DE3909471C2 - Überlappstoß zum Schweißen von beschichteten Werkstücken mittels Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überlappstoß zum Schweißen von beschichteten Werkstücken, insbesondere verzink­ ten Blechen, mittels Laserstrahlung, mit einer im Bereich der Schweißnaht gelegenen, Abstand zwischen benachbarten Werkstück­ flächen schaffenden Rändelung mindestens eines Werkstücks.

Ein derartiger Überlappstoß ist aus der US-PS 4 682 002 bekannt. Die Rändelung ist von einer Anzahl mehrerer voneinander getrennter Längsrändel gebildet, die sich parallel zur Schweißrichtung über die gesamte Länge des Schweißbereichs erstrecken. Durch die Längsrändel soll das beim Schweißen produzierte Gas der Schicht ausgeblasen werden. Die einzelnen Längsrändel sind gegeneinander abgedichtet. Infolgedessen können grundsätzlich nur diejenigen Längsrändel der gewünschten Entgasung dienen, die sich im Bereich der Schweißbahn befinden. Die beidseitig neben der Schweißbahn befindlichen Längsrändel sind für die Entgasung unwirksam. Infolgedessen ist die Entgasung bei der bekannten Anordnung von den im Bereich der Schweißstelle auftretenden Schmelzebewegungen und von den Verdampfungsvorgängen der Beschichtung in Schweißrichtung vor der Schweißstelle stark abhängig, wodurch eine einwandfreie Entgasung nicht gewährleistet ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Überlappstoß so zu verbessern, daß - unter Beibehaltung eines geringen Herstellungsaufwandes für eine Abstand zwischen den benachbarten Werkstückflächen schaffende Formgebung - die Ausbildung unerwünschter Schmelzebewegungen im Nahtbereich vermieden wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rändelung als Quer- und/oder Schräg- und/oder Kreuzrändelung ausgebildet ist.

Die Querrändelung ist eine Formgebung, die unabhängig von der Dicke der Werkstücke bzw. der Bleche und deren Formgebung im Fügebereich mit bekannten Verfahren ausgebildet werden kann. Es ergibt sich eine besonders gute Konstanz der Formgebung, weil diese nicht von Toleranzen der Werkstücke abhängig ist, sondern einzig von Parametern der Rändelung beeinflußt wird, wie Ausgestaltung des Rändelungselementes, Rändelungsdruck usw. Es ergibt sich eine gut definierte Anlage der beiden Werkstücke aneinander und damit eine entsprechend konstantbleibende Ausgestaltung der Schweißstelle, die mit geringem Regelaufwand hergestellt werden kann.

Neben Vorstehendem ist vor allem von Bedeutung, daß der Abstand zwischen benachbarten Werkstückflächen nicht kontinuierlich längs durchläuft, sondern in Längsrichtung durch Bereiche unterbrochen ist, in denen die Werkstücke auch im Bereich der Schweißnaht dicht aneinander liegen. Infolgedessen stellt die Rändelung eine periodische Störung der Werkstückoberfläche mit geringer Amplitude dar, die das Ausbilden resonanter Schmelzebewegungen beeinflußt. Es werden also prozeßbedingte periodische Resonanzerscheinungen im Schmelzbad vermieden, wodurch der "Humping"-Effekt vermieden oder zumindest beeinflußt werden kann. Infolgedessen sind höhere Prozeßgeschwindigkeiten möglich.

Insbesondere bei beidseitig der Schweißnaht aneinanderlie­ genden Werkstückflächen ist es von Vorteil, daß die Rändelbreite etwa doppelt so groß ist, wie die Schweißnahtbreite. Das ergibt bei entsprechender üblicher Rändeltiefe genügend Abstand bzw. Raum, so daß zwischen den Werkstücken verdampfender Be­ schichtungswerkstoff nicht zu Poren-, Loch- oder Kraterbildung in der Schweißnaht führt.

