DE3828341A1 - Verfahren zum stumpfen verschweissen von blechteilen aus feinblech im schmelzschweissverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stumpfen Ver­ schweißen von Blechteilen aus Feinblech im Schmelzschweiß­ verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der Buchveröffentlichung "Optoelektronik in der Technik", Vorträge des 6. internationalen Kongresses, Laser 83 Optoelektronik, dort Seiten 300 bis 304 mit dem Titel "Neueste Trends beim Schneiden und Schweißen mit CO ₂-Lasern in der Metallverarbeitenden Industrie" als bekannt hervorgeht.

Mit diesem Verfahren können auch räumlich geformte Blech­ bauteile bei hoher Festigkeit und schönem Aussehen mit­ einander sauber verschweißt werden. Dabei wird zunächst in einem ersten Durchgang eines Laserstrahlkopfes unter Zugabe von Sauerstoff ein Besäumschnitt der sich überlap­ penden Blechbauteile durchgeführt und die Blechteilkanten gestoßen. In einem zweiten Durchgang mit einem anderen Laserstrahlkopf wird unter Schutzgas der Bauteilstoß stumpf geschweißt. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, daß auch an räumlich geformten Blechteilen räumlich gewundene Schweißnähte sauber hergestellt werden können. Nachteilig daran ist jedoch, daß zwei verschiedene Laser­ strahlköpfe verwendet werden müssen. Nachteilig ist ferner, daß beim Stumpfschweißen der Blechteile der Laserstrahl zur Überbrückung des entstandenen Schnitt­ spaltes defokussiert und/oder mit einer Pendel- oder Zirkularbewegung überlagert werden muß. Dieses bedeutet eine Reduzierung der Energiedichte und somit eine Verrin­ gerung der möglichen Schweißgeschwindigkeit. Außerdem zeigt die Schweißnaht entlang der Schnittlinie eine Einschnürung, was eine Schwächung der ohnehin relativ geringen Wandstärke darstellt, die - insbesondere, wenn die Schweißnaht an sichtbaren Bauteilpartien liegt - aus ästhetischen Gründen zeit- und kostenintensiv aufgefüllt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsmäßig zugrunde­ gelegte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine deutliche Verringerung wenn nicht sogar vollständige Beseitigung der erwähnten Einschnürung erzielt werden kann und daß das Besäumschneiden und Schweißen rationalisiert und das installierte Schweißsystem wirtschaftlich optimal genutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Durchfüh­ rung eines Schrägschnittes beim Besäumschneiden wird zwanglos nach dem Entfernen der Säume und beim bündigen Positionieren der zu verschweißenden Blechteile im Naht­ bereich der zuvor entstandene Schnittspalt reduziert, so daß es idealerweise zu einer gegenseitigen Berührung der Blechkanten kommt, d. h. ein minimaler Fügespalt erzielt wird. Beim Verschweißen muß der Laserstrahl nicht mehr unbedingt defokussiert und es müssen auch keine Pendel- oder Zirkularbewegungen dem fortschreitenden Laserstrahl zur Überbrückung des Fügespaltes überlagert werden. Vielmehr reicht der enggebündelte Laserstrahl aus, um die beiden einander unmittelbar gegenüberstehenden Blechteil­ kanten aufzuschmelzen und zu fügen. Dank des minimalen Fügespaltes können die Bearbeitungsparameter beim Besäum­ schneiden zum einen und beim Schweißen zum anderen unter Einhaltung gewisser konstruktiver Kompromisse für beide Bearbeitungsvorgänge - Schneiden bzw. Schweißen - an ein und demselben Strahlkopf realisiert werden, so daß ein Wechsel des Strahlkopfes zwischen den beiden Bearbeitungs­ vorgängen zumindest weitgehend vermieden werden kann. Die installierte Strahlleistung kann überdies wegen des geringen Fugenspaltes optimal ausgenutzt werden. Die an der Schweißstelle entstehende Einschnürung wird fast vollständig vermieden. Aufgrund der relativ hohen möglichen Schweißgeschwindigkeit ist der Wärmeeintrag pro Längenein­ heit der Schweißnaht auch geringer als bei dem bekannten Schweißverfahren, so daß die wärmebedingten Bauteilverzüge noch geringer als ohnehin schon sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen die Fig. 1 bis 4 unterschiedliche Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen zweier Blechbauteile, nämlich

Fig. 1 lagedefiniertes Überlappen der Blechbauteile im Nahtbereich,

Fig. 2 Besäumschneiden,

Fig. 3 oberflächenbündiges Stoßen der Blechbauteile und

Fig. 4 Stumpfschweißen der Blechbauteile.

