DE102021104305A1

DE102021104305A1 - Verfahren zum Laserschweißen sowie damit hergestellte Schweißkonstruktion

Info

Publication number: DE102021104305A1
Application number: DE102021104305.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Stuhrmann; Christian Dahmen
Original assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2021-04-29
Also published as: DE202021101463U1

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zum Laserschweißen von zwei zueinander positionierten Fügepartnern 1, bei welchem Verfahren der Laserkopf mit dem von diesem emittierten Laserstrahl 9 und die beiden Fügepartner 1 mit ihrem Fügestoß 3 relativ zueinander in Längserstreckung des Fügestoßes 3 in Vorschubrichtung bewegt werden und durch den Laserstrahl 9 eine Schweißnaht mit einer Ziel-Einschweißtiefe 8 im Fügestoß 3 erzeugt wird, die tiefer ist als die kritische Einschweißtiefe der Fügepartner 1, wobei das Schweißverfahren zweischrittig ausgeführt wird und zum Ausbilden der die beiden Fügepartner 1 verbindenden Schweißnaht in einem ersten Schritt mit dem Laserstrahl 9 im Fügestoß 3 Material bis in die Ziel-Einschweißtiefe 8 aufgeschmolzen wird und wobei in einem nachfolgenden Schritt die durch den ersten Schritt erzeugte Schweißnaht nochmals bis in eine Einschweißtiefe, die maximal der kritischen Einschweißtiefe der Fügepartner 1 entspricht, aufgeschmolzen wird.Beschrieben ist des Weiteren eine Schweißkonstruktion 11, hergestellt nach diesem Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von zwei zueinander positionierten Fügepartnern, bei welchem Verfahren der Laserkopf mit dem von diesem emittierten Laserstrahl und die beiden Fügepartner mit ihrem Fügestoß relativ zueinander in Längserstreckung des Fügestoßes in Vorschubrichtung bewegt werden und durch den Laserstrahl eine Schweißnaht mit einer Ziel-Einschweißtiefe im Fügestoß erzeugt wird, die tiefer ist als die kritische Einschweißtiefe der Fügepartner. Beschrieben ist ferner eine Schweißkonstruktion, insbesondere als Baugruppe für ein Fahrzeug, zumindest teilweise hergestellt nach diesem Verfahren.
In vielen Bereichen der metallischen Konstruktionstechnik werden zwei Fügepartner durch Laserschweißen miteinander gefügt. Eines der technischen Bereiche, in denen Laserschweißverfahren eingesetzt werden, ist der Automotive-Bereich, und zwar im Zusammenhang mit dem Karosseriebau ebenso wie zum Herstellen von Tragstrukturen, Trägern und dergleichen. Im letzteren Fall wird u.a. Laserschweißen verwendet, wenn es sich bei den zu erstellenden Konstruktionen um Schweißkonstruktionen handelt, mithin um Konstruktionen, die aus mehreren vorgefertigten Einzelteilen zu einer Schweißkonstruktion zusammengesetzt und die Einzelteile miteinander durch Schweißen gefügt werden. Laserschweißen wird in solchen Fällen in aller Regel ohne Schweißzugabe durchgeführt. Dieses erweist sich als kostengünstiger als die Ausbildung von Laserschweißnähten mit Schweißzugabe. Darüber hinaus bieten sich technische Vorteile wie eine bessere Zugänglichkeit oder auch höhere Einschweißtiefen. Ferner hat das Laserschweißen zum Vorteil, dass nur ein recht kleiner Bereich der beiden Fügepartner durch das Schweißen erwärmt wird und somit die Wärmeeinflusszone klein gehalten werden kann. Dieses ist vor allem bei solchen Bauteilen gewünscht, die vor dem Fügen gehärtet worden sind oder einen geringen Verzug aufweisen müssen.
Laserschweißen ohne Schweißzugabe bedingt jedoch, dass die beiden Fügepartner für die Zwecke des Schweißens derart zueinander gehalten sind, dass der Fügestoß einen sogenannten Nullspalt oder einen quasi Nullspalt aufweist. Die zu verbindenden Fügepartner werden zu diesem Zweck zueinander positioniert und in einer Spannvorrichtung unter einer auf den Fügestoß wirkenden Vorspannung gehalten. Diese ist dafür verantwortlich, dass der zwischen zwei Fügepartnern befindliche Fügestoß den an einen Laser zu schweißenden Fügestoß gestellten Anforderungen genügt. Aus diesem Grunde werden durch eine solche Spannvorrichtung auf die Fügepartner am Fügestoß vergleichsweise hohe Kräfte angelegt. Bei mehrdimensional geformten Schweißkonstruktionen, beispielsweise wenn diese gekrümmte Oberflächen aufweisen, wie dieses beispielsweise bei Stoßfängerquerträgern der Fall ist, lässt es sich nicht verhindern, dass durch die anliegende Spannkraft, die grundsätzlich auf den Fügestoß als Druckkraft wirkt, an bestimmten Stellen oder in bestimmten Abschnitten auch Zugkräfte entstehen. Grund hierfür können Toleranzen in der Umrissgeometrie der Fügepartner ebenso sein wie Hebelwirkungen durch die Schweißkonstruktion als solche.
