DE19715102A1 - Verfahren zum Verschweißen von metallisch beschichteten Blechbauteilen im Überlappstoß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen metallisch beschichteter, ins­ besondere feuerverzinkter Blechbauteile im Überlappstoß durch Laserschweißen unter Verwendung zweier Laserstrahlen.

Korrosionsgefährdete Bauteile werden in vielen Bereichen der industriellen Produk­ tion mit einer einseitigen oder doppelseitigen, metallischen Beschichtung aus Zink, Aluminium und deren Legierungen versehen.

Dabei wird aus Kostengründen zunehmend beidseitig feuerverzinktes Material ein­ gesetzt, das sich gegenüber den anderen Beschichtungsverfahren durch eine höhe­ re Zinkauflage unterscheidet.

Um derartige Bauteile zu verschweißen wird zunehmend das Laserschweißen ein­ gesetzt, da dieses Verfahren zu besonders schmalen Schweißnähten führt.

Durch die anodische Fernschutzwirkung des Zinks wird die freie Schweißnaht durch das umgebende Zink weiterhin geschützt, so daß die Korrosionsanfälligkeit des Bauteils durch die schmale Schweißnaht in der Regel nicht verschlechtert wird.

Beim Schweißen verzinkter Bleche im Überlappstoß entstehen erhebliche Probleme dadurch daß bedingt durch die vergleichsweise niedrige Verdampfungstemperatur des Zinks gegenüber dem Eisen, Zinkdampf in dem Bereich zwischen den Blechen entsteht, der aus diesem Bereich entweichen muß.

Ohne zusätzliche Maßnahmen wird der Zinkdampf den Weg durch die Badschmelze in Richtung des Schmelzbadbereiches mit der geringsten Viskosität und geringsten Oberflächenspannung, also der höchsten Schmelztemperatur suchen und somit aus der dem Laserstrahl zugewandten Blechoberseite austreten.

Dieser Austritt geschieht nicht kontinuierlich, sondern wird in Folge der Besonder­ heiten der Dynamik des Schweißprozesses eruptionsartig erfolgen, was zu den be­ kannten Schweißspritzern führt.

Der Schweißprozeß, der beim Laserschweißen angestrebt wird, ist das sogenannte Tiefenschweißen.

Dabei erzeugt der aus der Schmelze austretende Metalldampf durch den Impulser­ haltungssatz bedingt, einen sogenannten Dampfkanal, der bei einer erzwungenen Translation des zu verschweißenden Materials, durch dasselbige bewegt wird.

Das Material in Vorschubrichtung an der Stirnseite des Dampfkanals wird geschmol­ zen, das flüssige Material um den Dampfkanal nach hinten transportiert, wo es an stets vorhandenen Keimen von der Flüssigphase in die Festphase übergeht.

Es bilden sich mehr oder weniger große flüssig/feste Tropfen, die sich u. U. wieder lösen und in den Dampfkanal zurückfallen.

Dieser wird bis zum Wiederaufschmelzen des Tropfens verstopft, der Zinkdampf wird am Austreten gehindert. Es kommt zu der beschriebenen Eruption.

Auf Grund der beim Laserschweißen auftretenden sehr hohen Abkühlraten, werden die durch die Zinkdampferuptionen erzeugten Gaseinschlüsse oder Poren nicht wie­ der durch nachfließendes Schmelzmaterial geschlossen werden können.

Die im Schweißnahtbereich verbleibenden Hohlräume können bei mechanischer Belastung der Schweißnaht als Quelle für eine Rißentstehung wirken und somit die Festigkeit der Schweißverbindung erheblich herabsetzen.

Bei den bekannten Verfahren werden Maßnahmen vorgeschlagen, bei denen vor dem Schweißprozeß der unmittelbare Fügebereich so konstruiert oder modifiziert wird, daß der Zinkdampf quer zum Schweißbereich aus dem Zwischenraum beider aufeinander liegenden Bleche entweichen kann.

Aus EP 0 687 519 A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem eine dem Schweißfokus des Laserstrahls vorlaufende gerichtete Verformung des Oberbleches bis zu dessen Berührung mit dem Unterblech bewirkt und die Verschweißung der beiden Bleche anschließend auf der Linienberührung durchführt.

Ein anderes Verfahren ist aus DE 39 09 471 A1 bekannt geworden, bei dem zur Vorbereitung des Fügebereiches im Bereich der Schweißnaht rändelungsartig an­ geordnete Strukturen mit einem Werkzeug erzeugt werden, durch die der Zinkdampf senkrecht zur Schweißnahtrichtung aus dem Zwischenraum entweichen kann.

Die DE 44 07 190 A1 führt das in DE 39 09 471 A1 beschriebene Verfahren weiter und erzeugt die rändelungsartig angeordneten Strukturen mit einem Laser.

