DE19834775A1

DE19834775A1 - Laser or electron beam welding to join two component edge regions involves preparation of parallel joint surfaces which form a sloping angle with the component top surfaces

Info

Publication number: DE19834775A1
Application number: DE19834775A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kiefer
Original assignee: Schuler Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Schuler Automation GmbH and Co KG
Priority date: 1998-08-01
Filing date: 1998-08-01
Publication date: 2000-02-03
Also published as: CA2277600A1

Abstract

The joint surfaces (3, 4) of the edge regions (1, 2) of two components to be joined form sloping angles ( beta , psi ) with the component top surfaces (7, 8) so that, on the opposite side (12), the exit (13) of the joint gap (9) is hidden from a view (11) directed at a right angle to the component surfaces (1, 2) from above.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum linienartigen Zusammen schweißen von zwei flächige Gestalt aufweisenden, im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Werkstück-Randbereichen entlang einer Verbindungsstrecke, deren Randflächen Fügeflächen bilden, mit denen die Werkstück-Randbereiche unter mindestens stellenweiser Bildung eines Fügespaltes gegeneinander gestossen werden, wobei ein Schweißstrahl, insbesondere ein Laserstrahl oder ein Elek tronenstrahl, gegen die von den zugewandten Oberseiten der beiden Werkstück-Randbereiche gebildete Außenseite der zu verschweißen den Werkstückanordnung gerichtet wird.The invention relates to a method for line-like assembly welding of two flat-shaped, essentially parallel to each other along the workpiece edge areas a connecting section, the edge surfaces of which form joining surfaces, with which the workpiece edge areas at least in places Forming a joint gap are pushed against each other, whereby a welding beam, in particular a laser beam or an elec ray beam, against that of the facing tops of the two Workpiece edge areas formed outside to be welded the workpiece arrangement is directed.

Beispielsweise für die Autoindustrie werden verhältnismäßig große Metallblechplatinen benötigt, die in Pressen zu den jeweiligen Autoteilen umgeformt werden. Solche Platinen werden häufig aus einzelnen kleineren Blechplatinen zusammengesetzt, deren Rand bereiche auf die oben genannte Weise durch Verschweißen miteinander verbunden werden. Dabei können die einzelnen Blechpatinen eine gleiche oder eine unterschiedliche Materialdicke aufweisen. Übliche Blechdicken solcher Platinen liegen im Bereich von etwa 0.5 bis 2.5 mm.For example, for the auto industry will be relatively large Sheet metal blanks needed in presses to the respective Auto parts are reshaped. Such boards are often made individual smaller sheet metal boards assembled, the edge areas by welding them together get connected. The individual sheet metal patinas can be one have the same or a different material thickness. Usual sheet thicknesses of such boards are in the range of about 0.5 to 2.5 mm.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf dieses Anwen dungsgebiet beschränkt sondern erstreckt sich ganz allgemein auf zu einem beliebigen Zweck zusammenzuschweißende Werkstück-Rand bereiche flächiger Gestalt. Diese müssen ferner nicht wie bei der erwähnten Herstellung einer großen Platine aus mehreren kleinen Platinen von zwei vor dem Verschweißen getrennten Werkstücken sondern können auch von einem einzigen Werkstück gebildet werden, das zu einem dreidimensionalen Gebilde mit einander benachbarten Randbereichen verformt wird, die man miteinander verweißt. Es kann sich hier beispielsweise um ein zu einem Rohr gebogenen und geschweißten Blechstück handeln.However, the method according to the invention is not for this application area of application but generally extends to workpiece edge to be welded together for any purpose areas of flat shape. Furthermore, these do not have to be the case with the mentioned production of a large board from several small ones Boards of two workpieces separated before welding but can also be formed from a single workpiece, that to a three-dimensional structure with neighboring Edge areas is deformed, which are welded together. This can be, for example, a bent tube and welded piece of sheet metal.

