DE19500512A1 - Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ver­ schweißen von Werkstücken mit eine Verdampfung von Werkstoff bewirkender Laserstrahlung, bei dem im Nahtbereich winklige Flächen und mindestens eine Kante aufweisende Werkstücke ein­ gesetzt werden, insbesondere Taylored Blanks oder verzinkte Bleche.

Beim Verschweißen von Blechen und von aus Blechen beste­ henden Bauteilen werden Laserschweißverfahren eingesetzt. Solche Bauteile werden als Taylored Blanks bezeichnet und sind beispielsweise Bestandteile einer Karosseriebaugruppe eines Kraftfahrzeugs. Als konkretes Beispiel für Taylored Blanks werden hier stark gewölbte tunnelförmige Bleche zur Umkleidung einer Kardanwelle eines hinterradangetriebenen Kraftfahrzeugs genannt, die mit daran anschließenden Boden­ blechen verschweißt werden müssen. Um die gewünschte hochwer­ tige Verschweißung solcher Taylored Blanks zu erreichen, müs­ sen die betreffenden Bleche eine möglichst präzise Nahtvorbe­ reitung erfahren, wie auch eine exakte Positionierung zum Verschweißen. Hinzu kommen besondere Maßnahmen bei der Posi­ tionierung des Bearbeitungskopfs der Laserschweißvorrichtung, damit der Laserstrahl ungestört durch die vorspringende Kante des dickeren Bauteils die Laserstrahlung dort zur Wirkung bringen kann, wo sie für eine hochwertige Verschweißung benö­ tigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß Aufwendungen für eine präzise Nahtvorberei­ tung beim Herstellen der Werkstücke und bei ihrer Positionie­ rung zum Verschweißen entfallen können, ohne daß dadurch die Qualität der Schweißverbindung beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verschweißen der Werkstücke außer der Laserstrahlung ein Lichtbogen in den werkstücknahen Prozeßbereich der Laserstrahlung geführt wird, wobei die Führung des Lichtbogens auf der Kante eines Werkstücks erfolgt.

Da es beim Verschweißen von Taylored Blanks bzw. von im Nahtbereich unterschiedlich dicken Werkstücken durchweg schwierig ist, mit einem einzigen Mittel zur Zuführung von Schweißenergie ein befriedigendes Ergebnis zu erreichen, liegt die Hauptbedeutung der Erfindung zunächst darin, die Schweißenergie außer mit der Laserstrahlung auch mit einem Lichtbogen zuzuführen. Die durch den Lichtbogen zugeführte Energie dient dem zumindest teilweisen Aufschmelzen der vor­ springenden Kante des dickeren Werkstücks, wobei der Lichtbo­ gen von der Elektrode im wesentlichen mit dieser vorspringen­ den Kante geführt wird. Der durch den Laserprozeß generierte Metalldampf, bzw. das Plasma sowie die hohe Feldstärke an der Kante beeinflussen des Lichtbogen derart, daß eine stabile Abschmelzung der freiliegenden Schnittkante und ein Einflie­ ßen der Schmelze in die Verbindungszone der Bleche auch bei hohen Prozeßgeschwindigkeiten erfolgt. Dabei wird also diese Kante abgeschmolzen und damit abgerundet. Abgeschmolzene Schmelze fließt in den Schweißbereich und einen hier mögli­ cherweise vorhandenen Spalt, der infolgedessen zumindest zum Teil ausgefüllt bzw. aufgefüllt wird. Insbesondere wird ein eine Kerbwirkung im Werkstück bewirkender Nahteinfall vermie­ den. Insgesamt erfolgt eine Abrundung des Verschweißungsbe­ reichs bzw. des Nahtbereichs. Die in den Nahtbereich einflie­ ßende Schmelze ermöglicht es, weniger präzise Nahtvorberei­ tungen zuzulassen und die Positionierungsgenauigkeit der zu verbindenden Werkstücke mit größeren Toleranzen zu gestatten. Die Fehlerhäufigkeit wird durch das größere Schmelzvolumen geringer, so daß der Verschweißungsprozeß sicherer wird. Au­ ßerdem werden höhere Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht, weil durch den Lichtbogen vergleichsweise mehr Energie einge­ koppelt werden kann. Das Schweißverfahren wird dadurch preis­ werter.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht nur zum Verschweißen von Taylored Blanks geeignet. Es eignet sich vielmehr für alle Werkstücke, die im Nahtbereich winklige Flächen und mindestens eine Kante aufweisen. Es erfolgt dann stets eine Führung des Lichtbogens auf der Kante eines Werk­ stücks und zwischen den Werkstücken evtl. befindliche Spalte können durch Abschmelzen der Kante aufgefüllt werden. Sämtli­ che Vorteile des Hybridschweißens sind zu verwirklichen: hö­ here Geschwindigkeit, geringere Leistung, größerer Wirkungs­ grad, geringe Betriebskosten sowie die Möglichkeit, auch grö­ ßere Spalte überbrücken zu können.

