Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von
Blechteilen mit Schichtverbundwerkstoffen, die eine
zwischen zwei Deckschichten liegende Kunststoffschicht
aufweisen mittels Laser gemäß den Oberbegriffen der
Ansprüche 1, 3 und 7 sowie eine lasergeschweißte Platine.
Homogenes Feinblech (Vollblech) hat in seinen Gebrauchs-
und Verarbeitungseigenschaften den Nachteil sehr geringer
Körperschalldämpfung. Es bieten sich daher als
Substitutionswerkstoffe mehrschichtige Verbundwerkstoffe
aus den Komponenten Stahl und Kunststoff an. Dabei finden
vorwiegend Verbundwerkstoffe mit Stahlblechen als
Deckschichten und einer schub- und zugfest verbundenen
Kunststoff-Zwischenschicht Anwendung (Sandwich-Bleche).
Durch diese viskoelastische Schicht ergeben sich
wesentliche Unterschiede in der Verarbeitung von
Sandwich-Blechen gegenüber der Verarbeitung von
Vollblechen.
Für Verbundbleche sind mechanische Fügeverfahren, wie
Durchsatzfügen, Löten, Kleben und Schweißen
(Widerstands-, Schutzgas-, Elektrodenhandschweißen),
bekannt. Diese Verbindungstechniken sind häufig ohne
nennenswerte Veränderungen der Werkzeuge von der
Verarbeitung bei Vollblech auf Verbundblech übertragbar;
die aufnehmbaren Scherzugkräfte liegen in ähnlicher
Größenordnung. Beim Durchsatzfügen (Clinchen) sind
gewisse Änderungen der Druck- Fügeparameter gegenüber
gleichdickem Vollblech erforderlich. Sehr häufig wird das
elektrische Widerstandsschweißen (Punkt-, Buckel-,
Rollennahtschweißen) oder manuell geführtes
Schutzgasschweißen (MIG, MAG) angewendet. Um jedoch das
elektrische Widerstandsschweißen trotz der elektrisch
isolierenden Kunststoff-Zwischenschicht auch für
Sandwich-Bleche anwenden zu können, muß vor der ersten
Schweißung ein elektrischer Nebenschluß in der Nähe des
beabsichtigten Schweißpunktes erzeugt werden. Der
Nebenstrom erwärmt die Bleche, womit auch die Kernschicht
örtlich erwärmt und somit weich wird. Die
Elektrodendruckkraft reicht dann aus, die
Kunststoffschicht örtlich wegzudrücken und den Hauptstrom
zur Punktverschweißung durch die Sandwich-Bleche hindurch
auszulösen. Ab dem folgenden Schweißpunkt wird der
jeweils vorangehende Schweißpunkt als Nebenstrombrücke.
Aus den genannten Gründen ist das Widerstandsschweißen
sehr umständlich und für kontinuierliches Verschweißen
von Karosserieblechen nur bedingt geeignet.
Manuell geführtes Schutzgasschweißen ist nur dann
möglich, wenn die Schweißanordnung so gewählt wird, daß
Lichtbogen und Kernschichten nicht oder nur wenig in
Berührung kommen; dies ist zum Beispiel bei Kehlnähten in
Überlappstößen zwischen Verbundblech und Vollblech der
Fall. Wesentlich ungünstiger sind Bi-Nähte in
Stumpfstößen von Verbundblechen. Die hitzebedingt
entweichenden Zersetzungsgase des Kunststoffes können ein
Flackern des Lichtbogens mit der Folge von Nahtaussetzern
und eine Porenbildung in der Schweißnaht verursachen, so
daß wegen des Humping-Effektes nur
Verbundblech-Stumpfnähte als unterbrochene Nähte
(Heftnähte) ausgeführt werden können.
Neu ist daher der fakultative Vorschlag,
Schichtverbundwerkstoffe oder Sandwich-Bleche mit aus
homogenem Material bestehenden Stahlblechen (Vollbech) zu
Platinen zu verschweißen und aus diesen Platinen dann
punktschweißfähige Ronden zu fertigen (DE 40 22 238 A1).
Eine nähere Erläuterung des Schweißverfahrens wurde nicht
gegeben.
Aus dem Aufsatz "CO2-Laser welding low carbon steel
sheet", The Welding Institute Research Bulletin, August
1983, Seite 260-265 ist das Überlappschweißen mehrerer
aufeinanderliegender Vollbleche bekannt. Die Stahlbleche
mit einer Dicke von < 1 mm aus vollberuhigtem Stahl werden
unter Argon-Schutzgas mit einer Gasflußrate von 20 bis
30 l/min. bei einer Schweißgeschwindigkeit von etwa
3 m/min. miteinander verschweißt. Unter Berücksichtigung
der möglichen Fokussierungsfehler und Blechlagefehler-
Ursachen konnten unter den genannten Bedingungen
qualitativ hochwertige Nähte erzielt werden.
