DE4341255A1

DE4341255A1 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen unter Zuhilfenahme eines Zusatzwerkstoffes

Info

Publication number: DE4341255A1
Application number: DE4341255A
Authority: DE
Inventors: Sven Dipl Ing Breitschwerdt; Walter Burboeck; Roland Freund; Peter Dr Linden; Thomas Dipl Ing Uhr
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: DE4341255C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen unter Zuhilfenahme eines Zusatzwerkstoffes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus dem Vortragbericht des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik "Schweißen und Tech nik", Titel "Laserstrahlschweißen im Karosserierohbau", H. Rapp und A. Rief, DVS 146, S. 210 - 212, 1992 als bekannt hervorgeht.

Beim Laserstrahlschweißen werden während des Schweißprozesses hohe Ansprüche an die Bauteilaufspannung gestellt. Ein quali tätsbestimmendes Kriterium für das Schweißergebnis ist neben der erforderlichen Positioniergenauigkeit der Bauteile auch die Fügestellengeometrie und die Fügegenauigkeit. Aus fertigungs technischen Gründen lassen sich Bauteile nur mit einem Spalt zwischen den einzelnen Komponenten fügen. So treten bspw. beim Fügen von komplexen, zerspanend bearbeitenden Bauteilen und beim Verbinden von dreidimensionalen Tiefziehbauteilen u. a. auch größere Spalte zwischen den zu fügenden Bauteilen bzw. Bauteilen auf. Diese Spalte in den Fügestellen sind allein durch eine aufwendige Aufspanntechnik nicht gänzlich zu beseitigen, so daß beim Laserstrahlschweißen dieser Teile an den Fügestellen ein Nahteinfall auftritt, der direkt mit der Spaltbreite korreliert ist.

Eine mögliche Abhilfe dieser Problematik ist in dem gattungsge mäß zugrundegelegte Vortrag beschrieben, der ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen unter Zuhilfenahme eines Zusatzwerkstoffes in Form eines Zusatzdrahtes betrifft. Der Zusatzdraht wird ex tern der Fügestelle zugeführt, vom Laserstrahl geschmolzen und das geschmolzene Material des Zusatzdrahtes zur Füllung der an sonst auftretenden Einfallstelle verwendet. Die Dosierung des Zusatzdrahtes sowie das Handling der Zuführeinrichtung des Zu satzdrahtes bedingt jedoch insbesondere bei 3D-Bauteilen einen teuren apparativen und zeitintensiven Aufwand.

Aus der EP 511 746 A2 ist ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen einer Überlappnaht von zwei Blechen bekannt. Der Laserstrahl wird hierbei unter einem spitzen Winkel in den Fügespalt einge strahlt, wobei er innenseitig in der Fügestelle mehrfach reflek tiert wird und das Material der beiden Bleche im Bereich des Fü gespaltes schmilzt. Bei dieser Art der Laserstrahlschweißung treten allerdings die schon eingangs beschriebenen Probleme mit den Einfallstellen auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundege legte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß es bei einer Verringerung, insbesondere einer Vermeidung der Einfallstellen an den Schweißnähten einfacher und billiger angewendet werden kann.

Die Aufgabe wird bei einem zugrundegelegten Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die An fügung eines abragenden und beim Laserstrahlschweißen dem Laser strahl zugänglichen Materialüberstandes am Fügespalt eines der beiden Bauteile, kann der Laserstrahl Material des Material überstandes schmelzen. Dieses geschmolzene Material des Mate rialüberstandes kann anschließend in Richtung des Fügespaltes transportiert und als Zusatzwerkstoff verwandt werden. Dadurch entfällt der separat als Zusatzwerkstoff zuzuführende Zusatz draht und mit ihm auch der bislang für seine Zuführung benötigte teure apparative und zeitintensive Aufwand.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt auf einen Überlappstoß, der durch von zwei Bauteilen abragenden Flanschen gebildet wird mit an gelegtem Laserstrahl,

Fig. 2 der geschweißte Überlappstoß nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen T-Stoß, der durch einen von einem Bauteil abragen den Flansch und eine an den Flansch angelegte Schmalseite eines zweiten Bauteiles gebildet wird, mit zur Verschwei ßung angelegtem Laserstrahl.

