DE3901319A1 - Verfahren und anordnung zum verschweissen von feinblechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung desselben nach der Gattung der Patentansprüche 1 und 4.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen entweder die zu ver­ schweißenden Bleche mit Randstreifen übereinandergelegt sind oder aber stumpf aufeinanderstoßen (DE-PS 7 33 200, DE-OS 36 00 532 sowie "Laser in Elektrotechnologie und Materialbear­ beitung", 1982, Akad. Verl.-Gesellschaft Geest und Portig KG, Seiten 128, 148 bis 155). Im ersteren Falle ergibt sich eine lokale Verdoppelung der Dicke der verbundenen Bleche, die mindestens unerwünscht, oft aber untragbar ist; beim Herstellen von Stoßschweißungen jedoch ist es nach der DE-OS 37 13 527 erforderlich, die zu verbindenden Kantenbereiche aufwendig zu bearbeiten, um eine verläßliche, sichere und auch dichte Schweißnaht zu erhalten.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine mit ge­ ringem Aufwande erstellbare sichere und dichte, mittels eines Laserstrahles bewirkbare und eine Dickenverdoppelung vermeidende Schweißnaht zu schaffen.

Erreicht wird dieses mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 sowie 4. Ausgegangen wird hierbei von einer geringfügigen Überlappung, die Abweichungen auszuglei­ chen vermag; durch die nachträgliche Pressung noch in der Schweißhitze jedoch wird das Material des erhitzten Überlap­ pungsbereiches in seiner Dicke mindestens auf das 1,6-fache der Dicke der Feinbleche reduziert, vorzugsweise jedoch mindestens auf das 1,3-fache, oder weiterhin auf die einfa­ che Dicke der Feinbleche verformt.

Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 in einer Frontansicht zwei überlappende Feinbleche mit einem auf den Überlappungsbereich gerichteten Laserstrahl,

Fig. 2 perspektivisch-schematisch zwei einander geringfü­ gig überlappende Feinbleche mit auf ihren Überlap­ pungsbereich gerichteten Laserstrahl eines Laser­ generators und zwei die Pressung des Schweißberei­ ches bewirkenden Rollen,

Fig. 3 schematisch eine Seitenansicht von eine Schweißein­ richtung durchlaufenden, entlang der Symmetrieachse des Überlappungsbereiches bzw. der Schweißnaht geschnittenen Blechen,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Ebene IV der Fig. 3, und

Fig. 5 abgebrochen eine Aufsicht auf die Anordnung der Fig. 3.

In der Fig. 1 sind zwei Feinbleche 1 und 2 gezeigt, die sich zur Vorbereitung einer Schweißnaht jeweils mit Randstreifen 3, 4 überlappen. Die Schweißung wird mittels eines Laser­ strahles 5 bewirkt, der auf den Überlappungsbereich gerich­ tet ist und diesen durch Bewegung der Feinbleche und/oder eines Lasergenerators 6 in Längsrichtung abfährt. Direkt nach Erhitzung eines Abschnittes des Überlappungsbereiches wird die durch die Erhitzung in diesem gebildete Schweißnaht 7, noch heiß, einer derartigen Pressung unterworfen, daß die noch heiße und einen geringen Verformungswiderstand aufweisende Schweißnaht 7 durch Quetschen in ihrer Dicke reduziert wird. Gleichzeitig wird durch diese Pressung die Verbindung der zu verschweißenden Bleche weiter intensi­ viert.

Im allgemeinen wird man hierbei eine Reduktion der Dicke der Schweißnaht 7 auf die Dicke b der Feinbleche 1, 2 anstreben, wenn auch erforderlichenfalls geringere Reduktionen bewirkt werden können, z.B. auf das 1,6-fache der Dicke b, vorzugs­ weise aber auf das 1,3-fache oder weiter an das 1-fache der Dicke b angenähert.

Wesentlich hierbei ist, daß der Überlappungsbereich relativ schmal gehalten ist und mit einer Breite a eingehalten ist, die bspw. das 0,3-fache bis zum 8-fachen der Dicke b der Feinbleche betragen kann; vorteilhaft wird man sich auf das 0,5- bis 1,5-fache der Dicke b der Feinbleche beschränken. Bei zu geringen Überlappungen sinkt die Möglichkeit des Ausgleiches größerer Abweichungen der Ränder der zu verbin­ denden Blechtafeln, und es empfiehlt sich, den Laserstrahl entgegen der Darstellung in den Fig. 1 und 2 gegen die Kantenbereiche des oben liegenden Randstreifens zu richten; bei größeren Überlappungen ist zwar die Ausrichtung des Laserstrahles weniger kritisch, Schwierigkeiten treten je­ doch beim Wegpressen der größeren, in der Schweißnaht 7 anfallenden Materialmenge unter bereits fallender Schweiß­ temperatur des breiteren Bereiches auf.

