DE19616062A1 - Laser welding together a set of zinc@-coated steel plates - Google Patents

Laser welding together a set of zinc@-coated steel plates

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Abstract

A set of zinc coated steel plates of the same shape and size are edge welded together by focussing the laser beam on the joint between the plates which are lying one on top of the other. The power of the laser is adjusted to produce a temperature of 907-1500 degrees C which heats the joint area. In a second stage of the process the laser power is increased to produce a welding temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen lasergeschweißter Doppel­ platinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing laser-welded double Boards according to the preamble of claim 1.

Derartige Doppelplatinen kommen zum Einsatz beim Innenhochdruckumfor­ men, im folgenden mit der Abkürzung IHU bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen von hohlen Formkörpern zum Beispiel für Automobilkomponenten.Such double blanks are used for internal high pressure forming men, hereinafter referred to as IHU. It is about to a method for producing hollow moldings, for example for Automotive components.

Hierbei wird eine Doppelplatine, insbesondere aus verzinkten Stahlfeinblech­ zuschnitten, die an den Kanten rundum verschweißt sind, in ein geschlossenes Formwerkzeug eingebracht. Anschließend wird durch Einführen einer Hydrau­ likflüssigkeit zwischen die Bleche der Doppelplatine und Aufbringen eines hy­ draulischen Druckes von zum Beispiel 3000 bar die Doppelplatine kissenför­ mig aufgeblasen, bis der so erzeugte Hohlkörper das Formwerkzeug ausfüllt und damit dessen Form annimmt. Es ist bekannt, Formzuschnitte aus Stahl­ feinblech aufeinanderzulegen und mit einem Laserstrahl in der Nähe der Kan­ ten um den Umfang zu einer Doppelplatine zu verschweißen.This is a double board, especially made of galvanized sheet steel cut, which are welded all around at the edges, in a closed Forming tool introduced. Then by inserting a hydrau lik fluid between the sheets of the double board and applying a hy draulic pressure of, for example, 3000 bar, the double circuit board inflated until the hollow body thus produced fills the mold and thus takes its form. It is known to cut steel shapes place thin sheet on top of each other and with a laser beam near the can to weld the circumference into a double board.

Über die Ausführung von Zwei-Blech-Verbindungen durch Laserschweißen wird im Forschungsbericht "Laserschweißgerechtes Konstruieren" der Daim­ ler Benz AG und FAT, Stuttgart, 1993, ausführlich berichtet. About the execution of two-sheet connections by laser welding is presented in the research report "Laser Welding Design" by Daim ler Benz AG and FAT, Stuttgart, 1993, reported in detail.  

Eine vorzugsweise Herstellung von Zwei-Blech-Verbindungen wird so vorge­ nommen, daß ein Laserstrahl senkrecht zur Blechoberfläche in Kantennähe am Umfang der aufeinandergelegten Formzuschnitte entlanggeführt wird, so daß eine I-Naht entsteht, die beide Bleche erfaßt.A preferred production of two-sheet metal connections is thus preferred take that a laser beam perpendicular to the sheet surface near the edge at Extent of the superimposed shape blanks is guided along so that an I-seam is created, which covers both sheets.

Eine weitere bekannte Ausführungsart lasergeschweißter Zwei-Blech- Verbindungen sieht vor, den oben liegenden Formzuschnitt etwas kleiner zu machen als den unteren. Beim Aufeinanderlegen der Formzuschnitte springt dann die Kante des oberen Zuschnittes, z. B. einige Millimeter zurück, so daß mit einem schräg auf die Stoßfuge gerichteten Laserstrahl eine Kehlnaht her­ gestellt wird.Another known embodiment of laser-welded two-sheet metal Connections provides for the shape cut to be slightly smaller make than the lower one. When the shape blanks are placed one on the other jumps then the edge of the top blank, e.g. B. back a few millimeters, so that a fillet weld with a laser beam directed obliquely at the butt joint is provided.

Eine andere bekannte Ausführungsart sieht vor, den Laserstrahl parallel zur Blechebene und damit senkrecht auf die Stirnflächen der Blechkanten zu rich­ ten und die Fuge zwischen den Blechen mit einer Stirnflächennaht, auch stirn­ seitige Bördelnaht genannt, zu verschweißen.Another known embodiment provides for the laser beam to be parallel to Sheet level and thus perpendicular to the end faces of the sheet edges to rich ten and the joint between the sheets with a front seam, also forehead called flanged seam to weld.

