DE10261507A1

DE10261507A1 - Verfahren zum Laserschweißen und lasergeschweißtes Bauteil

Info

Publication number: DE10261507A1
Application number: DE10261507A
Authority: DE
Inventors: Christian Elsner; René Polensky; Thomas Kischke; Manfred Hirsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: DE10261507B4

Abstract

Durch die Erfindung wird geschaffen ein Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche (2, 3), von denen zumindest eines eine Beschichtung (B) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist, durch eine Laserschweißnaht (12), wobei die Stahlbleche (2, 3) vor ihrem Verschweißen im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Laserschweißnaht (12) als Kehlnaht (13) ausgebildet wird, wobei ferner ein erstes Stahlblech (2) mit einem Hauptteil (4) und einem Randflansch (5), der über eine Krümmung (6) ins Hauptteil (4) übergeht, und ein zweites Stahlblech (3) mit einer Stoßkante (9) so angeordnet werden, dass die Stoßkante (9) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin gegen das erste Stahlblech (2) angelegt wird, und wobei zudem die Kehlnaht (13) zwischen der Stoßkante (9) und dem ersten Stahlblech (2) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin gebildet wird. Weiterhin schafft die Erfindung ein Bauteil (1) mit zwei Stahlblechen (2, 3), von denen zumindest eines eine Beschichtung (B) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist und die durch eine Laserschweißnaht (12) verbunden sind, wobei die Stahlbleche (2, 3) im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet sind und die Laserschweißnaht (12) als Kehlnaht (13) ausgebildet ...

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Laserschweißen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und lasergeschweißte Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Insbesondere betrifft die Erfindung Laserschweißen an kurzen Flanschen an beschichteten Blechen, wie z.B. verzinkten Feinblechen.
Aus der DE 195 23 005 A1 ist eine Fahrzeugkarosserie bekannt, die ein erstes Blechteil in Form eines Dachteils enthält, das mit einem zweiten Blechteil in Form eines Seitenteils durch eine mittels eines eng gebündelten Strahls hoher Energiedichte erzeugte Schmelzschweißnaht verbunden ist, wobei an einem Basisteil des ersten Blechteils eine mit einem vorgegebenen Winkel abgestellte Seitenwange angeformt ist, wobei an dem zweiten Blechteil ein einwärts gerichteter Flansch angeformt ist, der zur Anlage an der Seitenwange bestimmt ist, und wobei die Schmelzschweißnaht in einer durch Seitenwange und Flansch gebildeten Kehle erzeugt worden ist. Bei dem zugehörigen Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkarosserie, an der wenigstens zwei durch mittels eines eng gebündelten Energiestrahls hoher Energiedichte erzeugte Schmelzschweißnähte zur Verbindung von Blechteilen vorgesehen sind, ist ferner vorgesehen dass durch einen auf die Fahrzeugkarosserie einwirkenden Manipulator die miteinander zu verbindenden Blechteile gegenüber einem Strahl-Schweißapparat jeweils schweißgerecht in Position gebracht werden.
Weiterhin ist aus der EP 96115095 .0 (Veröffentlichungsnummer EP 0 771 605 A1 ) ein Laserschweißverfahren für beschichtete Stahlbleche bekannt. Bei diesem Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufweist, durch eine Laserschweißnaht ist vorgesehen, dass die Bleche vor ihrem Verschweißen im Nahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Schweißnaht als Kehlnaht ausgebildet wird. Eingesetzt wird dieses Verfahren, um tiefgezogene Blechteile miteinander zu einem Karosseriebauteil zu verbinden, wobei das längs seiner Stirnseite zu verschweißende Blechteil hinsichtlich seiner Formsteifigkeit im an die Schweißkante angrenzenden Nahtbereich im Hinblick auf das andere, längs seiner Oberfläche zu verschweißende Blechteil so ausgebildet ist, dass beim Verspannen der Blechteile mittels einer Klemmvorrichtung zwischen den Blechteilen im zukünftigen Nahtbereich ein spitzer Winkel zwischen 7° und 15° eingeschlossen wird.
