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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Verbinden wenigstens zweier Werkstücke, insbesondere Bleche, mittels
eines Laserstrahls unter Zufuhr eines Lots in einen Lötbereich
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In der Automobilindustrie werden
zum Verbinden von Karosserieblechen verstärkt Laserschweißverfahren
eingesetzt, da es sich um ein hochgenaues und unter Leichtbaugesichtspunkten vorteilhaftes
Fügeverfahren
handelt. Neben dem Laserschweißen
sind insbesondere bei beschichteten Blechen auch Laserlötverfahren
im Einsatz, bei denen ein Lot in den Lötbereich zugeführt und
durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Diese Verfahren bieten
den Laserschweißverfahren
gegenüber den
Vorteil, dass der Verbindungsbereich der Bleche nicht so stark erwärmt werden
muss und daher eine wesentlich. geringere Verdampfung der Beschichtung
erfolgt; dadurch treten beim Laserlöten keine daraus resultierenden
Verunreinigungen der Naht auf.
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Aus der
DE 197 50 586 A1 ist ein
Verfahren zum Laserlöten
verzinkter Bleche bekannt, bei welchem als Lotwerkstoff eine auf
Kupfer basierende Legierung verwendet wird.
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Allerdings kommt es zu Problemen,
wenn als Laserlichtquelle ein Laser verwendet wird, der auf einer
Wellenlänge
im Infrarotbereich abstrahlt, z.B. ein Kohlendioxid-(CO2)-Laser
mit einer Wellenlänge
von etwa 10 μm.
Laserlicht in diesem Wel lenlängenbereich
wird zu einem großen
Teil von dem Lotwerkstoff reflektiert, was dazu führt, dass
der Lotwerkstoff sich nur unzureichend erwärmt, so dass in der Folge zwischen
Untergrund und Lot keine ausreichende Benetzung stattfindet. Die
entstehende Naht wird brüchig
und spröde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren vorzuschlagen, mit dem Werkstücke bei Zufuhr eines Lots in
den Lötbereich
mit einer Laserstrahlung im Infrarotbereich bei Erreichen einer guten
Nahtqualität
verbunden werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird das Lot vor
der Zufuhr in den Lötbereich
erhitzt. Auf diese Weise findet eine bessere Erwärmung des Lotwerkstoffs während des
Laserlötverfahrens
statt, als wenn das Lot ohne Erhitzen zugeführt wird. Das Absorptionsverhalten
des Lotwerkstoffs ändert
sich, und der Effekt der Reflexion wird verringert. Dadurch verbessert
sich auch die Anbindung des Lotwerkstoffs an den Grundwerkstoff,
und die Nahtqualität wird
entscheidend verbessert., So kann insbesondere ein CO2-Laser
zum Laserlöten
verwendet werden. Dieser ist in der Anschaffung günstiger
als andere Laserarten und befindet sich auch im weiten industriellen
Einsatz. Ferner eignen sich CO2-Laser auch
für andere
Anwendungen außerhalb
des Automobil-Bereichs.
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Das Verfahren ist besonders geeignet
für Bleche
mit einer Beschichtung aus einem Zink-Werkstoff, da die Temperaturen,
auf welche die Bleche während
des Lötens
erwärmt
werden, unterhalb der Verdampfungstemperatur der Zink-Beschichtung
liegen und daher keine Dämpfe
in die Naht aufsteigen, welche die Nahtqualität beeinträchtigen können.
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Vorteilhafterweise wird ein Hartlot
als Lot verwendet. Auf diese Weise wird eine hohe Festigkeit der
Verbindung erreicht.
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In einer vorteilhaften-Ausgestaltung
handelt es sich bei dem Hartlot um eine Kupfer-Basis-Legierung.
Diese Legierungen stellen relativ kostengünstige Lotwerkstoffe dar, die
gleichzeitig alle im Karosseriebau auftretenden Anforderungen an
Korrosionsbeständigkeit
und Dichtigkeit erfüllen.
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Zweckmäßigerweise wird das Lot durch
Anlegen eines elektrischen Stroms erhitzt. Das Anlegen eines Stroms
stellt ein effektives Verfahren zum Erhitzen dar, welches obendrein
einen geringen Platzbedarf hat (Anspruch 2).