Die beiden winkeligen Flächen und deren mindestens eine Kante bilden eine Kehlnahtanordnung, die auch beim Verschwei­ ßen beschichteter, insbesondere verzinkter Werkstücke mit Vorteil verwendet werden kann.

Im Falle des Verschweißens von Taylored Blanks wird das Verfahren vorteilhafterweise so durchgeführt, daß zwei unter­ schiedlich dicke Werkstücke angeordnet werden und der Licht­ bogen im wesentlichen auf der vorspringenden Kante des dicke­ ren Werkstücks geführt wird. Infolgedessen erfolgt nur auf einer Seite des stumpfen Stoßes ein Werkstückvorsprung, mit dem der Lichtbogen sicher geführt werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren so durchgeführt, daß ein vorlaufender Lichtbogen, ein nachlau­ fender Lichtbogen oder ein außerhalb der Spur des Laser­ strahls seitlich von diesem etwa auf gleicher Höhe laufender Lichtbogen vom dünneren Werkstück aus im Winkel angestellt verwendet wird. Mit sämtlichen vorbeschriebenen Verfahrens­ maßnahmen der Führung des Lichtbogens in den werkstücknahen Prozeßbereich, also in den Bereich der Entwicklung von Me­ talldampf bzw. laserinduziertem Plasma, lassen sich die vor­ beschriebenen Hauptvorteile erreichen. Es ist jeweils mög­ lich, die vorspringende Kante des dickeren Werkstücks abzu­ runden, ohne daß der im wesentlichen vertikale Laserstrahl abgeschattet wird.

Insbesondere letzteres gilt auch für die nachlaufende Elektrode, deren Lichtbogen hinter der Elektrode auf einer vergleichsweise scharfen vorspringenden Kante des dickeren Werkstücks im Prozeßbereich der Laserstrahlung geführt wird, wobei durch die zusätzlich entstehende Schmelze ebenfalls ein homogener Übergang zwischen den beiden oberen Flächen der miteinander verbundenen Werkstücke erreicht werden kann. Eine Geschwindigkeitssteigerung hat sich insbesondere beim Ver­ schweißen dünner Bleche ergeben, deren Wärmeabfuhr aus dem Verschweißbereich vergleichsweise gering ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt wer­ den, daß als Werkstücke zwei Bleche verwendet werden, von denen eines mit einer Kantenfläche winklig zu einer Seiten­ fläche des anderen Blechs angeordnet wird und der Lichtbogen im wesentlichen von der Kante des einen Blechs geführt wird. Diese spezielle Anordnung der beiden Bleche ermöglicht es, das aus kombiniertem Laserstrahl- und Lichtbogenschweißen be­ stehende Hybridschweißen auch bei herkömmlichen Bauteilen mit Kantenführung des Lichtbogens auszuführen und eine dement­ sprechende Verbindungssicherheit zu erreichen.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß als Werk­ stücke zwei verzinkte Bleche verwendet werden, von denen ei­ nes zu einer Seitenfläche des anderen Blechs in der Nähe des Nahtbereichs unter einem Winkel angestellt wird. Infolgedes­ sen bildet die Kantenfläche des angestellten Blechs einen spitzen Winkel mit der benachbarten Seitenfläche des anderen Blechs und die Seitenfläche des im Winkel angestellten Blechs bildet mit der Seitenfläche des anderen Blechs ebenfalls einen spitzen Winkel. Das im Nahtbereich befindliche Zink kann durch die vorlaufende Schweißwärme verdampfen, so daß die Schmelze eine ausreichende Verbindung herstellt.

Das Verfahren kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, daß als Werkstücke zwei Bleche verwendet werden, deren Kantenflächen die winkeligen Flächen und zwei Kanten des Nahtbereichs bilden, auf denen der Lichtbogen geführt wird. Dabei stehen also die Bleche bzw. deren Kantenbereiche so im Winkel zu einander, daß die Kantenführung des Lichtbo­ gens erreicht wird. Dieses Verfahren kann auch mit verzinkten Blechen durchgeführt werden, da das Zink zu beiden Seiten der Bleche ungehindert wegdampfen kann. Die vorbeschriebene Ver­ wendung der beiden Bleche ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn diese gleiche Dicke aufweisen.