Aus der US-PS 39 69 604 ist das Schweißen mit einem CO2
Laser (Leistung 5 kW) von galvanisierten Stahlblechen im
Überlappstoß bekannt, wobei sie Blechedicken von 0,2 mm
haben und die Schweißgeschwindigkeit bis zu 6,3 m/min.
beträgt. Das Schweißen geschieht unter Anwendung von
Helium- oder Argon-Schutzgas. Dabei kann auch eine
Zinkschicht zwischen den zwei aufeinanderliegenden
Blechen gut durchgeschweißt werden, wenn diese mit einem
Flußmittel-Film aus zum Beispiel FeO abgedeckt wird.
Ansonsten wird eine poröse Naht erzeugt, da der hohe
Dampfdruck des Zinkes zu einem eruptiven Auswurf der
Stahlschmelze führt.
Im Gegensatz dazu ist aus der EP 02 279 866 A1 bekannt,
mit Zink beschichtete Vollbleche unterschiedlicher Dicke
mit-Laser in Stumpf stoß zu verschweißen und zu
Formkörpern für Karosserieteile eines Autos tiefzuziehen.
Beim Schweißen werden wieder Schweißnaht mit
nahegelegener Zinkschicht verdampft und habe daher keinen
negativen Einfluß auf die Schweißung. Ein Durchgang der
Schweißwurzel soll durch ein Inertgas-Druckpolster
verhindert werden. Idealerweise soll bei unterschiedlich
dicken Blechen die Oberfläche (Schweißbrennerseite) nicht
plan sein, sondern einen Versatz aufweisen im Sinne einer
Kehlnahtschweißung.
Aus der DE 38 20 848 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von
Blechen mittels Laserstrahlung bekannt, bei dem die
Intensität der Laserstrahlung zur Bildung eines
laserinduzierten Plasmas an der Fügestelle, in
Abhängigkeit eines oder mehrerer Fügestellenparameter,
geregelt wird, und die Intensität der Laserstrahlung bis
zum Erreichen der zur Plasmabildung erforderlichen
Schwellintensität, oder wenig darüber, gesteigert und
dann nach Beibehaltung der eingestellten Intensität für
eine vorbestimmte Zeit auf einen, ein Plasmaerlöschen
bewirkenden Wert abgesenkt wird.
Weiterhin soll dabei das Plasma leuchten und/oder das
Plasmageräusch und/oder die Wärmestrahlung einer
Meßeinrichtung erfaßt werden, wobei eine variierende
Schweißspaltbreite zu einer Variation der zuvor genannten
Parameter führt und dies zu einer Änderung der Parameter
für den Schweißprozeß genutzt wird. So soll eine
kontinuierliche Durchschweißung des Materials
sichergestellt werden. Als Führungsgrößen sollen dabei
unter anderem spektrale Emissionslinien oder bestimmte
diskrete Emissionslinien benutzt werden.
Der Meßaufbau ist ziemlich aufwendig und das Erkennen der
Emissionslinien bedarf geschulten Personals oder riesigen
apparativen Aufwandes. Weiterhin ist dieser
Veröffentlichung die Möglichkeit des Überlappschweißens
verzinkter Bleche, die eine Luftspalt aufweisen, zu
entnehmen und dargestellt, wie Kehlnähte mit
oszillierendem Laserstrahl verschweißbar sind.
Generell wird das Verschweißen aufeinanderliegender
Bleche, zumindest, wenn diese verzinkt sind, als
schwierig angesehen. Daher wird auch in einer
Zusatzanmeldung (DE 39 09 471 A1) vorgeschlagen, bei
Überlappstößen für Karosseriebleche die Werkstücke im
Schweißnahtbereich, zumindest streckenweise, an den
einander zugewandten Oberflächen mit einer Ausnehmung
(Rändelung) zu versehen. Damit soll verhindert werden,
daß verdampfender Beschichtungsstoff, zum Beispiel Zink,
zu einer Loch- oder Kraterbildung in der Schweißnaht
führt, weil sich sonst eine prozeßbedingte periodische
Resonanzerscheinung im Schmelzbad einstelle (Humping-
Effekt). Diese Lösung ermögliche außerdem eine höhere
Prozeßgeschwindigkeit.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der
Erfindung des Problems zugrunde, beschichtete Werkstücke,
insbesondere solche mit einer Kunststoffzwischenschicht,
zwischen zwei Blechen kontinuierlich zu verschweißen und
gegebenenfalls einfache praktische Mittel zur
Verbesserung und Überwachung des Schweißprozesses
vorzuschlagen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1,
3, 7 und 10 gelöst. Weiterbildungen sind in den
Unteransprüchen erfaßt.
