DE102024001654A1 - Device and method for process-integrated seam optimization in laser beam welding - Google Patents

Device and method for process-integrated seam optimization in laser beam welding Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlschweißverfahren, bei dem durch Einwirkung eines Laserstrahls auf ein Werkstück in einer Schweißrichtung eine Schweißnaht hergestellt wird, wobei eine Ausbildung eines Endkraters auf einer Unterseite der Schweißnaht durch Absenkung der Intensität (5) des Laserstrahls in einem Endbereich (4) der Schweißnaht verhindert wird, und ein danach verbleibender Endkrater auf einer Oberseite der Schweißnaht verschlossen wird, indem der Laserstrahl mit abgesenkter Intensität (5) entgegen der Schweißrichtung erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wird.The invention relates to a laser beam welding method in which a weld seam is produced by the action of a laser beam on a workpiece in a welding direction, wherein the formation of an end crater on an underside of the weld seam is prevented by reducing the intensity (5) of the laser beam in an end region (4) of the weld seam, and an end crater remaining thereafter on an upper side of the weld seam is closed by guiding the laser beam with reduced intensity (5) against the welding direction again over the end region (4) of the weld seam.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur prozessintegrierten Nahtoptimierung beim Laserstrahlschweißen.The invention relates to a device and a method for process-integrated seam optimization in laser beam welding.

Es ist bekannt, dass beim Laserstrahlschweißen hochfester Karosseriebleche je nach Einschweißtiefe auf der Schweißnahtoberseite und/oder auf der Schweißnahtunterseite nachteilig ein Endkraterloch entsteht. Das Endkraterloch kann den Ursprung für einen Heißriss bilden, aus dem sehr nachteilig ein Kaltriss initiiert werden kann, welcher die Qualität der Schweißung und die Festigkeit beeinträchtigen kann.It is known that when laser beam welding high-strength body panels, depending on the welding depth, a final crater hole is created on the top and/or bottom of the weld seam. The final crater hole can be the origin of a hot crack, from which a cold crack can be initiated, which can have a very detrimental effect and impair the quality of the weld and the strength.

Aus dem Stand der Technik bekannte Vermeidungsstrategien sind zeit- und kostspielig. Es sind bisher keine prozessintegrierten Verbesserungen des Endkraters bekannt.State-of-the-art avoidance strategies are time-consuming and costly. No process-integrated improvements to the end crater are known to date.

Die DE 10 2005 004 787 A1 zeigt: Beim Laserstrahlschweißen bildet sich am Ende der Schweißnaht ein so genannter Endkrater. Der Endkrater entsteht infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze nachdem der Laserstrahl am Nahtende ausgeschaltet oder umpositioniert wurde. Der Endkrater wirkt als geometrische Kerbe und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht, so dass es zu Löchern oder Rissen im Bereich des Endkraters kommen kann. Um eine Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater anzugeben wird dort offenbart, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet wird, welche einen Materialüberschuss gegenüber der umgebenden Oberfläche aufweist oder die Naht zum Nahtende hin eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.The EN 10 2005 004 787 A1 shows: During laser beam welding, a so-called end crater forms at the end of the weld seam. The end crater is formed as a result of the volume shrinkage of the solidifying melt after the laser beam has been switched off or repositioned at the end of the seam. The end crater acts as a geometric notch and impairs the mechanical properties of the weld seam, so that holes or cracks can occur in the area of the end crater. In order to specify a laser weld seam with a reduced end crater, it is disclosed there that the seam end is arranged at a point which has an excess of material compared to the surrounding surface or that the seam has an opposite direction change in its preferred direction towards the end of the seam, which is designed in such a way that as a result of the interaction between the cooling forward and counter-running seam, a flow of melt towards the end of the seam occurs.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur prozessintegrierten Nahtoptimierung beim Laserschweißen anzugeben, bei welchem Risse vermieden werden sollen.The object of the invention is to provide a device and a method for process-integrated seam optimization in laser welding, in which cracks are to be avoided.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserstrahlschweißverfahren, bei dem durch Einwirkung eines Laserstrahls auf ein Werkstück in einer Schweißrichtung eine Schweißnaht hergestellt wird, wobei eine Ausbildung eines Endkraters auf einer Unterseite der Schweißnaht durch Absenkung der Intensität des Laserstrahls in einem Endbereich der Schweißnaht verhindert wird, und ein danach verbleibender Endkrater auf einer Oberseite der Schweißnaht verschlossen wird, indem der Laserstrahl mit abgesenkter Intensität entgegen der Schweißrichtung erneut über den Endbereich der Schweißnaht geführt wird.The object is achieved according to the invention by a laser beam welding method in which a weld seam is produced by the action of a laser beam on a workpiece in a welding direction, wherein the formation of an end crater on an underside of the weld seam is prevented by reducing the intensity of the laser beam in an end region of the weld seam, and an end crater remaining thereafter on an upper side of the weld seam is closed by guiding the laser beam with reduced intensity against the welding direction again over the end region of the weld seam.