Alle beschriebenen Ausführungsarten sind ohne Schwierigkeiten herzustellen, wenn die Zuschnitte aus nicht oberflächenveredeltem Stahlfeinblech bestehen. Sollen jedoch sich überlappende Zwei-Blech-Verbindungen aus verzinkten Blechen durch Laserschweißen hergestellt werden, stört das Verdampfen der Zinkschicht den Schweißprozeß und führt zu Poren und Löchern in der Schweißnaht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Zink bereits bei 907°C verdampft, während das Stahlfeinblech erst ab 1500°C schmelzflüssig wird. Es ist bekannt, ein Entgasen des Schweißnahtbereiches, also ein Entweichen des Zinkdampfes aus dem Nahtbereich zu ermöglichen. Solche Maßnahmen sind z. B. in DE 44 07 190 A1, EP 0 421 091 B1, DE 38 12 448 C, US 4.682.002 und JP-09 56-62688 beschrieben. All described embodiments can be produced without difficulty, if the blanks are made of non-surface-coated steel sheet. However, overlapping two-sheet connections made of galvanized should Sheet metal produced by laser welding disrupts the evaporation of the Zinc coating the welding process and leads to pores and holes in the Weld. This is due to the fact that the zinc is already at 907 ° C evaporates, while the steel sheet becomes molten only at 1500 ° C. It is known to degas the weld area, that is, to escape to allow the zinc vapor from the seam area. Such measures are z. B. in DE 44 07 190 A1, EP 0 421 091 B1, DE 38 12 448 C, US 4,682,002 and JP-09 56-62688.  

Alle Erkenntnisse und Maßnahmen beziehen sich aber auf das Verschweißen von Formteilen aus verzinkten Blechen mit Hilfe von Flanschen oder Bör­ delkanten oder auf das Verschweißen von überlappt positionierten Blechkan­ ten, jedoch nicht auf das Verschweißen von zwei Blechzuschnitten am Umfang zu einer Doppelplatine.However, all findings and measures relate to welding of molded parts made of galvanized sheet metal with the help of flanges or wall delkanten or on the welding of overlapping positioned metal sheet ten, but not on the welding of two sheet metal blanks on the circumference to a double board.

Zur Vermeidung der durch Zinkdampf verursachten Poren und Löcher in der Laserschweißnaht an überlappten verzinkten Blechteilen sind bereits folgende bekannte Maßnahmen vorgeschlagen worden:To avoid the pores and holes caused by zinc vapor in the Laser welding on overlapped galvanized sheet metal parts are already the following known measures have been proposed:

  • A) Anbringen einer lokal wirksamen Spannvorrichtung, die im Überlappbereich einen seitlichen Spalt erzeugt, durch den der Zinkdampf entweichen kann, siehe Hannicke, L.:, Utilisation of Laser Welding Process in Series Producti­ on. Proceedings ALAW Detroit, Michigan, März 1994.A) Attach a locally effective clamping device in the overlap area creates a side gap through which the zinc vapor can escape, see Hannicke, L.:, Utilization of Laser Welding Process in Series Producti on. Proceedings ALAW Detroit, Michigan, March 1994.
  • B) Einstellen eines definierten Stoßspaltes, siehe A. Frings und W. Prange: Bearbeitung von ebenen und räumlichen Teilen aus Stahlfeinblechen. Laser Magazin 2189, S. 18-24; R. Imhoff, K. Behler, W. Gatzweiler und E. Beyer: Laser beam welding in car bosy making, Proceedings 5th int. Conf. Lasers in Manufacturing, Sept. 1988, S. 247-258.B) Setting a defined gap, see A. Frings and W. Prange: Machining of flat and spatial parts from thin steel sheets. laser Magazin 2189, pp. 18-24; R. Imhoff, K. Behler, W. Gatzweiler and E. Beyer: Laser beam welding in car bosy making, Proceedings 5th int. Conf. Lasers in Manufacturing, Sept. 1988, pp. 247-258.
  • C) Einbringen von Sicken oder Rändelungen im Bereich der Schweißnaht, um Kanäle zu schaffen, durch die der Zinkdampf entweichen kann, vgl. EP 0 421 091 B1.C) Introducing beads or knurling in the area of the weld seam in order to To create channels through which the zinc vapor can escape, cf. EP 0 421 091 B1.
  • D) Positionierung der Schweißnaht dicht an Hohlräumen oder Blechkrümmun­ gen, vgl. DE 38 12 448. US 4.682.002, JP-09-56-62688.D) Positioning the weld seam close to cavities or sheet metal curvature gen, cf. DE 38 12 448. US 4,682,002, JP-09-56-62688.
  • E) Einbringen von 20 bis 30 µm tiefen, parallel zueinander und quer zur Schweißrichtung angeordneten Mikrokanälen mit Hilfe eines gepulsten Fest­ körperlasers in mindestens eine der zu verschweißenden Oberfläche im Schweißnahtbereich, siehe Rolf Klein und Rainer Fischer: Laserstrahl­ schweißen verzinkter Stahlbleche, Stahl, Formen, Fügen, Fertigen, Heft 3195, S. 20 ff.; Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf; Rolf Klein: Verzwicktes Zink, Laser-Praxis, Oktober 1995, S. 2 585 ff., Carl Hanser Verlag München; R. Klein, R. Fischer, Poprawe und K. Zimmermann: Aspekte des Laser­ strahlschweißens von Komponenten für den Automobilbau, VDI-Berichte, Nr. 1134, 1994, S. 127 ff; VDI-Verlag Düsseldorf 1994 sowie DE 44 07 190 A1.E) Introducing 20 to 30 microns deep, parallel to each other and across Welding direction arranged microchannels with the help of a pulsed hard  body laser in at least one of the surfaces to be welded in Weld area, see Rolf Klein and Rainer Fischer: Laser beam welding galvanized steel sheets, steel, forming, joining, manufacturing, booklet 3195, p. 20 ff .; Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf; Rolf Klein: tricky Zink, Laser-Praxis, October 1995, p. 2 585 ff., Carl Hanser Verlag Munich; R. Klein, R. Fischer, Poprawe and K. Zimmermann: Aspects of the laser Beam welding of components for the automotive industry, VDI reports, no. 1134, 1994, pp. 127 ff; VDI-Verlag Düsseldorf 1994 and DE 44 07 190 A1.

Die Verfahren A und B erfordern außerordentlich aufwendige Spannvorrichtun­ gen, um bei definierter Spaltbreite auch noch eine prozeßsichere Schweißver­ bindung zu erhalten.The methods A and B require extraordinarily complex clamping devices conditions in order to ensure reliable welding with a defined gap width to maintain loyalty.

Die Verfahren C und E besagen, daß beim Verschweißen von zwei Blechen oder Blechteilen mindestens ein Blech oder Blechteil in einem getrennten Be­ arbeitungsschritt vor dem Verschweißen mechanisch oder mit einem Laser auf der gesamten Schweißlänge bearbeitet werden muß.The methods C and E state that when welding two sheets or sheet metal parts at least one sheet metal or sheet metal part in a separate Be work step mechanically or with a laser before welding the entire welding length must be processed.

Dies erfordert gesonderte aufwendige Bearbeitungsvorrichtungen und minde­ stens einen zusätzlichen Bearbeitungsvorgang. Das Verfahren D ist nur für vorgeformte Blechteile, nicht jedoch für das Verschweißen ebener Blechteile anwendbar.This requires separate complex processing devices and minimum at least one additional processing operation. Method D is only for preformed sheet metal parts, but not for welding flat sheet metal parts applicable.

Nach dem Stand der Technik ist daher die Herstellung von Doppelplatinen aus ebenen Formzuschnitten aus verzinktem Stahlfeinblech entweder mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand oder gar nicht möglich.According to the prior art, the production of double boards is therefore over flat shape cuts made of galvanized sheet steel either with a disproportionate effort or not possible.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf­ fen, das es erlaubt, ebene verzinkte Formzuschnitte auf möglichst einfache Weise in einem Arbeitsgang zuverlässig mit einem Laserstrahl auf dem gesam­ ten Umfang zu einer Doppelplatine verschweißen zu können. Therefore, the object of the invention is to create a method fen, which allows flat galvanized shape cuts to be as simple as possible Reliably in one operation with a laser beam on the whole to be able to weld th circumference to a double board.  