Das Laserschweißen von Verbundblechen untereinander oder
von Verbundblechen ist prinzipiell mit zwei
unterschiedlichen Nahtanordnungen möglich, nämlich als
I-Stoß-Verbindung oder als Überlappnaht.
Die Vorteile des Lasers, vorzugsweise des CO2-Lasers
gegenüber anderen Schmelz-Schweißverfahren liegen
insbesondere in:
- - hoher Prozeßgeschwindigkeit
- - Tiefschweißeffekt
- - großes Nahttiefe-/Nahtbreite-Verhältnis
- - geringe Wärmebelastung des Werkstückes
- - Schweißen an Atmosphäre, im Vakuum, unter Schutzgas und
- - Flexibilität beim Einsatz der Laseranlage.
Beim Laserstrahlschweißen wird das Werkstück lokal
aufgeheizt; ein großer Teil der Laserstrahlung wird
absorbiert. Ist die Intensität der Laserstrahlung hoch
genug, so schmilzt das Werkstück lokal; dies ist der
Zustand beim Laser-Wärmeleitungsschweißen. Die Geometrie
der geschmolzenen Zone der Schweißnaht wird durch die
Wärmeleitung ins Werkstück bestimmt. Eine Erhöhung der
Strahlungsintensität führt zu einer weiteren lokalen
Aufheizung mit veränderter Schmelz/Nahtgeometrie.
Bei Überschreiten einer werkstoffabhängigen kritischen
Intensität bildet sich durch Verdampfen des Werkstoffes
eine Art Bohrloch, eine Dampfkapillare, aus deren
Geometrie von den Laser- und Prozeßparametern abhängig
ist. Der Durchmesser dieser Dampfkapillaren liegt bei
CO2-Lasern typischerweise in der Größenordnung des
fokussierten Strahldurchmessers von etwa 0,2 bis 1 mm.
Die Tiefe entspricht etwa der Einschweißtiefe. Die vom
flüssigen Werkstoff umgebene Dampfkapillare wird durch
den Druck des verdampfenden Materials offengehalten und
aufgrund der Vorschubbewegung des Lasers und/oder des
Werkstückes wird diese Kapillare wie eine feine Röhre
durch den Werkstoff gezogen. Durch die
Strahlungsintensität und die Vorschubgeschwindigkeit kann
die Schweißtiefe bestimmt werden.
Diese beiden Effekte werden in spezieller Weise bei der
Erfindung genutzt, indem zum einen das Laser-
Wärmeleitungsschweißen angewendet wird, wobei nur eine
Deckschicht des Schichtverbundwerkstoffes mit einer
benachbarten Deckschicht eines zweiten
Schichtverbundwerkstoffes verbunden werden oder beim
Sandwich-Blech wird mit einem Vollblech zusammengefügt,
wobei auch nur die Deckschicht des Sandwich-Bleches mit
dem benachbarten Blechteil verbunden wird.
Alternativ kann auch das Laser-Tiefschweißen angewendet
werden, indem die benachbarten Schichtverbundwerkstoffe
über ihre gesamte Dicke miteinander verschweißt werden,
wobei jedoch vor dem Verschweißen die innenliegende
Kunststoffschicht parallel zu der Naht und etwa in der
Breite der späteren Schweißnaht entfernt wird, bevor der
Schweißvorgang als solcher durchgeführt wird.
Die Entfernung der Kunststoffschicht kann mechanisch
geschehen durch Bohren, Schneiden oder ähnliches.
Einfacher ist es jedoch, den vorhandenen Laser zu nutzen
und die Kunststoffschicht thermisch zu entfernen, das
heißt wegzubrennen, bevor in einem zweiten Durchgang die
Schweißnaht erzeugt wird. Andere Alternativen der
thermischen Entfernung wären die Erhitzung der Bleche,
einschließlich der zwischenliegenden Kunststoffschicht,
oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kunststoffes.
Das Laser-Wärmeleitungsschweißen kann auch für beide
Deckschichten benachbarter Sandwich-Bleche durchgeführt
werden, indem von beiden Seiten Laser die Bleche
miteinander verschweißen oder indem ein Laser benutzt
wird, um dessen Strahlung zu teilen, umzulenken und von
oben und unten auf die Schweißnahtbereiche des
Verbundbleches zu richten.
