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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von mindestens einer Schweißverbindung, insbesondere in einem Überlappungsbereich von zwei verzinkten Blechen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Laserschweißvorrichtung.
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Im Karosseriebau werden mehrere Bleche bzw. Blechkomponenten zusammengesetzt und durch Schweißverbindungen miteinander verbunden. Derartige Blechkomponenten sind oftmals mit einer Zinkbeschichtung überzogen, um einen optimalen Korrosionsschutz zu gewährleisten. Bei dem Laserstrahlschweißen von Überlappverbindungen mehrerer Blechkomponenten beeinflussen die Zinkbeschichtungen der Blechkomponenten den Laserschweißprozess negativ. Dabei kann die Zinkbeschichtung unkontrolliert lokal verdampfen, wodurch die resultierende Schweißverbindung porös wird und eine verringerte mechanische Belastbarkeit aufweist.
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Zum Vermeiden derartiger Nachteile sind Verfahren bekannt, bei welchen ein Entgasungsspalt zwischen den Blechen eingestellt wird, um ein kontrolliertes Entweichen des Zinkdampfs zu ermöglichen. Hierzu ist ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig, bei welchem Noppen auf den Oberflächen der Blechkomponenten gestanzt werden. Bei einem Ausrichten und Spannen der Blechkomponenten entsteht somit ein Spalt bzw. Abstand im Überlappungsbereich. Über den Spalt kann verdampfendes Zink entweichen und gelangt somit nicht in die Schmelze und die Dampfkapillare während des Schweißvorgangs.
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Des Weiteren sind Verfahren bekannt, bei welchen die Zinkbeschichtung im Überlappungsbereich mehrerer Blechkomponenten entfernt wird. Eine derartige Vorbereitung des Schweißvorgangs ist jedoch aufwändig und kostenintensiv.
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Die bekannten Lösungen zum Laserschweißen mit technischem Nullspalt zwischen mehreren Blechkomponenten sind nicht für einen stabilen Produktionsprozess geeignet und liefern keine in der Produktion reproduzierbaren Ergebnisse. Aus der
DE 39 26 781 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem eine Gasströmung oberhalb der Dampfkapillare zum Erzeugen eines Unterdrucks verwendet wird. Durch den Unterdruck kann der in die Dampfkapillare eingedrungene Zinkdampf entweichen. Die oberflächenparallele Gasströmung ermöglicht somit eine Entgasung der Dampfkapillare. Derartige Maßnahmen erfordern jedoch einen umfangreichen Umbau der Schweißvorrichtung. Des Weiteren kann je nach Geometrie des Überlappungsbereichs bzw. der Blechkomponenten die oberflächenparallele Gasströmung technisch nicht umgesetzt werden. Dies kann insbesondere bei Blechkomponenten mit kompakten Abmessungen und in Randabschnitten bzw. Eckabschnitten der Blechkomponenten problematisch sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine technisch einfache Laserschweißvorrichtung zum Erzeugen von qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von mindestens einer Schweißverbindung, insbesondere in einem Überlappungsbereich von zwei verzinkten Blechen, durch eine Laserschweißvorrichtung bereitgestellt.
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In einem Schritt werden mindestens zwei verzinkte Bleche bzw. Blechkomponenten unter Ausbildung des Überlappungsbereichs spaltlos zueinander ausgerichtet. Die Bleche sind vorzugsweise mit einer Zinkbeschichtung überzogen, um einen optimalen Korrosionsschutz zu ermöglichen. Der Überlappungsbereich wird mit einem technischen Nullspalt ausgebildet, wobei die Zinkbeschichtungen der mindestens zwei Bleche im Überlappungsbereich unmittelbar aufeinander aufliegen.
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Anschließend wird ein Laserschweißvorgang zum Verbinden der verzinkten Bleche mit Hilfe von mindestens einer Schweißnaht unter Ausbildung einer Dampfkapillare in dem Überlappungsbereichs durchgeführt. Die Dampfkapillare durchdringt dabei vollständig das Blechdickenpaket. Durch die Ausbildung der Dampfkapillare kann die Laserschweißvorrichtung eine tiefere Schweißverbindung über mehrere überlappende Bleche erzielen.