Die miteinander zu verschweißenden Randflächen verlaufen praktisch nie vollständig eben und komplementär zueinander, so daß sich beim Zusammenfügen vor dem Verschweißen ein Fügespalt zwischen den beiden Werkstück-Randflächen ergibt. Dieser Fügespalt muß beim Schweißvorgang mit Material gefüllt werden, so daß sich eine stoff schlüssige Verbindung ergibt. Dies erfolgt ohne Einbringen eines z. B. von einem Schweißdraht oder -stab gebildeten Fremdmaterial durch das beim Einwirken des Schweißstrahls aufschmelzende Ma terial der Werkstück-Randbereiche.The edge surfaces to be welded together practically run never completely flat and complementary to each other, so that when Put a joint between the two before welding results in both workpiece edge surfaces. This joint gap must Welding process can be filled with material so that there is a fabric conclusive connection results. This is done without introducing a e.g. B. formed by a welding wire or rod foreign material due to the melting of the welding beam material of the workpiece edge areas.

In diesem Zusammenhang besteht ein bekanntes Problem darin, daß ein den Fügespalt durchdringender und an der rückseitigen Mündung des Fügespaltes austretender Anteil des insbesondere von einem Laserstrahl gebildeten Schweißstrahls für das Aufschmelzen verloren ist und somit einen Energieverlust darstellt.In this context, a known problem is that a penetrating gap and on the back Mouth of the joint gap emerging portion of the particular a laser beam formed for the melting is lost and thus represents a loss of energy.

Daher wurde bereits vorgeschlagen, den Laserstrahl mittels eines in den Strahlengang gebrachten, von zwei winkelig zueinander stehen den Einzelspiegeln gebildeten Doppelspiegels in zwei parallele Einzelstrahlen aufzuspalten, die beiderseits des Fügespaltes auf die Werkstückanordnung treffen und diese durchsetzen. Diese Einzelstrahlen müssen jedoch möglichst nahe dem Fügespalt ver laufen, so daß es sich kaum vermeiden läßt, daß doch ein gewisser Strahlanteil den Fügespalt durchdringt. Ein weiterer Energiever lust tritt an dem Doppelspiegel auf. Außerdem stellt diese Spiegel anordnung einen apparativen Aufwand dar.It has therefore already been proposed to use a laser beam brought into the beam path, of two at an angle to each other the single mirror formed double mirror in two parallel Split individual beams on both sides of the joint gap hit the work piece arrangement and enforce it. This However, individual beams must be as close as possible to the joint gap run, so that it can hardly be avoided that a certain Beam portion penetrates the joint gap. Another energy ver lust occurs on the double mirror. It also provides mirrors arrangement is an expenditure on equipment.

Ein anderes bekanntes Verfahren setzt an einer anderen Stelle an. Bei ihm wird der Fügespalt vor dem Auftreffen des Schweißstrahls durch mechanisches Drücken der beiden Werkstück-Randbereiche aufeinander zu sozusagen zum Verschwinden gebracht. Der Schweiß strahl trifft dann auf eine geschlossene Außenseite der Werk stückanordnung und steht somit ohne Energieverlust zum Aufschmelzen des Materials der Werkstück-Randbereiche zur Verfügung. Der mit dem mechanischen Zusammendrücken verbundene Aufwand ist jedoch beträchtlich. Außerdem muß die Verbindungsstrecke, über die hinweg die Werkstück-Randbereiche miteinander verschweißt werden, linear verlaufen.Another known method starts at a different point. With him, the joint gap before the impact of the welding beam by mechanically pressing the two workpiece edge areas made each other disappear, so to speak. The sweat beam then hits a closed outside of the work piece arrangement and is thus without melting loss of the material of the workpiece edge areas. The however, the effort associated with mechanical compression is considerably. In addition, the link must be over the the workpiece edge areas are welded together, linearly run.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ohne be sonderen apparativen Aufwand im wesentlichen die gesamte Strahl energie zum Aufschmelzen zur Verfügung steht.The present invention is therefore based on the object To create methods of the type mentioned, in which without be special equipment expenditure essentially the entire beam energy for melting is available.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Werkstück- Randbereiche verwendet werden, deren die Fügeflächen bildenden Randflächen im quer zur Verbindungsstrecke gelegten Querschnitt mit der Oberseite des jeweiligen Werkstück-Randbereichs einen Winkel ungleich 90° bilden und gleichsinnig so schräg verlaufen, daß in senkrechter Draufsicht auf die Außenseite die an der ent gegengesetzten Rückseite der Werkstückanordnung vorhandene Füge spaltmündung verdeckt ist.This object is achieved in that workpiece Edge areas are used, the areas forming the joining surfaces Edge areas in the cross section laid across the connecting section with the top of the respective workpiece edge area Form angles not equal to 90 ° and run in the same direction at an angle, that in a vertical plan view of the outside of the ent existing joint on the opposite rear side of the workpiece arrangement gap opening is covered.