Ein spezielles Verfahren zur Steuerung des
Laserschweißens liegt darin, daß Tief schweißen unter
Zufuhr von Schutzgas, vorzugsweise Argon oder auch
Helium, durchzuführen, wobei der Volumenstrom und/oder
der Druck des Schutzgases in Abhängigkeit von der
Leuchtfarbe des laserinduzierten Plasma gesteuert wird.
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß man die
günstigsten Schweißergebnisse dann erreicht, wenn der
Schutzgasstrom, ausgehend von beispielsweise 10 l/min. so
lange reduziert wird, bis das laserinduzierte Plasma
seine Farbe von blau nach gelb ändert. Dies ist ein
sicheres, optisch wahrnehmbares Zeichen, das einfach von
einem Bedienungsband zu verfolgen ist, sich nahe für die
Wahrscheinlichkeit einer guten Laserschweißnaht, sofern
die Fokussierung und Nahtführung innerhalb der
vorgegebenen Grenzen vollzogen wird.
Alle die vorgenannten Verfahren können sowohl bei einer
Stumpfstoßverbindung zweier Schichtverbundwerkstoffe oder
eines Schichtverbundwerkstoffes mit einem benachbarten
homogenen Werkstoff (Vollblech) angewendet werden.
Diese Verfahren können aber ebenso für eine Überlappnaht,
vorzugsweise eine zu schweißende Platine aus einem
homogenen Werkstoff mit einem damit zu verbindenden
Schichtverbundwerkstoff angewendet werden, wobei der
Überlapptstoß ohne Luftschicht zwischen den sich
überlappenden Platinenteilen mittels
Wärmeleitungsschweißen verbunden werden können.
Vorzugsweise wird dabei der Schichtverbundwerkstoff über
das Vollblech gelegt und die untere Deckschicht des
Verbundwerkstoffes mit dem Vollblech verschweißt. Hierbei
kann gezielt eine Kehlnaht erzeugt werden, ohne daß ein
Verdampfen der Kunststoffzwischenschicht erfolgt.
Nachfolgend soll anhand einer Vielzahl von Beispielen und
Möglichkeiten des Laserschweißens die Erfindung näher
erläutert und die erfindungsgemäßen Verfahren
dokumentiert werden. Es zeigen
Fig. 1, 2, das Laser-Wärmeleitungsschweißen und
Tief schweißen am I-Stoß;
Fig. 3 Wärmeleitungsschweißen im
Schliffbild;
Fig. 4, 5, und 6 Lasertief schweißen mit
unterschiedlichen Schutzgasmengen;
Fig. 7, 8 und 9 das Schweißgefüge bei Schweißnähten
gemäß Fig. 4 bis 6;
Fig. 10, 11, und 12 Schweißnähte mit und ohne Entfernung
einer Kunststoffzwischenschicht;
Fig. 13 bis 16 lasergeschweißte Überlappstöße im
Prinzip;
Fig. 17 bis 20 Überlappstöße im Schliffbild;
Fig. 21 Zusammenfassung der Schweißversuche.
Die Fig. 1 zeigt das Verbinden eines Sandwich-Bleches im
linken Teil mit einer oberen und unteren Stahl-
Deckschicht und einer dazwischenliegenden
Kunststoffschicht mit einem Vollblech im I-Stoß. Die
Größenverhältnisse entsprechen nicht der Wirklichkeit. Es
ist zu sehen, daß lediglich die Stahlschichten der
benachbarten Werkstücke miteinander verbunden werden.
Beim in Fig. 2 dargestellten Laserstrahl-Tief schweißen
erstreckt sich dagegen die Naht bei gleicher Anordnung
der zu verbindenden Bleche über die gesamte Dicke der
Werkstücke.