In Fig. 1 ist ein Überlappstoß dargestellt, der von zwei anein ander gelegten Flanschen 9 10 gebildet wird, die an zwei entlang dem Überlappstoß zu verschweißenden Bauteilen (Unterteil 2 und Oberteil 3) angeordnet sind und die von dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 nach außen abragen. Die Erstreckung des Flansches 9 des Unterteiles 2 ist größer als die entsprechende Ersteckung des Flansches 10 des Oberteiles 3. Beim Aneinanderfügen des Oberteiles 3 an das Unterteil 2 werden diese derart aneinander gelegt, daß der Flansch 9 des Unterteiles 2 entlang des gesamten Fügespaltes 1 einen Materialüberstand 4 bildend über den Rand des Flansches 10 des Oberteiles 3 hinausragt. Des weiteren ist der Materialüberstand 4 in einfacher Weise frei zugänglich für den Laserstrahl 5. Als günstig hat es sich hierbei erwiesen, die vom Fügespalt weg gemessene Erstreckung des Materialüberstandes 4 größer als die lichte Weite des Fügespaltes 1 zwischen dem Flansch 9 des Unterteiles 2 und dem Flansch 10 des Oberteiles 3 zu wählen. Bei aus Blech gefertigten Unterteiles 2 wird die Er streckung des Materialüberstandes 4 sinnvollerweise größer als das 0.5- bis 7fache, insbesondere das 1- bis 3fache der Wand dicke des Materialüberstandes 4 gewählt. Bei normalen in der Au tomobilindustrie verwandten Blechen ergibt sich damit für die nach außen gemessene Erstreckung des Materialüberstandes 4 etwa zwischen 0.5 mm und 7 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 4 mm.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen und Fügeungenauigkeiten und dgl. weist der zwischen den Flanschen 9 und 10 angeordnete Füge spalt 1 eine lichte Weite auf, die in ungünstigen Fällen größer 0.2 mm sein kann. Diese lichte Weite des Fügespaltes 1 führt bei herkömmlichen Laserschweißtechniken zu Komplikationen, wie bspw. einem Einfall der Schweißnaht 13. Um dies zu vermeiden wird bei der Erfindung die Achse 7 des Laserstrahles 5 derart gegenüber der Oberfläche 8 des Materialüberstandes 4 geneigt, daß sie mit dieser Oberfläche 8 einen Winkel α kleiner 30°, insbesondere zwischen 8° und 12° einschließt. Des weiteren trifft die Achse 7 des Laserstrahles 5 die Oberfläche 8 des Materialüberstandes 4 etwa 0.5 mm bis 4 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm außerhalb des Fügespaltes 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der eingeschlossene Winkel α ca. 10° und die Entfernung des Auf treffpunktes 14 der Achse 7 des Laserstrahles 5 auf dem Mate rialüberstand 4 von dem Fügespalt 1 etwa 2 mm. Durch diese Maß nahmen schmilzt der Laserstrahl 5 außerhalb des Fügespaltes 1 Basiswerkstoff aus dem Materialüberstand 4 auf. Der geschmolzene Basiswerkstoff des Materialüberstandes 4 wird durch ein Arbeits gas 6, das u. a. auch noch die Oxidation des Schmelzbades weitge hend verhindert, in Richtung des Fügespaltes 1 transportiert. In dem Fügespalt, der den Materialtransport durch Kapillarwirkung unterstützt, wird der geschmolzene Basiswerkstoff zusammen mit dem durch den in dem Fügespalt 1 reflektierten Laserstrahl 5 (siehe Fig. 3) nahezu zeitgleich geschmolzenen Basiswerkstoff des Fügespaltes 1 gemeinschaftlich als Zusatzwerkstoff zur Fül lung der Schweißnaht 13 verwandt. Die erstarrte Schmelze füllt dann ohne Einfallstellen, wie in Fig. 2 dargestellt, den gesam ten Fügespalt 1 aus.

Durch den Abtransport des geschmolzenen Basiswerkstoffes des Ma terialüberstandes 4 verbleibt i.a. bei fertig verschweißten Bau teilen außerhalb des Fügespaltes 1 eine Mulde 15. Diese Mulde 15 kann in einigen Fällen dadurch vermieden werden, daß der Mate rialüberstand 4, der Fügespalt 1 und die Schweißparameter derart eingestellt werden, daß zur Auffüllung der Schweißnaht 13 der Materialüberstand 4 nahezu vollständig aufgeschmolzen wird.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, und zwar ein T-Stoß, dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird nur das Unterteil 2′ mit einem Flansch 11 versehen. An diesem Flansch 11 wird unter Wahrung eines vom Laserstrahl 5 zugänglichen und etwa 1 mm bis 2 mm betragenden Materialüberstandes 4′ die zu Schwei ßung vorgesehene Schmalseite 12 des Oberteiles 3′ angelegt und ausgerichtet. Ein Teil des Materialüberstandes 4′ dient beim an schließenden Laserschweißen als Zusatzwerkstoff zur Füllung der Schweißnaht. Der Laserstrahl 5 wird hierbei nicht in den Füge spalt 1′ eingekoppelt, sondern um 1 mm bis 2 mm außerhalb des Fügespaltes 1′ auf den Materialüberstand 4′ gerichtet. Durch den Abstand des Auftreffpunktes 14′ des Laserstrahls 5 auf dem Mate rialüberstand 4′ von dem Fügespalt 1′ und durch einen Einfalls winkel (Winkel α′) kann das Volumen des vom Laserstrahl 5 aufge schmolzenen Basiswerkstoffes des Materialüberstandes 4′ festge legt werden. Das Schmelzvolumen hängt hierbei linear mit dem Ab sorbtionsgrad des Basiswerkstoffes zusammen. Dieser Absorbtions grad wiederum ist abhängig vom Einstrahlwinkel, also dem einge schlossenen Winkel α′.