Hinsichtlich dieser grundsätzlich gut einsetzbaren Verfahren und dazu erforderlicher Vorrichtungen sowie damit fertigbarer Karosseriebauteile sind weitere Verbesserungen hinsichtlich insbesondere Einsparung von Material und Fertigungsschritten erstrebenswert.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Bauteil zum Laserschweißen anzugeben, womit die Fertigung gegenüber dem Stand der Technik weiter rationalisiert werden kann.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 sowie ein Bauteil nach dem Anspruch 11 erreicht.
Durch die Erfindung wird somit geschaffen ein Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist, durch eine Laserschweißnaht, wobei die Stahlbleche vor ihrem Verschweißen im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet wird, wobei ein erstes Stahlblech mit einem Hauptteil und einem Randflansch, der über eine Krümmung ins Hauptteil übergeht, und ein zweites Stahlblech mit einer Stoßkante so angeordnet werden, dass die Stoßkante im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gegen das erste Stahlblech angelegt wird, und wobei die Kehlnaht zwischen der Stoßkante und dem ersten Stahlblech im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gebildet wird.
Die Ausbildung einer Seitenwange an dem zweiten Stahlblech, wie nach der DE 195 23 005 A1 vorgesehen ist, kann somit in vorteilhafter Weise unter Vermeidung eines entsprechenden Material- und Prozessaufwandes eingespart werden. Zusätzlich wird ein größerer Freiraum zum Abzug von verdampftem Beschichtungsmaterial durch die fehlende Seitenwange am zweiten Stahlblech erreicht, was der Güte der erzeugten Schweißnaht zu Gute kommt. Dieser Vorteil besteht auch gegenüber der Technik nach der EP 0 771 605 A1 , indem bei der vorliegenden Erfindung durch den weggebogenen Flansch des ersten Stahlblechs im Schweißbereich zum zweiten Stahlblech hin ein größerer Freiraum geschaffen wird, mit dem bereits angegebenen Vorteil eines besseren Abzuges von verdampftem Beschichtungsmaterial, was auch gegenüber diesem Stand der Technik der Güte der erzeugten Schweißnaht zu Gute kommt.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht ist ferner vorgesehen, dass das zweite Stahlblech zumindest mit seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin so angeordnet wird, dass dieser Randbereich wenigstens annähernd parallel zum Hauptteil des ersten Stahlblechs verläuft. Gegenüber der Technologie nach der EP 0 771 605 A1 kann somit eine zumindest annähernd plane Verbindung geschaffen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Stoßkante des zweiten Stahlblechs so angeordnet wird, dass sie zumindest annähernd am Radieneinsatzpunkt der Krümmung vom Hauptteil des ersten Stahlblechs aus liegt.
Ferner kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass das zweite Stahlblech so angeordnet wird, dass es zumindest in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin wenigstens annähernd in einer Ebene mit dem sich an die Krümmung anschließenden Bereiches des Hauptteils liegt. Eine bevorzugte Alternative dazu besteht darin, dass das zweite Stahlblech so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin wenigstens annähernd auf der Ebene des sich an die Krümmung anschließenden Bereiches des Hauptteils liegt.
Zur Stabilisierung und Optimierung des Verfahrens zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht nach der Erfindung ist es ferner bevorzugt, wenn das Hauptteil des ersten Stahlblechs nahe der Krümmung abstützend aufgelegt wird.
Vorzugsweise kann außerdem vorgesehen sein, dass das zweite Stahlblech in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin gegen das erste Stahlblech gespannt oder gedrückt wird. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn das zweite Stahlblech in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin gegen das erste Stahlblech indirekt gespannt oder gedrückt wird.
Eine weitere mit Vorzug eingesetzte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Material der Beschichtung beim Laserschweißen zwischen dem Randbereich des zweiten Stahlbleches zu seiner Stoßkante hin und der Krümmung des ersten Stahlbleches entweicht.
Besonders bevorzugt ist es bei dem Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht außerdem, wenn wenigstens eines der beiden Stahlbleche vor dem Laserschweißen mit einer Beschichtung versehen wird, die Zink enthält.
Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden auch erreicht mit einem Bauteil mit zwei Stahlblechen, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist und die durch eine Laserschweißnaht verbunden sind, wobei die Stahlbleche im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet sind und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet ist, wobei ein erstes Stahlblech mit einem Hauptteil und einem Randflansch, der über eine Krümmung ins Hauptteil übergeht, und ein zweites Stahlblech mit einer Stoßkante so angeordnet sind, dass die Stoßkante im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gegen das erste Stahlblech anliegt, und wobei die Kehlnaht zwischen der Stoßkante und dem ersten Stahlblech im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin verläuft.
Die damit erreichten Vorteile sind dieselben wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, was im nachfolgenden auch für andere Bauteilgestaltungen und -weiterbildungen in Analogie zu Verfahrensvarianten gilt.
Bei dem Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass das zweite Stahlblech zumindest mit seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin so angeordnet ist, dass dieser Randbereich wenigstens annähernd parallel zum Hauptteil des ersten Stahlblechs verläuft.
Eine andere vorzugsweise Weiterbildung bei dem Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen besteht darin, dass die Stoßkante des zweiten Stahlblechs so angeordnet ist, dass sie zumindest annähernd am Radieneinsatzpunkt der Krümmung vom Hauptteil des ersten Stahlblechs aus liegt.
Ferner ist es im rahmen der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite Stahlblech so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin wenigstens annähernd in einer Ebene mit dem sich an die Krümmung anschließenden Bereiches des Hauptteils liegt. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das zweite Stahlblech so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich zu seiner Stoßkante hin wenigstens annähernd auf der Ebene des sich an die Krümmung anschließenden Bereiches des Hauptteils liegt.
Vorzugsweise steht der Randflansch nur wenige Millimeter bis wenige Zentimeter über das Hauptteil vor. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Randflansch nur wenige Millimeter bis höchstens einen Zentimeter über das Hauptteil vorsteht.
Weiterhin ist es bei dem Bauteil nach der Erfindung bevorzugt, wenn die Beschichtung Zink enthält, und/oder wenn das erste und/oder das zweite Stahlblech aus Feinblech gebildet sind/ist.
Gemäß einer anderen mit Vorzug vorgesehenen Ausgestaltung verläuft die Krümmung zwischen dem Hauptteil und dem Randflansch des ersten Stahlbleches über einen Winkelbereich, der etwa 150° bis annähernd 30° beträgt. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Krümmung zwischen dem Hauptteil und dem Randflansch des ersten Stahlbleches über einen Winkelbereich von zumindest annähernd 90° verläuft.
Vorzugsweise Anwendungen des erfindungsgemäßen Bauteils mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen bestehen darin, dass das Bauteil ein Dachteil, ein Bodenteil, ein Türteil, ein Holm- oder Säulenteil, ein Scheibenausschnittsteil oder ein Teil der Außenhaut eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges ist.
Weitere bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den gesamten vorliegenden Unterlagen sowie insbesondere den jeweils abhängigen Ansprüchen und deren Kombinationen.
Die Erfindung wird anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht aus dem Herstellungsprozess eines Bauteils mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, und
2 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Problematiken beim Laserschweißen von beschichteten Stahlblechen.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Komponenten.
Anhand der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne weiteres für einen Fachmann verständlich.
Die 1 zeigt schematisch einen Produktionsschritt zur Herstellung eines Bauteils 1 durch Laserschweißen. Wesentlich dabei ist, dass z.B. Zink oder jegliche ähnliche Beschichtung B von einem ersten Stahlblech 2 und einem zweiten Stahlblech 3, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel im übrigen aus Feinblech bestehen und zur Herstellung des Bauteils 1 durch Laserschweißen miteinander verschweißt werden, unterhalb der Schmelztemperatur von Stahl verdampft.
Das erste Stahlblech 2 weist ein Hauptteil 4 und einen Randflansch 5 auf, die über eine Krümmung 6 mit einem Radius R miteinander verbunden sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Hauptteil 4, die Krümmung 6 und der Randflansch 5 integral ausgebildet. Nahe der Krümmung 6 ist der Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs 2 auf einer Auflage 7 abstützend aufgelegt. Die Auflage 7 ist nur symbolisch eingezeichnet, und der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage eine oder mehrere Auflage(n) so zu gestalten und anzuordnen, dass das erste Stahlblech 2 für den Verarbeitungsprozess des Laserschweißens stabil gehalten wird.
