DE10351779B3 - Verfahren zum Laserstrahlschweissen mittels vorherigem Heften - Google Patents

Abstract

Beim Schweißen mit hoher Leistungsdichte dürfen die Spalten zwischen den Fügepartnern eine maximale Spaltweite nicht überschreiten. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen anzugeben, welches einerseits die Einhaltung einer maximalen Spaltweite zwischen den Blechen gewährleistet und andererseits eine maximale Ausnutzung der erreichbaren Schweißgeschwindigkeit ermöglicht. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bleche vor dem Verschweißen zunächst geheftet werden, wobei sie nur während des Heftens gespannt werden, um die Einhaltung einer maximalen Spaltweite zu gewährleisten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweissen mittels vorherigem Heften gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE 100 48 233 A1 bekannt. Ein ähnliches Verfahren ist in der DE 44 39 357 C2 offenbart.
• Beim Schweissen mit Schweissverfahren hoher Leistungsdichte, insbesondere Laserstrahlschweissen, Elektronenstrahlschweissen oder Plasmaschweissen, dürfen die Spalte zwischen den Fügepartnern eine maximale prozess- und materialabhängige Spaltweite nicht überschreiten. Von besonderer Bedeutung ist dies beim Überlappschweissen von Karosserieblechen im Automobilbau. Aus diesem Grunde müssen die Bleche in der Regel in unmittelbarer Nähe der Schweissstelle gespannt werden.
• Üblicherweise wird zum Spannen eine fixe Spanntechnik mit einer Vielzahl von Spannelementen verwendet, welche die Einhaltung der zulässigen Spaltweite an jeder Stelle jeder Schweissnaht gewährleisten.
• In der DE 198 03 734 C2 wird eine mitbewegte Spanntechnik vorgeschlagen. Dazu fährt ein Andrückelement, welches gleichzeitig den Schweissdraht zuführt, über die verschweissenden Bleche und drückt diese zusammen. Ein Laserschweisskopf ist starr mit dem Andrückelement verbunden und relativ dazu starr ausgerichtet, damit er den Schweissdraht aufschmelzen kann. Bei dieser Ausgestaltung sind Spann- und Schweissgeschwindigkeit gekoppelt.
• Moderne Schweissverfahren, z.B. Laser-Scanner-Schweissen, können Schweissgeschwindigkeiten erreichen, die wesentlich höher sind als die erreichbare Bewegungsgeschwindigkeit einer mitbewegten Spannvorrichtung. Letztere ist u.a. begrenzt durch das Erfordernis, die aufeinander justierten Bleche nicht durch Impulsübertrag zu dejustieren.
• In der DE 44 14 464 C1 wird vorgeschlagen, ganz auf Spanntechnik zu verzichten. Die Bleche sollen lediglich übereinander positioniert werden, dann mittels Laser entlang der beabsichtigten Schweissnaht mittels mehrerer Punktschweissungen geheftet werden und danach verschweisst werden.
• Dieses Verfahren mag für flache Bleche funktionieren. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass bei komplexerer Geometrie Spaltweiten auftreten, die ohne Spanntechnik nicht überbrückt werden können.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Laserstrahlschweissen anzugeben, welches einerseits die Einhaltung einer maximalen Spaltweite zwischen den Blechen gewährleistet und andererseits eine maximale Ausnutzung der erreichbaren Schweissgeschwindigkeit ermöglicht.
• Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren zum Laserstrahlschweißen durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 2 bis 5).
• Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei Bleche in der für das Verschweissen erforderlichen Weise zueinander positioniert werden, danach mit einem Laserstrahl zusammengeheftet werden, danach mit einem Laserstrahl verschweisst werden, wobei mehrfach alternierend lokal geheftet und lokal geschweisst wird, wobei die Bleche zum Heften mittels einer Spannvorrichtung derart lokal gespannt werden, dass lokal eine vorgebbare maximale Spaltweite zwischen den Blechen gewährleistet wird.
• Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens hat den Vorteil, dass die Bewegung der Spannvorrichtung und die des Schweissstrahls voneinander entkoppelt werden und so die erste die zweite nicht mehr begrenzt. Gespannt wird jeweils dort, wo geheftet werden soll und dann, wenn geheftet werden soll. So wird die Spanndauer, d.h. der Zeitraum der Krafteinleitung und die Haltezeit, minimiert.
