DE4219549A1

DE4219549A1 - Verfahren zum Schweißen von Werkstücken

Info

Publication number: DE4219549A1
Application number: DE4219549A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl Phys Sokolowski; Ralf Dipl Ing Imhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2012-06-16
Also published as: DE4219549C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken inbesondere von beschichteten Werkstücken, wobei mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Spalts mindestens an der Schweißstelle zum Entweichen von verdampftem Schichtmaterial oder sonstigen Gasen ein Spalt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren findet prinzipiell bei allen Verschweißungen von Werkstücken Anwendung. Besonders geeignet ist das Verfahren für das Verschweißen von beschichteten Werkstücken, wie z. B. von verzinkten Blechen bei der Herstellung von Teilen im Bereich des Automobilbaus. Insbesondere findet das Verfahren Anwendung, wenn die Werkstücke flächig zu verschweißen sind wie z. B. beim Schweißen im Überlappstoß.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Schweißen von Werkstücken bekannt, die insbesondere auch das Verschweißen beschichteter Werkstücke betreffen und die verschiedene Lösungen angeben, sowohl für den Umgang mit unerwünschten und störenden Dämpfen und Gasen, wie z. B. verdampftes Schichtmaterial, als auch für die mit der schnellen Verdampfung des Schichtmaterials zusammenhängenden Schwierigkeiten, nämlich rapide Druckerhöhung in der Schweißkapillare und damit einhergehend spontane Auswürfe des geschmolzenen Werkstückmaterials, wodurch sich Schweißdefekte wie Löcher, Krater, Schlauch- und Oberflächenporen ausbilden.

Zum einen sind Verfahren bekannt, die das während des Schweißvorgangs verdampfende Material auf chemischem Weg beeinflussen bzw. die Verdampfung unterdrücken. So wird z. B. in der EP 0 454 861 A1 ein Verfahren zum Verschweißen von verzinkten Stahlblechen offenbart, bei dem zwischen den zu verschweißenden Blechen eine Schicht auf Kohlenstoffbasis vorgesehen ist, mittels derer das verdampfende Zink gebunden wird. In der US 3 969 604 ist ein Verfahren offenbart, bei dem zwischen den zu verschweißenden Werkstücken eine Schicht aus Eisenoxid (FeO) vorgesehen ist, die während des Schweißvorgangs mit dem Zink eine Verbindung eingeht, deren Siede- und Schmelzpunkt im wesentlichen gleich oder auch höher ist, als die des Stahlsubstrats und somit ein rapider Druckanstieg in der Schweißkapillare vermieden wird.

Zum anderen sind Verfahren bekannt, die während des Schweißvorgangs zumindest an der Schweißstelle einen Spalt vorsehen, über den das verdampfende Schichtmaterial entweichen kann. Dabei sind Verfahren bekannt, die mittels spezieller Spannwerkzeuge die zu verschweißenden Werkstücke beabstandet halten oder die zur Beabstandung Distanzhalter zwischen den Werkstücken vorsehen. Weiterhin ist aus der DE-OS 38 20 848 bekannt (siehe z. B. Fig. 6e bis 6h), im Bereich der Schweißstelle eines der zu verschweißenden Werkstücke mit Ausformungen zu versehen (Nummer 43 in Fig. 6e bis 6h), um auf diese Weise einen Spalt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken auszubilden.

Im gattungsbildenden Stand der Technik (DE-OS 39 09 471 A1) ist eine Anordnung zum Schweißen von beschichteten Werkstücken offenbart, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines mindestens an der schweißstelle vorhandenen Spalts aufweist. Bei dieser Einrichtung zur Erzeugung des Spalts handelt es sich um eine im Bereich der Schweißnaht gelegene, als Rändelung ausgebildete Formgebung mindestens eines der Werkstücke.