Das zweite Stahlblech 3 hat einen Randbereich 8, der an seinem freien Ende eine Stoßkante 9 aufweißt. In der Darstellung der 4 ist die Stoßkante bereits durch einen Laserstrahl L von einem Laser 10 aufgeschmolzen und daher nicht mehr konkret sichtbar.
Das erste Stahlblech 2 und das zweite Stahlblech 3 sind für den Verarbeitungsprozess des Laserschweißens so relativ zueinander angeordnet, dass das zweite Stahlblech 3 mit seiner Stoßkante 9 im Verlauf der Krümmung 6 oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung 6 zum Hauptteil 4 hin gegen das erste Stahlblech 2 anliegt. Diese Anlage der Stoßkante 9 des zweiten Stahlbleches 3 gegen das erste Stahlblech 2 wird durch einen Spanner 11 sichergestellt, der, wie auch die Auflage 7, nur symbolisch dargestellt ist und von einem Fachmann ohne weiteres in Größe, Anordnung und Funktion an den Laserschweißprozess sowie das herzustellende Bauteil 1 angepasst werden kann.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung, dass die Stoßkante 9 des zweiten Stahlbleches 3 in der Darstellung der 1 nicht mehr sichtbar ist, weil dort bereits mittels des Laserstrahls L das Material aufgeschmolzen wurde, erklärt wurde, ist in der 1 ein Schmelzkeil 12 zu sehen, der von der Stoßkante 9 oder genauer gesagt von der früheren Stoßkante 9 des zweiten Stahlbleches 3 aus in das zweite Stahlblech 3 und auch in das erste Stahlblech 2 führt. Nach dem Wiedererstarren des geschmolzenen Materials im Schmelzkeil 12 sind das erste Stahlblech 2 und das zweite Stahlblech 3 fest miteinander verschweißt und es ist eine Schweißnaht N gebildet.
Auf diese Weise wird längs der Stoßkante 9 des zweiten Stahlblechs 3 die Schweißnaht N als Kehlnaht 13 gebildet.
Wie bereits angegeben wurde, sind das erste Stahlblech 2 und das zweite Stahlblech 3 jeweils beidseits mit einer Beschichtung B, wie beispielsweise einer Zinkbeschichtung, versehen. Zink hat die Eigenschaft gegenüber Stahl, dass es bei einer niedrigeren Temperatur als der Stahl bereits verdampft. Dies ist relativ unproblematisch auf den freien Auftreffseiten 14 der ersten und zweiten Stahlbleche 2 bzw. 3. Hier kann entstehender Zinkdampf oder jegliches andere beim Laserschweißen abgedampfte Beschichtungsmaterial frei entweichen. Problematisch ist die Dampfbildung jedoch bezüglich der zwischen den beiden Stahlblechen 2 und 3 liegenden Beschichtungen B. Durch die spezielle verfahrens- und bauteilmäßige Verfahrensgestaltung der vorliegenden Erfindung kann solcher Zinkdampf o. ä. gemäß den Dampfabströmpfeilen D ungehindert abziehen und führt zu keiner negativen Beeinträchtigung der Schweißnaht N, die sich aus dem Schmelzkeil 12 nach dem Erstarren von dessen Material bildet, und die insofern als zeitlich später liegender Zustand des Schmelzkeils 12 anzusehen ist.
Bei der in der 1 gezeigten Anordnung der Komponenten des Bauteils 1 sowie der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit die Kehlnaht 13 zwischen der Stoßkante 9 des zweiten Stahlblechs 3 und dem ersten Stahlblech 2 im Verlauf der Krümmung 6 oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung 6 zum Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs 2 hin gebildet.