Die DE 19 60 50 341 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die zu verschweißenden Teile so konstruiert werden, daß die Schweißnaht im Bereich der Blechkante gelegt und diese so abgekantet wird, daß ein Spalt entsteht, aus dem der Zinkdampf ent­ weichen kann.

Alle beschriebenen Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß eine in der ur­ sprünglichen Konstruktion nicht vorgesehene Veränderung des Materials vorge­ nommen wird, die unter Umständen eine unerwünschte Beeinträchtigung der me­ chanischen Eigenschaften herbeiführen kann z. B. dadurch, daß bei Erzeugung des Spaltes durch linienhafte oder punktuelle Verformung Risse erzeugt werden, die unter dem Einfluß des Schweißprozesses weiter in das Material weiterlaufen.

Darüber hinaus stellen diese dem Schweißprozeß vorgelagerten Vorbereitungs­ schritte eine zusätzliche zeitliche Belastung der ohnehin knappen Durchlaufzeit in einer Produktionslinie dar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Laserschweißverfah­ ren zu entwickeln, das ohne aufwendige Vorbereitung der Fügezone oder ihre Ver­ änderung durch die Einwirkung eines mechanischen oder thermischen Werkzeuges auskommt und zum Verschweißen von metallisch beschichteten Blechbauteilen im Überlappstoß in einem einzigen Arbeitsgang geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine Vergrößerung des Dampfkanals im Schmelzbadbereiches der Schweißnaht in Schweißrichtung, wodurch der aus der Verdampfung der metallischen Beschichtung im Schweißnaht­ bereich entstehende Dampf besser entweichen kann und die bisher durch Dampfe­ ruption verursachte negative Beeinflussung der Schweißnaht vermieden wird.

Die bisher notwendigen Aufwendungen zur Vorbereitung des Schweißnahtbereiches beim Verschweißen von Blechbauteilen im Überlappstoß sind damit nicht mehr er­ forderlich um eine gleichmäßige Laserschweißnaht zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel zum Verschweißen verzinkter Blechbauteile mittels Laserstrahls näher erläutert werden.

In den dazu gehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen symmetrischen Querschnitt zweier Strahlführungen (Teil) für CO₂-Laser mit überkreuzten Strahlen 4 und 4', die auf das verzinkte Blechbauteil 3 fallen. Der Pfeil zeigt die Schweißrichtung an.

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Bereiches 3' nach der Entstehung des Schmelzbades.

In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, ein Teil der symmetrisch aufgebauten Strahl­ führungen, bestehend jeweils aus einem Ablenkspiegel 1 und einem Fokussier­ spiegel 2.

Die Strahlen 4 und 4' fallen überkreuzt auf das Blechbauteil 3 und erzeugen ein Schmelzbad.

In Fig. 2 ist eine Vergrößerung des Bereiches, in dem das Schmelzbad erzeugt wird, dargestellt.

Durch den breiteren, aus den zwei Teilstrahlen 4 und 4' bestehenden Strahlenfä­ cher wird der Dampfkanal in Schweißrichtung wesentlich verbreitert, so daß der Zinkdampf ungehindert entweichen kann.

Die flüssig/feste Phasen auf der Rückseite des Schmelzbades, die sich von der Er­ starrungsfront noch lösen und als flüssig/feste Tröpfchen in den Kanal zurückfallen, führen nicht zum Verschließen des breiteren Kanals, wodurch die dadurch bedingten Zinkdampferuptionen ausbleiben und eine regelmäßige dichte Schweißnaht sich ausbildet.

Das Verfahren kann mit Lasern gleicher oder verschiedener Bauart also CO₂/CO₂, oder Nd : YAG/Nd : YAG oder Nd : YAG/CO₂ durchgeführt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verschweißen von metallisch beschichteten Blechbauteilen im Überlappstoß durch Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer Zweistrahltechnik die Fokus der beiden Laserstrahlen ne­ beneinander und im Bezug auf die Schweißlinie hintereinander oder über­ kreuzt hintereinander in einem kleinen Abstand auf der Schweißlinie zueinan­ der eingestellt werden, so daß das durch beide Strahlen erzeugte Schmelz­ bad in Schweißrichtung vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei verschiedene Lasergeräte verwendet werden, derart, daß ihre Strahlen mittels Spiegel und/ oder Lichtleitfaser am Schweißpunkt vereinigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß beide Laser gleicher Bauart sein können, also ein CO₂-Laser und ein CO₂-Laser oder ein Nd : YAG-Laser und ein Nd : YAG-Laser.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laser verschiedener Bauart sein können, also ein CO₂-Laser und ein Nd : YAG-Laser.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Strahlen dadurch erzeugt werden können, daß die Strahlung eines einzigen Lasers mittels einer geeigneten Spiegelanordnung oder Faseranordnung aufgeteilt und anschließend beide zum Schweißen eingesetzt werden.