Die Beeinflussung des Schweißprozesses auf chemischen Wege hat den Nachteil, daß sowohl zusätzliche Werkstoffe zur Ausbildung der zwischenschichten benötigt werden und somit zusätzliches Material verbraucht wird, als auch daß zur Ausbildung dieser Schichten zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind.

Die bekannten Verfahren, die einen Spalt an der Schweißstelle vorsehen, erfordern ebenfalls arbeits- und materialaufwendige Vorbereitungen der Werkstücke, um die gewünschte Beabstandung im Bereich der Schweißnaht zu erwirken.

Dabei ist der Aufwand zur Herstellung dieser Beabstandungen vom Material selbst und, in größerem Maß, von der Form der zu verschweißenden Werkstücke abhängig. Durch die Form der zu verschweißenden Werkstücke sind auch die möglichen Positionen der Beabstandungen vorgegeben und damit auch die für die Schweißverbindung zur Verfügung stehenden Positionen. U.U. stehen auch die Beabstandungen selbst einem effektiven Entweichen von verdampften Schichtmaterial oder von sonstigen Dämpfen oder Gasen hinderlich entgegen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken anzugeben, das insbesondere für das Schweißen von beschichteten Werkstücken geeignet ist, und bei dem die beim Verdampfen der Beschichtung ausgehenden oder sonstige beim Schweißvorgang auftretenden Gase und Dämpfe aus dem Bereich der Schweißkapillare problemlos entweichen können. Ein weiteres der Erfindung zugrundeliegendes Problem ist es, wenigstens im Bereich der Schweißstelle einen Spalt auf dynamische Art und Weise zu erzeugen, ohne daß die zu verschweißenden Werkstücke hierfür mit einer speziellen Formgebung zur Ausbildung einer Beabstandung versehen bzw. vorbereitet werden müssen. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung eines Spalts in einer einfachen, von der Werkstückgeometrie und -form unabhängigen Art und Weise zu ermöglichen.

Eine erfindungsgemäße Lösung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen, inbesondere für das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung, das Schweißen beschichteter Werkstücke, sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben. Der Erzeugung des Spaltes durch Anregung wenigstens eines der zu verschweißenden Werkstücke zu erzwungenen Schwingungen gemäß den Patentansprüchen 2ff erlaubt den Einsatz von aus dem Stand der Technik bekannten und bewährten Schwingungsgebern, wobei ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens prinzipiell jede Art von Schwingungsgeber denkbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für alle Arten von Schweißmethoden Anwendung finden, bei denen die Erzeugung eines Spalts zwischen den zu verschweißenden Werkstücken eine notwendige Voraussetzung zur Erzielung eines guten Schweißergebnisses mit möglichst wenigen Schweißdefekten bildet. Hier ist insbesondere das Schweißen mit energiereichen Strahlen, wie z. B. das Laserstrahlschweißen gemäß den Unteransprüchen 10ff zu nennen. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung energiereicher Strahlung wie z. B. Laserstrahlung, in der Ausgestaltung der Untersprüche 12 bis 14, da in diesen Fällen gewährleistet ist, daß während der Einwirkung der Strahlung auf die Werkstücke stets ein Spalt zum Entweichen des Schichtmaterials oder dergleichen vorhanden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bzgl. der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Spalterzeugung zwischen zwei Werkstücken mit einem Schwingungsgeber.

Fig. 2 schematische Darstellung der Spalterzeugung zwischen zwei Werkstücken mit zwei Schwingungsgebern.

Fig. 3a, b zeitlicher Verlauf der Amplitude der Schwingung eines Werkstückes (Fig. 3a) und dazugehöriger zeitlicher Verlauf der Amplitude gepulster Strahlung (Fig. 3b).

Fig. 4a bis 4d schematische Darstellung des Verschweißens zweier Werkstücke mit Laserstrahlung im cw-Betrieb (kontinuierliche Laserstrahlung) für zwei zeitlich nacheinander folgende Schwingungszustände Fig. 4a und 4c sowie der zeitliche Verlauf der Schwingung des oberen und des unteren Bleches.