Die Rändelung kann mittels herkömmlicher bekannter Verfah­ ren hergestellt werden. Zweckmäßig ist es, wenn die Rändelung mittels spanabhebender, Kaltpreß- oder Kaltwalz- oder Prägever­ fahren hergestellt ist.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Schweißen einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 einen Querschnitt zweier spezieller Werkstücke im Bereich einer Fügestelle, und

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Werkstück der Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Werkstückanordnung 1 dargestellt, die aus zwei Werkstücken 2, 3 besteht, die mit Hilfe eines Lasers 4 gefügt werden. Der vom Laser 4 erzeugte Laserstrahl 5 wird von einer Laseroptik 6 fokussiert und auf die Fügestelle 20 ge­ lenkt. Diese erhält bedarfsweise einen Zusatzwerkstoff 8 zuge­ führt, nämlich durch ein Führungselement 9, das beispielsweise als Röhrchen ausgebildet ist und den Zusatzwerkstoff in Gestalt eines Schweißdrahtes an die gewünschte Schweißstelle mechanisch zuleitet. Die Förderung des Zusatzwerkstoffs erfolgt mit einer Fördereinrichtung 10 und die Zufuhrgeschwindigkeit wird mit einer Meßvorrichtung 11 gemessen und mit einem Regler 12 signa­ lisiert. Dieser regelt die Fördergeschwindigkeit des Zusatz­ werkstoffs durch Einflußnahme auf die Fördereinrichtung 10 ent­ sprechend weiterer Betriebsparameter. Ein solcher Betriebspara­ meter wird von der Strahldiagnostik 13 geliefert, welche die Qualität des Laserstrahls 5 feststellt, insbesondere dessen In­ tensität, und demgemäß den Regler 12 beaufschlagt. Weiterer Be­ triebsparameter ist die Geschwindigkeit der Werkstücke 2, 3 re­ lativ zum Laserstrahl 5, welche durch die Meß- und Steuerein­ richtung 14 erfaßt und vom Regler 12 beeinflußt wird. Die Meßeinrichtungen 15, 16 und 17 erfassen Betriebsparameter, die sich aus der Überwachung der Fügestelle 7 ergeben, und zwar akustisch (Meßeinrichtung 15), optisch (Meßeinrichtung 16), wo­ bei beispielsweise eine Temperaturüberwachung der Fügestelle 20 erfolgt oder eine spektroskopische Plasmaüberwachung, und eben­ falls optisch (Meßeinrichtung 17), wobei beispielsweise zur Er­ mittlung der Naht- bzw. Spaltgeometrie, insbesondere der Spalt­ weite oder eines Nahteinfalls im Bereich der Schweißstelle ein Schnittlinienverfahren zur Anwendung kommt. Der demgemäß beauf­ schlagte Regler 12 sorgt automatisch für die Beaufschlagung des Lasers 4 bzw. der Laseroptik 6, so daß das Schweißverfahren vollständig prozeßkontrolliert stattfindet.

Das Schweißen erfolgt vornehmlich als geregeltes Ein­ schweißen dünner Werkstücke, insbesondere dünner Bleche, wie sie im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Bei diesem Schweißen muß gegebenenfalls sichergestellt werden, daß die Schweißnaht auf der Außen- bzw. Unterseite des Karosserie­ blechs nicht sichtbar ist. Trotzdem muß die Verbindung zuver­ lässig sein und es soll mit möglichst hoher Geschwindigkeit ge­ schweißt werden, um eine hohe Produktion zu erzielen. Infolge­ dessen wird die Intensität der Laserstrahlung durch den Regler 12 in Abhängigkeit eines oder mehrerer Schweißstellenparameter geregelt, von denen mindestens einer aussagt, ob die Laser­ strahlung laserinduziertes Plasma in der Schweißstelle erzeugt. Das Vorhandensein von Plasma oder dessen Entstehung wird bei­ spielsweise optisch ermittelt, da in diesem Fall Werkstoff der Werkstücke verdampft, was spektralanalytisch überwacht werden kann. Sobald also die Meßeinrichtung 16 für den zu ver­ schweißenden Werkstoff charakteristische Spektrallinien ermit­ telt, wird der Regler 12 entsprechend beaufschlagt und verän­ dert die Laserintensität zum gegebenen Zeitpunkt.