In den Fig. 1 bis 4 ist sind ein erstes Blechteil 1 und ein zweites Blechteil 2 dargestellt, welche in einer nicht dargestellten Haltevorrichtung lagedefiniert und unver­ rückbar zueinander gehalten und geklemmt sind, wobei jedoch der in Fig. 1 und 2 strichpunktiert angedeutete Nahtverlauf 9 frei zugänglich ist. An den zu verschwei­ ßenden Blechteilen 1 und 2 ist im Bereich des Nahtverlau­ fes 9 jeweils ein Saum 3 bzw. 4 belassen, der vor dem Anbringen der Stumpfschweißnaht entfernt werden muß. Und zwar sind die beiden Blechteile 1 und 2 so in der nicht dargestellten Vorrichtung lagedefiniert zueinander gehal­ ten, daß die beiden Säume sich im Nahtbereich gegenseitig überlappen, d. h. der Saum 3 des ersten Blechbauteiles überlappt das zweite Blechbauteil 2 und der Saum 4 des zweiten Blechbauteiles überlappt das erste Blechbauteil.

Nachdem die Blechteile 1 und 2 solcherart in der Vorrich­ tung gehalten und eingespannt sind, werden sie - wie dies in Fig. 2 angedeutet ist - mittels eines Laserstrahles in einem gemeinsamen Besäumschnitt gleichzeitig durchtrennt. An sich ist ein solcher Besäumschnitt nicht nur mit einem Laserstrahl sondern auch mit einem Wasserstrahl möglich, letzteres vor allen Dingen dann, wenn es sich um dünnere Bleche handelt. Andere theoretisch zwar mögliche Trennver­ fahren wie Elektronenstrahlschneiden oder Elektroerosion eines Spaltes mittels Draht oder auch ein zerspanendes Freiarbeiten eines Schnittspaltes scheitern an unterschied­ lichen Nachteilen dieser Verfahren bei der praktischen Erprobung an einem solchen Anwendungsfall. Der vorzugsweise verwendete Laserstrahl wird von einem Strahlkopf 5 fokus­ siert, so daß in dem unmittelbar vor dem Werkstück liegen­ den Bereich ein kegelförmiger Strahlmantel - Strahl 6 entsteht, der zu einem engen Fokus mit hoher Energiedichte zusammenläuft. Beim Besäumschneiden wird parallel zum Strahl 6 auch noch reaktionsträges oder inertes Schneidgas (N_2, Ar, Me) dem Fokusbereich zugeleitet, mit welchem das aufgeschmolzene Material fluidisch aus dem Schnittspalt 8 ausgetragen wird, was eine oxidationsfreie, wenn auch weniger glatte Schnittkante ergibt. Bei Zufuhr von Sauer­ stoff während des Besäumschneidens verbrennt das aufge­ schmolzene Material teilweise, was die Energie des Schneid­ strahles unterstützt und höhere Schnittgeschwindigkeiten zuläßt. Außerdem sind die dabei entstehenden Schnittkanten glatter als bei einem Schnitt unter Verwendung von inertem oder reaktionsträgem Schutzgas. Nachteilig kann sich u. U. jedoch die entsprechende Oxidhaut an den Schnittkanten beim späteren Schweißen auswirken. Ein Kompromiß kann in der Verwendung eines Schutzgases mit mäßigem Sauerstoffge­ halt liegen. Es entsteht in jedem Fall ein zumindest annähern parallel begrenzter Schnittspalt 8, dessen Schnittspaltweite b im wesentlichen bestimmt ist durch den Durchmesser des Brennfleckes des Strahles 6. Der Strahlkopf 5 bzw. der Strahl 6 wird dem geforderten Nahtverlauf 9 entlanggeführt, der nicht notwendigerweise eine in einer Ebene verlaufende Linie sein muß, sondern durchaus einen räumlich gekrümmten Verlauf haben kann.

Nach Vollendung des Besäumschnittes werden die abge­ schnittenen Säume 3 und 4 entfernt und die Blechteile oberflächenbündig innerhalb der Haltevorrichtung zueinan­ der ausgerichtet, wobei ihre Halterung bzw. Relativlage zueinander unverändert beibehalten werden kann, mit Ausnahme ihrer gegenseitigen, quer zur Bauteiloberfläche gemessenen Höhenlage. Selbstverständlich kann anstelle des erfindungsgemäßen Schrägschnittes oder auch zusätzlich dazu zur Spaltminimierung zumindest eines der Blechbau­ teile 1 und 2 quer zur Nahtlage verschoben werden, was jedoch zu einer komplizierten Haltevorrichtung für die lagedefiniert zueinander gehaltenen Blechteile führen würde. In jedem Fall erfahren die Bauteile durch dieses oberflächenbündige Positionieren quer zur Bauteiloberfläche 15 einen Höhenversatz, der der Blechdicke s entspricht.