Fig. 5a bis 5c weitere Ausführungsformen der dynamischen Spalterzeugung für verschiedene Geometrien der zu verschweißenden Werkstücke.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht schematisch die dynamische Spalterzeugung bei der Verschweißung von zwei beschichteten Werkstücken 1 und 2 im Überlappstoß. Das untere Werkstück 2 ist an einer geeigneten Stelle beweglich gelagert, während das obere Werkstück (1) festpositioniert bleibt. Z.B. kann das untere Werkstück (2) um eine auf der zeichenebene senkrecht stehende Achse (3) drehbar gelagert sein. Im geeigneten Abstand von der Drehachse (3) ist ein Schwingungsgeber (4) positioniert, der das untere Werkstück (2) zu einer erzwungenen Schwingung um die Achse (3) anregt. Der von oben kommende Laserstrahl (5) z. B. eines CO₂-Lasers, führt zur Ausbildung einer Schweißkapillare (6), die im zeitlichen Mittel von einem Spalt (7) unterbrochen ist, durch den das verdampfende Schichtmaterial (8) entweichen kann. Die Position des Schwingungsgebers (4) sowie die Einstellung der Frequenz und der Amplitude der Schwingung erfolgt dabei individuell entsprechend den vorgegebenen Rahmenbedingungen, wie z. B. Blechdichte und -form, sowie Schichtzusammensetzung und -dicke. So erfordert z. B. eine relativ dicke Beschichtung im zeitlichen Mittel einen geeignet großen Spalt, damit das Verdampfen des Schichtmaterials problemlos entweichen kann. Hierfür kann z. B. die Amplitude der Schwingung entsprechend groß eingestellt werden.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens in Seitenansicht dargestellt, bei dem für jedes der zu verschweißenden Werkstücke (1), (2) je ein Schwingungsgeber (4) vorgesehen ist und beide Werkstücke in geeigneter Weise schwingungsfähig gelagert sind. Hierbei müssen jedoch die Positionen der Schwingungsgeber (4) und insbesondere Frequenz und Amplitude der Schwingung derart aufeinander abgestimmt sein, daß im zeitlichen Mittel ein Spalt geeigneter Größe zwischen den zu verschweißenden Werkstücken vorhanden ist.

In einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsform wird der Schweißprozeß mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung überwacht und analysiert. Entsprechend dem Analyseergebnis erfolgt dann die Einstellung der Parameter der Schwingung wie z. B. Frequenz und Amplitude, aber auch die Phase der Schwingung, sowie ggf. eine Positionsänderung der Schwingungsgeber (4). Unter Einsatz geeigneter Datenverarbeitungsanlagen kann diese Prozeßüberwachung und -steuerung im On-Line-Betrieb erfolgen.

Je nach Werkstückgeometrie und geplanter Schweißnaht können mehrere Schwingungsgeber (4) in geeigneten Abständen an dem oder den Werkstücken angebracht werden, oder stattdessen der oder die Schwingungsgeber in geeigneter Weise während des Schweißvorgangs in Vorschubrichtung mitbewegt werden.

Eine weitere Ausführungsform stellt die Verwendung gepulster Strahlung, z. B. eines gepulsten CO₂-Lasers, und die auf die Pulsfrequenz abgestimmte Frequenz der Schwingung der Bleche dar. Bei Verwendung gepulster Strahlung muß der Spalt zwischen den Blechen nur während der Wechselwirkung des Laserpulses mit dem Werkstück vorhanden sein. Daher müssen die Schwingungen der zu verschweißenden Bleche dieselbe Frequenz aufweisen, wie die Laserpulse. Vorteilhafterweise fällt das Maximum der Laserpulse zeitlich mit der maximalen Auslenkung der Bleche relativ zueinander zusammen. Dieser Zusammenhang ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Fig. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Amplitude der Schwingung des Bleches und Fig. 3b den zeitlichen Verlauf der Laserpulse.