Zum Laserschweißen wird der Laserkopf mit dem von diesem emittierten Laserstrahl relativ zu den beiden Fügepartnern mit dem Fügestoß bewegt. Typischerweise ist der Laserkopf bewegt, während die in der Spannvorrichtung gehaltenen Fügepartner gegenüber dem Laserkopf ortsfest verbleiben. Die Laserschweißung wird mit einer Energie durchgeführt, damit der Laserstrahl die zum Fügen der beiden Fügepartner vorgesehene Einschweißtiefe - die Ziel-Einschweißtiefe - erreicht.
Problematisch beim Laserschweißen ohne Schweißzugabe ist, dass ab einer kritischen Einschweißtiefe, die u.a. abhängig von dem Material und dem Materialzustand der Fügepartner ist, regelmäßig die Gefahr besteht, dass innerhalb der Schweißnaht Risse - sogenannte Heißrisse - entstehen. Man führt dieses auf die im Fügestoß mitunter herrschenden Zugspannungen zurück, die die aushärtende Schmelze beim Erstarren nicht vollständig zusammenwachsen lässt. Interessanterweise erstrecken sich derartige Risse nicht notwendigerweise bis zur Oberfläche der Schweißnaht, bleiben mithin äußerlich oftmals unerkannt. Diese bilden sich oberhalb der kritischen Einschweißtiefe aus. Insbesondere werden durch die Erstellung von selbst zahlreichen metallografischen Schliffbildern diese nicht immer getroffen und somit nicht entdeckt. Um prozesssicher eine Schweißkonstruktion herzustellen, die den an diese gestellten Anforderungen vor allem auch in Bezug auf die Schweißnaht genügt, ist es erforderlich, eine Vielzahl von Schweißproben mit unterschiedlichen Schweißparametern und Schweißprobenauswertungen durchzuführen, bis die Schweißergebnisse so wenig wie möglich derartige Risse aufweisen. In der Schweißnaht vorhandene Risse, vor allem wenn diese unerkannt sind, beeinträchtigen die Schweißnaht, die dann naturgemäß nicht den an diese gestellten Anforderungen genügt. In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, dass in aller Regel die bei derartigen Schweißkonstruktionen vorgegebene Einschweißtiefe größer ist als die kritische Einschweißtiefe. Ist die Einschweißtiefe kleiner oder gleich der kritischen Einschweißtiefe, entstehen Heißrisse in der Schweißnaht nicht.
Auch wenn eine Heißrissausbildung durch entsprechendes Parametrieren des Lasers, wie etwa seiner Fokussierung, der Energie, der Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden kann, kann eine Heißrissbildung im Rahmen einer prozesssicheren industriellen Fertigung letztendlich nicht vermieden werden. Dieses gilt vor allem, wenn Fügepartner aus Materialien, wie beispielsweise hochfestem Stahl oder speziellen Aluminiumlegierungen mit ungünstigen Si- und/oder Mg-Gehalten, gefügt werden sollen. Derartige Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Heißrissanfälligkeit aus.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserschweißen, insbesondere ohne Schweißzugabe, von zwei zueinander positionierten Fügepartnern vorzuschlagen, mit dem zwei Fügepartner mit einer Ziel-Einschweißtiefe miteinander gefügt werden können, die tiefer ist als die kritische Einschweißtiefe, und dennoch gewährleistet werden kann, dass die Schweißnaht auch bei zwei Fügepartnern aus hochfestem Material heißrissfrei ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren, bei dem das Schweißverfahren zweischrittig ausgeführt wird und zum Ausbilden der die beiden Fügepartner verbindenden Schweißnaht in einem ersten Schritt mit dem Laserstrahl im Fügestoß Material bis in die Ziel-Einschweißtiefe aufgeschmolzen wird und bei dem in einem nachfolgenden Schritt die durch den ersten Schritt erzeugte Schweißnaht nochmals bis in eine Einschweißtiefe, die maximal der kritischen Einschweißtiefe der Fügepartner entspricht, aufgeschmolzen wird.