Nach Fig. 2 ist die Pressung, die bspw. auch durch beweg­ liche Backen wie bei Hammermaschinen bewirkt werden könnte, vermittels eines Walzvorganges durchgeführt. Die zu verbin­ denden, überlappenden Feinbleche 1 und 2 werden in Richtung der Pfeile 10 durch einen Walzspalt geführt, der zwischen zwei fliegend gelagerten Rollen 8 und 9 gebildet wird. Der Laserstrahl 5 des Lasergenerators 6 ist auf den Einzugsbe­ reich der Überlappung 3, 4 direkt vor den Rollen gerichtet. Um hier einen kurzen Abstand erreichen zu können, ist die obere, die Druck-Rolle 9, mit geringerem Durchmesser ausge­ führt, und der Laserstrahl 5 ist zweckmäßig nicht nur gegen die die Rollenachsen aufweisende vertikale Ebene, sondern gleichzeitig auch gegen die normal auf der Rollenachsen ste­ henden Ebenen schräg geführt. Je nach Temperatur und Wärme­ kapazität wird man hier Rollen einsetzen, die durch gut leitende Mäntel oder rohrförmige Abschnitte derselben eine gute Wärmeabfuhr bewirken, die durch Kühlen der Rollen mit­ tels eines aufgespritzen oder Kanäle derselben durchfließen­ den Mediums erhöht werden kann.

Insbesondere bei sehr feinen Blechen besteht oft das entge­ gengesetzte Bestreben des geringen Wärmeentzuges, um bspw. den Temperaturabfall und damit den Verformungswiderstand im Schweißbereiche gering zu halten. Hier kann eine Aufheizung der Walzen bzw. die Einregelung einer vorgegebenen Tempera­ tur sich vorteilhaft auswirken, oder es kann, gegebenenfalls zusätzlich, eine thermische Isolierung benutzt werden. Bspw. könnten der Außenmantel oder ein konzentrischer, rohrförmi­ ger Abschnitt der Walze aus einer Keramik-Masse bestehen.

Weiterhin veranschaulicht ist der Schweißvorgang durch die schematisierte Seitenansicht der Fig. 3, welche die Stirnan­ sicht der Basis-Rolle 8 und der unter Bildung eines Walz­ spaltes ihr gegenüberstehenden Druck-Rolle 9 zeigt. Eine der Rollen oder vorzugsweise beide Rollen sind derart angetrie­ ben, daß sie die zu verschweißenden Feinbleche in Richtung des Pfeiles 10 durch den zwischen ihnen gebildeten Walzspalt 10 ziehen. Von diesen Blechen sind in der Fig. 3 die verti­ kal entlang der Symmetrieebene ihres Überlappungsbereiches geschnittenen, übereinander gelegten Randstreifen 3 und 4 gezeigt. Gegen diese Randstreifen ist der aufschmelzende Laserstrahl 5 derart gerichtet, daß er etwa auf die frei­ stehende Flanke des obenliegenden Randstreifens 3 auftrifft; der einfokussierte Auftreffpunkt kann hierbei noch auf der oberen Deckfläche des Randstreifens liegen, direkt auf der freistehenden Flanke, vorzugsweise in deren unterem Bereich, oder gar im Endbereich dieser freistehenden Flanke. In jedem dieser Fälle läßt sich bei relativ schmalen Überlappungsbe­ reichen eine ausreichende Erhitzung sowohl des obenliegenden als auch des unterliegenden Randstreifens erreichen, so daß eine einwandfreie, feste und dichte Schmelzschweißung er­ reichbar ist. Die beiden hierbei angewandten Neigungskompo­ nenten des Laserstrahles 5 lassen sich der Seitenansicht der Fig. 3 und dem Schnitt der Fig. 4 ebenso entnehmen, wie die horizontalen Komponenten in der Aufsicht der Fig. 5 gezeigt sind.

Die übereinandergelegten, in den Schmelzbereich erhitzten Randstreifen passieren dann den zwischen der Basis-Rolle 8 und der Druck-Rolle 9 gebildeteten Spalt und werden hierbei ähnlich einem Walzvorgang auf eine Schweißnaht 7 zusammenge­ quetscht, welche eine geringere Höhe aufweist als die Höhe 2b der beiden aufeinandergelegten Randstreifen. Man wird hierbei leicht eine Reduktion bspw. auf 1,4b erhalten und zweckmäßig werden Reduktionen auf 1,3b bis 1b angestrebt.

Eventuell die Welle 11 der Druck-Rolle 9 zu stark beanspru­ chende Biegemomente könnten hierbei durch eine in den Figu­ ren nicht dargestellte, die Druck-Rolle 9 abstützende zu­ sätzliche Stützrolle abgefangen werden, die mit größerem Durchmesser und entsprechend vergrößerten Wellendurchmesser ausführbar ist.