In der in den Fig. 4a bis 4d erläuterten weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Schweißen der Werkstücke mit kontinuierlicher Strahlung, z. B. mit einem CO₂-Laser im cw-Betrieb. Hierbei ist es notwendig, wenigstens an der Schweißstelle einen dauerhaften Spalt zu erzeugen, damit das verdampfende Schichtmaterial zu jeder Zeit an der Schweißstelle abströmen kann. Erfindungsgemäß sind, wie in Fig. 4a und 4c schematisch dargestellt ist, zwei Schwingungsgeber (4) vorgesehen, wobei der erste Schwingungsgeber am oberen Werkstück (1) angebracht ist, während der zweite Schwingungsgeber am unteren Werkstück (2) angreift. Für die folgenden Ausführungen soll die Position, in der sich die beiden Bleche berühren (gestrichelte Linie) der Situation entsprechen, daß sich das obere Werkstück (1) in seiner untersten Position (Minimum der Auslenkung) und das untere Werkstück (2) in seiner obersten Position (Maximum der Auslenkung) befinden. Die Frequenz und die Phase der beiden Schwingungsgeber (4) müssen nun so eingestellt werden, daß die beiden Werkstücke 1 und 2 während der Schwingung wenigstens im Bereich der Schweißkapillare nicht in Berührung kommen. Hierfür können z. B. die Frequenz der beiden Schwingungsgeber gleich sein und die Phase der Schwingung derart eingestellt sein, daß zum Zeitpunkt t=0 (Fig. 4a) das obere Werkstück (1) seine maximale Auslenkung nach oben erreicht hat, also in seiner maximalen oberen Position ist, und das untere Werkstück (2) ebenfalls seine maximale obere Position erreicht hat, so daß nachfolgend beide Werkstücke unter Beibehaltung eines Spaltes eine Abwärtsbewegung durchführen, um eine halbe Periode später, wenn also das obere Werkstück (1) seine unterste Position und das untere Werkstück (2) seine maximale Auslenkung nach unten erreicht hat (Fig. 4c), gleichzeitig die Bewegung nach oben zu beginnen. Die Änderung der Bewegungsrichtung der beiden Werkstücke erfolgt also stets zum gleichen Zeitpunkt.

Selbstverständlich ist auch jede andere Einstellung der Phase der Schwingung denkbar, sofern nur gewährleistet ist, daß zu keinem Zeitpunkt die unterste Position des oberen Werkstücks (1) mit der obersten Position des unteren Werkstücks (2) zusammenfällt; das Minimum der oberen Schwingung darf also nicht auf das Maximum der unteren Schwingung treffen, da sich dann die Werkstücke berühren und der Spalt verschwunden ist.

In den Fig. 5a bis 5c sind weitere Anordnungen der dynamischen Spalterzeugung für verschiedene Geometrien der zu verschweißenden Werkstücke (1, 2) dargestellt und die dabei möglichen Positionen der Schwingungsgeber (4) und des Laserstrahls (5) eingezeichnet.

Die Schwingung der zu verschweißenden Werkstücke sollen so angeregt werden, daß das Verdampfen des Schichtmaterials möglichst effektiv entweichen kann. So kann die Schwingungsrichtung parallel zur Schweißrichtung und/oder unter einem beliebigen Winkel quer zu dieser Richtung liegen.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens können anstelle der Schwingungsgeber auch sonstige Einrichtungen vorgesehen werden, die bei einem oder mehreren der zu verschweißenden Werkstücke eine Bewegung mit wechselnder Bewegungsrichtung bewirken, so daß im zeitlichen Mittel ein Spalt erzeugt wird.