Versuch 1
Mit dem Wärmeleitungsschweißen ist es möglich, exakt
definierte Schweißtiefen bei relativ hohen
Prozeßgeschwindigkeiten zu erzielen. Die notwendige
Schweißnahtbreite ist zudem aufgrund der allein aus der
Wärmeleitung in das Werkstück resultierenden geometrisch
bedingten Form des Schweißnahtquerschnittes gegeben. Die
Schweißnahttiefe wird dabei so eingestellt, daß sie die
Dicke der Schichtkomponente Stahl nicht übersteigt. Die
Verwendung des Laserstrahl-Wärmeleitungsschweißens führt
zu nur gering in das Werkstück eingebrachter
Streckenenergie und somit zu geringer Belastung und
Schädigung der Schichtkomponente Kunststoff. Diese
minimale Schädigung des Kunststoffes führt zu keiner
nennenswerten Auswirkung auf den Fügeprozeß oder des
Fügestoßes. Dabei ist es möglich, ein Fügen nur einer
Schichtkomponente Stahl mit dem Gegenstück zu erzielen
oder aber zwei Stahldecklagen mit dem Gegenstück zu
verbinden. Dieses beidseitige Fügen der Verbundbleche
kann dabei sowohl als einstufiger oder zweistufiger
Prozeß ausgeführt werden. Ein einstufiger Prozeß ist die
beidseitige gleichzeitige Schweißung der Stahl-Decklagen
mit zwei Laserstrahlen, von zwei Lasern oder eines
geteilten und von oben und von unten auf die Naht
gerichteten Laserstrahles, ein zweistufiger Prozeß das
aufeinanderfolgende Fügen der beiden Stahldecklagen
mittels eines Laserstrahles.
Die später zu erläuternden Wärmeleitungsschweißversuche
wurden grundsätzlich als zweistufiger Prozeß
durchgeführt. Dabei konnten bei Laserstrahlleistungen am
Werkstück von 1,9 kW bei Verschiebung des Fokuspunktes um
+ 5 mm Prozeßgeschwindigkeiten von bis zu 110 mm/s bei
gleichzeitig hoher äußerer Nahtqualität und Porenfreiheit
erreicht werden (Fig. 3).
Als problematisch bei diesem Verfahren müssen jedoch die
genau einzuhaltenden Toleranzgrenzen bezeichnet werden.
Bereits Abweichungen des mittleren Strahlauftreffpunktes
von dem Stoß von 0,1 mm führen zu einer Verminderung des
tragenden Schweißnahtquerschnittes um nahezu 50%. Diese
Verminderung des tragenden Schweißnahtquerschnittes ist
dabei zudem nach dem Fügeprozeß äußerlich allein mit
optischen Mitteln nicht festzustellen. Eine Auswirkung
der Abweichung des mittleren Strahlauftreffpunktes von
der Stoßlinie, wie in Fig. 3 zu sehen, führte jedoch zu
keiner Minderung der Zugfestigkeit. Alle Proben (nach DIN
50114, Proportionalflachprobe mit Köpfen, Größe jedoch
abweichend 100×15 mm) rissen im Verbundblech außerhalb
des wärmebeeinflußten Bereiches bei Spannungen
von Rm ∼280 N/mm2.
Versuche 2-4
Mit dem beim Laserschweißen bei Überschreiten einer
Schwellintensität auftretenden Lasertiefschweißeffekt
lassen sich Schweißnähte mit einem großen Nahttiefe-zu-
Nahtbreite-Verhältnis erzielen. Es findet ein zwar im
Verhältnis zu anderen thermischen Schweißverfahren nur
geringes Einbringen von Streckenenergie statt, das jedoch
größer ist als die beim Laserwärmeleitungsschweißen. Dies
bedeutet, daß eine Zersetzung des Kunststoffes in der von
der Laserstrahlung beaufschlagten Wirkstelle stattfindet.
Diese Zersetzungsgase stören aber das in der Regel mit
dem Lasertiefschweißeffekt einhergehende laserinduzierte
Plasma derart, daß es zu einer Unterbrechung der
Plasmabildung mit Ausbildung unterschiedlicher
Nahtqualitätsbereiche kommt.
Ziel einer Verfahrensentwicklung zum Lasertiefschweißen
von Verbundblechen war daher, einen kontrollierbaren
Lasertiefschweißprozeß zu erzielen. Prinzipiell könnte
dies mit Anpassung des Prozeßgases als Medium zur
Beeinflussung der Zersetzungsprodukte des Kunststoffes
erfolgen. Das Problem der Zersetzung, und damit des
Ausgasens des Kunststoffes aus dem Verbundblech, kann
ferner mit Hilfe einer vorherigen Entfernung des
Kunststoffes umgangen werden. Hierzu können mechanische
oder thermische Verfahren eingesetzt werden.
Eine Beeinflussung der Stabilität des laserinduzierten
Plasmas durch das Prozeßgas ist möglich. In der Regel
werden inerte Gase als Prozeßgase verwendet. Diese
verhindern jedoch ohne eine optimierte Anpassung ein
Entweichen oder Verbrennen der Zersetzungsgase mit der
Folge, daß sich der Zersetzungsgasdruck innerhalb der
Prozeßgasglocke erhöht und die Zersetzungsgase
explosionsartig entweichen mit der Folge, daß das
laserinduzierte Plasma unterbrochen wird und
Stahlschmelze aus der Schweißfuge herausgeschleudert
wird.
