DE19605888A1 - Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserstrahlschweißen von Werkstücken, insbesondere von Kfz-Karosserieteilen aus Aluminium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserstrahlschweißen von Werkstücken, insbe­ sondere von Kfz-Karosserieteilen aus Aluminium, mittels eines Festkörperlasers und einer Bearbeitungsoptik.

Beim Laserschweißen von Bauteilen wurde die Bearbeitungs­ optik bislang so angeordnet, daß die optische Achse des einfallenden Laserstrahls 1 annähernd mit der Flächen­ normalen des Werkstücks zusammenfällt, da hierbei die bestrahlte Fläche A₁ minimal ist, wie in Fig. 1a der Zeichnung dargestellt ist. Bei Einstrahlung unter einem Winkel wird letztere elliptisch verzerrt, wobei sich die bestrahlte Fläche A₂ in Abhängigkeit des Neigungswinkels vergrößert, wie aus Fig. 1b der Zeichnung hervorgeht. Entsprechend nimmt die Leistungsdichte am Werkstück ab, so daß gemeinhin von einer Reduzierung der Nahttiefe bei konstanten Verfahrensparametern wie der Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit auszugehen ist.

Beim Laserschweißen von 3D-Bauteilen, insbesondere bei der Bearbeitung komplexer 3D-Strukturen im Fertigungsablauf von Kfz-Karosserien ist häufig eine geneigte Anordnung der Bearbeitungsoptik aus lokalen Gesichtspunkten erforderlich. Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, dem die Aufgabe zugrunde liegt, entgegen der üblichen Erwartung bei geneigter Lasereinstrahlung für eine Steigerung der Naht­ tiefe zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bearbeitungsoptik und damit die Lasereinstrahlung in bezug auf die Normale auf die Oberfläche der zu schweißenden Bau­ teile unter einem definierten Winkel im Bereich von 15°-35° geneigt wird, wobei die Ausrichtung der Bearbeitungs­ optik in bezug auf die Schweißrichtung unberücksichtigt bleibt.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat ge­ zeigt, daß beim Schweißen von Stahl (St 1403) mit einem Laserstrahleinfallswinkel von bis zu 40° stechend, schleppend oder lateral die Nahttiefe nicht abnimmt. Vor­ zugsweise wird erfindungsgemäß beim Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus Stahl (St 1403) eine Strahlneigung von 25° bei einer Laserleistung von größer als P = 1600 W und bei einem Fokusdurchmesser von d_F = 0,8 mm gewählt. Hierbei zeigt sich, daß eine deutliche Zunahme der Nahttiefe im Vergleich zum senkrechten Strahleinfall auftritt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhaft anwen­ den bei Anordnungen zum Überlagern von zwei Teilstrahlen des Lasers zur Realisierung von Laserleistungen von P = 3 bis 4 KW, wobei die Steigerung der resultierenden Nahttiefe und des Prozeßwirkungsgrades vorteilhaft ausnutzbar ist.

Bei der Bearbeitung komplexer 3D-Strukturen wie z. B. von Karosserieteilen sind die Flexibilität und Prozeßeffizienz bei lokalen Orientierungsänderungen der Werkstückoberfläche steigerbar, da entsprechende Umorientierungen der Füh­ rungsmaschine nicht notwendig sind. Es ist somit möglich, den konstruktiven Aufwand für die das Laserstrahlschweißen ausführenden Bearbeitungsmaschinen zu reduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der weiteren Figuren der Zeichnungen verdeutlicht. Dabei zeigen:

Fig. 2 ein Diagramm, das die Nahttiefe in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel in Schweißrichtung schleppend und stechend beim Schweißen von Stahl (St 1403) und gleichzeitiger Variation der Laserleistung in vier Stufen und bei einem Fokusdurchmesser von d = 0,8 mm wiedergibt und

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem für entsprechende Bauteile die Nahttiefe in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel quer zur Schweißrichtung bei einer Laserleistung von P = 1800 W und einem Fokusdurchmesser von d = 0,8 mm hervorgeht.

Die Diagramme der Fig. 2 und 3 verdeutlichen, daß unab­ hängig von der Ausrichtung der Bearbeitungsoptik in bezug auf die Schweißrichtung eine Steigerung der Nahttiefe durch Neigung der Bearbeitungsoptik beim Laserstrahlschweißen in bezug auf die Oberflächennormale unter einem Winkel im Be­ reich von 15° bis 35° deutlich gegeben ist, wobei in Fig. 2 die genannte Abhängigkeit für Stufen der Laserleistung P = 1200 W, P = 1400 W, P = 1600 W und P = 1800 W in geson­ derten Kurven dargestellt ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserstrahl­ schweißen von Werkstücken, insbesondere von Kfz-Karosserieteilen aus Aluminium, mittels eines Fest­ körperlasers und einer Bearbeitungsoptik, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsoptik und damit die Lasereinstrahlung in bezug auf die Normale auf die Oberfläche der zu schweißenden Bauteile unter einem definierten Winkel im Bereich von 15°-35° geneigt wird, wobei die Ausrichtung der Bearbeitungsoptik in bezug auf die Schweißrichtung unberücksichtigt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus Stahl (St 1403) eine Strahlneigung von 25° bei einer Laserleistung von größer als P = 1600 W und einem Fokusdurchmesser d_F = 0,8 mm gewählt wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 bei Vorrichtungen zum Überlagern von zwei Laserteil­ strahlen zur Realisierung von Laserleistungen von P = 3-4 KW.