Während man beim herkömmlichen Laserschweißen zweier, vor allem aus heißrissgefährdetem Material gefertigten Fügepartnern alle möglichen Kompromisse eingegangen ist, um zu versuchen, Heißrissbildungen in der Schweißnaht möglichst gering zu halten, wird bei dem beanspruchten Verfahren ein anderer Weg beschritten. Das Schweißverfahren wird zweischrittig ausgeführt. Nach einem ersten Schweißschritt und nach Erstarren der durch diesen Schweißschritt erschmolzenen Schmelze wird diese erste Schweißnaht bzw. Schweißzone durch den zweiten Schweißschritt nochmals überfahren. Kompromisse, die sich auf die Effizienz des Laserschwei-ßens und damit auf die Produktivität auswirken, müssen bei diesem Verfahren nicht eingegangen werden. Bei diesem Laserschweißverfahren wird in einem ersten Schritt eine Schweißnaht mit einer Einschweißtiefe bis zur Ziel-Einschweißtiefe erstellt, und zwar ohne dass es erforderlich ist, besondere Maßnahmen zum Reduzieren einer Heißrissbildung vorzunehmen. Dadurch ist man in der Wahl der Schweißparameter sehr viel freier. Daher können die Schweißparameter so eingestellt werden, wie dieses für die zu erstellende Schweißnaht optimal ist. Die Schweißparameter werden typischerweise so eingestellt, dass zwar eine Heißrissbildung in Kauf genommen wird, man jedoch versucht, diese möglichst oberflächennah auszubilden, das heißt: in einer Tiefe, die geringer als die kritische Einschweißtiefe ist. Auch kann aus den genannten Gründen dieses Schweißen mit relativ hohen Vorschubraten vorgenommen werden. Zum Reduzieren einer Heißrissbildung war man bei herkömmlichen Verfahren bestrebt, die Vorschubgeschwindigkeit möglichst gering zu halten, was jedoch nachteilig bezüglich der Produktivität ist. Mithin wird bei diesem Laserschweißverfahren in seinem ersten Schweißschritt eine Ausbildung von Heißrissen entgegen der herrschenden Lehre schlichtweg in Kauf genommen. Dieses ist möglich, da erfindungsgemäß dem ersten Schweißschritt nachfolgend ein weiterer Schweißschritt vorgenommen wird, durch den die zuvor erstellte Schweißnaht zum Teil nochmals aufgeschmolzen wird, und zwar maximal bis zur kritischen Einschweißtiefe der Fügepartner. Durch dieses erneute Aufschmelzen werden entstandene Risse ausgeheilt mit dem Ergebnis, dass über die gesamte Länge eines Fügestoßes eine heißrissfreie Laserschweißnaht zum Verbinden der beiden Fügepartner erstellt worden ist. Die geringere Einschweißtiefe im zweiten Schweißschritt wird dadurch realisiert, dass in diesem Schritt lokal weniger Energie in die aufzuschmelzende Oberfläche eingebracht wird als in dem ersten Schweißschritt.
Auch wenn grundsätzlich ein einmaliges Überfahren der ersten Schweißnaht durch den zweiten Schweißschritt mit geringerer Energie zum Ausheilen von darin enthaltenen Heißrissen als ausreichend angesehen wird, kann es vor allem bei Schweißnähten mit höheren Einschweißtiefen erforderlich sein, ein oder mehrere Zwischenschweißschritte durchzuführen, bevor der letzte Schweißschritt, der anspruchsgemäß der zweite Schweißschritt ist, mit dem letztendlich Heißrisse ausgeheilt werden, vorgenommen wird. In jedem dieser Zwischenschritte wird Material der zuvor erstellten Schweißnaht aufgeschmolzen. Durch diese Zwischenschritte, bei denen durchaus auch Heißrisse entstehen können, werden diese sukzessive weiter an die Oberfläche und damit in geringere Tiefen gebracht, bis durch den abschließenden, den eigentlichen zweiten Schweißschritt vorhandene Heißrisse ausgeheilt werden.
Der erste und der zumindest eine nachfolgende Schweißschritt können mit ein und demselben Laserkopf oder auch mit zwei Laserköpfen durchgeführt werden. Bei der Verwendung von zwei Laserköpfen wird ein erster Laserkopf einen Laserstrahl mit einer höheren Energie pro Flächeneinheit und der zweite Laserkopf einen Laserstrahl mit geringerer Energie bereitstellen. Beide Köpfe können gemeinsam relativ zum Fügestoß bewegt werden, wobei der Laserkopf, dessen Laserstrahl eine geringere Energie aufweist, dem ersten Laserkopf mit seinem Laserstrahl höherer Energie folgt. Beide Laserköpfe können an ein und demselben Laserkopfhalter montiert sein.