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Vorteilhafterweise wird das Verfahren
zum Erzeugen einer Bördelnaht
zwischen den beiden Werkstücken
verwendet. Alternativ kann mit dem Verfahren eine Kehlnaht am Überlappstoß hergestellt werden.
Damit können
zwei in der Karosserietechnik sehr gebräuchliche Nahtformen durch das
erfindungsgemäße Verfahren
in hoher Qualität
hergestellt werden (Anspruch 3 und 4).
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird während
des Verfahrens ein Schutzgas auf den Lötbereich aufgebracht. So wird
die Schmelze vor Umwelteinflüssen
geschützt
(Anspruch 5).
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung
anhand zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
möglichen
Aufbau zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie
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2 den
Einsatz des Verfahrens zum Erzeugen einer Bördelnaht.
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1 zeigt
einen möglichen
schematischen Aufbau einer Laserlötvorrichtung 1 zur
Durchführung des
Verfahrens zum La serlöten
zweier Werkstücke 2,3.
In diesem Ausführungsbeispiel
handelt es sich um zwei Bleche 4,5, die im Überlappstoß gefügt werden
sollen. Die Bleche 4,5 sollen dabei durch eine Kehlnaht 6 miteinander
verbunden werden. Beide Bleche 4,5 sind in diesem
Beispiel mit einer korrosionshemmenden Beschichtung 7 aus
einem Zinkwerkstoff versehen.
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Oberhalb der Bleche 4,5 ist
ein Laserkopf 8 dargestellt, durch den ein Laserstrahl 9 geführt wird. Die
Wellenlänge
des Laserstrahls 9 liegt bei 10600 nm (eines CO2-Lasers), liegt also im fernen Infrarotbereich
zwischen 6000 und 15000 nm. Der Laserkopf 8 enthält eine
Optik 10 zur Fokussierung des Laserstrahls 9 auf
einen Lötbereich 11.
Der Laserkopf 8 ist vorteilhafterweise an einem hier nicht
dargestellten Roboterarm befestigt. Weiterhin ist an dem Laserkopf 8 eine
Schutzgaszufuhr 12 angeordnet, die ein Schutzgas 13 in
den Lötbereich 11,
der in etwa dem Fokusbereich des Laserstrahls 9 entspricht,
einleitet. Die Schutzgaszufuhr 12 ist fest am Laserkopf 8 montiert,
jedoch zu Justagezwecken verstellbar. Durch das Schutzgas 13 soll
der Lötbereich 11 vor
störenden
Umwelteinflüssen
abgeschirmt werden. Als Schutzgas 13 wird beispielsweise
ein Gemisch aus Argon, Helium und Kohlendioxid verwendet, denkbar ist
aber z.B. auch die Verwendung von reinem Helium oder reinem Argon
als Schutzgas 13. Weiterhin wird Schutzgas 13 durch
den Laserkopf 8 in Richtung auf die Werkstücke 2,3 geführt, um
die Optik 10 vor Verunreinigungen zu schützen.
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Ferner ist ebenso an dem Laserkopf 8 eine Lotzufuhr 14 angeordnet,
welche ein als Lötdraht ausgebildetes
Lot 15 dem Lötbereich 11 zuführt. Auch
die Lotzufuhr 14 ist fest am Laserkopf 8 montiert
und nur zu Justagezwecken verstellbar. Die Zufuhr des Lots 15 erfolgt
dabei schleppend, d.h. das Lot wird in Vorschubrichtung vor dem
Laserstrahl 9 hergeführt.
Das Lot 15 besteht in diesem Fall aus einer Kupferbasislegierung,
es handelt sich also um ein Hartlot. wird als Laser ein CO2-Laser verwendet, so reflektiert das Lot 15 aus
diesem Werkstoff im kalten Zustand etwa 99% der darauf auftreffenden
Laserstrahlung. Das führt
zu der oben beschriebenen schlechten Benetzung der zu verbindenden
Bleche 4,5 durch den Lotwerkstoff und einer daraus
resultierenden mangelhaften Nahtqualität. Zum Vergleich ist das Absorptionsvermögen der
Kupfer-Legierung im sichtbaren Wellenlängenbereich ungleich größer und fällt beim
Eintritt in den Infrarotbereich stark ab.
