DE4341255C2

DE4341255C2 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen

Info

Publication number: DE4341255C2
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
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: DE4341255A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der gattungsbildend zugrundegelegten EP 511 746 A2 als bekannt hervorgeht.

Aus der EP 511 746 A2 ist ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen einer Überlappnaht von zwei Blechen bekannt, die im Bereich ih rer späteren gemeinsamen Schweißnaht einen Materialüberstand aufweisen. Der Laserstrahl wird unter einem spitzen Winkel in den Fügespalt eingestrahlt und zumindest teilweise reflektiert. Der teilreflektierte Laserstrahl wird in den Fügespalt umge lenkt. Ferner schmilzt der schweißende Laserstrahl zusätzlich noch außerhalb des Fügespaltes Basiswerkstoff aus dem Mate rialüberstand auf, der durch Kapillarwirkung in den Fügespalt gelangt, wo er als Zusatzwerkstoff zur Füllung der Schweißnaht dient. Trotz dieser Maßnahme treten bei dieser Art der Laser strahlschweißung allerdings die Einfallstellen in der Schweiß naht auf.

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 Fü gestellengeometrie und die Fügegenauigkeit. Aus fertigungstech nischen Gründen lassen sich Bauteile nur mit einem Spalt zwi schen den einzelnen Komponenten fügen. So treten bspw. beim Fü gen von komplexen, zerspanend bearbeitenden Bauteilen und beim Verbinden von dreidimensionalen Tiefziehbauteilen u. a. auch grö ßere Spalte zwischen den zu fügenden Bauteilen bzw. Bauteilen auf. Diese Spalte in den Fügestellen sind allein durch eine auf wendige 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 auf dem Gebiet des Karosserierohbaus durch DVS 146, S. 210-212, 1992, bekannt ge worden. Es wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen unter Zu hilfenahme eines Zusatzwerkstoffes in Form eines Zusatzdrahtes beschrieben. Der Zusatzdraht wird extern der Fügestelle zugeführt, vom Laserstrahl geschmolzen und das geschmolzene Material des Zusatzdrahtes zur Füllung der ansonst auftretenden Einfallstelle verwendet. Die Dosierung des Zusatzdrahtes sowie das Handling der Zuführeinrichtung des Zusatzdrahtes bedingt jedoch insbeson dere bei 3D-Bauteilen einen teuren apparativen und zeitintensi ven Aufwand.

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

Die Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen zugrundegelegten Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ge löst. Dadurch, daß der Laserstrahl außerhalb des Fügespalts auf die Oberfläche des Materialüberstands gerichtet wird und das aus dieser Oberfläche aufgeschmolzene Basismaterial mittels eines Arbeitsgases in den Fügespalt transportiert wird, ist eine ge naue Dosierung des insgesamt aufgeschmolzenen Werkstoffs und da mit der Schweißnahtfüllung möglich. Es entfällt auch ein separat als Zusatzwerkstoff zuzuführender Zusatzdraht und mit ihm auch der für seine Zuführung benötigte teure apparative und zeitin tensive Aufwand.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Fi guren dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden erläu tert. 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 7-fache, insbesondere das 1- bis 3-fache 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 vorteilhaft hat sich hierbei ein Einstrahlwinkel gegenüber der Oberfläche 8' des Materialüberstandes 4' zwischen 8° und 12° erwiesen, da hier das geeignetste Verhältnis zwischen aufge schmolzenem Basiswerkstoff des Materialüberstandes 4' (Absorbtion) und ausreichender Reststrahlung (Reflexion) vor liegt. Der Transport des aufgeschmolzenen Basiswerkstoffes des Materialüberstandes 4' erfolgt durch ein koaxial zum Laserstrahl 5 zugeführtes Arbeitsgas 6, das den aufgeschmolzenen Basiswerk stoff in Richtung des Fügespaltes 1' bläst und der von der Ka pillarwirkung des Fügespaltes 1' unterstützt wird. Beim an schließenden Erstarren verhindert die Oberflächenspannung der Schmelze ein Zurücklaufen des aufgeschmolzenen Basiswerkstoffes des Materialüberstandes 4' in die Mulde 15' des Materialüberstandes 4', aus dem er aufgeschmolzen wurde.

Claims

1. Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen, bei dem ei nes der beiden zu verschweißende Bauteile im Bereich ihrer spä teren gemeinsamen Schweißnaht einen Materialüberstand aufweist, welcher unter Bildung der Schweißnaht aufgeschmolzen und als Schweißnahtauffüllung verwandt wird, wobei, mit dem schweißenden Laserstrahl außerhalb des Fügespaltes Ba siswerkstoff aus dem Materialüberstand aufgeschmolzen wird und durch Kapillarwirkung in den Fügespalt gelangt, wo er als Zu satzwerkstoff zur Füllung der Schweißnaht dient, bei dem weiterhin der schweißende Laserstrahl teilweise reflek tiert und der teilreflektierte Laserstrahl in den Fügespalt um gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet

1. - daß der Laserstrahl (5) mit seiner Achse (7) außerhalb des Fü gespaltes (1, 1') auf die Oberfläche (8, 8') des Materialüber standes (4, 4') gerichtet wird,
2. - daß die Achse (7) des Laserstrahls (5) mit der Oberfläche (8) des Materialüberstandes (4, 4') einen Winkel (α, α') kleiner als 30°, insbesondere zwischen 8° und 12° einschließt und
3. - daß das aus dieser überstehenden Oberfläche (8, 8') aufge schmolzene Basismaterial mittels eines Arbeitsgases (6) in den Fügespalt (1, 1') transportiert wird.

2. 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 dein Oberteil (3, 3') gewählt wird.

3. 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 7-fache, insbesondere das 1 bis 3-fache der Wand dicke des Materialüberstandes (4, 4') gewählt wird.

4. 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.

5. 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.