Für das erfindungsgemäße zweischrittige Laserschweißen kann auch ein und derselbe Laserkopf verwendet werden. Grundsätzlich ist es möglich, den Laserkopf mit einer ersten Energie pro Flächeneinheit seines Laserstrahls zum Durchführen des ersten Laserschweißschrittes entlang dem Fügestoß zu bewegen. Zum Ausheilen von Heißrissen wird anschließend über die gesamte bzw. die zuvor zurückgelegte Länge der durch den ersten Schweißschritt gebildeten Schweißnaht dieser Laserkopf mit einer geringeren Streckenenergie bewegt. Diese geringere Streckenenergie kann bei einem Laserstrahl, der mit konstanter Energie betrieben wird, beispielsweise durch eine raschere Vorschubgeschwindigkeit und/oder durch eine stärkere Defokussierung realisiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei der Verwendung ein und desselben Laserkopfes zum Durchführen der beiden Schweißschritte ist vorgesehen, dass der Laserkopf kontinuierlich in Vorschubrichtung gegenüber dem Fügestoß bewegt wird und dass der Laserstrahl ausgehend von einer Ausgangsstellung, die typischerweise einen Endpunkt einer Oszillationsbewegung des Laserstrahls definiert, in eine Oszillationsbewegung in entgegengesetzter Richtung zur Vorschubrichtung gebracht wird. Eine Oszillationsbewegung entgegen der Vorschubrichtung bedeutet im Rahmen dieser Ausführungen, dass der Schwingbereich des Laserstrahls in Bezug auf ein rechtwinkliges Auftreffen des Laserstrahls auf den Fügestoß zu einem größeren Anteil entgegen der Vorschubrichtung liegt. Beispielsweise kann einer der Endpunkte der Oszillationsbewegung das lotrechte Auftreffen des Laserstrahls auf den Fügestoß sein, so dass der gesamte Schwingbereich ausgehend von diesem Punkt entgegen der Vorschubrichtung liegt. Durchaus kann der in Vorschubrichtung weisende Endpunkt auch etwas vor diesem Punkt liegen. Ebenso ist es möglich, dass der gesamte Schwingbereich entgegen der Vorschubrichtung von dem Punkt des lotrechten Auftreffens des Laserstrahls auf den Fügestoß entgegen der Vorschubrichtung beabstandet ist. Damit überlagert diese Oszillationsbewegung des Laserstrahls die Vorschubgeschwindigkeit des Laserkopfes gegenüber dem Fügestoß. Bei einer solchen Oszillation wird der Laserstrahl ausgehend von seiner Ausgangsstellung zunächst entgegen der Vorschubrichtung und anschließend zurück in seine Ausgangsstellung verschwenkt. Bei der Ausgangsstellung kann es sich beispielsweise um diejenige Stellung des Laserstrahls handeln, in der dieser senkrecht auf den Fügestoß, gesehen in Querrichtung zur Vorschubrichtung, gerichtet ist. Diese Einstrahlstellung des Laserstrahls stellt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zugleich den in Vorschub weisenden Endpunkt der Oszillationsbewegung dar. Das Ausschwingen des Laserstrahls ausgehend von seiner Ausgangsstellung entgegen der Vorschubrichtung bei kontinuierlichem Vorschub stellt den ersten Schritt des Schweißverfahrens dar, mithin denjenigen Schritt, in dem der Fügestoß bis in die Ziel-Einschweißtiefe durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Die Oszillationsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit sind so aufeinander abgestimmt, dass bei dieser Ausschwingbewegung die Ziel-Einschweißtiefe erreicht wird. Da das Rückschwingen des Laserstrahls in seine Ausgangsstellung hingegen in Schweißvorschubrichtung erfolgt, mithin der Laserstrahl aufgrund des kontinuierlichen Vorschubes letztendlich dem durch den Vorschub weiter entfernten Ausgangspunkt nacheilt, ist die Geschwindigkeit des Laserstrahls über der Oberfläche der zuvor erstellten Schweißnaht größer ist als bei dem Schwingen entgegen der Vorschubrichtung. Folglich wird trotz konstanter Laserenergie, aufgrund der höheren Vorschubgeschwindigkeit, lokal weniger Energie in die Schweißnaht eingetragen, wodurch die Einschweißtiefe entsprechend reduziert ist. Damit stellt der in Vorschubrichtung gerichtete Rückschwung des Laserstrahls in der vorbeschriebenen Oszillationsbewegung den zweiten Schritt des Laserschweißens dar. Die Oszillationsbewegung und damit die Geschwindigkeit des durch die Oszillation bewegten Laserstrahls ist höher als die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserkopf gegenüber dem Fügestoß bewegt wird.
Die Schweißparameter wird man in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Schweißung einstellen. Wie bereits angedeutet, braucht die Qualität der Schweißnaht nicht durch in Kauf zu nehmende Parameter zur Vermeidung einer Heißrissbildung eingegangen zu werden. In vielen Ausgestaltungen wird man die Oszillationsfrequenz des Laserstrahls zwischen 2 Hz und 70 Hz, bevorzugt zwischen 5 Hz und 50 Hz, wählen.