Die vorbeschriebenen Verfahren sind insbesondere für den Einsatz im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen von Bedeutung. Das Verfahren wird hierbei vorteilhaft durchgeführt, wenn mit ihm Blechhohlträger hergestellt werden.

Das Verfahren kann derart durchgeführt werden, daß außer einer dem Laserstrahl vorlaufenden Elektrode gleichzeitig auch eine dem Laserstrahl nachlaufende Elektrode verwendet wird, daß mit dem Lichtbogen der vorlaufenden Elektrode die vorspringende Kante im Sinne eines Abrundens angeschmolzen wird, und daß der Lichtbogen von der nach laufenden Elektrode mit dieser in die Dampfkapillare des Laserstrahls hin­ eingeführt wird.

Bei diesem Verfahren werden gleichzeitig zwei Elektroden eingesetzt, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Mit dem Lichtbogen der vorlaufenden Elektrode wird die vorspringende Kante des dickeren Werkstück im Sinne einer Abrundung ange­ schmolzen. Dieses Abschmelzen sorgt für eine niveaumäßige Ho­ mogenisierung im Nahtbereich und liefert Werkstoff in einen etwaigen Spalt. Durch den Lichtbogen der nachlaufenden Elek­ trode wird Energie in den Schweißbereich und insbesondere in die durch den Laserstrahl gebildete Dampfkapillare geliefert, wenn der Lichtbogen mit der nachlaufenden Elektrode entspre­ chend geführt wird. Es kann eine erhebliche Geschwindigkeits­ steigerung erreicht werden. Es kann aber auch ein Tief­ schweißprozeß erreicht werden, der es gestattet, bei gleicher Schweißgeschwindigkeit eine größere Schweißtiefe zu errei­ chen, um dickere Werkstücke miteinander zu verschweißen.

Es ist in besonderer Weise vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß eine Lichtbogenzündung einer oder mehrerer Elektroden mit intensitätsmodulierter und/oder gepulster La­ serstrahlung erfolgt, daß der Lichtbogen nach seiner Zündung von selbst erlischt oder seine Elektrodenspannung unter die Brennspannung gesenkt wird, und daß danach eine erneute Lichtbogenzündung erfolgt. Infolge der Intensitätsmodulierung und/oder infolge der Pulsung der Laserstrahlung kann ggfs. unter Einflußnahme auf den Lichtbogen erreicht werden, daß der Lichtbogen nicht ununterbrochen brennen kann oder bei un­ unterbrochenem Brennen weitergezogen wird. Er brennt zwangs­ weise dort, wo der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werk­ stücks trifft und für eine Vorionisierung sorgt. Entsprechend dieser Vorionisierung gibt es einen Weg des geringsten Wider­ stands von der Elektrode zur Oberfläche des Werkstücks, den sich der Lichtbogen sucht. Da die Vorionisierung im Bereich der Dampfkapillaren am größten ist, wird der Lichtbogen zu­ sätzlich thermische Energie genau dort der Bearbeitungsstelle des Werkstücks zuführen.

Um zu erreichen, daß der hinter dem Laserstrahl erzeugte Lichtbogen ggfs. trotz der bereits durch den vorlaufenden Lichtbogen abgerundeten Kante des dickeren Werkstücks mög­ lichst wenig seitlich abgelenkt wird und infolgedessen nur zum Teil der durch den Laserstrahl bedingten Vorionisierung des Schweißbereichs folgt, wird das Verfahren so durchge­ führt, daß die nachlaufende Elektrode aus der Spur des Laser­ strahls, von der abgerundeten Kante des dickeren Werkstücks entfernt geführt wird. Die Kante des dickeren Werkstücks hat dann nicht mehr durch eine entsprechende Ausbildung des elek­ trischen Felds die Möglichkeit, den Lichtbogen von der Dampf­ kapillaren abzulenken.