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Erfindungsgemäß wird ein erhöhter Innendruck der ausgebildeten Dampfkapillare durch Beaufschlagen der ausgebildeten Dampfkapillare mit einem Prozessgas eingestellt. Dabei wird vorzugsweise eine Gasströmung erzeugt, welche in die Dampfkapillare presst und somit einen Dampfdruckinnendruck der Dampfkapillare gegenüber einem Dampfdruck des durch den Schweißvorgang verdampfenden Zinks aus der Zinkbeschichtung der Bleche erhöht. Das Laserstrahlschweißverfahren bzw. die Laserschweißvorrichtung können auf einem üblichen monofokalen Laserprozess basieren. Dabei können auch Überlappungsbereiche von beschichteten Blechen mit einem echten technischen Nullspalt unter Aufrechterhaltung der Schweißqualität geschweißt werden.
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Die Gasströmung kann durch eine koaxiale Prozessgaszuführung in die geöffnete Dampfkapillare bzw. das sogenannte Keyhole realisiert werden, welche während des Schweißvorgangs entsteht, und von einer flüssigen Schmelze umströmt wird.
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Das Druckregime in der Prozesszone und insbesondere in der Dampfkapillare ist entscheidend für einen stabilen Schweißprozess. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dieses Druckregime kontrolliert beeinflusst werden und der Dampfkapillarinnendruck durch ein bereitgestelltes Gas erhöht oder variiert werden. Durch diese Maßnahme können stabilere Prozessbedingungen geschaffen werden, welche die Qualität der Schweißverbindung begünstigen. Somit kann durch die Wärmeleitung geschmolzenes und verdampftes Zink, welches einen hohen Verdampfungsdruck besitzt, nicht mehr in die Dampfkapillare eindringen und diese zum Kollabieren bringen.
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Das Verfahren zeichnet sich durch eine einfache Integrierbarkeit in einen handelsüblichen Laserspannkopf aus. Dabei bleiben der optische Strahlengang und der fundamentale Laserschweißvorgang unverändert. Durch gleichbleibende Betriebsmittel, wie beispielsweise die Roboterprogrammierung oder Instandhaltung, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem besonders niedrigen Aufwand umgesetzt werden.
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Der Laserschweißvorgang kann präzise und stabil durchgeführt werden, wenn ein Dampfkapillarinnendruck der ausgebildeten Dampfkapillare durch Beaufschlagen der ausgebildeten Dampfkapillare mit einem aus einer Koaxialdüse geführten Gas erhöht wird. Insbesondere kann durch diese Maßnahme das Diffundieren bzw. Eindringen von Zink in die Dampfkapillare unterbunden werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird durch das aus der Koaxialdüse strömende Gas der Dampfkapillarinnendruck höher als ein Verdampfungsdruck einer Zinkbeschichtung der verzinkten Bleche eingestellt. Hierdurch wird der Dampfkapillarinnendruck bzw. Keyhole-Innendruck deutlich größer als der Verdampfungsdruck der Zinkbeschichtung der Bleche. Dadurch kann der Laserschweißvorgang stabilisiert und die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden. Der Einsatz einer derartigen koaxialen Düse führt zu deutlich stabileren Ausgasungsmechanismen und zu einer verbesserten Schweißnahtqualität.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders effizient bei der Herstellung von Karosserien eingesetzt werden, wenn die mindestens eine Schweißverbindung in einem Überlappungsbereich von mindestens zwei als Karosserie-Komponenten ausgestalteten Blechen durch die Laserschweißvorrichtung hergestellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Dampfkapillarinnendruck während des Laserschweißvorgangs durch eine Steuerung eines Volumenstroms und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases aus der Koaxialdüse eingestellt. Eine derartige Steuerung des Dampfkapillarinnendrucks über die Parameter der Gasströmung aus der Koaxialdüse kann für eine gezielte Steuerung des Druckregimes im Tiefschweißprozess der Laserschweißvorrichtung eingesetzt werden. Des Weiteren kann durch die Steuerung des Druckregimes der Dampfkapillare die während des Laserschweißvorgangs ausgebildete Dampfkapillare stabilisiert und aufrechterhalten werden.