Die Schwingweite des Laserstrahls ist ebenfalls einstellbar. Vorzugsweise ist diese nicht kleiner als 50 % der Ziel-Einschweißtiefe. Sind die Schwingweite und die Oszillationsfrequenz zu tief gewählt, folgt der zweite Schweißschritt zu rasch auf den ersten Schweißschritt, sodass sich mangels Erhärten des durch den ersten Schweißschritt aufgeschmolzenen Materials noch keine Risse ausgebildet haben.
Das vorbeschriebene Laserschweißverfahren eignet sich vor allem zum Herstellen von Schweißkonstruktionen, die ohne Schweißzugabe erstellt werden und zu deren Herstellung, wie dieses in einer Serienproduktion von Schweißkonstruktionen gewünscht wird, hohe Schweißraten erforderlich sind. Ein Beispiel für derartige Schweißkonstruktionen sind Hohlkammerprofilträger, etwa solche, die im Zusammenhang mit einer Gewichtsreduzierung im Automotive-Bereich, beispielsweise im Karosseriebereich, eingesetzt werden. Hierzu zählen auch Träger, wie Querträger von Stoßfängern. Diese sind mitunter als Schweißkonstruktion konzipiert. Derartige Stoßfängerquerträger als Schweißkonstruktionen sind beispielsweise aus DE 20 2009 003 526 U1 oder aus EP 3 137 345 B1 bekannt. Bei diesen Schweißkonstruktionen befinden sich zwischen zwei äußeren Blechen - einem vorderen Blech und einem rückseitigen Blech - zwei Querbleche. Die Querbleche grenzen mit ihrem Stoß an jeweils eine zu dem anderen äußeren Blech weisende Seitenfläche. Damit bildet jedes Querblech mit dem vorderen und hinteren äußeren Blech einen T-Stoß aus. Gebildet ist hierdurch ein Hohlkammerprofil. Vorteilhaft an einer solchen Schweißkonstruktion ist, dass durch Variation der an der Schweißkonstruktion beteiligten Bestandteile auf einfache Weise unterschiedliche Querträgergeometrien realisiert werden können. So können beispielsweise die Querbleche vorderseitig gekrümmt sein, und zwar mit einem anderen Krümmungsradius als sein zu dem rückseitigen Blech weisender Abschluss, und zwar dergestalt, dass im mittleren Abschnitt das Querblech eine größere Breite aufweist als in seinen Endabschnitten. Folglich ist die Querschnittsgeometrie eines solchen Hohlkammerprofilträgers in seinem mittleren Bereich größer als in seinen Endabschnitten. Gerade bei sicherheitsrelevanten Baugruppen, wie beispielsweise einem Stoßfängerquerträger, muss eine Schweißnaht den daran gestellten Anforderungen genügen und darf insbesondere keine Heißrisse aufweisen. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem auch zum Herstellen von Schweißkonstruktionen, an die sicherheitsrelevante Anforderungen gestellt sind. Ganz wesentlich ist hierbei, dass durch das beschriebene Verfahren eine Heißrissfreiheit gewährleistet werden kann, und zwar ohne dass aufwendige Schweißnahtuntersuchungen zum Kontrollieren einer Produktion erforderlich sind.
Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, woraus sich weitere Erkenntnisse und Vorteile der Erfindung ergeben. Es zeigen:

1: Eine in einem T-Stoß befindliche Schweißnaht, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren, in einem Querschnitt durch den Fügestoß der beiden Fügepartner,
2: eine in einem T-Stoß befindliche Schweißnaht, hergestellt mit einem herkömmlichen Schweißverfahren, in einem Querschnitt durch den Fügestoß der beiden Fügepartner,
3: eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Schweißprozesses mit Blickrichtung auf den Stoß des in 1 gezeigten linken Fügepartners und
4: eine Seitenansicht eines als Schweißkonstruktion ausgeführten Hohlkammerprofilträgers als Stoßfängerquerträger.