Wenn der Laserstrahl stärker fokussiert ist, als ein von den Werkstücken gebildeter Spalt breit ist, ergibt sich die Möglichkeit höhere Intensitäten der Laserstrahlung anzuwenden und damit höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Höhere In­ tensitäten durch stärkere Fokussierung lassen sich bei einem Verfahren ohne Anwendung eines zusätzlichen Lichtbogens zwar ebenfalls erreichen und damit wäre auch eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit möglich, jedoch würde die Naht derart schlank werden, daß sich bereits geringste Fehler bei der Kantenvorbereitung extrem negativ auswirken und kaum noch ei­ ne vernünftige Schweißnahtgeometrie entstehen würde. Bereits geringe Spalte zwischen den Werkstücken würden von einem stärker fokussierten Laserstrahl voll durchstrahlt werden, ohne daß die beiden Werkstücke miteinander zu verbinden wä­ ren.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung zum Verschweißen von Taylored Blanks mit Hilfe von Laserstrahlung und Lichtbogen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung der Fig. 1 in Richtung A,

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung zur Erläu­ terung des Tiefschweißeffekts,

Fig. 4 zwei Schnittbilder durch den Nahtbereich zweier miteinander verschweißter Taylored Blanks bei herkömmlichem Verschweißen mit Laserstrahlung und beim Verschweißen mit kombinierter Laser­ strahl/Lichtbogen-Verschweißung, im sogenannten Hybrid-Schweißverfahren,

Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung für das Ver­ schweißen zweier Werkstücke, nämlich zweier einan­ der benachbarter paralleler Bleche,

Fig. 6 ein Schnittbild durch den Nahtbereich bei kombi­ nierter Laserstrahl/Lichtbogen-Verschweißung,

Fig. 7a bis 7g einander ähnliche schematische Darstel­ lungen von schweißfertigen oder verschweißten Werkstücken im Schnitt, und

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines Blechhohl­ trägers mit zwei unterschiedlichen Nahtausbildun­ gen.

Die Fig. 1, 2 zeigen zwei Werkstücke 10, 11, deren Unter­ seiten 19, 20 in derselben Ebene angeordnet sind, also mitein­ ander fluchten. Die Werkstücke 10, 11 haben unterschiedliche Dicken 10′, 11′, so daß das Werkstück 11 vertikal vorspringt. Bei der insbesondere aus Fig. 2 ersichtlichen Anordnung in Form eines stumpfen Stoßes wird ein Nahtbereich 12 gebildet, über den eine Kante 18 des dickeren Werkstücks vertikal vor­ springt.

Um die Werkstücke 10, 11 miteinander zu verschweißen, ist von einer Laserschweißvorrichtung nur die Bearbeitungsoptik durch eine Fokussierlinse 23 symbolisiert. Mit dieser Fokus­ sierlinse 23 wird ein Laserstrahl 14 auf den Nahtbereich 12 fokussiert. Es ist ersichtlich, daß dabei die vorspringende Kante 18 stört, nämlich einen Teil der Laserstrahlung ab­ schattet.

Mit Hilfe der Laserstrahlung des Laserstrahls 14 wird im Nahtbereich 12, in dem die Werkstücke 10, 11 dicht aneinander­ liegen oder im Falle einer schlechten Nahtvorbereitung oder infolge von Positionierungstoleranzen einen Spalt 22 bilden, Werkstoff verdampft. Es bildet sich das schematisch darge­ stellte laserinduzierte Plasma aus, also ionisierter Werk­ stoff in Gasform bzw. Werkstoff in Dampfform, der sich ent­ sprechend den eingezeichneten Pfeilen vom Nahtbereich 12 ent­ fernt. Die sich infolgedessen ausbildende Dampfkapillare 21 ist also ein mit Metalldampf gefüllter Hohlraum, beidseitig begrenzt von Schmelze 24, wobei dieser Werkstoff infolge der Einkopplung von Energie der Laserstrahlung geschmolzen wird. In den Darstellungen ist v_S die relative Vorschubgeschwindig­ keit der Werkstücke 10, 11, wobei die im Nachlauf zur Dampfka­ pillaren 21 angeordnete Schmelze wegen ihrer Aufheizung und der zur Erstarrung erforderlichen Zeit ein größeres Volumen besitzt, als der vergleichsweise dünne Schmelzefilm zwischen der Kapillaren 21 und der festen Schmelzfront 25.

