DE10307319B4

DE10307319B4 - Verfahren zum Schweißen dünner Bleche

Info

Publication number: DE10307319B4
Application number: DE2003107319
Authority: DE
Inventors: Daniel Demit; François Malatier
Original assignee: ABB MC RUE de l EQUERRE; ABB MC SAS
Current assignee: ABB MC RUE de l EQUERRE; ABB MC SAS
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: FR2836081A1; DE10307319A1; FR2836081B1

Abstract

Verfahren zum Schweißen zweier dünner Bleche (1, 2), von denen mindestens eines einen Falz (5.2, 5.2) hat, derart, dass die Bleche zwei einander benachbarte parallele Abschnitte (3.1, 3.2) haben, die an zwei divergierende und eine Rille (6) bildende Abschnitte (4.1, 4.2) angrenzen, umfassend die folgenden Schritte:
Ausrichten eines Laserstrahls (8) in Richtung auf die Rille (6),
Bewegen des Strahles (8) entlang einer Bahn, die im wesentlichen parallel zur Rille ist, wobei der Strahl eine Abmessung (d) quer zur Rille (6) und eine Leistung hat, die geeignet sind, eine Schmelze von jedem der den parallelen Abschnitten (3.1, 3.2) benachbarten divergierenden Abschnitten (4.1, 4.2) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Strahles (8) in einer Richtung quer zur Rille (6) variiert und dass die Änderung der Leistung so bestimmt wird, dass eine im wesentlichen konstante Schicht (e) jedes divergierenden Abschnittes (4.1, 4.2) nahe den parallelen Abschnitten (3.1, 3.2) geschmolzen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier dünner Bleche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mindestens eines der Bleche hat einen Falz derart, dass die Bleche zwei einander benachbarte parallele Abschnitte haben, die wiederum an zwei eine Rille zwischen sich bildende divergente Abschnitte angrenzen. Die Erfindung ist beispielsweise für die Verwendung in der Automobilindustrie bestimmt, um metallische Karosseriebleche zu schweißen.

Ein Verfahren der vorstehend genannten Art ist aus der DE 195 23 005 A1 bekannt.

Um derartige Bleche im Bereich der Rille miteinander zu verschweißen, verwendet man aktuell die klassischen Verfahren zum Gasschweißen oder Lichtbogenschweißen.

Aus der EP 777 549 B1 ist ein Verfahren zum Plattieren zweier Bleche bekannt, bei dem der für die Bearbeitung verwendete Laserstrahl durch die Vereinigung von Teilstrahlen einer Vielzahl von Laserdioden gebildet wird. Für Sonderfälle wird ferner vorgeschlagen, die Leistung der Laserstrahlung in einer Richtung quer zu einer Rille zu variieren, um den Bereich der divergierenden Abschnitte vor der Rille zu erwärmen. Bei der dort beschriebenen Lösung soll aber das Schmelzen der beiden zu verbindenden Oberflächen verhindert werden.

Aus der DE 196 19 339 A1 ist es ferner bekannt, eine Mehrzahl von Teillaserstrahlen mit unterschiedlichen Strahlradien zu überlagern, um hierdurch eine gewünschte prozessangepasste Leistungsvariation des Laserstrahls auf dem Werkstück zu erhalten.

Man hätte auch daran denken können, YAG-Laser oder CO₂-Laser zum Schweißen zu verwenden. Die charakteristischen Eigenschaften dieser Laser insbesondere ihr kreisförmiger Brennfleck, der das Erreichen einer hohen Energiedichte ermöglicht, machen diese Laser besonders geeignet zum Durchstrahlschweißen, das zum Schweißen aneinander liegender Abschnitte verwendet werden könnte.

Die gleichen Eigenschaften jedoch verhindern, dass das Schweißen ausgeführt wird, in dem ein Laserstrahl direkt auf den Grund der Rille gerichtet wird, was insbesondere dann interessant sein kann, wenn die aneinander liegenden Abschnitte schwer zugänglich sind. Dies würde voraussetzen, dass die Abstrahlvorrichtung des Lasers stets perfekt auf den Grund der Rille ausgerichtet ist und dass das Spiel zwischen den Blechen sehr gering ist. Diese Bedingungen sind jedoch im Rahmen einer industriellen Produktion schwierig einzuhalten. Darüber hinaus wird eine Verbindung der Bleche nur am Grunde der Rille erhalten, so dass die Festigkeit relativ gering ist.

Das Laser-Hartschweißen mit einem Schweißdraht kann eine Lösung darstellen, die diesen Nachteil vermeidet. Dieses Verfahren benötigt jedoch die Verwendung eines komplexen Materials und verursacht bei seiner Ausführung erhebliche Kosten.

Es wäre daher interessant, über ein Mittel zum Laserschweißen dieser Bleche zu verfügen, welches eine wirtschaftliche Durchführung qualitativ hochwertiger Schweißungen erlaubt.

Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß ein Schweißverfahren vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst: Ausrichten eines Laserstrahls auf eine Rille und Bewegen des Strahles entlang einer im wesentlichen parallel zur Rille verlaufenden Bahn, wobei der Strahl eine Abmessung quer zur Rille und eine Leistung hat, die geeignet sind, eine Schmelze von jedem der divergenten Abschnitten nahe den parallelen Abschnitten zu bilden und wobei die Leistung des Strahles in einer Richtung quer zur Rille variiert, um eine im wesentlichen konstante Dicke jedes divergenten Abschnittes nahe den parallen Abschnitten aufzuschmelzen.

Auf diese Weise wird die Eindringtiefe des Strahles lokal an die aufzuschmelzende Menge des Materials angepasst. So kann auf einfache, wirksame und wirtschaftliche Weise eine Schweißnaht erzeugt werden, welche die Rille zur Verbindung der divergenten Abschnitte überbrückt.

Vorzugsweise hat der Strahl in dieser Richtung und gegenüber jedem nahe den parallelen Abschnitten gelegenen divergenten Abschnitt eine Zone, in der die Leistung von außen zum Zentrum des Strahles hin zunimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines speziellen, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispieles. Dabei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 eine schematische partielle perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
2 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1 ist und
3, 4 und 5 Teilschnittansichten verschiedener Anordnungen von Blechen zeigen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt werden können.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird das erfindungsgemäße Schweißverfahren hier in Anwendung auf das Verschweißen zweier Bleche beschrieben, die allgemein mit 1 und 2 bezeichnet sind und die in der Weise gefalzt oder umgebogen sind, dass sie jeweils zwei Abschnitte 3.1, 3.2 und 4.2 bzw. 4.2 umfassen, die einen Winkel zwischen sich bilden und sich auf Höhe eines Falzes oder Knickes 5.1, 5.2 miteinander verbinden.
Die Bleche 1, 2 liegen mit ihren Abschnitten 3.1, 3.2 derart aneinander, dass die Abschnitte 4.1, 4.2 divergieren oder auseinander streben und zwischen sich auf Höhe des Falzes 5.1, 5.2 eine Rille 6 mit einem Grund 7 bilden. Die Abschnitte 3.1, 3.2 können ebenfalls einen kleinen Abstand voneinander haben, um ein Spiel von beispielsweise 1 mm zwischen sich zu lassen.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren umfasst die folgenden Schritte:

– ein allgemein mit 8 bezeichneter Laserstrahl wird auf den Grund 7 der Rille 6 gerichtet;
– der Strahl 8 wird entlang einer im wesentlichen parallel zur Rille 6 verlaufenden Bahn bewegt.