1 zeigt zwei Fügepartner 1, 2, die unter Ausbildung eines T-Stoßes aneinandergrenzen. Die Materialstärke der beiden Fügepartner 1, 2 ist unterschiedlich. Während der Fügepartner 1 eine Materialstärke von 6 mm aufweist, weist der Fügepartner 2 eine Materialstärke von 3 mm auf. Die beiden Fügepartner 1, 2 sind im Bereich des Fügestoßes - dem T-Stoß - miteinander verschweißt, und zwar ausgehend von einer Seite des Fügepartners 1. Die fertige Schweißnaht ist in 1 mit dem Bezugszeichen 4 kenntlich gemacht. Die Schweißnaht 4 ist das Ergebnis eines zweischrittig bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführten Laserschweißens, und zwar jeweils ohne Schweißzugabe. In einem ersten Schweißschritt wird der Fügestoß 3 bis zu der gewünschten Ziel-Einschweißtiefe durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen. Die Wärmeeindringzone in die beiden Fügepartner 1, 2 ist hierbei sehr gering. Die durch diesen ersten Schweißschritt gebildete Schweißzone 5 wird durch einen zweiten, nachfolgenden Schweißschritt mit geringerer Streckenenergie aufgeschmolzen, um eine zweite Schweißzone 6 auszubilden, in der das Material der ersten Schweißzone 5 erneut aufgeschmolzen worden ist. Aus diesem Grunde befindet sich die zweite Schweißzone 6 innerhalb der ersten Schweißzone 5. Aufgrund der geringeren Streckenenergie ist die Einschweißtiefe bei dem zweiten Schritt deutlich geringer. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einschweißtiefe der Schweißzone 6 kleiner als die Tiefenlage der kritischen Einschweißtiefe. Durch den zweiten Schweißschritt werden in der durch den ersten Schweißschritt erzeugten Schweißzone 5 gebildete Heißrisse durch das erneute Materialaufschmelzen ausgeheilt. Die fertiggestellte Schweißnaht 4 ist somit heißrissfrei.
2 zeigt in einer Gegenüberstellung zu der 1 die beiden miteinander laserverschweißten Fügepartner 1, 2 mit herkömmlichem Laserschweißen. In der Schweißzone 5.1 bilden sich, da diese eine Ziel-Einschweißtiefe hat, die größer ist als die kritische Einschweißtiefe, Heißrisse aus. Ein solcher Heißriss ist mit dem Bezugszeichen 7 kenntlich gemacht. Der in 2 im Querschnitt gezeigte Heißriss 7 hat eine gewisse Erstreckung in Längsrichtung des Fügestoßes 3.1. Typischerweise erstrecken sich derartige Heißrisse 7 nicht bis an die Oberfläche der Schweißzone 5.1, sodass diese von außen nicht erkennbar sind. Durchaus kann die Schweißzone 5 der Schweißnaht 4 nach Durchführen des ersten Schweißschrittes Heißrisse zeigen, wie dieses anhand der 2 zum Stand der Technik gezeigt ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schweißnaht 4 mit ihren beiden Schweißzonen 5, 6 mit ein und demselben Laser erstellt, und zwar mit der für eine Herstellung von Schweißkonstruktionen in einer Produktionsserie üblichen Vorschubgeschwindigkeit von 2 - 5 m/min. Es versteht sich von selbst, dass bei geometrisch anderen Bauteilen und/oder Bauteilen mit geringeren geforderten Einschweißtiefen auch Schweißgeschwindigkeiten von größer als 5 m/min realisiert werden können. Schematisiert ist das Laserschweißverfahren zum Erzeugen der Schweißnaht 4 in 3 gezeigt. Mit strichpunktierter Linie ist in dieser Figur innerhalb des Stoßes des Fügepartners 1 die Ziel-Einschweißtiefe 8 eingetragen. Schematisiert ist in dieser Figur ein Laserstrahl 9 dargestellt. Der den Laserstrahl 9 erzeugende Laserkopf bewegt sich gegenüber den Fügepartnern 1, 2 entlang des Fügestoßes 3 in der durch den Blockpfeil angedeuteten Vorschubrichtung. Der Laserstrahl 9 ist in dieser Figur in seinen beiden Endstellungen einer die Vorschubbewegung des Laserkopfes gegenüber den Fügepartnern 1, 2 überlagernden Oszillationsbewegung dargestellt. Diese beiden Stellungen des Laserstrahls 9 definieren zugleich die Schwingweite des Laserstrahls 9. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Schwingweite 3 mm. In der in 3 gezeigten rechten Endstellung befindet sich der Laserstrahl 9 in seiner Ausgangsstellung. Der Laserstrahl 9 ist parametriert, damit dieser in dieser Stellung Material aus dem Fügestoß 3 der beiden Fügepartner 1, 2 bis in die Ziel-Einschweißtiefe 8 aufschmilzt. Durch die die Vorschubbewegung überlagernde Oszillation wird der Laserstrahl 9 zunächst gegen die Vorschubbewegung in 3 nach links verschwenkt. Durch diese Schwenkbewegung des Laserstrahls 9 wird über die Schwingweite der Fügestoß 3 bis zur Einschweißtiefe 8 und damit die Schweißzone 5 erstellt. In 3 ist schematisiert ein Heißriss 10 angedeutet, der sich beim Erhärten des aufgeschmolzenen Materials der Schweißzone ausgebildet hat.