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Anspruch 2 beinhaltet eine vorteilhafte Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens.According to the invention, this object is achieved by those specified in claim 1 Features resolved. Claim 2 includes an advantageous development of the inventive method.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below.

Zwei Zuschnitte gleicher Form und Größe aus verzinktem Stahlfeinblech wer­ den in bekannter Weise aufeinander gelegt und in einer drehbaren Spannvor­ richtung so positioniert, daß die Blechkanten am gesamten Umfang bündig lie­ gen. Die drehbare Spannvorrichtung ist so ausgelegt, daß die Stirnflächen der Kanten in bekannter Weise am gesamten Umfang durch den Brennfleck eines Laserschweißstrahles geführt werden können, wobei der Laserschweißstrahl parallel zur Blechebene und senkrecht auf die Stirnseiten der Blechkanten und der Brennfleck auf den Spalt zwischen den Blechen positioniert ist. Bei dem ersten Durchlauf der Blechkanten der Doppelplatine durch den Brennfleck wird die Laserleistung so gesteuert, daß der zu verschweißende Kantenbereich auf eine Temperatur zwischen 907°C und 1500°C erwärmt wird. Hierdurch ver­ dampft das Zink im Schweißnahtbereich und tritt aus dem Spalt zwischen den Blechen aus. Bei dem zweiten Durchlauf der Blechkanten wird die Laserlei­ stung so erhöht, daß die Blechkanten durch eine Stirnflächennaht miteinander verschweißt werden.Two cuts of the same shape and size made of galvanized sheet steel placed on top of each other in a known manner and in a rotatable Spannvor Positioned so that the sheet edges were flush on the entire circumference gen. The rotatable clamping device is designed so that the end faces of the Edges in a known manner on the entire circumference through the focal spot Laser welding beam can be guided, the laser welding beam parallel to the plane of the sheet and perpendicular to the faces of the sheet edges and the focal spot is positioned on the gap between the sheets. In which first pass of the sheet edges of the double board through the focal spot the laser power is controlled so that the edge area to be welded on a temperature between 907 ° C and 1500 ° C is heated. This ver the zinc evaporates in the weld seam area and emerges from the gap between the Sheet metal. During the second pass through the sheet edges, the laser is Stung so increased that the sheet edges through an end face seam be welded.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen lasergeschweißter Doppelplatinen aus Stahlfein­ blechzuschnitten gleicher Form und Größe, die kantenbündig aufeinander positioniert sind und im gesamten Umfang an einem Laserschweißstrahl vor­ beigeführt werden, wobei der Laserstrahl senkrecht auf die Stirnflächen der Blechkanten gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von verzinkten Stahlfeinblechzuschnitten für die Doppelplatinen der Brennfleck des Laserstrahls auf die Fuge zwischen den Blechkanten positioniert ist und in einem ersten Umlauf des Lasers der Bereich der zu verschweißenden Fuge auf eine Temperatur zwischen 907°C und 1500°C mit entsprechend ange­ paßter Laserleistung erwärmt wird und daß in einem zweiten Umlauf die Blechkanten mit dem Laser mit erhöhter Leistung mit einer Stirnflächennaht verschweißt werden.1. A method for producing laser-welded double blanks from steel sheet metal blanks of the same shape and size, which are positioned flush with one another and are guided along the entire circumference of a laser welding beam, the laser beam being directed perpendicularly to the end faces of the sheet metal edges, characterized in that when using galvanized steel sheet metal blanks for the double blanks of the focal spot of the laser beam is positioned on the joint between the sheet edges and in a first revolution of the laser the area of the joint to be welded is heated to a temperature between 907 ° C and 1500 ° C with the laser power appropriately adjusted and that in a second round, the sheet edges are welded with a laser with increased power with a face seam. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweiß­ vorgang die Blechkanten durch zwei Rollen gegeneinander gedrückt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that during welding the sheet edges are pressed against each other by two rollers.
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