DE4221251A1

DE4221251A1 - Verfahren zur Herstellung lasergeschweißter Platinen

Info

Publication number: DE4221251A1
Application number: DE4221251A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kinzel
Original assignee: Laser Zentrum Hannover Ev 3000 Hannover De; PREUSSAG STAHL AG 31226 PEINE DE; LZH Laser Zentrum Hannover eV; Preussag Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: DE4244826C2; DE4221251C2

Description

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 R_m ∼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 R_m ∼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 (P_L = 3 kW, V_f 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 R_m ∼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.

Claims

1. Verfahren zum Verschweißen von Blechteilen mit Schichtverbundwerkstoffen, die eine zwischen zwei Deckschichten liegende Kunststoffschicht aufweisen mittels Laser, gekennzeichnet durch die Anwendung des Laser-Wärmeleitungsschweißens, wobei eine Deckschicht des Schichtverbundwerkstoffes mit einem benachbarten Blechteil zusammengefügt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verschweißen beider Deckschichten mittels zweier Laser oder eines Lasers mittels Laserstrahl-Teilung und -Umlenkung.

3. Verfahren zum Verschweißen von Blechteilen mit Schichtverbundwerkstoffen, die eine zwischen zwei Deckschichten liegende Kunststoffschicht aufweisen mittels Laser, gekennzeichnet durch Laser- Tiefschweißen über die gesamte Dicke des Schichtverbundwerkstoffes, wobei vor dem Verschweißen die Kunststoffschicht parallel zu und etwa in der Breite der späteren Schweißnaht entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht mechanisch entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht thermisch entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht mittels Laserstrahl entfernt wird.

7. Verfahren zum Verschweißen von Blechteilen mit Schichtverbundwerkstoffen, die eine zwischen zwei Deckschichten liegende Kunststoffschicht aufweisen mittels Laser, gekennzeichnet durch Laser- Tiefschweißen über die gesamte Dicke des Schichtverbundwerkstoffes unter Zufuhr von Schutzgas, wobei der Volumenstrom und/oder der Druck des Schutzgases in Abhängigkeit von der Leuchtfarbe des laserinduzierten Plasma gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzgasstrom so lange reduziert wird, bis das laserinduzierte Plasma seine Farbe von blau nach gelb ändert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, angewendet bei der Stumpfstoß-Verbindung zweier Schichtverbundwerkstoffe oder eines Schichtverbundwerkstoffes mit einem homogenen Werkstoff.

10. Zusammengesetzte lasergeschweißte Platine aus homogenem Werkstoff und Schichtverbundwerkstoff mit Deckschichten aus Stahl und einer dazwischenliegenden Kunststoffschicht, wobei ein ohne Luftschicht gebildeter Überlappstoß der Platinenteile von der Seite des Schichtverbundwerkstoffes her durch Kehlnahtschweißen mittels Wärmeleitungsschweißen der benachbarten Stahlbleche gefügt wird.