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Der Laserschweißvorgang kann auch bei variierenden Blechstärken und Beschichtungsdicken durchgeführt werden, wenn der Dampfkapillarinnendruck während des Laserschweißvorgangs konstant eingestellt oder variiert wird. Diese Maßnahme kann beispielsweise durch eine Prozesssteuerung realisiert werden, welche die zu schweißenden Blechkomponenten ermittelt und die benötigten Parameter der Gasströmung, wie beispielsweise Volumenstrom oder Strömungsgeschwindigkeit, einstellt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Laserschweißvorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Die Laserschweißvorrichtung weist eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Optik zum Fokussieren des erzeugten Laserstrahls auf eine Materialoberfläche auf. Die Laserschweißvorrichtung weist darüber hinaus eine Koaxialdüse zum Emittieren von Gas auf, wobei die Koaxialdüse den fokussierten Laserstrahl umfangsseitig umgibt.
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Die benötigte Koaxialdüse kann nachgerüstet oder bereits bei der Herstellung der Laserschweißvorrichtung integriert werden. Bei einer Laserschweißvorrichtung mit Laserspannzangen bzw. Laserspannköpfen kann durch den gleich bleibenden Werkzeugmittelpunkt die Koaxialdüse derart ausgerichtet werden, dass sie exakt im optimierten Winkel die Dampfkapillare durchströmt und den Dampfkapillarinnendruck beeinflusst. Hierzu kann die aus der Koaxialdüse resultierende Strömung möglichst senkrecht oder unter einem Winkel von mehr als 45° zu einer Blechoberfläche in Richtung der Dampfkapillare vorgesehen sein.
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Die Koaxialdüse ist vorzugsweise fest mit der Laserquelle und der Optik angeordnet, wodurch die gesamte Anordnung initial eingerichtet und eingemessen werden kann. Durch diese Maßnahme können auch prozessstabilisierte Laserschweißvorgänge in Randbereichen der Bleche oder bei geringen Abmessungen des Überlappungsbereichs realisiert werden. Dabei kann das Einbringen eines Entgasungsspalts zum Abführen von Zinkdampf vermieden werden.
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Aufgrund des technisch einfachen Aufbaus der Laserschweißvorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstiger gegenüber einer optischen Neuauslegung bzw. einer neuen Schweißprozessentwicklung durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Koaxialdüse mit einer Gasquelle verbunden. Die Koaxialdüse ist dazu eingerichtet, durch das aus der Gasquelle über die Koaxialdüse strömende Gas einen Dampfkapillarinnendruck im Überlappungsbereich der Bleche zu erhöhen. Durch die geometrische Anordnung der Prozessgasdüse bzw. Koaxialdüse und des eingesetzten Prozessgases sowie des resultierenden Gasdrucks kann eine Stabilisierung des Laserschweißvorgangs mit technisch einfachen Mitteln erzielt werden.
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Als Gas bzw. Prozessgas kann beispielsweise ein Inertgas, Kohlenstoffdioxid oder ein beliebiges anderes Gas oder Gasgemisch eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Laserschweißvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen von Schweißverbindungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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In der 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Laserschweißvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Laserschweißvorrichtung 10 kann beispielsweise in der Karosserieherstellung eingesetzt werden. Hierzu können mehrere Bleche bzw. Blechkomponenten 110, 120 zu einer Karosserie-Anordnung 100 zusammengesetzt und ausgerichtet werden. Dabei entsteht ein Überlappungsbereich 130 zwischen einem ersten Blech 110 und einem zweiten Blech 120. Der Überlappungsbereich 130 ist nicht auf zwei Bleche 110, 120 beschränkt und kann eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Blechkomponenten umfassen.
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Die jeweiligen Bleche 110, 120 sind dabei durch eine Zinkbeschichtung 111, 121 vor Korrosion geschützt. Die Bleche 110, 120 sind im Überlappungsbereich 130 ohne einen Abstand zueinander angeordnet, sodass die jeweiligen Zinkbeschichtungen 111, 121 der Bleche 110, 120 bereichsweise aufeinander aufliegen.
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Die Laserschweißvorrichtung 10 ist von einer Oberfläche 140 des Überlappungsbereichs 130 beabstandet angeordnet und kann in Schweißrichtung S relativ zum Überlappungsbereich 130 bewegt werden.
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Die für den Laserschweißvorgang relevanten Komponenten der Laserschweißvorrichtung 10 sind insbesondere eine Laserquelle 20, eine Optik 30 zum Fokussieren eines von der Laserquelle 20 erzeugten Laserstrahls 21 und eine Koaxialdüse 40 zum Erzeugen einer Gasströmung 41.