• Darüber hinaus wird die Einhaltung einer maximalen Spaltweite jederzeit gewährleistet, nämlich beim Heften durch die Spannvorrichtung und beim Schweissen durch die Heftnaht.
• Außerdem wird die Laserarbeitszeit im Vergleich zur DE 44 14 464 C1 besser ausgenutzt, da nicht erst alle Heftstellen geschweisst werden und dann der Laserstrahl den gesamten Weg zur ersten Heftstelle zurückfahren muss, um mit dem Verschweissen zu beginnen, sondern der Laserstrahl direkt nach dem Heften ohne Umweg mit dem Verschweissen beginnt – allerdings ohne dazu noch die Spannvorrichtung zu benötigen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des lokalen Schweissens die Spannvorrichtung zur nächsten lokalen Heftstelle versetzt.
• Dadurch wird die Gesamtprozesszeit verringert.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Versetzen der Spannvorrichtung mit verringerter oder ohne Andruckkraft. Dadurch wird die Gefahr einer Dejustierung der zueinander ausgerichteten Bleche durch unbeabsichtigten Impulsübertrag der Spannvorrichtung minimiert.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Heften mittels mindestens einer länglichen Naht von vorzugsweise circa 2 bis 5 mm Länge (abhängig von Materialstärken, Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit, Rückfederkräften etc.). Häufig sind die Spaltweiten und die gegen das Zusammenspannen wirkenden Kräfte so groß, dass eine Mindestheftfläche erforderlich ist, um ein Wiederaufreisen der Heftnaht zu verhindern.
• Heftnaht und Schweissnaht können entsprechend den Bauteilgegebenheiten unabhängig voneinander positioniert werden, d.h. die Heftnaht kann komplett außerhalb der späteren Naht liegen, erstere kann letztere kreuzen oder überlappen sowie auch vollständig Teil der letzteren sein.
• Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die längliche Heftnaht senkrecht zur späteren Schweissnaht angeordnet wird, da dadurch die Gesamtfestigkeit der Fügestelle maximiert wird.
• Alternativ kann die spätere Schweißnaht auch von zwei links- und rechtsseitig vorzugsweise senkrecht zu ihr verlaufenden Heftnähten umrandet werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgen Heften und Schweissen mittels eines Laser-Scanners.
• Eine Laser-Scanner weist eine besonders schnelle und flexible Strahl-ablenk-Einrichtung auf, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegeln, vgl. z.B. DE 100 27 148 A1 ) oder auch akusto-optische Modulatoren.
• Der große Vorteil besteht darin, daß die leicht programmierbare Scanner-Einrichtung den Laserstrahl in sehr kurzen Zeiträumen auf nahezu beliebigen Bearbeitungsbahnen über die zu bearbeitende Fläche lenken kann und so insbesondere auch fein abgestimmte Änderungen der Schweißgeschwindigkeit oder komplizierter gestaltete laterale Strahlbewegungsbahnen problemlos darstellen kann. Insbesondere der erfindungsgemäße Wechsel zwischen Heften und Schweissen ist mit einem Laser-Scanner sehr schnell und einfach möglich und ermöglicht so eine nahezu kontinuierliche Ausnutzung der Laserleistung.
• Nachfolgend wird anhand von drei Ausführungsbeispielen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
  In einem ersten Ausführungsbeispiel werden zwei Stahlbleche zueinander ausgerichtet und beabsichtigte Schweissnähte definiert. Eine Scanner-Einrichtung wird gleichmäßig darüber verfahren und lenkt einen Laserstrahl über die Bearbeitungsfläche. Die Scanner-Einrichtung besteht aus einem dreidimensional schwenkbaren computer-gesteuerten Spiegelsystem. Die Scannereinrichtung weist circa 300 mm Abstand zur Oberfläche des Bleches auf, der Laserfokus befindet sich auf der zu schweißenden Oberfläche. Die Laserleistung beträgt circa 3500 Watt, die Schweißgeschwindigkeit beträgt circa 5 Meter pro Minute.
