Radiusauslauf
- s
- Entfernung vom Radiusauslauf
- s1
- Offset-Wert
- SP
- Spalt
- L
- Laserstrahl
- T
- Toleranzfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014006077 B3 [0003]
- DE 102007016444 A1 [0004, 0008, 0025]
