DE19526571A1

DE19526571A1 - Verfahren zur Reduktion der Nahtaufwölbung bei der Erzeugung von lasergeschweißten I-Stößen durch die Anschrägung der Blechkanten vermittels gezielter Einstellung der Polarisationseigenschaften der Laserstrahlung bezüglich der Bearbeitungsrichtung

Info

Publication number: DE19526571A1
Application number: DE19526571A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Kramer; Harald Dr Schwede
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1997-01-23

Description

Stand der Technik

Beim Schweißen von Bauteilen mit I-Stößen werden oft Nähte gefordert, die sowohl an der Nahtober- als auch Nahtunterseite keine Aufwölbung zeigen sollen, weil die Nähte nicht weiter nachbearbeitet werden. Beispiele sind der Karosseriebau von Eisenbahnwaggons und das Reparaturschweißen von Coils.

Beim Schweißen der Bauteile tritt eine Gefügeumwandlung innerhalb der wärmebeeinflußten Zone auf, die zu einer Volumenzunahme des Schmelzgutes um 10%-15% führt (Fig. 1). Die zu verschweißenden Bleche sind eingespannt bzw. werden durch den schon geschweißten Bereich zusammengehalten. Bei parallelen senkrechten Schnittkanten und Spaltbreiten kleiner 50 µm führt die Volumenzunahme zu einer Aufwölbung auf der Nahtober- und Nahtunterseite.

Bei allen Schweißverfahren ist eine mehr oder minder aufwendige Nahtvorbereitung notwendig, um die für den Schweißprozeß notwendige Kantengeometrie zu erzeugen. Dies geschieht beispielsweise durch Tafelscheren, Rollenmesser oder durch Laserstrahlschneiden.

Beim Laserstrahlschneiden wird in der Regel eine möglichst rechtwinklige Schnittkante angestrebt. Diese wird dadurch erreicht, daß der Laserstrahl bestimmte Eigenschaften besitzt, z. B.:

- rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung
- senkrechter Auftreffwinkel des Strahls
- zirkulare Polarisation
- relative Position des Fokus zur Blechoberfläche
- Schneidgasparameter.

Gezielt werden andere Kantenformen realisiert durch:

- eine Schrägstellung des Laserstrahls bezüglich der Werkstückoberfläche
- die Erzeugung einer balligen Schnittkante (Fig. 2).

Bei der balligen Schnittkante existiert unterhalb und oberhalb des Berührungspunktes zusätzliches, freies Volumen, das durch die Expansion des Schmelzgutes gefüllt werden kann. Durch eine geeignete Einstellung der Balligkeit kann eine ebenere Nahtober- und Nahtunterseite erreicht werden.

Ballige Kanten können durch die Wahl der Fokuslage, und durch spezielle Fokussieroptiken erzeugt werden. Nachteilig ist die große Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber der richtigen Wahl der Parameter.

Erfindungsbeschreibung

Das oben genannte Problem der Nahtaufwölbung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Fügestelle Raum geschaffen wird, in die sich das Material ausdehnen kann, ohne sich nach außen aufzuwölben. Zu diesem Zweck wird bei der Nahtvorbereitung des Werkstücks durch das Laserstrahlschneiden die gewünschte Kantenform erzeugt.

Durch geeignete Parameterwahl kann die Kantenform gezielt beeinflußt werden.

Ziel ist die Erzeugung einer schrägen Schnittkante, die beim Fügen eine V-Form ergibt. Beim Schweißen wird die Energie des Laserstrahls dann so eingestellt, daß sich der V-förmige Fügespalt nach unten öffnet und der Laser das Material von oben durchschweißt. Die Nahtüberhöhung kann so wirkungsvoll reduziert werden.

Zur Erzeugung der gewünschten Kantenprofile werden die Schneidparameter gezielt beeinflußt. Die schräge Kante läßt sich durch eine gezielte Einstellung der Polarisation bezüglich der Verschubrichtung erreichen. So ist es z. B. seit langem bekannt, daß ein linear polarisierter Strahl eine von der Schneidrichtung abhängige Kantenschräge verursacht. Dieser Effekt kann auch genutzt werden: Durch die geeignete Orientierung der Polarisationsrichtung bezüglich der Vorschubrichtung kann die gewünschte Kantenschräge erzeugt werden.

Bei Laserschneidmaschinen mit nur einer Bewegungsachse kann die Orientierung der Kantenschräge auf den beiden später zu verschweißenden Blechen gespiegelt werden, in dem die Schneidrichtung umgekehrt wird.

Beim Schweißen von Formteilen kann die Polarisation in Abhängigkeit der Schneidrichtung mit entsprechenden Geräten (LIPOR der Fa. Kugler) nachgeführt werden.

Die Polarisation läßt sich einfach langzeitstabil einstellen, so daß eine hohe Prozeßsicherheit gewährleistet ist.

Nomenklatur zur Polarisation

Claims

1. Laserstrahlschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß Bleche in einem I-Stoß geschweißt werden und die Kanten der Bleche durch Laserstrahlschneiden so geformt werden, daß die beim Schweißen entstehende Volumenzunahme des Schweißgutes nicht zu einer Aufwölbung der Naht auf der Blechunterseite oder -oberseite führt bzw. die Aufwölbung verringert wird. Die Formung der Blechkanten erfolgt durch einen Laserstrahlschnitt, wobei die Polarisation des Lasers (Richtung und Tiefe(Grad)) bezüglich der Vorschubrichtung der Bearbeitung geeignet gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Vorschubrichtung des Schneidkopfes geändert wird, um beim Zusammenfügen der Bleche eine V-Form der Blech kanten für eine optimale I-Stoß Schweißung zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teilen mit nicht gerader Schneidkontur, die Polarisation mit geeigneten Geräten entsprechend der Vorschubrichtung nachgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Grads der Kantenschräge durch die Einstellung der Polarisation des Lasers (Richtung und Tiefe(Grad)) bezüglich der Vorschubrichtung erfolgt.