In Fig. 1 sind zwei Elektroden 15, 16 dargestellt. Beide Elektroden 15, 16 sind WIG-Elektroden, bestehen also aus einem Elektrodenstab 26 aus Wolfram, der in Verbindung mit einem Inertgas eingesetzt wird. Bei Anwendung einer geeigneten Elektrodenspannung bildet sich zwischen einem Elektrodenkör­ per 26 und den eine Gegenelektrode bildenden Werkstücken 10, 11 ein Lichtbogen 13 bzw. 17 aus. Alle Elektroden sind je­ weils im Winkel zum werkstücknahen Prozeßbereich hin ange­ stellt.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Elektrode 15 dem La­ serstrahl 14 vorläuft und dementsprechend auch der zugehörige Lichtbogen 13. Der Lichtbogen 13 fußt gemäß Fig. 2 auf der Kante 18 des dickeren Werkstücks 11. Er bewirkt hier ein Auf­ schmelzen des Werkstoffs dieser Kante 18, der als Schmelze in den Nahtbereich 12 abfließen kann. Die Schmelze fließt in einen hier möglicherweise vorhandenen Spalt oder sammelt sich so an, daß eine Abrundung des Eckbereichs zwischen dem dünne­ ren Werkstück 10 und der vertikalen Fläche des dickeren Werk­ stücks 11 erfolgt. Das ergibt sich durch Vergleich der beiden Darstellungen der Fig. 4. In dieser Figur ist links der Naht­ bereich zweier in herkömmlicher Weise durch Laserstrahlung verschweißter Taylored Blanks dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß mit einem wesentlichen Nahteinfall sowohl auf der Werkstückoberseite, als auch auf der Werkstückunterseite der Werkstücke 10, 11 gerechnet werden muß. Es ergibt sich auch ein qualitätsmindernder Verzug im Bereich 12 der Schweißnaht, wie aus der nicht vertikalen freien Seitenfläche unterhalb der Kante 18 des dickeren Werkstücks 11 ersichtlich ist. Im Vergleich dazu zeigt sich der Nahtbereich 12 bei dem Verschweißen der Werkstücke 10, 11 mit zur Laserstrahlung zu­ sätzlicher Verschweißung mit einem Lichtbogen stark abge­ flacht. Eine für die Verbindungsfestigkeit schädliche Kerb­ wirkung durch Nahteinfall braucht nicht befürchtet zu werden.

Fig. 1 zeigt außer der vorlaufenden Elektrode 15 eine nachlaufende Elektrode 16, deren Lichtbogen 17 allerdings nicht auf der Kante 18 des dickeren Werkstücks 11 fußt. Viel­ mehr wird der Lichtbogen 17 von dem Elektrodenstab 26 ausge­ hend in die Dampfkapillare 21 des Laserstrahls 14 hineinge­ führt, was sich im wesentlichen auch durch die Laserstrahlung bewirkte Vorionisierung ergibt, so daß das Plasma 17 der Elektrode 16 infolge des laserinduzierten Plasmas zum Laser­ strahl 14 hin bzw. etwa gradlinig bis zur oberen Öffnung der Dampfkapillaren 21 und dann in diese hinein verläuft. Dabei kann eine vollständige Durchschweißung über die gesamte Werk­ stückhöhe erreicht werden.

Fig. 3 zeigt, wie die Führung des Plasmas 17 durch das laserinduzierte Plasma in die Dampfkapillare 21 hinein dazu benutzt werden kann, um einen Tiefschweißeffekt zu bewirken, bei dem also die über das Plasma des Lichtbogens 17 eingekop­ pelte Energie bis in die Tiefe der Dampfkapillare 21 vordrin­ gen kann, um dabei in die Wände der Dampfkapillaren eingekop­ pelt zu werden. Für die Führung des Lichtbogens vorteilhafte Maßnahmen sind ausführlich in der Deutschen Patentanmeldung P 43 34 568.9 beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit voll­ inhaltlich Bezug genommen wird. Insbesondere erfolgt eine Lichtbogenzündung der nachlaufenden Elektrode 16 mit intensi­ tätsmodulierter und/oder gepulster Laserstrahlung. Der Licht­ bogen 17 kann nach seiner Zündung entweder selbst erlöschen, oder seine Elektrodenspannung wird unter seine Brennspannung gesenkt, so daß dadurch das Erlöschen bewirkt wird. Anschlie­ ßend erfolgt mit der moduliert ansteigenden Elektrodenspan­ nung oder einer erneuten Pulsung eine erneute Lichtenbogen­ zündung vom Elektrodenkörper 26 in den vorionisierten Bereich des laserinduzierten Plasmas hinein.