Unter Umständen kann zwischen den beiden einander zuge­ kehrten Oberflächen der Blechteile 1 und 2 auch noch ein Luftspalt vorhanden sein, der bei räumlich gekrümmten Blechteilen im Bereich enger Krümmungen geometrisch bedingt oder bei unsauberer gegenseitiger Ausrichtung der Blechteile möglich ist. Gelegentlich wird auch technolo­ gisch bewußt ein Luftspalt zwischen den Blechteilen vorgesehen, um ein Verschweißen der Teile während des Besäumschneidens zu vermeiden. Meist kann jedoch davon ausgegangen werden, daß kein Luftspalt zwischen den aufeinander gelegten Blechteilen 1 und 2 vorhanden ist.

Damit durch das oberflächenbündige Positionieren der Blechteile 1 und 2 trotz ansonsten unveränderter Halterung derselben in der Haltevorrichtung auf selbsttätige Weise der beim Besäumschneiden entstandene Schnittspalt 8 geschlossen werden kann, um damit günstigere Vorausset­ zungen für das anschließende Schweißen der Blechteile 1 und 2 zu schaffen, ist die Strahlachse 7 während des Besäumschneidens unter einem bestimmten Neigungswinkel geneigt. Und zwar wird der Strahl in einer quer zur Schnittlinie 9 und quer zur Bauteiloberfläche 15 stehenden Normalebene 16 geneigt. Unter annähernder Beibehaltung dieses Neigungswinkels - in Kurven kann aus geometrischen Gründen u. U. eine Neigungsanpassung notwendig sein - wird dann der Besäumschnitt durchgeführt. Unter der Vorausset­ zung, daß der Neigungswinkel α des Strahles 6 gegenüber dem Oberflächenlot 10 so gewählt ist, daß er der annä­ hernden Beziehung sin α= b/(s+a) genügt, kann beim oberflächenbündigen Positionieren der Blechteile 1 und 2 der Schnittspalt 8 vollständig beseitigt werden, so daß die beim Besäumschneiden gebildeten Blechteilkanten 11 bzw. 12 sich unmittelbar berühren. In der oben erwähnten Beziehung bedeuten b die Schnittspaltweite, a die Stärke eines definierten Luftspaltes zwischen den Blechen während des Besäumschneidens und s die Blechdicke der Blechteile 1 bzw. 2. Bei unterschiedlich dicken Blechen entspricht s der Blechdicke desjenigen Bauteiles, das beim Besäum­ schneiden - vom Strahlkopf aus gesehen - auf der Seite der später gewünschten Oberflächenbündigkeit liegt; d. h., sollen später die beiden Blechteile oberseitig bündig liegen, so muß die Blechdicke des beim Besäumschneiden oberen Bleches berücksichtigt werden und umgekehrt. Zweckmäßigeweise wird der Besäumschnitt bei annähernd ebenen Bauteilen und nur gering gekrümmtem Nahtverlauf mit einem etwa konstanten Neigungswinkel α durchgeführt, weil ein Luftspalt zwischen den Blechteilen während des Besäum­ schneidens tunlichst vermieden werden sollte; sofern dennoch unbemerkt ein Luftspalt auftritt, ist dieser naturgemäß hinsichtlich seiner Lage und seines Ausmaßen unbekannt und kann somit nicht erfaßt werden. Allenfalls in den Fällen, wo formbedingt ein Luftspalt zwischen den Blechteilen 1 und 2 an definierten Stellen und in defi­ niertem Ausmaß auftritt, kann unter Berücksichtigung dieses Luftspaltes der Neigungswinkel α verändert werden. Tendenziell kann gesagt werden, daß je größer die Schnitt­ spaltweite b ist, umso größer muß der Neigungswinkel gewählt werden. Umgekehrt gilt, daß, je dicker die zu verschweißenden Bleche sind, ein umso kleinerer Nei­ gungswinkel α gewählt werden muß. In gleicher Richtung wirkt sich auch das Auftreten eines Luftspaltes auf, d. h. an den Stellen, an denen mit einem Luftspalt gerechnet werden muß, kann zur Kompensation der Neigungswinkel reduziert und die Strahlachse 7 steiler aufgestellt werden.