Damit ist der Endkrater, welcher den Ausgangspunkt für ungewollte Risse darstellt, verschlossen. Damit wird das Rissrisiko reduziert. Weiterhin wird das Eindringen von Feuchtigkeit in den Endkrater und Spaltkorrosion verhindert.This closes the end crater, which is the starting point for unwanted cracks. This reduces the risk of cracks. It also prevents moisture from penetrating the end crater and crevice corrosion.

Vorteilhaft werden die Festigkeit und die Qualität der Schweißnaht verbessert. Weiter vorteilhaft erfolgt eine Optimierung der Nahttopografie und Vermeidung von Nahtdefekten und Rissen.The strength and quality of the weld seam are improved. Another advantage is that the seam topography is optimized and seam defects and cracks are avoided.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Die Intensität I des Energieeintrags durch den Laserstrahl in das Werkstück ist der Quotient aus der abgegebenen Leistung P und der Wirkfläche A, auf die der Laserstrahl einwirkt: I = P / A. Die Intensität I kann daher beispielsweise abgesenkt werden, indem die Leistung P des Laserstrahls durch verringerte Energiezufuhr vermindert wird. Alternativ kann die Intensität I dadurch abgesenkt werden, dass die Wirkfläche A, auf die der Laserstrahl einwirkt, vergrößert wird.The intensity I of the energy input by the laser beam into the workpiece is the quotient of the output power P and the effective area A on which the laser beam acts: I = P / A. The intensity I can therefore be reduced, for example, by reducing the power P of the laser beam by reducing the energy input. Alternatively, the intensity I can be reduced by increasing the effective area A on which the laser beam acts.

Diese Vergrößerung der Wirkfläche A kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Intensität I durch Defokussierung des Laserstrahls abgesenkt wird. Bei konstanter Leistung P sinkt die Intensität I, wenn der Laserstrahl defokussiert wird, da der Spotdurchmesser steigt und damit die Wirkfläche A größer wird. Durch die geringere Intensität I wird der aufgeschmolzene Bereich breiter, aber die Einschweißtiefe sinkt.This enlargement of the effective area A can be achieved, for example, by reducing the intensity I by defocusing the laser beam. At constant power P, the intensity I decreases when the laser beam is defocused because the spot diameter increases and thus the effective area A becomes larger. The lower intensity I makes the melted area wider, but the welding depth decreases.

Die Defokussierung, d.h. die Verschiebung des Fokus' senkrecht zur Werkstückoberfläche, kann beispielsweise durch Verstellung einer Laseroptik der verwendeten Laserschweißeinrichtung erfolgen. Alternativ kann die Defokussierung durch Verstellung, insbesondere Vergrößerung, des Abstands der verwendeten Laserschweißeinrichtung vom Werkstück erfolgt.Defocusing, i.e. shifting the focus perpendicular to the workpiece surface, can be achieved, for example, by adjusting the laser optics of the laser welding device used. Alternatively, defocusing can be achieved by adjusting, in particular increasing, the distance between the laser welding device used and the workpiece.

In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem ersten Schweißschritt, d.h. bevor der Laserstrahl erneut über den Endbereich der Schweißnaht geführt wird, Größe und Ausdehnung des Endkraters vermessen werden und anhand der gemessenen Größe und Ausdehnung des Endkraters Schweißparameter festgelegt werden, mit denen der Laserstrahl erneut über den Endbereich der Schweißnaht geführt wird.In one embodiment of the proposed method, it can be provided that after the first welding step, i.e. before the laser beam is again guided over the end region of the weld seam, the size and extent of the end crater are measured and, based on the measured size and extent of the end crater, welding parameters are determined with which the laser beam is again guided over the end region of the weld seam.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass, nachdem der Laserstrahl erneut über den Endbereich der Schweißnaht geführt wurde, Größe und Ausdehnung des Endkraters erneut vermessen werden und, wenn der Endkrater nicht ausreichend verschlossen ist, der Laserstrahl erneut über den Endbereich der Schweißnaht geführt wird oder, wenn der Endkrater ausreichend verschlossen ist, das Schweißen beendet wird.In an advantageous development of the proposed method, it can be provided that after the laser beam has been guided over the end area of the weld seam again, the size and extent of the end crater are measured again. and, if the end crater is not sufficiently closed, the laser beam is again guided over the end area of the weld or, if the end crater is sufficiently closed, welding is stopped.

Schließlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass, nachdem das Schweißen beendet wurde, die Schweißnaht oder der Endbereich der Schweißnaht geschliffen wird.Finally, according to the invention, it can be provided that after welding has been completed, the weld seam or the end region of the weld seam is ground.

Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Laserstrahlschweißvorrichtung mit einer Steuerung gelöst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.On the device side, the object of the invention is achieved by a laser beam welding device with a control system which is set up to carry out the method according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 einen ersten Schweißschritt vom Nahtanfang bis zum Nahtende, und
  • 2 einen zweiten Schweißschritt im Endbereich der Schweißnaht.
Showing:
  • 1 a first welding step from the beginning of the seam to the end of the seam, and
  • 2 a second welding step in the end area of the weld seam.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.

1 und 2 zeigen jeweils ein Diagramm, in dem die Intensität 5 des Laserstrahls über die Schweißnahtlänge 1 beim Schweißen einer Schweißnaht vom Nahtanfang 2 bis zum Nahtende 3 dargestellt ist. Dargestellt ist jeweils auch der Endbereich 4 der Schweißnaht, in dem sich bei herkömmlichen Schweißverfahren ein Endkrater in der Oberseite und/oder in der Unterseite der zu schweißenden Fügepartner ausbildet, wenn die gesamte Schweißnahtlänge 1 mit derselben Intensität 5 geschweißt wird. 1 and 2 each show a diagram in which the intensity 5 of the laser beam is shown over the weld seam length 1 when welding a weld seam from the seam start 2 to the seam end 3. Also shown is the end region 4 of the weld seam, in which, in conventional welding processes, an end crater forms in the top and/or bottom of the joining partners to be welded if the entire weld seam length 1 is welded with the same intensity 5.

Wie 1 durch die gestrichelte Linie zeigt, wird die Schweißung nach dem Stand der Technik mit einer konstanten Intensität 5 des Laserstrahls durchgeführt. Dieser konstante Wert ist im Diagramm mit IDurchschweißung bezeichnet.How 1 As shown by the dashed line, the welding is carried out according to the state of the art with a constant intensity 5 of the laser beam. This constant value is designated in the diagram as I penetration .

Erfindungsgemäß ist hingegen vorgesehen, dass die Intensität 5 im Endbereich 4 der Schweißnaht bis auf einen Wert Idefokus abgesenkt wird, indem der Laserstrahl defokussiert wird, so dass die Wirkfläche des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks größer wird und damit die Flächenleistungsdichte sinkt. Der Wert von Idefokus wird dabei so gewählt, dass er in einem Intensitätsbereich 6 liegt, der zum Verschließen des Endkraters auf der Unterseite führt. Liegt der Wert von Wert Idefokus über oder unter dem Intensitätsbereich 6 zum Verschließen des Endkraters auf der Unterseite, so ist die Intensität zu hoch 8 oder zu gering 9 um den Endkrater auf der Unterseite zu verschließen.According to the invention, however, it is provided that the intensity 5 in the end region 4 of the weld seam is reduced to a value I defocus by defocusing the laser beam, so that the effective area of the laser beam on the surface of the workpiece becomes larger and thus the surface power density decreases. The value of I defocus is selected so that it lies in an intensity range 6 that leads to the closing of the end crater on the underside. If the value of I defocus is above or below the intensity range 6 for closing the end crater on the underside, the intensity is too high 8 or too low 9 to close the end crater on the underside.