• Eine Spannvorrichtung wird entlang der beabsichtigten Schweissnähte ohne Andruckkraft geführt. Sobald sie eine beabsichtigte Schweissnaht erreicht hat, spannt sie die beiden Bleche kurzzeitig zusammen. Die Spanndauer beträgt circa 50 ms und ist gerade ausreichend, um lokal eine längliche Heftnaht von circa 4 mm Länge und circa 0,5 mm Breite zu schweissen. Die Heftnaht ist senkrecht zur Bewegungsrichtung der Spannvorrichtung (und zur Hauptachse der eigentlichen Schweissnaht) ausgerichtet.
• Nach dem Heften wird die Spannvorrichtung gelöst und kraftlos mit hoher Geschwindigkeit zur nächsten Heftstelle in circa 50 mm Entfernung weitergeführt. Währendessen wird in der direkten Umgebung der Heftstelle, d.h. mit einem material- und prozessspezifischen Maximalabstand zur Heftnaht (hier circa 10 mm), die eigentliche Verbindung der Bleche geschweisst. Dazu wird der Laserstrahl mittels der Scanner-Einrichtung vom Ende der Heftnaht zum Beginn der Schweissnaht geführt.
• Die Schweissnaht kann beliebige Form haben, solange sie nur eine ausreichende Länge und Festigkeit aufweist, um eine dauerhafte Verbindung der Bleche zu gewährleisten. Als besonders geeignet hat sich die Form einer geschwungenen Klammer (zu circa einem Viertel entlang der Hauptachse geöffnete Ellipse) erwiesen. Diese Klammer wird so geschweisst, dass ihre Hauptachse senkrecht zur Ausrichtung der Heftnaht verläuft, welche im Zentrum der Klammer angeordnet ist. Die Klammer hat eine Länge von circa 12 mm und eine Breite von circa 5 mm. Zum Schweissen dieser Naht werden circa 300 ms benötigt, in denen die Spannvorrichtung zur nächsten Heftstelle bewegt wird.
• Alternativ kann aber auch eine gerade Naht von circa 20 mm Länge senkrecht durch die Heftnaht und zu beiden Seiten gleichmäßig überstehend geschweisst werden.
• Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden an jeder Fügestelle jeweils zwei Heftnähte von circa 2 mm Länge senkrecht zur Bewegungsrichtung der Spannvorrichtung im Abstand von circa 20 mm geschweisst. Dieser Abstand ist ausreichend klein, damit die Spannvorrichtung nicht erneut versetzt und gespannt werden muss, um die maximale Spaltweite zu gewährleisten. Nach dem Schweissen beider Heftnähte wird die Spannvorrichtung gelöst und zur nächsten Fügestelle geführt. Währenddessen wird die oben beschriebene Klammer oder auch nur eine gerade Linie zentral zwischen den beiden Heftnähten geschweisst.
• Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel werden beschichtete Bleche verschweisst. Diese sind auf den zueinander zeigenden Seiten mit Noppen (minimalen Topographieänderungen von circa 100 μm Höhe) versehen. Dadurch wird auch im eingespannten Zustand ein Minimalabstand zwischen den Blechen gewährleistet, in den die beim Schweissen verdampfende Beschichtung störungsfrei entweichen kann. Das Heften und Schweissen der beschichteten Bleche erfolgt analog zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Laserschweißen von Stahl-Blechen in der Automobilindustrie.
• Insbesondere kann so eine deutliche Reduzierung der Fügezeiten bei gleichzeitiger Gewährleistung der Fügequalität erreicht werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Laserstrahlschweissen bei dem mindestens zwei Bleche – in der für das Verschweissen erforderlichen Weise zueinander positioniert werden, – danach zusammengeheftet werden, wobei die Bleche zum Heften mittels einer Spannvorrichtung derart lokal gespannt werden, dass lokal eine vorgebbare maximale Spaltweite zwischen den Blechen gewährleistet wird, – danach mit einem Laserstrahl verschweisst werden, dadurch gekennzeichnet, – dass mehrfach alternierend lokal geheftet und lokal geschweisst wird, wobei das Heften mit einem Laserstrahl erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des lokalen Schweissens die Spannvorrichtung zur nächsten lokalen Heftstelle versetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versetzen der Spannvorrichtung mit verringerter oder ohne Andruckkraft erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heften mittels mindestens einer länglichen Naht erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Heften und Schweissen mittels eines Laser-Scanners erfolgen.