Nachdem dank des geneigten Besäumschneidens die Blechteile beim oberflächenbündigen Positionieren auch ohne gegensei­ tige seitliche Verschiebung unmittelbar stumpf aneinander gestoßen werden können, kann das anschließende Verschwei­ ßen der Blechteilkanten 11 bzw. 12 vorzugsweise ohne Defokussierung und/oder ohne überlagerte Pendel- bzw. Zirkularbewegung durchgeführt werden. Die installierte Strahlleistung kann aufgrund dessen optimal zu Schweiß­ zwecken genutzt werden. Hierbei kann vorteilhaft der gleiche Strahlkopf 5 wie beim Besäumschneiden benutzt werden; es werden lediglich andere für das Schweißen ermittelte Bearbeitungsparameter eingestellt und anstelle von Schneidgas nunmehr Schutzgas u. U. mit geringer Beimischung von Sauerstoff der Schweißstelle zugeführt. Dabei kann es jedoch vorteilhaft sein, die Gasleitdüse beim Übergang von Schneiden auf Schweißen und umgekehrt auszutauschen und jeweils eine verfahrensoptimierte Gasleitdüse, die über eine Schnellwechselkupplung gehaltert sein kann, zu verwenden. Der kompliziertere optische Teil des Strahlkopfes würde dabei nicht gewechselt werden. Diese im Wesentlichen unveränderte zweifache Verwendung des Strahlkopfes 5 sowohl zum Schneiden als auch zum Schweißen ist deshalb bei gewissen konstruktiven Kompromis­ sen am Strahlkopf möglich, wenn die spezifischen Schneid- bzw. Schweißparameter mit ein und demselben Strahlkopf realisierbar sind.

Die Strahlachse 7 wird beim Schweißen genau den beiden unmittelbar berührenden Blechteilkanten 11 bzw. 12 nachge­ führt, wobei die Strahlachse 7 jedoch senkrecht zur Bauteiloberfläche oder ebenfalls um den Neigungswinkel gegenüber dem Oberflächenlot 10 eingestellt sein kann. In jedem Fall soll der Strahl die Fügestelle symmetrisch treffen und zwar auch dann, wenn die Strahlrichtung beim Schweißen nicht die gleiche ist wie beim Besäumschneiden.

Auch durch das erfindungsgemäße Minimieren der Nahtfugen­ weite nach dem Besäumschneiden läßt sich ein sogenannter Schweißnahteinfall nicht ohne weiteres völlig vermeiden, weil die Blechbauteile nur mit den Rauheitsspitzen des Besäumschnittes aneinandergestoßen werden können und der Stoß notgedrungen immer noch Leervolumina enthält. Ange­ strebt wird eine "Schweißraupe" als Modellierwerkstoff zum sauberen Verputzen der Schweißstelle. Hierzu kann zum einen während des Laserschweißens ein Zusatzwerkstoff in Form eines in den Strahl eingehobenen abschmelzenden Drahtes zugegeben werden. Andere Möglichkeiten, Zusatzwerk­ stoffe zuzugeben, bestehen darin, eine Pastenraupe aus Metallstaub vorauslaufend auf den Bauteilstoß aufzulegen oder in den Fokusbereich Metallstaub einzublasen u. U. mittels eines Schutzgasstromes. Eine weitere, wenn auch weniger günstige Möglichkeit zur Vermeidung eines Schweiß­ nahteinfalles kann darin gesehen werden, die erfindungsge­ mäße Lehre zur Spaltminimierung zu übertreiben und den Besäumschnitt unter einer etwas zu großen Strahlneigung durchzuführen. Die Teile lassen sich dann nicht mehr genau oberflächenbündig zusammenführen, sondern sie bilden an der Stoßstelle eine kleine Stufe. Dieser überstehende Werkstoff kann zur Vermeidung eines Nahteinfalls herhalten. Der - geringfügige - Oberflächenversatz der Blechteile kann beim Verputzen der Schweißnaht u.U. herausgeschliffen werden. Schließlich kann ein Nahteinfall zumindest auf einer Bauteilseite, beispielsweise auf der späteren Sichtseite des Werkstückes, dadurch vermieden werden, daß die Schweißung von der der Sichtseite gegenüberliegenden Wandungsseite her durchgeführt wird, so daß die Wurzel der Schweißnaht auf der Sichtseite des Werkstückes liegt. Erfahrungsgemäß steht die Schweißnahtwurzel gegenüber der sonstigen Bauteiloberfläche etwas über; dieser Werkstoff­ überstand gibt auch einen Modellierwerkstoff zum Verputzen der Schweißnaht ab.