Nachdem der Laserstrahl 9 seine zweite, in 3 links dargestellte Endposition erreicht, schwingt dieser wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Da während der gesamten Ausschwenkbewegung des Laserstrahls 9 von seiner Ausgangsstellung in seine zweite Endstellung der Laserkopf samt Laserstrahl 9 aufgrund des Vorschubes gegenüber den Fügepartners 1, 2 entlang des Fügestoßes 3 bewegt worden ist, ist die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl 9 über die inzwischen erstarrte Schmelze der Schweißzone 5, bei dem Zurückschwingen bewegt wird, größer als bei dem Ausschwingen aus seiner Ausgangsstellung heraus. Folglich ist beim Zurückschwingen des Laserstrahls 9 die Streckenenergie und damit die durch den Laserstrahl 9 in die Schweißzone 5 eingebrachte Energie deutlich geringer als beim anfänglichen Ausschwingen, weshalb die Schweißzone 6 mit einer entsprechend geringeren Einschweißtiefe ausgebildet wird. Diese Einschweißtiefe erstreckt sich nicht bis zur kritischen Einschweißtiefe. Durch diesen Schritt des Aufschmelzens werden bei dem ersten Laserschritt gebildete Heißrisse 10 ausgeheilt.
Die Oszillationsfrequenz des Laserstrahls 9 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt 20 Hz mit einer beispielhaften Schwingweite von 3 mm. Damit ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 9 infolge seiner Oszillation entlang des Fügestoßes 3 etwa doppelt so hoch wie die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserkopf entlang des Fügestoßes 3 verfahren wird.
In Abhängigkeit von dem Material der Fügepartner 1, 2 und der gewünschten Ziel-Einschweißtiefe wird man die Vorschubgeschwindigkeit, die Oszillationsfrequenz und die Schwingweite einstellen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweißkonstruktion 11, die mit dem vorbeschriebenen Schweißverfahren hergestellt ist. Bei der Schweißkonstruktion 11 handelt es sich um einen Querträger einer Stoßfängerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug. Die Schweißkonstruktion 11 verfügt über zwei äußere Bleche 12, 13, wobei das äußere Blech 12 in Bezug auf die Anordnung zum Fahrzeug ein vorderes Blech und das zweite äußere Blech 13 ein hinteres Blech ist. Die beiden äußeren Bleche 12, 13 sind durch zwei Querbleche 14, 15 miteinander verbunden. Die Materialstärke der Querbleche 14, 15 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa doppelt so groß wie die Materialstärke der äußeren Bleche 12, 13. Die Querbleche 14, 15 grenzen mit ihren längsseitigen Stößen an die zueinander weisenden Flachseiten der äußeren Bleche 12, 13. In dieser, in 5 gezeigten, Stellung sind die genannten Bestandteile 12, 13, 14, 15 der Schweißkonstruktion 11 durch eine nicht dargestellte Spanneinrichtung gehalten und unter Vorspannung gestellt, sodass die jeweils ausgebildeten T-Stöße zwischen den Querblechen 14, 15 und den äußeren Blechen 12, 13 einen sogenannten Nullspalt ausbilden. Verschweißt werden die Bestandteile 12, 13, 14, 15 durch Laserschweißen, wie dieses vorstehend beschrieben worden ist. Angedeutet ist das Verschweißen der jeweiligen Fügepartner durch vier in 5 dargestellte Laserstrahlen 9. Auf diese Weise sind die Schweißnähte der Schweißkonstruktion 11 rissfrei, weshalb die als Stoßfängerquerträger vorgesehene Schweißkonstruktion 11 den an einen solchen Querträger gestellten Anforderungen ohne weiteres genügt. Jedenfalls stellen die Schweißnähte, die herkömmlich bei derartigen Schweißkonstruktionen oftmals den Schwachpunkt darstellen, keine Schwachpunkte mehr dar.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, diese umzusetzen, ohne dass dies im Rahmen dieser Ausführungen im Einzelnen näher erläutert werden müsste.