Somit liegt ein im Querschnitt schräger Fügespalt vor, so daß der Laserstrahl od. dgl., auch wenn er den Fügespalt erfaßt, über seinen gesamten Querschnitt hinweg auf aufzuschmelzendes Material trifft.Thus, there is an oblique joining gap in cross section, so that the Laser beam or the like, even if it detects the joint gap, over its across the entire cross-section meets material to be melted.

Für das erfindungsgemäße Verfahren genügt ein übliches Schweiß strahlgerät ohne zusätzliche Apparaturen. Es ist lediglich er forderlich, die Randflächen der Werkstück-Randbereiche vorher ent sprechend abzuschrägen, was zweckmäßigerweise durch einen Schneid vorgang erfolgt.A common sweat is sufficient for the method according to the invention blasting machine without additional equipment. It's just him required to remove the edge surfaces of the workpiece edge areas beforehand beveled accordingly, which is expedient by a cutting operation takes place.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Verbindungsstrecke einen praktisch beliebig konturierten Verlauf nehmen kann. Another advantage of the method according to the invention is that that the connecting path contoured practically any Can take course.

Es versteht sich, daß der Schweißstrahl nicht dem Fügespalt ent sprechend schräg sondern im Querschnitt gesehen winkelig zum Fügespalt gerichtet sein muß.It is understood that the welding beam does not enter the joining gap speaking obliquely but seen in cross section at an angle to Joining gap must be directed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, mit senkrecht zur Außenseite der Werkstückanordnung auf diese gerichtetem Schweiß strahl zu arbeiten. Auf diese Weise werden Reflexionsverluste vermieden. Außerdem trifft der Schweißstrahl mit kreisförmigem Querschnitt und somit konzentriert auf die Werkstückanordnung.The method according to the invention makes it possible to use perpendicular to Outside of the workpiece assembly on this directed sweat beam to work. In this way, reflection losses avoided. In addition, the welding beam hits with a circular Cross section and thus concentrated on the workpiece arrangement.

Auf den ersten Blick hin könnte man meinen, bei im Unterschied zum erfindungsgemäßen Vorgehen in üblicher Weise rechtwinkelig zur Außenseite stehenden Randflächen könnte man ein entsprechendes Ar beitsergebnis erhalten, wenn man den Schweißstrahl schräg auftreffen läßt, so daß er, dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend, die rückseitige Fügespaltmündung nicht "sieht". Bei einem solchen Schrägeinfall des Schweißstrahls wird jedoch ein gewisser Strahlan teil an der Außenseite der Werkstückanordnung reflektiert, der somit für das Aufschmelzen verloren ist. Ferner ergibt sich ein elliptischer Auftreffquerschnitt mit quer zur Verbindungsstrecke ver laufender großer Halbachse der Ellipse. Bei einem elliptischen Querschnitt ist wegen der größeren Querschnittsfläche die pro Flächeneinheit in die Werkstückanordnung eintretende Energie aber geringer als bei einem Kreisquerschnitt, so daß der Schweißstrahl länger an der jeweiligen Stelle verweilen muß, um das Material aufzuschmelzen. Versuche haben ergeben, daß sich bei einer solchen Anordnung mit um 5° schräg gestelltem Laserstrahl eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit längs der Verbindungsstrecke um ca. 10% ergibt.At first glance you might think that the difference to the procedure according to the invention in the usual way at right angles to A corresponding ar could be placed on the outside of the peripheral surfaces Get the result if you hit the welding beam at an angle lets so that he, according to the inventive method, the back gap gap not "sees". With such a A certain beam, however, becomes oblique to the welding beam part reflected on the outside of the workpiece assembly, the thus lost for melting. There is also a elliptical impact cross-section with ver running major semi-axis of the ellipse. With an elliptical Cross-section is the pro because of the larger cross-sectional area Area unit energy entering the workpiece arrangement, however less than a circular cross section, so that the welding beam must linger longer at the respective point to the material to melt. Experiments have shown that such Arrangement with a 5 ° inclined laser beam a reduction the welding speed along the connection line by approx. Gives 10%.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt zwei miteinander zu ver schweißende Werkstück-Randbereiche im Querschnitt zusammen mit einem darauf gerichteten Laserstrahl in schematischer Darstellung.The only figure in the drawing shows two ver welding workpiece edge areas in cross section together with a laser beam directed onto it in a schematic representation.