Als sinnvoll hat sich hierbei ein Einstrahlwinkel ergeben, der mit der Oberfläche 8′ des Materialüberstandes 4′ insbesondere zwischen 8° und 12° aufweist, da hier das geeignetste Verhältnis zwischen aufgeschmolzenem Basiswerkstoff des Materialüberstandes 4′ (Absorbtion) und ausreichender Reststrahlung (Reflexion) vor liegt. Der Transport des aufgeschmolzenen Basiswerkstoffes des Materialüberstandes 4′ erfolgt zweckmäßiger Weise durch ein koa xial zum Laserstrahl 5 zugeführtes Arbeitsgas 6, das den aufge schmolzenen Basiswerkstoff in Richtung des Fügespaltes 1′ bläst und der von der Kapillarwirkung des Fügespaltes 1′ unterstützt wird. Beim anschließenden Erstarren verhindert die Oberflächen spannung der Schmelze ein Zurücklaufen des aufgeschmolzenen Ba siswerkstoffes des Materialüberstandes 4′ in die Mulde 15′ des Materialüberstandes 4′, aus dem er aufgeschmolzen wurde.

Claims

1. Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen unter Zuhil fenahme eines Zusatzwerkstoffes, bei welchem Verfahren zwei zu verschweißende Bauteile, im folgenden Unterteil und Oberteil ge nannt, im Bereich ihrer späteren gemeinsamen Schweißnaht anein ander gefügt werden und bei dem im Bereich des Fügespaltes Ba sis- und Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen und zur gemeinschaftli chen Bildung der Schweißnaht und der Schweißnahtauffüllung ver wandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Fügespaltes (1, 1′) Basiswerkstoff aus einem im Bereich des Fügespaltes (1, 1′) an dem Unterteil (2, 2′) oder dem Oberteil (3, 3′) angeordneten Materialüberstand (4, 4′) mit dem Laserstrahl (5) aufgeschmolzen, in Richtung des Fügespaltes (1, 1′) transportiert, und als Zusatzwerkstoff verwandt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportieren des Zusatzwerkstoffes in den Bereich des Fügespaltes (1, 1′) mittels eines Arbeitsgases (6) und der Ka pillarkraft des Fügespaltes (1, 1′) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (7) des Laserstrahles (5) außerhalb des Fügespal tes (1, 1′) auf den Materialüberstand (4, 4′) gerichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Fügespalt (1, 1′) weg gemessene Erstreckung des Ma terialüberstandes (4, 4′) größer als die lichte Weite des Füge spaltes (1, 1′) zwischen dem Unterteil (2, 2′) und dem Oberteil (3, 3′) gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei aus Blech gefertigten Unter- (2, 2′) bzw. Oberteilen (3, 3′) die Erstreckung des Materialüberstandes (4, 4′) größer als das 0.5-bis 7fache, insbesondere das 1- bis 3fache der Wand dicke des MaterialÜberstandes (4, 4′) gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gemessene Erstreckung des Materialüberstandes (4, 4′) etwa zwischen 0.5 mm und bis 7 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 4 mm gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (7) des Laserstrahls (5) mit der Oberfläche (8) des Materialüberstandes (4, 4′) einen Winkel (α, α′) kleiner 30°, insbesondere zwischen 8° und 12° einschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) mit seiner Achse (7) etwa 0.5 mm bis 4 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm außerhalb des Fügespaltes (1, 1′) auf den Materialüberstand (4, 4′) ausgerichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) in den Fügespalt (1, 1′) eindringt und innerhalb des Fügespaltes (1, 1′) von den den Fügespalt (1, 1′) bildenden Oberflächen des Unterteiles (2, 2′) und des Oberteiles (3, 3′) wenigstens teilreflektiert wird.