Die Durchführung mehrerer, auch hier anwendbarer Schweiß­ verfahren im Einzelnen ist in der DE-OS 38 20 848 eingehend beschrieben und erläutert, worauf hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird. Das gilt für sämtliche dort erwähnten Verfahren und Vorrichtungen, soweit sie in Verbindung mit einer Rändelung als Formgebung durchgeführt werden können.

In den Fig. 2, 3 wird die Rändelung der Werkstücke 2, 3 näher beschrieben. Die beiden Werkstücke 2, 3 sind Bleche mit der ver­ gleichsweise geringen Stärke s. Sie liegen abstandslos dicht aneinander. Ihre Ausgestaltung rechts und links der Schweiß­ stelle 20 bzw. der Schweißnaht 50 ist hier ohne Belang.

Die Verschweißung erfolgt mit einem Laserstrahl 5, der die Schweißnaht 50 mit der Schweißnahtbreite b erzeugt. Hierzu wird er beispielsweise quer zur relativen Vorschubrichtung der Werk­ stücke 2, 3 oszillierend bewegt, so daß sich die dargestellte, schwach V-förmige Schweißnaht 50 ausbildet, mit der die Werk­ stücke 2, 3 über deren gesamte Dicke 2s verbunden werden.

Es ist eine Rändelung 46 vorhanden, die aus einer Vielzahl von Sicken 51 besteht. Diese Sicke 51 ist im unteren Werkstück 3 vorhanden, kann jedoch auch im oberen Werkstück 2 als Sicke 51′ vorhanden sein, wie gestrichelt angedeutet wurde.

Jede Sicke 51 hat eine Länge, die der Rändelbreite br ent­ spricht und weist eine Tiefe auf, die gleich der Rändeltiefe tr ist. Aus der Zeichnung ergibt sich, daß die Rändelbreite br etwa doppelt so groß ist, wie die Schweißnahtbreite b.

Durch die Sicke 51 bzw. durch die Rändelung 46 wird Ab­ stand a zwischen benachbarten Werkstückflächen geschaffen, und zwar zwischen der den Sickenboden bildenden Werkstückfläche 45 des Werkstücks 3 und der Werkstückfläche 44 des Werkstücks 2. Sofern sich gegenüber der Sicke 51 die gestrichelt dargestellte Sicke 51′ befindet, wird der Abstand zwischen den Werkstück­ flächen und damit auch das zwischen den beiden befindliche Vo­ lumen vergrößert, nämlich verdoppelt.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Rändelung 46 aus einer Vielzahl von in Schweißrichtung 52 angeordneten Sicken 51 be­ steht, die zwischen sich Bereiche 52 aufweisen, in denen die Werkstücke 2, 3 abstandslos dicht benachbart angeordnet sind. Die Rändelung ist infolgedessen relativ zur Schweißstelle 20 eine periodische Störung nicht allzu großer Amplitude zur Ver­ meidung prozeßbedingter periodischer Resonanzerscheinungen im Schmelzebad. Hierzu wird die Rändelung 46 den jeweiligen Anfor­ derungen entsprechend ausgebildet, also beispielsweise als Querrändelung 47, als Schrägrändelung 48 oder als Kreuzrände­ lung 49. Auch Kombinationen dieser Rändelungsarten sind je nach Schweißverfahren einsetzbar.

Claims (3)

1. Überlappstoß zum Schweißen von beschichteten Werkstücken, insbesondere verzinkten Blechen, mittels Laserstrahlung, mit einer im Bereich der Schweißnaht gelegenen, Abstand zwischen benachbarten Werkstückflächen schaffenden Rändelung mindestens eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß die Rändelung (46) als Quer- (47) und/oder Schräg- (48) und/oder Kreuzrändelung (49) ausgebildet ist.

2. Überlappstoß nach Anspruch 1, mit beidseitig der Schweißnaht aneinander liegenden Werkstückflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rändelbreite (br) etwa doppelt so groß ist, wie die Schweißnahtbreite (b).

3. Überlappstoß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rändelung (46) mittels spanabhebender, Kaltpreß- oder Kaltwalz- oder Prägeverfahren hergestellt ist.