Ziel dieses Teiles der Verfahrensentwicklung war daher,
die Lochbildung aufgrund des hohen Zersetzungsgasdruckes
zu unterbinden. Durch Anpassung des Prozeßgasdruckes und
-durchflusses (Argon) sollte ein kontinuierliches
Ausgasen des Zersetzungsgases aus der Stoßfuge ermöglicht
werden. Laserschweißungen mit einem Gasdurchfluß von 20
l/min bei einem Prozeßgasdruck von 0,3 MPa führen zu
starken Schwankungen beim laserinduzierten Plasma mit
starker Lochbildung (Fig. 4). Eine Reduzierung des
Gasdurchflusses auf 10 l/min verringert diese
Schwankungen und somit auch die Lochbildung (Fig. 5).
Eine weitere Verringerung des Prozeßgasdurchflusses auf
3 l/min führte zu einer Veränderung des laserinduzierten
Plasmas mit Ausbildung einer andersartigen
Leuchterscheinung (gelb statt blau). Die Folge war ein
stabiler Prozeß und die Verhinderung des
explosionsartigen Ausgasens und somit der Lochbildung
(Fig. 6). Diese porenfreie Schweißnaht wies eine hohe
äußere Nahtqualität auf. Die Laserleistung betrug 3 kW am
Werkstück, bei Vorschüben bis zu 70 mm/s.
Mit dieser Veränderung des äußeren Prozeßablaufes gehen
jedoch Veränderungen des Gefüges (Fig. 7-9) und der
Kleinlasthärte einher. Die Kleinlasthärte (Messung nach
DIN 50163) steigt dabei im Mittel innerhalb des
Schweißgutes von 293 HV 0,1 bei 20 l/min Argon, über 338
HV 0,1 bei 10 l/min Argon auf 732 HV 0,1 bei 3 l/min
Argon, so daß in diesem Fall im Schweißgut ein rein
martensitisches Gefüge vorliegt. Das Ansteigen der Härte
ist auf eine Erhöhung des C-Gehaltes innerhalb des
Schweißgutes durch Aufnahme von Kohlenstoff aus der durch
den Fügeprozeß zersetzten innenliegenden
Kunststoffschicht zurückzuführen. Die unter Anpassung des
Prozeßgasdurchflusses erstellten Zugproben (nach DIN
50114 Proportionalflachproben mit Köpfen, Größe jedoch
abweichend 100×15 mm) rissen grundsätzlich im
Verbundblech bei Zugspannungen Rm ∼280 N/mm2.
Kritisch muß dabei jedoch angemerkt werden, daß das
Toleranzfeld des Prozeßgasdurchflusses relativ klein ist,
so daß größere Schwankungen in der Durchflußmenge bereits
zu Instabilitäten des Prozesses, und somit der
Lochbildung, führen.
Eine Veränderung der Prozeßgasart führte zu keinen
besseren Ergebnissen. Nicht erfolgreich war
beispielsweise der Versuch, durch Zuführung von
Sauerstoffanteilen ein Verbrennen der Zersetzungsgase,
und somit eine Reduzierung des Zersetzungsgasdruckes, zu
ermöglichen.
Versuche 5-7
Mit mechanischen Verfahren kann die Schichtkomponente
Kunststoff zwischen den Stahl-Decklagen ausgeschält bzw.
verdichtet werden, so daß an der Fügestelle ein
kunststofffreier Bereich entsteht. Dies führt zu einem
unbeeinflußten Fügeprozeß. Das mechanische Entfernen bzw.
Verdichten der Kunststoffschicht wurde dabei dem
eigentlichen Fügeprozeß vorgeschaltet. Versuch 5 zeigt,
daß eine zu kleine kunststofffreie Zone im Fügeprozeß zu
den bekannten Problemen der Lochbildung führt. Am
Querschliff ist die in Fig. 10 zu erkennen. Die
optimierten Versuche wurden mit 3 kW Laserleistung am
Werkstück, Vorschüben bis zu 70 mm/s sowie Argon als
Prozeßgas bei einem Gasdruck von 0,3 MPa und einem
Durchfluß von 10 l/min durchgeführt.