Claims (12)

1. Verfahren zum stumpfen Verschweißen von Blechteilen insbesondere aus Feinblech im Schmelzschweißverfahren, umfassend folgende Verfahrensschritte:

• - an den zu verschweißenden Blechteilen wird im Bereich des der späteren Stumpfschweißnaht entsprechenden Randes beiderseits jeweils ein zu entfernender Saum belassen,
• - die zu verschweißenden Blechteile werden in der erforderlichen Relativlage lagedefiniert zueinander gehalten, wobei der Saum des einen Blechteiles das jeweils andere Blechteil im späteren Nahtbereich überlappt,
• - anschließend werden die überlappenden Säume mittels eines eng gebündelten Strahles hoher Energiedichte, insbesondere mittels eines Laserstrahles, der dem späteren Nahtverlauf entlanggeführt wird, in einem gemeinsamen Besäumschnitt gleichzeitig durchtrennt, wobei ein dem wirksamen Strahldurchmesser entspre­ chender Schnittspalt zwischen den einander zugekehrten Schnittkanten der Blechteile entsteht,
• - nach Entfernen der abgeschnittenen Säume und ober­ flächenbündigem Legen der Blechteile im Nahtbereich unter sonst unveränderter Halterung derselben werden die stumpf gestoßenen Blechteilkanten ebenfalls mittels eines eng gebündelten Strahles hoher Energie­ dichte, insbesondere mittels eines Laserstrahles schmelzgeschweißt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (6) zumindest während des Besäumschneidens (Fig. 2) - in einer quer zur Schnittlinie (9) und quer zur Bauteiloberfläche (15) stehenden Normalebene (16) gesehen bzw. auf eine solche Normalebene (16) projeziert - gegenüber dem Oberflächenlot (10) geneigt (Neigungswinkel α) gehalten und unter annähernder Beibehaltung dieser Neigung (Neigungswinkel α) bzw. Anpassung der Neigung im Bereich von Kurven der Schnittlinie (9) entlanggeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) des Strahles (6) gegenüber dem Oberflächenlot (10) so gewählt ist, daß er annähernd der Beziehung sin α= b/(s+a) genügt, wobei b die Schnitt­ spaltweite, a die Stärke eines gegebenenfalls vorhandenen definierten Luftspaltes zwischen den Blechteilen (1, 2) während des Besäumschneidens (Fig. 2) und s die Blech­ dicke der Blechteile (1, 2) bedeutet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Besäumschneiden (Fig. 2) ein sich zumindest reaktionsträge, vorzugsweise ein sich inert verhaltendes Gas in einem eng gebündelten auf den Fokus gerichteten Gasstrom hoher Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim oberflächenbündigen Positionieren der Blechteile (1, 2) wenigstens eines von ihnen im Sinne einer Spaltre­ duzierung parallel zur Blechoberfläche und quer zum Nahtverlauf verschoben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen (Fig. 4) zumindest weitgehend der gleiche Strahlkopf (5) wie beim Besäumschneiden (Fig. 2) jedoch mit auf das Schweißen angepaßten, veränderten Bearbeitungsparametern benutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wechsel von Besäumschneiden (Fig. 2) auf Schweißen (Fig. 4) und umgekehrt die jeweils verwendete Gasleitdüse ausgetauscht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen (Fig. 4) die gleiche Strahlneigung (Neigungswinkel α) wie beim Besäumschneiden (Fig. 2) aufrechterhalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkopf (5) beim Schweißen (Fig. 4) der gleichen Bahn wie beim Besäumschneiden (Fig. 2) jedoch derart seitenversetzt entlangeführt wird, daß der Strahl (6) die Fügestelle symmetrisch trifft.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen (Fig. 4) ein Zusatzwerkstoff zugegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Besäumschneiden (Fig. 2) unter einer Strahlneigung (Neigungswinkel α) durchgeführt wird, die der Ungleichung sin α< b/(s+a) gehorcht, wobei b die Schnittspaltbreite, a die Stärke eines gegebenenfalls vorhandenen, definierten Luftspaltes zwischen den Blechteilen (1, 2) während des Besäumschneidens (Fig. 2) und s die Blechdicke der Blechteile (1, 2) bedeutet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Schweißen von der der Sichtseite des Blechbauteiles gegenüberliegenden Wandungsseite her durchgeführt wird.