Die der Fig. 2 ähnliche Darstellung der Fig. 5 ist für gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Inso­ weit wird auf die Beschreibung zu Fig. 2 Bezug genommen. Ab­ weichend von Fig. 2 sind in Fig. 5 zwei Bleche dargestellt, de­ ren Anordnung der Anordnung in Fig. 7b entspricht. Es ist aus Fig. 5 ersichtlich, daß der von der WIG-Elektrode 15 ausge­ hende Lichtbogen 13 auf der Kante 18 des Werkstücks 11 fußt und hier ein Aufschmelzen des Werkstoffs bewirkt, der als Schmelze in den Nahtbereich 12 abfließen kann. Die weitere Bezeichnung der Elektrode mit 16 bringt zum Ausdruck, daß das Verfahren gem. Fig. 1 auch mit nachlaufender oder seitlich der Schweißnaht geführter Elektrode 16 durchgeführt werden kann, wie zu Fig. 1 beschrieben wurde. Beim Abfließen der Schmelze in den Nahtbereich 12 entsteht eine Naht gem. Fig. 6, dergemäß Fig. 2 etwa gleichstarke Werkstücke 10, 11 mit geringem Spalt 27 zwischen sich verschweißt wurden, und zwar mit einem Hybridverfahren mit Nd : YAG-Laser und TIG-Elektrode. Die Ab­ schmelzung der Kante 18 hat zu der ersichtlichen ver­ gleichsweise flachen Front im Nahtbereich 12 geführt, wobei nicht durchgeschweißt wurde, abweichend von der schematischen Darstellung der Fig. 5. Wäre das Werkstück 11 dicker, also beispielsweise dreimal so dick, wie das Werkstück 10, so wür­ de sich eine steilere Nahtfront ergeben, weil die Abschmel­ zung der Kante 18 vergleichsweise geringer sein kann.

Fig. 7b zeigt die schematische Anordnung der Werkstücke 10, 11 im Nahtbereich 12 vor der Verschweißung. Das als Blech ausgebildete Werkstück 11 ist im Kantenbereich 12 mit einer Abkröpfung 28 versehen, so daß der abgekröpfte Blechrand 11′′ der benachbarten Seitenfläche 29 des ebenfalls als Blech ausgebildeten Werkstücks 10 anliegend benachbart werden kann. Beim Hybridschweißen werden der in Fig. 7b gestrichelt ange­ deutete Nahtbereich und die Kante 18 aufgeschmolzen, so daß sich insgesamt der in Fig. 7c dargestellte Schweißnahtquer­ schnitt 30 ergibt. Die Nahtfront 31 ist schräg und etwa unter 45 Grad geneigt.

Wird das Werkstück 11 mit seinem Blechrand 11′′ gem. Fig. 7d unter Spaltbildung dem Werkstück 10 benachbart ange­ ordnet, so ist eine Aufschweißung der Kante 18 durch den Lichtbogen der Elektrode 15 gem. Fig. 5 ebenfalls möglich, wo­ bei sich ein etwas größerer Schweißnahtquerschnitt 30 ergibt, möglicherweise mit einem leichten Nahteinfall infolge des Spalts 32. Bei dieser Anordnung ist die Kantenfläche 33 des Werkstücks 11 spitzwinklig zur Seitenfläche 29 des Werkstücks 10 angeordnet.

Beim Überlappschweißen verzinkter Bleche entstehen spe­ ziell im Karosserie- oder Automobilbaubereich Probleme. Ursa­ che ist die niedrige Verdampfungstemperatur des Zinks. Ver­ dampfendes Zink führt aufgrund des entstehenden hohen Dampf­ drucks zu Schmelzauswürfen. Fig. 7a zeigt als verzinkte Bleche ausgebildete Werkstücke 10, 11, die im Schweißbereich überlap­ pend aneinanderliegen. Das herkömmliche Verschweißen und auch das Hybridschweißen führt zu einer fehlerhaften Schweißnaht, wobei die Fehler beispielsweise als Löcher auftreten, weil die Schmelze vom Zinkdampf ausgetrieben wurde. Es ist allgemein bekannt, die Werkstücke mit einem definierten Spalt zu einander anzuordnen. Der Spalt ermöglicht dem Zink zu ver­ dampfen, ohne die Schweißnaht zu beeinträchtigen. Wird der Spalt jedoch zu groß, z. B. größer als 0, 5 mm, so kann auch beim Hybridschweißen das fehlende Schmelzvolumen durch das größere Gesamtschmelzbad nicht mehr ausgeglichen werden.

Um zu erreichen, daß auch verzinkte Bleche im Hybrid­ schweißverfahren einwandfrei zu verschweißen sind, wird das in den Fig. 7b bis 7d dargestellte Verfahren modifiziert. Bei­ behalten wird dabei die Verkürzung bzw. Verschmälerung des Blechrand 11′′ gegenüber dem Werkstück 10, dessen Unterkante 34 gegenüber der Kantenfläche 33 vorspringt. Infolgedessen wird bei einer Anordnung gem. Fig. 7b zwischen der Kanten­ fläche 33 und der Seitenfläche 29 ein rechter Winkel erzielt.