Auch hier lassen sich die Basis-Rolle 8 sowie die Druck-Rol­ le 9 als massive Stahlrollen ausführen, es ist aber auch möglich, in Anpassung an Material und Dicke der zu ver­ schweißenden Feinbleche und damit die innerhalb der zu ver­ quetschenden Schweißnaht zu erzielenden und aufrechtzuerhal­ tenden Temperaturen wärmeisolierende bzw. wärmeleitende Be­ reiche gegebenenfalls in Kombination vorzusehen und gegebe­ nenfalls durch Kühl- oder Heizmaßnahmen zu ergänzen.

Als zweckmäßig kann es sich auch erweisen, den Transport bzw. den Durchzug der Randstreifen der Feinbleche durch den zwischen den Rollen gebildeten Spalt durch weitere, auf die Feinbleche selbst einwirkende Antriebe zu ergänzen und den Vorschub gegebenenfalls durch Führungslineale bezüglich seiner Richtung zu sichern.

In jedem Falle wird mit relativ einfachen Mitteln eine über­ lappte Schweißnaht erreicht, deren Dicke deutlich geringer ist als die üblicher überlappter Nähte mit ihrer gedoppelten Blechstärke, auch wenn die Reduktion der Dicke durch Pres­ sung zwischen den Rollen nur auf das 1,6-fache der Blech­ dicke, vorzugsweise das 1,3-fache der Blechdicke unter­ schreitende Dicken bewirkt wird. Vorteilhaft wirkt sich die Quetschung bzw. Pressung der Schweißnaht auch auf deren Festigkeit und Dichte aus, so daß mit relativ geringem Auf­ wand eine strapazierfähige, relativ dünne Schweißnaht er­ reichbar ist, bei deren Erstellung Kantenabweichungen der zu verbindenden Feinbleche ausgeglichen werden, so daß die Bearbeitungstoleranzen der Feinbleche vorteilhaft erweitert werden.

Claims (14)

1. Verfahren zum Verschweißen von Feinblechen mittels eines erhitzenden Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß übereinandergelegte schmale Randstreifen (3, 4) der Feinbleche (1, 2) nach der Erhitzung über den Schmelz­ punkt vermittels von Werkzeugen auf eine Schweißnaht (7) vorzugsweise der einfachen Blechdicke (b) zusammengepreßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge dem fortschreitenden Schmelzbereiche des Laserstrahles (5) direkt folgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- als Walzvorgang bewirkt ist und der Laser­ strahl (5) direkt vor den Rollen (8, 9) auf den Überlap­ pungsbereich der Randstreifen (3, 4) gerichtet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Laserstrahles (5) eine gegen die Flanke des oben liegenden der Randstreifen (3, 4) gerich­ tete Komponente aufweist.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
ein Paar von Rollen (8, 9), durch deren zwischen ihnen gebildeten Spalt die überlappten Randstreifen (3, 4) der Feinbleche (1, 2) entlang einer Führungsbahn geführt sind (10),
und durch einen Lasergenerator (6), der einen Laserstrahl (5) auf den jeweils in den zwischen den Rollen gebildeten Walzspalt eintretenden Bereich der übereinandergelegten Randstreifen (3, 4) richtet.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, fliegend gelagerte, bis über den Schweißbereich reichende Rollen (8, 9).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Basis-Rolle (8) größeren Durchmessers einer Druck-Rolle (9) geringeren Durchmessers gegenübersteht,
und daß der Lasergenerator (6) auf der der Druck-Rolle (9) zugewandten Seite der miteinander zu verschweißenden Feinbleche (1, 2) angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlappungsbereich der Randstreifen (3, 4) der Feinbleche (1, 2) eine Breite (a) aufweist, welche das 0,3- bis 8-fache der Dicke (b) der Feinbleche beträgt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlappungsbereich der Randstreifen (3, 4) der Feinbleche (1, 2) eine Breite (a) aufweist, welche das 0,5- bis 1,5-fache der Dicke (b) der Feinbleche beträgt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schweißnaht (7) mindestens auf das 1,6-fache der Dicke (b) der Feinbleche (1, 2) reduziert ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (8 und/oder 9) zumindest zentrische rohr­ förmige Zonen aus die Wärme gut leitendem Material wie Aluminium oder Kupfer aufweisen.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (8 und/oder 9) zumindest zentrische rohr­ förmige Zonen aus die Wärme schlecht leitendem Material wie gepreßter Glas- oder Steinwolle, Kieselgur oder Ke­ ramik, aufweisen.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (8 und/oder 9) mittels eines Kanäle der­ selben durchströmenden und/oder auf deren Mäntel ge­ spritzten oder gestrahlten Kühlmediums gekühlt sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines thermischen Mediums eine vorgegebene Temperatur der Rollen (8 und/oder 9) einregelbar ist.