Bezugszeichen

1, 2 Werkstücke
3 Drehachse
4 Schwingungsgeber
5 Laserstrahl
6 Schweißkapillare
7 Spalt
8 Beschichtung

Claims

1. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken, insbesondere von beschichteten Werkstücken, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines mindestens an der Schweißstelle vorhandenen Spaltes, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Spaltes wenigstens ein Element aufweist, das zumindest eines der zu verschweißenden Werkstücke direkt oder über ein oder mehrere mit dem Werkstück kraftschlüssig verbundene Kraftübertragungselemente derart in Bewegung mit wechselnder Bewegungsrichtung versetzbar ist, daß im zeitlichen Mittel im Bereich der Schweißstelle ein Spalt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken erzeugbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spalts mindestens einen Schwingungsgeber aufweist und daß der oder die Schwingungsgeber mindestens eines der zu verschweißenden Werkstücke direkt oder über ein oder mehrere mit dem Werkstück kraftschlüssig verbundene Kraftübertragungselemente zu einer erzwungenen Schwingung anregt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen mechanisch, akustisch, elektrisch oder magnetisch oder durch Kombination von zwei oder mehreren dieser Arten erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spalts einen Schwingungsgeber aufweist und daß dieser Schwingungsgeber eines der zu verschweißenden Werkstücke zu einer Schwingung mit der zu verschweißenden Werkstücke zu einer Schwingung mit konstanter Frequenz und/oder konstanter Amplitude anregt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spalts einen Schwingungsgeber aufweist, daß dieser Schwingungsgeber eines der zu verschweißenden Werkstücke zu einer erzwungenen Schwingung anregt, und daß die Frequenz und/oder die Amplitude der Schwingung während des Schweißens mit einer Einrichtung zur Überwachung des Schweißprozesses entsprechend den jeweiligen Prozeßparametern geregelt werden/wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spaltes für jedes Werkstück einen Schwingungsgeber aufweist und daß die Schwingungsgeber die Werkstücke zu erzwungenen Schwingungen gleicher und/oder konstanter Frequenz und/oder Amplitude und/oder Phase anregen.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spalts für jedes Werkstück einen Schwingungsgeber aufweist, daß die Schwingungsgeber die Werkstücke zu erzwungenen Schwingungen anregen, und daß die Frequenz und/oder die Amplitude und/oder die Phase der Schwingungen während des Schweißens mit einer Einrichtung zur Überwachung des Schweißprozesses entsprechend den jeweiligen Prozeßparametern geregelt werden/wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Spalts einen oder mehrere Schwingungsgeber in der Umgebung der Schweißkapillare an einem oder mehreren der zu verschweißenden Werkstücke aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schwingungsgeber während des Schweißens in Vorschubrichtung mitbewegt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißende Werkstücke mittels energiereicher Strahlung verschweißt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als energiereiche Strahlung Laserstrahlung, z. B. eines CO oder CO₂-Lasers verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung gepulster Strahlung die Pulsfrequenz und die Frequenz des oder der Schwingungsgeber derart aufeinander abgestimmt sind, daß mindestens an der Schweißstelle immer dann ein Spalt auftritt, wenn an der Schweißstelle ein Strahlungsimpuls auftrifft.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz und die Frequenz des oder der Schwingungsgeber gleich sind und die Phase der Schwingung oder der Schwingungen des oder der Werkstücke derart eingestellt ist/sind, daß die Strahlungsimpulse im Bereich der maximalen Amplitude der Schwingung oder der Schwingungen des oder der Werkstücke auf die Schweißstelle auftrifft.

14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im Dauerbetrieb (cw-Mode) auf die Schweißstelle auftrifft und daß mindestens zwei Schwingungsgeber vorhanden sind, und daß diese wenigstens zwei Werkstücke zu Schwingungen mit einer solchen aufeinander abgestimmten Phase anregen, daß die Werkstücke im Bereich der Schweißstelle zu keinem Zeitpunkt in Berührung kommen, so daß ein kontinuierlicher Spalt erhalten bleibt.