Wie in der 1 weiter zu erkennen ist, ist das zweite Stahlblech 3 mit seinem Randbereich (weitere Bereiche sind in der Zeichnung der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) zu seiner Stoßkante 9 hin so angeordnet, dass dieser Randbereich 8 wenigstens annähernd parallel zum Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs 2 verläuft. Noch genauer ist oder wird bei dem vorliegend behandelten Ausführungsbeispiel die Stoßkante 9 des zweiten Stahlblechs 3 so angeordnet, dass sie im wesentlichen am Radieneinsatz E der Krümmung 6 vom Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs 2 aus gesehen aufliegt und noch genauer dort mittels des Spanners 11 in eine feste Anlage gedrückt wird. Weiterhin ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der 1 zu sehen, dass das zweite Stahlblech 3 mit seinem Randbereich 8 zumindest im wesentlichen oberhalb des Hauptteils 4 des ersten Stahlblechs 2 liegt. Die Anordnung könnte aber auch so gewählt sein, dass das zweite Stahlblech 3 so angeordnet ist, dass zumindest sein Randbereich 8 zu seiner Stoßkante 9 hin wenigstens annähernd in einer Ebene mit dem sich an die Krümmung 6 anschließenden Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs 2 liegt. Auch dann ist immer noch gewährleistet, dass das Material der Beschichtung B jeweils bezogen auf die Ansicht in der 1 an der Unterseite des zweiten Stahlblechs 3 und an der Oberseite des ersten Stahlblechs 2 beim Laserschweißen zwischen dem Randbereich 8 des zweiten Stahlblechs 3 zu seiner Stoßkante 9 hin und der Krümmung 6 des ersten Stahlblechs 2 entweichen kann.
Der Bereich zwischen dem Randbereich 8 des zweiten Stahlbleches 3 und dem Randflansch 5 samt Krümmung 6 des ersten Stahlbleches 2 kann auch als Entgasungskanal 15 bezeichnet werden, in dem beispielsweise Zinkdampf gemäß den Dampfabströmpfeilen D abströmt. Dadurch werden Poren und/oder Löcher, wie sie in der 2 verdeutlicht sind und im Zusammenhang damit erläutert werden, in der Schweißnaht 12 vermieden.
Vorzugsweise aber nicht beschränkende Abmessungen des Randflansches 5 sind vom Hauptteil 4 des ersten Stahlblechs aus gesehen wenige mm bis wenige cm, vorzugsweise wenige mm bis etwa 1 cm. Der Winkelbereich der Krümmung 6 liegt, ohne dass jedoch die Erfindung darauf beschränkt wäre, etwa von 30° bis 150°, wobei ein Winkel von zumindest annähernd 90° zu einer bevorzugten Ausgestaltung gehört.
Damit wird ein prozesssicheres Laserschweißen an kurzen Flanschen oder Randflanschen 5 an beschichteten Blechen 2 und 3, wie z.B. verzinkten Feinblechen, erreicht. In besonders geschickter Weise wird ein Bauteilradius R zur Schaffung eines Entgasungskanals 15 genutzt. Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine indirekte Spanntechnik zur Realisierung kurzer Flansche 5 und Sicherung der Bauteillage verwendet wird.
Die Problematik der Entgasung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst durch Laserschweißen einer Kehlnaht 13, wobei die Blechkante oder der Stoß 9 des oberen zweiten Stahlblechs 3 im Radienbereich, d.h. längs der Krümmung 6, und/oder insbesondere in der Nähe des Radieneinsatzpunktes E auf dem ersten Stahlblech 2 aufliegt. Dadurch ergibt sich eine linienförmige Berührung entlang des Randflansches 5, so dass der Zinkdampf gemäß den Pfeilen D ungehindert in den gebildeten Hohlraum des Entgasungskanals 15 entweichen kann.
Durch die Erfindung wird ferner in vorteilhafter Weise eine Toleranz gegenüber Bauteilschwankungen, d.h. im Konkreten Schwankungen der Abmessungen und/oder Formen und/oder Lagen der ersten und zweiten Stahlbleche 2 und 3, insbesondere im Beschnitt und in der Lage in Richtung des Doppelpfeiles X in der 1 erreicht. Weiterhin ergeben sich z.B. durch Noppen in falscher Höhe keine Maßänderungen am Bauteil 1. Gegenüber einer Überlappnaht (vergleiche 2) werden höhere Schweißgeschwindigkeiten erreicht. In der Praxis werden ferner, wie Versuche zeigten, sehr kurze Flansche oder Randflansche 5 erreicht, was allgemein einen Gewichtsvorteil und z.B. an Scheibenausschnitten einen Komfortvorteil bedeutet. Weitere bereits ausprobierte und als sehr vorteilhaft herausgefundene Anwendungen sind beispielsweise im Bereich von Kraftfahrzeugtüren, wie z.B. ein Innenblech am Rahmenteil.