In 2 ist dargestellt, wie der Laserstrahl nach dem oben erläuterten Schritt mit abgesenkter Intensität 5 entgegen der Schweißrichtung erneut über den Endbereich 4 der Schweißnaht geführt wird. Der Wert von IRückfahrt wird dabei so gewählt, dass er in einem Intensitätsbereich 7 liegt, der zum Verschließen des Endkraters auf der Oberseite führt. Liegt der Wert von Wert IRückfahrt über oder unter dem Intensitätsbereich 7 zum Verschließen des Endkraters auf der Oberseite, so ist die Intensität zu hoch 8 oder zu gering 9 um den Endkrater auf der Oberseite zu verschließen. Dieser zweite Schritt der Schweißung bewirkt auf der Schweißnahtunterseite keine Veränderung, aber der Endkrater auf der Oberseite wird vollständig verschlossen.In 2 shows how the laser beam is guided again over the end area 4 of the weld seam after the step explained above with reduced intensity 5 in the opposite direction to the welding direction. The value of I return travel is selected so that it lies in an intensity range 7 that leads to the closing of the end crater on the top side. If the value of I return travel is above or below the intensity range 7 for closing the end crater on the top side, the intensity is too high 8 or too low 9 to close the end crater on the top side. This second welding step does not cause any change on the underside of the weld seam, but the end crater on the top side is completely closed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005004787 A1 [0004]DE 102005004787 A1 [0004]

Claims (8)

Laserstrahlschweißverfahren, bei dem durch Einwirkung eines Laserstrahls auf ein Werkstück in einer Schweißrichtung eine Schweißnaht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Ausbildung eines Endkraters auf einer Unterseite der Schweißnaht durch Absenkung der Intensität (5) des Laserstrahls in einem Endbereich (4) der Schweißnaht verhindert wird, und - ein danach verbleibender Endkrater auf einer Oberseite der Schweißnaht verschlossen wird, indem der Laserstrahl mit abgesenkter Intensität (5) entgegen der Schweißrichtung erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wird.Laser beam welding method in which a weld seam is produced by the action of a laser beam on a workpiece in a welding direction, characterized in that - the formation of an end crater on an underside of the weld seam is prevented by reducing the intensity (5) of the laser beam in an end region (4) of the weld seam, and - an end crater remaining thereafter on an upper side of the weld seam is closed by guiding the laser beam with reduced intensity (5) against the welding direction again over the end region (4) of the weld seam. Laserstrahlschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität (5) des Laserstrahls durch Defokussierung des Laserstrahls abgesenkt wird.Laser beam welding process according to Claim 1 , characterized in that the intensity (5) of the laser beam is reduced by defocusing the laser beam. Laserstrahlschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Defokussierung durch Verstellung einer Laseroptik einer Laserschweißeinrichtung erfolgt.Laser beam welding process according to Claim 2 , characterized in that the defocusing is carried out by adjusting a laser optics of a laser welding device. Laserstrahlschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Defokussierung durch Verstellung eines Abstands einer Laserschweißeinrichtung vom Werkstück erfolgt.Laser beam welding process according to Claim 2 , characterized in that the defocusing is carried out by adjusting a distance of a laser welding device from the workpiece. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bevor der Laserstrahl erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wird, Größe und Ausdehnung des Endkraters vermessen und anhand der gemessenen Größe und Ausdehnung des Endkraters Schweißparameter festgelegt werden, mit denen der Laserstrahl erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wird.Laser beam welding process according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that before the laser beam is again guided over the end region (4) of the weld seam, the size and extent of the end crater are measured and, based on the measured size and extent of the end crater, welding parameters are determined with which the laser beam is again guided over the end region (4) of the weld seam. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der Laserstrahl erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wurde, Größe und Ausdehnung des Endkraters vermessen und, wenn der Endkrater nicht ausreichend verschlossen ist, der Laserstrahl erneut über den Endbereich (4) der Schweißnaht geführt wird oder, wenn der Endkrater ausreichend verschlossen ist, das Schweißen beendet wird.Laser beam welding process according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that after the laser beam has been guided again over the end region (4) of the weld seam, the size and extent of the end crater are measured and, if the end crater is not sufficiently closed, the laser beam is guided again over the end region (4) of the weld seam or, if the end crater is sufficiently closed, welding is terminated. Laserstrahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem das Schweißen beendet wurde, die Schweißnaht oder der Endbereich (4) der Schweißnaht geschliffen wird.Laser beam welding process according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that after welding has been completed, the weld seam or the end region (4) of the weld seam is ground. Laserstrahlschweißvorrichtung mit einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.Laser beam welding device with a control, characterized in that the control for carrying out the method according to one of the Claims 1 until 7 is set up.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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