Abweichend von Fig. 7b wird das Werkstück 11 gem. Fig. 7e mit Blechrand 11′′ im Winkel zum Werkstück 10 bzw. dessen Seitenfläche 29 angestellt. Der Winkel α beträgt beispiels­ weise 35 Winkelgrad. Die Kröpfung 28 ist vergleichsweise offen. Die Kantenfläche 33 bildet mit der Seitenfläche 29 einen spitzen Winkel, ebenso wie die Seitenfläche 35 des Blechrands 11′′. Die dem Werkstück 10 nahe Kante 36 des Werkstücks 11 liegt an der Seitenfläche 29 an, so daß sich über die Länge gesehen eine Linienberührung ergibt. Der aufzuschmelzende Nahtquerschnitt ist gestrichelt angedeutet.

Bei Verschweißen der in Fig. 7e dargestellten Konfigura­ tion kann der Zinkdampf aus dem Nahtbereich 12 entweichen, wie es durch die Pfeile in den Fig. 7e und 7f dargestellt wurde. Beim Verschweißen entsteht eine einwandfreie, löcher­ freie Naht mit Nahtquerschnitt 30. In Fig. 7g hat das Werkstück 11 einen etwas größeren Abstand vom Werkstück 10, als in Fig. 7f. Infolgedessen entsteht ein Spalt 32, der ein noch besseres Entweichen von Zinkdampf ermöglicht. Der Nahtquer­ schnitt 30 weicht von dem der Fig. 7f etwas ab, bedingt durch einen geänderten Schmelzeabfluß von der Kante 18 bzw. der Kantenfläche 33 des Werkstücks 11. Es wird jedoch eine aus­ reichende Verbindungsfestigkeit auch bei vorhandenem Spalt 32 erreicht.

In Fig. 8 ist ein Blechhohlträger 36 dargestellt, also im wesentlichen ein Rohr, das aus den beiden als Halbschalen ausgebildeten Werkstücken 10 und 11 hergestellt werden soll. Im Bereich der linken Naht des Blechhohlträgers 36 ist das Werkstück 11 mit einer in das Trägerinnere vorspringenden Ab­ kröpfung 28 versehen, die mit dem Rand 37 des Werkstücks 10 einen Überlappstoß bildet. Es ist eine Kantenfläche 33 des Randes 37 winklig zur Abkröpfung 28 bzw. zum Werkstück 10 an­ geordnet, so daß sich mit Hilfe der Kante 18 des Randes 37 eine Führung des Lichtbogens 13, 17 beim Schweißen erreichen läßt, wobei eine im linken Detail der Fig. 8 dargestellte Schweißnaht mit etwa tropfenförmigem Nahtquerschnitt 30 her­ gestellt wird.

Die rechte Naht des Blechhohlträgers 36 der Fig. 8 zeigt Ränder 38, 39 der Werkstücke 10, 11, die nach außen abgewinkelt sind, so daß ihre Kantenflächen 40, 41 nicht parallel bzw. stumpf aneinandergrenzen, sondern einen Winkel einschließen, infolgedessen zwei Kanten 18 gebildet werden, mit denen der Lichtbogen 13, 17 beim Schweißen geführt werden kann. Beim Schweißen werden die Kanten 18 und Ränder 38, 39 der Werk­ stücke 10, 11 so aufgeschmolzen, daß sich der im rechten De­ tail der Fig. 8 dargestellte Nahtquerschnitt 30 ergibt, dem­ zufolge der gesamte Nahtbereich des fertiggestellten Blech­ hohlträgers 36 etwa gleichbleibenden Querschnitt hat. Auch in diesem Fall können größere Spalte problemlos überbrückt wer­ den, da aufgrund des abgewinkelten Bleches ausreichend Schmelzgut zur Verfügung steht.