In der 2 ist eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Problematiken beim Laserschweißen von beschichteten Stahlblechen dargestellt. Insbesondere wird die Problematik der Zinkentgasung beim Laserschweißen von verzinkten Blechen verdeutlicht, wobei in der Praxis bis vor der vorliegenden Erfindung lange Flansche zum Einbringen von Noppen usw. erforderlich waren. Die Noppen wurden in Einzelteile eingebracht, und die Werkzeuge dafür verschlissen stark, was zu einem insgesamt recht hohen Produktionsaufwand führt. Dabei ist ferner zu beachten, dass nicht alle Flansche 5 in einer Ziehrichtung liegen und genoppt werden können. Dieses Problem besteht seit der Einführung von Laserschweißverfahren in die Produktionstechnologie.
In vorteilhafter Weise werden gegenüber der konventionellen Technik zusätzliche Operationen zum Einbringen von Entgasungselementen vermieden. Insbesondere wird durch Anwendung der Erfindung kein zusätzlicher Arbeitsgang im Presswerk oder Rohbau zur Einbringung von Entgasungsmöglichkeiten benötigt.
Es sind in der 2 zwei Stahlbleche 2 und 3 gezeigt, die bei dieser erläuternden Ausführung jeweils beidseitig mit einer Beschichtung B aus Zink versehen sind, wie durch die Zinkschichten dargestellt ist. Zink verdampft beim Verschweißen der beiden Stahlbleche 2 und 3 schon unterhalb der Schmelztemperatur von Stahl. Beim Laserschweißen am Überlappstoß bildet sich daher ein Druck zwischen den beiden Fügeflächen aus, der nur durch die beim Laserschweißen entstehende Dampfkappilare 16 entweichen kann, wie durch die Dampfwölkchen W symbolisiert ist. Dies führt zu Nahtfehlern, wie Poren 17 und Löchern 18 in der Schweißnaht N. Als Gegenmaßnahme muss daher bei dieser Technologie eine Möglichkeit zum Entweichen des Zinkdampfs geschaffen werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der ersten und zweiten Stahlbleche 2 und 3 gemäß der 1 wird in besonders vorteilhafter weise eine solche Entgasungsmöglichkeit geschaffen.
Der Vorgang des Laserschweißens wird unter Bezugnahme auf die 2 noch als technologische Basis näher erläutert. Ein Laserstrahl L wird relativ zu den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3 bewegt, d.h. es kann der Laserstrahl L bezüglich der ruhenden Kombination aus den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3 bewegt werden, oder aber die Kombination aus den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3 kann relativ zum einem ortsfest angelegten Laserstrahl L bewegt werden. Die Richtung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl L und der Kombination aus den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3 ist als Schweißrichtung durch den Pfeil S in der 2 dargestellt. Am Ort des Auftreffens des Laserstrahls L auf die Kombination aus den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3 wird deren Material aufgeschmolzen, wobei das Zinkmaterial der Zink-Beschichtung zuerst verdampft, bevor der Stahl schmilzt. Es entsteht also Zinkdampf, der durch die entsprechenden Zinkwolken symbolisiert ist. Dieser Zinkdampf entsteht nicht nur von der obersten Zinkschicht, sondern auch von den Zinkschichten zwischen den beiden Stahlblechen 2 und 3 und der Zinkschicht auf der dem Laserstrahl L abgewandten Seite der Kombination aus den ersten und zweiten Stahlblechen 2 und 3.
Das aufgeschmolzene Material der Stahlbleche 2 und 3 selbst ist durch das Bezugszeichen bezeichnet. An der Schweißstelle bildet sich eine sogenannte Dampfkappilare, aus der geschmolzenes oder verdampftes Material der Zinkschichten zwischen den beiden Stahlblechen 2 und 3 ausgeworfen wird.