Der Strahl 8 wird hier durch die Vereinigung von Teilstrahlen 9 erhalten, die von Laserdioden 10 ausgesandt werden, die in einer Leiste angeordnet sind, die sich senkrecht zur Rille 6 erstreckt. Die nicht dargestellten Mittel zur Fokussierung, wie beispielsweise Linsen, können zwischen der Leiste 11 und den Blechen 1, 2 angeordnet sein.
Die Dioden sind ebenso wie ganz allgemein die gesamte Vorrichtung zum Aussenden des Laserstrahles so angeordnet und gesteuert, dass sie einen Strahl 8 mit einer Abmessung d quer zur Rille 6 und mit einer Leistung liefern, die geeignet sind, um eine Schmelze von jedem der Abschnitte 4.1, 4.2 nahe zum Grund 7 der Rille 6 zu erzeugen.
Jede Laserdiode 10 wird individuell in ihrer Leistung gesteuert, so dass der von ihr ausgesandte Strahl 9 eine für die zu schmelzende Materialmenge geeignete Leistung und somit eine Eindringtiefe p hat, derart, dass die Dicke e des durch den Strahl 8 der Gesamtanordnung von Teilstrahlen 9 aufgeschmolzene Metallmenge an jedem der Abschnitte 4.1, 4.2 konstant ist. Die Dicke e wird lokal entlang einer Normalen auf den betreffenden Abschnitt 4.1, 4.2 gemessen. Die Laserdioden 10 können ferner in ihrer Leistung in Gruppen von einer oder mehreren Dioden gesteuert werden, die miteinander verbunden sind oder nicht, d.h., dass Dioden derselben Gruppe Strahlen derselben Leistung aussenden oder nicht.
Der Strahl 8 umfasst somit in einer Richtung quer zur Rille 6 und gegenüber jedem Abschnitt 4.1, 4.2 nahe dem Grund 7 der Rille 6 eine Zone 12, deren Leistung von außen zum Zentrum des Strahles hin zunimmt. Man erkennt in der in der Tat aus der 2, dass zum Erhalt einer konstanten Dicke e die Eindringtiefe p des Strahles 8 in dem Maße zunehmen muss, wie man sich dem Grund 7 nähert.
Umgekehrt ist es offensichtlich nicht notwendig, für den Erhalt einer vorschriftsmäßigen Schweißnaht, die Abschnitte 4.1, 4.2 in unmittelbarer Nähe des Grundes 7 zu schmelzen. Die sich gegenüber dem Grund 7 befindenden Laserdioden 10 werden somit so gesteuert, dass der Strahl 8 gegenüber dem Grund 7 der Rille 6 eine Zone 13 mit reduzierter Leistung umfasst (die Zunahme der Leistung ist hier unterbrochen). Die Dioden können somit verbunden werden, um eine Gruppe zu bilden, die hinsichtlich ihrer Leistung in der oben genannten Weise gesteuert wird. Die Laserdioden könnten auch fehlen oder deaktiviert sein.
Die Gesamtheit der den Laserstrahl 8 aussendenden Anordnung ist so ausgebildet (insbesondere hinsichtlich der Anordnung der Laserdioden 10 und der Struktur der eventuellen optischen Mittel zur Fokussierung), dass der Strahl 8 einen länglichen Querschnitt hat, hier insbesondere eine im wesentlichen rechteckige Form, dessen größere Abmessung d senkrecht zur Rille 6 gerichtet ist. Die Abmessung d liegt hier in der Größenordnung von 2-3 mm, wobei diese Abmessung in Funktion der Form der Rille 6 oder der Dicke der Bleche modifiziert werden kann.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst im Gegenteil jede Ausführungsform und jede Variante, welche den Gegenstand der Ansprüche wiedergibt.
Insbesondere können andere Laserquellen verwendet werden anstelle der Laserdioden. Ebenso kann die Zahl und Anordnung der Laserdioden in der Weise modifiziert werden, dass die Dioden beispielsweise mehrere Reihen bilden oder in einer Richtung gegeneinander versetzt sind, die im wesentlichen parallel zur Mittelschnittlinie der Rille 6 verläuft. Mehrere Leisten können miteinander vereinigt sein, um insbesondere die Leistung zu erhöhen.
Auch wenn ferner die Abschnitte 3 in den 1 und 2 einen rechten Winkel mit den Abschnitten 4 bilden, könnte dieser Winkel spitz sein (siehe 4) oder stumpf sein (siehe 3) oder es könnte auch nur eines der Bleche abgebogen oder gefalzt sein (siehe 5).
Unter dem Begriff „Blech" ist ein dünner Abschnitt oder eine dünne Platte zu verstehen. Wenn daher die Erfindung auch unter Bezugnahme auf das Verschweißen von Metallblechen beschrieben wurde, ist sie ebenso anwendbar auf das Verschweißen nichtmetallischer Platten, insbesondere von Kunststoffplatten.
Die Konfiguration des Strahles kann ebenfalls modifiziert werden insbesondere in Funktion der Form der Rille und/oder der Verteilung der aufzuschmelzenden Schichtdicke, wenn diese nicht konstant ist.

Claims

Verfahren zum Schweißen zweier dünner Bleche (1, 2), von denen mindestens eines einen Falz (5.2, 5.2) hat, derart, dass die Bleche zwei einander benachbarte parallele Abschnitte (3.1, 3.2) haben, die an zwei divergierende und eine Rille (6) bildende Abschnitte (4.1, 4.2) angrenzen, umfassend die folgenden Schritte: Ausrichten eines Laserstrahls (8) in Richtung auf die Rille (6), Bewegen des Strahles (8) entlang einer Bahn, die im wesentlichen parallel zur Rille ist, wobei der Strahl eine Abmessung (d) quer zur Rille (6) und eine Leistung hat, die geeignet sind, eine Schmelze von jedem der den parallelen Abschnitten (3.1, 3.2) benachbarten divergierenden Abschnitten (4.1, 4.2) zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Strahles (8) in einer Richtung quer zur Rille (6) variiert und dass die Änderung der Leistung so bestimmt wird, dass eine im wesentlichen konstante Schicht (e) jedes divergierenden Abschnittes (4.1, 4.2) nahe den parallelen Abschnitten (3.1, 3.2) geschmolzen wird.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (8) in dieser Querrichtung und gegenüber jedem divergierenden Abschnitt (4.1, 4.2) nahe den parallelen Abschnitten eine Zone (12) hat, in der die Leistung von außen zum Zentrum des Strahles hin zunimmt.
Schweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (8) eine zentrale Zone (13) hat, in welcher die Zunahme der Leistung unterbrochen ist.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (8) einen länglichen Querschnitt hat, dessen größere Abmessung (d) im wesentlichen senkrecht zur Rille (6) gerichtet ist.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (8) durch die Vereinigung von Teilstrahlen (9) gebildet wird, die von mindestens zwei Laserdioden (10) ausgesandt werden, die in einer im wesentlichen senkrecht zur Rille (6) gerichteten Leiste (11) angeordnet sind.
Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (10) hinsichtlich ihrer Leistung in Gruppen mit mindestens jeweils einer Diode gesteuert werden.