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Aus diesem Grunde wird bei dem vorgeschlagenen
Verfahren das Lot 15 vor der Zufuhr in den Lötbereich 11 auf
die im folgenden beschriebene Weise erhitzt.
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Das Lot 15 wird der Lotzufuhr 14 über ein Lotfördergerät 17 zugeführt, welches
in einigem Abstand zum Laserkopf 8 aufgestellt ist. In
diesem Ausführungsbeispiel
befindet sich in dem Lötfördergerät 17 auch
eine Stromquelle 18, mit Hilfe derer das Lot 15 erhitzt
wird. Diese Stromquelle 18 ist mit ihrem positiven Pol
mit dem Lot 15 und mit ihrem negativen Pol mit dem Blech 5 verbunden,
so dass zwischen Blech 5 und Lot 15 eine geringe
Spannung 19 entsteht und ein Strom 20 durch das
Lot 15 fließt,
der das Lot 15 auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Die Stromstärke ist
dabei in Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung zu wählen. Die erzielte Temperatur bleibt
deutlich unterhalb der Verdampfungstemperatur von Zink, die ca.
900°C beträgt. Daher
besteht keine Gefahr, dass die Beschichtung 7 verdampft. Das
Lot 15 wird also dem Lötbereich 11 mit
einer bestimmten Temperatur zugeführt und dann vom Laserstrahl 9 auf
Schmelztemperatur erhitzt.
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Durch die Erhitzung des Lots 15 und
die damit verbundene Einkopplung zusätzlicher Energie in den Lötprozess
wird eine bessere Anbindung des Lotwerkstoffes an den Werkstoff
der Bleche 4,5 erzielt. Dieser Effekt, der zu
einer wesentlichen Verbesserung der Nahtqualität führt, kann alleine durch eine aus
Erhöhung
der Laserleistung resultierende erhöhte Energiezufuhr in den Lötbereich 11 nicht
erreicht werden.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform der
Laserlötvorrichtung 1 dargestellt.
Gezeigt ist eine andere Nahtgeometrie: die beiden Bleche 4,5 sollen nun
durch eine Bördelnaht 21 miteinander
verbunden werden. Dabei muss der Laserkopf 8 entsprechend geneigt
werden, was z.B. durch Schwenken des Roboterarms erreicht wird.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die Zufuhr des Lots 15 schleppend mit der Vorschubrichtung 16.
Das Lot 15 wird in diesem Fall durch eine Heizeinrichtung 22 bzw.
eine darin enthaltene Wärmequelle
erhitzt. Die Erhitzung kann alternativ auch durch heißes Gas
erfolgen. Die Erhitzung muss dabei prozessnah stattfinden, da sich
das Lot 15 im erhitzten Zustand nicht fördern lässt.
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Das Verfahren ist nicht beschränkt auf
die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Neben Kupfer-Basis-Legierungen können auch
andere Lotwerkstoffe verwendet werden. Insbesondere werden Hartlote
mit einer Arbeitstemperatur von über
450°C verwendet.
Geeignet sind z.B. Nickel-Basis-Legierungen, Zink-Legierungen, Edelmetall-Legierungen oder
ein Stahlwerkstoff als Lotwerkstoffe.
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Neben den in den Ausführungsbeispielen dargestellten
Kehlnähten 6 und
Bördel-Nähten 21 sind
auch andere Nahtgeometrien mit dem Verfahren erzeugbar. Auf diese
Weise können
die in der Karosserietechnik gebräuchlichsten Nahtformen durch
das Verfahren in hoher Qualität
hergestellt werden, so dass ein breites Einsatzgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren
gegeben ist.
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Ferner ist die Verwendung von Schutzgas 13 nicht
unbedingt erforderlich. Die Schutzgaszufuhr 12 kann somit
in bestimmten Anwendungsfällen
auch entfallen.
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Weiterhin ist das Verfahren auch
bei Blechen 4,5 bzw. Werkstücken 2,3 ohne
Beschichtung 7 oder bei nur einem be schichteten und einem
unbeschichteten Werkstück
unter Erreichung einer sehr guten Nahtqualität einsetzbar.