In der 2 rechts von der Schweißstelle ist die aus den beiden Stahlblechen 2 und 3 durch den Laserschweißprozess gebildete Schweißnaht zu sehen. Auf Grund der Zinkdampfbildung entstehen Poren bis hin zu Durchgangslöchern in der Schweißnaht, die dadurch zumindest qualitativ ungünstig verschlechtert wird, bis dahin, dass das mit einer solchen Schweißnaht gebildete Bauteil 1 nachgearbeitet werden muss oder sogar völlig unbrauchbar ist.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist, durch eine Laserschweißnaht, wobei die Stahlbleche vor ihrem Verschweißen im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet wird, wobei ein erstes Stahlblech mit einem Hauptteil und einem Randflansch, der über eine Krümmung ins Hauptteil übergeht, und ein zweites Stahlblech mit einer Stoßkante so angeordnet werden, dass die Stoßkante im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gegen das erste Stahlblech angelegt wird, und wobei die Kehlnaht zwischen der Stoßkante und dem ersten Stahlblech im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gebildet wird. Weiterhin werden Bauteile mit zwei Stahlblechen geschaffen, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist und die durch eine Laserschweißnaht verbunden sind, wobei die Stahlbleche im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet sind und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet ist, wobei ferner ein erstes Stahlblech mit einem Hauptteil und einem Randflansch, der über eine Krümmung ins Hauptteil übergeht, und ein zweites Stahlblech mit einer Stoßkante so angeordnet sind, dass die Stoßkante im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin gegen das erste Stahlblech anliegt, und wobei weiterhin die Kehlnaht zwischen der Stoßkante und dem ersten Stahlblech im Verlauf der Krümmung oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung zum Hauptteil hin verläuft.
Wie dem Fachmann ohne weiteres klar wird, ist der Einsatz der vorliegenden Erfindung nicht auf die Herstellung von Kraftfahrzeugteilen beschränkt, sondern eignet sich für jegliche Anwendung, bei der zwei Stahlbleche, von denen wenigstens eines auf zumindest einer Seite entsprechend beschichtet ist, zu einem Bauteil verschweißt werden.
Die vorstehenden und in den Zeichnungen wiedergegebenen Merkmale und Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele dienen lediglich der exemplarischen Verdeutlichung der Erfindung und nicht deren Beschränkung. Der Offenbarungsumfang der vorliegenden gesamten Unterlagen ist durch das bestimmt, was für den Fachmann ohne weiteres in den Ansprüchen, aber auch aus der Beschreibung und der Zeichnung unter Einbeziehung seines Fachwissens und insbesondere auch des in der Beschreibungseinleitung angegebenen Standes der Technik, soweit mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung kombinierbar, entnehmbar ist und/oder verstanden wird. Insbesondere umfasst die Erfindung ferner alle Variationen, Modifikationen, Kombinationen und Substitutionen, die der Fachmann dem gesamten Offenbarungsumfang der vorliegenden Unterlagen entnehmen kann. Insbesondere sind alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung und ihrer Ausführungsbeispiele kombinierbar.

1: Bauteil
2: erstes Stahlblech
3: zweites Stahlblech
4: Hauptteil
5: Randflansch, Flansch
6: Krümmung
7: Auflage
8: Randbereich
9: Stosskante
10: Laser
11: Spanner
12: Schmelzkeil, Schweißnaht
13: Kehlnaht
14: Auftreffseiten
15: Entgasungskanal
16: Dampfkapillare
17: Pore
18: Loch
B: Beschichtung
D: Dampfabströmpfeile
E: Entgasungskanal
L: Laserstrahl
N: Schweißnaht
R: Radius
S: Schweißrichtung
X: Toleranz

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist, durch eine Laserschweißnaht, wobei die Stahlbleche vor ihrem Verschweißen im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Stahlblech (2) mit einem Hauptteil (4) und einem Randflansch (5), der über eine Krümmung (6) ins Hauptteil (4) übergeht, und ein zweites Stahlblech (3) mit einer Stoßkante (9) so angeordnet werden, dass die Stoßkante (9) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin gegen das erste Stahlblech (2) angelegt wird, und dass die Kehlnaht (13) zwischen der Stoßkante (9) und dem ersten Stahlblech (2) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin gebildet wird.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) zumindest mit seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin so angeordnet wird, dass dieser Randbereich (8) wenigstens annähernd parallel zum Hauptteil (4) des ersten Stahlblechs (2) verläuft.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkante (9) des zweiten Stahlblechs (3) so angeordnet wird, dass sie zumindest annähernd am Radieneinsatzpunkt (E) der Krümmung (6) vom Hauptteil (4) des ersten Stahlblechs (2) aus liegt.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) so angeordnet wird, dass es zumindest in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin wenigstens annähernd in einer Ebene mit dem sich an die Krümmung (6) anschließenden Bereiches des Hauptteils (4) liegt.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin wenigstens annähernd auf der Ebene des sich an die Krümmung (6) anschließenden Bereiches des Hauptteils (4) liegt.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptteil (4) des ersten Stahlblechs (2) nahe der Krümmung (6) abstützend aufgelegt wird.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin gegen das erste Stahlblech (2) gespannt oder gedrückt wird.