Die vorbeschriebenen Kehlnahtschweißungen insbesondere von Blechen haben aber nicht nur fehlerfreie Nahtausbildung bei verzinkten Oberflächen als Vorteil. Vielmehr macht sich vorteilhaft auch bemerkbar, daß die Positionierungsgenauig­ keit der Werkstücke geringer sein kann. Es muß nicht gewähr­ leistet sein, daß der Spalt zwischen den beiden zu verschwei­ ßenden Werkstücken eine vorbestimmte Spaltweite von z. B. 0, 5 mm nicht überschreitet. Ferner ermöglichen die vorbeschriebe­ nen Schweißverfahren grundsätzlich Werkstoffeinsparungen bei geschicktem Konstruieren. Beispielsweise werden bei herkömm­ licher Herstellung eines Blechhohlträgers Halbschalen mit hutförmigem Querschnitt eingesetzt, deren Ränder durch Punkt­ schweißung verbunden werden und hierzu eine Randbreite von bis zu 15 mm haben müssen. Auch bei herkömmlichem Ver­ schweißen derartiger hutförmiger Halbschalen mit Laser­ schweißung ist noch eine nicht unbeträchtliche Randbreite von etwa 5 mm erforderlich. Im Vergleich dazu läßt Fig. 8 er­ kennen, daß die Auskröpfung 28 bzw. die Abwinkelung der Rän­ der 38, 39 vergleichsweise geringen Mehraufwand an Werkstoff für die Nahtherstellung bedeuten. Der Blechhohlträger 36 kann bei kleineren Querschnitten mit bis zu 80% geringerem Werk­ stoffaufwand durch wegfallende Ränder bei hutförmigem Profil­ querschnitt hergestellt werden.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß der auf einer Kante 18 eines Werkstücks 10, 11 geführte Lichtbogen 13, 17 durch die laserinduzierte Verdampfung von Werkstoff stabili­ siert wird.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken (10, 11), mit eine Verdampfung von Werkstoff bewirkender Laserstrah­ lung, bei dem im Nahtbereich (12) winklige Flächen und mindestens eine Kante (18) aufweisende Werkstücke (10, 11) eingesetzt werden, insbesondere Taylored Blanks oder verzinkte Bleche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verschweißen der Werkstücke (10, 11) außer der Laser­ strahlung ein Lichtbogen (13, 17) in den werkstücknahen Prozeßbereich der Laserstrahlung geführt wird, wobei die Führung des Lichtbogens (13, 17) auf der Kante (18) eines Werkstücks (10, 11) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unterschiedlich dicke Werkstücke (10, 11) im stumpfen Stoß mit fluchtenden Unterseiten (19, 20) ange­ ordnet werden und der Lichtbogen (13, 17) im wesentlichen auf der vorspringenden Kante (18) des dickeren Werk­ stücks (11) geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorlaufender Lichtbogen (13), ein nachlaufender Lichtbogen (17) oder ein außerhalb der Spur des Laser­ strahls (14) seitlich von diesem etwa auf gleicher Höhe laufender Lichtbogen (27) vom dünneren Werkstück (10) aus im Winkel angestellt verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Werkstücke (10, 11) zwei Bleche verwendet werden, von denen eines mit einer Kantenfläche (33) winklig zu einer Seitenfläche (29) des anderen Blechs (Werkstück 10) angeordnet wird und der Lichtbogen (13, 17) im wesentlichen von der Kante (18) des einen Blechs (Werkstück 11) geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Werkstücke (10, 11) zwei verzinkte Bleche verwendet werden, von denen eines zu einer Sei­ tenfläche (29) des anderen Blechs in der Nähe des Naht­ bereichs (23) unter einem Winkel (α) angestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Werkstücke (10, 11) zwei Bleche verwendet werden deren Kantenflächen (40, 41) die winke­ ligen Flächen und zwei Kanten (18) des Nahtbereichs (12) bilden, auf denen der Lichtbogen (13, 17) geführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit ihm Blechhohlträger (36) herge­ stellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß außer einer dem Laserstrahl (14) vorlaufenden Elektrode (15) gleichzeitig auch eine dem Laserstrahl (14) nachlaufende Elektrode (16) verwendet wird, daß mit dem Lichtbogen (13) der vorlaufenden Elek­ trode (15) die vorspringende Kante (18) im Sinne eines Abrundens angeschmolzen wird, und daß der Lichtbogen (13) der nachlaufenden Elektrode (17) in die Dampfkapil­ lare (21) des Laserstrahls (14) hineingeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Lichtbogenzündung einer oder meh­ rerer Elektroden (15, 16) mit intensitätsmodulierter und/oder gepulster Laserstrahlung erfolgt, daß der Lichtbogen (17) nach seiner Zündung von selbst erlischt oder seine Elektrodenspannung unter die Brennspannung gesenkt wird, und daß danach eine erneute Lichtbogenzün­ dung erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die nachlaufende Elektrode (16) aus der Spur des Laserstrahls (14), von der abgerundeten Kante (18) des dickeren Werkstücks (11) entfernt geführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl (14) stärker fokus­ siert ist, als ein von den Werkstücken (10, 11) gebilde­ ter Spalt (22) breit ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der auf einer Kante (18) eines Werkstücks (10, 11) geführte Lichtbogen (13, 17) durch die laserindu­ zierte Verdampfung von Werkstoff stabilisiert wird.