DE19605888C2 - Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserschweißen von Kfz-Bauteilen mit komplexen 3D-Strukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserschweißen von Kfz- Bauteilen mit komplexen 3D-Strukturen mittels eines Festkörperlasers und einer Bearbeitungsoptik, bei dem die Bearbeitungsoptik und damit die Lasereinstrahlung in Bezug auf die Oberfläche der zu schweißenden Bauteile unter einem definierten Winkel geneigt sind.

Beim Laserschweißen von Bauteilen wurde die Bearbeitungsoptik bislang vorwiegend so angeordnet, daß die optische Achse des einfallenden Laserstrahls 1 annähernd mit der Flächennormalen 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 von einer Reduzierung der Nahttiefe bei konstanten Verfahrensparametern wie der Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit auszugehen ist.

Bekannt ist eine Maschine mit einem Festkörperlaser und einer Bearbeitungsoptik zum Schweißen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls (US 50 59 759), der beim Schweißen zur Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und der Nahttiefe in bezug auf die Oberflächennormale um 15°-30° geneigt ausgerichtet wird.

Bekannt ist weiterhin nach der EP 594 210 A1 ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Al-Legierungen, wie sie weitgehend in der Kfz-Industrie verwendet werden, mittels Laserstrahlung, die von einem Nd:YAG-Laser mit einer Laserstrahlausgangsleistung von fast 1,6 kW erzeugt und mit einer Strahlneigung zur Flächennormalen des Werkstücks von 20° und 30° durch eine entsprechende Neigung der Bearbeitungsoptik auf die Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücke gerichtet wird, wobei der Fokusdurchmesser des unverformten Strahls 1,1 mm beträgt.

Bekannt ist schließlich zur Verbesserung der Materialbearbeitung der Einsatz von 3 kW- Festkörperlasern mit hoher Strahlqualität (Laser und Optoelektronik, 1992, H. 1, S. 9 und 10).

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 die Erfindung an, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine deutliche Steigerung der Nahttiefe beim Laserschweißen von Bauteilen aus Stahl erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ohne Berücksichtigung der Ausrichtung der Bearbeitungsoptik in Bezug auf die Schweißrichtung beim Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus Stahl (St 1403) eine Strahlneigung von 25° bei einer Laserleistung von größer als P = 1600 W und einem Fokusdurchmesser von d_F = 0,8 mm gewählt wird. Hierbei zeigt sich, daß eine deutliche Zunahme der Nahttiefe im Vergleich zum senkrechten Strahleinfall auftritt.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren nach Anspruch 1 angewendet bei Vorrichtungen zum Überlagern von zwei Laserstrahlen zur Realisierung von Laserleistungen von P = 3-4 KW, wobei die Steigerung der resultierenden Nahttiefe und des Prozeßwirkungsgrades vorteilhaft ausnutzbar ist.

Bei der Bearbeitung komplexer 3D-Strukturen von Karosserieteilen sind die Flexibilität und Prozeßeffizienz bei lokalen Orientierungsänderungen der Werkstückoberfläche steigerbar, da entsprechende Umorientierungen der Führungsmaschine nicht notwendig sind. Es ist somit möglich, den konstruktiven Aufwand für die das Laserschweißen ausführende Bearbeitungsmaschine zu reduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der weiteren Figuren der Zeichnungen verdeutlicht. Darin sind:

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 zwar P = 1200 W, P = 1400 W, P = 1600 W und P = 1800 W, 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.

Aus beiden Diagrammen ist ablesbar, daß beim Laserschweißen von Kfz-Bauteilen aus Stahl (St 1403) mit komplexen 3D-Strukturen unabhängig von der Ausrichtung der Bearbeitungsoptik in bezug auf die Schweißrichtung bei einer Laserleistung von größer als P = 1600 W und einem Fokusdurchmesser von d_F = 0,8 mm eine deutliche Steigerung der Nahttiefe bei einer Strahlneigung von 25° erzielbar ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Steigern der Nahttiefe beim Laserschweißen von Kfz-Bauteilen mit komplexen 3D-Strukturen mittels eines Festkörperlasers und einer Bearbeitungsoptik, bei dem die Bearbeitungsoptik und damit die Lasereinstrahlung in Bezug auf die Normale auf die Oberfläche der zu schweißenden Bauteile unter einem definierten Winkel geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ohne Berücksichtigung der Ausrichtung der Bearbeitungsoptik in Bezug auf die Schweißrichtung beim Laserstrahlschweißen von Bauteilen aus Stahl (St 1403) eine Strahlneigung von 25° bei einer Laserleistung von größer als P = 1600 W und einem Fokusdurchmesser von d_F = 0,8 mm gewählt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei Vorrichtungen zum Überlagern von zwei Laserstrahlen zur Realisierung von Laserleistungen von P = 3-4 KW.