Die beiden Randbereiche 1, 2 werden beim Ausführungsbeispiel jeweils von einer gesonderten Metallblechplatine gebildet, wobei die beiden Platinen und somit die Randbereiche 1 und 2 eine unterschiedliche Wanddicke aufweisen. Dies ist im vorliegenden Zusammenhang jedoch nicht weiter von Bedeutung, da sich das erfindungsgemäße Ver fahren auch für gleich dicke Werkstück-Randrandbereiche 1, 2 eignet.In the exemplary embodiment, the two edge regions 1 , 2 are each formed by a separate sheet metal plate, the two plates and thus the edge regions 1 and 2 having a different wall thickness. However, this is of no further importance in the present context, since the method according to the invention is also suitable for workpiece edge regions 1 , 2 of the same thickness.

Wie bereits erwähnt, könnten die Randbereiche 1, 2 jedoch auch zu einem gleichen Werkstück gehören, beispielsweise zu einem rohrförmig gebogenen Blechteil, dessen Randbereiche 1, 2 einander gegenüberliegen.As already mentioned, the edge regions 1 , 2 could, however, also belong to the same workpiece, for example to a tubular sheet metal part, the edge regions 1 , 2 of which lie opposite one another.

Die beiden Randbereiche 1, 2 weisen eine flächige Gestalt auf und bilden jeweils eine Randfläche 3 bzw. 4. Dabei sollen die beiden Randbereiche 1, 2 an ihren Randflächen 3, 4 über eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Verbindungsstrecke hinweg miteinander verschweißt werden. Hierzu werden die beiden parallel zueinander ausgerichteten Randbereiche 1, 2 (wenn hier von einer parallelen Ausrichtung gesprochen wird, so ist damit auch ein gebogener Verlauf und Übergang wie bei einem Rohr od. dgl. gemeint) mit ihren jeweils eine Fügefläche bildenden Randflächen 3, 4 in Richtung gemäß Pfeil 5 gegeneinander gestoßen und in dieser Lage fixiert. Sodann wird ein Laserstrahl 6 oder ein anderer Schweißstrahl, z. B. ein Elektronen strahl, auf die von den Oberseiten 7, 8 der Randbereiche 1, 2 gebildete Außenseite der von beiden Randbereichen 1, 2 gebildeten Werkstück anordnung gerichtet, so daß im Bereich der Randflächen 3, 4 ein Aufschmelzen des Materials und somit das Verschweißen stattfindet. Der Laserstrahl 6 wird dann der Verbindungsstrecke entlang über die Werkstückanordnung geführt.The two edge regions 1 , 2 have a flat shape and each form an edge surface 3 or 4 . The two edge regions 1 , 2 are to be welded to one another at their edge surfaces 3 , 4 over a connecting section running perpendicular to the plane of the drawing. For this purpose, the two edge regions 1 , 2 aligned parallel to one another (if one speaks of a parallel orientation here, this also also means a curved course and transition as in the case of a pipe or the like) with their respective edge surfaces 3 , 4 forming a joining surface butted in the direction of arrow 5 and fixed in this position. Then a laser beam 6 or another welding beam, e.g. B. an electron beam, directed to the top surface 7 , 8 of the edge regions 1 , 2 formed outside of the workpiece formed by both edge regions 1 , 2 arrangement, so that in the region of the edge surfaces 3 , 4 a melting of the material and thus the welding takes place. The laser beam 6 is then guided along the connection path over the workpiece arrangement.