Bezugszeichenliste

1, 1.1: Fügepartner
2, 2.1: Fügepartner
3, 3.1: Fügestoß
4: Schweißnaht
5, 5.1: Schweißzone
6: Schweißzone
7: Heißriss
8: Ziel-Einschweißtiefe
9: Laserstrahl
10: Heißriss
11: Schweißkonstruktion
12: äußeres Blech
13: äußeres Blech
14: Querblech
15: Querblech

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009003526 U1 [0016]
EP 3137345 B1 [0016]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von zwei zueinander positionierten Fügepartnern (1, 2; 12, 13, 14, 15), bei welchem Verfahren der Laserkopf mit dem von diesem emittierten Laserstrahl (9) und die beiden Fügepartner mit ihrem Fügestoß (3) relativ zueinander in Längserstreckung des Fügestoßes (3) in Vorschubrichtung bewegt werden und durch den Laserstrahl (9) eine Schweißnaht mit einer Ziel-Einschweißtiefe (8) im Fügestoß (3) erzeugt wird, die tiefer ist als die kritische Einschweißtiefe der Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15), dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißverfahren zweischrittig ausgeführt wird und zum Ausbilden der die beiden Fügepartner (1, 2) verbindenden Schweißnaht in einem ersten Schritt mit dem Laserstrahl (9) im Fügestoß (3) Material bis in die Ziel-Einschweißtiefe (8) aufgeschmolzen wird und dass in einem nachfolgenden Schritt die durch den ersten Schritt erzeugte Schweißnaht nochmals bis in eine Einschweißtiefe, die maximal der kritischen Einschweißtiefe der Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) entspricht, aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt mit einem von einem ersten Laserkopf emittierten Laserstrahl höherer Energiedichte und der zweite Schritt mit einem von einem zweiten Laserkopf emittierten Laserstrahl geringerer Energiedichte durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Vorschubrichtung der zweite Laserkopf dem ersten Laserkopf folgt, indem beide Laserköpfe auf einer gemeinsamen Laserkopfhalterung montiert oder auch unabhängig voneinander und relativ zu dem Fügestoß bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen des Laserschweißverfahrens für den ersten und den zweiten Schritt derselbe Laserkopf benutzt wird, wobei der zweite Schritt mit einem verringerten Energieeintrag durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Schweißschritt und vor Durchführen des zweiten Schweißschrittes ein oder mehrere Zwischenschweißschritte durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf und die beiden Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) mit ihrem Fügestoß kontinuierlich in Vorschubrichtung relativ zueinander bewegt werden und dass der Laserstrahl (9) ausgehend von einer durch einen Endpunkt der Oszillationsbewegung definierten Ausgangsstellung, in der dieser Material bis in die Ziel-Einschweißtiefe (8) erschmilzt, oszillierend zunächst entgegen der Vorschubrichtung und zurück in die Ausgangsstellung verschwenkt wird, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls (9) während einer solchen Oszillationsbewegung höher ist als die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserkopf und der Fügestoß (3) relativ zueinander bewegt werden, und somit die Rückschwenkbewegung des Laserstrahls (9) in seine Ausgangsstellung für die Durchführung des zweiten Schrittes des Laserschweißens verantwortlich ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mit konstanter Leistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsfrequenz zwischen 5 Hz und 50 Hz beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingweite des Laserstrahls 9 nicht kleiner als etwa 50 % der Ziel-Einschweißtiefe (8) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen die beiden Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) durch eine Spannvorrichtung unter Vorspannung zum Positionieren der Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) im Fügestoß (3) gestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schweißverfahren Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) aus heißrissgefährdeten Werkstoffen miteinander verschweißt werden.
Schweißkonstruktion, insbesondere als Baugruppe für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Bestandteile der Baugruppe miteinander mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 miteinander verschweißt sind.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) der Schweißkonstruktion (11) in einem T-Stoß aneinandergrenzen.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht zum Verbinden zweier Fügepartner (1, 2; 12, 13, 14, 15) der Schweißkonstruktion (11) bezüglich des Fügestoßes (3) einseitig und die Einschweißtiefe geringer ist als die Materialstärke des Fügepartners (1; 14, 15), dessen Stirnfläche an einer Seitenfläche des anderen Fügepartners (2; 12, 13) anliegt.
Schweißkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkonstruktion (11) ein Hohlkammerprofilträger mit zwei voneinander beabstandeten äußeren Blechen (12, 13) und zwei zwischen diesen Blechen (12, 13) angeordneten Querblechen (14, 15) ist, wobei die Querbleche (14, 15) mit ihren Stößen jeweils an die jeweils zueinander weisende Flachseite der äußeren Bleche (12, 13) grenzen.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkammerprofilträger ein Stoßfängerquerträger ist, bei dem eines der beiden äußeren Bleche (12) das vordere, von einem Fahrzeugchassis wegweisende Blech, und das andere äußere Blech (13) das rückwärtige, zu einem Fahrzeugchassis weisende Blech ist.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Bleche über die Länge des Hohlkammerprofilträgers keinen konstanten Abstand voneinander haben.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden äußeren Bleche im Bereich der Trägermitte größer ist als in den Trägerendabschnitten.
Schweißkonstruktion nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand der beiden Bleche ausgehend von einem mittleren Abschnitt zu den äußeren Endabschnitten hin kontinuierlich reduziert.