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Des Weiteren kann eine Prozesssteuerung 50 bzw. ein Steuergerät vorgesehen sein, um die Gasströmung 41 zu steuern. Dies kann beispielsweise über ein elektrisches Ventil 61 an einer Gasquelle 60 erfolgen. Die Gasquelle 60 kann dabei ein Druckbehälter sein. Als Gas für die Gasströmung 41 kann beispielsweise ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon, verwendet werden.
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Die von der Laserquelle 20 erzeugten Laserstrahlen 21 werden von der Optik 30 zu austretenden Laserstrahlen 22 fokussiert und auf die Oberfläche 140 des Überlappungsbereichs 130 gestrahlt. Aufgrund der Erhitzung der Bleche 110, 120 bildet sich eine Dampfkapillare 150 aus, welche aus verdampftem Metall der Bleche 110, 120 und Metallplasma gebildet ist. In der Nähe der Dampfkapillare 150 wird das Metall der Bleche 110, 120 geschmolzen. Dabei wird auch die Verzinkung bzw. die Zinkbeschichtung 111, 121 verdampft. Aufgrund der Ausbildung der Dampfkapillare 150 kann der austretende Laserstrahl 22 durch den Überlappungsbereich 130 hindurch strahlen.
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Die in die Dampfkapillare 150 gerichtete Gasströmung 41 der Koaxialdüse 40 erhöht den Dampfkapillarinnendruck und verhindert somit ein Eindringen der verdampften Zinkbeschichtung 111, 121 in die Dampfkapillare 150. Dies kann durch einen resultierenden Dampfkapillarinnendruck erzielt werden, welcher einen Verdampfungsdruck des Zinkdampfs übersteigt.
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Die 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 70 zum Erzeugen von Schweißverbindungen 160 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 70 dient insbesondere der Erzeugung von mindestens einer Schweißverbindung 160 bzw. einer Schweißnaht in einem Überlappungsbereich von zwei verzinkten Blechen 110, 120 und kann durch eine in 1 dargestellte Laserschweißvorrichtung 10 durchgeführt werden.
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In einem ersten Schritt 71 werden mindestens zwei Bleche 110, 120 bzw. Blechkomponenten bereitgestellt. Anschließend werden die Bleche 110, 120 ausgerichtet und unter Ausbildung des Überlappungsbereichs 130 spaltlos bzw. abstandslos zueinander positioniert 72.
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In einem weiteren Schritt 73 wird durch die Laserschweißvorrichtung 10 ein Laserschweißvorgang zum Verbinden der verzinkten Bleche 110, 120 mit Hilfe von mindestens einer Schweißnaht 160 unter Ausbildung einer Dampfkapillare 150 in dem Überlappungsbereich 130 durchgeführt.
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Während des Laserschweißvorgangs wird ein Innendruck der ausgebildeten Dampfkapillare 150 durch Beaufschlagen der ausgebildeten Dampfkapillare 150 mit einem Gas eingestellt. Dabei kann die ausgebildete Dampfkapillare 150 vorzugsweise in Strahlrichtung des Laserstrahls 22 mit der Gasströmung beaufschlagt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laserschweißvorrichtung
- 20
- Laserquelle
- 21
- erzeugter Laserstrahl
- 22
- austretender Laserstrahl
- 30
- Optik
- 40
- Koaxialdüse
- 41
- Gasströmung
- 50
- Prozesssteuerung / Steuergerät
- 60
- Gasquelle
- 61
- elektrisches Ventil
- 70
- Verfahren
- 71
- Bereitstellen von Blechen
- 72
- Ausrichten / Positionieren der Bleche
- 73
- Durchführen des Laserschweißvorgangs
- 100
- Anordnung
- 110
- erstes Blech / erste Blechkomponente
- 111
- Beschichtung des ersten Blechs
- 120
- zweites Blech / zweite Blechkomponente
- 121
- Beschichtung des zweiten Blechs
- 130
- Überlappungsbereich
- 140
- Oberfläche des Überlappungsbereichs
- 150
- Dampfkapillare
- 160
- Schweißnaht / Schweißverbindung
- S
- Schweißrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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