Der Laserstrahl 6 ist im Bereich der Werkstückanordnung 1, 2 fokussiert. Der zwischen der zentralen Laserstrahlachse 10 und der Mantelfläche des Strahlkegels gemessene Kegelwinkel α des Laserstrahls liegt, wie üblich, im Bereich von etwa 15°.The laser beam 6 is focused in the area of the workpiece arrangement 1 , 2 . The cone angle α of the laser beam, measured between the central laser beam axis 10 and the lateral surface of the beam cone, is, as usual, in the range of approximately 15 °.

Die Randflächen 3, 4 sind mit Herstellungstoleranzen behaftet, so daß sie nicht exakt aneinander anliegen. Daher befindet sich zwischen ihnen mindestens stellenweise ein Fügespalt 9. Dabei ist die An ordnung so getroffen, daß die Randflächen 3, 4 im quer zur Ver bindungsstrecke gelegten Querschnitt, also in der Zeichenebene der Figur, jeweils mit der Oberseite 7 bzw. 8 des zugehörigen Werk stück-Randbereichs 1 bzw. 2 einen Winkel β bzw. γ bilden, der ungleich 90° ist. Dabei verlaufen die beiden Randflächen 3, 4 gleich sinnig so schräg, daß, blickt man in senkrechter Draufsicht ge mäß Pfeil 11 auf die von den Oberseiten 7, 8 gebildete Außenseite der Werkstückanordnung, die an der der Oberseite 7, 8 entgegenge setzten Rückseite 12 der Werkstückanordnung austretende Mündung 13 des Fügespaltes 9 verdeckt ist. Der Winkel β ist ein stumpfer Winkel und der Winkel γ ein spitzer Winkel, die sich beide - sieht man von Herstellungstoleranzen ab - zu 180° ergänzen. Auf diese Weise verlaufen die beiden Randflächen 3, 4 im wesentlichen parallel zueinander, so daß der Fügespalt 9 entsprechend schräg wie die beiden Randflächen 3, 4 verläuft.The edge surfaces 3 , 4 have manufacturing tolerances so that they do not lie exactly against one another. There is therefore a joint gap 9 between them at least in places. The arrangement is such that the edge surfaces 3 , 4 in the cross-section of the cross-section, that is to say in the plane of the drawing, each with the top 7 or 8 of the associated work piece edge region 1 or 2, an angle β or γ form that is not equal to 90 °. The two edge surfaces 3 , 4 are equally sensible so obliquely that, if you look in a vertical plan view ge according to arrow 11 on the upper side 7 , 8 formed from the outside of the workpiece assembly, which on the top 7 , 8 opposite 12 set the back Mouth 13 emerging from the workpiece arrangement of the joining gap 9 is covered. The angle β is an obtuse angle and the angle γ is an acute angle, both of which - apart from manufacturing tolerances - add up to 180 °. In this way, the two edge surfaces 3 , 4 run essentially parallel to one another, so that the joining gap 9 runs obliquely like the two edge surfaces 3 , 4 .

Da die rückseitige Fügespaltmündung 13 für den Laserstrahl 6 od. dgl. sozusagen unsichtbar ist, trifft der gesamte Strahlquer schnitt auf das Material der Randbereiche 1, 2 und steht somit ins gesamt für das Aufschmelzen zur Verfügung. Beim dargestellten Aus führungsbeispiel wird von dem größere Wanddicke aufweisenden Randbereich 2 der obere Eckbereich 14 aufgeschmolzen, so daß das Material nach unten in den Fügespalt 9 läuft. Außerdem wird von dem anderen Randbereich 1 der der Randfläche 3 nahe Bereich 15 geschmolzen. Entsprechendes gilt bei gleich dicken Randbereichen 1, 2.Since the rear joining gap opening 13 is invisible to the laser beam 6 or the like, so to speak, the entire beam cross-section hits the material of the edge regions 1 , 2 and is thus available overall for the melting. In the exemplary embodiment shown, the upper corner area 14 is melted from the larger wall thickness of the edge area 2 , so that the material runs downward into the joining gap 9 . Furthermore, from the other edge of the region 1 near the edge surface portion 15 3 is melted. The same applies to edge regions 1 , 2 of the same thickness.