Beim Versuch 6 wurde mit thermischen Verfahren der
Kunststoff verdampft, so daß an der Fügestelle ein
kunststofffreier Bereich entstand mit dem Ergebnis eines
vom Kunststoff unbeeinflußten Fügeprozesses. Dabei wurden
die Verbundblechproben so mit einem defokussierten
Laserstrahl geringer Leistung normal zur Stoßkante
beaufschlagt, daß der innenliegende Kunststoff
verdampfte, ohne daß dies zu einer feststellbaren
Beeinflussung der Stahldecklagen führte. Die so
vorbereiteten Proben wurden dann in einem Fügeprozeß
(PL = 3 kW, Vf 70 mm/s, Prozeßgas Argon: 0,3 MPa, 10
l/min) mit Vollblechen verschweißt. Es ergaben sich
porenfreie Schweißnähte hoher äußerer Nahtqualität
(Fig. 11). Bei den Zugversuchen rissen die Proben im
Verbundblech bei mittleren Spannungen Rm ∼275 N/mm2 mit
geringer Streuung. Die Streuung ist auf unterschiedliches
Ausgasen der einzelnen Verbundbleche aufgrund zum
Beispiel geringfügig unterschiedlicher Öffnungsweiten
zwischen den beiden Stahldecklagen zurückzuführen.
Eine weitere Möglichkeit, einen kunststofffreien Bereich
in der Stoßkante zu erreichen, ist ein Versiegeln der
Stoßkante mittels Umschmelzen. Dies wurde im Versuch 7
durch Beaufschlagung der Stoßkante mit einem defokussalen
Laserstrahl erreicht. Beim anschließenden Verschweißen
mußte jedoch Lochbildung beobachtet werden, die in erster
Linie auf die ungleichmäßige Stoßkante des Verbundbleches
nach dem Umschmelz- und Versiegelungsprozeß
zurückzuführen sind. Im Stoßbereich ergaben sich nach der
Kantenversiegelung halbovale Stoßkanten mit einem in
Nahtrichtung leicht welligen Profil. Dies führte im Stoß
zu einer Spaltbildung im oberen und unteren
Stoßquerschnittbereich sowie teilweise zu einer
Lochbildung bereits im Stoß. Die halbovale
Kantengeometrie führte ferner zu Führungsschwierigkeiten
und zu einem Abgleiten der beiden Bleche gegeneinander
(Fig. 12). Die Prozeßparameter waren identisch mit den
anderen Versuchen mit vorheriger Entfernung der
innenliegenden Kunststoffschicht.
Versuch 8
Es wurde auch das Fügen des thermisch empfindlichen
Verbundbleches unter einer geschlossenen Wasserabdeckung
probiert, was sich jedoch als sehr problematisch erwies.
Man benötigt bei dieser Laserfügevariante angepaßte
Düsensysteme, ansonsten kommt es aufgrund des
Prozeßgasstrahles in Zusammenwirkung mit dem Wasser auf
der Blechoberseite zu keiner stabilen Ausbildung eines
laserinduzierten Plasmas, und somit zu keiner
kontinuierlich qualitativ hochwertigen Schweißung.
Außerdem führt die Interaktion zwischen schmelzflüssigem
Stahl und Wasser auf der Unterseite zu einem
instationären Erstarrungsprozeß mit Ausbildung einer
globularen Schweißgutgeometrie ("Schweißguttropfen") auf
der Blechunterseite, und es können nur geringere
Vorschubgeschwindigkeiten 50 mm/s erzielt werden. Die
Schweißergebnisse waren nicht befriedigend.
Versuche 9-12
Die zweite, vielversprechende Fügeart sind Überlappstöße.
Bei den Überlappstößen wird zwischen einfachen
Überlappstößen und Kehlnähten unterschieden, wobei
jeweils das Verbund- oder Vollblech als Oberblech
verwendet werden kann (Fig. 13-16).
Das Fügen im Überlappstoß mit dem Schichtverbundwerkstoff
als Oberblech (Fig. 14) ist problematisch, da hier der
thermisch empfindliche Bereich der innenliegenden
Kunststoffschicht beim Fügeprozeß beeinflußt wird.
Hier wird in jedem Fall durch das Verbundblech hindurch
in das Vollblech geschweißt und im Gegensatz zu den
Schweißungen im I-Stoß besteht keine zweiseitige
Ausgasungsmöglichkeit für die Zersetzungsprodukte. Dies
führt zur Instabilität des laserinduzierten Plasmas mit
durch die explosionsartige Ausgasung verursachten
Schmelzbaderuptionen, und somit Lochbildung. Zudem muß in
dieser Stoßanordnung mit dem Laserstrahl nach Zersetzung
der innenliegenden Kunststoffschicht ein Spalt zum
unteren Deckblech überwunden werden. Diese Ursachen
führen zu einer nur mangelhaften Verbindung der beiden
Bleche miteinander, wobei im Verbundblech eine fast
durchgängige Lochbildung festzustellen ist (Fig. 17).