Verfahren. zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin gegen das erste Stahlblech (2) indirekt gespannt oder gedrückt wird.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Material der Beschichtung (B) beim Laserschweißen zwischen dem Randbereich (8) des zweiten Stahlbleches (3) zu seiner Stoßkante (9) hin und der Krümmung (6) des ersten Stahlbleches (2) entweicht.
Verfahren zum Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Stahlbleche (2, 3) vor dem Laserschweißen mit einer Beschichtung (B) versehen wird, die Zink enthält.
Bauteil mit zwei Stahlblechen, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Stahlblechmaterial aufweist und die durch eine Laserschweißnaht verbunden sind, wobei die Stahlbleche im Laserschweißnahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet sind und die Laserschweißnaht als Kehlnaht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Stahlblech (2) mit einem Hauptteil (4) und einem Randflansch (5), der über eine Krümmung (6) ins Hauptteil (4) übergeht, und ein zweites Stahlblech (3) mit einer Stoßkante (9) so angeordnet sind, dass die Stoßkante (9) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin gegen das erste Stahlblech (2) anliegt, und dass die Kehlnaht (13) zwischen der Stoßkante (9) und dem ersten Stahlblech (2) im Verlauf der Krümmung (6) oder zumindest in der Nähe des Endes der Krümmung (6) zum Hauptteil (4) hin verläuft.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) zumindest mit seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin so angeordnet ist, dass dieser Randbereich (8) wenigstens annähernd parallel zum Hauptteil (4) des ersten Stahlblechs (2) verläuft.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkante (9) des zweiten Stahlblechs (3) so angeordnet ist, dass sie zumindest annähernd am Radieneinsatzpunkt (E) der Krümmung (6) vom Hauptteil (4) des ersten Stahlblechs (2) aus liegt.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin wenigstens annähernd in einer Ebene mit dem sich an die Krümmung (6) anschließenden Bereiches des Hauptteils (4) liegt.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stahlblech (3) so angeordnet ist, dass es zumindest in seinem Randbereich (8) zu seiner Stoßkante (9) hin wenigstens annähernd auf der Ebene des sich an die Krümmung (6) anschließenden Bereiches des Hauptteils (4) liegt.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Randflansch (5) nur wenige Millimeter bis wenige Zentimeter über das Hauptteil vorsteht.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Randflansch (5) nur wenige Millimeter bis höchstens einen Zentimeter über das Hauptteil vorsteht.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) Zink enthält.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Stahlblech (2 bzw. 3) aus Feinblech gebildet sind/ist.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (6) zwischen dem Hauptteil (4) und dem Randflansch (5) des ersten Stahlbleches (2) über einen Winkelbereich verläuft, der etwa 150° bis annähernd 30° beträgt.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (6) zwischen dem Hauptteil (4) und dem Randflansch (5) des ersten Stahlbleches (2) über einen Winkelbereich von zumindest annähernd 90° verläuft.
Bauteil mit zwei durch eine Laserschweißnaht verbundenen Stahlblechen, nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Dachteil, ein Bodenteil, ein Türteil, ein Holm- oder Säulenteil, ein Scheibenausschnittsteil oder ein Teil der Außenhaut eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges ist.