Der Brennpunkt 16 des Laserstrahls 6 liegt zweckmäßigerweise etwa in der Rückseite 12 der Werkstückanordnung.The focal point 16 of the laser beam 6 expediently lies approximately in the rear 12 of the workpiece arrangement.

Besonders günstige Verhältnisse erhält man, wenn der Schweißstrahl 6, genauer gesagt seine Laserstrahlachse 10, senkrecht zur Außen seite 1, 2 der Werkstückanordnung auf diese gerichtet wird.Particularly favorable conditions are obtained when the welding beam 6 , more precisely its laser beam axis 10 , is directed perpendicular to the outer side 1 , 2 of the workpiece arrangement on this.

In diesem Falle trifft der Laserstrahl 6 mit kreisförmigem Quer schnitt auf die Außenseite 7, 8, so daß die Strahlenergie ent sprechend konzentriert ist. Bei schrägem Einfall des Laserstrahls würde sich eine Ellipse und somit sozusagen ein Auseinanderziehen des Strahlquerschnitts und somit ein verringerter Energieeintritt in die Werkstückanordnung pro Flächeneinheit ergeben. Außerdem würde ein Anteil des Laserstrahls an der Außenseite 7, 8 reflektiert werden, was einem weiteren Energieverlust entspricht. Dies hätte eine ver ringerte Schweißgeschwindigkeit zur Folge, mit der der Schweißstrahl 6 längs der Verbindungsstrecke über die Werkstückanordnung geführt wird.In this case, the laser beam 6 hits with a circular cross-section on the outside 7 , 8 , so that the beam energy is concentrated accordingly. With an oblique incidence of the laser beam, an ellipse would result and thus, so to speak, an expansion of the beam cross section and thus a reduced energy entry into the workpiece arrangement per unit area. In addition, a portion of the laser beam would be reflected on the outside 7 , 8 , which corresponds to a further loss of energy. This would result in a reduced welding speed with which the welding beam 6 is guided along the connecting path over the workpiece arrangement.

Die Randflächen 3, 4 werden zweckmäßigerweise durch einen Schneidvor gang abgeschrägt. Der Schnittwinkel beträgt (90° - γ) bzw. (β - 90° und kann im Bereich von bis zu 80 oder größer liegen.The edge surfaces 3 , 4 are expediently beveled by a cutting operation. The cutting angle is (90 ° - γ) or (β - 90 ° and can be in the range of up to 80 or larger.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur bei metallischen Werkstücken sondern auch bei aus anderem Material, insbesondere Kunststoff, bestehenden Werkstücken anwenden.The method according to the invention can be used not only with metallic ones Workpieces but also from other material, in particular Plastic, apply existing workpieces.

Claims

1. A method for line-like welding of two planar shapes, essentially parallel to one another, the workpiece edge regions run along a connecting path, the edge surfaces of which form joining surfaces with which the workpiece edge regions are butted against one another, at least in places forming a joint gap, a welding beam , in particular a laser beam or an electron beam, is directed against the outside of the workpiece arrangement to be welded, which is formed by the facing upper sides of the two workpiece edge regions, characterized in that workpiece edge regions ( 1 , 2 ) are used, the edge surfaces of which form the joining surfaces ( 3 , 4 ) in the cross-section of the cross-section with the upper side ( 7 , 8 ) of the respective workpiece edge area ( 1 , 2 ) form an angle unequal to 90 ° and run obliquely in the same direction so that in a vertical plan view of the outside ite ( 7 , 8 ) on the opposite rear side ( 12 ) of the workpiece arrangement ( 1 , 2 ) existing gap opening ( 13 ) is covered.

2. The method according to claim 1, characterized in that the welding beam ( 6 ) perpendicular to the outside ( 7 , 8 ) of the workpiece arrangement ( 1 , 2 ) is directed at this.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that workpiece edge regions ( 1 , 2 ) with beveled edge surfaces ( 3 , 4 ) are used by a cutting process.