Bessere Ergebnisse wurden beim Kehlnahtschweißen von oben
liegenden Verbundblechen mit unten liegenden Vollblechen
erzielt (Fig. 19). Die Ausgangsmöglichkeit, insbesondere
in die Kehle, führt hier zu einer durchgängig guten
äußeren Nahtqualität. Es lassen sich nur bei Anpassung
der Prozeßparameter, insbesondere des Prozeßgases, die
bekannten Schmelzbaderuptionen weitestgehend vermeiden.
Die übrigen Prozeßparameter sind mit denen im I-Stoß
identisch.
Einfacher erscheint daher zunächst das Fügen im
Überlappstoß mit beispielsweise einem Werkstoff R-St 14
als Oberblech (Fig. 14, 18, 20). Hier muß jedoch die
Streckenenergie so dosiert eingebracht werden, daß in dem
dem Laserstrahl abgewandten Verbundblech die Schweißung
bereits in dem als Stoß dienenden innenliegenden
Stahldeckblech beendet wird, da ansonsten Probleme mit
Zersetzungsprodukten und ihren Ausgasungen den
Schweißprozeß negativ beeinflussen.
Im Versuch 11 wurde bei einem einfachen Überlappstoß die
eingebrachte Streckenenergie solange reduziert, bis nur
eine Anschweißung der aneinanderliegenden Bleche erzielt
wurde (Fig. 17).
Trotz dieser Reduzierung führt die eingebrachte Energie,
und somit Wärme, im unterliegenden Blech zu einem
geringen thermisch bedingten Verzug. Bei ungenauer
Wärmedosierung kann zwischen den beiden Deckblechen eine
Zugspannung entstehen, die zu einem Ablösen der beiden
Deckbleche voneinander führen kann.
Bei dem Kehlnahtschweißen im Versuch 12 konnte ein Verzug
der Bleche verhindert werden, da die Streckenenergie
durch das geringere zu erschmelzende Volumen weiter
reduziert werden konnte (Fig. 20). Schmelzbaderuptionen
können hier nur vermieden werden, wenn die im Stoß
befindliche untere Decklage des Verbundbleches nicht in
seiner ganzen Tiefe in die schmelzflüssige Phase übergeht
und somit durch geringe Wärmebelastung keine Möglichkeit
zur Eruption durch Zersetzung des Kunststoffes besteht.
Eine allzu große Verringerung der Einschweißtiefe führt
allerdings zu einem zu kleinen tragenden Nahtquerschnitt.
Dieses Verfahren ist anzuwenden, wenn nur eine Decklage
mit dem Vollblech verbunden werden kann, da Kräfte
orthogonal zur Blechoberfläche von dieser Nahtanordnung
nur in das obere, nicht jedoch in das untere Blech
eingeleitet werden. Ebenso werden Scherzugbeanspruchungen
von der Schweißnaht nur in eines der beiden Deckbleche
weitergeleitet.
Mit der Erfindung ist es möglich, das
Laserstrahlschweißen von Verbundblechen als
diskontinuierliche oder durchgehende Bahnschweißung zum
Fügen von Platinen, auch für den großtechnischen Maßstab,
zum Beispiel in der Automobilindustrie, einzusetzen.
Dabei lassen sich im Bereich der I-Stöße insbesondere
drei Verfahrensvarianten einsetzen. Dies sind das
beidseitige Wärmeleitungsschweißen, das Fügen mit
optimierter Prozeßgasanpassung sowie das Schweißen mit
vorheriger thermischer Entfernung der innenliegenden
Kunststoffschicht. Problematisch sind beim
Wärmeleitungsschweißen insbesondere die Abweichungen von
Strahlauftreffpunkt und Stoß, die zu einer Einschränkung
im Bereich der tragenden Nahtquerschnittsfläche führen,
bei dem Tief schweißen mit optimierter Prozeßgasanpassung
die Sensibilität des Schweißprozesses auf Schwankungen
der Durchflußmenge und bei der thermischen Entfernung der
innenliegenden Kunststoffschicht Probleme bei der
Reproduzierbarkeit der Qualität des kunststofffreien
Bereiches.
Beim Überlappstoßschweißen kann das Verfahren
Kehlnahtschweißen mit dem Verbundblech als Oberblech
bedingt eingesetzt werden.